环氧树脂生产工艺设计.doc

目 录中文摘要第一章 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 厂区布置和车间布置设计4.1工厂设计的内容与规范4.2 厂址的选择4.3 车间的布置4.3.1 辅助生产和行政-生活布置4.3.2 厂房的布局4.3.3 厂房的长、宽、高和层数确定.4.3.4 厂房内布置第5章“三废”处理及其综合利用5.1 废水的处理5.2 套用和回收利用5.3、环境保护措施第6章 环氧树脂安全生产和环境保护摘 要：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。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。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，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；车间工艺设计论 述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DGEBPA） 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（）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。（）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=Ev43。（）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：。（）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Pa.s(帕斯秒)=1000mpa.s(毫帕斯秒)1000cP(厘帕斯)。（）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（M400）、中等分子量树脂（M400-1400）、高分子量树脂（M14008000）和超高分子量树脂（M10万45万）。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表2-1环氧树脂生产的主要原材料及规格原材料名称结构式分子量M质量指标双酚A(BPA)-OH-.CHCH3CCHH3HOCC228外观：白色粒状（或粉状）结晶体熔点：155.5色度号（铂钴）：40环氧氯丙烷（ECH） ClO92.5外观：无色透明液体 纯度wt：99.5密度（20）g/cm3：1.1801.184色度（Pt-Co）:15甲苯（TOL) CH392纯度wt：99.5馏程：109112密度（20）g/cm3:0.8620.868色度（Pt-Co）号：15液碱（48NaOH） NaOH40NaOH含量wt：48Fe2O3含量wt：0.0032、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.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： 700C溶解双酚A 环氧氯丙烷反应 循环使用 NaOH 减压 环氧氯丙烷 溶解 苯 萃取反应 下层盐脚 NaOH 回流冷却静置过滤脱苯成品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，并滴加碱液。控制反应温度为50-55OC，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 65700C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110OC以上开始减压至140-143OC无馏出液为止，放料，即得成品。第4章 厂区布置和车间布置设计4.1工厂设计的内容与规范：工厂布置是设计的一个要环节，其布置是否合理，不仅与施工、安装、建设、投资密切相关，而且与车间建成后的生产、管理、安全 和经济效益密切相关。 