年产3000吨环氧树脂车间工艺设计

目录

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第一章绪论

1.1环氧树脂定义

1.2、环氧树脂发展历史、现状及趋势

1.3、环氧树脂的特点和用途

1.4、环氧树脂的常用技术术语和质量指标1.5、环氧树脂的分类

第二章环氧树脂生产的主要原材料

2.1、环氧树脂生产的主要原材料及规格2.2、环氧树脂生产的主要原材料的性质

第3章工艺流程设计

3.1 工艺流程框图

3.2工艺流程叙述

第4章物料衡算

4.1 计算条件与数据理

4.2 原料用量计算

4.3 缩合工段物料衡算

4.3.1 溶解

4.3.3回收过量环氧氯丙烷

4.3.4 环氧树脂收集

第5章热量衡算.

5.1计算依据

5.2 常用热力学数据计

5.3缩合工段热量衡算

第6章设备选型

6.1计算条件确定.

6.1.1 操作工时与生产周期的确定

6.2 缩合工段反应岗位的设备选型.

6.2.1物料体积计算

6.2.2反应釜的选型

6.2.3校核传热面积

6.3.1缩合工段苯回收岗位设备选型6.3 其它设备的选

第7章厂区布置和车间布置设计

7.1工厂设计的内容与规范

7.2 厂址的选择

7.3 车间的布置

7.3.1 辅助生产和行政-生活布置

7.3.2 厂房的布局

7.3.3 厂房的长、宽、高和层数确定.

7.3.4 厂房内布置

第8章“三废”处理及其综合利用

8.1 废水的处理

8.2 套用和回收利用

3、环境保护措施

第九章环氧树脂安全生产和环境保护

年产3000吨环氧树脂车间工艺设计

蔡成云

摘要：

以双酚A（BPA）为主要原材料，合成的环氧树脂称为双酚A（BPA）型环氧树脂，是目前产量最大、用途最广的环氧树脂，由于它的应用遍及国民经济的众多领域，因此又称为通用型环氧树脂。它属于缩水甘油醚型。

环氧树脂生产工艺一般分为一步法和二步法。目前低分子量液体环氧树脂和中分子量固体环氧树脂，一般都采用一步法工艺；高分子量环氧树脂采用二步法。二步法工艺的优点：与一步法相比，它具有生产工艺简单、设备少、工时短、无三废排放和产品质量易调节控制等优点。

本文介绍了年产3000吨的环氧树脂的车间设计，从技术、工程经济、生产管理等方面进行了详细的论述，内容主要包括：设计依据，工艺路线论证，工艺流程设计，全流程物料衡算，全流程能量衡算，工艺设备选型与计算，车间布置设计，三废处理及其综合利用，劳动组织，劳动保护与安全生产，工程经济，工艺细节改进设计等内容。

关键词：环氧树脂；二步法；车间工艺设计

Annual output of 3,000 tons of epoxy resin plant process design

Caichengyun

Abstract:

Epoxy resin production process is generally divided into one-step and two-step. Present in low molecular weight solid epoxy resins and liquid epoxy resin, generally using one-step process; high molecular weight epoxy resin with two-step. The advantages of two-step process: with one step, it has the production process was simple, small, short working hours, no waste emissions and product quality and easy to adjust control and so on.

To bisphenol A (BPA) as the main raw material, known as bisphenol epoxy resin synthesized A (BPA) type epoxy resin is the output of the largest and most widely used epoxy resin, because of its application throughout the national economy many areas, so-called general epoxy resin. It is ether type.

This article describes the annual output of 3,000 tons of epoxy resin of the plant design, technical, engineering economics, production management and other aspects are discussed in detail, mainly including: design basis, process line argument, process design, the whole process of material balance calculation, the whole process of energy balance, process equipment selection and calculation, workshop layout design, waste treatment and utilization, labor organizations, labor protection and safety, engineering economics, technical details of the improved design and so on.

