年产4800吨水性涂料车间工艺设计.docx
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年产4800吨水性涂料车间工艺设计
年产4800吨水性涂料车间工艺设计
１设计任务书
1.1项目
水性涂料车间的工艺设计
1.2设计内容
1.2.1生产工艺设计
1.2.2设计盘式分散釜
1.3设计规模
1.3.1年产：
4800吨
1.3.2年生产日：
300天
1.3.3日生产能力：
4800/300=16吨/天
1.4设计依据
该设计说明书是依据上海**有限公司的生产技术资料的基础上，并结合设计任务书的内容年产4800吨车间技术要求,以及
（1）化学工业标准汇编─涂料与颜料（上/下册GB/T2001年）；
（2）涂料工业用原材料技术标准手册（1991年）；
（3）中华人民共和国国家标准合成树脂乳液外墙涂料GB/T9755-2001代替GB/T9755-1995；
（4）中华人民共和国国家标准合成树脂乳液内墙涂料GB/T9756-2001等技术标准而设计的。
1.5产品用途
广泛地应用于室内外墙面装饰，金属表面的防锈，起保温、防污等作用。
1.6原料方案
1.6.1水
作为良好的溶剂,取代油性溶剂型,具有零污染、低成本、操作使用方便、非易燃等特点，但具有较高的表面张力（约为72mN/m），必须通过添加助剂（即表面活性剂）来改善，同时水中的钙、镁离子和尘埃颗粒也极大影响涂料的性能。
1.6.2助剂
涂料配方设计中的助剂匹配技术，关系到它的组成结构与性能关系，助剂的敏感性、选择性、凸显效应、协同效应和特性叠加效应。
助剂匹配技术是助剂应用理念的创新与实践，发掘并展示助剂在涂料制造、贮运、涂装及应用中的特殊功效。
助剂结构与性能关系:
常用助剂有乳化剂、防缩孔剂、流平剂、消光剂、阻聚剂、流变（触变）剂、固化促进剂、光引发剂、润湿分散剂、防污剂、防霉防腐剂、增光剂、消泡剂、氟碳表面活性剂、成膜助剂、增稠剂、附着力促进剂及颜填料表面处理剂等，每种助剂都有特定的组成结构与性能。
涂料中为了降低水的表面张力，需加入助剂。
涂料涂布后，随着溶剂的挥发，湿膜的表面张力随之提高，如果接近或大于底材的润湿张力，即展布系数接近零或小于零，如果湿膜尚未失去流动性，则会产生缩孔现象；如果湿膜已失去流动性，则缩孔就会被抑制住，但温度稍有提高，黏度下降而又具有流动性，缩孔又产生。
所以，降低成膜聚合物的表面张力可提高涂料的抗缩孔性。
同样，降低水的表面张力到与一般底材的湿膜张力差不多时，可减小接触角，增加润湿程度，从而减少涂膜中出现气泡、橘子皮和贝纳尔流窝等。
通常使用水/有机助剂体系可达到，其中，较好的是乙二醇丁醚20%水溶液。
1.6.3颜料
颜料在涂料中可以显现颜色,赋予涂膜以遮盖力,然后它的作用并不仅是色彩和装饰性.,还对涂料的流变性,耐侯性,耐化学品性有影响,并关系到机械性质。
由于颜料的粒径小，表面积大，所以可以吸附成膜聚合物而使颜料颗粒成为准交联点，使漆膜机械强度提高。
为使颜料在涂料中的作用提高到最高限度，所以选用颜料必须注意到粒度、形状、水溶性、折谢率以及是否有特殊功能等。
成膜聚合物在紫外线的辐射下会引起降解，而大多数颜料具有吸收紫外线的功能，所以为了提高漆膜的耐侯性，应正确使用颜料。
如图为不同粒径的SiO2处理的TiO2对紫外线的透过率：
«SkipRecordIf...»
