年產(chǎn)10萬(wàn)噸雙酚A生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

年產(chǎn)10萬(wàn)噸雙酚A生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

誠(chéng)信承諾書(shū)

本人鄭重承諾：本人承諾呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)《年產(chǎn)10萬(wàn)噸雙酚A

生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)》是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開(kāi)展研究取得

的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其

參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

本人簽名：______________

日期：年月日

年產(chǎn)10萬(wàn)噸雙酚A生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

摘要

我國(guó)是雙酚A主要的消費(fèi)大國(guó)之一。近年來(lái)，雖然我國(guó)雙酚A呈現(xiàn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但

是我國(guó)雙酚A市場(chǎng)的供需缺口依舊存在。為了滿足雙酚A的市場(chǎng)需求，我們需要不斷

研究開(kāi)發(fā)雙酚A新型催化劑和新的工藝技術(shù)。

本設(shè)計(jì)通過(guò)分析不同的工藝路線，最終采用以苯酚和丙酮為原料縮合制得雙酚Ao

工藝路線主要分為為4個(gè)工段：反應(yīng)工段、精儲(chǔ)工段、結(jié)晶分離工段、閃蒸工段。這項(xiàng)

工藝最為廣泛合理，成為主要的生產(chǎn)工藝。

對(duì)選擇好的生產(chǎn)工藝?yán)L制流程方框圖，進(jìn)行物料衡算，通過(guò)表格形式匯總不同工段

的物料衡算。再進(jìn)行能量衡算，進(jìn)行設(shè)備選型和計(jì)算，再分析公用工程等合理性。最后

繪制PID、PDF、設(shè)備圖和車(chē)間、廠間布置圖。

關(guān)鍵詞：雙酚A；苯酚；精儲(chǔ)；物料衡算

Designofproductionprocessfor100,000tonsofBisphenolaper

Abstract

ChinaisoneofthemajorconsumingcountriesofBISPHENOLA.Inrecentyears,

althoughbisphenola(BPA)hasbeendevelopinginChina,thegapbetweensupplyand

demandofBPAmarketstillexists.InordertomeetthemarketdemandofBisphenolA,we

needtoresearchanddevelopnewcatalystsandnewtechnologyofBISPHENOLA.

Thisdesignthroughtheanalysisofdifferentprocessroutes,thefinaluseofphenoland

acetoneasrawmaterialsforthepreparationofBISPHENOLA.Theprocessisdividedinto4

stages:ReactionStage,distillationstage,crystallizationstageandflashstage.Thisprocessis

themostcomprehensiveandreasonable,becomethemainproductionprocess

Toselectagoodproductionprocessblockdiagram,materialbalance,throughtheformof

asummaryofdifferentsectionsofthematerialbalance.Thenenergybalancecalculation,

equipmentselectionandcalculation,andthenanalyzetherationalityofpublicworks.Finally,

DrawPid,PDF,equipmentandshop,plantlayout.

Keywords:BISPHENOLAPhenol;Distillation;Materialbalance

目錄

1前言...................................................................................1

1.1產(chǎn)品性質(zhì)概述...................................................................1

1.2理化性質(zhì).......................................................................1

1.3雙酚A的用途..................................................................2

1.4研究現(xiàn)狀及意義.................................................................2

1.4.1國(guó)內(nèi)供需情況.............................................................2

1.4.2世界生產(chǎn)情況分析及預(yù)測(cè)..................................................5

1.5展望...........................................................................6

2工藝流程選擇..........................................................................7

2.1主要生產(chǎn)工藝...................................................................7

2.1.1硫酸法...................................................................7

2.1.2氯化氫法.................................................................7

2.1.3離子交換樹(shù)脂法..........................................................7

2.2選擇工藝及其原因..............................................................8

2.3產(chǎn)品規(guī)格.......................................................................8

2.4工藝流程選擇...................................................................8

2.4.1反應(yīng)機(jī)理.................................................................8

2.5生產(chǎn)過(guò)程及注意事項(xiàng)............................................................9

2.5.1縮合反應(yīng)過(guò)程.............................................................9

2.5.2加合物結(jié)晶過(guò)程..........................................................9

2.5.3脫酚精制過(guò)程............................................................9

2.5.4生成控制條件及操作過(guò)程..................................................9

2.6生產(chǎn)方式的選取................................................................10

2.7工藝流程方框圖................................................................10

3物料衡算..............................................................................11

3.1生產(chǎn)條件確認(rèn)..................................................................11

3.1.1相關(guān)參數(shù)................................................................11