KEY WORDS:Epoxy resin; two-step; workshop process design

绪论

1.1环氧树脂定义

定义：

分子中含2个或2个以上环氧基的高分子化合物。

最常用的双酚A型环氧树脂含2个环氧基。

化学名称：双酚A二缩水甘油醚

英文名称：Diglycidyl ether of bis phenol A（缩写DGEBP A）

1.2、环氧树脂发展历史、现状及趋势

环氧树脂的发明曾经历了相当长的时期，它的工业化生产和应用仅是近40年的事情。

在19世纪末和20世纪初两个重大的发现揭开了环氧树脂发明的帷幕。远在1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷反应生成了树脂状产物。1909年俄国化学家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反应可生成环氧化合物。这两种化学反应至今仍是环氧树脂合成中的主要途径。

1934年Schlack用胺类化合物使含有大于一个环氧基团的化合物聚合制得了高分子聚合物，并作为德国的专利发表。1938年这后的几年间瑞士的Pierre castan及美国的S.O.Greenlee所发表的多项专利都揭示了双酚A和环氧氯丙烷经缩聚反应能制得环氧树脂；用有机多元胺类或邻苯二甲酸均可使树脂固化，并具有优良的粘接性。这些研究成果促使了美De Voe-Raynolds公司在1947年进行了第一次具有工业生产价值的环氧树脂的制造。不久瑞士的CIBA公司、美国的Shell公司以及De Chemical公司都开始了环氧树脂的工业化生产及应用开发工作。到了20世纪50年代初期环氧树脂在电气绝缘浇铸、防腐蚀涂料、金属的粘接等应用领域有了突破。于是环氧树脂作为一个行业蓬勃发展起来了。

我国的环氧树脂的开发始于1956年，在沈阳、上海两地首先获得了成功。1958年上海开始工业化生产。

经过40余年的努力，我国环氧树脂生产和应用得到了迅速的发展。目前生产厂家已达100余家。生产的品种、产量日益增多，质量不断提高，在现代化的建设中正起着越来越重要的作用。但是以生产规模、产品质量、品种方面和世界先进水平相比差距还很大。我们必须用跳跃式发展模式，向着“规模化、高纯化、精细化、专用化、系列化、功能化”六化方向发展，才能满足各行各业对环氧树脂的需求。

1.3、环氧树脂的特点和用途

（1）粘接强度高，粘接面广。几乎可粘接所有的金属和非金属，有“万能胶”的美称。（2）良好的加工性。加工时常温常压。广泛用作涂料、灌封料及浇注料等。

（3）优异的电绝缘性。用作绝缘材料、电工浇铸及电子灌封

（4）机械强度高。用作结构胶、高强耐磨地坪等。

（5）收縮卛低。尺寸稳定，不易变形，不易开裂等。

（6）稳定性好，防腐性能优异。广泛用作防腐涂料。

1.4、环氧树脂的常用技术术语和质量指标

（1）平均聚合度（n）

分子中重复结构单元的数目称为聚合度。由于环氧树脂是聚合度不同的同系物的混合物，其聚合度的平均值称为平均聚合度。平均聚合度决定了环氧树脂分子量的大小（２）平均分子量（M）

环氧树脂的分子量与聚合度成正比例。所以也可以说环氧树脂是不同分子量的同系物的混合物，它们分子量的平均值称为平均分子量。

（3）分子量分布

由于环氧树脂是分子量不等的同系物组成的混合物，其分子量具有多分散性，通常用分子量分布来表示。

环氧树脂在合成过程中，由于原材料的差异、工艺操作条件不同等，导致产品的分子量分布亦不相同。平均分子量相同的环氧树脂，如果分子量分布不同，那么其某些物化性能也不同。分子量分布越窄，则树脂性能越稳定。

（４）环氧基含量

反应活性极大的环氧基是环氧树脂的重要官能团，其含量的大小直接影响使用性能，因此它是控制和鉴定环氧树脂质量的主要手段之一。实际生产中可根据环氧基含量来划分不同型号的环氧树脂。

环氧基含量有以下三种表示方法：

a、环氧值（Ev）

环氧值是我国环氧树脂生产厂家习惯采用的表示方法。它是指每100g环氧树脂中所含的环氧当量数称为环氧值。单位：eq/100g。

b、环氧当量（En）

环氧当量是美国、西欧和日本习惯使用的表示方法。它是指含有１克当量环氧基的

环氧树脂的克数称为环氧当量。单位：g/eq。

环氧当量、分子量和环氧值之间的换算关系：En=M/2=100/Ev。

c、环氧基百分含量（Ec）

环氧基百分含量是俄罗斯、东欧等国习惯采用的表示方法。它是指环氧树脂的每一分子中所含环氧基的百分比含量。单位：％。它与环氧值之间的关系Ec=Ev×43。（５）软化点

