反应釜的设计.docx
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反应釜的设计
反应釜的设计
目录
第一章.绪论
（1）
1.1产品概述
（1）
1.2合成醇酸树脂的原料
（1）
1.3醇酸树脂的合成原理（5）
1.4合成工艺（6）
1.4.1按合成原料分类（7）
2．聚酯化反应（8）
1.4.2按工艺分类（9）
第二章.设计内容（11）
2.1设计依据（11）
2.2设计原则（12）
2.2.1生产规模（12）
2.2.2生产方式（12）
2.2.3投料方式（12）
2.2.4流程特点（12）
2.2.5设备选型原则（13）
2.2.6生产制度（13）
2.2.7原料的技术规格（13）
2.2.8配方设计（14）
2.3物料衡算过程（14）
2.4热量衡算（17）
2.4.1热量衡算概述（17）
2.4.2热量衡算（17）
3.1反应釜与稀释釜的选型（19）
3.2反应釜与封头厚度的确定（20）
3.3搅拌桨（21）
3.4支座及夹套的选型（23）
3.5视镜人孔及接管（24）
3.6搅拌桨电机、减速器（25）
3.7油泵的选型（25）
3.8输送泵的选型（26）
3.9真空缓冲罐的选取（26）
3.10废水接收罐的设计（26）
3.11CO2系统的确定（26）
3.12冷凝器的选择与设计（27）
参考书目（27）
心得与体会（29）
第一章.绪论
1·1产品概述
多元醇和多元酸可以进行缩聚反应，所生成的缩聚物大分子主链上含有许多酯基（－COO－），这种聚合物称为聚酯。
涂料工业中，将脂肪酸或油脂改性的聚酯树脂称为醇酸树脂（lkydresin），而将大分子主链上含有不饱和双键的聚酯称为不饱和聚酯，其它的聚酯则称为饱和聚酯。
这三类聚酯型大分子在涂料工业中都有重要的应用醇酸树脂指由多元醇、多元酸与油或其脂肪酸反应生成的产物，它不同于单纯由多元醇、多元酸制成的聚酯树脂。
醇酸树脂是由多元醇、多元酸和一元酸缩聚而成的线性树脂，具有合成技术成熟、制造工艺简便、原料易得到以及树脂涂膜综合性能好等特点，在涂料用合成树脂中用量最大用途最广。
但醇酸树脂涂料也存在一些缺点，如涂膜干燥缓慢、硬度低、耐水性差等，这将导致施工周期延长，也影响其应用范围。
醇酸树脂同时还具有原料容易获得，生产工艺简易，性能优良，施工方便的特点。
同时，它本身就是一种漆料，能制成清漆、磁漆、底漆、腻子等，还可以与硝化棉、过氯乙烯树脂、氨基树脂、氯化橡胶、环氧树脂等合用，提高和改进其他各类涂料产品的性能。
1·2合成醇酸树脂的原料
一.多元醇
制造醇酸树脂的多元醇主要有丙三醇（XX油）、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、乙二醇、1，2－丙二醇、1，3－丙二醇等。
其羟基的个数称为该醇的官能度，丙三醇为3官能度醇，季戊四醇为四官能度醇。
根据醇羟基的位置，有伯羟基、仲羟基和叔羟基之分。
它们分别连在伯碳、仲碳和叔碳原子上。
羟基的活性顺序为：
伯羟基＞仲羟基＞叔羟基
常见多元醇的物性见下表：
单体名
称
结构式
相对分子质量溶点（沸点）/℃密度/（g/cm3）丙三醇（XX油）OH
CH（OH）CHHOCH2
292.0918（290）1.26三羟甲基丙烷3223OH）C（CHCHCH134.1256～59（295）1.1758季戊四醇42OH）C（CH136.15189（260）1.38乙二醇OH）HO（CH2262.07-13.3（197.
