年产3000吨脲醛树脂工厂设计.doc
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1、安徽建筑工业学院大作业题 目:年产30000吨腐植酸改性脲醛树脂 学 院:材料与化学工程学院 专 业:08化学工程与工艺 姓 名:李小磊 学 号: 指导教师:章祥林 完毕日期:2023年4月10号目 录摘 要1第一章 绪论21.1 厂址及气象条件21.2 工厂设计可行性分析21.2.1 设计任务和依据21.2.2 脲醛树脂的应用及发展概况21.2.3 具体生产产品的拟定21.2.4 本课题预解决的重要问题3第二章 产品与原料的性质与规格42.1 改性脲醛树脂的质量标准和规格42.2生产脲醛树脂的原料的特性与规格4第三章 合成工艺设计和分析63.1 游离甲醛的来源63.2 减少游离甲醛含量的途径
2、63.3 改性脲醛(MUF)树脂的合成73.4 合成过程中原料对反映结果的影响83.4.1 甲醛与尿素摩尔比的影响:83.4.2三聚氰胺用量的影响93.5不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果103.5.1加成反映阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响113.5.2缩聚反映阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响123.6 改性脲醛树脂合成工艺路线13重要反映133.7 合成脲醛树脂树脂工艺143.7.1 反映阶段143.7.2 脱水阶段143.7.3 后解决阶段143.7.4 生产工艺流程叙述15第四章 工艺计算164.1 原始数据及所需技术资料164.2 物料衡算164.2.1对反映釜进行物
3、料衡算:174.2.2对蒸发器做物料衡算:174.2.3对整个系统做物料平衡计算18第五章 设备工艺计算及其选型195.1 搅拌反映釜的设计195.1.1 物料衡算:195.1.2热量衡算:205.1.3 材料选择235.1.4釜体的设计计算235.1.5 封头的设计选型245.1.6 封头与釜体的连接形式245.1.7 支座形式245.1.8 反映釜的液位245.19 搅拌装置的设计255.1.10 传热装置设计255.1.11 反映器上的接管及尺寸265.2 蒸发器27对蒸发器做物料衡算:275.3 泵的选择275.3.1输送甲醛的泵275.3.2 输送成品泵275.4 换热器选型285.
4、5 储罐的设计285.5.1 储罐285.5.2 高位计量槽285.6旋风分离器选型28第六章 工厂布置296.1工厂布置的基本任务296.1.1工厂布置原则296.1.2 厂区布置总图说明316.2车间布置316.2.1车间布置基本原则和规定:316.2.2车间布置图说明32第七章 公用工程337.1 通风337.2 采暖337.3 照明33第八章设备一览表34第九章 设计小结359.1小结35第十章 参 考 文 献36年产30000吨腐植酸改性尿醛树脂工艺设计摘 要:树脂是一种用途十分广泛的有机化工产品。本设计产品是腐植酸改性脲醛树脂,合成反映重要由加成反映和缩聚反映两部分组成。腐植酸是自
5、然界中广泛存在的大分子有机物质,广泛应用于农林牧、石油、化工、建材、医药卫生、环保等各个领域。由于脲醛树脂胶的原料是尿素和甲醛,原料来源丰富,且生产工艺简朴、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色以及使用方便等优点,不久成为我国人造板生产的重要粘合剂,目前约占木材工业用量的80%以上,但随着应用领域和用量的增长。脲醛树脂胶制品中散发出来的游离甲醛污染环境,特别是用该板材制成家具和进行家庭装潢后会释放出残留甲醛和挥发性有机物(VOC),对人体皮肤、呼吸道和眼睛粘膜有刺激作用,因而导致对人体的危害。本工艺专门针对如何减少散发游离的甲醛和改性脲醛树脂做了合理设计。脲醛树脂是应用最为广泛的氨基树
6、脂,两个反映是先加成后缩聚,但又没有明显的界线,受反映条件影响只是在弱碱性条件下加成反映占优势,在弱酸性介质中缩聚反映进行的较顺利。本设计是年产30000吨脲醛树脂工厂设计,重要进行了工艺计算、设备选型,并绘制了工艺流程图、物料流程图。关键词:腐植酸,改性脲醛树脂,三聚氰胺,尿素第一章 绪论1.1 厂址及气象条件1. 厂区位置:合肥南郊2. 地势:厂区地势平整3. 常年主导风向:东北风, 平均风力二级4. 气温:最高气温 40 最低气温 75. 冻土深度:10cm6. 地下水位:25m7. 运送条件:公路,铁路1.2 工厂设计可行性分析1.2.1 设计任务根据调查世界脲醛树脂生产能力为684.
