【導(dǎo)讀】年產(chǎn)5萬噸酸樹脂涂料車間工藝設(shè)計(jì)。專業(yè)高分子科學(xué)與工程。指導(dǎo)教師姓名張獻(xiàn)。專業(yè)技術(shù)職務(wù)副教授

　　

【正文】 中可使 K 稍大。 按油度計(jì)算配方 ， 油度 =油量／樹脂理論值 100=油量／（多元醇 +多元酸 +油量 酯化產(chǎn)生的水）。按解方程方法得：油量 =要求的油度， %（酯化苯酐的多元醇的量 +苯酐的量 +過量多元醇的量 酯化產(chǎn)生的水的量） 247。（ 100要求的油度， %） 在這個(gè)關(guān)系式中，油度已知為 50%，假設(shè)多元酸二甲酸酐為 1mol（ 2 當(dāng)量），則酯化 2 當(dāng)量的苯二甲酸酐所需多元醇為 2 當(dāng)量，酯化產(chǎn)生的水為 18g，只有 “過量多元醇 ”為未知，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從表 23 中查的。 表 23 油度與苯 酐酯化過量羥基數(shù)的關(guān)系 [12] 油度， % 65 62~65 60~62 55~60 50~55 40~50 30~40 苯酐酯化過量羥基數(shù) 0 0 0 5 10 18 25 注： a． 多元醇為甘油 ； b．羥基過量數(shù)是外加多元醇對(duì)外加多元酸的羥基過量數(shù)，是 OH%超量，有（ r1） 100%的來。 由所設(shè)計(jì)的醇酸樹脂的油度為 50%，根據(jù)上述計(jì)算方法計(jì)算配方，由表 22知油度為 50%的醇酸樹脂其過量羥基數(shù)為 10%，苯二甲酸酐當(dāng)量值為 74，甘油的當(dāng)量值為 。 由油量 =油量 =要求的油度， %（ 酯化苯酐的多元醇的量 +苯酐的量 +過量多元醇的量 酯化產(chǎn)生的水的量） 247。（ 100要求的油度， %） =50（ 2+274+210%18） 247。（ 10050） = 則醇酸樹脂的配方為： 亞麻油 甘油 苯二甲酸酐 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 按當(dāng)量表示： 亞麻油 =247。280= 甘油 =247。= 苯二甲酸酐 =148247。74= 表 24 配方解析 成分 加料量 kg A B C 樹脂成分 % 亞麻油 50 甘油（油內(nèi)） 干油 苯酐 148 總計(jì) 理論出水量 醇酸樹脂的量 注：其中， A、 B、 C 分別是酸的當(dāng)量數(shù)，醇的當(dāng)量數(shù)，物質(zhì)總的摩爾數(shù) 。 羥基 與羧基的比值 R=B/A=K 值 K=C/A=催化劑用量控制在植物油質(zhì)量的 %~% 所以我們?nèi)〈呋瘎?LiOH=%= 測凝膠點(diǎn)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方法：二元酸摩爾數(shù) /多元醇摩爾數(shù) ＜ 1 二元酸摩爾數(shù)為 1，甘油摩爾數(shù)為 ，亞麻油摩爾數(shù)為 所以凝膠點(diǎn) =1247。（ +） =＜ 1 所以此配方可行 ，反應(yīng)不發(fā)生凝膠。 醇酸樹脂的工藝流程要經(jīng)過醇解反應(yīng)、酯化反應(yīng)、稀釋、過濾四道工序完成。如圖 22 醇酸樹脂的工藝流程圖 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 22 醇酸樹脂的工藝流程圖 （ 1）醇解反應(yīng) 將亞麻油、甘油全部由原料高位槽加入反應(yīng)釜內(nèi)（醇解和酯化在同一反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行），開動(dòng)攪拌。通入二氧化碳，升溫，在 1 小時(shí)內(nèi)升溫至120℃ ，停止攪拌加 LiOH催化劑，再開動(dòng)攪拌。 