环氧氯丙烷皂化废浆碳化法生产轻质碳酸钙生产工艺设计

目录前言 3第一章 设计背景 61.1环氧氯丙烷皂化废浆概述 61.1.1环氧氯丙烷皂化废浆的性质 61.1.2环氧氯丙烷皂化废浆的应用 6第二章 环氧氯丙烷皂化废浆表面改性及反应实验研究 102.1主要试剂及主要设备 102.1.1主要试剂 102.1.2主要设备 102.2实验原理 102.2.1反应方程及反应过程 102.3实验方法 122.3.1实验的操作步骤 122.4实验操作图 13第三章环氧氯丙烷皂化废浆碳化法生产轻质碳酸钙生产工艺 163.1环氧氯丙烷皂化废浆碳化法生产轻质碳酸钙生产工艺流程图 163.2环氧氯丙烷皂化废浆生产轻质碳酸钙工艺设计图 173.3关键设备碳化釜内部结构图 20第四章物料衡算 214.1主要技术指标 214.2物料衡算 21第五章设计总结 23参考文献 26

前言环氧氯丙烷是一种非常重要的化工产品，物理形态是一种无色液体，有似氯仿气味，易挥发，不稳定。主要用途是用于制环氧树脂，也是一种含氧物质的稳定剂和化学中间体，环氧基及苯氧基树脂之主要原料；制造甘油；熟化丙烯基橡胶；纤维素酯及醚之溶剂；纸业之高湿强度树脂。环氧氯丙烷是一种重要的有机化工原料和精细化工产品，环氧氯丙烷的用途非常的广泛。以环氧氯丙烷为原材料所制得的环氧树脂具有：粘结性强、耐化学介质腐蚀、化学稳定性好、抗冲击强度高以及介质电性能优异等特点，因为这些特点使得环氧氯丙烷在涂料、胶粘剂、增强材料、浇铸材料和电子层制品等行业具有非常广泛的应用。环氧氯丙烷甘油的应用是最早于1854年由Berthelot用盐酸处理粒甘油，然后用碱液水解操作时首次发现的。属于意外之得，20世纪60年代前后，为适应环氧树脂生产发展的需求，环氧氯丙烷开始以氯丙烯为原料作为主要产品进行生产。工业上环氧氯丙烷的生产方法主要有丙烯高温氯化法和醋酸丙烯酯法两种。前者由美国Shell公司于1948年首次开发成功并应用于工业化生产，当前世界上90%以上的环氧氯丙烷采用该方法进行生产。后者由前苏联科学院以及日本昭和电工公司于20世纪80年代分别开发成功。生物柴油衍生副产甘油的大量产出，甘油路线生产环氧氯丙烷工艺成本上得以可行。该路线突出的优势是绿色环保，三废量较丙烯法得到极大减少，索尔维、江苏扬农、益海嘉里等企业是该工艺路线的领军者。危险性摄取，吸入及皮肤吸收有毒。刺激性强烈。可能会致癌。在空气中容许量2ppm。易燃，中度着火危险性。危险特性：易燃液体与空气混合可爆;遇明火、高温、氧化剂较易燃;燃烧产生有毒氯化物烟雾。储存的要求：包装不能超过240KG，库房要求通风、低温、干燥;要求它要与氧化剂和酸类等要分开存放。 环氧氯丙烷是一种重要的有机合成原料与中间体。用于生产环氧树脂及用作环氧树脂的稀释剂。也用于制造甘油、硝化甘油炸药、玻璃钢、甲基丙烯酸甘油酯、氯醇橡胶、缩水甘油衍生物、表面活性剂、电绝缘制品等，主要用于制备甘油、环氧树脂、氯醇橡胶、聚醚多元醇，是生产甘油及缩水甘油衍生物的重要原料，用作有机溶剂，环氧氯丙烷是杀鼠剂鼠甘伏的中间体，有机合成。有机溶剂（树脂、树胶、纤维素酯、纤维素醚等的溶剂）。【环氧树脂是环氧氯丙烷重要的下游领域，以它为原料制得的环氧树脂具有粘结性强，耐化学介质腐蚀、收缩率低、抗冲击强度高及介电性能优异等特点。环氧树脂的种类繁多，区别起见，常在环氧树脂的前面加上不同单体的名称。如二酚基丙烷(简称双酚A)环氧树脂(由双酚A和环氧氯丙烷制得);甘油环氧树脂(由甘油和环氧氯丙烷制得);丁烯环氧树脂(由聚丁烯氧化而得);环戊二烯环氧树脂(由二环戊二烯环氧化制得)。此外，对于同一类型的环氧树脂，也根据它们的黏度和环氧值的不同而分成不同的牌号，因此它们的性能和用途也有所差异。目前应用最广泛的是双酚A型环氧树脂的一些牌号，通常所说的环氧树脂就是指双酚A型环氧树脂。

