年產(chǎn)1.5萬噸TPU生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

PAGE23年產(chǎn)1.5萬噸TPU生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)以年產(chǎn)1.5萬噸TPU進(jìn)行生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)。首先對(duì)熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）的基本性能、化學(xué)性質(zhì)、外觀、產(chǎn)品應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，再對(duì)目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀、市場(chǎng)需求和供應(yīng)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和預(yù)測(cè)，結(jié)合目前一些優(yōu)秀企業(yè)的生產(chǎn)工藝和參考大量文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出了一種高效的TPU的生產(chǎn)工藝路線。選擇采用MDI、PBA和BDO為原料的雙螺桿法進(jìn)行生產(chǎn)，采用一步法連續(xù)聚合。本設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)工藝的過程、工藝條件、反應(yīng)機(jī)理等進(jìn)行了敘述，并根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝路線準(zhǔn)確繪制出了帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。同時(shí)科學(xué)地進(jìn)行了工藝過程的物料衡算，計(jì)算出原料配比，并結(jié)合了熱量衡算對(duì)本設(shè)計(jì)所使用到的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行選型，然后列出物料平衡表與熱量平衡表。其中設(shè)備工藝計(jì)算包括釜體的設(shè)計(jì)，攪拌裝置的設(shè)計(jì)，傳熱裝置的設(shè)計(jì)和雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)各部分的要求設(shè)計(jì)等。結(jié)合了以上的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出最安全，經(jīng)濟(jì)效益最高的工廠車間布置，包括了廠房的布置和車間設(shè)備的布置，并繪制出工廠的布局圖和車間設(shè)備的布置圖。最后整個(gè)設(shè)計(jì)所需的總投資成本做出初步核算，包括對(duì)原料、生產(chǎn)設(shè)備、人力和廠房的投資等所有費(fèi)用都做了計(jì)算，預(yù)算出本設(shè)計(jì)年產(chǎn)的1.5萬噸TPU所能夠帶來的利潤(rùn)。最后對(duì)排除的廢氣設(shè)計(jì)出處理方案。關(guān)鍵詞：熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）；雙螺桿法；一步法；連續(xù)聚合；ProductionprocessdesignofTPUwithanannualoutputof15000tonsAbstractThedesignisdesignedwithanannualproductioncapacityof15,000tonsofTPU.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目錄TOC\o"1-4"\h\u1緒論 11.1熱塑性聚氨酯彈性體及其化學(xué)式 11.2基本物理性能參數(shù)、外觀、化學(xué)性質(zhì) 11.2.1物理性能 11.2.2外觀特征 11.2.3化學(xué)性質(zhì) 11.3產(chǎn)品的應(yīng)用情況 21.3.1醫(yī)療衛(wèi)生 21.3.2鐵路及航空工業(yè) 21.3.3鞋底材料 21.3.4電線電纜 31.4生產(chǎn)企業(yè)資料 31.4.1年產(chǎn)量 31.4.2需求量 31.4.3供應(yīng)情況 31.5技術(shù)展望 41.6本設(shè)計(jì)的意義 42聚合工藝設(shè)計(jì) 52.1工藝路線、生產(chǎn)方法對(duì)比分析 52.1.1雙螺桿法和傳送帶法的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介 52.1.1.1雙螺桿法 52.1.1.2傳送帶法 62.1.2雙螺桿法與傳送帶法的生產(chǎn)工藝比較 62.2工藝過程 72.2.1原料配方表規(guī)格要求 72.2.2工藝參數(shù)表 92.2.3操作方式加料順序 92.2.4反應(yīng)終點(diǎn)控制 102.2.5工藝流程簡(jiǎn)圖 112.2.6工藝流程 112.2.6.1原料預(yù)處理 112.2.6.2設(shè)備清洗 122.2.6.3反應(yīng)擠出 122.2.6.4冷卻干燥 122.2.6.5造粒 122.3工藝控制影響因素分析 122.4分析與測(cè)試方法 132.5TPU彈性體合成中的主要反應(yīng) 142.5.1主反應(yīng) 142.5.2副反應(yīng) 143物料衡算 163.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 163.2物料平衡示意圖 183.3設(shè)備物料衡算 183.3.1V101的物料衡算 23.3.2R101的物料衡算 23.3.3V102的物料衡算 34熱量衡算 44.1熱量衡算計(jì)算方法和步驟 44.2各種熱量的計(jì)算 44.2.1物料開始反應(yīng)前的的熱量變化Q1 44.2.1.1R101的Q1 54.2.1.2R101的Q2 54.2.1.3R101的攪拌熱Q3 64.2.1.4R101的熱損失Q4 64.2.1.5總反應(yīng)熱QT 64.3R101熱量衡算表 65設(shè)備參數(shù)計(jì)算 75.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 75.2料罐的尺寸 75.2.1料罐A 75.2.1.1體積的計(jì)算 75.2.1.2儲(chǔ)料罐外形尺寸的設(shè)計(jì) 75.2.2料罐B 85.2.2.1體積的計(jì)算 85.2.2.2儲(chǔ)料罐形尺寸的設(shè)計(jì) 95.3儲(chǔ)料罐的其他參數(shù) 105.4澆注系統(tǒng) 105.5攪拌裝置的選型 105.5.1攪拌器的選型 105.5.2攪拌器轉(zhuǎn)速的選定 115.5.3攪拌器的直徑 115.6傳熱裝置的設(shè)置 115.6.1傳熱裝置的形式 115.6.2傳熱面積的計(jì)算 115.7雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī) 125.7.1擠出機(jī)的主要參數(shù) 126工廠布置設(shè)計(jì) 136.1工廠設(shè)計(jì)的內(nèi)容與規(guī)范 136.2廠址選擇的依據(jù)和原則 136.3車間廠房布置 146.3.1廠房形式的選擇 146.3.2廠房的輪廓 146.3.3廠房面積 146.3.4車間設(shè)備布置 156.3.5車間設(shè)備布置圖 157三廢處理 178成本核算 188.1電量成本 188.2水費(fèi)成本 188.3原料成本 188.4人力成本 188.5設(shè)備成本 188.6廠房成本 198.7總成本核算 198.8銷售單價(jià) 198.9總利潤(rùn) 199結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21謝辭 22附錄 231緒論1.1熱塑性聚氨酯彈性體及其化學(xué)式聚氨基甲酸酯（polyurethane），簡(jiǎn)稱聚氨酯（PU），是一種分子的主鏈上含有特征基團(tuán)氨基甲酸酯鍵（-NHCOO-）的嵌段共聚物，結(jié)構(gòu)式可表示為[-CO-NH-R-NH-COO-R-0-]n。