年产3000吨脲醛树脂工厂设计样本.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：材料和化学工程学院

专 业：08化学工程和工艺

姓 名：李小磊

学 号：

指导老师：章祥林

完成日期：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 脲醛树脂应用及发展概况 2
1.2.3 具体生产产品确实定 2
1.2.4 本课题预处理关键问题 3
第二章 产品和原料性质和规格 4
2.1 改性脲醛树脂质量标准和规格 4
2.2生产脲醛树脂原料特征和规格 4
第三章 合成工艺设计和分析 6
3.1 游离甲醛起源 6
3.2 降低游离甲醛含量路径 6
3.3 改性脲醛(MUF)树脂合成 7
3.4 合成过程中原料对反应结果影响 8
3.4.1 甲醛和尿素摩尔比影响： 8
3.4.2　三聚氰胺用量影响 9
3.5　不一样工艺条件下改性脲醛树脂合成结果 10
3.5.1　加成反应阶段各工艺参数改变对改性脲醛树脂影响 11
3.5.2　缩聚反应阶段各工艺参数改变对改性脲醛树脂影响 12
3.6 改性脲醛树脂合成工艺路线 13
关键反应 13
3.7 合成脲醛树脂树脂工艺 14
3.7.1 反应阶段 14
3.7.2 脱水阶段 14
3.7.3 后处理阶段 14
3.7.4 生产工艺步骤叙述 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对反应釜进行物料衡算： 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 搅拌反应釜设计 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釜体设计计算 23
5.1.5 封头设计选型 24
5.1.6 封头和釜体连接形式 24
5.1.7 支座形式 24
5.1.8 反应釜液位 24
5.1．9 搅拌装置设计 25
5.1.10 传热装置设计 25
5.1.11 反应器上接管及尺寸 26
5.2 蒸发器 27
对蒸发器做物料衡算： 27
5.3 泵选择 27
5.3.1输送甲醛泵 27
5.3.2 输送成品泵 27
5.4 换热器选型 28
5.5 储罐设计 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 工厂部署 29
6.1工厂部署基础任务 29
6.1.1工厂部署标准 29
6.1.2 厂区部署总图说明 31
6.2车间部署 31
6.2.1车间部署基础标准和要求： 31
6.2.2车间部署图说明 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：树脂是一个用途十分广泛有机化工产品。本设计产品是腐植酸改性脲醛树脂，合成反应关键由加成反应和缩聚反应两部分组成。腐植酸是自然界中广泛存在大分子有机物质，广泛应用于农林牧、石油、化工、建材、医药卫生、环境保护等各个领域。因为脲醛树脂胶原料是尿素和甲醛，原料起源丰富，且生产工艺简单、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色和使用方便等优点，很快成为中国人造板生产关键粘合剂，现在约占木材工业用量80%以上，但伴随应用领域和用量增加。脲醛树脂胶制品中散发出来游离甲醛污染环境，尤其是用该板材制成家俱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，所以造成对人体危害。本工艺专门针对怎样降低散发游离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氨基树脂，两个反应是先加成后缩聚，但又没有显著界限，受反应条件影响只是在弱碱性条件下加成反应占优势，在弱酸性介质中缩聚反应进行较顺利。本设计是年产30000吨脲醛树脂工厂设计，关键进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺步骤图、物料步骤图。
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. 运输条件：公路，铁路
1.2 工厂设计可行性分析
1.2.1 设计任务
依据调查世界脲醛树脂生产能力为684.7万吨/年，需求量增加速度大约为每十二个月3.6%；中国脲醛树脂产量为5.43万吨/年，而中国还有很大市场需求空间，依据设计地点进行考察合肥地域需求量，尤其是合肥建材市场，所需水浸渍法制木屑板含80%脲醛树脂水溶液，老生产工艺不能完全满足现代化生产需求，所以要对氨基树脂生产进行全新设计。本设计关键任务就是完成30000吨脲醛树脂工厂初步设计。
1.2.2 脲醛树脂应用及发展概况
脲醛树脂是由B.tollens于1884 年首次合成，1929年德国I.G染料企业取得第一个脲醛树脂胶粘剂专利，其后在人造板工业中得到了快速发展。中国1957 年开始工业化生产，因为UF 树脂胶原料是尿素和甲醛，原料起源丰富，且生产工艺简单、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色和使用方便等优点，很快成为中国人造板生产关键粘合剂，现在约占木材工业用量80%以上。但伴随应用领域和用量增加，UF树脂胶制品中散发出来游离甲醛污染环境，尤其是用该板材制成家俱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，所以造成对人体危害。伴随大家对室内环境要求提升,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)胶粘剂研究成为热点。寻求环境友好生产技术和“绿色人造板”产品是含有战略意义关键课题，各国对此全部十分重视。20世纪80 年代以来，中国外科技工作者对怎样降低脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量研究作了很多工作。据报道，中国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 具体生产产品确实定
考虑人造板胶粘剂中甲醛释放量高低直接关系到人民生活水平和健康情况好坏，为了降低甲醛释量，改变脲醛树脂特征采取工艺是用三聚氰胺改性和新技术生产脲醛氨基脂。
1.2.4 本课题预处理关键问题
脲醛树脂。英文缩写UF。耐弱酸、弱碱，绝缘性能好，耐磨性极佳，价格廉价，但遇强酸、强碱易分解，耐水性和电性能较差，耐热性也不高，所以要处理是降低甲醛释放量，改变脲醛树脂特征。
本设计将经过适宜工艺，使生产出来产品甲醛释放量能够达成国家甚至国际胶粘剂质量标准，并使脲醛树脂缺点得以改善，以提升人民生活水平健康情况！

