年产6万吨环氧树脂工艺设计

年产6万吨环氧树脂车间工艺设计

设计说明：

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。

本设计用一步法工艺：把双酚A(BPA)和环氧氯丙烷(ECH)在氢氧化钠作用下进行缩聚，即开环和闭环在同一反应条件下进行的工艺方法。

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。本设计用此类环氧树脂。

本文从生产工艺技术、经济、管理等方面对年产6万吨环氧树脂进行了详细的论述，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等。

设计主要成果如下：

① 每天产量理论值181.82t,实际产量为180.70t；实际年产量为5.96万吨。 ② 用水蒸气加热的50 000L闭式搅拌溶解釜；用冰盐水冷却的50 000L搪玻璃闭式搅拌反应釜，材料为镍铬不锈钢0Cr18Ni9 。

③ 主要设备：

浆式搅拌器；标准椭圆形上封头，锥形下封头；支承式支座，选用标准为JB/T472—92；釜夹套 ；1 000L环氧氯丙烷回收釜 ；8 000L苯贮槽； 3 0000L脱苯釜；进出料管都选用普通无缝钢管 ；泵选择屏蔽泵B；过滤器。 ④ 图纸包括：1）、工艺流程图 2）、物料图 3）、反应釜的装配图

关键词：环氧树脂，一步法，车间工艺设计

I

Annual output of 60 000 tons of epoxy resin plant

process design

Design Notes:

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.

This design one step process: the bisphenol A (BPA) and epichlorohydrin (ECH) in the condensation under the action of sodium hydroxide, the open-loop and closed-loop in the same reaction conditions for process method.The design of the use of such epoxy resin.

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.

In this paper, production technology, economics, management and other aspects of an annual output of 60 000 tons epoxy discussed in detail, mainly including: the design basis, process route feasibility studies, process design, the whole process material balance, the whole process of energy accountancy, process equipment selection and calculation, plant layout design, waste treatment and comprehensive utilization.

Design of the main results are as follows:

(1) daily output of the theoretical value 181.82t, actual production was 180.70t; actual annual output of 59 600 tons.

(2) lined with closed steam heating 50 000L stir to dissolve kettle; with ice cooling saline 50 000L lined closed stirred tank reactor, D = 3 800mm, H = 4 600mm. Material for the nickel-chromium stainless steel0Cr18Ni9 .

(3) Main equipment:

Paddle mixers; standard ellipse head, conical lower head; bearing type bearings, selection criteria JB/T472-92; reactor jacket; 1 000L epichlorohydrin recovery tank; 8000L benzene tank; 30 000L debenzenized kettle; access to materials use an ordinary

II

环氧树脂设计说明 Design Notes

tubes are seamless; pump shield pump selection B; filter.

(4)Drawings include: 1) process flow diagrams , 2) materials, 3 ) reactor assembly drawing

KEY WORDS : Epoxy resin，one-step， workshop process design

II

环氧树脂设计说明 目录

目 录

1引 言 ................................................................................................................................................. 1

1.1环氧树脂基本概述 ................................................................................................................. 1

1.1.1化学性质...................................................................................................................... 1 1.1.2物理性质...................................................................................................................... 1 1.1.3分类 ............................................................................................................................. 1 1.2应用 ........................................................................................................................................ 1

1.2.1 环氧树脂用途： ......................................................................................................... 1 1.2.2环氧树脂特性： .......................................................................................................... 1 1.2.3改性方法： .................................................................................................................. 2 1.2.4结构与性能特点 .......................................................................................................... 2 1.3生产情况 ................................................................................................................................ 3

1.3.1世界环氧树脂生产的地区分布： .............................................................................. 3 1.3.2世界环氧树脂生产的垄断格局： .............................................................................. 3 1.3.3国内环氧生产厂商情况： .......................................................................................... 3 1.3.4需求品种:.................................................................................................................... 3 1.3.5市场前景： .................................................................................................................. 3 1.3.6环氧树脂应用技术开发动向 ...................................................................................... 3

2生产工艺设计 ................................................................................................................................... 7

2.1工艺选择 ................................................................................................................................ 7

2.1.1合成原理...................................................................................................................... 7 2.1.2生产工艺...................................................................................................................... 8 2.1.3一步法工艺 .................................................................................................................. 8 2.1.4二步法工艺 .................................................................................................................. 9 2.2主要原材料 ............................................................................................................................ 9

2.2.1环氧树脂生产的主要原材料及规格 .......................................................................... 9 2.2.2环氧树脂生产的主要原材料的性质 ........................................................................ 10

3工艺流程 ......................................................................................................................................... 11

3.1工艺流程： .......................................................................................................................... 11

3.1.1环氧氯丙烷自动分相回收技术 ................................................................................ 11 3.1.2薄膜脱苯工艺流程 .................................................................................................... 12 3.2 工艺流程框图：.................................................................................................................. 13 4.1 计算条件与数据理： .......................................................................................................... 15 4.2 原料用量计算：.................................................................................................................. 15 4.3 缩合工段物料衡算： .......................................................................................................... 16 4.4回收过量环氧氯丙烷： ....................................................................................................... 18 4.5 环氧树脂收集：.................................................................................................................. 19 5 热量衡算 .................................................................................................................................... 20

5.1计算依据： .......................................................................................................................... 20

ⅲ

环氧树脂设计说明 目录

5.1.1主要依据.................................................................................................................... 20 5.1.2重要符号： ................................................................................................................ 20 5.1.3主要公式： ................................................................................................................ 20 5.2热量衡算： .......................................................................................................................... 21

5.2.1溶解岗位： ................................................................................................................ 21 5.2.2 反应岗位： ............................................................................................................... 22 6.1计算条件确定....................................................................................................................... 24

6.1.1 操作工时与生产周期的确定： ............................................................................... 24 6.1.2反应器选择 ................................................................................................................ 24 6.2 溶解工段反应岗位的设备选型： ...................................................................................... 26

6.2.1溶解釜：.................................................................................................................... 26 6.2.2 支座形式................................................................................................................... 28 6.2.3 搅拌浆设计 ............................................................................................................... 28 6.2.4 封头的设计选型 ....................................................................................................... 29 6.3 反应工段反应岗位的设备选型： ...................................................................................... 30

6.3.1反应釜........................................................................................................................ 30 6.3.2 支座形式................................................................................................................. 31 6.3.3反应釜的液位 ............................................................................................................ 31 6.4各釜体夹套尺寸的确定 ....................................................................................................... 32 6.5贮槽的设计 .......................................................................................................................... 33

6.5.1环氧氯丙烷回收釜 .................................................................................................... 33 6.5.2苯贮槽........................................................................................................................ 33 6.5.3脱苯釜........................................................................................................................ 33 6.6 反应器上的接管及尺寸 ...................................................................................................... 35

6.6.1溶解釜进料管 ............................................................................................................ 35 6.6.2溶解釜出料管 ............................................................................................................ 35 6.6.3反应釜进料管 ............................................................................................................ 35 6.7 泵的选择 ............................................................................................................................. 35 6.8主要设备 .............................................................................................................................. 36 7工厂布置设计 ................................................................................................................................. 37

7.1工厂设计的内容与规范： ................................................................................................... 37 7.2 厂址选择的依据和原则 ...................................................................................................... 37 7.3 车间的布置：.................................................................................................................... 38