微觀形態(tài)上的PU又相容的軟硬段兩相組成，硬段相是由合成它的擴(kuò)鏈劑和異氰酸酯組成，合成原料中的聚酯多元醇組成軟段相。合成原材料和生產(chǎn)條件的不同會(huì)改變聚氨酯材料的性能，不同種類之間也有很明顯的不同。因此設(shè)計(jì)和生產(chǎn)聚氨酯需要根據(jù)使用需求和性能設(shè)計(jì)材料的分子式和生產(chǎn)路線。熱塑性聚氨酯（thermoplasticpolyurethane），簡(jiǎn)稱TPU，分子鏈呈線性結(jié)構(gòu)。氫鍵作為物理交聯(lián)點(diǎn)，材料優(yōu)異的耐熱性能和力學(xué)性能性能取決于氫鍵的結(jié)合鍵。熱塑性聚氨酯彈性體優(yōu)異的耐油性能、耐老化性能和高強(qiáng)度、高模量正是由于TPU的分子鏈上存在著大量的氫鍵。這些氫鍵還有可逆的靜電作用。與傳統(tǒng)的澆注型聚氨酯相比，TPU有比其更多種的加工方式選擇，可用擠出、擠出、熔融、擠出、壓延和溶液加工等。優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能和多種加工方法使TPU具廣闊的應(yīng)用前景。在醫(yī)藥、化工、航天、國(guó)防、汽車等領(lǐng)域，TPU材料都發(fā)揮著其巨大的作用。聚氨酯材料也以其優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)等性能承擔(dān)著重任，得到廣泛的應(yīng)用。TPU材料的發(fā)展也取代了很多傳統(tǒng)材料，應(yīng)用效果非常好。1.2基本物理性能參數(shù)、外觀、化學(xué)性質(zhì)1.2.1物理性能聚酯TPU的密度通常為約1.2，聚醚TPU的密度在1.1至1.15之間，硬度范圍為60A至80D。聚醚TPU的密度在相同硬度下一般會(huì)低于聚酯TPU的密度。影響TPU密度的因素有：軟段種類；TPU的分子量；硬段或軟段含量和聚集狀態(tài)等。其抗拉強(qiáng)度一般在20MPa至60MPa之間；伸長(zhǎng)率在400％至800％之間。其它物理性能（如耐熱性，脆性，抗紫外線性等）則取決于不同的原材料。1.2.2外觀特征熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體呈現(xiàn)無色透明狀態(tài)。1.2.3化學(xué)性質(zhì)無毒無味，可溶于多種有機(jī)溶劑?？扇夹詮?qiáng)，燃燒時(shí)會(huì)微微冒煙。熱塑性TPU在受熱時(shí)會(huì)融化流動(dòng)，會(huì)散發(fā)出一股刺激性氣味氣體，產(chǎn)生可燃燒的熔滴。1.3產(chǎn)品的應(yīng)用情況1.3.1醫(yī)療衛(wèi)生與部分傳統(tǒng)材料相比，TPU具的物理性能、化學(xué)性能及表面性能（生物相容性，抗凝性）都要更加優(yōu)異。越來越得到生物醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，使用量也在逐年增張。目前在醫(yī)療衛(wèi)生的應(yīng)用主要為：（1）填充密封材料。一般在在人工腎臟中，作為固定內(nèi)部中空細(xì)絲束材料填充。（2）醫(yī)療儀器用品。冰敷袋、輸液管、外科手術(shù)用拉伸薄膜、粘性膠帶繃帶和創(chuàng)傷敷料等；（3）人造組織器官。血管、心臟、、皮膚、靜脈導(dǎo)管和腎臟等這些人造組織器官一般會(huì)應(yīng)用到TPU材料；從上述應(yīng)用上看，熱塑性聚氨酯材料在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的總體應(yīng)用規(guī)模并不是很大，且國(guó)內(nèi)還不能成熟地生產(chǎn)出高性能、高質(zhì)量的TPU產(chǎn)品，大部分TPU還需用通過進(jìn)口補(bǔ)給需求，這在一定程度上限制了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域上的發(fā)展。面對(duì)如此廣闊的應(yīng)用前景和可觀的需求量，國(guó)內(nèi)的工廠應(yīng)提高對(duì)熱塑性聚氨酯材料的重視程度，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)規(guī)模。1.3.2鐵路及航空工業(yè)軌道的綜合性能是鐵路運(yùn)輸中非常重要的部分，決定鐵路運(yùn)輸?shù)氖褂脡勖踩院突疖嚨男旭傂?。而軌枕墊板材料的選擇能最大程度地改善軌道的性能。據(jù)研究，采用TPU材料制成的軌枕墊板能在很大程度上減緩車輪對(duì)鋼軌和路基的沖擊壓力，在不改變其它條件下提升列車的行駛時(shí)度。而且TPU材料的高耐磨性也能夠降低損耗和維修更換頻率，大大降低了成本，讓新型TPU軌枕墊板具有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的安全性。在航空工業(yè)中，TPU材料發(fā)揮了強(qiáng)度高、耐低溫、重量輕、耐油等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于密封材料。例如，我國(guó)飛機(jī)攔阻網(wǎng)采用的就是TPU材料，其性能要高于國(guó)外機(jī)場(chǎng)尼龍攔阻網(wǎng)。1.3.3鞋底材料TPU材料具有較好的耐磨性和緩沖性，目前在制鞋行業(yè)主要用作鞋底材料。由TPU制成的微孔彈性體因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)，在相同的體積下具有較低的整體密度和較輕的質(zhì)量，并且氣孔的存在一定程度上增強(qiáng)了鞋底的柔韌性和柔軟性，受到了廣大制鞋廠商的喜愛。1.3.4電線電纜TPU材料具有良好的柔韌性，抗沖擊強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率，抗拉強(qiáng)度，耐高低溫性，基本上滿足了電線電纜保護(hù)套對(duì)所使用材料各個(gè)方面性能的要求。然而，由于傳統(tǒng)TPU材料的阻燃性較差，一般需要對(duì)TPU進(jìn)行改性，或是添加阻燃劑來提高其阻燃性。阻燃劑的類型一般選擇膨脹型阻燃劑，這樣，在改善TPU阻燃性的同時(shí)其抑煙性和消除熔滴等性能也能夠得到顯著提高。具有更好的機(jī)械性能和加工性能的阻燃性熱塑性聚氨酯材料將有望取代傳統(tǒng)的聚烯烴材料。具有阻燃性TPU制成的電線電纜防護(hù)材料，正在電線電纜領(lǐng)域中逐漸廣泛的被應(yīng)用。1.4生產(chǎn)企業(yè)資料1.4.1年產(chǎn)量國(guó)外：全球TPU市場(chǎng)目前主要集中在一些歐美國(guó)家和亞太地區(qū)，其中，中國(guó)的TPU年產(chǎn)量領(lǐng)先于其他國(guó)家和地區(qū)，也是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。從2013年到2017年，TPU全球的產(chǎn)量從2013年的58.58萬噸增加到了2017年的84.71萬噸。僅2018年上半年的產(chǎn)量就達(dá)到了44.05萬噸。國(guó)內(nèi)：廣東、浙江和山東是我國(guó)主要生產(chǎn)TPU的地區(qū)。其中，山東省占全國(guó)年產(chǎn)量的24.35%，浙江省占21.49%，廣東省則占19.61%，合計(jì)占了65%以上。1.4.2需求量2018年，全球?qū)崴苄跃郯滨椥泽w的需求量為114.2萬噸，總產(chǎn)量為116.7萬噸。中國(guó)總產(chǎn)量的產(chǎn)量就達(dá)到了43.65萬噸，是世界最大的TPU生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。