年产3000吨脲醛树脂工厂设计.doc

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 2
1.1 厂址及气象条件 2
1.2 工厂设计可行性分析 2
1.2.1 设计任务和依据 2
1.2.2 脲醛树脂的应用及发展概况 2
1.2.3 具体生产产品的拟定 2
1.2.4 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 4
2.1 改性脲醛树脂的质量标准和规格 4
2.2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 6
3.1 游离甲醛的来源 6
3.2 减少游离甲醛含量的途径 6
3.3 改性脲醛(MUF)树脂的合成 7
3.4 合成过程中原料对反映结果的影响 8
3.4.1 甲醛与尿素摩尔比的影响： 8
3.4.2　三聚氰胺用量的影响 9
3.5　不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果 10
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 11
3.5.2　缩聚反映阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响 12
3.6 改性脲醛树脂合成工艺路线 13
重要反映 13
3.7 合成脲醛树脂树脂工艺 14
3.7.1 反映阶段 14
3.7.2 脱水阶段 14
3.7.3 后解决阶段 14
3.7.4 生产工艺流程叙述 15
第四章 工艺计算 16
4.1 原始数据及所需技术资料 16
4.2． 物料衡算 16
4.2.1对反映釜进行物料衡算： 17
4.2.2对蒸发器做物料衡算： 17
4.2.3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 19
5.1 搅拌反映釜的设计 19
5.1.1 物料衡算： 19
5.1.2热量衡算： 20
5.1.3 材料选择 23
5.1.4釜体的设计计算 23
5.1.5 封头的设计选型 24
5.1.6 封头与釜体的连接形式 24
5.1.7 支座形式 24
5.1.8 反映釜的液位 24
5.1．9 搅拌装置的设计 25
5.1.10 传热装置设计 25
5.1.11 反映器上的接管及尺寸 26
5.2 蒸发器 27
对蒸发器做物料衡算： 27
5.3 泵的选择 27
5.3.1输送甲醛的泵 27
5.3.2 输送成品泵 27
5.4 换热器选型 28
5.5 储罐的设计 28
5.5.1 储罐 28
5.5.2 高位计量槽 28
5.6旋风分离器选型 28
第六章 工厂布置 29
6.1工厂布置的基本任务 29
6.1.1工厂布置原则 29
6.1.2 厂区布置总图说明 31
6.2车间布置 31
6.2.1车间布置基本原则和规定： 31
6.2.2车间布置图说明 32
第七章 公用工程 33
7.1 通风 33
7.2 采暖 33
7.3 照明 33
第八章 设备一览表 34
第九章 设计小结 35
9.1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 ﹣7℃
5. 冻土深度：10cm
6. 地下水位：﹣25m
7. 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。20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 7.5—8.0
游离甲醛% < 0.15
固含量% 65左右
粘度 0.26Pa.s
2.2生产脲醛树脂的原料的特性与规格
尿素（CH4N2O）
相对分子质量：60 标准生成焓：Hf=-47.1KJ/mol
外观：白色结晶 热容：Cp=93.3J/mol.k
含氮量（以干基计）% ≥46.3 缩二脲含量% ≤0. 5
水分含量：≤0. 5 铁（Fe2O3）含量%：≤0.002
游离氨（NH3）含量%：≤0.01 水不溶物含量%：≤0.02

工业甲醛（福尔马林溶液）的物理性质
外观：无色透明液体，在低温时能自聚成微浑 30%含量
密度 815Kg/m3 标准生成焓：Hf=-116KJ/mol
甲醛含量，g/100g：37±0.5 甲醇含量，g/100g：≤12
甲酸含量g/100ml：≤0.04 铁含量，g/100ml：≤0.0005
灼烧残渣含量，g/100ml：≤0.005 闪点，℃：60
沸点，℃：96 贮存温度，℃：15.6～32.2

三聚氰胺（ C3H6N6 ）
相对分子质量：126 外观：白色结晶
含量（升华法）： 99.9% 甲醛溶解度（80℃/10min）：全溶 比热容（0—80℃） 1.47J/（g. ℃） 摩尔热容 :5.53J/（mol.℃）
标准生成焓：Hf=627.9KJ/mol 生成墒 :-830J/（mol.℃）
生成自由能: 177 KJ/mol 燃烧热: -1.9mJ/ mol
生成热：-71.7 KJ/mol 熔点: 354℃
相对密度:1.578 折射率:1.872

