年产吨UP树脂生产车间设计.docx
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年产吨UP树脂生产车间设计
Documentnumber【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】
年产吨UP树脂生产车间设计
武汉理工大学
本科生毕业设计
年产5000吨UP树脂
生产车间设计
学院（系）：
材料学院
专业班级：
复材0701
学生姓名：
陈曦
指导教师：
彭进波
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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作者签名：
年月日
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2、不保密囗。
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作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
摘要
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。
论文主要设计了：
191#UP树脂的生产车间。
本设计采用将苯酐、顺酐和丙二醇二步法投料在反应釜中减压缩聚成不饱和聚酯，在用苯乙烯稀释成191#UP树脂。
设计包括：
工艺流程设计，物料衡算，热量衡算设备选型设计，车间布置设计，非工艺专业设计和车间经济概算等。
设计年产量为5000吨。
图纸包括工艺流程图，车间布置图，非标准件设计图，零件图。
本文的特色是：
1、引进自动化控制系统代替人工对工艺参数进行精确控制，提高产品的质量稳定性；2、照明使用节能灯具，体现节能环保的理念；3、可以在本设计基础上利用“过程强化”的方法提高生产效率。
关键词：
191#，不饱和树脂，生产工艺，设计选型，过程强化
Abstract
Unsaturatedpolyesterresinisthemostcommonlyusedthermosettingresin,itischieflythedecompressionfasculationofdibasicacidanddibasicalcohol,aftercrosslinkingmonomersoractivityformedhascertainsolventdilutesolutionofresinviscosity.
Thecontentisdesignedannualoutputof5,000tonsof191#UPresinproductiondesignusesthewillphthalicanhydride,maleicanhydrideandpropyleneglycolldpe-g-nvpreactionkettleoffeeding-compostinginreliefpolycondensationintounsaturatedpolyester,withstyrenedilutedininto191#UPresin.
Thedesignincluding:
processdesign,materialcalculation,heatcalculationselectionofequipmentdesign,workshoplayoutdesign,theprofessionaldesignandworkshopprocessetc.Economicbudget.Inthedesign,theoutputoftheworkshopis5000tonsperyear.
Thefeaturesofthedesign:
1,theintroductionofautomationandcontrolsysteminplaceofartificialprecisecontrolofprocessparameterstoimprovethequalityoftheproductstability;2,usingenergy-efficientlighting,lamps,reflecttheconceptofenergysaving;3,onthebasisofthisdesigncanuse"Processintensification"approachtoincreaseproductivity.
Keywords:
191#;UP;ProductionProcess;Designandchoice,processintensification.
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
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。
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2/3—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。
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90—100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。
生产制度
2.3.1、工作日确定：
一年按365天计，出去双休（52×2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
原料及成品的技术规格和质量控制
2.4.1、原料规格：
如表所示：
表原料规格
原料
分子量
规格
熔点
密度
纯度
外观
顺酐
工业级
≥
白色片块
苯酐
工业级
131
≥
白色片块
丙二醇
工业级
无色透明液体
石蜡
工业级
50-70
白色固体
环烷酸酮
绿色粘稠液体
HQ
工业级
白色结晶
UV-9
工业级
61-64
≥
淡黄色结晶
苯乙烯
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：
如表所示：
表#UP树脂技术指标
项目
技术指标
外观
透明，浅黄色液体
粘度（Pa·S）
—
比重（g/cm3）
固体含量（%）
60—66
酸值（mgKOH/g）
28—36
凝胶时间（minutes）
10—25
3、191#UP工艺流程设计
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，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4—10之间。
A+BC+DK=
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。
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680~700Hg，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150~160℃，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195±5℃。
至反应物酸值到达指定要求（88~90）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2/3~3/4。
