4万吨热固酚醛树脂生产设计

图2.2所示：苯酚苯酚50℃进料20min蒸汽加热反应放热保温60min预聚体8蒸汽加热反应放热保温60min预聚体80～95℃预聚体60℃甲醛进料20min30min 30min 酚醛树脂85酚醛树脂85～95℃氨水进料10min冷却冷却加乙醇产品酚醛树脂75℃酚醛树脂75加乙醇产品酚醛树脂75℃酚醛树脂75℃真空脱水酚醛树脂75℃20min30min180min20min30min180min图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s12热固性酚醛树脂生产周期3工艺计算3.1设计任务1.设计题目：年产4万吨碱法酚醛树脂生产工艺设计2.主要设计参数：年运行时间：300天；每批生产时间：6h；聚合釜装料系数：η=0.8聚合温度：80-95℃3.原料：苯酚、甲醛、氨水、乙醇。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11生产热固性酚醛树脂的原料名称分子式相对分子量纯度苯酚C6H5OH9498%（质量分数，含杂质）甲醛CH2O3037%（质量分数）氨水NH4OH3525%（质量分数）乙醇C2H5OH95%（V/V）4.产品质量：表3.2产品质量标准固含量含水量游离酚氨的量为纯酚75%＜8%＜2.5%1.5%3.2物料衡算本反应中选用苯酚与甲醛的用量摩尔比为1：1.2比例混合，苯酚过量。当两种基团数不相等时，平均官能度（以甲醛的量计算）：f注：苯酚为官能度3，甲醛为官能度2，NA=1.2，NB=1，fA=2。故反应程度：

Ρ=注：查资料得聚合度为2～12，取xn当xn→∞时，临界反应程度即有Ρ<酚醛树脂产品的固含量为：树脂、游离酚、缩合水。因此m即有

m由生产任务书每生产一批6h，每天生产4批，每批产量为：m以此作为计算基准。3.2.1聚合阶段以1mol苯酚和1.2mol甲醛反应为基准，苯酚上有两个氢原子参加反应生成1个水分子，故固化时生成的缩合水量为：1.则有94×1+30×1.因为产品固含量为75%，所以所得产品质量为：m参照产品质量标准：生产每批产品中的固含量为：m取游离酚含量为2.5%，则：mm=换算系数：

κ=故所需各物质的进入量为：mmm含杂质的苯酚的质量：m苯酚中杂质含量：m37%甲醛水溶液的质量：

m甲醛水溶液中水的质量：

m加入的NH4OH的质量：

m氨水的质量：

m氨水中水的质量：

m树脂水氨水杂质树脂水氨水杂质游离酚甲醛（37%）氨水（25%）总进料量：m总出料量：m故m进=总水量：m表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12聚合阶段总进出料物料衡算反应前质量/Kg反应后质量/Kg苯酚21760.115产品液24000.001甲醛22072.941苯酚中杂质435.202氨水1279.496氨水1279.496游离酚833.333甲醛中水分13905.953缩合水4491.843总计45112.552总计45112.4953.2.2脱水阶段由产品标准水含量<8%，取水含量为5%，则：

