年产30000吨E51型环氧树脂工艺设计.docx
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年产30000吨E51型环氧树脂工艺设计
天津广播电视大学
开放教育“应用化工技术”专业（专科）
《毕业设计》技术报告
题目：
年产30000吨E51型环氧树脂工艺设计
******
学号：
*************
年级：
精细化工3班
*******
时间：
2011年10月10日
天津广播电视大学化工工作站
应用化工技术专业《毕业设计》课程任务书
毕业设计题目
年产30000吨E51型环氧树脂工艺设计
完成人情况
姓名：
张彬学号：
0912********
班级：
精细化工3班
原始数据
（1）环氧当量，g/eq184-194
（2）NaOH含量wt％：
≥48
（3）Fe2O3含量wt％：
≤0.003
主要参考资料
1.陈敏恒，丛德滋等，化工原理，北京：
化学工业出版社，2000
2.环氧树脂生产与应用（第二版）王德中 化学工业出版社
重点内容
（1）环氧树脂定义
（2）生产原理
（3）E51型环氧树脂产品说明及生产的主要原材料
（4）工艺流程设计
（5）工艺配方、主要控制参数、消耗定额及主要生产设备
设计指标
产品30000吨/年环氧树脂
*******
一．摘要·····························································1
二．关键词··························································1
三．论文·····························································2
1环氧树脂定义·······················································2
2生产原理····························································5
3E51型环氧树脂产品说明及生产的主要原材料····························6
4工艺流程设计·························································7
5工艺配方、主要控制参数、消耗定额及主要生产设备·····················10
结束语·······························································11
参考文献·····························································12
年产30000吨E51型环氧树脂工艺设计
一.摘要：
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，E51型环氧树脂即属于此类树脂，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。
环氧树脂生产工艺一般分为一步法和二步法，本工艺采取两步法，并通过五次加碱以减少ECH在碱性介质中的水解损失。
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。
本文重点介绍了年产30000吨的E51环氧树脂的工艺原理，设计依据，工艺路线，工艺流程设计，工艺设备选型，产品配方与原料消耗指标等内容。
二.关键词：
E51环氧树脂；二步法；工艺流程设计；五次加减
绪论
1.1环氧树脂定义
环氧树脂（EpoxyResin）是泛指含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族等有机化合物为骨架并能通过环氧基团反应形成有用的热固性产物的高分子低聚体（0ligolner），是一种从液态到粘稠态、固态多种形态的物质。
它本身几乎没有单独使用的价值，只有和固化剂反应生成三维网状结构的不熔聚合物才有应用价值，故属于热固性树脂。
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：
DiglycidyletherofbisphenolA（缩写DGEBP A）
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Pierrecastan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DeVoe-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DeChemical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。
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、主要技术指标及相互关系
（1）聚合度n和分子量M:
双酚A型环氧树脂的结构如下：
式中n为聚合度（也就是分子中基本结构重复的次数）。
聚合度n实际上是一系列不同分子量的同系物的加权平均值。
n越大，分子链越长，分子量M越大。
理论上双酚A型环氧树脂分子量M,聚合度n之间存在下列关系。
M＝340十284n