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;在300~400mmHg时保持;在620~680mmHg时保持。
8）当反应物酸值达到40±2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50~60℃，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。
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：
：
①反应釜中心部位的料温；②反应釜釜壁部分的料温；③夹套中油温；④分馏柱顶部蒸汽的温度。
常简称“馏头温度”；⑤冷凝器的进水与出水温度；⑥稀释罐中心部位的料温；⑦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50~60），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
、配方设计
191#UP树脂的配方见表
表#UP树脂配方
原料
分子量
熔（沸）点℃
密度g/cm3
配比
重量%
丙二醇
苯酐
131（285）
1
顺酐
1
缩水量
18
1
聚酯
苯乙烯
（）
石蜡
50~70
环烷酸酮
UV-9
HQ
、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×%=吨/天
4.2.2、聚酯的聚合度和摩尔数。
聚酯平均分子量w=1000×56/40=1400
聚酯聚合度n=（w-w水）/+w2+w3）
=（1400-18）/×++=
聚酯的摩尔数m=×106/1400=
4.2.3、各原料的理论用量。
丙二醇W’1=×××=
V’1=W’1/ρ1==5687.5L
苯酐W’2=×××1=
V’2=W’2/ρ2==3414.3L
顺酐W’3=×××1=
V’3=W’3/ρ3==2626.8L
缩水量W’水=（2n-1）×m×w水=（2×××18=
V’水=W’水/ρ水=18=61.22kg
4.2.4、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=×=
V1=5687.5L×=5971.8L
苯酐W2=×=
V2=3414.3L×=3584.4L
顺酐W3=×=
V3=2626.8L×=2758.1L
所以原料总容积∑V=V1+V2+V3=12314.3L
4.2.5、产率计算
产率=×103/（W1+W2+W3）=%
4.2.6、苯乙烯及其他辅助材料的用量。
苯乙烯：
理论用量20t×%=；实际用量×（1+5%）=
石蜡：
20t×%×（1+5%）=7.56kg
环烷酸酮：
20t×%×（1+5%）=
UV-9：
20t×%×（1+5%）=42kg
HQ：
20t×%×（1+5%）=2.1kg
5热量衡算
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。
热量衡算[8]
5.2.1、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=mol·K=g·K
吸热量：
Q1=C1M1（T2-T1）
=××（160-10）=×105kcal
苯酐：
C2=mol·K=g·K；ΔHm=Tmk1/M
查《化工工程手册》第一篇，取k1=
ΔHm=131×=kg
吸热量Q2=C2M2（T2-T1）+ΔHmM2
=××（160-10）+×=×105kcal
顺酐：
C3=mol·K=g·K
ΔHm=Tmk1/M=×=kg
吸热量Q3=C3M3（T2-T1）+ΔHmM3
=××（160-10）+×=×105kcal
物料的总吸热量：
Q=Q1+Q2+Q3=×106kcal
5.2.2、热载体的选用
热载体温度需高达230—250℃，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=，Tct=850℃。
5.2.3、物料加热时间及热载体进出口温度确定
物料加热时间为小时，热载体进出口温度分别为230℃，210℃
5.2.4、热载体与物料之间热平衡计算
根据Q=CMΔT，得
M=Q/（CΔT）=×106/［×（230-210）］=×105kg
则热载体的流量为W=M/=×105/=×104kg/h
体积流量为V=M/796=h
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：
μ=；Cp=×10-4kg·s/m；ρ=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=s;,可得d=.。
因此选用DN80的20号钢管作为出油管，回油管选d=。
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100Y—60B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）》，100Y—60B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：
电机功率：
17kw
允许汽蚀余量：
叶轮出口宽度叶轮直径184mm
热功率计算[10]
5.4.1、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=
πD2L=
×π×（×35+×20）=
反应釜夹套容积V2=A（D1-DN）=×（2600-2400）/2×10-3=2.72m3
加热器壳程容积V3=0.15m3
高压槽中的热载体容积V4估算为0.05m3
则热载体总容积V=（V1+V2+V3+V4）=3.6297m3
冷载体：
冷油管容积:
V1’=
πD2L
=
×π×[×（60-35）+×20]=0.2827m3
反应釜夹套容积:
V2’=0
加热器壳程容积:
V3’=3
高压槽中的冷载体容积:
V4’估算为0.05m3
则冷载体总容积:
V=（V1’+V2’+V3’+V4’）=
总油量为:
V=4.1606m3
热载体质量为:
M1=×880=3661.3kg
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230
Q1’=CMΔT=××（230-10）=×105kcal
Q’=Q+Q1’=×106+×105kcal=×106kcal
理论总功率P=
=×106/（×3600×）=
考虑到热损失实际总功率P’==
6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。
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，则反应釜的理论容积为12314.3L÷=13682.6L，因此选用14000L反应釜，装料系数为12314.3L÷14000=，过量系数（）/=%<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：
允许搅拌速度：
63-125r/min
允许工作压力：
罐内≤夹套内≤
允许工作温度：
罐内0—200℃夹套内0—200℃
6.1.2、稀释釜选型
稀释釜物料容积V=20×103÷=17857.14L，设装料系数为，则理论容
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