图1-1.TiO2对紫外线的透过率
PP膜厚度：
54μm颜料浓度：
9%（涂膜）1-无颜料2-常规钛白粉（0.3μm）3-微粒化钛白粉（0.015μm）4-细微末钛白粉（0.035μm）
漆膜表面污染物的腐蚀而出现微粉化，可以通过加入光反应催化剂，如锐钛型二氧化钛，其原因：
（1）TiO2有催化有机物光解的能力。
有机物可被光解，许多无机物尘埃之所以能紧密地黏结在墙体上，这是因为有有机物作为尘埃与漆面间的黏结剂，随后有机物被分解为尘埃易被雨水冲走。
（2）由于催化光氧化可使漆膜表面产生大量羟基从而成为超亲水表面，另外，二氧化钛的光致双亲现象也有可能产生自净作用。
本设计配方所用金红石型TiO2，由于结构上的特殊性，即它在CPVC以前有一个最高的遮盖力，浓度大于22%时遮盖力反而下降，在18~22%之间变化不大，为节省TiO2用量，含量为18%即可，图示如下：
«SkipRecordIf...»
图1-2.金红石钛白粉PVC与遮盖力突变
若在不影响光泽度的情况下，加入一些惰性颜料取代不起作用的TiO2颗粒，则可降为15%。
1.7产品方案
1.7.1产品名称
水性涂料（外墙乳胶漆）
1.7.2产品性状
白色或其他颜色（由白色调色而得）水性面漆和底漆
1.7.3理化性能
该乳胶漆涂膜使用苯丙乳液作为成膜物，密度约为1~1.5g/ml,黏度为95~103KU（内外墙略有不同）具有很好附着力、柔韧性、耐水性、高强度、耐化学品和优良防腐性，同时具有良好的光泽、丰满度、耐侯性和抗紫外线等特点，大量用于中高档的内外墙建筑面。
1.8技术指标
1.8.1产品分等
产品分为三个等级：
优等品、一等品、合格品。
1.8.2要求
合成树脂乳液外墙涂料产品应符合表1的技术要求。
表1.外墙涂料产品技术要求
项目
指标
优等品
一等品
合格品
容器中状态
无硬块搅拌后呈均匀状态
刷涂二道无障碍
不变质
2
正常
施工性
低温稳定性
干燥时间（表干）/h≤
涂膜外观
对比率白色和浅色≥
0.93
0.90
0.87
耐水性
96h无异常
48h无异常
耐碱性
耐洗刷性次≥
2000
1000
500
耐人工气候老化性白色和浅色
600h无起跑，不脱落，无裂纹
400h无起跑，不脱落，无裂纹
250h无起跑，不脱落，无裂纹
粉化，等级≤
1
2
商定
变色，等级≤
其他色
耐沾污性（白色或浅色，%≤
15
15
20
涂层耐温变性（5次循环）
无异常
浅色是指以白色涂料为主要成分，添加适量色浆后配制成的浅色涂料形成的涂膜所呈现的浅颜色，GB/T15608-1995中4.3.2规定明度值为6到9之间（三刺激值中的YD65≥31.26）。
合成树脂乳液内墙涂料产品应符合表2的技术要求。
表2.内墙涂料产品技术要求
项目
指标
优等品
一等品
合格品
容器中状态
施工性
低温稳定性
干燥时间（表干）/h≤
涂膜外观
对比率白色和浅色≥
耐碱性
耐洗刷性次≥
无硬块搅拌后呈均匀状态
刷涂二道无障碍
不变质
2
正常
0．950.930.90
24h无异常
1000500200
浅色是指以白色涂料为主要成分，添加适量色浆后配制成的浅色涂料形成的涂膜所呈现的浅颜色按GB/T15608-1995中4.3.2规定明度值为6到9之间（三刺激值中的YD65≥31.26）。
1.9生产方式
该车间设计为产量较小的精细化工产品，故采用下单→投料→生产→包装→出厂间歇式批量生产。
2工艺路线及流程设计
2.1涂料工艺基础
建筑涂料是由分散介质（液体）和分散相（固体粉末）组成的多相混合物。
这种多项体系中的相界面多，各组成物相互作用复杂，因此体系处于不稳定状态，易发生分离现象。
而涂料生产则是有效的加工颜料均匀地分散在基料中。
以颜料为分散相（不连续相），以基料为连续相的非均相分散体系。
颜料和基料间的相界面性质，决定着分散过程进行的难易、完成的速度、基料的相对稳定性、涂料的施工性能和涂膜的性能等。
将颜料均匀地分散于涂料体系中经过润湿、研磨和分散三个阶段。
（1）润湿指基料（树脂或分散液）置换颜料粒子表面上吸附的气体或污染物，进一步附着在颜料表面上的过程。
液体基料渗入颜料孔隙的速度可表达为：
«SkipRecordIf...»