7.3.1车间设备布置 ............................................................................................................ 38 7.3.2 车间设备平面布置 ................................................................................................... 39 7.3.3 车间设备立面布置 ................................................................................................... 39 7.3.4 管廊的布置 ............................................................................................................... 40 7.3.5 生活行政部门 ........................................................................................................... 40 7.4给水、排水系统................................................................................................................... 40 7.5电力供应及生产控制 ........................................................................................................... 41

7.5.1电力供应.................................................................................................................... 41 7.5.2贮运 ........................................................................................................................... 41 7.5.3分析检验室、维修室 ................................................................................................ 41

8 “三废”处理及其综合利用 ........................................................................................................... 42

ⅲ

环氧树脂设计说明 目录

8.1 废水的处理：.................................................................................................................... 42

8.1.1 废水的处理方法 ....................................................................................................... 42 8.2 回收利用：........................................................................................................................ 42 8.3废渣的处理 .......................................................................................................................... 43 8.4噪声 ...................................................................................................................................... 43 9环氧树脂安全生产和环境保护 ...................................................................................................... 44

9.1环氧树脂安全生产和环境保护的重要性 ........................................................................... 44 9.2环氧树脂生产安全注意事项与劳动保护措施 ................................................................... 44

9.2.1环氧树脂生产原料安全毒性 .................................................................................... 44 9.2.2环氧树脂生产中劳动保护注意事项 ........................................................................ 44 9.2.3环境保护措施 ............................................................................................................ 45 9.2.4绿化概况.................................................................................................................... 45 9.2.5劳动安全、工业卫生与消防 .................................................................................... 45

10概算与技术经济 ........................................................................................................................... 47

10.1 项目投资估算.................................................................................................................... 47 10.2产品成本估算..................................................................................................................... 47 10.3 财务评估 ......................................................................................................................... 47 总结 .................................................................................................................................................... 49 参考文献 ............................................................................................................................................ 53

ⅲ

环氧树脂设计说明

1引言

1引 言

1.1环氧树脂基本概述

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

1.1.1化学性质

环氧树脂固化过程为放热反应，当使用快速催化剂铸造大型零件时需要注意

散热，防止温度上升过高达到小分子沸腾温度。

1.1.2物理性质

环氧树脂外观：无色透明液体；其密度：1.1～1.2克/立方厘米（与固化程度有关）。

1.1.3分类

环氧树脂的分类目前尚未统一，一般按照强度、耐热等级以及特性分类，环氧树脂的主要品种有16种，包括通用胶、结构胶、耐温胶、耐低温胶、水下，潮湿面用胶、导电胶、光学胶、点焊胶、环氧树脂胶膜、发泡胶、应变胶、软质材料粘接胶、密封胶、特种胶、涉嫌被固化胶、土木建筑胶16种。

1.2应用

1.2.1 环氧树脂用途：

可用于金属与非金属的粘合剂，常用于生产环氧涂料，增强塑料或浇铸成绝缘制件等，也用于处理纺织品，起防皱、防缩、耐水等作用。低分子量的环氧树脂可用作PVC的稳定剂。在化工及许多行业，乃至尖端科学技术领域内已获得广泛应用。环氧树脂涂料主要用于金属保护涂层，如船舶、钢铁结构等，同时还可作为阳离子型电泳涂料的调漆料，大量用于汽车车身的底漆。

1.2.2环氧树脂特性：

① 形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。

② 固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。

1

环氧树脂设计说明 1引言

③ 粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。

④ 收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2%）。

⑤ 力学性能。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。

⑥ 电性能。固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。

⑦ 化学稳定性。通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。

⑧ 尺寸稳定性。上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。

⑨ 耐霉菌。固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌，可以在苛刻的热带条件下使用。

1.2.3改性方法：

① 选择固化剂； ② 添加反应性稀释剂； ③ 添加填充剂；

④ 添加别种热固性或热塑性树脂； ⑤ 改良环氧树脂本身。

1.2.4结构与性能特点

在环氧树脂的各个应用领域中，其最终的使用性能是由环氧树脂固化物提供的。环氧树脂固化物的士性能取决于固化物的分子结构。而固化物的分子结构及其形成则取决与环氧树脂的结构及性能、固化剂的结构及性能、添加剂的结构及性能，以及环氧树脂的固化历程。这里，先就双酚A型环氧树脂的结构对坏氧树脂及其固化物性能的影响作一些介绍。

常用环氧树脂固化剂有脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺，另外在光引发剂的作用下紫外线或光也能使环氧树脂固化。常温或低温固化一般选用胺类固化剂，加温固化则常用酸酐、芳香类固化剂。

环氧值是鉴定环氧树脂质量的最主要指标，环氧树脂的型号划分就是根据环氧值的不同来区分的。环氧值是指100克树脂中所含环氧基的克当量数。

2

环氧树脂设计说明 1引言

1.3生产情况

1.3.1世界环氧树脂生产的地区分布：

环氧树脂的生产主要集中在中、日、欧三个地区，其他还有韩国、美国、台湾地区、泰国、南非和委内瑞拉等。中国大陆的生产能力约占世界总生产能力的60%。

1.3.2世界环氧树脂生产的垄断格局：

世界环氧树脂生产，主要由Shell、Dow、Ciba三大巨头所垄断，另外日本的东都化成、大日本油墨、日本环氧树脂制造公司，韩国的国都化学（与日本东都化成合资）等几家以其先进的生产工艺在世界环氧行业中亦占令人瞩目的一席之地。

1.3.3国内环氧生产厂商情况：

中国环氧树脂生产厂家有一百多家，但除了岳阳和无锡等少数几家外，大都规模很小。由于目前国内环氧树脂厂大多规模小，牌号品种单一，设备落后，树脂质量较低；在目前Shell、Dow、Ciba以及日本几家公司正加紧对中国环氧消费市场渗透抢占的情况下，国内厂家面临着极为严峻的挑战。

1.3.4需求品种:

目前，世界上使用最广泛的品种是双酚A型环氧，其次是溴化双酚A型和酚醛型环氧，其它品种生产使用量很小。

国内实际生产的环氧树脂只有双酚A型的几个牌号。据统计，1997年全国环氧树脂需求量约为110kt，生产量约为30kt，进口量约为60kt。国内环氧的生产品种牌号很单一，主要为双酚A型。由于国产环氧品质较差，许多要求高的场合须进口国外高品质环氧，如高品质液体环氧、溴化环氧、酚醛环氧等。

目前环氧树脂主要用于涂料行业和电子行业。复合材料成型用环氧树脂（主要应用于电子行业的印刷电路板）占四分之一。

1.3.5市场前景：

中国是全球最大也是最后一块环氧树脂市场处女地，中国环氧市场前景十分广阔。

环氧涂料（防腐、防海洋生物污染）。专家预测，2000年我国海洋涂料需4万吨，其中大部分是环氧防腐涂料。

容器制造业持续高速发展，罐头涂料需要越来越多的环氧树脂。

水性环氧涂料前途无量。中国是世界第四大粉末涂料生产国，也是亚洲最大的粉末涂料生产国。我国政府已把粉末涂料和水性涂料确定为今后优先发展品种，而水性环氧涂料又在水性涂料行业中占重要地位。