在 1 小時(shí)內(nèi)升溫至 200℃ ，保持至取樣測定到醇解終點(diǎn)。 （ 2）酯化反應(yīng) 醇解后 ，在 20 分鐘內(nèi)分批加入苯二甲酸酐。 加完苯二甲酸酐后，停止通二氧化碳，立即加入部分二甲苯 ,同時(shí)升溫。 在 2 小時(shí)內(nèi)升溫至 200℃ ，保持 1 小時(shí)。 再以 2 小時(shí)升溫至 230℃ ，保持 1 小時(shí)后開始取樣測量酸值、黏度、顏色，做好記錄。 （ 3）稀釋 當(dāng)黏度達(dá)到 811s 時(shí)立即停止加熱，關(guān)閉反應(yīng)釜出氣閥門，通入二氧化碳，將反應(yīng)液壓入至兌稀釜，冷卻到 150℃ 加入 200 號(hào)油漆溶劑油，剩下的二甲苯制成樹脂溶液。 （ 4）過濾 冷卻到 60℃ 以下通過過濾器過濾，輸入貯存罐貯存并檢驗(yàn)。 第三章 醇 酸樹脂的物料衡算 衡算公式：進(jìn)料量 = 出料量 + 損失量 甘油 亞麻油 LiOH 醇解 酯化 苯酐 二甲苯 200 號(hào) 溶劑油 稀釋 過濾 醇酸樹脂 助劑 供相關(guān)漆生產(chǎn)使用 CO2 氣體 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 生產(chǎn)規(guī)模： 50000t/a 生產(chǎn)時(shí)間：年工作日 330 天，每天工作 24 小時(shí)。 生產(chǎn)方式：連續(xù)式生產(chǎn) 生產(chǎn)量 ：每天 1 批 其產(chǎn)品是 50% 醇酸樹脂溶液，其中每天醇酸樹脂含量為 ，溶劑 200號(hào) 溶劑油 ，二甲苯為 ，用于回流的二甲苯為 。 反應(yīng)釜的物料進(jìn)出情況如下圖 31 圖 31 反應(yīng)釜的進(jìn)出料情況 所以進(jìn)料量 =亞麻油 +甘油 +苯酐 +二甲苯 出料量 =醇酸樹脂 +水 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每天生產(chǎn) 50%醇酸樹脂的量為： 50000t247。330d247。2=， 根據(jù)生產(chǎn)工藝，在反應(yīng)釜內(nèi)主要進(jìn)行的醇解反應(yīng)和酯化反應(yīng)， 根據(jù)配方，在醇解階段需投入： 亞麻油（雙漂） =247。= 甘油（ 95%） =247。= 酯化階段需加入： 苯二甲酸酐： 247。= 二甲苯一般加入量占反應(yīng)總物料的 4%~6%，假 設(shè)加入二甲苯占總物料的 5%，由總物料 =++=，所以，加入二甲苯的量 =5%= （二甲苯不參與反應(yīng)，隨醇酸樹脂一起進(jìn)入兌稀罐） 。 甘油 苯酐，二甲苯 水 亞麻油 醇解 酯化 醇酸 樹脂 二甲苯 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 合計(jì)進(jìn)料量 =+++= 每天出水量 =247。14818= 出料量 =++= 所以，進(jìn)料量約等于出料量，反應(yīng)釜物料平衡。 兌稀罐的物質(zhì)進(jìn)出情況如下圖 32 圖 32 兌稀罐的物質(zhì)進(jìn)出情況 根據(jù)生產(chǎn)工藝可知，在兌稀罐里主要是醇酸樹脂的兌?。? 所以進(jìn)料量 =100%醇酸樹脂 +二甲苯 +200 號(hào) 溶劑油 出料量 =50%醇酸樹脂溶液 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每天需生產(chǎn) 100%醇酸樹脂的量 50000t247。330247。