1.4.3供應(yīng)情況目前我國(guó)生產(chǎn)TPU的企業(yè)包括萬華化學(xué)、華峰集團(tuán)、巴斯夫、美瑞、淄博華天等。其中萬華、華峰的產(chǎn)量在全國(guó)的TPU生產(chǎn)中所占比重最大，2018年市場(chǎng)份額均超20%，分別占比23%、21%。此外，巴斯夫、美瑞占15%，排名前四的制造商合計(jì)占比達(dá)59%。表1.12018年國(guó)內(nèi)TPU主要生產(chǎn)企業(yè)市場(chǎng)分額占比率企業(yè)名稱市場(chǎng)份額占比%萬華化學(xué)集團(tuán)有限公司23華峰集團(tuán)21巴斯夫股份公司8美瑞新材料股份有限公司7其它411.5技術(shù)展望TPU以其優(yōu)異的加工性能和物化性能被廣泛應(yīng)用在許多的領(lǐng)域。但值得注意的是，像許多聚合物材料一樣，TPU是一種非常易燃的材料。因此，目前TPU因其的較差的阻燃性能也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。從TPU開始流行應(yīng)用開始，因?yàn)槠渥枞夹圆畎l(fā)生的火災(zāi)，也提醒著我們不能因?yàn)槠渌矫娴膬?yōu)異表現(xiàn)而忽視這個(gè)安全問題。因此，科研和生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)PU的阻燃處理也一直在不斷地探索和突破。由于TPU結(jié)構(gòu)的原因，使其非常容易燃燒，在劇烈燃燒時(shí)會(huì)釋放出大量具有毒性的黑色氣體。若發(fā)生火災(zāi)的話TPU嚴(yán)重的熔滴滴落現(xiàn)象也會(huì)很大程度上加重火勢(shì)的蔓延。而TPU在生產(chǎn)對(duì)工藝條件要求特別高，加入阻燃劑的話可能會(huì)降低TPU原本具有的優(yōu)異的物化性能和力學(xué)性能。目前主要提高TPU阻燃性的方法一般有兩種：一種是物理添加阻燃劑。通過物理共混在TPU的生產(chǎn)過程中加入阻燃劑，使材料具有一定的阻燃性，這種方法是目前比較被廣泛應(yīng)用的方法，技術(shù)也相對(duì)比較成熟。另一種則是把能夠參與合成TPU的原材料引入到TPU的化學(xué)結(jié)構(gòu)中。一般情況下，在異氰酸酯鍵或聚醚上混入銻、鹵素等原子，這樣得到的TPU具有本質(zhì)阻燃的特性。磷氮系阻燃劑和無機(jī)金屬氧化物被比較廣泛地使用于提高TPU的阻燃性。一些無機(jī)阻燃劑如氫氧化鋁、硼酸鋅等，可以與磷系阻燃劑復(fù)配進(jìn)行應(yīng)用，也能直接應(yīng)用于TPU的無鹵阻燃。1.6本設(shè)計(jì)的意義目前中國(guó)的TPU產(chǎn)能和消費(fèi)雖然在全球占領(lǐng)著重要地位，但本國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的TPU產(chǎn)品仍然屬于比較基礎(chǔ)的階段，與國(guó)外的產(chǎn)品相比技術(shù)含量相對(duì)比較低。因此，我們很有必要通過對(duì)熱塑性聚氨酯彈性體材料的加速加大研究和改進(jìn)，來改變當(dāng)今世界上發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)高性能、低成本TPU的壟斷。本設(shè)計(jì)的目的在于利用對(duì)目前大多數(shù)的優(yōu)秀企業(yè)用的比較多的雙螺桿法進(jìn)行一些改進(jìn)，用一步法連續(xù)聚合，針對(duì)本設(shè)計(jì)采用的裝置及方法，用最科學(xué)、效益最高的原料配比、生產(chǎn)工藝、加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，生產(chǎn)出成本合適，經(jīng)濟(jì)效益高且能夠滿足國(guó)內(nèi)對(duì)進(jìn)口TPU材料的基本要求的產(chǎn)品。2聚合工藝設(shè)計(jì)2.1工藝路線、生產(chǎn)方法對(duì)比分析目前許多企業(yè)在用的，較為流行的工業(yè)生產(chǎn)TPU主要有兩種方法，傳送帶法和雙螺桿法。傳送帶法的過程為先將原料進(jìn)行配比混合后，澆注到傳送帶上（傳送帶必須帶有加熱系統(tǒng)），然后在烘道上熟化、再破碎，最后才進(jìn)行造粒得到制品。雙螺桿法一樣先將原料進(jìn)行配比混合,然后直接通過澆注機(jī)澆注到一定溫度的雙螺桿擠出機(jī)中反應(yīng)擠出，冷卻切粒后得到制品。這兩種方法都是連續(xù)聚合過程，均可在流水線上作業(yè)，是目前生產(chǎn)TPU的廠家主流用法，生產(chǎn)的效率高，產(chǎn)品TPU的質(zhì)量好。2.1.1雙螺桿法和傳送帶法的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介2.1.1.1雙螺桿法雙螺桿法是一種連續(xù)聚合反應(yīng)的工藝，生產(chǎn)流程圖如圖2.1所示。圖2.1雙螺桿法生產(chǎn)工藝流程圖1—聚酯化料罐；2—MDI化料罐；3—丁二醇化料罐；4—聚酯高位槽；5—MDI高位槽；6丁二醇高位槽7—聚酯計(jì)量罐；8—MDI計(jì)量罐；9—丁二醇計(jì)量罐；10—雙螺桿擠出機(jī)11—水下切粒機(jī)；12—冷水塔；13—干燥機(jī)；14—分級(jí)篩；15—貯料罐；16—自動(dòng)包裝機(jī)；17—貯水槽；18—側(cè)加料機(jī)；雙螺桿法的生產(chǎn)過程分為五個(gè)部分：①恒溫原料貯化系統(tǒng)；②混合系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)；③雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)；④水下切粒⑤產(chǎn)品后處理系統(tǒng)。圖2.1中7到9在實(shí)際的生產(chǎn)中可以用一臺(tái)澆注機(jī)完成。雙螺桿法的特點(diǎn)主要有：(1)雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)中的反應(yīng)壓力一般比較高，大約在4到7Mp，溫度大概在180到250℃，這樣的高溫高壓下能夠很好地抑制副反應(yīng)產(chǎn)生的氨基甲酸酯、氨和其它副產(chǎn)物。(2)在較高的反應(yīng)溫度下，TPU中含有相對(duì)分子質(zhì)量較低的齊聚物少。根據(jù)調(diào)查研究一些TPU廠家的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，用雙螺桿法合成的TPU中，相對(duì)分子質(zhì)量較低的齊聚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36％；而溶液聚合法產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0％，用溶液聚合除去溶劑后再擠出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8％。(3)雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)的捏合次數(shù)每秒能達(dá)到7到15次或以上，還能做到自洗，對(duì)物料的剪切效率高，可以防止大部分的硬節(jié)與凝膠粒子的產(chǎn)生。(4)生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，特別適用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。2.1.1.2傳送帶法傳送帶法生產(chǎn)TPU分為三個(gè)步驟：（1）先計(jì)量原材料，分別通過計(jì)量系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)，把原材料加入到高速混合器中攪拌；（2）將完成后的混合物連續(xù)排放到傳送帶上，傳送帶需帶有加熱系統(tǒng)，溫度大概在120℃，平均停留15分鐘；（3）用烘箱進(jìn)行熟化，然后經(jīng)過破碎機(jī)破碎，最后造粒得到TPU。