式中μ——液体渗入的平均速度（cm/s）
θ——接触角的余弦
σ——涂料的表面张力（mN/m）
η——涂料的黏度（Pa.s）
R——毛细管的半径（cm）
L——孔隙的长度（cm）
说明，液体基料渗入颜料粒子毛细管中的速度与颜料粒子集体中毛细孔径R的大小、液体基料的表面张力σ和液固相之间接触角的余弦成正比，而与液体基料的黏度和毛细孔隙的长度成反比。
因此，对于任何指定的渗入深度，颜料聚集体越松散，即其中的毛细孔径越大，液体基料的表面张力越大，固液接触角的余弦越大，以及液体基料的黏度越低，液体基料向颜料聚集体的毛细孔隙中的渗透速度越大，亦即有利于提高润湿速率。
（2）研磨指将颜料聚集粒子团用机械打开和分离而变成孤立的原始粒子或更小的聚集粒子团的过程。
（3）分散指已润湿的粒子移动到液体基料中使粒子永久分离的过程。
2.2工艺路线的选择
（1）水性乳胶漆相对油性作为溶剂的涂料来说，从环保的角度出发，提倡零污染，无公害等意识，又结合到配方的原理，小型涂料厂生产可由研磨机、分散釜以及辅助设备组成，用少量的投资即可投产，通过间歇式投料、生产、包装、出厂进行。
（2）对于大中型企业，综合考虑原材料、污水、废料的利用通常采用管道输送液体水、乳液、助剂，预混合器，带有反应参数变化的搅拌釜，机械化终端包装程序等。
此设计综合考虑原料的充分使用、能源消耗及副产品的处理符合后者。
2.3流程图的设计
2.3.1工艺路线示意图
乳胶漆生产的典型工艺路线可以用如下图2-1表示
«SkipRecordIf...»
2.3.2工艺流程简述
建筑涂料是通过生产工艺上的原材料加工制作而得到的产品.没有工艺过程就没有产品,工艺过程是通过生产设备实施的,而没有生产设备就无所谓的工厂.因而生产设备对于建筑涂料的生产至关重要.一般地说建筑涂料的生产包括以下几个工艺过程:
①树脂或乳液或者其他成膜材料的生产;
②助剂和颜、填料的混合分散;
③颜、填料的研磨;
④涂料的配制;
⑤过滤、包装.
其中，涂料混合和高速分散过程又包括
（1）在预混罐中,首先投入水、颜料分散剂和其他助剂,搅拌均匀后再投颜、填料；
（2）需要加入多种颜料时,按先投入难分解的颜料,后投入易分散的颜料的顺序进行;
（3）需要加入多种填料时,按先投入密度较小的、吸水量较大、粒径较细的填料的顺序进行;
（4）在搅拌下投料,将粉料加到旋涡处.投料速度要和浆液混合情况一致,投料过快会引起结团和附壁,每加完一袋颜料粉之后,应把黏附在罐壁上和搅拌轴的粉体刮入浆液中,搅匀,然后,再投下一袋.全部粉料投后,应用工艺水彻底清洗罐内壁.继续维持搅拌一段时间,令其很好的混匀并让颜、填料充分润湿后再去研磨分散.
2.3.3工艺布置
一般具有规模的涂料厂有水性建筑涂料和溶剂型建筑涂料之分,二者并不适于在同一条生产线上生产,其工艺布置也略有不同.但总的来说,都要经过图2-2几个主要的过程,要实施这些工艺过程,根据生产规模的大小,自动化程度的高低,外购设备的功能等可以布置出基本功能相同、加工水平不同的生产工艺线.