3.2反應(yīng)過(guò)程物料衡算..............................................................11

3.2.1主反應(yīng)..................................................................12

3.2.2副反應(yīng)..................................................................12

3.2精微過(guò)程物料衡算...............................................................13

3.3結(jié)晶過(guò)程物料衡算..............................................................14

3.4蒸發(fā)過(guò)程物料衡算..............................................................15

4能量衡算..............................................................................17

4.1加熱器A熱量衡算..............................................................17

4.2加熱器B熱量衡算..............................................................18

4.3精微塔能量衡算................................................................19

4.4結(jié)晶器能量衡算................................................................20

4.5蒸發(fā)單元能量衡算.............................................................21

5設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型...................................................................23

5.1精微塔物料衡算................................................................23

5.1.1產(chǎn)品濃度計(jì)算............................................................23

5.1.2平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算...................................................23

5.1.3最小回流比的計(jì)算和適宜回流比的選擇.....................................24

5.1.4理論板數(shù)的計(jì)算——簡(jiǎn)捷法...............................................24

5.1.5全塔效率的估算.........................................................25

5.1.6實(shí)際板數(shù)和實(shí)際加料板位置的確定.........................................25

5.2精微塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)......................................................26

5.2.1塔的工藝條件...........................................................26

5.2.2物性數(shù)據(jù)................................................................26

5.2.3塔徑的計(jì)算.............................................................29

5.2.4浮閥塔的塔板結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)1刈...............................................31

525塔板分布、浮閥數(shù)目及排列................................................32

526塔板的流體力學(xué)計(jì)算......................................................33

5.3塔板負(fù)荷性能圖及操作彈性......................................................36

5.4塔總體高度計(jì)算...............................................................40

6附屬設(shè)備選型.........................................................................42

6.1進(jìn)料泵的估選..................................................................42

6.1.1泵的揚(yáng)程................................................................42

6.1.2泵的選型................................................................42

6.2儲(chǔ)罐的估算....................................................................43

6.2.1回流罐的估算............................................................43

622產(chǎn)品儲(chǔ)罐的估選..........................................................43

7非工藝專業(yè)...........................................................................44

7.1公用工程.......................................................................44

7.1.1給水、電、汽的供應(yīng).....................................................44

7.1.2通信工程................................................................44

7.1.3給、排水系統(tǒng)...........................................................44

7.2三廢處理......................................................................44

7.2.1廢液處理................................................................44

7.2.2廢氣處理................................................................44

7.2.3廢渣處理................................................................44

7.3環(huán)境保護(hù)......................................................................45

7.3.1噪聲來(lái)源及治理措施.....................................................45

7.4綠化..........................................................................45

8車(chē)間布置設(shè)計(jì)概述.....................................................................46

8.1化工車(chē)間組成..................................................................46

8.2車(chē)間設(shè)備表....................................................................46

9廠房布置.............................................................................47

9.1建廠條件......................................................................47

9.2廠址初步選擇..................................................................47

9.3廠房布置原則..................................................................47

10設(shè)備的自控方案......................................................................48

10.1進(jìn)料流量的自控方案..........................................................48

10.2回流罐液位的自控方案........................................................48

10.3塔頂壓力自動(dòng)控制方案........................................................48

10.4回流流量控制系統(tǒng)............................................................48

10.5靈敏板溫度控制系統(tǒng)..........................................................48

10.6安全閥控制系統(tǒng)..............................................................48

參考文獻(xiàn)...............................................................................50

謝辭.................................................................................51

附錄.................................................................................52

1前言

1.1產(chǎn)品性質(zhì)概述

雙酚A也稱BPA,學(xué)名為2,2-二丙烷（4-羥基苯基），簡(jiǎn)稱二酚基丙烷。是由兩分

子苯酚和一分子丙酮在酸性催化劑下縮合反應(yīng)制得。雙酚A是重要的有機(jī)化工原料，苯

酚和丙酮的重要衍生物，主要用于生產(chǎn)聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚碉樹(shù)脂、聚苯醛樹(shù)脂等

多種高分子材料。雙酚A主要廣泛應(yīng)用于下游產(chǎn)品，主要用于環(huán)氧樹(shù)脂口以及聚碳酸酯

的生產(chǎn)，其鉀鹽或鈉鹽是生產(chǎn)聚碉的原料，少量用作橡膠防老劑，主要用于增塑劑、阻

燃劑、抗氧劑、熱穩(wěn)定劑、橡膠防老劑、農(nóng)藥、涂料等精細(xì)化工產(chǎn)品上⑵。

1.2理化性質(zhì)