2.1.2雙螺桿法與傳送帶法的生產(chǎn)工藝比較（1）傳送帶法物料和雙螺桿法不同的一點(diǎn)是，在進(jìn)入螺桿擠出機(jī)擠出之前，需要先在高速混合機(jī)攪拌后經(jīng)過傳送帶加熱、烘道熟化、破碎機(jī)破碎這些步驟，在生產(chǎn)流程上雙螺桿法與之相比較為簡(jiǎn)單；（2）雙螺桿法的反應(yīng)溫度要高于傳送帶法；（3）雙螺桿法的混合物在雙螺桿擠出反應(yīng)機(jī)中的平均停留時(shí)間要比傳送帶法中混合物在傳送帶上和烘道中的平均停留時(shí)間短。（4）傳送帶法主要是用來生產(chǎn)相對(duì)分子質(zhì)量分布要求窄的產(chǎn)品，適合小批量生產(chǎn)。而雙螺桿擠出法通常作為通用型、大批量產(chǎn)品生產(chǎn)使用。綜合以上對(duì)比，為簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，本設(shè)計(jì)采用雙螺桿法進(jìn)行生產(chǎn)TPU。2.2工藝過程2.2.1原料配方表規(guī)格要求表2.1原料配方表原料名稱規(guī)格生產(chǎn)單位聚己二酸1,4-丁二醇酯(PBA)Mn=2000，羥值53～59濟(jì)南宏明化學(xué)試劑有限公司4,4-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）NCO%=32.8%廣州昊毅化工科技有限公司1,4-丁二醇(BDO)工業(yè)品上海南木化工有限公司二氯甲烷N,N-二甲基甲酰胺(DMF)工業(yè)品工業(yè)品合肥新都化工有限公司山東信譽(yù)佳化工有限公司主要藥品性能:(1)4,4’-二苯基甲院二異氰酸酯(MDI)圖2.2MDI的結(jié)構(gòu)式MDI即4,4’-二苯基甲院二異氰酸酯，結(jié)構(gòu)式如圖2.2，主要的參數(shù)如圖2.2。MDI屬于芳香族二異氰酸酯,兩個(gè)異氰酸酯基團(tuán)(-NCO)直接連在兩個(gè)對(duì)稱的苯環(huán)上,它的反應(yīng)活性相比脂肪族二異氰酸醋而言更高,毒性小于脂肪族二異氰酸酯。MDI常溫下是固態(tài),蒸汽壓比較低,若在通風(fēng)比較差的地方使用MDI，或是在熔融狀態(tài)下使用,可能會(huì)刺激到接觸者的眼睛，皮膚過敏。所以生產(chǎn)車間必須保持空氣流通，并做好安全防護(hù)。表2.2MDI的主要指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)外觀白色或微黃色固體純度/%99.6分子量/g·mol-1250.25NCO含量/%33.6熔點(diǎn)/℃38密度/g·cm-3，50℃1.23水解氨/%0.005以下比熱容KJ(Kg/℃)1.38密度Kg/m31230摩爾質(zhì)量g/mol250.25(2)聚己二酸1,4-丁二醇酯(PBA)圖2.3PBA的結(jié)構(gòu)式PBA即聚己二酸1,4-丁二醇酯，結(jié)構(gòu)式如圖2.3，PBA屬于聚酯二元醇,它的分子鏈兩端帶有兩個(gè)羥基。由于PBA帶有酯基(-COO-)的原因使其吸水性很強(qiáng)。在熱塑性聚氨酯彈性體生產(chǎn)的過程中，體系中的H2O會(huì)和MDI發(fā)生副反應(yīng)（這個(gè)過程在下文的物料衡算會(huì)計(jì)算到），使得雙異氰酸酯基團(tuán)(-NCO)減少,如果有太多的水分參與反應(yīng)，會(huì)造成TPU的生產(chǎn)效率大大降低。所以保存PBA的保存容器一定得非常密閉，干燥，使用前也必須經(jīng)過抽真空，充氮?dú)夂娓?。PBA的主要指標(biāo)如下表所示。表2.3PBA的主要指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)外觀白色蠟狀固體分子量/g·mol-12000羥值/mgKOH·g-153~59酸值/mgKOH·g-10.1~0.8熔點(diǎn)/℃50~60粘度/cps，60℃1300水分/%0.03以下比熱容KJ(Kg/℃)2.35密度Kg/m3970數(shù)均分子量g/mol2000(3)1,4-丁二醇(BDO)圖2.4BDO的分子式BDO是合成熱塑性聚氨酯彈性體最常用的擴(kuò)鏈劑，毒性較大，生產(chǎn)時(shí)操作人員必須穿戴防護(hù)用具，謹(jǐn)防直接接觸到。皮膚有創(chuàng)傷者嚴(yán)禁與本品接觸。分子結(jié)構(gòu)如圖2.4，主要指標(biāo)見表2.4。表2.4BDO的主要指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)外觀無色油狀液體純度%99.5熔點(diǎn)℃17水分%0.4以下比熱容KJ(Kg/℃)2.2摩爾質(zhì)量g/mol90.12密度Kg/m310132.2.2工藝參數(shù)表工序工藝參數(shù)原料預(yù)處理溫度：70℃時(shí)間：6h（熔融4h+脫水2h）攪拌速度：110rpm設(shè)備清理清洗劑：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)二氯甲烷反應(yīng)擠出溫度：250℃操作方法連續(xù)聚合螺桿轉(zhuǎn)速：500rpm冷卻干燥時(shí)間：水冷槽停留1h切粒功率：TPU專用切粒機(jī)2.2.3操作方式加料順序操作方式：本設(shè)計(jì)采用的操作方式為一步法連續(xù)聚合。一步法具有不需要提前制備預(yù)聚體的優(yōu)點(diǎn)，只需把把原料按比例分別投加到儲(chǔ)料罐中，然后再通過澆注機(jī)混合澆注到雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)中反應(yīng)擠出，通過單次反應(yīng)制得TPU的合成方法。但由于除了MDI以外，其余兩種物料PBA和BDO的反應(yīng)活性存在較大的差異，一步法由于反應(yīng)速度更快，整個(gè)聚合的過程需要嚴(yán)格控制好反應(yīng)速度與反應(yīng)溫度，對(duì)生產(chǎn)條件和散熱條件的要求更高，所需的生產(chǎn)技術(shù)也更成熟。加料順序:原料間的填加存在著先后順序,具體為順序?yàn)椋合葘⑷廴诟稍锏腗DI投加到A料罐中攪拌，然后再往B料罐中加入熔融脫水的PBA、BDO和一些助劑，打開澆注機(jī)，在一定的混合速率和溫度下經(jīng)過混合頭緩慢澆注到雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)中，在螺桿的攪拌效率極其高時(shí)加入催化劑辛酸錫鹽。2.2.4反應(yīng)終點(diǎn)控制在整個(gè)工藝流程中，需要對(duì)每一個(gè)部分的溫度嚴(yán)格控制，否則都將影響流體的粘度變化，若流體的粘度變化過大，則會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。因此，控制好一個(gè)在機(jī)筒內(nèi)的聯(lián)結(jié)的逐漸加熱或逐漸制冷裝置尤為重要。在原料開始反應(yīng)前設(shè)置一個(gè)從70℃升高到180℃的溫度梯度，在混合反應(yīng)開始時(shí)的溫度是180℃。在合成發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)放出大量熱量，因此，在生產(chǎn)時(shí)必須控制好混合區(qū)上的冷卻裝置，把溫度控制在250℃，擠出段的出口也在250℃左右。2.2.5工藝流程簡(jiǎn)圖圖2.5工藝流程簡(jiǎn)圖2.2.6工藝流程工藝流程分為五個(gè)部分：原料預(yù)處理、設(shè)備清洗、反應(yīng)擠出、冷卻干燥、造粒。2.2.6.1原料預(yù)處理由于MDI在常溫下容易發(fā)生自聚反應(yīng)，必須在-10℃下保存。生產(chǎn)開始之前，先將MDI從冷藏室中取出，放入70℃的烘箱中熔融，此過程持續(xù)約四個(gè)小時(shí)。將完全熔融后的MDI加入到A組分物料罐，啟動(dòng)A組分物料罐的攪拌槳和加熱裝置，溫度控制在70℃。并進(jìn)行抽真空-充氮?dú)猓诉^程是為了除干原料中的水分，減少M(fèi)DI與水發(fā)生的副反應(yīng)影響產(chǎn)品質(zhì)量，此步驟重復(fù)三次；BDO是常溫儲(chǔ)存在擴(kuò)鏈劑瓶中的。