2）1.12二乙二醇OH）O（CH）HO（CH2222106.12-8.3（244.5
）1.118丙二醇
OHCH（OH）CHCH23
76.09
-60（187.3）
1.036
用三羟甲基丙烷合成的醇酸树脂具有更好的抗水解性、抗氧化稳定性、耐碱性和热稳定性，与氨基树脂有良好的相容性。
此外还具有色泽鲜艳、保色力强、耐热及快干的优点。
乙二醇和二乙二醇主要同季戊四醇复合使用，以调节官能度，使聚合平稳，幸免胶化。
二.有机酸
有机酸可以分为两类：
一元酸和多元酸。
一元酸主要有：
苯甲酸、松香酸以及脂肪酸（亚麻油酸、妥尔油酸、豆油酸、菜籽油酸、椰子油酸、蓖麻油酸、脱水蓖麻油酸等）；
多元酸包括：
邻苯二甲酸酐（P）、间苯二甲酸（IP）、对苯二甲酸（TP）、顺丁烯二酸酐（M）、己二酸（）、癸二酸（SE）、偏苯三酸酐（TM）等。
多元酸单体中以邻苯二甲酸酐最为常用，引入间苯二甲酸可以提高耐候性和耐化学品性，但其溶点高、活性低，用量不能太大；己二酸（）和癸二酸（SE）含有多亚甲基单元，可以用来平衡硬度、韧性及抗冲击性；偏苯三酸酐（TM）的酐基打开后可以在大分子链上引入羧基，经中和可以实现树脂的水性化，用作合成水性醇酸树脂的水性单体。
一元酸主要用于脂肪酸法合成醇酸树脂，亚麻油酸、桐油酸等干性油脂肪酸感性较好，但易黄变、耐候性较差；豆油酸、脱水蓖麻油酸、菜籽油酸、妥尔油酸黄变较弱，应用较广泛；椰子油酸、蓖麻油酸不黄变，可用于室外用漆和浅色漆的生产。
苯甲酸可以提高耐水性，由于增加了苯环单元，可以改善涂膜的干性和硬度，但用量不能太多，否则涂膜变脆。
一些有机酸物性见下表：
单体名称
状态
（25℃）
相对分
子质量
溶点/℃
酸值/
（mgKOH
/g）
碘值
苯酐（P）固148.11131785
间苯二甲
酸（IP）
固166.13330676
顺丁烯二
酸酐（M）
固98.0652.6（199.7）1145
己二酸
（）
固146.14152768
癸二酸
（SE）
固202．24133
偏苯三酸
酐（TM）
固192165876.5
苯甲酸固122122460
松香酸固340＞70165
桐油酸固28048.5、β-180～220
豆油酸液285195～202135
亚麻油酸液280180～220
脱水篦麻
油酸
液293187～195138～143菜油酸液285195～202120～130
妥尔油酸液310180105～130
椰子油酸液208263～2759～11
篦麻油酸液310175～18585～93
二聚酸液566190～198
三.油脂
油类有桐油、亚麻仁油、豆油、棉籽油、妥尔油、红花油、脱水蓖麻油、蓖麻油、椰子油等。
植物油是一种三脂肪酸XX油酯。
三个脂肪酸一般不同，可以是饱和酸、单烯酸、双烯酸或三烯酸，但是大部分天然油脂中的脂肪酸主要为十八碳酸，也可能含有少量月XX酸（十二碳酸）、豆蔻酸（十四碳酸）和软脂酸（十六碳酸）等饱和脂肪酸，脂肪酸受产地、气候甚至加工条件的重要影响。
重要的不饱和脂肪酸有：
油酸（十八碳烯-9-酸）：
COOH）CH（CHCH）（CHCH72723==
亚油酸（十八碳二烯-9，12-酸）：
COOH）CH（CHCHCHCHCH）（CHCH722423====亚麻酸（十八碳三烯-9,12,15-酸）：
COOH）CH（CHCHCHCHCHCHCHCHCHCH722223======
桐油酸（十八碳三烯-9,11,13-酸）
COOH）CH（CHCHCHCHCHCH）（CHCH72323======
蓖麻油酸（12-羟基十八碳烯-9-酸）：
