年产5000吨191UP树脂生产车间设计.doc

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The content is designed annual output of 5,000 tons of 191 # UP resin production plant.This design uses the will phthalic anhydride, maleic anhydride and propylene glycol ldpe-g-nvp reaction kettle of feeding-composting in relief polycondensation into unsaturated polyester, with styrene diluted in into 191 # UP resin.The design including: process design, material calculation, heat calculation selection of equipment design, workshop layout design, the professional design and workshop process etc. Economic budget. In the design,the output of the workshop is 5000 tons per year. The features of the design: 1, the introduction of automation and control system in place of artificial precise control of process parameters to improve the quality of the product stability; 2, using energy-efficient lighting, lamps, reflect the concept of energy saving; 3, on the basis of this design can use "Process intensification "approach to increase productivity.Key words: 191#; UP; Production Process; Design and choice, process intensification.1绪论不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UP树脂。不饱和聚酯树脂的合成过程包括线型不饱和聚酯的合成和用苯乙烯稀释聚酯两部分。其中合成不饱和聚酯的反应釜，装有搅拌装置、回流冷凝分离器与夹套加热或冷却装置。稀释釜是在缩聚反应完成后将不饱和聚酯用乙烯基单体稀释溶解用的，其容积大于反应釜，并装有搅拌装置、回流冷凝器与夹套保温装置。不饱和聚酯树脂在加工成型方面，随着应用领域的扩大，从手糊、喷射成型发展到袋压、注塑、模压、缠绕、拉挤成型等，成型工艺设备也多样化，生产机械化、自动化程度逐渐提高，产品质量稳定，成本降低，实现了高效生产2。不饱和聚酯树脂的品种很多，由于本设计的产品对象为191#UP树脂，所以这里着重介绍下。191#UP树脂是有顺酐、苯酐和丙二醇经缩合反应生成聚酯，再经苯乙烯稀释而成。其特性有颜色浅、固化快、较好的机械性能。适用于各种普通FRP制品。不饱和聚酯树脂的工业化生产方法现已相对成熟，但如何提高产品的质量稳定性，一直是树脂工厂设计的难题，为了解决这个问题，通常是通过在工艺设计是使用“二步法”投料，在本设计中除了使用“二步法”的常见方法，还可以使用在一个大型反应釜中生产以便于控制一个生产批次的工艺参数从而提高产品的稳定性。同时由于只有一个反应釜而不能轮流进行维护所造成的停产，可将只计算在休息日中。即提高日产量。本设计为191#UP树脂的生产车间设计，年产为5000吨。设计过程包括工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的选型、车间布置设计、非工艺专业设计、车间经济概算等。2设计总论2.1设计依据根据设计任务书的要求，依据树脂合成工艺、机械设计、车间布置等，并查阅相关专业资料，结合现今工厂设计最新趋势，进行毕业设计年产5000吨191#UP树脂生产车间设计。2.2设计原则1）生产规模：年产5000吨191#UP树脂，实行间歇式生产。2）生产方式：UP树脂生产方式依据缩聚反应实施的方法的不同，分为熔融缩聚法，溶剂共沸脱水法，减压法三种4。