环氧树脂是一种混合物，没有明确的熔点，只有一个熔融温度范围，称为软化点。单位：℃。

（６）黏度

黏度是环氧树脂应用时十分重要的指标，它对操作性、脱泡性等有很大影响。单位：Pa.s或mpa.s。黏度与分子量成正比例，黏度和软化点在一定程度上反映出平均分子量和分子量分布的大小。单位换算１Pa.s(帕斯秒)=1000mpa.s(毫帕斯秒)＝1000cP(厘帕斯)。

（７）杂质含量

环氧树脂的主要杂质包括总氯（有机氯、无机氯）、挥发份及带色基团等。现生产中要尽量减少杂质的含量。

1.5、环氧树脂的分类

由于原材料与生产工艺的不同，环氧树脂有许多种类和型号，也有多种不同的分类方法，若按其化学结构和环氧基的结合方式可分为以下六大类：

缩水甘油醚型、缩水甘油酯型、缩水甘油胺型、脂环族型、线性脂肪族型和混合型环氧化烯烃。

以双酚A（BPA）为主要原材料，合成的环氧树脂称为双酚A（BPA）型环氧树脂，是目前产量最大、用途最广的环氧树脂，由于它的应用遍及国民经济的众多领域，因此又称为通用型环氧树脂。它属于缩水甘油醚型。

双酚A（BPA)型环氧树脂，市场占有量约占环氧树脂总量的85%。本书中所说的环氧树脂，如不加具体说明，便是指BPA型环氧树脂（又称E型环氧树脂）。

双酚A（BPA）型环氧树脂，根据其分子量的高低，可分为低分子量树脂（M≤400）、中等分子量树脂（M＝400-1400）、高分子量树脂（M＝1400－8000）和超高分子量树脂（M＝10万－45万）。

双酚A（BPA）型环氧树脂的理化性能，随分子量而呈现规律性的变化，其变化规律如下：

分子量↑软化点↑环氧值↓环氧当量↑羟基含量↑

固化物柔韧性↑固化物硬度↓固化温度↑

低分子量环氧树脂的固化主要通过环氧基反应，随着分子量的增大，环氧基的作用减少，羟基作用增大，超高分子量的环氧树脂则不需要借助固化剂便能形成坚韧的涂膜。

第二章环氧树脂生产的主要原材料

1、环氧树脂生产的主要原材料及规格

2、环氧树脂生产的主要原材料的性质

（1）BPA：白色片状或粒状晶体，不溶于水，能溶于醇、醚、丙酮及碱性溶

中，室温下微溶于甲苯、二甲苯，加温下溶解度急剧增加。

（2）ECH：是一种易挥发、无色透明液体，有毒！对皮肤有灼伤作用，能严重刺激眼睛，具有和氯气相似的刺激性气味，有麻醉性，能溶解于醇、醚及甲苯中，微溶于水。比重１.18，纯品沸点116.2℃。取样化验时，要取上层。

（3）液碱：淡紫色液体，无机械杂质，强碱性，腐蚀性较强。

（4）甲苯：无色有芳香性气味的易燃液体，有毒！不溶于水，能溶于醇、醚和丙酮。比重0.866，纯品沸点110.28℃，取样化验时，要取下层。

第3章 工艺流程设计

3.1 工艺流程框图：

上一章已对工艺路线进行了选择，在此基础上全面而细致地分析了整个生产过程的组成和顺序如下图所示： 3.1. 1 合成：

0双酚 环氧氯丙烷

3.2工艺流程叙述：

下面流程是从中试角度来进行描述的，其中所用投料量

1. 把双酚A投入溶解釜中，然后通过环氧氯丙烷，将夹套通水蒸气的温度加热升温到70O C左右。

2. 溶解后，用泵压入带搅拌的反应釜内，开始搅拌，并滴加碱液。控制反应温度为50-55O C，维持一定时间至反应结束后，再在 100减压至94.661kPa，回收过量环氧氯丙烷供循环使用。