COOH）CH（CHCHCH（OH）CH）（CHCH722523==
因此，构成油脂的脂肪酸非常复杂，植物油酸是各种饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的混合物。
油类一般根据其碘值将其分为：
干性油、不干性油和半干性油。
干性油：
碘值≥140，每个分子中双键数≥6个；不干性油：
碘值≤100，每个分子中双键数＜4个；半干性油：
碘值100—140，每个分子中双键数4～6个。
五.油脂的质量指标
①外观、气味：
植物油一般为清亮透明的浅黄色或棕红色液体，无异味，其颜色色号小于5号。
若产生酸败，则有酸臭味，表示油品变质，不能使用。
②密度：
油比水轻，大多数都在0.90～0.94g/cm3之间。
③粘度：
植物油的黏度相差不大。
但是桐油由于含有共轭三烯酸结构，黏度较高；篦麻油含羟基，氢键的作用使其黏度更高。
④酸价:
酸价用来测量油脂中游离酸的含量。
通常以消耗一克油中所含的酸，所需的氢氧化钾之量来计量。
合成醇酸树脂的精制油的酸价应小于5.0mgKOH/g（油）。
⑤皂化值和酯值：
皂化1g油中全部脂肪酸所需KOH的毫克数为皂化值；将皂化1g油中化合脂肪酸所需KOH的毫克数称为酯值。
皂化值＝酸值＋酯值
⑥不皂化物：
皂化时，不能与KOH反应且不溶于水的物质。
主要是一些高级醇类、烃类等。
这些物质影响涂膜的硬度、耐水性。
⑦热析物：
含有磷脂的油料（如豆油、亚麻油）中加入少量盐酸或XX油，可使其在高温下（240－280℃）凝聚析出。
为使油品的质量合格，适合醇酸树脂的生产，合成醇酸树脂的植物油必须经过精制才能使用。
否则会影响树脂质量甚至合成工艺。
精制方法包括碱漂和土漂处理，俗称“双漂”。
碱漂主要是去除油中的游离酸、磷脂、蛋白质及机械杂质，也称为“单漂”。
“单漂”后的油再用酸性漂土吸附掉色素（即脱色）及其它不良杂质，才能使用。
目前最常用的精制油品为豆油、亚麻油和蓖麻油。
亚麻油属干性油，故干性好，但保色性差、涂膜易黄变。
蓖麻油为不干性油，同椰子油类似，保色保光性好。
大豆油取自大豆种子，大豆油是世界上产量最多的油脂。
大豆毛油的颜色因大豆的品种及产地的不同而异。
一般为淡黄、略绿、深褐色等。
精炼过的大豆油为淡黄色。
大豆油半干性油，综合性能较好。
常见的植物油的主要物性见下表：
油品酸值碘值皂化值密度/（g/cm3，
20℃）
色泽/号
（铁钴
比色法）
桐油6～9160～173190～1950.936～0.9409～12
亚麻油1～4175～197184～1950.97～0.9389～12
豆油1～4120～143185～1950.921～0.9289～12
松浆油
（妥尔
油）
1～4130190～1950.936～0.94016
脱水蓖
麻油
1～5125～145188～1950.926～0.9376
棉籽油1～5100～116189～1980.917～0.92412
篦麻油2～481～91173～1880.955～0.9649～12
椰子油1～47.5～10.5253～2680.917～0.9194
1·3醇酸树脂的合成原理
XX油和苯酐的摩尔比按2;3投料，则该体系的的平均官能度为：
（2×3＋3×2）/（2＋3）＝2.4，其Crothers凝胶点为Pc＝2/2.4＝0.833,因此，若官能团的反应程度超过凝胶点，就生成体型结构缩聚物。
其结构可表示如下：
OCH2CHCH2OCC
OO
O
OCH2CHCH2OCC
OO
O
OCH2CHCH2O
O
这种树脂遇热不融，亦不能溶于有机溶剂，具有热固性，不能用作成膜物质。