氢氧化钠（NaOH）
相对分子质量: 40 含量:40%
密度:2.130g/m3 熔点: 318.4 ℃
沸点: 1390 ℃
甲酸（HCOOH）
密度: 1.22 g/m3 含量:10%
熔点: 8.6 ℃ 沸点: 100.8℃
闪点: 68.9 ℃ 粘度: 1.784 mpa.s

第三章 合成工艺设计和分析
3.1 游离甲醛的来源
（1）树脂合成时，一般甲醛要过量，所以甲醛反映不充足，使树脂中残留未反映的游离甲醛。
（2）在脲醛树脂合成的过程中，由于部分质子化的甲醛分子的存在，在胶体粒子周边形成吸附双粒子层，使树脂的稳定性加强，一旦加入固化剂后，树脂固化过程中在电解质的作用下，吸附粒子层遭到破坏，从而释放出甲醛。
（3）在树脂合成中已参与反映的甲醛，由于生成了不稳定的基团，它们在热压或板材使用过程中分解，又释放出已结合的甲醛。
（4）在温度高、湿度大的环境下，产品内的胶层老化，以及木材中的半纤维素分解，也会释放甲醛。
由上所知，甲醛释放的因素是很复杂的，并且是不可避免的，而产生甲醛释放最重要、最直接的因素是液胶中的游离甲醛的含量和微观结构的不合理。因而，减少甲醛释放量的最有效的方法是合成甲醛含量低、微观结构合理的树脂。
3.2 减少游离甲醛含量的途径
（1）低物质的量比（F/U）分批加入尿素
通常胶合板生产使用UF 树脂胶接剂F/U为：1.7-2.0，无臭UF树脂胶接剂F/U 降到1.0-1.3。有研究表白，当尿素与甲醛比从1：1.8 降到1：1.3 后，甲醛释放量会减少2/3。为了尽量减少产品中的游离甲醛，采用分批加入尿素与甲醛进行反映。
UF树脂的合成反映重要由加成反映和缩聚反映两部分组成。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。具体发生的化学反映重要如下：
在碱性条件下的反映是生成以羟甲基脲的反映，在特殊条件下，甲醛过量时，也可生成三羟基脲和四羟基脲。

