4萬噸熱固酚醛樹脂生產(chǎn)設(shè)計

圖2.2所示：苯酚苯酚50℃進料20min蒸汽加熱反應(yīng)放熱保溫60min預(yù)聚體8蒸汽加熱反應(yīng)放熱保溫60min預(yù)聚體80～95℃預(yù)聚體60℃甲醛進料20min30min 30min 酚醛樹脂85酚醛樹脂85～95℃氨水進料10min冷卻冷卻加乙醇產(chǎn)品酚醛樹脂75℃酚醛樹脂75加乙醇產(chǎn)品酚醛樹脂75℃酚醛樹脂75℃真空脫水酚醛樹脂75℃20min30min180min20min30min180min圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12熱固性酚醛樹脂生產(chǎn)周期3工藝計算3.1設(shè)計任務(wù)1.設(shè)計題目：年產(chǎn)4萬噸堿法酚醛樹脂生產(chǎn)工藝設(shè)計2.主要設(shè)計參數(shù)：年運行時間：300天；每批生產(chǎn)時間：6h；聚合釜裝料系數(shù)：η=0.8聚合溫度：80-95℃3.原料：苯酚、甲醛、氨水、乙醇。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11生產(chǎn)熱固性酚醛樹脂的原料名稱分子式相對分子量純度苯酚C6H5OH9498%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，含雜質(zhì)）甲醛CH2O3037%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氨水NH4OH3525%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）乙醇C2H5OH95%（V/V）4.產(chǎn)品質(zhì)量：表3.2產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)固含量含水量游離酚氨的量為純酚75%＜8%＜2.5%1.5%3.2物料衡算本反應(yīng)中選用苯酚與甲醛的用量摩爾比為1：1.2比例混合，苯酚過量。當(dāng)兩種基團數(shù)不相等時，平均官能度（以甲醛的量計算）：f注：苯酚為官能度3，甲醛為官能度2，NA=1.2，NB=1，fA=2。故反應(yīng)程度：

Ρ=注：查資料得聚合度為2～12，取xn當(dāng)xn→∞時，臨界反應(yīng)程度即有Ρ<酚醛樹脂產(chǎn)品的固含量為：樹脂、游離酚、縮合水。因此m即有

m由生產(chǎn)任務(wù)書每生產(chǎn)一批6h，每天生產(chǎn)4批，每批產(chǎn)量為：m以此作為計算基準(zhǔn)。3.2.1聚合階段以1mol苯酚和1.2mol甲醛反應(yīng)為基準(zhǔn)，苯酚上有兩個氫原子參加反應(yīng)生成1個水分子，故固化時生成的縮合水量為：1.則有94×1+30×1.因為產(chǎn)品固含量為75%，所以所得產(chǎn)品質(zhì)量為：m參照產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：生產(chǎn)每批產(chǎn)品中的固含量為：m取游離酚含量為2.5%，則：mm=換算系數(shù)：

κ=故所需各物質(zhì)的進入量為：mmm含雜質(zhì)的苯酚的質(zhì)量：m苯酚中雜質(zhì)含量：m37%甲醛水溶液的質(zhì)量：

m甲醛水溶液中水的質(zhì)量：

m加入的NH4OH的質(zhì)量：

m氨水的質(zhì)量：

m氨水中水的質(zhì)量：

m樹脂水氨水雜質(zhì)樹脂水氨水雜質(zhì)游離酚甲醛（37%）氨水（25%）總進料量：m總出料量：m故m進=總水量：m表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12聚合階段總進出料物料衡算反應(yīng)前質(zhì)量/Kg反應(yīng)后質(zhì)量/Kg苯酚21760.115產(chǎn)品液24000.001甲醛22072.941苯酚中雜質(zhì)435.202氨水1279.496氨水1279.496游離酚833.333甲醛中水分13905.953縮合水4491.843總計45112.552總計45112.4953.2.2脫水階段由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)水含量<8%，取水含量為5%，則：