第二章 产品和原料性质和规格
2.1 改性脲醛树脂质量标准和规格
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生产脲醛树脂原料特征和规格
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）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 游离甲醛起源
（1）树脂合成时，通常甲醛要过量，所以甲醛反应不充足，使树脂中残留未反应游离甲醛。
（2）在脲醛树脂合成过程中，因为部分质子化甲醛分子存在，在胶体粒子周围形成吸附双粒子层，使树脂稳定性加强，一旦加入固化剂后，树脂固化过程中在电解质作用下，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应甲醛，因为生成了不稳定基团，它们在热压或板材使用过程中分解，又释放出已结合甲醛。
（4）在温度高、湿度大环境下，产品内胶层老化，和木材中半纤维素分解，也会释放甲醛。
由上所知，甲醛释放原因是很复杂，而且是不可避免，而产生甲醛释放最关键、最直接原因是液胶中游离甲醛含量和微观结构不合理。所以，降低甲醛释放量最有效方法是合成甲醛含量低、微观结构合理树脂。
3.2 降低游离甲醛含量路径
（1）低物质量比（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。有研究表明，当尿素和甲醛比从1：1.8 降到1：1.3 后，甲醛释放量会降低2/3。为了尽可能降低产品中游离甲醛，采取分批加入尿素和甲醛进行反应。
UF树脂合成反应关键由加成反应和缩聚反应两部分组成。两个反应是先加成后缩聚，但又没有显著界限，受反应条件影响只是在弱碱性条件下加成反应占优势，在弱酸性介质中缩聚反应进行较顺利。具体发生化学反应关键以下：
在碱性条件下反应是生成以羟甲基脲反应，在特殊条件下，甲醛过量时，也可生成三羟基脲和四羟基脲。