双酚A型环氧树脂是环氧树脂中产量最大、使用最广的一种品种，因为它有很高的透明度，也是由双酚A和环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下反应生成的。根据相对分子质量大小，环氧树脂可以分成各种型号。一般低相对分子质量环氧树脂的n平均值小于2，软化点低于50℃，也成为软环氧树脂;中等相对分子质量环氧树脂的n值在2~5之间，软化点在50~95℃之间;而n大于5的树脂(软化点在100℃以上)称为高相对分子质量树脂。式中n一般在0~25之间。】2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，环氧氯丙烷在2A类致癌物清单中环氧氯丙烷对身体健康具有危害，侵入的途径有：吸食，食用和经皮吸入。环氧氯丙烷对健康危害有：蒸气对呼吸道有强烈刺激性。反复和长时间吸入能引起肺、肝和肾损害。高浓度吸入致中枢神经系统抑制可致死。蒸气对眼有强烈刺激性，液体可致眼灼伤。皮肤直接接触液体可致灼伤。口服引起肝、肾损害，可致死。慢性中毒：长期少量吸入可出现神经衰弱综合征和周围神经病变，世界环氧氯丙烷的总消费量约为120万吨/年，产品主要用于生产环氧树脂、合成甘油、氯醇橡胶以及缩水甘油醚等，其中环氧树脂的消费量约占消费量的75%。本次设计并不是直接用环氧氯丙烷作为原料，而是利用环氧氯丙烷皂化废浆和废渣，因为环氧氯丙烷废浆和废渣中主要含有大量氯化钙、氧化铁、氧化铝、氧化硅等，以及微量的氯烷或氯醇等有机物，成分复杂，白度不高，呈强碱性，所以可以通过环氧氯丙烷皂化废浆进行一系列反应生成轻质碳酸钙等产物。