1.3.6环氧树脂应用技术开发动向

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环氧树脂设计说明 1引言

环氧树脂技术开发动向向高性能化、高附加值发展，重视环境保护和生产的安全性。特殊结构环氧树脂和助剂产品向着精细化、功能化、能在特殊环境下固化发展。固化产物具有高韧性、高强度、耐辐照、耐高低温方向发展。由此特种树脂、固化剂、稀释剂的品种将会有更大发展，形成多品种小批量的生产格局。随着高分子物理学近期的发展，品种的发展已集中于采用化学或非化学合成的方法，通过共混、合金的手段来制得环氧一橡胶、环氧．热塑性塑料、各种有机无

机的填充料复合物以及环氧树脂基无机纳米复合材料。

1.4 发展简史

环氧树脂的发明曾经历了相当长的时期。早在1891年，德国的Lindmann用对苯二酚与环氧氯丙烷反应，缩聚成树脂并用酸酐使之固化。但是它的使用价值没有被揭示。1930年，瑞士的Pierre Castan和美国的S.O.Greenlee进一步进行研究，用有机多元胺使上述树脂固化，显示出很高粘接强度，这才引起了人们的重视。广泛地讲，环氧树脂可以从含有链烯基的母体化合物合成，也可以从含有活性氢原子的母体化合物合成。20世纪初首先报导了烯烃的环氧化，但直到20世纪40年代中期，Swern和他在美国农业部的合作伙伴开始研究聚不饱和天然油的环氧化时，此项技术也仅应用于高相对分子质量单环氧化合物的生产并引起广泛的工业化规模开发的兴趣。10年之后才应用于环氧树脂合成技术之中。大约在20世纪20年代中期已经报导了双酚A与环氧氯丙烷反应产物，15年后首创了不稳定的环氧化脂肪胺中间产物的生产技术。1933年德国的Schlack[1]研究现代双酚A环氧树脂同双酚A的分离技术。尽管一年之后Schlack报导了双环氧化合物同有机酸、无机酸、胺和硫醇的反应，但确定双酚A环氧树脂的工业价值的还是瑞士De Trey Freres公司的Castan和美国Devoe&Rayno1ds公司的Greenlee。1936年，Castan生产了琥珀色环氧氯丙烷一双酚A树脂，并同邻苯二甲酸酐反应生产出用于浇铸和模塑制品的具有工业意义的热固性制品。1939年年初Greenlee也独自生产出了高分子质量双酚A环氧氯丙烷树脂并用于高级热固性涂料。1937年到1939年欧洲曾尝试用环氧树脂补牙，但没有成功。除此之外，在第二次世界大战前，没有全面开发环氧树脂技术。战后不久Devoe&Rayno1ds开始试生产涂料树脂，而CIBA公司得到De Trey Freres许可，开始进一步发展液体涂料、层压材料和粘接剂用液体环氧树脂。1943年Castan的基本专利授权。然而环氧树脂第一次具有工业价值的制造是在1947年由美国的Devoe-Raynolds公司完成的，它开辟了环氧氯丙烷一双酚A树脂的技术历史，环氧树脂开始了工业化开发，且被认为是优于老的酚醛树脂和聚酯树脂的一种技术进步。这种树脂几乎能与大多数其他热固性塑料的性能相媲美，在一些特种应用领域其性能优于酚醛和聚酪。不久瑞士的CIBA(汽巴)

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环氧树脂设计说明 1引言

公司、美国的Shell(壳脾)和Dow(道)公司开始了环氧树脂的工业化生产和应用开发工作。20世纪50年代后期，美国的两个主要公司，汽巴和Devoe-Raynolds继续研究缩水甘油醚型环氧树脂，壳牌化学公司只提供环氧氯丙烷，联合碳化物塑料公司首先制造酚醛树脂和双酚A，欧洲汽巴和壳牌集中开发了环氧树脂。

1955年夏季，四种基本环氧树脂在美国获得生产制造许可证，Dow Chemical co．和Reichho1d化合物公司建立了环氧树脂生产线。在普通双酚A环氧树脂生产应用的同时，一些新型的环氧树脂相继问世。如1956年美国联合碳化物公司开始出售脂环族环氧树脂，1959年Dow化学公司生产酚醛环氧树脂。大约在1960年，Koppers，co．生产了邻甲酚醛环氧，1965年初，汽巴开始生产和经销该种树脂。在1955～1965年期间，环氧树脂质量明显提高，双酚A环氧树脂已有所有的平均相对分子质量等级的牌号。酚醛环氧确立了明显的耐高温应用的优级性能。壳牌化学品公司和联碳塑料生产多官团能酚缩水甘油醚等特种耐温树脂，制造商还提供了脂肪族多元醇一环氧氯丙烷树脂。Unio Carbide开发了对氨基苯酚三缩水甘油醚树脂。1957年有关环氧树脂的合成工艺的专利问世，是由Shell Developmet co．申请的，该专利研究了固化剂和填加剂的应用工艺方法，揭示了环氧树脂固化物的应用。

过醋酸法合成的环氧树脂最初是1956年由美国联合碳化物公司推出，1964年转卖给联碳塑料。在欧洲，工业化脂环族环氧树脂于20世纪60年代初问世，1963年通过汽巴公司引入美国，1965年汽巴引进联碳塑料的许多多官能团环氧的品种，大约1960年FMC CORP．开始经销环氧化聚丁二烯。70年代中期，美国、加拿大、英国、瑞士、西德、比利时、阿根廷、墨西哥、波兰、捷克斯洛伐克和苏联都开始制造双酚A环氧树脂和一些新型环氧树脂。70年代开始了低氯含量的电子级应用，相继五元环海因环氧、氢化双酚A环氧等耐老化树脂和四溴双酚A环氧、含溴环氧化合物等阻燃型环氧树脂得到发展。80年代开发了复合胺、酚醛结构的新型多官能团环氧树脂以满足复合材料工业需要。最近又开发了水性环氧树脂和稠环耐温耐湿环氧树脂。由于环氧树脂品种的增加和应用技术的开发，环氧树脂在电气绝缘、防腐涂料、金属结构粘接等领域的应用有了突破：于是环氧树脂作为一个行业蓬勃地发展起来；目前它的品种、应用开发仍很活跃，从1960年以来，已有数百种环氧树脂完成工业化开发，已有40～50种不同结构的环氧可商品化制造或由中间试验厂提供，同时与之相适用的100多种工业化固化剂和许许多多的改性剂和稀释剂与之配套，正谓方兴未艾。

中国研制环氧树脂始于1956年，在沈阳、上海两地首先获得了成功。1958年上海、无锡开始了工业化生产。20世纪60年代中期开始研究一些新型的脂环族环氧：酚醛环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、缩水甘油胺环氧

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环氧树脂设计说明 1引言

树脂等，到70年代末期中国已形成了从单体、树脂、辅助材料，从科研、生产到应用的完整的工业体系。

环氧树脂具有优良的物理机械性能、电绝缘性能、耐药品性能和粘结性能，可以作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料以直接或间接使用的形式渗透到从日常生活用品到高新技术领域的国民经济的各个方面。例如：飞机、航天器中的复合材料、大规模集成电路的封装材料、发电机的绝缘材料、钢铁和木材的涂料、机械土木建筑用的胶粘剂、乃至食品罐头内壁涂层和金属抗蚀电泳涂装等都大量使用环氧树脂。它已成为国民经济发展中不可缺少的材料。它的产量和应用水平也可以从一个侧面反映一个国家的工业技术的发达程度。