3. 回收结束后再次加入苯溶解，在 65~700C下再次加碱液，反应结束后用夹套水冷却，静置，把苯溶液抽吸到回流脱水釜内，下层的盐脚可以加苯萃取一两次，抽吸后放掉。

4 在回流脱水釜内回流至蒸出的苯清晰天水珠为止。然后冷却，静置. 经过滤器至贮槽，沉降后抽人脱苯釜脱除苯，先常压无液温110O C以上开始减压至140-143O C无馏出液为止，放料，即得成品。

第4章物料衡算

4.1 计算条件与数据理：

1. 设每年生产300天，则每天的产量为：

= 3000t÷300= 10t/d

M

d

一天生产两批，则每批的产量为m=10t/2=5t

2.设以生产1t（1000kg）环氧树脂为基准

原料单耗如下：

表4-1 原料单耗表

3. 原料规格及产品质量标准如下：

表 4—2 原料规格及产品质量标准表

注：以上数据除直接在工厂收集到的以外，其他参照《中国化工医药产品大全》(卷一，卷二)和<<化工原料商品手册>>。

设 每一单元的操作的收率如下： 一次反应：95% 二次反应：95% 过虑：90% 脱苯：95%

4.2 原料用量计算：

反应过程中的反应物纯量计算：

为了较好地把握全过程，先假设理想情况进行计算，即计算各反应物的纯量。这里所说的纯量是指既不包括反应物及产品中的杂质和反应物过量的量，不包括每步反应损失掉的产品量。这是一种理想情况，在后面的计算中将恢复到实际情况，考虑所含杂质的量、反应物过量的量，以及反应的收率等具体的问题并进行详细的计算。反应方程式如下：

HO

CH 3

CH 3

OH Cl

O

+

CH 3

CH 3

O

O

+

2HCl

2

由原料单耗可得每批原料用量如下表：

4.3 缩合工段物料衡算：

4.3.1 一次反应： (1)对于输入物料分四股，分别如下：

①98%的环氧氯丙烷中：环氧氯丙烷：2843.4 ×98%=Kg 水：2843.3 ×0.2%=5.6866Kg

不溶杂质：2843.3×l.8%=51.18Kg

②95%的双酚A中：

双酚A：3472.2×95%=3298.59Kg

水：3472.2 ×3%=104.166Kg

不溶杂质：3472.2×2%=69.444Kg

③99.50%的NaOH中：

NaOH：. 1210.6×99.5%=1204.547Kg

水：1210.6×0.2%=2.4212Kg

不溶杂质：. 1210.6×0.3%=3.6318Kg

④96%的苯中：

苯：1408.6×96%=1352.26 Kg

水：1408.6×0.2%=2.8172Kg

不溶杂质：1408.6×3.8%=53.53Kg

(2)对于输出物料的计算如下：

设缩合反应的转化率等于收率，即为95%，则：

①隋性杂质质量不变：51.18+69.44+3.63+53.53=177.78 Kg

②苯质量不变：1352.26Kg

反应的总方程式如下：

HO

CH3

CH3OH Cl O

+

CH3

CH3

O

O

+2HCl

2

228 94×2 332 37.5×2 3472.2 x y z

由上反应方程式：

x/94×2=y/332=z/37.5×2=3472.2/ 228

可得：

x=2266.57kg,y=5056.01kg,z=1142.17kg

所以反应后的各物料质量如下:

③双酚A: 3472.2×(1-95%)= 173.61Kg

④环氧氯丙烷： 2701.23-2266.57=434.66Kg

⑤ HCl： 1142.17Kg

⑥环氧树脂： Kg

以上计算可得到下列物料平衡表

收率：95.5%

4.3.3回收过量环氧氯丙烷：

图 4—5 回收框图设冷却回收率为 97%：

对于输入物料为一股：

环氧氯丙烷：434.66 Kg

对于输出物料为一股：

环氧氯丙烷：434.66×97%=421.62Kg 由以上计算可得下列物料平衡表：

表 4-6回收物料平衡表

收率：97%

4.3.4 环氧树脂收集：

图4—7环氧树脂回收进出料框图

出料分三股，设馏出液为 99%环氧树脂 (含 1%的水和杂质)，则：①99%的环氧树脂：

环氧树脂：5056.01×99%=5005.45 Kg

水：5056.01× 0.8%=40.45 Kg

杂质：5056.01×0.2%=10.11Kg

②苯：1352.26×96%=1298.17Kg

水：1352.26×0.2%=2.70Kg

残余杂质：1352.26×3.8%=51.38Kg

③HCl：1142.17×90%= 1027.95Kg

水：1142.17×7%=79.95Kg

杂质：1142.17×3%=34.26Kg

水：40.45+2.70+79.95=123.1kg

杂质：10.11+51.38+34.26=95.75Kg

回收后：

环氧树脂：5005.45kg

收率：97%

第5章热量衡算

5.1计算依据：

1.主要依据

能量守恒定律能衡是能量衡算的结果为基础进行的，还必须收集有关物料的热力学数据 (例如比热容、反应热、相变热等)

2.重要符号：

Cp——定压比热容 KJ/ (Kg，O C)

Cs——固体的比热容KJ/ (Kg,0C)

Q-----热量KJ

3.主要公式：

(1) Q1+ Q2+ Q3=Q4+ Q5+Q6 (5-1)

式中 Q1--一物料带入到设备的热量 KJ

Q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量 KJ

Q3——过程热效应 KJ

Q4一一物料离开设备所带走的热量 KJ

Q5——加热和冷却设备所消耗的热量 KJ

Q6——设备向环境散失的热量 KJ

（2）q r =∑σq f （5-2）q r =∑σq c （5-3）

式中q r----标准反应热

q f----标准生成热

q c----标准燃烧热

σ-----化学计量数，生成物为正，反应物为负

（3）q r（t）= q r o-（t-25）∑σC P （5-4）

式中：

q r（t）---任意温度t下的反应热KJ/mol

q r o -------标准反应热 KJ/mol

t----------任意温度0C

(4) 化合物的比热容C=（1/M）∑nC a（5-5）

式中：M————化合物的分子量

n————分子中同种元素原子数

C a——————元素的原子比热容

（5）有机化合物的标准燃烧热与该化合物完全燃烧所需的氧原子数成直线关系，即q c =∑a+x∑b （5-6）

式中：

a、b------常数，与化合物结构有关

x————化合物完全燃烧时所需的氧原子数

（6）q r o=-∑σ q f0KJ/mol （5-7）式中：

σ——反应方程式中各物质的化学计量系数，反应物为负，生成物为正

(7)间接蒸汽加热的蒸汽消耗量：

D= Q2/[ H-C (T-273) ] η (5-8) 式中:

D----加热蒸汽消耗量 Kg

Q2——由加热蒸汽传给所处理物料及设备的热量 KJ

H——水蒸汽的热焓 KJ/Kg

C——冷凝水的比热容，可取 4.l8KJ/(Kg×K)

T——冷凝水的温度 Kg

η——热利用率，保温设备取 0.97-0.98，不保温设备取 0.93-0.95

(8)W = Q2/ C (T K-T H) (5-9)

式中:

W——冷却剂的消耗量 Kg

C——冷却剂的平均比热容 KJ/(Kg)

T K ---冷却剂的最终温度 K

T H——冷却剂的最初温度 K

(9)Q2=KAt?tm （5-10）

式中：

Q2----加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量

K——总传热面积·

t——反应时间

? tm----平均推动力

5.2 常用热力学数据计：

1. 比热容：

液体的比热容由《药厂反应设备及车间工艺设计》（蒋作良） P208表6-4求液体的

比热容和P209公式6-17求固体化合物的比热容。计算如下：

①求双酚A的比热容(M =157.56g/mol)：

C=( 1/ 157.56)×(6×7.535+4×9.628+1×25.953+1×25.953+2×16.74) = 1. 07KJ/(Kg.0C )

C P= 168.4288×10-3

KJ/ mo1.0C

②求NaOH的比热容 (M=39.995 g/mol)：

C= (1/ 39.995)×(25.953+16.74+ 9.628)

= 1.308KJ/(Kg.0C )

C P = 52.321×10-3 KJ/mo1.0C

③求苯的比热容 (M=117.16 g/mol):

C= (1/117.16)×(8×7.535+7×9.628+1×25.953) = 1.730KJ/Kg.0C)

C P= 202.73×10-3KJ/ mo1.0C

④求环氧氯丙烷的比热容 (M=46 g/mol)：

C= (1/46)×(41.7+ 28.3+ 44)