设计背景1.1环氧氯丙烷皂化废浆概述在环氧氯丙烷的生产方法中，虽然丙烯高温氯化法生产环氧氯丙烷的工艺成熟、操作稳定、灵活度高，但是存在“皂化废浆”排放量巨大等缺点。环氧氯丙烷皂化废浆液主要含有大量氯化钙、适量氢氧化钙，少量碳酸钙、氧化铁、氧化铝、氧化硅等，以及微量氯烷或氯醇等有机物，成分复杂，白度不高，呈强碱性，通常经固液分离为固体废渣和废液。1.1.1环氧氯丙烷皂化废浆的性质环氧氯丙烷皂化废浆是一种固液混合物，呈强碱性，有微白色物质沉淀。环氧氯丙烷废浆的特点是：环氧氯丙烷废浆中主要含有大量氯化钙以及适量氢氧化钙，少量碳酸钙、氧化铁、氧化铝、氧化硅等，以及微量氯烷或氯醇等有机物，如果直接排放的话，对环境的危害非常大。1.1.2环氧氯丙烷皂化废浆的应用环氧氯丙烷虽然直接排放对环境危害非常大，但是由于它的废渣废液中主要含有大量氯化钙、适量氢氧化钙，少量碳酸钙、氧化铁、氧化铝、氧化硅等物质，以及微量氯烷或氯醇等有机物，所以我们可以通过用环氧氯丙烷的废渣废液为原料，再以氯化铵提取反应和CO2碳化反应以及脱水加干燥等工序成功制得以CaCO3质量分数达到99.5%以上的高纯度轻质碳酸钙为主和轻质碳酸镁以及不溶性中性残渣和可循环利用的澄清透明残液。（1）轻质碳酸钙的性质及应用轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙，简称PCC。外观是一种白色粉末或无色结晶状物质。无气味。无味。82.5℃时会分解为氧化钙和二氧化碳，溶于稀酸而放出二氧化碳，它不溶于及醇。有两种结晶，一种是正交晶体文石，一种是六方菱面晶体方解石。方解石,有刺激性。轻质碳酸钙是用化学加工方法制得的。由于它的沉降体积(2.4-2.8mL/g)比用机械方法生产的重质碳酸钙沉降体积(1.1-1.9mL/g)大，因此被称为轻质碳酸钙轻质碳酸钙是将石灰石等原料段烧生成石灰（主要成分为氧化钙）和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳（主要成分为氢氧化钙），然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后经脱水、干燥和粉碎而制得，或者先用碳酸钠和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀，然后经脱水、干燥和粉碎等工序而制得。 轻质碳酸钙的形状根据碳酸钙晶粒形状的不同,可将轻质碳酸钙分为纺锤形、立方形、针形、链形、球形、片形和四角柱形碳酸钙,这些不同晶形的碳酸钙可由控制反应条件制得。轻质碳酸钙按其原始平均粒径(d)分为:微粒碳酸钙(5μm)、微粉碳酸钙(1～5μm)、微细碳酸钙(0.1～1μm)、超细碳酸钙(0.02～0.1μm)、超微细碳酸钙(0.02μm)；轻质碳酸钙的应用：轻质碳酸钙的作用及用途非常广泛，1.在橡胶行业中，碳酸钙是橡胶工业中使用的最早量最大的填充剂之一，通过使碳酸钙大量填充在橡胶之中，既可以增加制品的容积，也可以达到节约成本的目的，碳酸钙填入橡胶能获得比纯橡胶硫化物更高的抗张强度耐磨性，撕裂强度，并且能够在天然橡胶和合成橡胶中有显著的补强作用，而且同时可以达到调整稠度的目的。2.在塑料行业中，它在塑料制品中也能够起到一种骨架作用，能够对塑料制品尺寸的稳定性起很大作用，也能提高塑料制品的硬度，还可以提高制品的表面光泽和表面平整性。而且在一般塑料制品中通过添加碳酸钙的手段可以使制品的耐热性得到提高，还有由于碳酸钙的白度在90%以上，可以取代昂贵的白色颜料起到一定的增白作用。3.在油漆行业中，轻质碳酸钙的用量较大，是不可缺少的骨架，在稠漆中用量为30%以上，酚醛磁漆4-7%里酚醛细花纹皱纹漆39%以上；在水性涂料行业的应用轻质碳酸钙的用途则更为广泛，它能使涂料获得不沉降，易分散，光泽好等特性，在水性涂料用量达到了20-60%；另外，轻质碳酸钙碳酸钙在造纸工业中也起到了重要的作用，通过加入轻质碳酸钙，能保证纸的强度和白度，而且成本较低。它在电缆行业也能起一定的绝缘作用。甚至还能作为牙膏的摩擦剂。所以轻质碳酸钙的应用非常的广泛，具有良好的经济效益。通过使用环氧氯丙烷废液来生产轻质碳酸钙，具有广泛的市场前景。