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环氧树脂设计说明 2生产工艺设计

2生产工艺设计

2.1工艺选择

双酚A(即二酚基丙烷)型环氧树脂，在环氧树脂中它原材料易得，成本最低，是环氧树脂家族中产量最大、用途最为普遍的一大品种。

双酚A型环氧树脂具有粘接、防腐蚀、成型性和热稳定性能，在机械、电气和耐化学药品性方面的性能非常优越。由于有这些性能，它可以作为涂料、胶粘剂和成型材料，并在电气、电子、光学机械、工程技术、土木建筑及文体用品制造等领域中得到了广泛的应用。环氧树脂的应用领域十分广泛，以直接或间接使用形式几乎遍及所有工业领域。

目前国外生产的环氧树脂的品种多而且杂，但最主要的还是双酚A型环氧树脂，约占总产量的90%。它具有优良的粘接性、电绝缘性、耐热性和化学稳定性收缩率和吸水率小，机械强度好。45%-55%用作涂料，其次是电绝缘材料、增强材料和粘接剂等。

根据其相对分子质量的高、低可分为低相对分子质量环氧树脂（M≤400）、中等相对分子质量环氧树脂（M＝400-1400）、高相对分子质量环氧树脂（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↑

2.1.1合成原理

双酚A型环氧树脂是由二酚基丙烷(双酚A)和环氧氯丙烷在碱性催化剂(通常用NaoH)作用下缩聚而成。其反应历程的说法不一，尚无定论，本书不作探讨。但是，大体上说来，在合成过程中主要的反应可能如下：

(1)在碱催化下，双酚A的羟基与环氧氯丙烷的环氧基反应，生成端基为氯化羟基的化合物．开环反应。

(2)氯化羟基与Na0H反应，脱HCl再形成环氧基．闭环反应。

(3)新生成的环氧基与双酚A的羟基反应生成端羟基化合物．丌环反应。 (4)端羟基化合物与环氧氯丙烷反应生成端氯化羟基化合物．开环反应。 (5)生成的氯化羟基与NaOH反应，脱HCl再生成环氧基．闭环反应。 在环氧氯丙烷过量情况下，继续不断地进行上述开环．开环一闭环反应，最

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环氧树脂设计说明 2生产工艺设计

终即可得到二端基为环氧基的双酚A型环氧树脂。

上述反应是缩聚过程中的主要反应。此外还可能有一些不希望有的副反应，如环氧基的水解反映、酚羟基与环氧基的反常加成反应等。若能严格控制合适的反应条件(如投料配比，NaoH用量、浓度及投料方式，反应温度，加料顺序、含水量等)，即可将副反应控制到最低限度。从而能获得预定相对分子质量的、端基为环氧基的线型环氧树脂。调节双酚A和环氧氯丙烷的用量比，可以制得平均相对分子质量不同的环氧树脂。

2.1.2生产工艺

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。 一步法工艺是把双酚A和环氧氯丙烷在NaOH作用下进行缩聚，即开环和闭环反应在同一反应条件下进行的。国内产量最大的E-44环氧树脂就是采用一步法工艺合成的。

二步法工艺是双酚A和环氧氯丙烷在催化剂(如季铵盐)作用下，第一步通过加成反应生成二酚基氯丙烷醇醚中间体，第二步在NaOH存在下进行反应生成环氧树脂。二步法的优点是：反应时间短，操作稳定，温度波动小，易于控制；加碱时间短，可避免环氧氯丙烷大量水解；产品质量好而且稳定，产率高。国产E-51、E-54环氧树脂就是采用二步法工艺合成的产品。此法是在高温进行反应，所以副反应多，生成物中有支链结构。不仅环氧值偏低，而且溶解性很差，甚至反应中会凝锅。

上述反应是缩聚过程中的主要反应。此外还可能有一些不希望有的副反应，如环氧基的水解反应、酚羟基与环氧基的反常加成反应等。若能严格控制合适的反应条件(如投料配比，NaoH用量、?浓度及投料方式，反应温度，加料顺序、含水量等)，即可将副反应控制到最低限度。从而能获得预定相对分子质量的、端基为环氧基的线型环氧树脂。调节双酚A和环氧氯丙烷的用量比，可以制得平均相对分子质量不同的环氧树脂。

2.1.3一步法工艺

把双酚A(BPA)和环氧氯丙烷(ECH)在氢氧化钠作用下进行缩聚，即开环和

闭环在同一反应条件下进行的工艺方法。周菊兴提出的工艺是：将配方量的双酚A和环氧氯丙烷在80℃下搅拌溶解，然后降温至℃，滴加30％的NaOH。碱滴加完后保温反应一段时间，然后减压回收未反应的环氧氯丙烷。接着再次降温到5O℃，滴加l5％ 的NaOH，加完后保温反应。反应完毕，加入苯，升温溶解，然后静置水洗，上层的树脂苯溶液真空吸入脱水釜，残液再加苯萃取一次，弃去下层盐水溶液，萃取液仍吸入脱水釜。最后蒸出苯，得到清澈透明的树脂。此外还有一次

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环氧树脂设计说明 2生产工艺设计

加碱法 ，即将碱改成一次滴加完，然后再蒸馏未反应的环氧氯丙烷。这种方法工艺成熟，目前国内的E一44树脂多是采用这种工艺生产。

2.1.4二步法工艺

Vogel Tomas 提出的工艺是：将双酚A、环氧氯丙烷，同时加入三苯基膦卤化物或三苯基膦作催化剂，升温使体系在40～120℃发生醚化反应，生成氯醇醚。当羟基转化率达到80％ ～90％ 后，在20～90℃ 以下一次性加入NaOH水溶液，进行闭环反应。然后，在减压下蒸尽环氧氯丙烷。加入有机溶剂，溶解粗产物，再加入水水洗至中性，静置分去水层，最后蒸馏除去苯，得到树脂产品。二步法也可以选择铵盐、胆碱作为催化剂 ,无机盐 ，含硫有机化合物 。考虑到价格因素，国内企业选用铵盐的居多。

与一步法比较，二步法反应时间短，操作稳定，温度波动小，易于控制．产生的三废少，质量稳定，产率高，可生产系列环氧树脂，对于国内企业来说，对现有设备稍作改动就可以上马，是很经济的方法。该法最大的优点是将开环闭环分步进行，而且可以在无水条件下进行开环，尽可能的减少了副反应的发生。而且催化剂也有一定的选择性，可使产物量子多为线型结构，不易引起聚合反应。该法的缺点是从树脂中除去催化剂困难，而催化剂有一定的乳化作用，还对树脂的固化过程有影响，能缩短树脂的使用寿命，加大固化反应的放热量，因此要严格控制它的用量，并设法减少在树脂中的残留。

此法是在高温进行反应，所以副反应多，生成物中有支链结构。不仅环氧值偏低，而且溶解性很差，甚至反应中会凝锅。

本设计由于产量低、要求转化率高、无副产品、费用少、所以采用一步法。

2.2主要原材料

2.2.1环氧树脂生产的主要原材料及规格

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环氧树脂设计说明 2生产工艺设计

表2.1 环氧树脂生产的主要原材料及规格 原材料名称 双酚A (BPA) 环氧氯丙烷 （ECH） 苯 92 ClO 78 结构式 HO—CCHH3—CC— ---OH-.分子量M 质量指标 外观：白色粒状（或粉状）结晶体，熔点：≥155.5℃ 色度号（铂－钴）：≤40 外观：无色透明液体 纯度wt％：≥99.5 密度（20℃）g/cm3：0.88色度（Pt-Co）:≤15 纯度wt％：≥99.5 馏程℃：109～112 密度（20℃）g/cm3:0.862～0.868 色度（Pt-Co）号：≤15 228 CHCH3 液体烧碱 NaOH 40 晶体，含量wt％：≥99.5