在酸性条件下的反映是先羟甲基和氨基，后羟甲基和羟甲基之间的缩合反映。

这种缩合反映使分子增长，生成具有羟甲基的低聚物，将这种低聚物作为胶粘剂使用。并且胶粘剂的固化是在酸性条件下进行的，树脂进一步缩合形成立体构造的巨大分子。在反映的初期，甲醛过量有助于生成二羟甲基脲，对增长树脂的胶联度有较大的作用。但甲醛过量太多时，游离甲醛含量偏高，又易形成稳定性较差的醚键，醚键在热压时放出次甲基转化成甲醛；并且醚键越多，树脂亲水性就越大，致使耐水性变差。所以甲醛与尿素摩尔比的选择很重要，在整个实验过程中应尽量减少加入甲醛的物质的量比，但对某局部过程却采用加大甲醛与尿素的比例，使之局部过程形成尽也许多的二羟甲脲。目前采用的方法有三步、四步加入法，其中以三步法为多。一般环节如下：第一批尿素的加入U/F>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、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. 2～7. 8,加入第一批尿素,升温至90 ℃反映30 min,调pH值至5. 4～5. 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. 0～8. 5,反映20min。调pH值至6. 5～6. 9,加入第二批尿素,反映至所需粘度。再将pH值调至7. 5～8. 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,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变化
—△—温度temp; —○—pH值pH value; —□—F /U
3.4.2　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Ⅱ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11～13 时,一羟甲脲与二羟甲脲的形成极慢,这样就会导致羟甲基化不完全,游离甲醛含量升高,树脂的其他性能下降。因此加成反映阶段的pH选择8.0 ,9.0和10.0 ,其他工艺条件不变,其实验结果见表3-4。由表3-4知,pH变化对改性脲醛树脂的黏度变化影响不大;固化时间随pH的减少而减少,并且当pH从10降到9时,固化时间的变化较大。
游离甲醛含量随pH的减少而升高,羟甲基含量、储存期随pH的减少而升高。胶合强度及甲醛释放量随pH的减少而减少,预压性能随pH的减少而越来越好。因此加成反映阶段减少pH有助于提高改性脲醛树脂的各项性能
（2）反映温度对改性脲醛树脂的影响
在其他工艺条件相同时,加成反映温度较高有助于羟甲基化的完全反映。由表3-4 可知,反映温度在80℃时改性脲醛树脂的黏度增长较快,表白低温条件下进行加成反映对提高黏度有利。反映温度越低,改性脲醛树脂的固化速度越快,树脂中的游离甲醛和羟甲基含量随反映温度的减少而升高,改性脲醛树脂的储存期随反映温度的减少而缩短。加成反映温度对胶合强度的影响较小,预压性能随加成反映温度的下降而下降,甲醛释放量随加成反映温度的减少而略有升高(在本次实验范围内)。综合而言,升高加成反映温度有助于提高改性脲醛树脂的综合性能
（3）反映时间改性脲醛树脂的影响
在其他工艺条件不变时,反映时间对改性脲醛树脂各项性能的影响不具有明显的规律性(表3-4) 。相比较而言,适中的反映时间对改性脲醛树脂的合成有利。
3.5.2　缩聚反映阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响
（1）pH改性脲醛树脂的影响
缩聚反映阶段的pH 控制被认为是脲醛树脂合成的关键因素。在酸性条件下,一羟甲脲和二羟甲脲与尿素及甲醛进行缩聚反映,重要生成亚甲基键和少量醚键连接的低分子化合物,在pH较低的情况下,缩聚反映速度快,易生成不含羟甲基的聚次甲基脲不溶性沉淀,树脂的水溶性减少,游离甲醛含量增长,合用期缩短,缩聚反映不易控制。这些不利因素在改性脲醛树脂的合成中同样存在。由表3-4 可知,pH对固化时间、游离甲醛含量和羟甲基含量的影响无明显规律性。这也许是pH相对较高导致的(普通脲醛树脂缩聚反映的pH在4.5左右)。而粘度在pH为5.2 时有较大的增长。pH对储存期的影响相称显著,pH较高有助于储存期的延长;胶合强度随pH的减少而增大;预压性能在缩聚反映的整个pH范围内均较抱负。pH对甲醛释放量的影响相称显著,随着pH的减少甲醛释放量明显下降。12号实验的结果可以解释为:较低的pH增长了反映速度及剧烈限度,在缩聚过程中小分子生成较多,这是导致黏度、游离甲醛含量和羟甲基含量上升的因素;以N H4 Cl 为固化剂时胶液体系中需具有一定量的游离甲醛才干使胶液固化,而12号实验结果中游离甲醛含量相对较高,从而导致胶合强度上升,甲醛释放量下降。
（2）反映温度改性脲醛树脂的影响
较高或较低的反映温度,对黏度的影响都较大(表3-4);改性脲醛树脂的固化时间随缩聚温度的减少而缩短;改性脲醛树脂的游离甲醛随反映温度的减少有减少的趋势;改性脲醛树脂的羟甲基含量随反映温度的减少而增长;高温或低温反映不利于储存期的延长和胶合强度的提高;反映温度越低则胶合板预压性能越差;此外,高温反映有助于减少甲醛释放量。
（3）初摩尔比改性脲醛树脂的影响
初摩尔比为2.7～1.9时,黏度随初摩尔比的减少而增大,固化时间随初摩尔比的减少而缩短,游离甲醛含量在高初摩尔比时较低,羟甲基含量随初摩尔比的减少而减少;储存期受初摩尔比的影响极为明显,初摩尔比越高则储存期越长;胶合强度在初摩尔比为
2.3时最佳,预压性能与初摩尔比的关系不能拟定。甲醛释放量有随初摩尔比减少而升高的趋势。初摩尔比为115时,对粘度的影响最大,羟甲基含量、胶合强度也明显增大,甲醛释放量已经超过E1 级的水平.
3.6 改性脲醛树脂合成工艺路线
脲醛树脂合成采用弱碱——弱酸——弱碱工艺。
重要反映：
(1) 加成反映(羟甲基化)：甲醛与尿素一方面生成一羟甲基脲和二羟甲基脲。

(2) 缩聚反映　由于缩聚反映是逐步形成的,在脱水过程中, 相邻羟甲基脲分子之间通过亚甲基键或二亚甲基醚键相连形成聚合物, 所以工业生产脲醛树脂时, 可以根据缩聚反映的进一步限度来控制产物的相对分子质量。其水溶液随相对分子质量的高低表现为低黏度、高黏度、透明和浑浊的浆液。工业生产的脲醛树脂相对分子质量为数百至数千。