（2）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。
（3）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１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=Ev×43。
（4）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：
℃。
（5）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１Pa.s（帕斯秒）=1000mpa.s（毫帕斯秒）＝1000cP（厘帕斯）。
（6）水解氯：
水解氯指每100克环氧树脂中含有的水解氯的克数。
水解氯是由于树脂制造过程中脱氯化氢闭环反应不完全而引起的，它在树脂中主要以1，2氯醇醚的形式存在，可用氢氧化钾醇溶液进一步反应来测定，又称易皂化氯。
水解氯的存在影响环氧树脂的高温电性能，是衡量环氧树脂质量的一个重要指标。
（7）无机氯：
无机氯是指环氧树脂中残留的氯离子数量。
它是树脂反应过程中副产的NaCL未被彻底除去而残留下来的。
只要加强水洗工艺和高精度过滤，就能做到含量很低。
无机氯的存在常温下就会影响环氧树脂固化的电性能。
（8）残留溶剂，简称残溶：
环氧树脂的残溶主要指树脂生产过程中残留的微量溶剂，用PPM表示。
树脂中残溶高，在成型过朽中会产生大量气泡，影响制品质量。
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E51型环氧树脂，即属于BPA型环氧树脂（又称E型环氧树脂）。
国内统一牌号中E－代表双酚A型环氧树脂，数字－代表环氧值小数点后二位数。
如：
E-51表示环氧值为0.51的双酚A型环氧树脂、E-20表示环氧值为0.20的双酚A型环氧树脂。
随着原材料和合成工艺的进步，如今的环氧树脂质量指标都远远高于国标和部标，纯度高，色泽浅。
由于引进国外先进的生产技术、设备和人才，我国环氧树脂生产水平与国外的差距已越来越小。
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（M≤400）、中等分子量树脂（M＝400-1400）、高分子量树脂（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↑
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。
第二章生产原理
一、合成原理
双酚A型坏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。
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-开环反应。
（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-闭环反应，最终即可得到
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。
E51属于平均相对分子质量较低的液态双酚A型环氧树脂，室温下为液体。
二、合成方法
液态双酚A型环氧树脂的合成方法归纳起来大致有两种：
一步法和二步法。
一步
法又可分为一次加碱法和二次加碱法。
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。
目前国内产量最大的E一44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作用下，第一步通过加成反应生成二酚基丙烷氯醇醚中间体，第二步在NaoH存在下进行闭环反应，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。
本文所述E51环氧树脂就是属于采用二步法工艺合成的。
第三章E51环氧树脂产品说明及生产的主要原材料
一、产品说明
E-51属于低分子量双酚A型环氧树脂,具有很多优良性能，有良好的加工工艺性；加固化剂后有高度的粘合性；稳定性好；吸水性低；有优异的电绝缘性能和较高的机械强度。
广泛用于涂料、电子、电器、粘接、土木等领域。
产品质量指标
项目
质量指标
外观
透明液体，无机械杂质
环氧当量，g/eq
184-194
粘度，cps,250C
11000-15000
水解氯，％
0.03以下
色泽，（G）
1以下
残溶，PPM
300以下
二、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 E-51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）
228
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）
Cl
92.5
外观：
无色透明液体纯度wt％：
≥99.5
密度（20℃）g/cm3：
1.180～1.184色度（Pt-Co）:
≤15
甲苯
（TOL）
CH3
92
纯度wt％：
≥99.5
馏程℃：
109～112
密度（20℃）g/cm3:
0.862～0.868
色度（Pt-Co）号：
≤15
液碱
（48％NaOH）
NaOH
40
NaOH含量wt％：
≥48