m 乙醇調(diào)稀階段脫水階段進料（含水） 水總調(diào)稀階段脫水階段 脫水乙醇的質(zhì)量：m查《化工原理》有：100%的乙醇密度為

ρ95%的乙醇溶液密度為

ρ100%的乙醇的體積為：

V95%的乙醇的體積為：

V95%的乙醇溶液中含水量為：

m則脫水量為：

m3.3.3調(diào)稀階段產(chǎn)品樹脂、水、游離酚95%的乙醇產(chǎn)品樹脂、水、游離酚 調(diào)稀階段水的衡算：m脫水后剩下的水量：m1水總3.3熱量衡算3.3.1計算基準(zhǔn)以20℃為溫度基準(zhǔn)，每批生產(chǎn)產(chǎn)品量33333.334kg為產(chǎn)品計算基準(zhǔn)。物性數(shù)據(jù)（查《物理化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊》有）：摩爾熱：苯酚CΡ=220.5J/mol?k樹脂CΡ=530.34J/mol?k氨C苯酚從20℃加熱到50℃所需熱量：Q1苯酚從50℃加熱到60℃所需熱量：Q2甲醛從20℃加熱到60℃所需熱量：Q3氨從20℃加熱到60℃所需熱量：Q4水（甲醛中和氨中的水）從20℃加熱到70℃所需熱量：Q5總熱量：QΙQ1由熱水池中熱水提供，即將裝有苯酚的容器放于60℃熱水中使苯酚受熱。Q2由反應(yīng)釜熱蒸汽加熱。3.3.2反應(yīng)熱（1）反應(yīng)熱根據(jù)鍵能的斷裂和生成進行估算，查得鍵能數(shù)據(jù)：C-H414.2（KJ/mol）C=O736.4（KJ/mol）C-C347.3（KJ/mol）O-H464.4（KJ/mol）該反應(yīng)以1mol苯酚與1.3mol甲醛反應(yīng)為計算基準(zhǔn)，可知，參加反應(yīng)的甲醛為1.100mol，斷裂了1.100molC=O；斷裂了2×1.100mol=2.200molC-H；生成1.100mol水，生成2.200molO-H；故有：QII總放熱：QIIQII（2）脫水階段反應(yīng)釜中的物料，保溫在75℃、真空條件下蒸發(fā)，查水蒸氣表得75℃下的汽化潛熱為：rpQ脫換熱器在熱傳遞過程中先要將75℃蒸汽冷卻凝結(jié)為75℃水，再使之冷卻為40℃的水。脫水后產(chǎn)品冷卻到50℃調(diào)稀，最后冷卻到40℃出料。用20℃的循環(huán)水冷卻，水溫升至30℃。Q查《化工原理》有：Cp水通過內(nèi)插法求得：Cp水t故：Q冷卻Q交換Q交換全部由冷凝換熱器帶走，可以求出冷凝換熱器所需要的冷卻循環(huán)水的量：W=Q其中t'=30+202=25℃，t'=25℃V4.設(shè)備計算與選型4.1反應(yīng)釜計算選型核定實際每批投料量：苯酚：21760.115Kgρ甲醛：22072.941Kgρ氨水溶液：1279.496KgρVV本次設(shè)計選取反應(yīng)釜的裝料系數(shù)η=0.8故需反應(yīng)釜的容積為：

V通過查閱文獻知：熱固性酚醛樹脂較多采用單設(shè)備法生產(chǎn)，為了實現(xiàn)合成過程的穩(wěn)定操作，熱固性酚醛樹脂反應(yīng)釜較小，一般為1～4m3。本設(shè)計年產(chǎn)量為4萬噸，數(shù)值較大，而反應(yīng)釜體積較小，所以本設(shè)計擬采用多釜完成年產(chǎn)4萬噸熱固性酚醛樹脂的生產(chǎn)任務(wù)。間歇操作周期：τΤ=6h需要反應(yīng)釜個數(shù)：53.0975反應(yīng)液體積：V反應(yīng)釜總體積為：V查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為0.131D3令：h為反應(yīng)釜直邊高度、H為反應(yīng)器釜體總高度，則：H=h+2×取HD=1.3,VD=參考資料此處按公稱尺寸選定釜體直徑為：D=1700mm=1.7m。釜體的直邊高度為：

h=反應(yīng)釜實際高度為：

H=h+2×根據(jù)封頭設(shè)計參數(shù)選取封頭直邊高度為50mm，釜體圓形直筒部分高度：1.338-2×0.05=1.238m反應(yīng)釜的實際體積：