所以制造醇酸树脂时先将XX油与脂肪酸酯化或XX油与油脂醇解生成单脂肪酸XX油酯，使XX油由3官能度变为2官能度，然后再与2官能度的苯酐缩聚。
此时体系为2－2线型缩聚体系，苯酐、XX油、脂肪酸按1:
1:
1摩尔比合成醇酸树脂的理想结构为：
OCH2CHCH2OCC
O
O
OO
C
OR
=OCH2CHCH2OCC
O
O
OC
OR
**
n
上述大分子链中引入了脂肪酸残基，降低了XX油的官能度，同时也使大分子链的
规整度、结晶度、极性降低，从而提高了漆膜的透明性、光泽和柔韧性和施工性。
若使用干性脂肪酸（或干性油），则在催干剂的作用下，可在空气中进一步发生氧化聚合、干燥成膜。
1·4合成工艺
醇酸树脂的合成工艺按所用原料的不同可分为
（1）醇解法；
（2）脂肪酸法。
从工艺上可以分为
（1）溶剂法
（2）熔融法。
熔融法设备简单、利用率高、安全，但产品色深、结构不均匀、批次性能差别大、工艺操作较困难，主要用于聚酯合成。
醇酸树脂合成主要采纳溶剂法生产。
溶剂法中常用二甲苯的蒸发带出酯化水，经过分水器的油水分离后重新流回反应釜，如此反复，推动聚酯化反应的进行，生成醇酸树脂。
釜中二甲苯用量决定反应温度，存在如下关系。
1·4·1按合成原料分类
醇解法与脂肪酸法的比较
醇解法
脂肪酸法
优点
（1）成本较低
（2）工艺简单易控（3）原料腐蚀性小
（1）配方设计灵活，质量易控
（2）聚合速度较快
（3）树脂干性较好、涂膜较硬缺点
（1）酸值不易下降
（2）树脂干性较差、
涂膜较软
（1）工艺较复杂，成本高
（2）原料腐蚀性较大
（3）脂肪酸易凝固，冬季投料困
难
目前国内两种方法皆有应用，脂肪酸法呈上升趋势。
一醇解法
醇解法是醇酸树脂合成的重要方法。
由于油脂与多元酸（或酸酐）不能互溶，所以用油脂合成醇酸树脂时要先将油脂醇解为不完全的脂肪酸XX油酯（或季戊四醇酯），不完全的脂肪酸XX油酯是一种混和物，其中含有单酯、双酯和没有反应的XX油及油脂，单酯含量是一个重要指标，影响醇酸树脂的质量。
其反应如下：
醇解：
n1CHOCR2+m1CHOH
O
CH2OCR3
O
O
CH2OCR1
CH2OHCH2OHCH2OCR1CHOH+CHCH2OCR3O
O
CH2OH
CH2OHOCR2
°聚酯化：
n2CHOCR2+m2CH2OH
CH2OH
O
COCOO
OCH2CHCH2OCCO
O
OCOR2
O
+H2O
1．醇解
醇解时要注意XX油用量、催化剂种类和用量及反应温度，以提高反应速度
和XX油一酸酯含量。
此外，还要注意以下几点：
（1）用油要经碱漂、土漂精制，至少要经碱漂。
（2）通入惰性气体保护（CO2或N2）,也可加入抗氧剂，防止油脂氧化。
（3）常用LiOH作催化剂，用量为油量的0.02％左右。
（4）醇解反应是否进行到应有深度，须及时用醇容忍度法检验以确定其终点。
用季戊四醇醇解时，由于其官能度大、溶点高，醇解温度比XX油高，一般
在230～250℃之间。
2．聚酯化反应
醇解完成后，即可进入聚酯化反应。
将温度降到180℃，分批加入苯酐，
加入回流溶剂二甲苯，在180～220℃之间缩聚。
二甲苯得加入量影响脱水速率，
二甲苯用量提高，虽然可加大回流量，但同时也降低了反应温度，因此回流二甲
苯用量一般不超过8％，而且随着反应进行，当出水速率降低时，要逐步放出一
些二甲苯，以提高温度，进一步促进反应进行。
聚酯化易采取逐步升温工艺，保
持正常出水速率，应幸免反应过于剧烈造成物料夹带，影响单体配比和树脂结构。
另外，搅拌也应遵从先慢后快的原则，使聚合平稳、顺利进行。