= 2.478KJ/(Kg.0C )

Cp= 113.99×10-3KJ/mol .O C

⑤求水的比热容 (M=18 g/mol)：

C=40184KJ/(Kg.O C)

⑥求甲苯的比热容(M=49 g/mol)

C= (1/49)×(1×25.953+1×7.535+1×25.953)

= 1.213 KJ/mol .O C

C P =39.44 41×10-3

KJ/ mo1.0C

2. 汽化热：

查《化工原理》（陈敏恒）附录可得：

①苯：?1g H=202Kcal/mol=845.73Kj/Kg

②水：?1g H=539 Kcal/mol=2256.69 Kj/Kg

③甲苯：?1g H=363 Kj/Kg

3.溶解热和反应热：

由于这两种过程热计算较为复杂，故把它放在后面根据具体需要进行计算。

5.3缩合工段热量衡算：

1 反应岗位：

过程中需要滴加苯，在半小时内滴加完毕。加温至30度时，关闭冷冻节门，搅拌反应4小时。缩合工段反应岗位的温度变化过程如下：

温

度

o

时间 h

解 5—1 反应温度变化图

如上图所示络合反应中温度的变化分为五个阶段，其中在50o C-25 o C这一段

要用冰盐水降温，由于冰盐水的制迨成本较高，所以应回收利用，这里把其用量作为计算重点，所以进行计算。

初始温度为 50o C，末态温度为 25 o C，故Q3=0

(1)求Q1：

对于环氧氯丙烷：QI

A

=(96.908+35.12)×2.434×(-25+50)=61105.57KJ

对于氢氧化钠：Ql

B

=180.89×l.308×(-25+50)=5916.23 KJ

对于双酚 A：Ql

C

=126.63×l.074×(-25+50)=3400.02 KJ

对于苯：QI

D

=103.37×l.730×(-25+50)=4470.75 KJ

对于水：QI

E

= (86.14+0.38+0.26+2.15+482.60)×4.184×(-25+50)

= 59782.04 KJ

Q1=- QI

A +QI

B

+I

C

+QI

D

+QI

E

=134674. 61 KJ

(2)求Q4.,Q5，Q6：

因为末态温度与基准温度相同

所以Q4=0，Q5=Q6=0(与环境温度相差不大) (3)求Q2：

O2=-Q1=-13467.61 KJ

(4)求冰盐水的用量：

取 Q2的绝对值，则：

W=Q2/ C (T k-T h)

取冰盐水的平均比热容:C=4.0 KJ/(Kg.O C), T k =0℃ , T h -10℃ 则每天消耗的冰盐水：

W=134674.61KJ/{4.0×[0-(-10)]}=3366.87 Kg 1. 保温反应 2h 阶段：

基准温度为 25℃，初态温度和末态温度均为 25℃ 又因为 Q5+Q6=5%(Q4+Q5+Q6)，所以Q5=0，Q6=0 (1)标准燃烧热与生成热的换算：q f 0

+q c 0 =∑nq c 0

求q f 0

（标准生成热KJ/mol ） A.求双酚A 的q c X=11.5

∑a=390.2 ∑b=215.37

q c =390.2+11.5×215.37=2866.96KJ/mol B.环氧氯丙烷的q c X=19.5 q c =20.51+19.5×218.3=4277.36KJ/mol （2）求Q3： 反应方程式如下：

Cp52.321 168.4288 153.629 238.6258 59.4441 75.6 单位：10-3

KJ/ mo1.0

C

q r

=77.53-（-52.321-168.428-153.629+238.625+59.441+75.60）×5×10-3

=77.526KJ/mol

Q3=77.526×126.63×1000×95%/157.5=59214.36KJ （3）求Q2:

Q2=Q4+Q5+Q6+Q1-Q3=-59214.36KJ (4)球冰盐水的用量： 取Q2的绝对值，则：

W=Q2/C(T k -T h ) (4-14) 取冰盐水的平均比热容：C=4.0 KJ/ （Kg.0C ），T k =00C ，T h =100C 则每天消耗的盐水：

W=59214.36KJ/{4.0[0-(-10)]}=1480.36Kg

2

+

+ 2HCl

NaOH