2= 50%醇酸樹脂的溶液的量為 50000t/330= 進(jìn)料量 =+++= 出料量 = 所以，進(jìn)料量 =出料量 整個(gè)系統(tǒng)物質(zhì)進(jìn)出情況如下圖 33 100%醇酸樹脂 二甲苯 兌稀罐 50%醇酸樹脂 200 號(hào)溶劑油 二甲苯 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 33 整個(gè)系統(tǒng)物料進(jìn)出情況 進(jìn)料量 =亞麻油 +苯酐 +甘油 +二甲苯 +200 號(hào) 溶劑油 =+++++= 出料量 =50%的醇酸樹脂涂料 +水 =+= 忽略誤差，進(jìn)料量 =出料量，所以，整個(gè)系統(tǒng)物料守恒 。 第四章 醇酸樹脂的能量衡算 間歇式生產(chǎn)熱量衡算基本方程式： Q 物料帶入 +Q 熱負(fù)荷 =Q 物料帶出 +Q 熱損失 化學(xué)熱量衡算一般方程式： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 其中： Q1 所處理的物料帶入設(shè)備的熱量； Q2 換熱劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量（符號(hào)規(guī)定加熱劑加入熱量為“+”，冷卻劑吸收熱量為 “－ ”）； Q3 化學(xué)過程的反應(yīng)熱與伴隨的溶解或蒸發(fā)等物理過程所放出或吸入的熱量（符號(hào)規(guī)定過程放熱為 “+”，過程吸熱為 “－ ”）； Q4 離開設(shè)備物料帶走的熱量； Q5 消耗于設(shè)備中對(duì)各個(gè)部分（釜身、封頭、釜底等）加熱的熱量； Q6 設(shè)備向周圍散失的熱量，又稱熱損失。 亞麻油 、 苯酐 甘油 、 二甲苯 200 號(hào) 溶劑油 系 統(tǒng) 水 50%的 醇酸樹脂 涂 料 50%的 醇酸樹脂 涂 料 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 （ 1）由于各種物料都是在常溫 (25℃ )下加入，設(shè)其為基準(zhǔn)，即 Q1 = 0。 （ 2）在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)主要有醇解反應(yīng)與酯化反應(yīng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該反應(yīng)熱相對(duì)于總熱量較小，可忽略，所以， Q3=0。 （ 3）由工藝條件可知離開設(shè)備的物料主要為醇酸樹脂（ ）和二甲苯（ ），離開溫度為 230℃ ，進(jìn)入溫度為 25℃ 。 查得醇酸樹脂的比熱容為 CP1=(Kg℃ ) ，二甲苯的比熱容為CP2=(Kg℃ ) 則： Q41 = CP1m 1△ t= 1000 (23025 ) =107 KJ Q42 = CP2m 2△ t= 1000(23025 ) =106 KJ 所以， Q4=Q41+Q42=107 KJ （ 4）查閱資料《化工工藝設(shè)計(jì)》后，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)： Q5+Q6=15％ Q2 。 (5) 因?yàn)椋?Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 所以， Q2=Q4+Q5+Q6Q1Q3=Q4+15％ Q2 即： Q2=Q4/=107KJ 所以，反應(yīng)釜內(nèi)傳遞的總熱量 Q2=107KJ 冷卻水消耗量 反應(yīng)釜需移走的熱量 由生 產(chǎn)工藝可知，反應(yīng)釜冷卻水主要用于對(duì)共沸汽的冷凝回流。 查在 時(shí)，二甲苯的汽化潛熱為 KJ/Kg，比熱容為(Kg℃ )，沸點(diǎn)為 139℃ ；水的氣化潛熱為 ，比熱容為(Kg℃ )，沸點(diǎn)為 100℃ ， 二甲苯與水的共沸點(diǎn)為 92℃ 。蒸發(fā)出的二甲苯、水出冷凝器的溫度為 50℃ 。 則： Q7=1000+1000=106 KJ Q8=1000(9250)+1000(9250)= 106 KJ 兌稀釜需移走的熱量 由生產(chǎn)工藝可知，兌稀釜的冷卻水主要用于對(duì)從反應(yīng)釜生產(chǎn)出來的醇酸樹脂進(jìn)行冷卻。 