2.2.2环氧树脂生产的主要原材料的性质

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。

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。

液碱：淡紫色液体，无机械杂质，强碱性，腐蚀性较强。

苯：无色透明液体。有芳香气味。具强折光性。易挥发。能与乙醇、乙醚、丙酮任意混溶，微溶于水。

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环氧树脂设计说明 3工艺流程

3工艺流程

工艺流程的选择原则是：有一定的科学先进性和一定的科学水平，能体现社会经济效益以及可操作性强。在兼顾企业的实际情况同时制定出工艺流程简短、技术成熟、投资少、生产成本低、适应生产的连续化，使整个生产装置达到高水平。工艺流程的选择和论证是在实验室和生产性试验的基础上进行的。

3.1工艺流程：

① 把双酚A投入溶解釜中，然后通过环氧氯丙烷、苯，将夹套通水蒸气的温度加热升温到70OC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。控制反应温度为50OC，维持一定时间至反应结束后，回收过量环氧氯丙烷供循环使用。

③ 回收结束后过滤，静置，把苯溶液抽吸到回流脱苯釜内，下层的盐脚抽吸后放掉。

④ 在回流脱苯釜内回流至蒸出的苯清晰无水珠为止。然后冷却，静置. 经过滤器至贮槽，沉降后抽入脱苯釜脱除苯，先常压110OC以上开始减压至140-143OC无馏出液为止，放料，即得成品。

⑤

包装。干燥后的粉末，存放于贮料斗中，先测定产品的分子量、密度等

有关性能，然后按每袋25kg装袋输送到仓库以备出厂。

3.1.1环氧氯丙烷自动分相回收技术

由于反应中环氧氯丙烷是过量的，缩合反应后的水和过量的环氧氯丙烷在102℃形成共沸物一同被蒸出，进入冷凝器冷凝后，水和环氧氯丙烷自动分层，进入环氧氯丙烷自动分相器，环氧氯丙烷自动分相器是利用环氧氯丙烷和水的密度的不同进行分离的。利用U型弯，使环氧氯丙烷能够自动稳定回流．

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环氧树脂设计说明 3工艺流程

图3.1 分相器结构图

在反应单元中分离出的含环氧氯丙烷废水（含环氧氯丙烷约6.58 %）经泵输送至汽提塔，塔顶得到环氧氯丙烷和水的共沸物，分相分离出的环氧氯丙烷供生产循环使用，塔釜得到的废水和分相分离后的废水去现有污水处理站。 无论进料中的环氧氯丙烷和水的含量和流量为多少，只要充分分层即可，环氧氯丙烷只能通过分相器底部通过U型弯流出，而水只能通过上部溢流口流出。

3.1.2薄膜脱苯工艺流程

进入半成品贮罐的树脂甲苯溶液，用泵输送至薄膜蒸发器(MA305)(经调节阀控制)，进入薄膜蒸发器的物料迅速在蒸发器内形成膜状，在其夹套蒸汽的加热下，苯不断挥发，经冷凝冷却器(E502)回收输送至苯贮罐，环氧树脂进入树脂中间罐(V503)，中间罐的树脂放入成品罐(V501A／B)，用泵送至灌装机进行产品装桶。 薄膜脱苯技术的关键设备是薄膜蒸发器，其原理就是树脂苯溶液由中间储罐通过输送泵以切线方向进入薄膜蒸发器，进入薄膜蒸发器后迅速在蒸发器的内表面形成薄膜，在蒸发器夹套内的蒸气连续加热下，苯溶剂在加热下蒸发后经冷凝器冷却回收进入苯储罐；随着树脂苯溶液沿着薄膜蒸发器内壁不断下降，苯不断挥发，树脂与苯便分离开了，树脂流入树脂接受器。反应完毕后静置，除去上层碱水后用沸水洗涤十几次，除去树脂中的残碱及副产物盐类。

回收过量的环氧氯丙烷后，然后放出部分盐脚和反应中间相(下批使用)，最后物料放入过滤器。反应生成的NaCl盐溶解在水中，静止排出饱和盐水。，然后排放废水（含盐及碱）和反应中间相（主要为含甲苯的老化树脂）。

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环氧树脂设计说明 3工艺流程

3.2 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：

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环氧树脂设计说明 3工艺流程

图3.2工艺流程框图 双酚A 溶解 苯、环氧氯丙烷 循环使用

反应 NaOH

分相 环氧氯丙烷

反应后 盐脚 萃取 下层

成品 脱苯 过滤 冷却 静置 回流

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环氧树脂设计说明 4物料衡算

4 物料衡算

4.1 计算条件与数据理：

1）设每年生产330天，则每天的产量为：

Md=60 000÷330= 181.82t/d

一天生产两批，则每批的产量为m =181.82t/2=90.91t

2）设以生产1t（1 000kg）环氧树脂为基准

原料单耗如下：

表4.1 原料单耗表 原料名称 环氧氯丙烷 双酚A 纯苯 液体烧碱 (100%) 投料比例 557.3kg 687.5kg 235.2kg 240.9kg

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

名称 环氧氯丙烷 双酚A 纯苯 液体烧碱 双酚A型环氧树脂 分子量 92.52 228.29 78.11 40.01 332.05 净含 98% 95% 96% 99.5% 99% 含水分 0.2% 3% 0.2% 0.2% 0.8% 含惰性杂质 1.8% 2% 3.8% 0.3% 0.2%

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>>。

4.2 原料用量计算：

反应过程中的反应物纯量计算：

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环氧树脂设计说明 4物料衡算

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。

由原料单耗可得每批原料用量如下表：

表4.3 原料用量表

名称 环氧氯丙烷 双酚A 纯苯 液体烧碱 用量(kg) 55 730 68 750 23 520 24 090

4.3 缩合工段物料衡算：

98%环氧氯丙烷 95%双酚A NaOH 苯 反应釜 环氧氯丙烷 双酚A 图4.1 (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：55 730×98%=54 615.40kg 水：55 730×0.2%=111.46kg

不溶杂质：55 730×l.8%=1 003.14kg ②95%的双酚A中：

双酚A：68 750×95%=65 312.5kg 水：68 750×3%=2 062.5kg 不溶杂质：68 750×2%=1 375kg ③99.50%的NaOH中：

NaOH：24 090×99.5%=23 969.55kg

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环氧树脂设计说明 4物料衡算

水：24 090×0.2%=48.15kg 不溶杂质：24 090×0.3%=72.27kg ④96%的苯中：

苯：23 520×96%=22 579.2kg 水：23 520×0.2%=47.04kg

不溶杂质：23 520×3.8%=893.76kg (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： 反应的总方程式如下

228 92.5×2 332 65 312.5×0.95 x y

由上反应方程式：

x/92.5×2=y/332=z/36.5×2=62 046.875/ 228 可得：

x=50 340.05kg,y=90 348.96kg,z=19 865.89kg 所以反应后的各物料质量如下:

双酚A: 6 5312.5×(1-95%)= 3 265.625kg 环氧氯丙烷：54 615.4-50 345.05=4 270.35kg

HOHCl：19 865.89 kg 环氧树脂：90 348.96 kg

NaOH + HCl = NaCl + H?O 40 36.5 58.5 18 x 19865.89 y z

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36.5×2 z

环氧树脂设计说明 4物料衡算

则有 x/40=y/58.5=z/18×2=19 865.89 / 36.5

可得：

x=21 770.83kg,y=31 839.85kg,z=9 796.88kg 故NaOH=24 090-21 770.83=2 319.17kg 以上计算可得到下列物料平衡表

表4.4缩合反应物料平衡表 输入物 纯物质 料 54 615.4 111.46 1 003.14 65 312.5 2 062.5 环氧树脂 1 375 23 969.55 48.18 72.27 22 579.2 47.04 96%的苯 99.5%的NaOH 参与反应物质中水和杂质 惰性杂质 总计 893.76 172 090 NaCl 31 839.85 172 090 49 246.695 2 319.17 22 579.2 9 0348.96 质量(kg) 输出物料 环氧氯丙烷 双酚A 3 265.625 质量(kg) 4 270.35 98%的 环氧氯丙烷 环氧氯 丙烷 水 惰性杂质 95% 的 双酚A 双酚A 水 惰性杂质 99.5%的NaOH NaOH 水 惰性杂质 96%的苯 苯 水

4.4回收过量环氧氯丙烷：

图 4.2 回收框图

反应釜所出物料 冷却器 98%环氧氯丙烷

设冷却回收率为 97%： 对于输入物料为一股：

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环氧树脂设计说明 4物料衡算

环氧氯丙烷：4 270.35kg 对于输出物料为一股：

环氧氯丙烷：4 270.35×97%=4 142.24kg 由以上计算可得下列物料平衡表： 表4.5 回收物料表 输入物 料 纯物质 质量(kg) 4 270.35 回收物料 环氧氯丙烷 质 质量(kg) 4 142.24 98% 的 环氧氯丙 环氧氯 丙烷 总计 烷 4 270.35 4 142.24

收率：97%

4.5 环氧树脂收集：

进出料框图如下：

图4.3 环氧树脂回收进出料框图

的环氧树脂 99?% 的苯 出料分两股， ① 环氧树脂：

环氧树脂：90 348.96 kg ② 苯：22 579.2kg

回收脱苯釜 96%的苯 99%的环氧树脂

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环氧树脂设计说明 5热量衡算

5 热量衡算

5.1计算依据：

5.1.1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)

5.1.2重要符号：

Cp——定压比热容 kg J/ (kg，OC) Q-----热量k J

5.1.3主要公式：

1) Q1+ Q2+ Q3=Q4+Q5+Q6 式(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 k J Q6——设备向环境散失的热量 kJ 2) 间接蒸汽加热的蒸汽消耗量：

D= Q2/[ H-C (T-273) ] ? 式(5.2)

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 kg J H——水蒸汽的热焓 kg J/kg

C——冷凝水的比热容，可取 4.l8k.J/(kg×K) T——冷凝水的温度 kg.

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

3) W = Q2/C (TK-TH) 式(5.3)

式中:

W——冷却剂的消耗量 kg

C——冷却剂的平均比热容 kJ/(kg K) TK ---冷却剂的最终温度 K TH——冷却剂的最初温度 K

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环氧树脂设计说明 5热量衡算

4) Q2 =KAt?tm 式(5.4） 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热量衡算：

5.2.1溶解岗位：

投入原料以后温度从25 OC升至70 OC溶解；由于此处设备为搪玻璃开式搅拌器，外围夹套，反应过程中Q3、Q5、Q6忽略不计。

① 物料带入设备的热量

由于各股物料都是在常温(25℃)下加入，设其为基准，即 Q1 = 0。

② 化学反应过程的反应热

在反应釜内进行的反应主要溶解反应，根据经验，该反应热相对于总热量较小，可忽略，所以，Q3=0。

③ 离开设备物料带走的热量

由工艺条件可知离开设备的物料环氧氯丙烷（55730kg）和 纯苯（23520kg），离开温度为 70℃，进入温度为 25℃。查得环氧氯丙烷的比热容为 CP1=0.133kg J/(kg g·℃)，苯的比热容为 CP2=1.9kg J/(kg g·℃)

则：Q41 = CP1×m1×△t= 0.133× 55 730× (70-25 ) Q42 = CP2×m2×△t= 1.9 × 23 520× (70-25 ) 所以，Q4=Q41+Q42=2 344 504.05 kg J ④ 设备吸收热量及热损失

查阅资料（ 《化工工艺设计》 ）后，按经验设：Q5+Q6=15％Q2 式(5.5）

⑤ 换热剂与设备和物料传递

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 所以，Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3=Q4+15％Q2 即：Q2=Q4/0.85=2 758 240.06 kJ ⑥ 间接蒸汽加热的蒸汽消耗量：

D= Q2/[ H-C (T-273) ] ? 式(5.6） 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

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环氧树脂设计说明 5热量衡算

H——水蒸汽的热焓 k J/k g

C——冷凝水的比热容，可取 4.l8kg J/(kg×K) T——冷凝水的温度 k g

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

则加热所需的水蒸气量为D=Q2/（△H-CpTk）? 式(5.7）

其中 △H=2 261.425kg J/kg Cp=4.186 8 kg J/kg ℃

D=2 758 240.06 /（2 261.425-100×4.186 8）×0.94=1 496.81k g

5.2.2 反应岗位：

图 5.1 络合反应温度变化图

温 度 70 oC o

C 保持50 oC 2h 水降温 25 oC 时间 h

如上图所示反应中温度的变化分为3个阶段，其中在70oC-50oC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，进行计算。

初始温度为 70oC，末态温度为 50oC，根据经验，该反应热相对于总热量较小，可忽略，所以，Q3=0。故Q3=0

① 求Q：Q=C × m × ?t 式(5.8） 对于环氧氯丙烷：

Q1 =55 730×0.133×(70-50)=148 241.8k J 对于苯：

Q2=23 520×l.9×(70-50)= 893 760k J Q= Q1+Q2=1 045 561.8k J

② 求冰盐水的用量： Q2=-Q

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环氧树脂设计说明 5热量衡算

M1=Q2/ C (Tk-Th) 式(5.9） 取冰盐水的平均比热容:C=4.0 k J/(k g.OC), Tk =0℃ , Th = 50℃ 则消耗的冰盐水：

M1=-1 045 561.8/{4.0×(0-50)}= 5 227.809k g

③ 保温反应 2h阶段：

在反应过程中初、末温度均为50℃，查得反应热?H=-11 952.788k J 则此时需消耗的冰盐水：

M2=?/ C (Tk-Th)= -11 952.788/{4.0×(0-50)}= 597.64k g 每批消耗的冰盐水

M=M1+M2=5 825.45k g.