BPA白色片狀晶體，有酚味。不溶于水，微溶于四氯化碳，可溶于乙醇、堿液等溶

液。

在生產(chǎn)雙酚A過(guò)程中，要注意密閉操作，提供充足的排風(fēng)設(shè)備。因?yàn)殡p酚A遇明

火，會(huì)高溫可燃燒，具有可燃性，刺激性。BPA粉狀體混合于空氣中可形成爆炸性物質(zhì)，

當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)，一遇火星便會(huì)發(fā)生爆炸。所以BPA生產(chǎn)環(huán)境中需遠(yuǎn)離火源、高

溫環(huán)境，并使用堅(jiān)固防爆型的通風(fēng)設(shè)備和系統(tǒng)。避免產(chǎn)生粉塵，與氧化劑、堿類等物質(zhì)

隔開(kāi)。雙酚A運(yùn)輸包裝過(guò)程中要嚴(yán)密，以免泄出，產(chǎn)生危險(xiǎn)。注意在運(yùn)輸過(guò)程中，不與

氧化劑、堿類等物質(zhì)混裝。要貼上相應(yīng)的化學(xué)品標(biāo)記，途中不暴曬，不高溫，不雨淋。

BPA的主要理化性質(zhì)如表1.1所示：

表1.1BPA的理化性質(zhì)

性質(zhì)內(nèi)容性質(zhì)內(nèi)容

分子量228.29飽和蒸汽壓（KPa）0.13

密度(g/ml)1.195熔點(diǎn)（℃）158-159

摩爾質(zhì)量（g?mol"）1.5467沸點(diǎn)（℃）220

摩爾折射率68.16摩爾體積（m/mol）199.5

相對(duì)蒸氣密度20(水=1)閃點(diǎn)（℃）227

極化率（10-24cm）27.02水溶性（21.5℃）<0.1g/100ml

1.3雙酚A的用途

雙酚A是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一。

雙酚A與環(huán)氧氯丙烷合成應(yīng)用最廣泛的下游產(chǎn)品之一一環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)

良的機(jī)械性能、強(qiáng)耐腐蝕性、電絕緣性，在金屬間或金屬與非金屬間具有很強(qiáng)的結(jié)合性，

因此被廣泛用于金屬與非金屬或金屬之間的結(jié)合，電子間絕緣、塑封、灌封材料等領(lǐng)域。

另一種雙酚A合成的聚碳酸酯是一種非晶形的熱塑性工程材料。如名一般，具有強(qiáng)

熱塑性、耐高溫耐寒性、優(yōu)良的絕緣物質(zhì)，具有延展性、不易變形、尺寸穩(wěn)定，且其最

重要是不易吸水、無(wú)毒、綠色性物質(zhì)，因此在多領(lǐng)域具有廣泛用途。

還有雙酚A鈉鹽可與4,4-二氯二笨基碉形成熱塑性樹(shù)脂，具有耐化學(xué)腐蝕性、電絕

緣性好、耐高溫，在高溫條件下可以長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)變形。也可與二苯基二磺酰氯合成的熱

塑性樹(shù)脂一硫聚酯，其透明性及電絕緣性好，適宜作涂料、薄膜及纖維。

雙酚A常常被添加在塑料制品制造中，增加了BPA的塑料制品，透明性更好，可

以耐高溫耐寒冷，便于大家手握。并且它還有防沖擊性、輕盈等特性，能防止能防止酸

性物質(zhì)腐蝕金屬容器內(nèi)部，故而被廣泛用于罐裝食品和飲品的包裝、奶瓶、水瓶等塑料

制品的制造中。

1.4研究現(xiàn)狀及意義

在工業(yè)中，雙酚A是許多化學(xué)品的原材料，可以合成聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚颯樹(shù)

脂、聚苯醛樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂等多種高分子材料，因此雙酚A在化工工業(yè)中的地位

非常重要，并且雙酚A在塑料制品、橡膠等產(chǎn)業(yè)中具有重要的用途，所以雙酚A每年

的產(chǎn)量都是大批量的需求，并且是在逐年增加。雙酚A產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。

圖1.2雙酚A產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖

1.4.1國(guó)內(nèi)供需情況

我國(guó)生產(chǎn)BPA的裝置大多規(guī)模較小，生產(chǎn)設(shè)備比較落后，還在使用較為傳統(tǒng)的硫

酸法和氯化氫法生產(chǎn)雙酚A,不僅設(shè)備成本高，壽命短，還對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)BPA裝置主要有6套，總生產(chǎn)能力約為28kt/a。

