年产15万吨TPU生产工艺流程设计.docx

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年产15万吨TPU生产工艺流程设计

年产1.5万吨TPU生产工艺流程设计

摘要

本设计以年产1.5万吨TPU进行生产工艺流程设计。

首先对热塑性聚氨酯弹性体（TPU）的基本性能、化学性质、外观、产品应用情况进行介绍，再对目前的生产现状、市场需求和供应状况进行简要分析和预测，结合目前一些优秀企业的生产工艺和参考大量文献，设计出了一种高效的TPU的生产工艺路线。

选择采用MDI、PBA和BDO为原料的双螺杆法进行生产，采用一步法连续聚合。

本设计对整个工艺的过程、工艺条件、反应机理等进行了叙述，并根据设计的工艺路线准确绘制出了带控制点的工艺流程图。

同时科学地进行了工艺过程的物料衡算，计算出原料配比，并结合了热量衡算对本设计所使用到的生产设备进行选型，然后列出物料平衡表与热量平衡表。

其中设备工艺计算包括釜体的设计，搅拌装置的设计，传热装置的设计和双螺杆反应挤出机各部分的要求设计等。

结合了以上的计算结果，设计出最安全，经济效益最高的工厂车间布置，包括了厂房的布置和车间设备的布置，并绘制出工厂的布局图和车间设备的布置图。

最后整个设计所需的总投资成本做出初步核算，包括对原料、生产设备、人力和厂房的投资等所有费用都做了计算，预算出本设计年产的1.5万吨TPU所能够带来的利润。

最后对排除的废气设计出处理方案。

关键词：

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）；双螺杆法；一步法；连续聚合；

ProductionprocessdesignofTPUwithanannualoutputof15000tons

Abstract

Thedesignisdesignedwithanannualproductioncapacityof15,000tonsofTPU.Firstofall,thebasicpropertiesofthethermoplasticpolyurethaneelastomer（TPU）,chemicalproperties,appearance,productapplicationsituationisintroduced,thenthecurrentproductionstatus,marketdemandandsupplysituationofabriefanalysisandprediction,tocombinetheproductionprocessofsomeoutstandingenterprisesandreferencealargenumberofliterature,todesignanefficientproductionprocessrouteofTPU.MDI,PBAandBDOwereusedasrawmaterialsfortheproduction,andone-stepcontinuouspolymerizationwasadopted.Thisdesigndescribesthewholeprocess,processconditions,reactionmechanism,etc.,andaccuratelydrawstheprocessflowchartwithcontrolpointsaccordingtothedesignprocessroute.Atthesametime,theprocessofscientificmaterialbalancecalculation,calculationofrawmaterialratio,andcombinedwiththeheatbalancecalculationofthedesignusedtoselecttheproductionequipment,andthenlistedthematerialbalancesheetandheatbalancesheet.Theequipmentprocesscalculationincludesthedesignofthekettlebody,thedesignofthemixingdevice,thedesignoftheheattransferdeviceandthedesignoftherequirementsofeachpartofthetwin-screwreactionextruder.Combinedwiththeabovecalculationresults,thesafestandmosteconomicallayoutoftheworkshopisdesigned,includingthelayoutoftheworkshopandthelayoutoftheworkshopequipment,andthelayoutofthefactoryandthelayoutoftheworkshopequipmentaredrawn.Finally,thetotalinvestmentcostrequiredbythewholedesignispreliminarilycalculated,includingallthecostsofrawmaterials,productionequipment,manpowerandplantinvestment,etc.,andtheprofitthattheannualoutputof15,000tonsofTPUofthedesigncanbringisestimated.Finally,atreatmentschemeisdesignedfortheexhaustgas.

Keywords:

Thermoplasticpolyurethaneelastomer（TPU）;Doublescrewmethod；One-stepmethod;Continuouspolymerization

1绪论

1.1热塑性聚氨酯弹性体及其化学式

聚氨基甲酸酯（polyurethane），简称聚氨酯（PU），是一种分子的主链上含有特征基团氨基甲酸酯键（-NHCOO-）的嵌段共聚物，结构式可表示为[-CO-NH-R-NH-COO-R-0-]n。