熔融缩聚法：利用醇、酸直接熔融缩聚，除加入反应物外，不再加入其他物料。利用醇、水的沸点差，结合惰性气体的通入，使反应过程中生成的水分离出来。溶剂共沸脱水法：在缩聚反应过程中加入溶剂（如甲苯、二甲苯）利用甲苯和水的共沸点较水的低，将反应生成的水迅速带出，促使缩聚反应完成。优点是反应比较平稳，易控制，制品颜色较浅，但需要一套水回流系统，且需注意防火。减压法：在缩聚反应进行到2/33/4时，抽真空减压脱水，减压速度为10分钟真空度增加100mmHg，真空度到600700mmHg为止，待反应物料酸值达到要求。此是树脂含水量较少，分子量较大。比较上述各方法，且目前绝大多数合成树脂厂多采用减压法生产，因此本设计中也采用减压法合成。3）投料方式：合成树脂所用原料油固体和液体物料两种，一种是通过高位计量槽直接投料，另一种是通过泵将物料打入计量槽投料。后者较准确。本设计中苯二醇的投料方式采用第二种方式。固体物投料方式，采用直接投入反应釜，简单经济。4）流程特点：在投料过程中，根据投料的时机不同，分为“一步法”和“二步法”3。“一步法”是指在生产过程中，原料按配比在反应初期一次性投料合成树脂。“二步法”是指在生产过程中，原料、单体分批投入反应釜，如首先将二元醇和苯酐投入反应釜，在酸值达90100时再投入顺酐直至反应终止。实践证明在相同条件下，两种方法所生产的树脂性能不同。“二步法”所生产树脂的热变形温度及物理性能比“一步法”所生产的要好，比如热转变点，巴氏硬度，弯曲模量等。根据上述两种方法，所得树脂性能比较和目前多数厂家所采用方法，本设计采用“二步法”。5）设备选型原则：主要设备的选用应根据生产规模，通过计算确定反应釜和稀释釜等设备的型号和规格，同时要注意工艺条件对设备的特殊要求，如耐温程度、耐腐蚀程度，同时在满足条件下尽量选择价廉物美产品。2.3生产制度2.3.1、工作日确定：一年按365天计，出去双休（522天）、公休（7天）、设备检修（4天）等共115天。工作日共计250天。2.3.2生产班数及人员确定：参考有关生产厂家人员情况，并结合本设计调价，确定生产班数为一班，具体人员安排情况如下：生产人员：20人 技术人员： 5人保 安： 2人 主 任： 2人质检人员： 2人共 计：31人2.4原料及成品的技术规格和质量控制2.4.1、原料规格：如表2.1所示：表2.1 原料规格原料分子量规格熔点密度纯度外观顺酐98.06工业级52.61.31499.0白色片块苯酐148.11工业级1311.52799.5白色片块丙二醇76.09工业级1.036无色透明液体石蜡工业级50-700.9白色固体环烷酸酮绿色粘稠液体HQ110.11工业级170.31.332白色结晶UV-9228.24工业级61-6498.5淡黄色结晶苯乙烯104.151-30.630.9063无色透明在外购买原料和产品包装前应对其进行以上诸多参数检验，以保证其质量，特别是原料的质量，只要稍微存在微量的杂质就会明显影响树脂性能。2.4.2、191#UP树脂技术指标：如表2.2所示：表2.2191#UP树脂技术指标项目技术指标外观透明，浅黄色液体粘度（PaS）0.20.5比重（g/cm）1.2固体含量（%）6066酸值（mgKOH/g）2836凝胶时间（minutes）10253、191#UP工艺流程设计3.1工艺条件分析3.1.1、原料分子数比的影响任意一组分过量愈多，所得产物的平均分子量就愈小。在本设计中醇与酸的摩尔比是1.0/1.1，理论上可得聚合度为10的高聚物，产品性能也较好。但若聚合度过大，则生产的聚酯年度太大，与苯乙烯的混溶性变差，易分层，同时给施工带来困难，因此要严格控制原料的摩尔比。3.1.2温度和压力影响缩聚反应可按反应常数的大小分为几类。酯化反应平衡反应常数K约为410之间。A+BC+D K=要想获得分子量较大的缩聚产物，就必须提高反应温度和减压或加压，使平衡向有利于生成聚酯飞方向移动。一般而言，升温有利于反应更快的达到平衡。但并不是温度越高越好，当温度超过250时，发生二元羧酸的脱羧反应和高分子化合物得热裂解等副反应；也促使沸点较低的原料如二元醇的挥发损失；其次反应过迅速，易造成溢锅。因此，酯化反应控制在一定的温度范围内，逐步升温。反应后期，聚酯粘度增大，少量水分子不易汽化溢出，这时要抽真空减压，使水分溜出，利于反应进行到底。3.1.3、空气中氧气的影响缩聚反应一般是在熔融状态下进行，温度很高。高温下，空气氧气能使缩聚物发生氧化裂解反应，树脂颜色变深，粘度下降，有时形成胶状表面结皮，严重影响产品质量。一般需通过惰性气体保护，一般认为通入惰性气体能起到排除空气的作用、带走缩水和加速反应进行等效用。