（2）轻质碳酸镁的性质及应用轻质碳酸镁的外观：呈白色单斜结晶或者无定形粉末，无毒，无味，在空气中稳定。物理性质：轻质碳酸镁微溶于水，能使水呈弱碱性，15℃时在水中溶解度为0.02g/100gH2O，25℃时为0.025g/100gH2O，100℃时为0.5g/100H2O。在水中长时间煮沸，有部分分解为氢氧化镁。易溶于酸，遇稀酸即起泡分解，放出CO2。相对密度为2.16，导热系数为0.0692w/(m·k)，折射率为1.534。轻质碳酸镁的应用：轻质碳酸镁可用作医药中间体、解酸剂、干燥剂、护色剂、载体、抗结快剂等；它可以在食品中充当作添加剂、镁元素等补偿剂；轻质碳酸镁还可以在精细化工上用于生产化学试剂；还可以在橡胶中作补强剂、填充剂，可作绝热、耐高温的防火保温材料；制造高级玻璃制品；搪瓷陶瓷起表面光亮作用；制作镁盐、颜料、油漆、日用化妆品、造船、锅炉制造。还可以在涂料工业中用作配件颜料、油漆、油墨的填充料，使用轻质碳酸镁可增加白度和遮盖力。

环氧氯丙烷皂化废浆表面改性及反应实验研究2.1主要试剂及主要设备2.1.1主要试剂环氧氯丙烷皂化废浆，NH4CL,AD7552.1.2主要设备烧杯、碳化釜、电动搅拌器、支架、烧瓶、滤纸、真空抽滤装置、玻璃棒、恒温干燥箱等2.2实验原理由于环氧氯丙烷皂化废浆液中主要含有大量氯化钙、适量氢氧化钙和少量碳酸钙、氧化铁、氧化铝、氧化硅等，以及微量氯烷或氯醇等有机物，成分较为复杂，所以我们可以用环氧氯丙烷皂化废浆为原料，以氯化铵提取反应、CO2碳化反应、脱水、干燥等工序成功制得CaCO3质量分数达到99.5%以上的高纯度轻质碳酸钙、碳酸镁、不溶性中性残渣和可循环利用的澄清透明残液。2.2.1反应方程及反应过程（1）浸取反应反应方程如下Ca（oH）2＋2NH4CLcacl2＋NH3`H2O（2）过滤利用真空过滤装置将溶液进行过滤操作，过滤后将滤液保留（3）碳化反应反应方程如下，并在反应开始后加入五滴AD755Cacl2＋NH3`H2O＋Co2caco3＋2NH4CL＋H2O当反应物PH值到达7时，反应到达终点（4）过滤将我们得到的反应物再次用真空过滤装置进行过滤（5）干燥，磨粉将过滤得到的产物进行干燥处理，并磨粉，得到轻质碳酸钙。2.3实验方法2.3.1实验的操作步骤实验的操作步骤和方式方法：1.首先，我们盛取三烧杯各三千ml的环氧氯丙烷皂化废浆，并准备分别为30、35、40克的氯化铵粉末，分别加入三支烧瓶中进行过滤并保留滤液。2.将三支烧杯进行编号处理，加三十克氯化铵的为一号烧杯，加三十五克氯化铵的为二号烧杯，加四十克氯化铵的为三号烧杯，我们组先拿一号烧杯开始进行实验，我们先开始安装搅拌装置，将搅拌装置放入烧杯中，然后放入二氧化碳通气管，开始进行碳化反应，并加入五滴AD755（AD755:粉体改性剂，它和化学反应原理为:随着粒径的变小，表面静电能增加，原生颗粒出现团聚现象。特殊亲水基团和亲油基团的助剂AD755，从生产过程中包覆，防止颗粒团聚。通过介质包覆到粉体颗粒表面，亲水基团与粉体颗粒进行化学反应产生永久性缔合。亲油基团朝外与树脂相互融合。起到粒子间解聚分散、降低吸油值、增加比表面积、还原原生粒径的作用，且性能稳定。）操作步骤如下：开启搅拌器，通入二氧化碳，通过计算数据加入适量的氨水，此时反应以及开始，我们组开始记录溶液的温度及溶液的PH值。等待溶液变浑浊，我们每五分钟记录一次数据，溶液开始慢慢变成乳白色，当溶液的PH值达到7左右时，反应即将到达终点，等待一段时间过后，我们将搅拌装置及二氧化碳通入装置关闭后取出一号烧杯，并开始准备第二、三号烧瓶的实验，将二号烧杯放入搅拌装置及二氧化碳通入装置，重复实验，直至三支烧瓶全部碳化完成。开始准备下一步操作。3.开始进行过滤操作，我们准备三支新的烧瓶，准备用来盛放滤液，由于过滤所需的滤纸尺寸过大，不宜直接进行过滤操作，所以我们将滤纸进行了裁剪操作，将原本过大的滤纸裁剪至适合的尺寸，并装入真空过滤装置上，安装完成后，开始我们正式的过滤操作，我们组首先抽滤的是一号烧瓶（即开始时加入氯化钙为三十克的烧瓶），抽滤完成后，将滤液和滤渣分别进行保留及编号，编号仍为一号，更换滤纸，将剩下的两杯进行同样的操作，并将所得的滤液及滤渣进行编号处理，分别为二号及三号。4.我们将得到的滤渣进行干燥，干燥完成后，我们得到了高纯度的轻质碳酸钙和轻质碳酸镁以及可循环利用的澄清透明溶液。2.4实验操作图