保温温度及时间
随配方而定，而且与油品和油度有关。
干性油及短油度时，温度易低。
半干性油、
不干性油及长油度时，温度应稍高些。
聚酯化反应关注出水速率和出水量，并按规定时间取样，测定酸值和黏度，
达到规定后降温、稀释，经过过滤，制得漆料。
下图为醇解法溶剂法生产醇酸树脂的工艺流程简图。
醇酸树脂二脂肪酸法
脂肪酸可以与苯酐、XX油互溶，因此脂肪酸法合成醇酸树脂可以单锅反应。
同聚酯合成工艺、设备接近。
脂肪酸法合成醇酸树脂一般也采纳溶剂法。
反应釜为带夹套的不锈钢反应釜，装有搅拌器、冷凝器、惰性气体进口、加料、放料口、温度计和取样装置。
为实现油水分离，在横置冷凝器下部配置一个油水分离器，经分离得二甲苯溢流回反应釜循环使用。
1·4·2按工艺分类
1熔融法
熔融法是个老方法，现在已较少使用，，但它设备简单，一次性投资较低，防水要求较低。
生产时将多元醇、多元酸、脂肪酸直接加入反应釜内，在搅拌及通入惰性气体下升温，在适当的温度（200-250℃）下酯化反应。
如使用油则先将油与多元醇（XX油）加入反应釜，在适当的温度（200-240℃）及惰性气体的保护下醇解。
醇解时定期取样测定醇解程度。
达到要求后稍稍降温（不低于180℃）加入苯二甲酸酐。
因苯二甲酸酐开环反应约在160℃下进行，且是放热反应。
如降温太多将有大量的苯二甲酸酐不能反应积存下来。
所以加完苯二甲酸酐的温度不要低于180℃。
按工艺规定可以低和气高温分段进行酯化反应。
如果先低温酯化反应，可以先在180-200℃保持一段时间；如果是直接高温酯化反应，升温不宜过快，在200-230℃酯化反应是脱水特别剧烈。
因此要按工艺规定操纵升温速度。
温度达到规定后即保持恒定，进行酯化反应。
在酯化全过程中，始终通入惰性气体以帮助搅拌，排除酯化反应产生的水汽及防止反应物氧化。
反应釜排空口联通苯二甲酸酐捕集器，有抽风装置使釜内稍呈负压以利水汽排出，但不能过大，免得苯二甲酸酐升华太多。
在酯化反应过程中定期取样测酸值与粘度（开始每隔2-3小时强有力的搅拌装置与较强的冷却能力，罐内配好配方规定量的溶剂将树脂溶化，这样即使已经凝胶化的树脂也能马上溶解开来，而且釜内树脂的粘度与溶解后树脂溶液的浓度相差不太大。
溶解完毕的树脂要调整粘度与固体分，经过过滤净化即成为醇酸树脂溶液或称漆料。
放入储罐或装桶。
经过一段贮存期即可制漆，或作商品出售。
有时树脂不经稀释在热状态过滤净化，以100%成分出售（此种形式的产品已较少）。
熔融法的缺点：
①反应不如溶剂法均匀；
，以后每隔15-30分钟0。
粘度与酸值达到工艺规定后停止加热。
釜体可稍降温。
然后将树脂放入或压入（抽入）稀释罐内。
稀释罐的容积至少为反应釜的两倍，要配备
②与溶剂法相比反应时间相对较长；
③颜色较溶剂法深
④反应物料损失较大，本二甲酸酐升华排除釜外损失大。
本二甲酸酐与多元醇的比例不能固定；因此醇酸树脂的配方只能根据设备与工艺的经验配方，而不能较科学的设计；
⑤酯化反应阶段始终需要惰性气体的保护，增加成品。
2溶剂法
溶剂法是利用有机溶剂（主要为芳香烃类溶剂）作为共沸液体帮助酯化。
它是在熔融法基础上改进的方法。
在酯化阶段加入反应物量的3%-10%的溶剂（主要为芳香烃类溶剂，用二甲苯时居多）。
调整溶剂的量可在不同的温度得到强烈的回流。
在酯化阶段蒸发的气体（水与溶剂）通过冷凝器凝缩收集在自动油水分离器中，溶液溢流回到反应釜中继续在釜内与酯化生成的水共沸蒸出，帮助脱水，循环作用。
分离器中积存的水可以自分离器放出，可以称量一观察酯化反应程度。
脂肪烃溶剂因溶解苯二甲苯酸酐能力不强，容易堵塞冷凝管，故不使用。