查得醇酸樹脂的比熱容為 (Kg℃ )，由工藝條件可知 △ t=230150=80℃ 則： Q9=100080=107 KJ 所需冷卻水總計(jì) 所以，總熱負(fù)荷 Q10=Q7+Q8+Q9=106 KJ+ 106 KJ+107 KJ 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 =107 KJ 所以，所需冷卻水為： W(Kg)=Q247。(C△ T)= 107247。[(3025)] =106 Kg 式中， Q10:總熱負(fù)荷， KJ C：水的比熱容， (Kg℃ ) △ T：水的始溫差， ℃ （設(shè)水的出口溫度為 25℃ ，出口溫度為 30℃ ） 由生產(chǎn)工藝可知，本設(shè)計(jì)主要加熱設(shè)備為反應(yīng)釜，所以熱量主要消耗在反應(yīng)釜上。而熱量主要由熱媒提供，設(shè)其提供總熱量為 Q10。 而 Q2=Q10(Q7+Q8) 所以， Q10=Q2+Q7+Q8=107KJ+106 KJ+ 106 KJ=107KJ E(KWh)=Q10/η=107KJ 247。3600247。=104 KWh 式中， Q10:總熱負(fù)荷， KJ η ：電熱器的效率（取 ） 第五章 設(shè)備的選擇 本設(shè)計(jì)選用專用醇酸樹脂反應(yīng)釜，該反應(yīng)釜采用夾套式傳熱，以導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，而導(dǎo)熱油直接由電熱管進(jìn)行加熱，其中攪拌器選用 螺帶式 攪拌器。 材料選擇 由于在反應(yīng)過程中有腐蝕性物質(zhì)的加入，所以材料應(yīng)選用耐腐蝕材料。對(duì)該反應(yīng)器選用鎳鉻不銹鋼， 0Cr18Ni9 .鋼板標(biāo)準(zhǔn)為 GB4237 。在 100℃ 下的允許用應(yīng)力為 114Mpa。 反應(yīng)釜容積的計(jì)算 由生產(chǎn)工藝可知，該反應(yīng)為間歇式反應(yīng)。 間歇反應(yīng)釜的反應(yīng)釜容積計(jì)算公式（ 51）為： V=(VCτ)/(24mФ) 公式（ 51） 注： V為反應(yīng)釜的容積 τ：每批操作周期（ τ=24h） ； m：反應(yīng)釜臺(tái)數(shù)（ m=3） ； Ф：裝料系數(shù)，通常取 Ф=（取 Ф=） ； 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 VC： 每批處理的物理量， m3； 每批處理的物料如下表 51 表 51 每批處理物料量 甘 油 苯酐 亞麻油 二甲苯 處理量 /t 相對(duì)密度 所以， VC=247。+247。+247。+247。= m3 所以， V=(VCτ)/(24mФ)=(24)247。(243)= 圓整，取公稱容積為 32m3 的反應(yīng)釜。 實(shí)際裝料系數(shù)為 Ф=，符合要求。 根據(jù)《 GB984588 鋼制機(jī)械攪拌容器型式及主要參數(shù)》，公稱容積為 32 m3， 反應(yīng)釜高 H =4000 mm 反應(yīng)釜內(nèi)徑 D = 3000mm 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在查閱相關(guān)設(shè)備制造商的資料及生產(chǎn)產(chǎn)品類型后，決定采用常州市聚能鍋爐設(shè)備有限公司的反應(yīng)釜。 所選反應(yīng)釜的規(guī)格如下表 52： 表 52 反應(yīng)釜規(guī)格 規(guī)格 m179。 內(nèi)鍋直徑 mm 夾套直徑 mm 電動(dòng)機(jī)功率 kw 減速機(jī)型號(hào) 攪拌轉(zhuǎn)速 32 3000 3200 37 BLB 4501145 50100