3.1.4、烯类单体与UP树脂混溶在树脂从缩合釜中放出与苯乙烯掺合前，应加入稳定剂，而且控制温度不超过90，否则会导致稳定剂的失效而发生凝胶现象。3.2减压法生产流程1）生产前的检查，检查生产供水、供气及设备运转情况；2）试真空密度达680700Hg，检查底阀是否漏气，按配方依次投入丙二醇、苯酐等原料；3）升温至100左右，开动搅拌器，通入惰性气体CO2，打开回流冷却水。4）升温至150160，出现缩合反应水，调节柱头问题，控制馏头温度在105左右5）保持反应釜内温度在1955。至反应物酸值到达指定要求（8890）此时投入顺酐。6）升温至205，馏头温度控制在105以下，停止加热，保持此温度至缩水量达2/33/4。7）当出水速度减慢时，减压蒸馏，减压速度为100mmHg/10min。在200mmHg时保持0.5h;在300400mmHg时保持0.5h;在620680mmHg时保持1.5h。8）当反应物酸值达到402时，反应基本完成，停止抽真空，冷却降温至190加入石蜡、氢醌等搅拌30min。9）在稀释釜中放入苯乙烯，环烷酸酮搅拌混合均匀。10）打开反应釜底阀，将树脂放入稀释釜（控制树脂的流速）混合后温度小于90，搅拌均匀。11）当混合温度降至5060，取样分析样品合格，出料装桶12）生产后检查，关上生产用水、电、汽及设备停机。3.3树脂质量控制17在生产工艺过程中，主要控制温度、气流、搅拌、压力和酸值等。1）温度控制 主要有控制一下部位温度需控制：反应釜中心部位的料温；反应釜釜壁部分的料温；夹套中油温；分馏柱顶部蒸汽的温度。常简称“馏头温度”；冷凝器的进水与出水温度；稀释罐中心部位的料温；稀释罐夹套中介质温度。反应釜中心部位的温度为反应物温度，但接近釜壁部位的料温直接受夹套中介质温度的影响其温度与中心部位不同。在良好的搅拌下，其温差不大；在搅拌不良时，存在明显温差，使树脂聚合的温度不均匀，甚至可能产生局部凝胶。夹套中油温不能过高，否则反应物升温过快，釜壁可能产生焦化结皮。分馏柱顶部的蒸汽温度即“馏头温度”的控制也很重要。在聚酯化反应不饱和聚酯化反应物中，该温度要控制在100左右，因为大量醇在反应物中，醇可与水形成共沸物，在较低温度下，把醇蒸出，使醇损失，达不到合成要求。对以上个点温度可用多点温度记录仪进行记录监视，也可通过计算机进行程序控制。2）搅拌速度和惰性气体流量控制 搅拌速度快、惰性气体流速高，会使反应大为加速，水分可以加快排除，但醇的挥发损失也增多，如发生酸值停滞过早即可能为失醇太多，需加醇补救。故一般调整好搅拌机速度后不再改变，而用调节惰性气体流量的方法来调节釡内的搅拌状况。惰性气体流量由流量计显示，也可由计算机控制。3）酸值和粘度控制 反应混合物的酸值和粘度要定时测定，并作出酸值-时间和粘度=时间曲线，和标准曲线相对照，检查与控制反应过程的基本方法。每半小时测定酸值和粘度（酸值一般由80左右开始，到反应终点5060），同时记录反应温度、分馏柱顶部蒸汽温度、油介质温度金恩惰性气体流量和排出水量。4、物料衡算4.1、配方设计191#UP树脂的配方见表4.1表4.1191#UP树脂配方原料分子量熔（沸）点密度g/cm3配比重量%丙二醇76.09(188.2)1.0362.15苯酐148.11131 (285)1.5271顺酐98.0652.6 (199.7)1.3141缩水量181.001聚酯1.1264.5苯乙烯104.15-30.63（145.2）0.90635.5石蜡50700.90.036环烷酸酮0.03UV-9228.2464.51.3240.2HQ110.11170.31.3320.014.2、物料衡算过程4.2.1、日产量计算：实际工作日为250天，则 日产量=5000吨/250天=20吨/天 聚酯的日产量=20吨64.5%=12.9吨/天4.2.2、聚酯的聚合度和摩尔数。 聚酯平均分子量 w=100056/40=1400 聚酯聚合度 n=（w-w水）/(2.15w1+w2+w3)=(1400-18)/(2.1576.09+148.11+98.16)=3.82聚酯的摩尔数 m=12.9106/1400=9214.3mol4.2.3、各原料的理论用量。