«SkipRecordIf...»
成套设备生产能力说明：
（1）此设备在A型（略）的基础上增加一个调漆罐，提高生产效率。
该设备设计产量为500~1000t，占地40m2（长10m，宽3m，高3.2m）
（2）SDL－Ｃ～Ｈ一体化涂料生产设备：
从SDL－E型起每增加一个系列，设备的配置程度也随之复杂化。
例如SDL－E可年产2500~5000t
配置说明：
控制系统以PLC为主控器，由液晶显示器和PLC控制系统组成操作系统；阀门均采用气动球阀，开启和关闭阀门可进行自动控制。
工艺参数可以由显示器显示，如输入的电功率，研磨机，高速分散机，搅拌机转速，物料重量等
主控点：
物料的称量计算，进料，研磨机，高速分散机，搅拌器转速的调节，出料，灌装，操作人员可通过主控室控制即可。
表3.SDL－Ｂ设备配置明细表
序号
系统名称
设备名称
规格
数量
单位
1
电控系统
电气控制系统
电控柜，继电器，热保护层，开关电线
1
套
2
吸料系统
真空泵
5.5kw
1
台
真空泵缓冲槽
不锈钢
1
台
液体吸入槽
不锈钢
1
台
粉体吸入槽
不锈钢
1
台
添加剂槽
不锈钢
1
台
液体计量器
GPT数控
1
台
3
制浆系统
不锈钢分散罐
800～1000L带封头
1
台
高速分散机
22kw双分散盘
2
台
4
调漆系统
不锈钢调漆器
1000～2000L带封头
1
台
低速搅拌机
7.5kw
1
台
5
出料过渡系统
空压机
7.5kw
1
套
反冲式过滤机
不锈钢
1
台
6
灌装系统
罐装机
组合件
1
套
7
管路系统
管路附件
球阀，接头
1
套
8
操作平台
平台
6X3X2钢板及护栏
1
套
附图1:
中小型涂料厂的设备配置（即佰鑫TFJ-300调速分散机图）
附图2:
大批量生产涂料的一体化设备配置图（即SDL－Ｂ型一体化涂料生产车间剖面图）
3盘式分散釜的设计说明
3.1高速分散机设备分散原理
盘式叶轮的外型为圆盘锯状，如图3-1所示，高速盘式分散机分散盘的正常位置、容器的相对尺寸、原始投料液面高度和运转中的物料流向：
设分散盘直径为D，容器的直径取2.5D~3.5D，容器的高径比约1（注：
容器高度〈分散机升降高度h+0.5D〉。
平斜底，倾角5°左右，底与容器侧壁以圆弧角过渡，容器内部应无挡板和死角。
运转时，分散盘离容器底部距离为0.5D~1D，原始投料深度取1D~2D。
«SkipRecordIf...»
图3-1.盘式叶轮在流体中分散效果图
容器尺寸和投料的正确设计会产生如下的效果：
高速盘式分散机在正确的操作条件下，分散盘的旋转（理想的圆周速度约为2700cm/s）会使颜料浆液呈现滚动的环流，不飞溅或浪涌，在环流空穴处应该可以看到部分分散盘。
旋涡的形状应该是这样：
位于浆液顶部和表面靠近旋涡的颜料粒子在围绕容器循环一周之前呈螺旋状下降到涡流的底部。
根据流体动力学理论，流动的流体，可以有两种截然不同的方式运动，剪切速率较低时的层流方式和剪切速率足够大时的湍流方式。
雷诺数Re为2000通常作为一临界值来划分管道中的层流和湍流。
旋涡状的湍流有利于颜料浆的混合，但这只是未曾分散好的颜料浆的混合。
与此相反，层流虽然不能提供有效的混合，但是层流的拉力能够撕开颜料附聚块，达到有效的分散作用。
因此，为了保证高速分散工艺中颜料的有效分散，重要的是应获得颜料浆的层流状态。
按照流体运动方程式，雷诺数Re由式3-1确定
«SkipRecordIf...»（式3-1）
式中ρ——密度，g/cm3;
V——速，cm/s;
X——特征线性因次，cm,对于高速分散而言，为分散盘至容器底部的距离；
η——黏度，Pa.s。
要达到令人满意的分散效果，叶轮的圆周速率必须达到大约20m/s以上。
但是，过高的转速，也会造成液浆的飞溅和使圆盘叶轮过多的暴露而导致混入空气，无谓地增加了功率的消耗。
一般叶轮的最高圆周速度约为25~30m/s。
本设计分散釜中流体状态测试-雷诺数Re的测定：
«SkipRecordIf...»