2

圖1.32010-2018年中國(guó)雙酚A產(chǎn)能走勢(shì)

從雙酚A的生產(chǎn)能力來(lái)看，2010年~2018年的產(chǎn)能是在逐年上升的，其中以

2014-2015年增長(zhǎng)率最高，經(jīng)過(guò)2012-2016年的迅速擴(kuò)充后，雙酚A的產(chǎn)能的增長(zhǎng)變得

緩和，且近兩年無(wú)新增生產(chǎn)裝置投產(chǎn)。

圖1.42010-2018年中國(guó)雙酚A產(chǎn)量走勢(shì)

從雙酚A產(chǎn)量來(lái)看，2011~2014年產(chǎn)量是比較穩(wěn)定的，且在2015年開(kāi)始出現(xiàn)明顯

的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且在2018年雙酚A的產(chǎn)量甚至達(dá)到了120萬(wàn)噸，相信雙酚A未來(lái)的趨

勢(shì)是越來(lái)越好。

180.00

160X)0

1404)0

120.00

100.00

80.00

60m

40.00

20.00

0.00

201020112012201320142015201620172018

■表現(xiàn)消翔t：萬(wàn)噸

圖1.52010-2018年中國(guó)雙酚A消費(fèi)量趨勢(shì)

從BPA行業(yè)市場(chǎng)需求來(lái)看，2011~2014年市場(chǎng)的需求量波動(dòng)情況不大，甚至于比較

3

平穩(wěn)，近幾年，隨著全球?qū)Νh(huán)氧樹(shù)脂和聚碳酸酯產(chǎn)品的需求逐漸增加，作為上游產(chǎn)品雙

酚A在不斷需要，因此雙酚A的市場(chǎng)需求量在2015年呈現(xiàn)一種上升的趨勢(shì)。到了2018

年，雙酚A的行業(yè)市場(chǎng)需求量甚至到達(dá)166.75萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)7.59%,其中進(jìn)口量為

46.9萬(wàn)噸，占比28.12%?？梢?jiàn)，市場(chǎng)對(duì)雙酚A生產(chǎn)量的大量需求。

圖1.62010-2018年中國(guó)雙酚A進(jìn)口量走勢(shì)

從雙酚A的進(jìn)口來(lái)看，2010~2018年間我國(guó)雙酚A的進(jìn)口量比較大，最少40.6萬(wàn)

噸以上，最高還可達(dá)到58.6萬(wàn)噸的進(jìn)口量，國(guó)內(nèi)企業(yè)在近幾年也并未積極的擴(kuò)產(chǎn)，搶占

進(jìn)口貨源市場(chǎng)，其實(shí)，主要是因?yàn)槲覈?guó)現(xiàn)在的雙酚A企業(yè)大多為自給自足一體企業(yè)，自

己生產(chǎn)的上游產(chǎn)品用來(lái)生產(chǎn)下游產(chǎn)品，用作雙酚A商品的很少，才導(dǎo)致雙酚A的進(jìn)口

量一直居高不下。

表1.22018年雙酚A國(guó)內(nèi)主要供應(yīng)商及其產(chǎn)能

企業(yè)名稱產(chǎn)能/萬(wàn)噸

中石化三井12

上海科思創(chuàng)41

南通星辰15

長(zhǎng)春化工27

南亞塑膠工業(yè)15

惠州忠信化工4

中石化三菱18

利華益維遠(yuǎn)12

從上表可知，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商以上海科思創(chuàng)生產(chǎn)數(shù)量最多，達(dá)到41萬(wàn)噸每年，約占總

生產(chǎn)能力的28.62%,長(zhǎng)春化工位居第二，它每年生產(chǎn)量為27萬(wàn)噸，約占總生產(chǎn)能力的

4

18.45%,惠州忠信化工最少，僅4萬(wàn)噸每年。但大多企業(yè)都在10-20萬(wàn)噸每年之間。

1.4.2世界生產(chǎn)情況分析及預(yù)測(cè)“

自1923年起，BPA開(kāi)始在全球?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，到1945年環(huán)氧樹(shù)脂大量使用，造