7、7万吨/年,需求量的增长速度大约为每年3.6%;我国脲醛树脂产量为5.43万吨/年,而我国尚有很大的市场需求空间,根据设计地点进行考察合肥地区需求量,特别是合肥建材市场,所需的水浸渍法制木屑板的含80%的脲醛树脂水溶液,老的生产工艺不能完全满足现代化生产的需求,所以要对氨基树脂生产进行全新的设计。本设计的重要任务就是完毕30000吨脲醛树脂工厂的初步设计。1.2.2 脲醛树脂的应用及发展概况脲醛树脂是由B.tollens于1884 年初次合成,1929年德国I.G染料公司获得第一个脲醛树脂胶粘剂的专利,其后在人造板工业中得到了迅速的发展。我国1957 年开始工业化生产,由于UF 树脂胶的原料是
8、尿素和甲醛,原料来源丰富,且生产工艺简朴、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色以及使用方便等优点,不久成为我国人造板生产的重要粘合剂,目前约占木材工业用量的80%以上。但随着应用领域和用量的增长,UF树脂胶制品中散发出来的游离甲醛污染环境,特别是用该板材制成家具和进行家庭装潢后会释放出残留甲醛和挥发性有机物(VOC),对人体皮肤、呼吸道和眼睛粘膜有刺激作用,因而导致对人体的危害。随着人们对室内环境规定的提高,脲醛树脂甲醛释放量越来越受到关注,低毒脲醛树脂和无醛系列(如异氰酸酯)胶粘剂的研究成为热点。寻求环境和谐生产技术和“绿色人造板”产品是具有战略意义的重要课题,各国对此都十分重视。2
9、0世纪80 年代以来,国内外科技工作者对如何减少脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量的研究作了许多工作。据报道,国内已将脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量降至0.10%左右。1.2.3 具体生产产品的拟定考虑人造板胶粘剂中甲醛释放量的高低直接关系到人民的生活水平和健康状况的好坏,为了减少甲醛释量,改变脲醛树脂特性采用的工艺是用三聚氰胺改性以及新的技术生产的脲醛氨基脂。1.2.4 本课题预解决的重要问题脲醛树脂。英文缩写UF。耐弱酸、弱碱,绝缘性能好,耐磨性极佳,价格便宜,但遇强酸、强碱易分解,耐水性和电性能较差,耐热性也不高,所以要解决的是减少甲醛释放量,改变脲醛树脂特性。本设计将通过合适的工艺,使生产出来
10、产品的甲醛释放量可以达成国家甚至国际胶粘剂的质量标准,并使脲醛树脂缺陷得以改善,以提高人民的生活水平健康状况!第二章 产品与原料的性质与规格2.1 改性脲醛树脂的质量标准和规格pH值 7.58.0游离甲醛% 2,保证二羟基脲的生成;第二批尿素加入后U/F=1.8-1.9,使加入的甲醛尽量反映充足,减少游离甲醛的含量;第三批尿素的加入,使产品的游离甲醛进一步减少。通过上述方法使产品中游离甲醛的含量低于1%。同时应控制合适的介质LB 值、反映温度和反映时间以使反映达成最佳效果。(2) 加入复合改性剂通常UF 树脂的F/U 物质的量比减少时,会同时带来以下一些问题:树脂胶粘性能下降、树脂的储存期缩短
11、、树脂的水溶性减少、树脂的初粘性下降等。为了解决这些问题,在树脂合成时要添加各种改性剂。据报道,复合改性剂有PQ 复合添加剂、聚乙烯醇(PVC)和木质素磺酸盐类等。改性剂加入后与在缩聚阶段产生的羟甲基碳正离子进行缩醛化反映,其作用是控制树脂的胶联度,不断与反映过程中游离出的甲醛进行反映。(3) 对体系微观过程和体系的动力学研究应用脲醛树脂胶体理论,从重要影响因素入手,通过大量实验,研制低游离甲醛含量的脲醛树脂。实践证明,为改善树脂的微观结构,适当减少缩聚阶段的PH 值,有助于加快缩聚反映速度和减少反映体系的羟甲基的相对含量,从而减少了在微观结构上形成二甲基醚或醚结构的几率。国内也有对反映釜内流
12、体动力学研究的报道。搅拌过程是一产生流体复杂动力学的过程,其中很也许存在着非线性浑浊现象。搅拌的关键作用是尽也许使反映釜内的流体流动处在完全混合的状态,这样充足搅拌就能减少反映器内温度和浓度梯度,这与胶的合成缩聚过程的条件相匹配,所以充足搅拌是必要的。制胶过程涉及到复杂的工艺和设备的优化问题,如在工业生产中,往往应用了很成功的小试成果,但总达不到小试的效果,这在很大限度上是由于工业设备放大过程中,只注意了机理过程的相似性,而没有充足考虑达成相同机理所应具有的条件和环境应当相同或相似。人们又往往忽略掉最重要的一条:动力学特性的相似性,即设备放大前后,其动力学特性应尽也许的保持不变。当前,在这方面