Fe2O3含量wt％：
≤0.003
2、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１.18，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℃。
第四章工艺流程设计
本项目E51环氧树脂工艺流程由反应单元、精制单元、脱苯单元、过滤单元、含环氧氯丙烷废水汽提单元、老化树脂回收单元六部分组成
（1）工艺流程说明
经流量计计量的新鲜环氧氯丙烷、回收环氧氯丙烷及双酚A投入预反应釜中，升温，在真空状态下加入50%液碱催化剂进行醚化反应，醚化后混合物放入反应釜，继续滴加液碱进行反应，反应结束后加热蒸发回收过量的环氧氯丙烷，然后将环氧树脂溶液放入精制釜中，在精制釜中加入定量的甲苯及工艺水，环氧树脂溶解在甲苯中，反应生成的NaCl盐溶解在水中，静止排出饱和盐水。
根据反应情况，计算补加液碱量进行闭环反应，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）。
再在精制釜中分三次加入工艺水进行水洗，经过分水后得到树脂溶液；树脂溶液送入脱苯釜加热蒸发脱除甲苯溶剂；脱苯合格后，将树脂溶液用泵送入过滤机过滤去除固体杂质并送至成品罐，最后用泵输送至灌装机进行产品包装或作添加环氧树脂装置的原料。
在反应单元中分离出的含环氧氯丙烷废水（含环氧氯丙烷～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厂现有污水处理站。
精制单元产生的中间相放入老化树脂回收釜内进行蒸馏，分离出甲苯及老化树脂残渣，残渣送相关协议单位焚烧。
高浓度含盐废水通过泵输送到辅生盐装置进行盐回收，生成的二次蒸汽冷凝后送环氧装置生产使用。
（2）工艺流程方框图
基础环氧树脂E-51的工艺流程框图如下：
环氧氯丙烷双酚A液碱
回收环氧氯丙烷液碱
工艺水甲苯
去辅生盐装置
甲苯回用
过滤
成品包装
E-51工艺流程框图
（3）具体操作流程图
在E-51生产过程中，采用负压加碱工艺。
在生产过程中，采用五次加碱以减少ECH在碱性介质中的水解损失，第一、第二次加碱主要目的是使BPA和ECH在碱性介质中进行醚化反应，第三、第四次加碱主要闭环反应，回收过量的ECH，再进行第五次加碱。
第五次加碱的目的是使树脂中间体中氯经基起最后一次闭环反应，以脱掉氯化氢而形成环氧基，降低水解氯含量。
详见见下图
第五章工艺配方、主要控制参数、消耗定额及主要生产设备
一、工艺配方
单位：
kg
原料
双酚A
ECH
第一次加碱
第二次加碱
第三次加碱
第四次加碱
第五次加碱
100%
100%
100%
100%
100%
100%
10096
7500
16000
200
200
1000
1500
300
二、主要工艺控制参数
控制条件
控制参数
控制条件
控制参数
第一次
加碱
温度，℃
50-60
减压
回收ECH
温度，℃
120
时IM，h
2
真空，Kpa
<4
第二次
加碱
温度，℃
50-60
时间，h
3
时间，h
1
第五次
加碱
温度，0C
80-90
脱水
温度，℃
60-66
时间，h
1．5
真空，Kpa
15-20
水洗
温度，℃
75-85
时间，h
1
次数
3-4
第三次
加碱
温度，℃
60-70
时IfoJ，h
4-5
真空，Kpa
15一20
脱溶剂
温度，℃
140
时间，h
2
真空，Kpa
5
第四次
加碱
温度，0C
60-70
时间，h
7，
真空，Kpa
15一20
过滤
温度，℃
90
时间，h
2
时间，h
｝'1.5
三、环氧树脂E-51生产原料消耗及成品定额
1.生产原料消耗定额表
序号
名称
主要规格
消耗定额
年消耗定额
t/a
单位
数量
一
原料
1
环氧氯丙烷
纯度99.9%
kg/t
555
16650
2
双酚A
熔点≥156.4
kg/t
683
20490
3
甲苯
纯度≥99.5%
kg/t
25
750
4
液碱
50wt%
kg/t
500
15000
2．本装置年设计生产E51环氧树脂30000吨，采用连续生产方式，年生产天数300天，每天产量300吨。
四、主要生产设备
设备名称
材质
体积，m3
预反应釜
不锈钢
28
反应釜
不锈钢
32
精制釜
不锈钢
45
脱苯釜
不锈钢
40
结束语
目前国内环氧树脂开始走向国际市场，成绩可喜，但是进一步扩大优势就要更新换代，工艺技术进步，大力发展特种或专用环氧树脂，如高纯度树脂、光固化树脂、水溶性树脂、耐候性树脂、非阻燃树脂，其次开发绿色产品，实现清洁生产。
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，2000
2.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.化工工艺学（第二版）薛荣书，谭世语主编重庆大学出版社
6.化工仪表及自动化（第四版）厉玉鸣主编化学工业出版社
7.化工设计（陈声宗）（二版）陈声宗化学工业出版社
8.化工设计概论侯文顺化学工业出版社
9．周菊兴编．合成树脂与塑料工【M】．第l版．北京：
化学工业出版社，2007．215—323．
10．刘光启，马连湘，刘杰编化学化工物性数据手册[M】有机卷第2版，北京：
化学工业出版社2004．149_707
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