m 乙醇调稀阶段脱水阶段进料（含水） 水总调稀阶段脱水阶段 脱水乙醇的质量：m查《化工原理》有：100%的乙醇密度为

ρ95%的乙醇溶液密度为

ρ100%的乙醇的体积为：

V95%的乙醇的体积为：

V95%的乙醇溶液中含水量为：

m则脱水量为：

m3.3.3调稀阶段产品树脂、水、游离酚95%的乙醇产品树脂、水、游离酚 调稀阶段水的衡算：m脱水后剩下的水量：m1水总3.3热量衡算3.3.1计算基准以20℃为温度基准，每批生产产品量33333.334kg为产品计算基准。物性数据（查《物理化学基础数据手册》有）：摩尔热：苯酚CΡ=220.5J/mol⋅k树脂CΡ=530.34J/mol⋅k氨C苯酚从20℃加热到50℃所需热量：Q1苯酚从50℃加热到60℃所需热量：Q2甲醛从20℃加热到60℃所需热量：Q3氨从20℃加热到60℃所需热量：Q4水（甲醛中和氨中的水）从20℃加热到70℃所需热量：Q5总热量：QΙQ1由热水池中热水提供，即将装有苯酚的容器放于60℃热水中使苯酚受热。Q2由反应釜热蒸汽加热。3.3.2反应热（1）反应热根据键能的断裂和生成进行估算，查得键能数据：C-H414.2（KJ/mol）C=O736.4（KJ/mol）C-C347.3（KJ/mol）O-H464.4（KJ/mol）该反应以1mol苯酚与1.3mol甲醛反应为计算基准，可知，参加反应的甲醛为1.100mol，断裂了1.100molC=O；断裂了2×1.100mol=2.200molC-H；生成1.100mol水，生成2.200molO-H；故有：QII总放热：QIIQII（2）脱水阶段反应釜中的物料，保温在75℃、真空条件下蒸发，查水蒸气表得75℃下的汽化潜热为：rpQ脱换热器在热传递过程中先要将75℃蒸汽冷却凝结为75℃水，再使之冷却为40℃的水。脱水后产品冷却到50℃调稀，最后冷却到40℃出料。用20℃的循环水冷却，水温升至30℃。Q查《化工原理》有：Cp水通过内插法求得：Cp水t故：Q冷却Q交换Q交换全部由冷凝换热器带走，可以求出冷凝换热器所需要的冷却循环水的量：W=Q其中t'=30+202=25℃，t'=25℃V4.设备计算与选型4.1反应釜计算选型核定实际每批投料量：苯酚：21760.115Kgρ甲醛：22072.941Kgρ氨水溶液：1279.496KgρVV本次设计选取反应釜的装料系数η=0.8故需反应釜的容积为：

V通过查阅文献知：热固性酚醛树脂较多采用单设备法生产，为了实现合成过程的稳定操作，热固性酚醛树脂反应釜较小，一般为1～4m3。本设计年产量为4万吨，数值较大，而反应釜体积较小，所以本设计拟采用多釜完成年产4万吨热固性酚醛树脂的生产任务。间歇操作周期：τΤ=6h需要反应釜个数：53.0975反应液体积：V反应釜总体积为：V查表得标准椭圆封头的体积为0.131D3令：h为反应釜直边高度、H为反应器釜体总高度，则：H=h+2×取HD=1.3,VD=参考资料此处按公称尺寸选定釜体直径为：D=1700mm=1.7m。釜体的直边高度为：

h=反应釜实际高度为：

H=h+2×根据封头设计参数选取封头直边高度为50mm，釜体圆形直筒部分高度：1.338-2×0.05=1.238m反应釜的实际体积：

V反应釜的实际长径比：H反应釜最高液位：

h反应釜最低液位：

h4.2夹套几何尺寸计算（1）物性数据查《化工原理》物性数据表可得：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11物性数据水蒸气（75℃）水（25℃）ρρ=996.95Kg/CCμμ=90.285×λλ=60.825×夹套直径的确定参照夹套直径与反应釜内径关系，如夹套直径D表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s12夹套直径选取原则反应釜内径D1夹套直径D2500～600D1+50700～1800D1+1002000～3000D1+200夹套高度的确定HV封—下封头容积，V1m（2）换热量Q有14个反应釜，所以配备14套U形夹套换热器，每个换热器换热量为：QVVV（3）两流体温度差蒸汽：75℃（T1）→40℃（T2）冷却水：30℃（t2）←20℃（t2）∆t1∆而P=t2查《化工原理》得：ψ则有：∆根据两流体情况，取传热系数为：K=60W/m换热面积：F=（4）传热面积校核FF式中：F筒— F封— F1m—1 F—给定传热面积。F其中a=800mm=0.8m，b=400mm=0.4m，h=50mm=0.05m即FFFF即F表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s13聚合釜技术参数名称参数公称容积4000L公称直径1700mm釜高2.188m长径比1.287计算容积3.793m3装料系数η0.8容器内公称压力PN0.37MPa夹套内公称压力PN0.58MPa聚合釜材质搪玻璃夹套直径1800mm夹套高度1.054m夹套换热面积8.6526m24.3贮存容器的选型假设容器存放1批的原料量：甲醛：