第三章环氧氯丙烷皂化废浆碳化法生产轻质碳酸钙生产工艺3.1环氧氯丙烷皂化废浆碳化法生产轻质碳酸钙生产工艺流程图轻质碳酸钙皂化废液氯化铵溶液氯化铵滤液Co2氨水磨粉干燥过滤不溶性中性残渣滤渣碳化过滤消化浸取

轻质碳酸钙皂化废液氯化铵溶液氯化铵滤液Co2氨水磨粉干燥过滤不溶性中性残渣滤渣碳化过滤消化浸取3.2环氧氯丙烷皂化废浆生产轻质碳酸钙工艺设计图

3.3关键设备碳化釜内部结构图

第四章物料衡算4.1主要技术指标Ca(OH)2/%CaCl2/%Mg(OH)2/%Fe2O3/%Al2O3/%SiO2/%CaCO3/%H2O％

环氧氯丙烷皀化废浆0.605.600.700.200.200.402.8089.54.2物料衡算每年的环氧氯丙烷皂化废浆含量：100km3/a年工作量：300天氯化钙的相对分子质量：111氯化铵的相对分子质量：53.5碳酸钙的相对分子质量：100氨水的相对分子质量：35二氧化碳的相对分子质量：44氢氧化钙的相对分子质量：74氢氧化钙的密度：2.24t/m3氯化钙的密度：2.15t/m3三氧化二铁的密度：5.24t/m3三氧化二铝的密度：3.9t/m3二氧化硅的密度：2.648t/m3由每年100km3的环氧氯丙烷皂化废浆换算可知：100Km3=1.0×1011m3由各物质的技术指标可知每年各物质的体积为：三氧化二铁的体积为：2×1011×0.2×10-2=0.4×109m3三氧化二铝的体积为：2×1011×0.2×10-2=0.4×109m3二氧化硅的体积为：2×1011×0.4×10-2=0.8×109m3氢氧化钙的体积为：2×1011×0.6×10-2=0.12×1010m3氯化钙的体积为：2×1011×5.6×10-2=1.22×1010m3由各物质密度可知皂化废浆中各物质的年质量为：三氧化二铁的质量为：0.4×109×5.24=2.096×109t三氧化二铝的质量为：0.4×109×3.9=1.56×109t二氧化硅的质量为：0.8×109×2.648=2.1184×109t氢氧化钙的质量为：0.12×1010×2.24=0.2628×1010t氯化钙的质量为：1.22×1010×2.15=2.623×1010t

则一年可生产中性无害残渣（干基）的总量为：(2.096+1.56+2.1184)×109=0.57744×1010t由氢氧化钙与氯化钙的关系：Ca(OH)2～CaCl2741112.24×1010X1计算出X为:2.24×1010所以总的氯化钙质量为：(2.623+3.36)×1010=5.983×1010再由氯化钙与碳酸钙的关系：CaCl2（总）～CaCO31111005.983×1010X2算出碳酸钙的质量为：5.983×1010×100