工厂布置涉及的对是生产过程中使用的机器设备，各种物料和从事生产的操作人员工厂布置的基本任务是结合厂区自然条件和外部条件确定生产工厂中各种机器设备的空间位置，使获得最经济合理的物料和人员的流动路线。就大的空间范围而言，就是在一个地区内厂位置的确定是为就寻找最佳的厂外运输路线 ；就小范围而言，就是在一个厂区内，厂房位置的确定是为了寻找最佳的厂内运输路线。这说明厂址选择工作和工厂布置工作任务的一致性，同时，也说明在不同工作阶段工厂布置的着重点。 对于工厂布置，按我国习惯分法，可划分厂区布置和车间布置。 车间布置是工艺专业向其他非工艺专业提供开展车间设计的基础资料之一。若车间布置不合理，不仅将直接影响到操作条件的好坏、生产的正常进行和设备的安全运行，而且还导致基建时工程造价高、施工安装不便，甚至造成车间建成出现一系列生产和管理的负面问题；因此本设计在车间布置时严格遵守如下设计规范和规定： GBJl6-87 建筑设计防火规范 (1987年) T536-79 工业企业设计卫生标准 (1978年) GBJ87-85 工业企业噪声控制设计规范 (1985年) HGJ21-89 化工企业爆炸和火灾危险环境电力设计规格(化学工业部 1989年) 中华人民共和国 炸危险场所电气安全规程 (1987年，试行)药品生产质量管理规范 (1998年修改)药品生产管理规范 (中国医药工业公司，1985年)洁净厂房规范 (GB50073-2001)4.2 厂址的选择：厂址选择应从国家政策、经济、环境保护等多方面综合考虑双酚A和环氧氯丙烷的这条生产工艺路线属于污染较严重的一种，建议不要把厂址选在市区。如果选址选在城郊，最好选在下水侧，以防止氰化物对城市用水造成污染。另外，选址最好是在交通较为方便的地方，便于原料和产品的运输。4.3 车间的布置：本设计在确定了车间的火灾危险类别、爆炸与火灾危险性场所等级、卫生标准、车间建筑 (构筑)物、露天场所的主要尺寸和全部工艺设备的空间位置后对车间进行了如下布置。4.3.1 辅助生产和行政-生活布置： 车间由生产部分、辅助生产部分和行政-生活部分组成。辅助生产部分包括配电房、化验室、机修车间、原料、辅料和成品仓库等；行政-生活部分包括办公室、工人休息室、厕所。 在设计过程中既考虑了车间内部生产、辅助生产、管理和生活的协调，又考虑了车间与厂区供水、供电、供热和管理部分的呼应，使之成为一个有机整体。其中对采光、采暖和通风要求较高的办公室、化验室布置在南面，而对这些要求相对较低的更衣室、厕所、浴室则布置在北面，其他辅助生产部分布置在底层，兼顾了厂区供电、供水、供热和管理方便的各方面要求，从而使之成为一个有机的可持续运转的系统。另外，在布置过程中考虑到节约建筑面积和土建工程量，减少土建投资以及利于设备的安装和检修、通风和排毒，以及利于车间的改建和扩建，将部分设备进行了露天布置。4.3.2 厂房的布局：在缩合车间与还原车间生产规模小车间中各工段联系紧密，生产无显著差异，产房面积小，地势平坦在符合建筑设计防火规范（GBJ 16-87）和工业企业设计卫生标准（TJ36-79）的前提下，选择了集中式。车间的生产，辅助生产和生活-行政部分集中安排在一栋厂房内。4.3.3 厂房的长、宽、高和层数确定：厂房采用 636柱网，长27m，宽l5m；厂房的高度，主要决定于工艺，安装和检修要求，同时也考虑通风，采光和安全的要求，根据设备布置高度和车间布置情况选择了6m高度，操作台 2.3m高度，作三层布置的单层厂房 。4.3.4 厂房内布置： 生产部分包括生产车间的缩合工段、离心工段、结晶工段和环氧氯丙烷回收工段和苯回收工段，压滤分离工段、结晶工段、离心分离和重结晶工段。生产部分的设备采用两行布置，工人背光操作。布置设备仪器时尽量符合了工艺的顺序，保证了水平方向和垂直方向上的连续性. 对于有压差的设备，充分利用高位差，采用上下层布置方法，充分利用其高位差。所以，厂房总体布置时采用了把换热器放置在最上层，计量罐、高位槽安放在第二层，主要设备 (如反应罐，配氨罐等)水平布置在中间层 (第三层)，离心机、过滤机、贮槽等布置在最底层 (地面)的布置方法。 对于相同或同类型的设备、操作性质相似的设备，尽可能的放置在一起，。