微观形态上的PU又相容的软硬段两相组成，硬段相是由合成它的扩链剂和异氰酸酯组成，合成原料中的聚酯多元醇组成软段相。

合成原材料和生产条件的不同会改变聚氨酯材料的性能，不同种类之间也有很明显的不同。

因此设计和生产聚氨酯需要根据使用需求和性能设计材料的分子式和生产路线。

热塑性聚氨酯（thermoplasticpolyurethane），简称TPU，分子链呈线性结构。

氢键作为物理交联点，材料优异的耐热性能和力学性能性能取决于氢键的结合键。

热塑性聚氨酯弹性体优异的耐油性能、耐老化性能和高强度、高模量正是由于TPU的分子链上存在着大量的氢键。

这些氢键还有可逆的静电作用。

与传统的浇注型聚氨酯相比，TPU有比其更多种的加工方式选择，可用挤出、挤出、熔融、挤出、压延和溶液加工等。

优异的物理性能和化学性能和多种加工方法使TPU具广阔的应用前景。

在医药、化工、航天、国防、汽车等领域，TPU材料都发挥着其巨大的作用。

聚氨酯材料也以其优异的力学性能、物理性能和化学等性能承担着重任，得到广泛的应用。

TPU材料的发展也取代了很多传统材料，应用效果非常好。

1.2基本物理性能参数、外观、化学性质

1.2.1物理性能

聚酯TPU的密度通常为约1.2，聚醚TPU的密度在1.1至1.15之间，硬度范围为60A至80D。

聚醚TPU的密度在相同硬度下一般会低于聚酯TPU的密度。

影响TPU密度的因素有：

软段种类；TPU的分子量；硬段或软段含量和聚集状态等。

其抗拉强度一般在20MPa至60MPa之间；伸长率在400％至800％之间。

其它物理性能（如耐热性，脆性，抗紫外线性等）则取决于不同的原材料。

1.2.2外观特征

热塑性聚氨酯（TPU）弹性体呈现无色透明状态。

1.2.3化学性质

无毒无味，可溶于多种有机溶剂。

可燃性强，燃烧时会微微冒烟。

热塑性TPU在受热时会融化流动，会散发出一股刺激性气味气体，产生可燃烧的熔滴。

1.3产品的应用情况

1.3.1医疗卫生

与部分传统材料相比，TPU具的物理性能、化学性能及表面性能（生物相容性，抗凝性）都要更加优异。

越来越得到生物医疗卫生领域内的广泛应用，使用量也在逐年增张。

目前在医疗卫生的应用主要为：

（1）填充密封材料。

一般在在人工肾脏中，作为固定内部中空细丝束材料填充。

（2）医疗仪器用品。

冰敷袋、输液管、外科手术用拉伸薄膜、粘性胶带绷带和创伤敷料等；

（3）人造组织器官。

血管、心脏、、皮肤、静脉导管和肾脏等这些人造组织器官一般会应用到TPU材料；

从上述应用上看，热塑性聚氨酯材料在医疗卫生领域的总体应用规模并不是很大，且国内还不能成熟地生产出高性能、高质量的TPU产品，大部分TPU还需用通过进口补给需求，这在一定程度上限制了国内在该领域上的发展。

面对如此广阔的应用前景和可观的需求量，国内的工厂应提高对热塑性聚氨酯材料的重视程度，从而进一步提高产品的质量和生产规模。

1.3.2铁路及航空工业

轨道的综合性能是铁路运输中非常重要的部分，决定铁路运输的使用寿命、安全性和火车的行驶效率。

而轨枕垫板材料的选择能最大程度地改善轨道的性能。

据研究，采用TPU材料制成的轨枕垫板能在很大程度上减缓车轮对钢轨和路基的冲击压力，在不改变其它条件下提升列车的行驶时度。

而且TPU材料的高耐磨性也能够降低损耗和维修更换频率，大大降低了成本，让新型TPU轨枕垫板具有更长的使用寿命和更高的安全性。

在航空工业中，TPU材料发挥了强度高、耐低温、重量轻、耐油等特点，主要应用于密封材料。

例如，我国飞机拦阻网采用的就是TPU材料，其性能要高于国外机场尼龙拦阻网。

1.3.3鞋底材料

TPU材料具有较好的耐磨性和缓冲性，目前在制鞋行业主要用作鞋底材料。

由TPU制成的微孔弹性体因为其特殊的结构，在相同的体积下具有较低的整体密度和较轻的质量，并且气孔的存在一定程度上增强了鞋底的柔韧性和柔软性，受到了广大制鞋厂商的喜爱。

1.3.4电线电缆

TPU材料具有良好的柔韧性，抗冲击强度，断裂伸长率，抗拉强度，耐高低温性，基本上满足了电线电缆保护套对所使用材料各个方面性能的要求。

然而，由于传统TPU材料的阻燃性较差，一般需要对TPU进行改性，或是添加阻燃剂来提高其阻燃性。

阻燃剂的类型一般选择膨胀型阻燃剂，这样，在改善TPU阻燃性的同时其抑烟性和消除熔滴等性能也能够得到显著提高。

具有更好的机械性能和加工性能的阻燃性热塑性聚氨酯材料将有望取代传统的聚烯烃材料。

具有阻燃性TPU制成的电线电缆防护材料，正在电线电缆领域中逐渐广泛的被应用。

1.4生产企业资料

1.4.1年产量

国外：

全球TPU市场目前主要集中在一些欧美国家和亚太地区，其中，中国的TPU年产量领先于其他国家和地区，也是增长最快的市场。

从2013年到2017年，TPU全球的产量从2013年的58.58万吨增加到了2017年的84.71万吨。

仅2018年上半年的产量就达到了44.05万吨。

国内：

广东、浙江和山东是我国主要生产TPU的地区。

其中，山东省占全国年产量的24.35%，浙江省占21.49%，广东省则