所以一年100km3的环氧氯丙烷皂化废浆可生产轻质碳酸钙约为5.390×1010t由氢氧化钙与氨水，氯化铵的关系：Ca(OH)2～NH3·H2O～NH4Cl743553.50.2628×1010Y1C1算出Y1的质量为：0.2628×1010×3574≈1.算出C1的质量为:0.2628×1010再由总的氯化钙与氨水，二氧化碳，氯化铵的关系：CaCl2（总）～NH3·H2O～CO2～NH4Cl111354453.52.623×1010Y2ZC2计算出Y2的质量为：2.623×1010Z的质量为：2.623×1010×44111≈C2的质量为:2.623×10所以生产所需的氯水为Y2-Y1:(5.907-1.2429)×109=3.8478×109所生产的氯化铵为C2-C1:(12.642-1.8999)×109=1.0743×1010所以一年100km3环氧氯丙烷皂化废浆生产轻质碳酸钙需要二氧化碳约为1.0397×1010t，需要的氨水为3.8478×109t，一年能生产氯化铵1.0743×1010t。

第五章设计总结本次设计遵循设计任务书中的要求进行创新创造，运用了目前先进的技术，和可靠的工艺，可以能够高效的利用资源进行反应创造的新方法，我们组本次设计的内容是利用环氧氯丙烷皂化废浆为原料，生成轻质碳酸钙、碳酸镁、不溶性中性残渣和可循环利用的澄清透明残液的设计任务，生产出的产品非常的纯净，且原料的利用率非常的高，虽然环氧氯丙烷皂化废浆的排放会对环境造成非常严重的危害，但是，我们可以通过对环氧氯丙烷皂化废浆的二次处理，使得原本废弃的东西能再次得到利用，生产出轻质碳酸钙等产品，这些产品对我们的日常生活帮助非常大，而且在通过处理后的环氧氯丙烷皂化废浆的危害性已经被排除，使得排入自然环境后，对环境造成的影响大大的降低，这样的我们的环境保护也起到了重要作用，在如今我们生活的地球的环境污染这么严重的情况下，这次的实验设计也具有了非常特殊的意义。毕业设计对我们的学习生涯具有非常重大的意义，在毕业设计的过程中，会遇到非常多的难题，这时，需要将我们平时所学的知识拿出来应对这些困难，可以这么说，毕业设计是对我们在大学生活中所学知识的一次综合考验，使我们大学生活中的一次结业考试，但是毕业设计的意义远不止于此，有句话叫学到老，活到老，知识的积累是一个长期的过程，需要我们不断的学习，通过这次毕业实验设计，我发现了我许多的不足，不经是在学习上，还有生活上的，在进行毕业设计时，我发现以我们所学的知识实在是有点不足，许多问题我都不懂，在面对许多困哪时，我所学的知识还不足以解决困难，总是时不时的需要请教老师以及各位同学，还有在进行实验操作时，我发现我对我以后所需要从事的行业的了解实在是太少了，我们这个年龄，总是心气很高，但通过这次毕业设计，我认识到了自己的许多不足，我还需要不断的学习，不断地使自己的知识得到累积，不断的提升自己的综合实力，使自己更加成熟，更加的优秀，能够更快的适应之后自己的工作。在进行环氧氯丙烷皂化废浆再反应生成轻质碳酸钙的实验时，我特别明显的感觉到了自己脑中储备的知识量的不足，我们组的其他成员也有相同的感受，我们组在进行实验的操作时，无一例外，都笨手笨教的，许多次，我们都差点搞砸了这次实验，但是我们的指导老师还是特别耐心的辅导我们，帮助我们，给我们进行操作展示，对我们提出的问题也总是及时的回答，哪怕又是我们的问题显得非常的幼稚，老师也没有笑我们，而是努力的帮助我们。我们也不能总是这么麻烦老师，所以实验中所遇到的问题，总是促使着我们主动的去寻找资料来解决问题，不管是在图书馆，还是在网上翻阅资料，比如，某次实验中，我们组最后生产的轻质碳酸钙产量不足，我们和老师在共同的努力下，发现了我们所加入的氨水过少以及反应时间过短的问题。在绘制工艺流程图时，我们更是发现了自己学习上的问题，由于当时学习的不认真，导致我们组用CAD软件来绘制工艺流程图时，总是犯各种各样的错误，使