成上游產(chǎn)品BPA的短缺，因此生產(chǎn)BPA得到重視，開(kāi)始快速的發(fā)展。1996年，BPA的

生產(chǎn)能力達(dá)到181.6萬(wàn)噸，到了2007年，十年時(shí)間，BPA生產(chǎn)能力就上升了100萬(wàn)噸，

生產(chǎn)能力有290萬(wàn)噸，全球BPA的產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率達(dá)到6.8%,其中亞洲地區(qū)發(fā)展最迅

速，年均增長(zhǎng)率達(dá)12.8%。

BPA的生產(chǎn)能力及需求量發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)表1.3

表1.3雙酚A的生產(chǎn)能力及需求量發(fā)展趨勢(shì)

年份1996199719981999200020052007

生產(chǎn)能力181.6207.3215.8238.8253.8271290

需求量158.7183191.3202.6215251430

BPA的生產(chǎn)能力主要集中在西歐，美國(guó)，日本。這3大產(chǎn)地的生產(chǎn)能力約占世界總

能力的95%以上。各國(guó)生產(chǎn)能力如表1.4所示。

表1.4各國(guó)生產(chǎn)能力

國(guó)家和地區(qū)公司及廠址生產(chǎn)能力備注

美國(guó)Aristch(Haverhill,OH)10.6ProgilHC1法

Dow(Freeport,TX)16.6Dow樹(shù)脂法

GEP(Burdville,AL)7.6GE樹(shù)脂法

GEP(Mt,Vernon,IN)26.6GEHC1法

Shell(DeerPark,TX)25.5ShellHC1法

北美產(chǎn)能小計(jì)86.5

德國(guó)Bayer(Kfefeld)16.5Bayer樹(shù)脂法

Dow(Stade)14.1Dow樹(shù)脂法

比利時(shí)Bayer(Antwerp)14.5Bayer樹(shù)脂法

荷蘭Shell(Rotterdam)12.5ShellHC1法

GEP(BergenOP200m)15.1GE樹(shù)脂法

西班牙GEP(Cartegena)10.5GE樹(shù)脂法

西歐產(chǎn)能小計(jì)82.5

日本GEP(千葉)6.6GE樹(shù)脂法

三井化學(xué)（名古屋）8.6三井東亞HC1法

三井化學(xué)（大阪）6.5三井東亞HC1法

5

出光石油化學(xué)（千葉）6.5樹(shù)脂法

新日雙酚（戶煙）7.5樹(shù)脂法

三菱化學(xué)（鹿島）8.0樹(shù)脂法

三菱化學(xué)（福岡縣）2.0樹(shù)脂法

韓國(guó)Kumhoshell(Yeochon)3.3

新加坡三井化學(xué)獨(dú)資7.0

亞太產(chǎn)能小計(jì)54.5

巴西Rhodia(Paulinia)2.0

南美產(chǎn)能小計(jì)2.0

俄羅斯State(NizhneKdymsk)7.0

波蘭3.0樹(shù)脂法

東歐小計(jì)10.0

總計(jì)234.5

1.5展望

現(xiàn)階段，我國(guó)是雙酚A主要的消費(fèi)大國(guó)之一。近年來(lái)，我國(guó)每年的雙酚A產(chǎn)品進(jìn)

口量都很大，進(jìn)口量一直保持在40萬(wàn)噸以上。所以，為了滿足雙酚A的市場(chǎng)需求，我們

需要不斷研究開(kāi)發(fā)雙酚A新的工藝技術(shù)，擴(kuò)大生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝技術(shù)，開(kāi)發(fā)新的

更高效更實(shí)用的催化劑，從而能夠提高國(guó)內(nèi)雙酚A產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

6

2工藝流程選擇

2.1主要生產(chǎn)工藝

雙酚A由兩分子苯酚和一分子丙酮經(jīng)縮合反應(yīng)而成，反應(yīng)的催化劑為酸性催化劑,

酸性催化劑主要是硫化氫、鹽酸和離子交換樹(shù)脂。在不同的酸性催化劑作用下，反應(yīng)率、

選擇性都不相同，構(gòu)成了雙酚A不同的生產(chǎn)工藝。

2.1.1硫酸法⑸

硫酸法是生產(chǎn)BPA的傳統(tǒng)工藝，該工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低。溫度36?46℃下，硫

酸濃度為72%左右，原料苯酚與丙酮進(jìn)行縮合反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)脫水、結(jié)晶、離

心分離、閃蒸等過(guò)程。但硫化氫法的選擇性差，生成的雜質(zhì)多且難除，導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的