（3）三聚氰胺的羟甲基化反映

（4）三聚氰胺的缩聚反映
3.7 合成脲醛树脂树脂工艺
脲醛树脂的生产分三个阶段，每个阶段具体工艺如下：
合成工艺

反映阶段 脱水阶段 后解决阶段
原料分批加入

加成反映 缩聚反映 蒸发 过滤
3.7.1 反映阶段
（1）加成反映阶段
加成反映阶段,pH的减少对改性脲醛树脂各项性能的提高是有利的;升高加成反映温度对改性脲醛树脂综合性能的提高有较好的影响;选择适中的加成反映时间有助于提高改性脲醛树脂的综合性能;
（2） 缩聚反映阶段
缩聚反映阶段,pH的减少除不利于储存期的延长外,对改性脲醛树脂其他性能的提高均有较好的影响;缩聚温度不宜过高或过低,否则不利于改性脲醛树脂综合性能的提高;此外，初摩尔比的变化能明显地影响储存期,初摩尔比越高储存期越长;甲醛释放量有随初摩尔比减少而呈升高的趋势。
3.7.2 脱水阶段
将反映釜中的溶液送到蒸发器中脱水，使产品的固含量达成质量标准。
3.7.3 后解决阶段
成品必须过滤除去树脂中的杂质，如未反映的三聚氰胺，未醚化的羟基三聚氰胺低聚物，残余的催化剂等。助滤剂可采用硅藻土、碳酸镁等物质，过滤温度以60～70℃为宜。
3.7.4 生产工艺流程叙述
（1） 在反映釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 2～7. 8 共30min
（2） 加入第一批尿素,升温至90 ℃反映30 min,调pH值至
5. 4～5. 6,反映至所需粘度- 共1h
（3） 加入第二批甲醛和三聚氰胺，调pH值至8. 0～8. 5,
反映20min。 共1h
（4） 调pH值至6. 5～6. 9,加入第二批尿素,反映至所需粘度。 共30min
（5） 再将pH值调至7. 5～8.0,加入第三批尿素，反映0. 5 h。 共1h
（6） 将溶液送到蒸发器中蒸发部分水分 共30min
（7） 冷却送到产品储罐 共30min

第四章 工艺计算
4.1 原始数据及所需技术资料
（1） 生产规模 30000t/年
（2） 生产时间 年开工时间8000h
（3） 生产方式 间歇式生产
（4） 生产量 天天四批
本设计是年产30000吨的改性脲醛树脂工厂
其产品是80%的尿醛树脂树脂水溶液，纯脲醛树脂溶质为30000吨
（5） 损失率 2.3%
（6） 计算顺序 由于产物与原料间计量关系比较简朴，且整个工艺过程也较简朴，容易得到原料间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。
（7） 化学变化参数
尿素 甲醛 三聚氰胺 聚合物结构单元

分子量 60 30 126 102.52

在计算聚合物结构元的分子量时，三聚氰胺占尿素的3% 则其占原料的比例为60×0.03/60+30×1.1+126=0.8%其中1.1为甲醛与尿素的最终摩尔比。
单体—CH2-NH-C=O-NHCH2O-n分子量为102 三聚氰胺聚合物分子量为168
所以聚合物结构单元的分子量为102×99.2%+168×0.8%=102.52
4.2． 物料衡算
衡算公式：进料量=出料量+损失量
由于产量较小，计算基准定为公斤/天 （Kg/h）
日产量Wd=3000×1000/（8000×0.977)=3838.280Kg/h
重要原料投料量
尿素结构在聚合物结构单元中占58/102.52 = 57%
所以，尿素投料量=3838.280×57%=2187.820Kg/h
三聚氰胺投料量=2187.820×3%=65.635Kg/h
甲醛投料量=2187.820/60×1.1×30= 1203.301Kg/h
工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=1203.301/30%=4011Kg/h
4.2.1对反映釜进行物料衡算：