13、的工作正在进行着。3.3 改性脲醛(MUF)树脂的合成在反映釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 27. 8,加入第一批尿素,升温至90 反映30 min,调pH值至5. 45. 6,反映至所需粘度。加入第二批甲醛和三聚氰胺,调pH值至8. 08. 5,反映20min。调pH值至6. 56. 9,加入第二批尿素,反映至所需粘度。再将pH值调至7. 58. 0,加入第三批尿素,反映0. 5 h,冷却出料。3.4 合成过程中原料对反映结果的影响3.4.1 甲醛与尿素摩尔比的影响:由于F /U是对MUF树脂性能影响最大的因素,因此一方面比较了三聚氰胺用量为3 %时(以尿素总量计)不同摩尔比对MUF树
14、脂最终性能的影响,实验结果见3-1表3-1甲醛与尿素摩尔比对MUF树脂性能的影可以看出,总体上随着最终摩尔比r5 的减少,游离甲醛、甲醛释放量、胶合强度都在减少。当摩尔比降至一定限度后,脲醛树脂中就存在了相称数量的游离尿素,可以吸取树脂中的游离甲醛(树脂热固化释放出的甲醛以及树脂固化后水解时放出的甲醛) ,从而达成低甲醛释放的目的。但这些尿素同样会与活泼的羟甲基脲反映,减少了脲醛树脂的交联限度,也就削弱了板材的胶合强度,因此摩尔比不宜过低。若将第二批尿素在反映末期一次性加入,在弱碱性条件下,尿素与未反映甲醛发生加成反映,生成羟甲基脲,树脂的游离甲醛量减少了,而羟甲基脲在受热及水解时会放出甲醛,
15、这可以解释树脂1相对较低的游离甲醛和高甲醛释放量。将树脂2与3对比可知,在酸性阶段投放尿素量相同的情况下,较早投放尿素的树脂缩合限度较深,亚甲基桥键的含量相对较多,羟甲基和亚甲基醚键的含量相对较少,也就具有较低的甲醛释放量。具体反映见图3-1。图3-1羟甲基脲的缩合反映此外,从树脂4与6、5与7的对比中可看出,酸性阶段的摩尔比超过某一特定值后,甲醛释放量会急剧上升,甚至超过最终摩尔比的影响。但酸性阶段的摩尔比也不可降得过低,否则会导致缩合反映速度加快而不易控制 6 。综合考虑以上各方面因素,采用图3-2的工艺可实现制备E1级脲醛树脂的目的图3-2制备E1级脲醛树脂时温度、pH值和摩尔比随时间的
16、变化温度temp; pH值pH value; F /U3.4.2三聚氰胺用量的影响三聚氰胺的用量对树脂的性能影响很大。表3-2中列出了采用相同工艺时,三聚氰胺的不同用量与改性脲醛树脂性能之间的关系。表3-2中的树脂都是采用相同的摩尔比和弱碱弱酸弱碱制胶工艺,但随着三聚氰胺用量的增长,甲醛释放量不断减少,胶合强度则先增长后下降。这是由于三聚氰胺与甲醛的加成反映可以形成一系列从二羟甲基三聚氰胺到六羟甲基三聚氰胺的混合物,不同的羟甲基三聚氰胺之间互相发生缩合反映,生成亚甲基桥键和亚甲基醚键,并保存了一部分尚未反映的羟甲基基团,具体过程可见图3-3。而正是相称数量亚甲基醚键的存在才使得MUF树脂在热固
17、化时很少放出甲醛,而脲醛树脂在同样条件下却会产生大量的甲醛气体。随着三聚氰胺用量的增长,三聚氰胺与甲醛的缩合产物中的亚甲基醚键含量也在增长,减少了树脂在热固化及水解时放出的甲醛量。同时由于引入了多官能度的三聚氰胺分子,提高了树脂的交联限度,也就加强了板材的胶合性能。另一方面,随着三聚氰胺羟甲基化的进行,其N原子的亲核性不断增强,反映活性也不断加强,而尿素的情况则恰恰相反,这就使得三聚氰胺的加入减少了树脂的固化速度,导致在同样的热压条件下由于固化不完全而使板材的胶合强度不断下降。因此,三聚氰胺的用量也不可过高。表3-2中的后4份树脂甲醛释放量都达成了E1级的规定,但树脂10与11的胶合强度却低于
18、类板标准规定的0. 7MPa。表3-2三聚氰胺用量对树脂性能的影响图3-3三聚氰胺与甲醛的羟甲基化反映及其产物的缩合反映3.5不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果表3-3不同工艺参数条件下改性脲醛树脂的合成及其性能指标测定结果。表3-4不同反映条件对改性脲醛氨基树脂的影响3.5.1加成反映阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响(1)pH对改性脲醛树脂的影响脲醛树脂的形成机理表白,加成产物除受尿素与甲醛摩尔比的影响外,还受反映介质pH的影响.反映介质的pH为7.5以上时,很少发生缩聚反映,但加成反映在此附近开始,且反映速度随pH的升高而加快,当pH达成1113 时,一羟甲脲与二羟甲脲的形成极慢,
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