雙酚A質(zhì)量較差，且催化劑硫化氫消耗量大，易形成大量的廢酸和含酸、含酚廢水，造

成環(huán)境污染嚴(yán)重，因此目前該工藝漸漸不被人們采用。

2.1.2氯化氫法

氯化氫法由美國(guó)開(kāi)始使用，反應(yīng)條件：壓力〈0.18Mpa,溫度66℃左右，苯酚量遠(yuǎn)

遠(yuǎn)大于丙酮，經(jīng)縮合反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物還需經(jīng)過(guò)一系列的精儲(chǔ)操作，精儲(chǔ)出氧化氫、丙

酮和催化劑氯化氫，最后是要把溶解于苯酚的雙酚A經(jīng)過(guò)重結(jié)晶法脫出苯酚。在20世

紀(jì)時(shí)，世界生產(chǎn)雙酚A的主流是氯化氫法，它和硫化氫法相比，產(chǎn)物BPA選擇性更高，

質(zhì)量更好，原料丙酮的轉(zhuǎn)化率也更高、且催化劑氯化氫易揮發(fā)。但不足的是氯化氫具有

強(qiáng)的腐蝕性，容易腐蝕設(shè)備管道等，導(dǎo)致投資成本增大，目前氯化氫法也漸漸不被人們

采用。

2.1.3離子交換樹(shù)脂法⑹

離子交換樹(shù)脂法是在前兩個(gè)生產(chǎn)工藝的不足中再產(chǎn)生出來(lái)的方法，該法的生產(chǎn)總體

流程與氯化氫法相似，都是經(jīng)歷反應(yīng)-脫水-原料回收一結(jié)晶過(guò)濾熔融一加合物脫酚一

提純一造粒的過(guò)程。離子交換樹(shù)脂法原料的摩爾比對(duì)反應(yīng)有著巨大的影響。苯酚：丙酮

的摩爾比要在9.5mol：Imol以上，保證苯酚過(guò)量是它作為溶劑可以不會(huì)讓反應(yīng)器出來(lái)

的管道和熱交換器阻塞，并且過(guò)量也有助于保持反應(yīng)器的溫度波動(dòng)不大，相對(duì)穩(wěn)定。但

若是不足的苯酚會(huì)導(dǎo)致BPA的選擇性下降。太過(guò)量則需要回收，會(huì)造成耗能。反應(yīng)溫

度為75℃,常壓條件下，停留時(shí)間為1小時(shí)，使用固體催化劑的固定床異相催化反應(yīng),

所以反應(yīng)后的產(chǎn)物和催化劑不會(huì)一起進(jìn)入到下一個(gè)單元，只需催化劑固定在反應(yīng)器內(nèi)不

會(huì)跑出就行。反應(yīng)中丙酮的單程轉(zhuǎn)化率為50%,苯酚為20%,過(guò)程的總收率可達(dá)到91%。

正是此工藝可以解決前兩種工藝產(chǎn)率低，成本高的缺點(diǎn)，開(kāi)始逐漸成為主流的雙酚A的

生產(chǎn)工藝方法。

7

因此選擇離子交換樹(shù)脂法為本次設(shè)計(jì)的主要生產(chǎn)工藝方法。

2.2選擇工藝及其原因

硫酸法作為傳統(tǒng)工藝，工藝方法比較簡(jiǎn)陋，并且會(huì)產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物，而氯化氫法，

催化劑氯化氫直接經(jīng)過(guò)一系列的精儲(chǔ)操作，精播出來(lái)，不會(huì)夾雜在最后產(chǎn)品中，因此生

成的BPA的質(zhì)量比傳統(tǒng)工藝硫酸法更好，但是由于催化劑氯化氫具有腐蝕性，設(shè)備管

道經(jīng)常遭到腐蝕破壞，導(dǎo)致設(shè)備成本較高，而離子交換樹(shù)脂法大大改善了傳統(tǒng)工藝的不

足，離子樹(shù)脂被固定在反應(yīng)器內(nèi)，與反應(yīng)產(chǎn)物分離，不需后續(xù)除去，大大減少成本，提

高產(chǎn)物的純度，旦提高設(shè)備的使用壽命，腐蝕性弱，操作穩(wěn)定。副反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)，可

以通過(guò)精儲(chǔ)等過(guò)程除去，以獲得純度高的雙酚A產(chǎn)品。所以樹(shù)脂法生產(chǎn)雙酚A技術(shù)已

成為雙酚A生產(chǎn)的主流和發(fā)展方向。

2.3產(chǎn)品規(guī)格

雙酚A產(chǎn)品規(guī)格：（性狀：白色、有酚味、片狀晶體），如表2.1所示。

表2.1雙酚A產(chǎn)品規(guī)格

項(xiàng)目指標(biāo)