在酸性条件下反应是先羟甲基和氨基，后羟甲基和羟甲基之间缩合反应。

这种缩合反应使分子增加，生成含有羟甲基低聚物，将这种低聚物作为胶粘剂使用。而且胶粘剂固化是在酸性条件下进行，树脂深入缩合形成立体结构巨大分子。在反应早期，甲醛过量有利于生成二羟甲基脲，对增加树脂胶联度有较大作用。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醚键，醚键在热压时放出次甲基转化成甲醛；而且醚键越多，树脂亲水性就越大，致使耐水性变差。所以甲醛和尿素摩尔比选择很关键，在整个试验过程中应尽可能降低加入甲醛物质量比，但对某局部过程却采取加大甲醛和尿素百分比，使之局部过程形成尽可能多二羟甲脲。现在采取方法有三步、四步加入法，其中以三步法为多。通常步骤以下：第一批尿素加入U/F>2，确保二羟基脲生成；第二批尿素加入后U/F=1.8-1.9，使加入甲醛尽可能反应充足，降低游离甲醛含量；第三批尿素加入，使产品游离甲醛深入降低。经过上述方法使产品中游离甲醛含量低于1%。同时应控制适宜介质LB 值、反应温度和反应时间以使反应达成最好效果。
（2） 加入复合改性剂
通常UF 树脂F/U 物质量比降低时，会同时带来以下部分问题：树脂胶粘性能下降、树脂储存期缩短、树脂水溶性降低、树脂初粘性下降等。为了处理这些问题，在树脂合成时要添加多种改性剂。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。改性剂加入后和在缩聚阶段产生羟甲基碳正离子进行缩醛化反应，其作用是控制树脂胶联度，不停和反应过程中游离出甲醛进行反应。
（3） 对体系微观过程和体系动力学研究
应用脲醛树脂胶体理论，从关键影响原因入手，经过大量试验，研制低游离甲醛含量脲醛树脂。实践证实，为改善树脂微观结构，合适降低缩聚阶段PH 值，有利于加紧缩聚反应速度和降低反应体系羟甲基相对含量，从而降低了在微观结构上形成二甲基醚或醚结构几率。中国也有对反应釜内流体动力学研究报道。搅拌过程是一产生流体复杂动力学过程，其中很可能存在着非线性浑浊现象。搅拌关键作用是尽可能使反应釜内流体流动处于完全混合状态，这么充足搅拌就能降低反应器内温度和浓度梯度，这和胶合成缩聚过程条件相匹配，所以充足搅拌是必需。制胶过程包含到复杂工艺和设备优化问题，如在工业生产中，往往应用了很成功小试结果，但总达不到小试效果，这在很大程度上是因为工业设备放大过程中，只注意了机理过程相同性，而没有充足考虑达成相同机理所应含有条件和环境应该相同或相同。大家又往往忽略掉最关键一条：动力学特征相同性，即设备放大前后，其动力学特征应尽可能保持不变。目前，在这方面工作正在进行着。
3.3 改性脲醛(MUF)树脂合成
在反应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 ℃反应30 min,调pH值至5. 4～5. 6,反应至所需粘度。加入第二批甲醛和三聚氰胺,调pH值至8. 0～8. 5,反应20min。调pH值至6. 5～6. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。再将pH值调至7. 5～8. 0,加入第三批尿素,反应0. 5 h，冷却出料。
3.4 合成过程中原料对反应结果影响
3.4.1 甲醛和尿素摩尔比影响：
因为F /U是对MUF树脂性能影响最大原因,所以首先比较了三聚氰胺用量为3 %时(以尿素总量计)不一样摩尔比对MUF树脂最终性能影响,试验结果见3-1
表3-1　甲醛和尿素摩尔比对MUF树脂性能影
能够看出,总体上伴随最终摩尔比r5 降低,游离甲醛、甲醛释放量、胶合强度全部在降低。当摩尔比降至一定程度后,脲醛树脂中就存在了相当数量游离尿素,能够吸收树脂中游离甲醛(树脂热固化释放出甲醛和树脂固化后水解时放出甲醛) ,从而达成低甲醛释放目标。但这些尿素一样会和活泼羟甲基脲反应,降低了脲醛树脂交联程度,也就减弱了板材胶合强度,所以摩尔比不宜过低。若将第二批尿素在反应末期一次性加入,在弱碱性条件下,尿素和未反应甲醛发生加成反应,生成羟甲基脲,树脂游离甲醛量降低了,而羟甲基脲在受热及水解时会放出甲醛,这能够解释树脂1相对较低游离甲醛和高甲醛释放量。将树脂2和3对比可知,在酸性阶段投放尿素量相同情况下,较早投放尿素树脂缩合程度较深,亚甲基桥键含量相对较多,羟甲基和亚甲基醚键含量相对较少,也就含有较低甲醛释放量。具体反应见图3-1。

图3-1　羟甲基脲缩合反应
另外,从树脂4和6、5和7对比中可看出,酸性阶段摩尔比超出某一特定值后,甲醛释放量会急剧上升,甚至超出最终摩尔比影响。但酸性阶段摩尔比也不可降得过低,不然会造成缩合反应速度加紧而不易控制[ 6 ] 。综合考虑以上各方面原因,采取图3-2工艺可实现制备E1级脲醛树脂目标
图3-2　制备E1级脲醛树脂时温度、pH值和摩尔比随时间改变
—△—温度temp; —○—pH值pH value; —□—F /U
3.4.2　三聚氰胺用量影响
三聚氰胺用量对树脂性能影响很大。表3-2中列出了采取相同工艺时,三聚氰胺不一样用量和改性脲醛树脂性能之间关系。
表3-2中树脂全部是采取相同摩尔比和弱碱—弱酸—弱碱制胶工艺,但伴随三聚氰胺用量增加,甲醛释放量不停降低,胶合强度则先增加后下降。这是因为三聚氰胺和甲醛加成反应能够形成一系列从二羟甲基三聚氰胺到六羟甲基三聚氰胺混合物,不一样羟甲基三聚氰胺之间相互发生缩合反应,生成亚甲基桥键和亚甲基醚键,并保留了一部分还未反应羟甲基基团,具体过程可见图3-3。而正是相当数量亚甲基醚键存在才使得MUF树脂在热固化时极少放出甲醛,而脲醛树脂在一样条件下却会产生大量甲醛气体。伴随三聚氰胺用量增加,三聚氰胺和甲醛缩合产物中亚甲基醚键含量也在增加,降低了树脂在热固化及水解时放出甲醛量。同时因为引入了多官能度三聚氰胺分子,提升了树脂交联程度,也就加强了板材胶合性能。其次,伴随三聚氰胺羟甲基化进行,其N原子亲核性不停增强,反应活性也不停加强,而尿素情况则恰恰相反,这就使得三聚氰胺加入降低了树脂固化速度,造成在一样热压条件下因为固化不完全而使板材胶合强度不停下降。所以,三聚氰胺用量也不可过高。表3-2中后4份树脂甲醛释放量全部达成了E1级要求,但树脂10和11胶合强度却低于Ⅱ类板标准要求0. 7MPa。
表3-2　三聚氰胺用量对树脂性能影响