假设KU=100的流体在进行，对应的黏度为125000MPa.s.通过计算该过程为层流状态，故该盘式高速分散釜设计符合要求，可使涂料达到理想的分散状态。
3.2设备参数
以某产品系列型号高速搅拌机为例，其主要技术参数如表4所示。
表4.高速搅拌机的技术参数
型号参数
TFJ-200
TFJ-250
TFJ-300
TFJ-350
TFJ-400
TFJ-450
主机功率（kW）
4~5.5
5.5~7.5
7.5~11
11~15
18.5~22
22~30
分散轴转（r/min）
125~1250
125~1250
125~12500
125~12500
125~12500
125~12500
分散轮直径（mm）
200
250
300
350
400
450
升降（mm）
0~1000
0~1000
0~1200
0~1200
0~1500
0~1500
泵功（kW）
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
重量（kg）
1500
1500
1800
1800
2200
2400
外形尺寸mm
A
1700
1700
2100
2100
2417
2417
B
1730
1730
2026
2060
2380
2480
C
800
800
930
930
1100
1200
佰鑫公司所用的TFJ-300调速分散机见附图1,其参数如表5所示：
表5.TFJ-300技术参数
最大转速
1200r/min
叶轮的直径
300mm
升降程
1100mm
安装高度
3300mm
电机功率
22kw
4涂料生产技术
4.1涂料配方原理
实际生产中,颜料在涂料中的含量极大地影响其性能，其用量可以用吸油量估计：
在100g颜料中，将亚麻油逐滴加入，并随时用刮刀混合，研磨，至最后可使全部颜料黏结在一起成球，若继续加入，则体系变稀，此时，所用油量为该颜料的吸油量（OA）：
OA=«SkipRecordIf...»
式中表明，达到吸油量时，意味着颜料表面吸满了油，颗粒间隙充满了油，此时若继续加入，则自然黏度便下降。
颜料体积浓度是指涂料中颜料和填料的体积与配方中所有非挥发组分（包括合成树脂乳液中的固体成分、颜料和填料等）的总体积之比，即：
«SkipRecordIf...»
要使涂料具有良好的光泽度、遮盖力、透过性和强度等性能，必须使颜料的含量达到干漆膜的临界PVC（即CPVC）：
CPVC=«SkipRecordIf...»
式中ρ为颜料的密度
93.5为亚麻油的密度
当PVC达到CPVC时，各种性能（包括漆膜密度、抗拉强度、附着力、孔隙率、渗透性、起泡性、着色力等）都有一个转折点。
当PVC增加时，漆膜内颜料体积分子表面的平滑度下降，因此光泽度下降，遮盖力增加。
当达到CPVC以后，若再增加，漆膜内就开始有空隙，此时，漆的透过性大大增加，因此，防腐性能明显下降，防污能力也变差。
由于漆膜里有空气，增加了光的散射，遮盖力迅速增加，着色力增加；但和强度有关的性能却因漆膜内出现了空隙而明显下降。
不同PVC的颜料充分利用于不同的表面上，故又采用PVC和CPVC比作为比体积浓度Δ：
Δ=«SkipRecordIf...»