在安全生产都合理布局的前提下，为了最大限度缩短设备间的管道长度，我们按工艺流程先后顺序把工艺设备 (主要是反应罐)安排在一起，全部靠墙直线排列，保证了车间内部的紧凑和美观。 另外，为了方便苯和甲苯的蒸馏，就把蒸馏岗位放在相关反应和离心设备的附近第5章“三废”处理及其综合利用“三废”的随意排放是造成环境污染的主要原因，也是物质的损失和能源的浪费，应该进行处理。治理方法大致分为改革工艺、“三废”的无害化、“三废”的资源化，下面就后两条进行分析。5.1 废水的处理：本生产工艺中产生的工业废水，大量含有甲苯等简单化合物，考虑到回收的成本较高，使用天然生物处理，利用水中和土壤中广泛存在的微生物的生物降解作用. 进行废水生物处理，达到废水排放标准后排放。5.2 套用和回收利用： 本设计工艺中大量使用苯、甲苯作为溶剂、助滤剂，直接排放不仅会大大提高成本，而且会对环境造成巨大的危害，所以需要回收利用。在计算和车间的布置中己对回收工艺作了详绍的说明。甲苯回收并不是直接把废液放入蒸馏釜进行，而是先加一定量的水，在对混合液进行蒸馏。加水的量与甲苯的含量大概相等。这样做的目的是让水与甲苯产生共沸，使蒸馏温度降低，减少能耗量。第6章 环氧树脂安全生产和环境保护一、环氧树脂安全生产和环境保护的重要性生产环氧树脂的主要原材料大多易燃易爆、有毒、有腐蚀性，生产过程属于釡式生产，生产连续、带压、高温、有电，稍有不慎则会造成各类事故。生产过程中排放的废水、废气、废渣和噪声必须得到科学治理，达到国家规定容许浓度才能排放，否则，会对周围环境造成严重污染，祸害社会和四邻，破坏安定团结，危及子孙后代。搞好安全和环保工作是发展环氧树脂生产的必要条件。随着环氧树脂生产设备的大型化，密闭化和控制的高度自动化，环氧树脂的生产环境得到了根本性改善。安全与劳动保护设施也越来越完善。环氧树脂生产中不产生工业废气，但废水与废渣的处理不可忽视。二、环氧树脂生产安全注意事项与劳动保护措施1. 环氧树脂生产原料安全毒性（1）ECH：由于环氧基与氯取代基的存在，其毒性很强。ECH有难闻的异味，对人的眼、鼻、咽喉、皮肤等有很强的刺激性。（2）BPA：是一种毒性很低的固体原料，LD50为2400mg/kg。但在投料及储运中有一定的粉尘污染，应注意防护。（3）NaOH：是强碱，具有极强腐蚀性，对人的眼睛、皮肤极易造成伤害。（4）溶剂：目前使用最多的是甲苯。甲苯是一种毒性比较重的溶剂，长期接触对人体呼吸道及肝脏均能造成损害。因操作失误造成急性中毒事故的后果更为严重。2、环氧树脂生产中劳动保护注意事项（1） 技术上不断发展进步，采用先进的生产工艺、先进的设备与控制技术，实现生产过程的密闭化、自动化；工业废水的回收利用；工艺废渣的无害化处理等等。（2）岗位操作现场应有良好的通风设施，避免有害气体的积聚（3）用低毒的溶剂取代毒性较重的溶剂。现在有的生产厂用甲基异丁基酮、正丁醇或混合溶剂来替代甲苯。（4） 操作区域与非操作区域应有一定的距离，生产区与生活区要严格分开。（5） 任何人进入操作区，都必须穿戴劳动保护用品。（6） 生产岗位备有事故应急抢救药品柜，内有烫伤、洗眼等药水。（7）所有操作人员都要进行定期安全教育，熟悉自己操作的装置的水、电、汽、气的控制开关、阀门；熟悉消防设施的部位与使用方法；熟悉紧急停车程序、报警信号的内容和处理方法。（8） 所有操作人员应定期（半年或一年）进行体检，主要是呼吸道、血液和肝功能。 3、环境保护措施（1） 从工艺技术上不断改进，节能降耗。（2） 废水的分级处理，尽量减少有毒有害废水的排放量。像前面讲的，将水洗废水用来脱盐泥，脱盐泥废水再送污水处理装置处理，达标排放，废水中的盐，应尽可能回收作为工业用盐。（3） 废渣也应分步骤处理。过去，环氧树脂废聚物与盐泥一道排放，污水处理十分困难。现在，我们对废聚物分级萃取，用溶剂将其中夹带的粗树脂萃取出来，送下批料精制工序，萃取后的废渣滤饼再送去焚烧处理。参考文献 1.陈敏恒，丛德滋等，化工原理，北京：化学工业出版社，20002.环氧树脂生产与应用(第二版) 王德中 化学工业出版社3.化工原理(杨祖荣)(二版) 杨祖荣 化学工业出版社3.油脂化工产品工艺学 冯光炷 主编 化学工业出版社4.化工工艺设计手册.第三版中国石化集团上海工程有限公司 编化学工业出版社5.化工设计概论 侯文顺 化学工业出版社6高聚物生产技术 侯文顺 高等教育出版社