生產(chǎn)開始前加熱到70℃，用油泵抽真空脫水，這兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，需要兩個(gè)小時(shí)；PBA為常溫下儲(chǔ)存。操作方法與MDI類似，將原料放入70℃的烘箱中熔融，此過程持續(xù)約四個(gè)小時(shí)；熔融后將其與BDO按比例混合，加入到B組分物料罐。啟動(dòng)B組分物料罐的攪拌槳和加熱裝置，溫度控制在70℃，并進(jìn)行抽真空-充氮?dú)?，重?fù)三次。2.2.6.2設(shè)備清洗為防止管路被一些固體雜質(zhì)堵塞，需先用DMF清洗混合頭，并用二氯甲烷清洗澆注機(jī)管路等部件。A、B組分的兩個(gè)計(jì)量泵進(jìn)行校準(zhǔn)，確保計(jì)量準(zhǔn)確無誤差。設(shè)定好混合頭和雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)每個(gè)階段的溫度。待溫度上升至預(yù)設(shè)值并預(yù)熱了一段時(shí)間再清洗螺桿，方法是將聚丙烯（PP）顆粒加入到雙螺桿擠出機(jī)中，直到擠出的聚丙烯沒有雜質(zhì)。2.2.6.3反應(yīng)擠出先設(shè)置好A、B組分的流量比，然后打開混合頭和澆注機(jī)，開啟雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)，啟動(dòng)A、B組分計(jì)量泵，控制比例準(zhǔn)確。流量平穩(wěn)。一般情況下，在混合區(qū)的攪拌效率達(dá)到峰值，這個(gè)時(shí)候加入催化劑辛酸錫鹽，加入的份額為PBA質(zhì)量的0.01%。反應(yīng)將在幾分鐘內(nèi)完成。澆注機(jī)與擠出機(jī)的連接處的原料混合物的形態(tài)必須時(shí)刻觀察。2.2.6.4冷卻干燥當(dāng)擠出的產(chǎn)品為條狀形態(tài)且穩(wěn)定以后，將其引導(dǎo)進(jìn)入冷卻水槽，用冷卻機(jī)進(jìn)行干燥。2.2.6.5造粒將干燥完成后的條狀TPU產(chǎn)品牽引入TPU專用切粒機(jī)進(jìn)行粒機(jī)裝袋。2.3工藝控制影響因素分析(1)加熱裝置的分布對(duì)工藝流程的影響。每個(gè)區(qū)域的加熱裝置必須獨(dú)立，才能控制物料流經(jīng)各個(gè)區(qū)域時(shí)所需的溫度，負(fù)責(zé)會(huì)造成流體黏度不均，使得產(chǎn)物質(zhì)量下降甚至影響產(chǎn)量。所以必須要非常精確地控制每個(gè)階段混合物的反應(yīng)溫度。很多區(qū)域都得分成許多個(gè)小部分，分別設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，這樣才能更加準(zhǔn)確、獨(dú)立、嚴(yán)格按照要求來加熱或冷卻，控制溫度。(2)造成管道堵塞的因素分析。MDI的熔點(diǎn)為38℃，在常溫下是固態(tài)，且非常容易和水發(fā)生反應(yīng)引起變質(zhì)，并生成一些固態(tài)物質(zhì)。若保存不好同時(shí)還會(huì)發(fā)生自聚反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為二聚體或高分子聚合物的固體雜質(zhì)，引起管道、熔體計(jì)量泵和澆注系統(tǒng)的堵塞，最終造成生產(chǎn)設(shè)備停止工作。在工業(yè)生產(chǎn)中無法100%保證MDI不發(fā)生以上副反應(yīng)，只能盡量減少副反應(yīng)的發(fā)生，或者針對(duì)堵塞問題對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，除了以上方法，平時(shí)還必須定期維護(hù)設(shè)備。具體的方法可以在將MDI加入A組分儲(chǔ)料罐之前通過稱重或目測(cè)的方法判斷MDI是否變質(zhì)，或是在原料熔融后，觀察流體中是否存在一些白色的雜質(zhì)；定期用二氯甲烷清洗管路要注意的是，必須讓二氯甲烷充滿管路確保暢通。(3)攪拌不夠充分對(duì)產(chǎn)品的影響在雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)中攪拌混合一定要充分，使產(chǎn)品質(zhì)量均勻。這一步切記要在混合區(qū)中，也就是在儲(chǔ)料罐中就經(jīng)過充分的攪拌，混合頭的混合也要充分混合。若產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，催化效果也不均就會(huì)最終導(dǎo)致反應(yīng)程度不均一。混合區(qū)攪拌不充分同時(shí)也會(huì)使得反應(yīng)物出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。(4)混合頭溫度控制混合頭需安裝單獨(dú)的溫度控制，把溫度控制在180℃左右，以確保AB兩個(gè)組分在混合時(shí)混合充分但不會(huì)開始反應(yīng)。如果混合頭溫度設(shè)定太高，會(huì)降低混合物進(jìn)入雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)后受到的剪切混合效果。如果混合頭溫度設(shè)定太低，可能會(huì)使得物料凝固，無法進(jìn)入雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)。(5)管路加熱保溫MDI、PBA常溫下是固體，如果體系的保溫性能較差或達(dá)不到指標(biāo)，體系溫度變低使反應(yīng)物凝固，也會(huì)堵塞管路。2.4分析與測(cè)試方法檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)試方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)號(hào)水含量測(cè)試水含量的測(cè)定準(zhǔn)確程度嚴(yán)重影響后續(xù)反應(yīng)是否存在較多副反應(yīng)的發(fā)生,因此測(cè)試過程須完全按照多元醇水分含量測(cè)試方法執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。GB/T6283-2008NCO含量測(cè)試對(duì)制得的預(yù)聚體進(jìn)行取樣后,采用二正丁胺-鹽酸法滴定預(yù)聚體中的-NCO%,判斷是否達(dá)到預(yù)期值。GB/T3186-2006力學(xué)拉伸性能測(cè)試將樣片用裁刀進(jìn)行裁樣后,在500±50mm/min的拉伸速率下測(cè)試材料的力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率)。GB/T528-2009硬度測(cè)試使用邵氏A硬度計(jì)進(jìn)行材料表面的硬度測(cè)試,在外力達(dá)到10N左右時(shí)1s內(nèi)讀數(shù),邵氏硬度測(cè)試。GB/T531.1-2008檢測(cè)測(cè)試方法結(jié)果分析紅外測(cè)試進(jìn)行紅外光譜掃描,得到譜圖。測(cè)試條件為:掃描32次,分辨率為4cm-1,光譜范圍在4000~400cm-1MAGNA-IR750傅立葉變換紅外光譜儀吸水率測(cè)試將TPU放入60°C烘箱中,干燥3h至恒重,稱重為m1,室溫下浸泡在去離子水中,浸泡較長(zhǎng)時(shí)間,在不同時(shí)間點(diǎn)取出,吸干PUE表面水分,稱重為1112,計(jì)算吸水率A。A=力學(xué)性能保持率測(cè)試在恒溫80℃的去離子水中，將TPU樣片裁剪成啞鈴型的樣條放入,去除TPU樣片放入烘箱中，溫度控制在70℃，干燥兩個(gè)小時(shí)，室溫放置一天后進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試。沒在去離子水中浸泡過的伸強(qiáng)度為SO,浸泡一定時(shí)間后拉伸強(qiáng)度為St,計(jì)算拉伸強(qiáng)度保持率B。B=熱失重(TG)測(cè)試裁取樣品3~5mg,進(jìn)行TG測(cè)試。