在反映过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其自身并不参与反映，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。
进料量 = 工业甲醛+三聚氰胺+尿素
= 4011+65.635+2187.820
=6264.455Kg/h
根据化学计量式有
三聚氰胺反映完全所消耗的甲醛量=65.635×60/126=31.255Kg/h
和尿素反映的甲醛量=1203.301—31.255=1172.046Kg/h
三聚氰胺反映后生成的聚合物量=65.635×168/126=87.513Kg/h
三聚氰胺反映生成的水=65.635×18/126=9.376Kg/h
反映的尿素量=1172.046×60/60=1172.046Kg/h
甲醛，尿素反映生成的聚合物量=1172.046×102/60=1992.478 Kg/h
甲醛，尿素反映生成的水量=1172.046×18/60=351.614 Kg/h
未反映的尿素=2187.820—1172.046=1015.774Kg/h
系统中的水=9.376+351.614+4011×70%
=3168.690Kg/h
出料量=聚合混合物+水+未反映的物料量
=87.513+1992.478+3168.690+1015.774
=6264.455Kg/h
进料量=6264.455Kg/h=出料量=6264.455Kg/h
所以反映釜物料平衡
4.2.2对蒸发器做物料衡算：

进料量=6164.455Kg/h
蒸发出的水=6264.455—3838.280/0.8=1466.605Kg/h
产品=6164.455-1466.605=4797.850
出料量= 产品+蒸发出的水
=4797.850+1466.605
=6764.455Kg/h
进料量=出料量 所以蒸发器物料平衡
4.2.3对整个系统做物料平衡计算
进料量=4011+65.635+2187.820
=6264.455Kg/h
出料量=4797.850+1466.605
=6264.455Kg/h
总物料平衡， 所以整个系统物料平衡。

物料名称
数据（ Kg/h ）
纯净甲醛
1203.301
工业甲醛
4011
纯三聚氰胺
65.635
尿素
2187.820
系统中水
3168.690
产品
4797.850
物料平衡表

第五章 设备工艺计算及其选型
5.1 搅拌反映釜的设计
一天四釜，先对反映釜做物料和热量衡算
5.1.1 物料衡算：
衡算公式：进料量=出料量+损失量
产量W= 30000×1000/（8000×0.977）=3838.280Kg/h
一天四釜所以一釜物料为=3838.280×6=23029.680Kg
重要原料投料量
尿素结构在聚合物结构单元中占58/102.52=57%
所以，尿素投料量=23029.680×57%=13126.918Kg
三聚氰胺投料量=13126.918×3%=393.810Kg
甲醛投料量=13126.918/60×1.1×30=7219.805Kg
工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=7219.805/30%=24066.017Kg
对反映釜进行物料衡算：
在反映过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其自身并不参与反映，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。
进料量=工业甲醛+三聚氰胺+尿素
=24066.017+393.810+13126.918
=37586.745Kg
根据化学计量式有
三聚氰胺反映完全所消耗的甲醛量=393.810×60/126=187.529Kg
和尿素反映的甲醛量=7219.805—187.529=7032.276Kg
三聚氰胺反映后生成的聚合物量=393.810×168/126=525.080Kg
三聚氰胺反映生成的水=393.810×18/126=56.259Kg
反映的尿素量=7032.276×60/60=6032.276Kg
甲醛，尿素反映生成的聚合物量=7032.276×102/60=11954.869Kg
甲醛，尿素反映生成的水量=7032.276×18/60=2106.683Kg
未反映的尿素=13126.918-7032.276=6094.642Kg
系统中的水=56.259+2109.683+24066.017×70%
=19012.154Kg/d
出料量=聚合混合物+水+未反映的物料量
=525.080+11954.869+19012.154+6094.642
=37586.745Kg
进料量 =37586.745Kg=出料量=37586.745Kg
所以反映釜物料平衡
5.1.2热量衡算：
(1)计算依据及基准
间歇式生产热量衡算基本方程式
Q物料带入+Q热负荷=Q物料带出+Q热损失
化学热量衡算一般方程式
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
其中： Q1 所解决的物料带入设备的热量；
Q2 换热剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸取热量为“－”）；
Q3 化学反映热（符号规定过程放热为“+”，过程吸热为“－”）；
Q4 离开设备物料带走的热量；
Q5 设备消耗热量；
Q6 设备向周边散失的热量，又称热损失。
(2) 热量衡算
由于各股物料都是在常温下加入，所以 Q1=0
反映热的计算：Q3
其中用到化学键键能：
N-H:389 KJ/mol C=O:728 KJ/mol C-O:26 KJ/mol
C-N:305 KJ/mol O-H:464KJ/mol