丙二醇 W1=3.829214.376.092.15=5892.2kg V1= W1/1=5892.2/1.036=5687.5L苯 酐 W2=3.829214.3148.111=5213.3kg V2= W2/2=5213.3/1.527=3414.3L顺 酐 W3=3.829214.398.061=3451.6kg V3= W3/3=3451.6/1.614=2626.8L缩水量 W水=（2n-1）mw水=(23.82-1)9214.318=1101.3kgV水= W水/水=1101.3/18=61.22kg4.2.4、各原料的实际投料量（在理论用量的基础上加5%）W=W（1+5%） V=V（1+5%）丙二醇 W1=5892.2kg 1.05=6186.8kgV1= 5687.5L1.05=5971.8L苯 酐 W2=5213.3kg1.05=5473.9kgV2= 3414.3L1.05=3584.4L顺 酐 W3=3451.6kg1.05=3624.2kg V3= 2626.8L1.05=2758.1L 所以原料总容积 V=V1+V2+V3=12314.3L 4.2.5、产率计算 产率=12.9103/(W1+W2+W3)=84.4%4.2.6、苯乙烯及其他辅助材料的用量。 苯乙烯：理论用量20t35.5%=7.1t；实际用量7.1t（1+5%）=7.45t 石 蜡：20t0.036%（1+5%）=7.56kg环烷酸酮：20t0.036%（1+5%）=7.56kgUV-9：20t0.2%（1+5%）=42kgHQ：20t0.01%（1+5%）=2.1kg5热量衡算5.1热量衡算概述化工生产过程中，各工序都要求有确定的温度等工艺条件，并伴有能量的传递或转移以保证稳定生产。热量衡算的主要内容是确定传入或传出的能量，确定加热剂或冷却剂的消耗量以及其他能量的消耗，计算传热面积以决定换热设备的工艺尺寸。5.2热量衡算85.2.1、物料吸热物料吸热主要反映在物料从室温10升到反应温度160过程中。在反应过程中，物料所吸收热量可认为由生成物放热来提供。反应体系中三种物料的吸热情况分别为：丙二醇：C1=58.64cal/molK=0.7706cal/gK吸热量：Q1=C1M1(T2-T1) =0.77066186.8（160-10）=7.151105kcal苯 酐：C2=66.92cal/molK=0.452cal/gK；Hm=Tmk1/M查化工工程手册第一篇，取k1=13.5Hm=13113.5/148.11=11.94kcal/kg吸热量Q2=C2M2(T2-T1)+ HmM2 =0.4525473.9（160-10）+11.945473.9=4.365105kcal顺 酐：C3=40.41cal/molK=0.412cal/gKHm=Tmk1/M=52.613.5/98.06=7.24kcal/kg吸热量Q3=C3M3(T2-T1)+ HmM3 =0.4123624.2(160-10)+7.243624.2=2.502105kcal物料的总吸热量：Q=Q1+Q2+Q3=1.4018106kcal5.2.2、热载体的选用热载体温度需高达230250，因此选用联甲苯甲烷作为热载体，使用联甲苯甲烷时，设备不需要耐压很高却可以得到搞的加热温度，这是它的明显优点。其Tt=-33，Tb=29.6，Tct=850。5.2.3、物料加热时间及热载体进出口温度确定物料加热时间为1.5小时，热载体进出口温度分别为230，2105.2.4、热载体与物料之间热平衡计算根据Q=CMT，得M=Q/(CT)= 1.4018106/0.53（230-210）=1.3224105kg则热载体的流量为W=M/1.5=1.3224105/1.5=8.8164104kg/h体积流量为V=M/796=110.758m3/h5.3油管与油泵的选择5.3.1油管的选择与安排10联甲苯甲烷参数如下：=4.21；Cp=4.2910-4kgs/m；=0.88g/cm3有选定的管内流速按下式计算管子内径，并修正到符合公称直径要求：D=V流体在操作条件下的体积流量，m3/s; u流体的流速，m/s; D管的内径，m。设油管内热载体流速为5m/s，V=110.758m3/s;,可得d=5.311m.。因此选用DN80的20号钢管作为出油管，回油管选d=0.0885m。因此选用DN90的20号钢管作为出油管，回油管选用DN100的20号钢管。热油管总长60m，经过加热器和反应釜夹套；冷油管总长60m，经过冷凝器和反应釜夹套。5.3.2、油泵的选型根据输送流体的特性，以及本设计使用的高温介质，选用100Y60B离心泵。选用两台油泵，一开一备，确保在生产过程中能稳定持续的输送载体。查化工工艺设计手册（上），100Y60B型离心油泵的主要参数如下：流量：120m3/h 扬程：38m 转速：2950r/min 效率：66% 轴功率：13.3kw 电机功率：17kw允许汽蚀余量：4.2m 叶轮出口宽度16.5mm 叶轮直径184mm5.4热功率计算105.4.1、热载体总量估算热油管总长60m，其中DN90为40m（包括与冷油管共用35m），DN100为20m，冷油管60m，管道中随时充满着热载体。