V反應(yīng)釜的實際長徑比：H反應(yīng)釜最高液位：

h反應(yīng)釜最低液位：

h4.2夾套幾何尺寸計算（1）物性數(shù)據(jù)查《化工原理》物性數(shù)據(jù)表可得：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11物性數(shù)據(jù)水蒸氣（75℃）水（25℃）ρρ=996.95Kg/CCμμ=90.285×λλ=60.825×夾套直徑的確定參照夾套直徑與反應(yīng)釜內(nèi)徑關(guān)系，如夾套直徑D表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s12夾套直徑選取原則反應(yīng)釜內(nèi)徑D1夾套直徑D2500～600D1+50700～1800D1+1002000～3000D1+200夾套高度的確定HV封—下封頭容積，V1m（2）換熱量Q有14個反應(yīng)釜，所以配備14套U形夾套換熱器，每個換熱器換熱量為：QVVV（3）兩流體溫度差蒸汽：75℃（T1）→40℃（T2）冷卻水：30℃（t2）←20℃（t2）?t1?而P=t2查《化工原理》得：ψ則有：?根據(jù)兩流體情況，取傳熱系數(shù)為：K=60W/m換熱面積：F=（4）傳熱面積校核FF式中：F筒— F封— F1m—1 F—給定傳熱面積。F其中a=800mm=0.8m，b=400mm=0.4m，h=50mm=0.05m即FFFF即F表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s13聚合釜技術(shù)參數(shù)名稱參數(shù)公稱容積4000L公稱直徑1700mm釜高2.188m長徑比1.287計算容積3.793m3裝料系數(shù)η0.8容器內(nèi)公稱壓力PN0.37MPa夾套內(nèi)公稱壓力PN0.58MPa聚合釜材質(zhì)搪玻璃夾套直徑1800mm夾套高度1.054m夾套換熱面積8.6526m24.3貯存容器的選型假設(shè)容器存放1批的原料量：甲醛：

V氨水：

V乙醇：

V同樣假設(shè)容器能夠存放1批廢水量和產(chǎn)品量：廢水：V產(chǎn)品：V查《化工原理》有酚醛樹脂的密度為1250～1300Kg/m3，因為產(chǎn)品中含有一定的水分，則取密度為1200貯罐的裝料系數(shù)φ=75%~85%，取φ=85%，則有：V醛罐=V醇罐=V產(chǎn)品查《化工工藝設(shè)計手冊》選擇合適的貯存容器，具體如下：甲醛具有強的腐蝕性，容易發(fā)生聚合反應(yīng)，對貯罐材質(zhì)、保存溫度等有非常嚴(yán)苛的要求。本設(shè)計甲醛采用立式平底玻璃鋼儲罐，容積為24m3，罐子外側(cè)采用泡沫隔熱，內(nèi)壁用氯乙烯漆進行防腐處理。氨水選擇搪玻璃開式貯存容器，容積2000L；乙醇選用10000L搪玻璃閉式貯存容器；廢水選擇20000L搪玻璃臥式貯存容器；產(chǎn)品選用30000L搪玻璃臥式貯存容器。表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s14貯存容器規(guī)格原料容器類型公稱容積VN/L實際容積V/L公稱直徑D/mm氨水搪玻璃開式貯存容器200021791300乙醇搪玻璃閉式貯存容器10000廢水搪玻璃臥式貯存容器2000021791300產(chǎn)品搪玻璃臥式貯存容器300003250530004.4緩沖罐的選型設(shè)緩沖罐生產(chǎn)一批放一次水，則一次脫水體積為：V其裝料系數(shù)φ=60%~70%，取φ=70%，則有：V本次設(shè)計共采用14個反應(yīng)釜，為便于操作每個反應(yīng)器配備一個緩沖罐，則有：V查《化工工藝設(shè)計手冊》選擇容積為2000L搪玻璃開式貯存容器。4.5計量罐的選型此反應(yīng)為間歇反應(yīng)，計量罐裝載量為一批反應(yīng)生產(chǎn)使用量。每個反應(yīng)釜分別配備計量罐進行配料，故計量罐的裝料量為一批所需原料的1/14。甲醛：