溶剂法反应温度比较容易操纵，通过增减溶剂量来进行操纵。
脂肪酸法制醇酸树脂用溶剂法时与熔融法基本相同。
只是在投入多元酸、多元醇、脂肪酸的同时加入了溶剂，升温进行酯化反应，共沸脱水。
不许通入惰性气体。
其他步骤相同。
醇解法制醇酸树脂，醇解阶段两个方法是相同的，都是先加入多元醇、油、催化剂，在惰性气体保护下反应达到要求的醇解程度。
溶剂法的不同处在于酯化操作时加完苯二甲酸酐之后要加入溶剂二甲苯。
酯化反应时不需要通入惰性气体。
酯化反应的操纵，溶剂法与熔融法相同，都是定期取样测酸值与粘度，达到工艺要求时放入稀释罐，溶解成溶液，经调整固体分与粘度后过滤净化，送入储存或装桶。
贮存一个稳定期，即可制漆或出售。
有的在溶剂法生产醇酸树脂时，在反应釜上装有蒸汽加热分馏柱，柱内
装有填料，反应时蒸汽经过分流柱后进入冷凝器。
这个设备有利于含有低沸点成分的配方，如含有苯甲酸、乙二醇，没有分流柱则损失太大。
同时对常规醇酸树脂的制造，将有利于溶剂与水的分离，加快酯化反应速率。
分馏柱用蒸汽加热，可使反应的水蒸出，而其他醇、酸、部分溶剂回流回收。
经冷凝器回到反应釜内的二甲苯的温度不可过高，因为在过高温度下，水在二甲苯内溶解度将大增，如果常回反应釜的水增多，不利于酯化反应进行。
特别是在酯化反应后期已出水很少，如二甲苯带水回釜内将延长酯化反应时间。
低温时苯二甲酸酐在二甲苯中的溶解度下降，会造成冷凝管被堵塞的危险。
平衡既要少带水而要低温，又要多溶解苯二甲酸酐而要高温这对矛盾时，一般应使返回反应釜的二甲苯温度操纵在25~40℃。
酯化反应生成的水自油水分离器放出，应收集计量，以便了解酯化反应程度。
二甲苯返回反应釜的管路上应有流量计以操纵回流速度。
溶剂法与熔融法相比有以下几点：
①酯化颜色较浅而且比较均匀；
②收率较高，因无苯二甲酸酐与多元醇的损失，多元酸、多元醇比
例保持基本不变酯化温度比较低；酯化反应周期比较短；
③温度容易操纵，反应釜容易清洗
第二章.设计内容
2·1设计依据
根据设计任务书的要求，依据树脂合成工艺、化工设备与机械设计等，并查阅相关专业资料，结合现今反应釜设计最新趋势，进行课程设计——年产2700吨醇酸树脂反应釜设计。
2·2设计原则
2·2·1生产规模
年产2700吨醇酸树脂反应釜设计，实行间歇式生产。
2·2·2生产方式
醇酸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。
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，易操纵，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2/3—3/4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600—700mmHg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。
本设计中采纳溶剂法合成。
2·2·3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。
本设计中液体投料方式采纳第二种方式。
固体物投料方式，采纳直接投入反应釜，简单经济。
2·2·4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
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