热载体：热油管容积V1=D2L=（0.09235+0.1220）=0.3797m3 反应釜夹套容积V2=A(D1-DN)=27.2（2600-2400）/210-3=2.72m 加热器壳程容积V3=0.15m 高压槽中的热载体容积V4估算为0.05m 则热载体总容积V=1.1（V1+V2+V3+V4）=3.6297m冷载体：冷油管容积:V1=D2L=0.082（60-35）+0.1220=0.2827m3 反应釜夹套容积:V2=0加热器壳程容积:V3=0.15m 高压槽中的冷载体容积:V4估算为0.05m 则冷载体总容积:V=1.1（V1+ V2+ V3+ V4）=0.5309 总油量为:V=4.1606m 热载体质量为:M1=4.1606880=3661.3kg5.4.2热功率计算热功率包括物料吸热量和热载体需热量两部分。热载体从室温10升温到230Q1=CMT=0.533661.3（230-10）=4.2691105kcalQ=Q+Q1=1.4018106+4.2691105kcal=1.8287106kcal 理论总功率P= =1.8287106/（0.2336001.5）=1472.39kw 考虑到热损失实际总功率P=1.15P=1693.24kw6设备的选型与设计11通过物料衡算与热量衡算，为设备的选型与设计奠定基础，下面就车间中的主要设备进行选型与设备。其中标准进行选型并列出有关数据，非标准件进行设计，并附有图纸。6.1反应釜与稀释釜的选型反应釜与稀释釜选型主要是依据生产规模来确定其大小型号。目前化工设备厂所生产的反应釜主要为搪玻璃反应釜和不锈钢反应釜两类。根据耐热温度，选择不锈钢反应釜。6.1.1、反应釜选型 根据物料衡算，原料总容积为12314.3L，设装料系数为0.9，则反应釜的理论容积为12314.3L0.9=13682.6L，因此选用14000L反应釜，装料系数为12314.3L14000=0.8796，过量系数（0.9-0.8796）/0.9=2.27%<5%,，可行。查表选用不锈钢K型14000L反应釜，相关参数如下：公称容积：14000L 实际容积：15400L 电机功率25kw传热面积：27.2m2 允许搅拌速度：63-125r/min允许工作压力：罐内0.37MPa 夹套内0.37MPa允许工作温度：罐内0200 夹套内02006.1.2、稀释釜选型稀释釜物料容积V=201031.12=17857.14L，设装料系数为0.9，则理论容积为17857.140.9=19841.2L因此选用20000L稀释釜，装料系数为17857.14/20000=0.8929,过量系数为（0.9-0.8929）/0.9=0.79%，可行。查表选用不锈钢型20000L稀释釜，相关参数如下：公称容积：20000L 实际容积22500L 电机功率40kw传热面积：34.6m2 允许搅拌速度：63-125r/min允许工作压力：罐内0.37MPa 夹套内0.37MPa允许工作温度：罐内0200 夹套内02006.1.3、配套搅拌器的选型目前化工合成中所用的搅拌器，通常有桨式搅拌器，框式搅拌器等多种类型。在合成树脂生产中，多选用框式搅拌器，也称锚式搅拌器其结构比较坚固，底部形状与反应釜封头形状相似。反应釜用搅拌器：功率P=25kw 搅拌速度n=80r/min P/n=25/80=0.3125查材料与零部件（上）选用框式搅拌器II2120-95 HG -757-78 材质为1Cr18Ni9Ti。稀释釜用搅拌器：功率P=40kw 搅拌速度n=80r/min P/n=40/80=0.5查材料与零部件（上）选用框式搅拌器II2120-95 HG -757-78 材质为1Cr18Ni9Ti。6.2液体料贮罐的选型选型原则：贮罐须满足3-5釜次的投料需要。最大投料体积为：丙二醇5971.8L苯乙烯74500.9063=8220.23L因此丙二醇选用20000L搪玻璃F型贮罐（HG5-253-79）。 苯乙烯选用25000L搪玻璃F型贮罐（HG5-253-79）。6.3输送泵的选型丙二醇要求10min内输送完毕，则流量为Q1=5971.810100060=35.83m3/h苯乙烯要求15min内输送完毕，则流量为Q2=8220.2315100060=32.88 m3/h查化工工艺设计手册流体常用流体范围，得又累流速为0.52m/s，根据关系算图可选得DN=80mm管。材质为1Cr18Ni9Ti含Mo不锈钢，管壁厚2.5mm。（注：管弯均为90弯头；由于温度降低，p、u增大，P增大，因此所选的泵应能满足最低温度下的要求，对于武汉地区取最低温度为10。）查化工工艺设计手册选用YG型油泵65YG38，有关参数如下：流量：50 m3/h 扬程：24电机功率：7.5kw 转速：2950r/min允许汽蚀余量：2.6m 效率：72%6.4真空系统确定106.4.1真空泵的选用1）真空系统的作用真空吸料和给反应釜抽真空，