測(cè)試條件:溫度測(cè)試范圍為25°C~700°C，升溫速率為10°C/min,氮?dú)鈿夥?氮?dú)饬髁?10ml/min。德國(guó)耐持TG209C熱失重儀2.5TPU彈性體合成中的主要反應(yīng)2.5.1主反應(yīng)2.5主反應(yīng)方程式2.5.2副反應(yīng)在TPU的合成反應(yīng)中,除了以上的主反應(yīng)外,有很多其它的因素產(chǎn)生的水分會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程在發(fā)生副反應(yīng)。可能是環(huán)境的濕度、溫度、脫水不充分或者反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)等等。這些因素產(chǎn)生的水分子都會(huì)和MDI進(jìn)行反應(yīng),生成氨基甲酸酯、氨和二氧化碳，這些氨基甲酸酯還會(huì)再與MDI反應(yīng),具體反應(yīng)式如下圖所示:圖2.6異氰酸酯與水反應(yīng)方程式圖2.7異氰酸酯與氨基甲酸酯反應(yīng)方程式3物料衡算3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品名稱：熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）；年工作天數(shù)：330天；每日工作時(shí)間：24小時(shí)連續(xù)操作；生產(chǎn)能力：年產(chǎn)15000噸；每天生產(chǎn)量：45454.55Kg/d；每天每小時(shí)生產(chǎn)：(后處理中聚合物損失5%)熔融工序：該過程產(chǎn)品的收率為100%；反應(yīng)工序：原料MDI（含量99.6%）、BDO（含量99.5%），PBA視為純物質(zhì)；配料比例：MDI（250.25）:PBA（2000）:BDO（90.12）=2:1:1TPU（數(shù)均分子量Mn=19800）計(jì)算基準(zhǔn)：物料衡算以批為計(jì)算基準(zhǔn)，單位為Kg/h。物料衡算過程：V101中為M1（PBA）和擴(kuò)鏈劑M2（BDO）混合，該過程沒有物料損失，收率為100%。反應(yīng)釜（雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)）中的物料衡算：主反應(yīng)：3.1主反應(yīng)方程式生成的產(chǎn)物TPU的產(chǎn)量M7為1993.62Kg/hMDI的投料量為：PBA的投料量為：BDO的投料量為：MDI的折純量為：PBA的折純量為：BDO的折純量為：該反應(yīng)的收率為92%，有8%的MDI與水反應(yīng),與氨基甲酸酯反應(yīng)：圖3.2異氰酸酯與水反應(yīng)方程式圖3.3異氰酸酯與氨基甲酸酯反應(yīng)方程式則MDI的投加量為：參加副反應(yīng)的MDI的量：生成的副產(chǎn)物氨和氨基甲酸酯的相對(duì)分子質(zhì)量為:766.36生成的二氧化碳相對(duì)分子質(zhì)量為:44則副產(chǎn)物氨和氨基甲酸酯：副產(chǎn)物二氧化碳為：副反應(yīng)參加的水為：3.2物料平衡示意圖M1為熔融的PBAM6為副反應(yīng)產(chǎn)生的氨和氨基甲酸酯M2為熔融的擴(kuò)鏈劑BDOM7為反應(yīng)釜擠出的TPUM3為熔融的MDIM8為后處理（干燥切粒）后損失的物料M4為MDI、PBA與BDO的混合物M9為最終產(chǎn)品M5為副反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳M10為副反應(yīng)中參加的水3.3設(shè)備物料衡算由于儲(chǔ)料罐A、B中物料只進(jìn)行混合，未發(fā)生反應(yīng)，為方便計(jì)算，將其為一個(gè)釜，即V101，將反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)視為R101，切粒機(jī)則視為V102。3.3.1V101的物料衡算M1為熔融的PBA投料量：1539.11Kg/hM2為熔融的擴(kuò)鏈劑BDO投料量：69.70Kg/hM3熔融的MDI投料量:420.34Kg/hM4為MDI、PBA與BDO的混合物：3.3.2R101的物料衡算M4為MDI、PBA與BDO的混合物：1608.81Kg/hM5副反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳:1.97Kg/hM16副反應(yīng)產(chǎn)生的氨和氨基甲酸酯:34.37Kg/hM7反應(yīng)釜擠出的TPU:1993.62Kg/hM10副反應(yīng)中參加的水：0.81Kg/h3.3.3V102的物料衡算M7反應(yīng)釜擠出的TPU:1993.62Kg/hM8為后處理（干燥切粒）后損失的物料:M9最終產(chǎn)品TPU:全物料衡算表3.1全物料衡算物流號(hào)PBABDOMDICO2H2O氨和氨基甲酸酯TPU總計(jì)M11539.111539.11M269.7069.70M3420.34420.34M51.971.97M634.3734.62M899.6899.68M91893.941893.94M100.810.814熱量衡算4.1熱量衡算計(jì)算方法和步驟根據(jù)熱量平衡依據(jù)：進(jìn)釜的熱量等于出釜的熱量，各種熱量之間的平衡關(guān)系可用熱平衡方程來表示：式中：QT：設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)物料與外界交換熱量的總和，KJ；Q1：由于物料溫度變化，系統(tǒng)與外界交換的熱量，KJ；Q2：由于物料發(fā)生各種變化（化學(xué)反應(yīng)，相變，溶解等），系統(tǒng)與外界交換的熱量，KJ；Q3：由于攪拌器的攪拌作用所產(chǎn)生的熱量，KJ；Q4：設(shè)備向外界環(huán)境散失的熱量，KJ。4.2各種熱量的計(jì)算4.2.1物料開始反應(yīng)前的的熱量變化Q1物料從70℃升溫到250℃，由熱量轉(zhuǎn)換關(guān)系得熱平衡方程式：式中表示qm1：物料單體質(zhì)量流量；Qm2：換熱物質(zhì)質(zhì)量流量；C1：物料平均比熱容；C2：換熱物質(zhì)比熱容；T1、T2：換熱物質(zhì)溫度前后變化；t1、t2：物料單體溫度前后變化。儲(chǔ)料罐A中的MDI在進(jìn)入之前是由烘箱從-10℃加熱到70℃熔融狀態(tài)，儲(chǔ)料罐B中的PBA、BDO同樣在進(jìn)入前由烘箱從室溫加熱到70℃熔融狀態(tài)，所以在AB罐中沒有發(fā)生能量的交換，但由于本工藝設(shè)計(jì)是采用逐漸升溫的方法控制反應(yīng)的進(jìn)行，在進(jìn)入混合頭時(shí)混合物料被逐漸加熱至180℃，所以我們把此過程當(dāng)做一個(gè)加熱釜R101進(jìn)行衡算。表4.1R101中的物料信息表物料MDIPBABDOTPU質(zhì)量Kg/h386.711539.1169.701993.63比熱容KJ/(Kg·℃)1.382.352.22.384.2.1.1R101的Q1因?yàn)镸DI、PBA、BDO由初始溫度為70℃升溫至180℃，△T=110℃。綜上，R101物料在開始聚合反應(yīng)前的熱量變化：4.2.1.2R101的Q2①主反應(yīng)化學(xué)方程式為：合成TPU的反應(yīng)是羥基和氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，生成帶有氨酯鍵的聚合過程。表4.2鍵能信息表化學(xué)鍵O-HC-ON-HC-NC=OC=N鍵能（KJ/mol）464358389305728615合成TPU的反應(yīng)是羥基和氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，生成帶有氨酯鍵的聚合過程。鍵能變化為TPU：MDI：PBA：BDO：4.2.1.3R101的攪拌熱Q3根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，攪拌熱是聚合反應(yīng)熱的5%，則：因?yàn)槭欠艧嶙饔?