4,4'-BPA含量％》99.5

2,2,?BPA含量％0.20

色瞞％0.01

苯酚％0.05

三酚%0.10

對(duì)異丙基苯酚％痕量

鐵％1

水％0.01

二氨基化合物％0.05

色度％30（按APHA標(biāo)度）

2.4工藝流程選擇

雙酚A不同生產(chǎn)工藝方法是以不同的酸性催化劑來(lái)區(qū)分的，目前雙酚A的生產(chǎn)工

藝方法主要有硫酸法、鹽酸法和離子交換樹(shù)脂法，結(jié)合上面介紹的三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，

最終選擇以離子交換樹(shù)脂法作為本次工藝流程的選擇

2.4.1反應(yīng)機(jī)理

2A+CH」e-+HQ

CH,

8

2.5生產(chǎn)過(guò)程及注意事項(xiàng)⑺

2.5.1縮合反應(yīng)過(guò)程

縮合反應(yīng)過(guò)程主要受濃度和溫度的影響。

濃度影響：原料濃度對(duì)縮合反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生影響。過(guò)量的苯酚可以提高BPA的選擇性，

而過(guò)量的丙酮?jiǎng)t會(huì)抑制主反應(yīng)，促進(jìn)副反應(yīng)的發(fā)生。還有反應(yīng)后產(chǎn)生出來(lái)的水和異構(gòu)性

BPA等雜質(zhì)會(huì)對(duì)降低主反應(yīng)的速率。因此生產(chǎn)原料苯酚：丙酮=10:1（摩爾比）左右最

有利于反應(yīng)的發(fā)生。

溫度影響：升高溫度促進(jìn)主反應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生更多的副產(chǎn)物，而催化劑離子交換樹(shù)脂

的存活溫度最好在60℃左右，不得高于90℃,故縮合反應(yīng)溫度在60~90℃間最佳。

2.5.2加合物結(jié)晶過(guò)程

加合物結(jié)晶過(guò)程的溫度和濃度要穩(wěn)定，不能波動(dòng)太大，產(chǎn)生過(guò)多的晶核，停滯時(shí)間

需充足，結(jié)晶器內(nèi)的攪拌器轉(zhuǎn)速不能太快把晶體攪碎，且傳熱方式選擇間接傳熱，傳熱

溫差不應(yīng)太大，防止產(chǎn)生晶體結(jié)疤現(xiàn)象，而更好的分離固液，并保證有足夠的傳熱面積

能及時(shí)將熱量從結(jié)晶母液中移走。

2.5.3脫酚精制過(guò)程

雙酚A精制方法采取精儲(chǔ)法脫除產(chǎn)品中的苯酚，雖然雙酚A的沸點(diǎn)有220C,但有

時(shí)塔內(nèi)溫度會(huì)超過(guò)BPA的熱穩(wěn)定溫度，造成BPA高溫受熱分解，產(chǎn)生焦油等雜質(zhì)，降

低雙酚A的純度。還要經(jīng)過(guò)重結(jié)晶法，用水作結(jié)晶介質(zhì)用苯酚去洗滌晶體以獲得高質(zhì)量

的BPA,雖操作條件溫和，但會(huì)生成大量的含酚廢水和大量溶劑需要回收，增加能耗和

成本。

2.5.4生成控制條件及操作過(guò)程

投料配比

苯酚：丙酮=10：1（摩爾比）

2.溫度、壓強(qiáng)

反應(yīng)溫度為75℃左右，常壓條件下，滯留時(shí)間為1小時(shí)

3.操作過(guò)程

丙酮與苯酚以摩爾比10：1的比例進(jìn)入混合器進(jìn)行混合，從混合器出來(lái)后，再通過(guò)加

熱器加熱至反應(yīng)溫度75c左右，進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行縮合反應(yīng)，反應(yīng)后會(huì)生成BPA、水、

2-4BPA異構(gòu)體等物質(zhì)和未反應(yīng)的原料苯酚和丙酮，接著進(jìn)入精儲(chǔ)塔，從塔頂脫出部分

苯酚、丙酮和水等輕質(zhì)雜質(zhì)，塔頂儲(chǔ)出的部分苯酚和丙酮進(jìn)入原料回收系統(tǒng)進(jìn)行回收,

塔釜?jiǎng)t播出BPA、2-4BPA等物質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)入結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶后結(jié)晶加合物一起