在配方中应重视Δ，例如高质量有光汽车面漆、工业用漆和民用漆，其Δ值在0.1-0.5，半光的建筑用漆，Δ为0.6-0.8，而无光的内外墙涂料在1.0左右，天花板漆大于1.0，金属保护气底漆的Δ为0.75-0.90。
4.2配方设计
表6.设计BX-1水性外墙涂料新配方（以生产100kg计）
序号
物料名称
质量分数/%
用量
/kg
作用
厂家
备注
1
水
40
溶剂
2
乙二醇
0.2
0.2
抗冻剂，成膜助剂，延缓剂
黄山鲁京
3
PK－100
0.5
0.5
分散剂
中化建
4
OP－10
0.3
0.3
乳化剂
淄博良永
5
AMP－95
0.2
0.2
多功能助剂
美国TOWS
6
Hyonic436
0.1
0.1
润湿剂
普罗门
7
JLJ－6
0.3
0.3
消泡剂
上海富畦
8
金红石TiO2
18
18
颜料
9
重钙
32
32
惰性填料
建安镇江
10
有机膨润土
0.5
0.5
增稠剂
安吉宇宏
11
JLJ－6
0.1
0.1
消泡剂
上海富畦
浮动值
12
乳液
10
10
基料
江门天海
8~20％
13
JS—pph
0.2
0.2
成膜助剂
上海锦山
14
NordersC15
0.1
0.1
防腐剂
15
203流平剂
0.1
0.1
流变改性剂
长沙欧化
16
GC—2440
0.2
0.2
增稠剂
5物料衡算
5.1涂料体积浓度PVC计算：
«SkipRecordIf...»
5.2涂料干膜临界PVC（CPVC）计算：
«SkipRecordIf...»
5.3涂膜比体积浓度Δ计算:
«SkipRecordIf...»
通过计算得出结论,比体积浓度符合（内外墙涂料在1.0左右）指标,故可以按照设计进行生产。
6投产条件
机械设备：
见表3.
厂房面积：
200平方米的主厂房和30-40平方米的仓库及中控室
动力装置：
液压高真空泵一套、气泵、设备装机功率22千瓦
7投资与成本估算
7.1车间装置人员配置表
表7.
序号
职能名称
人员配置
小计
合计
1
生产工人
6
6
10
2
分析工人
1
1
3
维修工人
1
1
4
清洁工
1
1
5
管理员
1
1
7.2经济评价构建
资金流通示意图：
«SkipRecordIf...»
7.3成本估算
产品成本指工业企业生产某种产品所需费用的总称,即投资该产品所需的人力及物力总和的货币值，其可行性研究图示如下：
表8.成本估算表
序号
项目
计算方法
估值/万元
备注
1
原料及辅助材料,元/年
每吨产品消耗X单价X年产量
241
可变成本
2
公用工程,元/年
每吨产品消耗X单价X年产量
0.61
可变成本
可变成本小计
241.61
3
人工费用,元/年
直接生产工资
平均月工资X人数X12
14.4
固定资本
附加费用
成本总额的11%
58
固定资本
奖励费
直接生产工资的11%
1.584
固定资本
4
维修费
装置投资CBL的3~6%
0.96
固定资本
5
车间折旧
装置投资CBL的1%
0.32
固定资本
6
车间成本
1+2+3+4+5
258.87
固定资本
7
工厂折旧
（1+2+4+5）的1%
2.43
固定资本
8
企业管理费
车间成本的3~6%
7.77
固定资本
9
销售成本
销售费用
40
固定资本
10
工厂成本
1+2+3+4+5+6+7+8
527.97
固定资本
总成本
567.97
7.4市场预测
随着现代社会逐渐发展,中国经济的飞速前进，人民生活水平不断地提高，对居住条件要求越来越高，全国房地产业已经进入发展高涨时期，涂料的需求大幅度增长，同时人们对健康、环保意识不断加强，对劳动保护条例的进一步强化，水性涂料在整个涂料产量占据的比重越来越大，涉及建筑、船舶、机械工业等等，已经广泛被人们所认同、采纳和推广。
7.5项目效益和风险分析
该分析应根据宏观经济形势、政策、趋势、热点问题、环境变化及其对行业的影响等为主要研究内容，同时充分考虑涂料行业发展动态，行业消费特征，行业产品结构特征以及连锁效益等因素。
以下表是较常见的指标：
表.9
序号
竞争力评价
投资风险分析
其他
1
产品（品牌）竞争力
政策风险
2
价格竞争力
市场风险
3
销售竞争力
金融风险
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