，所以Q3為負(fù)值，4.2.1.4R101的熱損失Q4在本設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取熱損失為總傳熱的10%，則：4.2.1.5總反應(yīng)熱QT4.3R101熱量衡算表Q1Q2Q3Q4QT478544.055KJ-6001721.98KJ-3357655.24KJ582326.40KJ-5240937.62KJ5設(shè)備參數(shù)計(jì)算5.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表5.1物料的基本參數(shù)物料MDIPBABDO進(jìn)料量Kg/h420.341539.1169.35密度Kg/m312309701013表5.2標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭直邊高度與直徑的關(guān)系設(shè)備直徑/mm3300、350400、450500～22002200～3200＞3200直邊高度/mm2525、4025、40、5040、50505.2料罐的尺寸5.2.1料罐A5.2.1.1體積的計(jì)算熔融MDI密度：進(jìn)料量：體積收縮系數(shù)：反應(yīng)器裝料系數(shù)；本設(shè)計(jì)為連續(xù)聚合工藝。MDI填充需要預(yù)先在烘箱中進(jìn)行加熱、熔化和脫水處理。這個(gè)過程大約需要6個(gè)小時(shí)。料罐A可設(shè)計(jì)為18h所填加MDI的容量。反應(yīng)液體積：反應(yīng)器總體積：5.2.1.2儲(chǔ)料罐外形尺寸的設(shè)計(jì)由于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，封頭的強(qiáng)度相當(dāng)于與之相連的筒體的強(qiáng)度，且本設(shè)計(jì)中反應(yīng)物的粘度不是很高，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。相關(guān)參數(shù)：，取h為釜體直邊高度、H為反應(yīng)器釜體總高度，則：若取，則有：所以直徑D：A組分儲(chǔ)料罐屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但用于制造該反應(yīng)器的上、下封頭仍為標(biāo)準(zhǔn)封頭，所以根據(jù)標(biāo)稱的尺寸，儲(chǔ)料罐的直徑選擇為2m。釜體的直邊高度為：釜體的實(shí)際高度為：對(duì)照表5.2可得，封頭直邊高度為40mm則釜體圓形直管部分高度為：反應(yīng)器實(shí)際體積：實(shí)際最高液位：最低液位：5.2.2料罐B5.2.2.1體積的計(jì)算熔融PBA密度:熔融BDO密度:混合液密度:進(jìn)料量：體積收縮系數(shù)：反應(yīng)器裝料系數(shù)；本設(shè)計(jì)為連續(xù)聚合過程，MDI的填加需要預(yù)先在烘箱進(jìn)行加熱熔融和脫水的處理，這個(gè)過程大約需要6個(gè)小時(shí)，儲(chǔ)料罐B可設(shè)計(jì)為6h所填加混合物的容量。反應(yīng)液體積：反應(yīng)器總體積：5.2.2.2儲(chǔ)料罐形尺寸的設(shè)計(jì)由于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，封頭的強(qiáng)度相當(dāng)于與之相連的筒體的強(qiáng)度，且本設(shè)計(jì)中反應(yīng)物的粘度不是很高，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。相關(guān)參數(shù)：，取h為釜體直邊高度、H為反應(yīng)器釜體總高度，則：若取，則有：所以1.直徑D：A組分儲(chǔ)料罐屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但用于制造該反應(yīng)器的上、下封頭仍為標(biāo)準(zhǔn)封頭，所以根據(jù)標(biāo)稱的尺寸，儲(chǔ)料罐的直徑選擇為2.3m。釜體的直邊高度為：釜體的實(shí)際高度為：對(duì)照表5.2可得，封頭直邊高度為50mm則釜體圓形直管部分高度為：反應(yīng)器實(shí)際體積：實(shí)際最高液位：最低液位：5.3儲(chǔ)料罐的其他參數(shù)1.設(shè)有真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。2.罐體為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽具有防銹功能。對(duì)內(nèi)壁表面進(jìn)行處理以減少表面摩擦。加熱方式為導(dǎo)熱油夾套。3.最外層要包有泡沫塑料隔熱層，并配置精密軸封，確保其氣密性。還配備備視鏡、加料口、真空、氮?dú)饪凇?.熔體計(jì)量泵采用不銹鋼制造。5.4澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)要配備以下的部件：流量計(jì)、熔體計(jì)量泵、澆注頭和電氣控制系統(tǒng)。雙組分高溫型的澆注頭要求能夠變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)速在每分鐘3000~5000轉(zhuǎn)之間。5.5攪拌裝置的選型5.5.1攪拌器的選型表5.3常用攪拌形式的使用范圍型式攪拌容m3液體粘度CP轉(zhuǎn)速rpm流型平直葉槳式0.1~100<500001~100徑向流平直葉渦輪式0.1~50<5000010~300徑向流推進(jìn)式1~400<104100~1500軸向流選擇攪拌器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：確保從儲(chǔ)料罐壁或者浸入式熱交換裝置到混合原料的傳熱系數(shù)比較高。攪拌的效率高，對(duì)于多相的反應(yīng)尤為合適。應(yīng)該盡可能減少攪拌所需要消耗的能量基于以上考慮，本設(shè)計(jì)最終采用平直葉渦輪式攪拌器。5.5.2攪拌器轉(zhuǎn)速的選定物料的粘度不算很高。根據(jù)一些優(yōu)秀廠家的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，攪拌器轉(zhuǎn)速的選定一般在80~120r/min的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)最終選定110r/min為攪拌器的轉(zhuǎn)速。5.5.3攪拌器的直徑平直葉槳式攪拌器的槳徑釜徑比(）通常情況下在0.35至0.90之間若取計(jì)算得：儲(chǔ)料罐A的槳徑儲(chǔ)料罐B的槳徑5.6傳熱裝置的設(shè)置5.6.1傳熱裝置的形式本設(shè)計(jì)經(jīng)過多次的升溫、恒溫和降溫。選用最常見的夾套型式：半包式夾套。還可增加傳熱介質(zhì)在夾套的流速，使傳熱效果顯著的增加，并且能使釜壁溫度分布更加均勻，選擇在夾套里設(shè)置一個(gè)螺旋導(dǎo)流板。5.6.2傳熱面積的計(jì)算表5.4夾套的直徑和內(nèi)釜體直徑的關(guān)系釜體內(nèi)直徑/mm500-600700-18002000-3000夾套直徑/mmD+50D+100D+200儲(chǔ)料罐A釜內(nèi)徑D=2m；釜體直邊高度=1.78m；封頭側(cè)面積=0.131D3=1.048m2；封頭高度=D/4=0.5m；封頭直邊高度=0.04m；釜體實(shí)際高度=2.78m；最高液位hmax=2.12m；最低液位hmin=1.23m；傳熱過程夾套側(cè)面高度L=hmax-h封=2.12-0.5=1.72m，則夾套側(cè)面積S1=πr2L=3.14×(2÷2)2×1.62=5.09m2通過查閱資料可知標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭側(cè)面積S2=0.131D3=1.048m2所以得A料罐總傳熱面積S=S1+S2=5.09+1.048=6.13m2儲(chǔ)料罐B釜內(nèi)徑D=2.3m；釜體直邊高度=2.66m；封頭側(cè)面積=0.131D3=1.59m2；封頭高度=D/4=0.575m；封頭直邊高度=0.05m；釜體實(shí)際高度=3.81m；最高液位hmax=2.80m；最低液位hmin=2.32m；傳熱過程夾套側(cè)面高度L=hmax-h封=2.80-0.575=2.225m，則夾套側(cè)面積S1=πr2L=3.14×(2.3÷2)2×1.62=6.73m2通過查閱資料可知標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭側(cè)面積S2=0.131D3=1.59m2所以得B料罐總傳熱面積S=S1+S2=6.73+1.59=8.32m25.7雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)雙螺桿反應(yīng)擠出機(jī)分為以下六個(gè)系統(tǒng):螺桿、主機(jī)筒體、電機(jī)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、減速機(jī)系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。