V乙醇：

V氨水：

V計量罐裝料系數(shù)φ=60%~70%，取φ=70%，則有：VVV查《化工工藝設(shè)計手冊》選擇搪玻璃開式儲存容器作為計量罐，具體如下：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s15計量罐規(guī)格原料容器類型公稱容積VN/L實際容積V/L公稱直徑D/mm甲醛搪玻璃開式貯存容器200021791300乙醇搪玻璃開式貯存容器1000氨水搪玻璃開式貯存容器2002186004.6離心泵的選型查《化工原理》第四版得水及低粘度液體流速范圍為1.5～3.0m/s，涉及到的物料中乙醇、甲醛和氨水均為低粘度液體，取流速u=2m/s，所需乙醇為8.895m3，甲醛為20.344m3，氨水1.411m3。設(shè)在1h內(nèi)將乙醇和甲醛溶液打入高位槽，在5分鐘內(nèi)將全部氨水溶液打入高位槽，則有：Q由Q=uA=uπdddd離心泵型號選型原料型號進口/mm出口/mm流量（m3/h）揚程/m葉輪直徑/mm乙醇IH50-32-125503212.520125甲醛IH65-50-12565502520125氨水IH65-50-125655025201254.7管線選擇由于14個反應(yīng)釜，一次進料每批的1/14，令苯酚、乙醇、甲醛在20分鐘進料完畢，氨水10分鐘QQQQ選流速u=2m/s，則Q=uA=uπddddd查《化工原理》（P350）苯酚選內(nèi)徑為30mm的熱軋無縫鋼管，乙醇選內(nèi)徑為20mm的熱軋無縫鋼管，氨水選內(nèi)徑為12mm的熱軋無縫鋼管根據(jù)GB8163-87外徑壁厚選擇苯酚38mm4.0mm乙醇27mm3.0mm氨水18mm3mm查《化工原理》甲醛選取內(nèi)徑為30mm的不銹鋼冷拔無縫鋼管外徑壁厚選擇甲醛38mm4.0mm5非工藝設(shè)計5.1環(huán)境保護環(huán)保問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中不可忽視的重要部分，在進行工藝生產(chǎn)設(shè)計的同時，我們也要做到不破壞環(huán)境，考慮廢料的后處理，我們要積極運用新的技術(shù)成果，采用先進生產(chǎn)工藝，要摒棄嚴(yán)重污染環(huán)境的老舊生產(chǎn)方法，最大限度的減少化工生產(chǎn)過程中對環(huán)境造成的危害。實際生產(chǎn)之前，應(yīng)多次檢查系統(tǒng)有無泄漏。從整個工藝過程角度來看，即便系統(tǒng)少排或不排出三廢廢物，提高設(shè)備、管道的嚴(yán)密性以及減少系統(tǒng)物料的泄漏，也是十分必要的，因此無論是管道或設(shè)備，在設(shè)計制造、材料選擇以及操作使用、安裝維護、生產(chǎn)管理等各個環(huán)節(jié)，都應(yīng)密切重視，盡可能杜絕一切物料泄漏或物料誤入。整個工藝流程在三廢處理方面應(yīng)盡量做到不對環(huán)境的污染，在本設(shè)計中，采用傳統(tǒng)的酚醛樹脂生產(chǎn)工藝，以甲醛和苯酚為主要原料，在氨水催化作用下縮聚而成。本設(shè)計將最新的全自動操控技術(shù)運用于物料投料、出料的全過程，投料更加精確，既減少原料浪費又減少了原料對環(huán)境的污染。5.2廢物處理在此設(shè)計中，整個工藝流程里的三廢排放主要是廢水和廢氣：本次設(shè)計脫水階段廢水主要成分為苯和甲醛，反應(yīng)過程真空尾氣主要成分是游離酚、游離醛。本設(shè)計準(zhǔn)備利用苯酚與甲醛的反應(yīng)特性，