V氨水：

V乙醇：

V同样假设容器能够存放1批废水量和产品量：废水：V产品：V查《化工原理》有酚醛树脂的密度为1250～1300Kg/m3，因为产品中含有一定的水分，则取密度为1200贮罐的装料系数φ=75%~85%，取φ=85%，则有：V醛罐=V醇罐=V产品查《化工工艺设计手册》选择合适的贮存容器，具体如下：甲醛具有强的腐蚀性，容易发生聚合反应，对贮罐材质、保存温度等有非常严苛的要求。本设计甲醛采用立式平底玻璃钢储罐，容积为24m3，罐子外侧采用泡沫隔热，内壁用氯乙烯漆进行防腐处理。氨水选择搪玻璃开式贮存容器，容积2000L；乙醇选用10000L搪玻璃闭式贮存容器；废水选择20000L搪玻璃卧式贮存容器；产品选用30000L搪玻璃卧式贮存容器。表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s14贮存容器规格原料容器类型公称容积VN/L实际容积V/L公称直径D/mm氨水搪玻璃开式贮存容器200021791300乙醇搪玻璃闭式贮存容器10000废水搪玻璃卧式贮存容器2000021791300产品搪玻璃卧式贮存容器300003250530004.4缓冲罐的选型设缓冲罐生产一批放一次水，则一次脱水体积为：V其装料系数φ=60%~70%，取φ=70%，则有：V本次设计共采用14个反应釜，为便于操作每个反应器配备一个缓冲罐，则有：V查《化工工艺设计手册》选择容积为2000L搪玻璃开式贮存容器。4.5计量罐的选型此反应为间歇反应，计量罐装载量为一批反应生产使用量。每个反应釜分别配备计量罐进行配料，故计量罐的装料量为一批所需原料的1/14。甲醛：

V乙醇：

V氨水：

V计量罐装料系数φ=60%~70%，取φ=70%，则有：VVV查《化工工艺设计手册》选择搪玻璃开式储存容器作为计量罐，具体如下：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s15计量罐规格原料容器类型公称容积VN/L实际容积V/L公称直径D/mm甲醛搪玻璃开式贮存容器200021791300乙醇搪玻璃开式贮存容器1000氨水搪玻璃开式贮存容器2002186004.6离心泵的选型查《化工原理》第四版得水及低粘度液体流速范围为1.5～3.0m/s，涉及到的物料中乙醇、甲醛和氨水均为低粘度液体，取流速u=2m/s，所需乙醇为8.895m3，甲醛为20.344m3，氨水1.411m3。设在1h内将乙醇和甲醛溶液打入高位槽，在5分钟内将全部氨水溶液打入高位槽，则有：Q由Q=uA=uπdddd离心泵型号选型原料型号进口/mm出口/mm流量（m3/h）扬程/m叶轮直径/mm乙醇IH50-32-125503212.520125甲醛IH65-50-12565502520125氨水IH65-50-125655025201254.7管线选择由于14个反应釜，一次进料每批的1/14，令苯酚、乙醇、甲醛在20分钟进料完毕，氨水10分钟QQQQ选流速u=2m/s，则Q=uA=uπddddd查《化工原理》（P350）苯酚选内径为30mm的热轧无缝钢管，乙醇选内径为20mm的热轧无缝钢管，氨水选内径为12mm的热轧无缝钢管根据GB8163-87外径壁厚选择苯酚38mm4.0mm乙醇27mm3.0mm氨水18mm3mm查《化工原理》甲醛选取内径为30mm的不锈钢冷拔无缝钢管外径壁厚选择甲醛38mm4.0mm5非工艺设计5.1环境保护环保问题是工业生产过程中不可忽视的重要部分，在进行工艺生产设计的同时，我们也要做到不破坏环境，考虑废料的后处理，我们要积极运用新的技术成果，采用先进生产工艺，要摒弃严重污染环境的老旧生产方法，最大限度的减少化工生产过程中对环境造成的危害。实际生产之前，应多次检查系统有无泄漏。从整个工艺过程角度来看，即便系统少排或不排出三废废物，提高设备、管道的严密性以及减少系统物料的泄漏，也是十分必要的，因此无论是管道或设备，在设计制造、材料选择以及操作使用、安装维护、生产管理等各个环节，都应密切重视，尽可能杜绝一切物料泄漏或物料误入。整个工艺流程在三废处理方面应尽量做到不对环境的污染，在本设计中，采用传统的酚醛树脂生产工艺，以甲醛和苯酚为主要原料，在氨水催化作用下缩聚而成。本设计将最新的全自动操控技术运用于物料投料、出料的全过程，投料更加精确，既减少原料浪费又减少了原料对环境的污染。5.2废物处理在此设计中，整个工艺流程里的三废排放主要是废水和废气：本次设计脱水阶段废水主要成分为苯和甲醛，反应过程真空尾气主要成分是游离酚、游离醛。本设计准备利用苯酚与甲醛的反应特性，