5.7.1擠出機(jī)的主要參數(shù)表5.5擠出機(jī)各部分參數(shù)系統(tǒng)名稱主要參數(shù)螺桿長(zhǎng)徑比為52:1的同向雙頭螺紋嚙合型螺桿；轉(zhuǎn)速500rpm；材質(zhì)氮化鋼(38CrMoAlA)；螺紋元件的組合方式為枳木式組合（包括一根芯軸和各種螺紋元件）主機(jī)筒體內(nèi)置保溫層的整體不銹鋼外罩電機(jī)采用變頻調(diào)速器真空系統(tǒng)采用水環(huán)真空泵；管路選擇大口徑；真空室；真空表；調(diào)節(jié)閥等加熱系統(tǒng)采用鑄鋁材料主機(jī)系統(tǒng)軟水循環(huán)冷凝系統(tǒng)(電磁閥、手動(dòng)閥、水壓表、冷卻器等)減速箱系統(tǒng)采用硬齒面齒輪傳動(dòng)，進(jìn)口油封；軸承及齒輪傳動(dòng)均采用強(qiáng)制潤(rùn)滑；外部冷卻系統(tǒng)為潤(rùn)滑油冷卻回路；配有CB型齒輪油泵；配有油壓表和冷卻器；擠壓系統(tǒng)材料為40CrNiMo（調(diào)質(zhì)處理硬度為HB280-300）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)使用型鋼整體加強(qiáng)；配機(jī)床避振調(diào)整墊6工廠布置設(shè)計(jì)6.1工廠設(shè)計(jì)的內(nèi)容與規(guī)范本設(shè)計(jì)的工廠布置也相當(dāng)?shù)闹匾?，工廠布置的合理性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：成本、經(jīng)濟(jì)效益、施工、安裝、生產(chǎn)、便利、管理和安全。按照一般生產(chǎn)廠家的做法，工廠的布局分為工廠布局和車間布局。相類似工廠布局包括以下幾個(gè)方面：各種物料的投入、生產(chǎn)設(shè)備的布局和工廠內(nèi)人員的分配等。結(jié)合工廠區(qū)域的內(nèi)外部因素是工廠設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。確定生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)各種機(jī)械設(shè)備的空間位置，從而獲得最經(jīng)濟(jì)合理的物資和人員流動(dòng)路線。內(nèi)部的條件因素就是在廠區(qū)內(nèi)找到工廠的最佳運(yùn)輸路線。外部的條件因素就是在廠區(qū)外找到工廠的最佳運(yùn)輸路線。從這點(diǎn)可以看出，廠址的選擇和工廠布局相類似，并且工廠布局有不同的著重點(diǎn)。如果車間布局不合理，就可能會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行條件、工人的操作的條件、正常生產(chǎn)流程運(yùn)行和最重要的安全性的問題。同時(shí)也可能導(dǎo)致工廠在基建時(shí)工程造價(jià)高、施工難度的加大，后續(xù)工廠的運(yùn)作可能還會(huì)引發(fā)一系列負(fù)面的生產(chǎn)管理問題。6.2廠址選擇的依據(jù)和原則生產(chǎn)能力：本設(shè)計(jì)需要達(dá)到年產(chǎn)1.5萬噸TPU。交通運(yùn)輸：該廠屬于TPU生產(chǎn)的大型企業(yè)，必須具備便利的交通運(yùn)輸條件。選擇水陸交通便利的地方建廠，保證原料供應(yīng)充足，物資運(yùn)輸方便。地形地貌：選擇地勢(shì)相對(duì)平緩、地勢(shì)平坦的丘陵地帶，保證該廠土石運(yùn)用量不大。廠區(qū)面積、形式等工藝符合要求，廠區(qū)發(fā)展要留有發(fā)展空間。氣候條件：主導(dǎo)風(fēng)向要相對(duì)穩(wěn)定，必須要在居民生活空氣的下風(fēng)側(cè)選址或直接遠(yuǎn)離。水文地質(zhì)：工廠需水量大，因此廠址應(yīng)靠近水源充足、水質(zhì)良好的區(qū)域，以滿足廠址生產(chǎn)生活用水、排水的需要，靠近河流但避開洪水區(qū)。能源：確保電網(wǎng)供電充足，燃油供應(yīng)方便充足。工廠選址需要考慮到以下幾點(diǎn)：結(jié)合排放要求、政府的政策和成本低。TPU生產(chǎn)過程污染雖然不是很大，但也并非零排放，也結(jié)合運(yùn)營(yíng)成本等多方面考慮，盡量不要在市區(qū)選址。如果把廠址選在郊區(qū)，最好選址在遠(yuǎn)離畜牧地區(qū)等影響空氣的地方，盡量要空曠，防止氨氣等有害氣體泄漏，造成不必要的危害。但是交通的問題也必須考慮，必須要讓原料和產(chǎn)品的運(yùn)輸便利，減少運(yùn)營(yíng)成本。6.3車間廠房布置6.3.1廠房形式的選擇考慮到本次生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的要求，廠址，成本的投資，人員的分配等因素，選擇三層廠房。6.3.2廠房的輪廓要保持廠房輪廓應(yīng)的簡(jiǎn)潔，讓生產(chǎn)設(shè)備的布置更加靈活方便，方便廠房的后期建造。矩形廠房設(shè)計(jì)便于設(shè)備及通道的布置和生產(chǎn)管理；與其他輪廓的廠房相比占地面積小，管道短，采光好，設(shè)備面積大、成本較低；在控制室就能清楚地觀察車間內(nèi)的各種設(shè)備和人員的走動(dòng)；最重要的是矩形車間布置死角少，易通風(fēng)，有利于降低爆炸危險(xiǎn)氣體的濃度，一旦發(fā)生事故，能迅速逃生。因此，本設(shè)計(jì)采用矩形車間。6.3.3廠房面積本次設(shè)計(jì)的廠房長(zhǎng)40米，寬20米，占地面積800平方米，其中主大門寬4米，西門寬4米。廠房?jī)?nèi)設(shè)有有辦公樓、聚合車間、加工車間、安全車間、包裝車間、廢料池、倉(cāng)庫(kù)、員工宿舍等。6.3.4車間設(shè)備布置車間設(shè)備布置要經(jīng)濟(jì)合理，在降低建造成本的同時(shí)，要便于操作和維護(hù)，最重要的是必須安全可靠，生產(chǎn)的安全性符合要求。通常情況下，布置生產(chǎn)車間的設(shè)備時(shí)必須考慮三點(diǎn)：①管道和管線的位置排列和走向要整齊有序，便于后期維修排查。②確定車間的設(shè)備的空間方位、設(shè)備平面和立面位置；③車間的主要道路和通道要安全合理；6.3.5車間設(shè)備布置圖7三廢處理廢氣的主要來源是揮發(fā)后氣體的泄漏和排放，如MDI、PBA、BDO和氨等。所以防止廢棄是首要解決的目的。本次設(shè)計(jì)主要采取以下方法進(jìn)行廢棄防治:密閉入料。用密閉加料的工藝分別往A和B儲(chǔ)料罐進(jìn)行加料，這樣做可以減少物料揮發(fā)和氣體排出；催化劑采用全自動(dòng)計(jì)量加料程序，這樣做的目的是避免重復(fù)填加使混合物在高溫下?lián)]發(fā)的氣體排出。延長(zhǎng)儲(chǔ)料罐的清理周期。采用效果更好的防粘劑，減少物料在儲(chǔ)料罐中的粘結(jié)，同時(shí)也能減少人工開蓋清理的次數(shù)。3.提高充氮真空干燥效率。對(duì)充氮真空干燥效果的提高