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式(5.10） 环氧树脂设计说明 6设备选型

6 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：

表 6.1 工 段 缩合 工序 备料投料（环氧氯丙烷、双酚A 升温 保温 回收过量环氧氯丙烷 处理 降温 苯回收 环氧树脂回收 处理产品 1.00 2.00 0.5 0.75 2.00 1.00 1.00 操作工时（h） 1.00

6.1.2反应器选择

反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。

常用反应器的类型有：①管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于 液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝纤维状

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环氧树脂设计说明 6设备选型

催化剂也已被广泛使用。固定床反应器是研究比较充分的多相反应器，④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等⑤喷射反应器。利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程管式反应器。

①管式反应器

一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。管式反应器反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。

②釜式反应器

管式反应器属于平推流反应器，釜式反应器属于全混流反应器。管式反应器的停留时间一般要短一些，而釜式反应器的停留时间一般要长一些，从移走反应热来说，管式反应器要难一些，而釜式反应器容易一些，可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决，釜式反应器一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。

釜式反应器按操作方式可分为： 1) 间歇釜式反应器：

间歇釜操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。

间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。

间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。 2) 连续釜式反应器,或称连续釜

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连续釜搅拌作用会造成釜内流体的返混。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。 3）流化床反应器

流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。

根据所给年产量确定每天生产的吨数，由于日产量较大应采用一日多批量生产，若采用多个反应釜进行连续生产，设备成本将大大提高，在节省开支及时间等因素的考虑下，应采用间歇式操作，每天生产1批每批2个流程，采用2套反应设备生产批次和反应釜。 由于在反应过程中有腐蚀性物质的加入，所以材料应选用耐腐蚀材料。对该反应器选用镍铬不锈钢，0Cr18Ni9 .钢板标准为GB4237 。

6.2 溶解工段反应岗位的设备选型：

6.2.1溶解釜：

各纯物质体积计算列表：

表6.2 溶解工段物料体积表

物质 双酚A 环氧氯丙烷 苯 质量 m (kg) 68 750 55 730 23 520 密度?(kg/l) 1.195 1.18 0.88 体积v （l) 57 531.38 47 228.81 26 727.27

则每批物料的总体积为：

Vd =（57 531.38+47 228.81+26 727.27）/4=142 692.11/4=32 871.87L 考虑到双酚A，加反应釜后体积会增大，因此装料系数η=0.7

V=Vd/η=32 871.87/0.7=46 959.81L取整V=50 000L 式(6.1） Vg=V×η 式(6.2） =50 000×0.7=35 000L 查《化工工艺设计手册》（下）：

选取公式容积为50 000L搪玻璃闭式搅拌容器，闭式搅拌容器通常都包含一定压力，反应器之类的设备，密闭带搅拌。开式是直接和大气连通，不承受压力。其中重要参数为A=2 480dm2 、D=38dm,、H=46dm

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所以容器壁厚δd = 所以容器壁厚δd =

P D-P) + C 式(6.3）

公式中[σ]t = 114 Mpa Φ= 1 C = 0.8

P D/ (2[σ]t Φ-P) + C

= 1.01×3 800 / 2×114×1-1.01 + 0.8 = 17.71mm 对壁厚圆整取δd = 18 mm 校核传热面积：

由于溶解釜是采用夹套加热，且选用水蒸气作为加热介质，所以传热系数计算如下：

1)求釜侧传热膜系数?1：

?(6.4)

1

=0.73(?/D)(nd2?/?)0.65(CP?/?)0.33(?/?w)0.24 式

式中：

?1——釜侧传热膜系数W/ (m2.K)； D----搅拌釜的直径m； d——搅拌器的直径 m； n——搅拌器的转速rps； ?——液体的密度kg/ m2； Cp——液体的比热J/ (kg.K)； ?——液体的导热系数W/ (m.K)； μ——液体在釜内温度时的粘度 Pa. S; ?w——液体在壁温时的粘度Pa. s； 在此计算中个，各参量如下：

D=3.8m； d= 3.61m；

n= 80r/min= 80/60rps；

?=（55 730+68 750+23 520+24 090)/181 147.37

=0.95Kg/L

查《化工原理 》(陈敏恒)可得到各组分Cp。代入公式：

（m.K） 式(6.5) ?=0.257 4W/ μ=1.121×10-3Pa.S

取?/?w =1，把各系数代入公式中得：

?1 =0.73(?/D)(nd2?/?)0.65(CP?/?)0.33(?/?w)0.24

=1 480.24W/(m2.K)

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2)求传热系数K；

搪玻璃釜的釜壁分两部分，一部分为铸铁层，另一部分为镀上去的搪瓷层, 其参数如下：

铸铁层厚度为 20mm，?=62.8W/ (m.K) 查《化工工艺设计手册》(第三版，下册)：

搪玻璃设备玻璃层厚度一般为 0.8--2.0mm，取 1. 0mm 查《化工工程手册》(第二版，上卷)：

搪瓷导热系数?：0.87一1.l6W/ (m.K)。取0.9 W/ (m.K)

则 K = 1/ ( 1/ ?+∑?/?) 式(6.6) = 950.51KJ/(m2.h.K)

料液进、出口温度分别为250C和700C ，设水蒸汽进、出温度分别为1000C和700C，则有：

㏑（25-100）=16.47OC 式(6.7） ?tm=(25-100)÷冷却时间 t=1h

A=Q2/K?tmt=22.13m2< 2 480dm2 所以选取的搪玻璃开式搅拌反应罐可行。

6.2.2 支座形式

支座选用耳式B型带垫板支座。选用标准为JB/T472—92。具体参数如下： 材料为Q235—A?F，垫板材料为0Cr18Ni9。 耳座用4个，厚度δ= 40mm

6.2.3 搅拌浆设计

通过搅拌能使单体溶液分散成液滴，防止块状聚合。搅拌的另一个作用是加速反应热的传递，防止温度过高而发生爆聚，保证反应的正常进行。

搅拌器的分类方法有很多，主要由以下几种。

1）按桨叶搅拌结构：分为平叶、斜（折）叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。浆式、涡轮式搅拌器都有平叶和斜叶结构；推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶结构。根据安装要求又可分为整体式和剖分式，便于把搅拌器直接固定在搅拌轴上而不用拆除联轴器等其他部件。

2）按搅拌器的用途：分为低黏流体用搅拌器、高黏流体用搅拌器。用于低黏流体的搅拌器有：推进式、浆式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框浆式、三叶后完式等。用于高黏流体的搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋浆式、螺带式等。

3）按流体流动形态：分为轴向流搅拌器和径向流搅拌器。有些搅拌器在运转时，流体即产生轴向流又产生径向流的称为混合流型搅拌器。推进式搅拌器是轴流型的代表，平直叶圆盘涡轮搅拌器是径流型的代表，而斜叶涡轮搅拌器是混合

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流型的代表。

反应釜搅拌器一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结果合理，一是选择方法简便，而这两点却往往难以同时具备。

由于液体的粘度对搅拌状态有很大的影响，所以根据搅拌介质粘度大小来选型是一种基本的方法。几种典型的搅拌器都随粘度的高低而有不同的使用范围。随粘度增高的各种搅拌器使用顺序为推进式、涡轮式、浆式、锚式和螺带式等，这里对推进式的分得较细，提出了大容量液体时用低转速，小容量液体时用高转速。这个选型不是绝对地规定了使用浆型的限制，实际上各种浆型的使用范围是有重叠的。

根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状态判断该过程所适用的浆型，这是一种比较合用的方法。

由于被搅拌流体黏度高，且搅拌的作用是要将物料充分混合，所以搅拌浆叶的形式选为锚式搅拌器。其具体设计参数如下：

Z = 1 搅拌浆直径d = 0.95D =0.95 ×38= 36.1dm 式(6.8） 搅拌转速n = 20 r/min

搅拌器底部与溶解釜底部的距离 = 0.05 d =1.81dm

6.2.4 封头的设计选型

① 下封头选择

下封头选取标准椭圆形封头。具体参数如下：

D = 3 800mm

封头内径d= 0.2D = 760mm （HG/T2268-2009）

封头高度h = 0.25 D = 0.25 × 3 800 = 950mm

封头侧面积 = 1.083 D2 = 1.083 × 3.82 = 15.64m2 式(6.9） 封头体积 = 0.131 D3 = 0.131 ×3.83 = 7.19m3 ② 上封头选择