進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)行分離，并用從重結(jié)晶器來(lái)的過(guò)濾母液進(jìn)行洗滌，母液和洗滌液經(jīng)處理,

9

回收丙酮和苯酚，并回到反應(yīng)器中作為回收原料反應(yīng)，分離出的晶體用純苯酚進(jìn)行洗滌;

洗滌后的精加合物進(jìn)入連續(xù)三個(gè)閃蒸塔中蒸出苯酚，即得到較純的BPA,經(jīng)過(guò)造粒包裝

成產(chǎn)品。故BPA生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖如圖2.1所示。

2.6生產(chǎn)方式的選取

化工生產(chǎn)的操作可分為全間歇、半間歇、連續(xù)、半連續(xù)四種；本次設(shè)計(jì)中雙酚A生

產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)噸，屬于生產(chǎn)規(guī)模較大類型，連續(xù)式操作適用于大規(guī)模生產(chǎn)，原料和能量

消耗相對(duì)較低，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量比較好，雖總成本較大，占地面積廣，但生產(chǎn)效率高，比

較經(jīng)濟(jì)，故生產(chǎn)方式選取連續(xù)操作。

本次生產(chǎn)10萬(wàn)噸雙酚A選擇連續(xù)式生產(chǎn)，取工作日為300天，則每日生產(chǎn)量為333

噸。

2.7工藝流程方框圖

BPA工藝流程方框圖如圖2.2所示。

回收丙酮

固

定精

丙酮.閃

床蒸

反謠

―罐

?應(yīng)

苯酚

器塔3

>BPA

圖2.2雙酚A工藝流程方框圖

10

3物料衡算

質(zhì)量守恒定律是物料衡算的計(jì)算基礎(chǔ)。質(zhì)量守恒定律，指進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的物料量等

于從這個(gè)系統(tǒng)中出來(lái)的物料量加上過(guò)程中損失量和系統(tǒng)中累積量。由下式表示：

W%=W°出+W%?+WG累積

式中—進(jìn)入系統(tǒng)的物料量總和;

EG出——離開(kāi)系統(tǒng)的物料量總和;

EG損一損失的物料量總和;

￡G累積——系統(tǒng)中的物料量累積量。

由于本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方式為連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)，2G縈和=0,因此

W。送=W。出+W°夜

3.1生產(chǎn)條件確認(rèn)

根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)，生產(chǎn)雙酚A量為10萬(wàn)噸?？紤]設(shè)備使用保養(yǎng)，維修等情況，

設(shè)備使用系數(shù)為0.80,設(shè)全年365天，除去法定節(jié)假日及休息日大約65-115天，則實(shí)

際年工作時(shí)間為365-(65-115)=(250-300)天=7200小時(shí)；

3.1.1相關(guān)參數(shù)

物料相關(guān)參數(shù)如表3.1所示。

表3.1物料相關(guān)參數(shù)

物料分子式相對(duì)分子質(zhì)量沸點(diǎn)(℃)

苯酚C6H6。94181.7

丙酮C3H6。5856.53

雙酚AC]5H[6。2228220

水

H2O18100

2-4BPA-228-

3.2反應(yīng)過(guò)程物料衡算

反應(yīng)器物質(zhì)進(jìn)出情況如圖3.1所示

11

回收丙酮

固

2-4BPA

定

水

床

苯酚雙酚A

反——?

丙酮應(yīng)苯酚

器丙酮

圖3.1反應(yīng)器物質(zhì)進(jìn)出情況

已知原料苯酚:丙酮=10:1（摩爾比），年工作時(shí)間為7200小時(shí)。

本設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)雙酚A的量：

100000x103/7200=13888.8kg/h

且產(chǎn)品雙酚A純度為99%,即損失量為1%,則實(shí)際生產(chǎn)雙酚A量為:

13888.89x99%=13750kg/h

3.2.1主反應(yīng)

催化劑

＞

2c6H6。+C3H6O—。15%6。2+“2。

已知生產(chǎn)過(guò)程總收率達(dá)到91%,丙酮單程轉(zhuǎn)化率50%,苯酚單程轉(zhuǎn)化率10%,則雙

酚A量13750x91%=12512.5kg/h

理論消耗丙酮量：—X12512.5=3183的"

228

理論消耗苯酚量：絲x12512.5=5158.66kg/

228

理論生成水量：—X12512.5=987.83kg/h

228

實(shí)際加入丙酮量：3183?50%=6366kg/h

實(shí)際加入苯酚量（按摩爾比）：5158.66x104-10%=51586.6