由于反应体系属于黏度流体，为使流体能顺利快速的流入反应釜，所以上封头选用90度锥形封头。具体参数如下：

D =3 800mm

封头内径d= 0.2D = 760mm

封头高度h = 0.5D =0.5 × 3 800 = 1 900mm 式(6.10）

封头侧面积 = 1.11D2 = 1.11 × 3.82 = 16.03 m2 式(6.11）

封头体积 = 0.130 9 D3 = 0.130 9 × 3.83 = 7.18m3 式(6.12）

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6.3 反应工段反应岗位的设备选型：

6.3.1反应釜

各纯物质体积计算列表：

表 6.3 缩合工段反应岗位物料体积表

物质 双酚A NaOH 环氧氯丙烷 苯 质量 m (kg) 68 750 24 090 55 730 23 520 密度?(kg/l) 1.195 2.15 1.18 0.88 体积v （l) 57 531.38 11 204.65 47 228.81 26 727.27 则每批物料的总体积为：

Vd =（57 531.38+11 204.65+47 228.81+26 727.27）/4=142 692.11/4=35 673.03L 间歇釜式反应器体积计算

VR=Q(?+??) 式(6.13） 式中

VR—反应器有效体积，m3。

Q—平均每秒钟需处理的物料体积，m3?h； ?????????????? —非反应时间，h； ????????????? —反应时间，h； VR= 35 .67303×(0.5+0.5) = 35 .67303m3

考虑到双酚A、NaOH为固体，加反应釜后体积会增大，因此装料系数η=0.7

V=VR/η=35 673.03/0.7=50 960.04L取整V=50 000L Vg=50 000×0.7=35 000L 查《化工工艺设计手册》（下）：

选取公式容积为50 000L搪玻璃闭式搅拌容器，其中重要参数为A=2 480dm2，壁厚30mm.，取D=38dm,、H=46dm。由于在反应过程中有腐蚀性物质的加入，所以材料应选用耐腐蚀材料。对该反应器选用镍铬不锈钢，0Cr18Ni9 .钢板标准为GB4237 。

查《化工工艺设计手册》(第三版下册)，相关参数如下：

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表6.4缩合工段反应设备参数

公称容积VN/L 夹套换热面积/m2 公称压力PN 介质温度及容器材料 搅拌轴公称直径dN/mm 电动机功/kW 率锚式搅拌器 框式搅拌器 桨式搅拌器 叶轮式搅拌器 电动机型式 搅拌轴公称转速 Y型或YB型系列（同步转速1 500r/min） 锚式、框式搅拌器63r/min、80/min；桨式搅拌器80r/min、125r/min；叶轮式搅拌器125r/min 悬挂式支座 支承式支座 参考质量/kg A5×4 5t×4 19 300 7.5 5.5 5.5 50 000 24.8 容器内：0.3Mpa； 夹套内：0.12Mpa 0—2 000oC（材料为Q235-A,Q235-B）或高于-20—200OC (材料为20R) 3610

6.3.2 支座形式

支座选用耳式B型带垫板支座。选用标准为JB/T472—92。具体参数如下： 材料为Q235—A?F，垫板材料为0Cr18Ni9。 耳座用4个，厚度δ= 40mm

6.3.3反应釜的液位

（1） 最高液位

反应釜体积VR = 50 m3 下封头体积V头 = 7.18 m3 下封头高度h = 1 900mm

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在釜体中的实际反应液体积V1 = 50 -7.18 = 42.82m3

V1 = ?4?D2H1 H1 = V1×4 / π D2 式(6.14）

所以H1 = 42.82×4 /πD2

= 42.82×4 / （3.14×3.82） =3.78m 所以，最高液位H = H1 + h

= 3.78+ 1.9= 5.68m (2) 最低液位 最低液位 H = 1/3 D

= 1/3 × 3.8 = 1.27m 最低液面要求

为防止树脂老化，半管加热的高度不能超过最低液面，当反应釜中只剩下树脂的时候体积最小，因此液面高度最低。

树脂的密度ρ= 1.2×103 kg/ m3

树脂质量90348.96 kg，每次投入量90 348.96/4=22 587.24 故V=22 587.24/1.2×103=19m3

V1 = ?4?D2H1H1 = V1×4 / π D2=1.67m

两者比较，故最低液面为1.67m。

6.4各釜体夹套尺寸的确定

所谓夹套就是在釜体外侧用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，是与釜体外壁形成密封的空间。在此空间内通入加热或冷却物质，可加热或冷却反应釜内的物料。

夹套筒体的高度主要由传热面积确定，一般不应低于料液高度，以保证充分传热。根据装料系数、操作容积，夹套的筒体高度为：

Hj??V?Vh 式(6.15） 2?Di/4 釜夹套高度

50?0.75?0.262?3.82Hj??3.24m

0.785?3.82

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查《化工设备机械基础》壳体直径在3800mm时，夹套直径为

Di?200?380?0200?400mm 0

6.5贮槽的设计

6.5.1环氧氯丙烷回收釜

回收环氧氯丙烷装置的洁净度要求比较高，环氧氯丙烷也具有一定的腐蚀性，应选镍铬不锈钢。

环氧氯丙烷回收质量m=4 142.24 kg 环氧氯丙烷密度ρ=1.18×103 kg/ m3

故回收釜体积V=4 142.24/4×1.18×103=0.88m3 取整900L， 查化工工艺设计手册用1000L釜。 其中直径D=1 100mm 高 H=1 330mm

6.5.2苯贮槽

苯质量m=23 520/4=5 880 kg 密度 0.878 6 g/mL

苯贮槽体积V=5 880/878.6=6.70m3

取整V=8 000L，查化工工艺设计手册用1 000L釜。 其中直径D=2 000mm 高 H=2 400mm

6.5.3脱苯釜

脱苯釜的体积V=V苯 +V环氧树脂=19+6.70=25.70m3 缩合工段苯回收岗位设备选型：

查 化工工艺设计手册 (第三版，下册)：取K型搪玻璃蒸馏容器系列中的 3 000L蒸馏釜。相关的尺寸参数和管口参数如下；

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表 6.5 缩合工段苯回收设备参数 公称容积VN/L 公称直径 DN/mm K型 F、P型 计算容积VJ/L D0 D1 D2 D3 -H0 H1 H2 H3 H4 H5 H 1 750 3 498 1 220 1 900 2196 1400 2 559 700 649 400 310 1200 1 600 3 000 1 750 3 630 1 220 1 900 2 196 1 400 2 100 560 - 400 680 1 600 1 800

表6.6 缩合工段苯回收设备管口特性参数 公称容积 蒸馏口a 容器盖管口公称直径 入手孔a 温度视镜备用孔b 放料口f 1 n2 3000 400 400× 300 150 125 100 125 5 5 4 G3/4// G1/2// 夹套管口公称直径 进出口 n3 nn气阀g 放净口a 计口t S1 S2

注：以上表格中，上排为K型容器的管口参数，下排为F、P型容器的管口参数。

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