图3-3　三聚氰胺和甲醛羟甲基化反应及其产物缩合反应

3.5　不一样工艺条件下改性脲醛树脂合成结果

表3-3不一样工艺参数条件下改性脲醛树脂合成及其性能指标测定结果。
表3-4不一样反应条件对改性脲醛氨基树脂影响

3.5.1　加成反应阶段各工艺参数改变对改性脲醛树脂影响
（1）pH对改性脲醛树脂影响
脲醛树脂形成机理表明,加成产物除受尿素和甲醛摩尔比影响外,还受反应介质pH影响.反应介质pH为7.5以上时,极少发生缩聚反应,但加成反应在此周围开始,且反应速度随pH升高而加紧,当pH达成11～13 时,一羟甲脲和二羟甲脲形成极慢,这么就会造成羟甲基化不完全,游离甲醛含量升高,树脂其它性能下降。所以加成反应阶段pH选择8.0 ,9.0和10.0 ,其它工艺条件不变,其试验结果见表3-4。由表3-4知,pH改变对改性脲醛树脂黏度改变影响不大;固化时间随pH降低而降低,而且当pH从10降到9时,固化时间改变较大。
游离甲醛含量随pH降低而升高,羟甲基含量、储存期随pH降低而升高。胶合强度及甲醛释放量随pH降低而降低,预压性能随pH降低而越来越好。所以加成反应阶段降低pH有利于提升改性脲醛树脂各项性能
（2）反应温度对改性脲醛树脂影响
在其它工艺条件相同时,加成反应温度较高有利于羟甲基化完全反应。由表3-4 可知,反应温度在80℃时改性脲醛树脂黏度增加较快,表明低温条件下进行加成反应对提升黏度有利。反应温度越低,改性脲醛树脂固化速度越快,树脂中游离甲醛和羟甲基含量随反应温度降低而升高,改性脲醛树脂储存期随反应温度降低而缩短。加成反应温度对胶合强度影响较小,预压性能随加成反应温度下降而下降,甲醛释放量随加成反应温度降低而略有升高(在此次试验范围内)。综合而言,升高加成反应温度有利于提升改性脲醛树脂综合性能
（3）反应时间改性脲醛树脂影响
在其它工艺条件不变时,反应时间对改性脲醛树脂各项性能影响不含有显著规律性(表3-4) 。相比较而言,适中反应时间对改性脲醛树脂合成有利。
3.5.2　缩聚反应阶段各工艺参数改变对改性脲醛树脂影响
（1）pH改性脲醛树脂影响
缩聚反应阶段pH 控制被认为是脲醛树脂合成关键原因。在酸性条件下,一羟甲脲和二羟甲脲和尿素及甲醛进行缩聚反应,关键生成亚甲基键和少许醚键连接低分子化合物,在pH较低情况下,缩聚反应速度快,易生成不含羟甲基聚次甲基脲不溶性沉淀,树脂水溶性降低,游离甲醛含量增加,适用期缩短,缩聚反应不易控制。这些不利原因在改性脲醛树脂合成中一样存在。由表3-4 可知,pH对固化时间、游离甲醛含量和羟甲基含量影响无显著规律性。这可能是pH相对较高造成(一般脲醛树脂缩聚反应pH在4.5左右)。而粘度在pH为5.2 时有较大增加。pH对储存期影响相当显著,pH较高有利于储存期延长;胶合强度随pH降低而增大;预压性能在缩聚反应整个pH范围内均较理想。pH对甲醛释放量影响相当显著,伴随pH降低甲醛释放量显著下降。12号试验结果能够解释为:较低pH增加了反应速度及猛烈程度,在缩聚过程中小分子生成较多,这是造成黏度、游离甲醛含量和羟甲基含量上升原因;以N H4 Cl 为固化剂时胶液体系中需含有一定量游离甲醛才能使胶液固化,而12号试验结果中游离甲醛含量相对较高,从而造成胶合强度上升,甲醛释放量下降。
（2）反应温度改性脲醛树脂影响
较高或较低反应温度,对黏度影响全部较大(表3-4);改性脲醛树脂固化时间随缩聚温度降低而缩短;改性脲醛树脂游离甲醛随反应温度降低有降低趋势;改性脲醛树脂羟甲基含量随反应温度降低而增加;高温或低温反应不利于储存期延长和胶合强度提升;反应温度越低则胶合板预压性能越差;另外,高温反应有利于降低甲醛释放量。
（3）初摩尔比改性脲醛树脂影响
初摩尔比为2.7～1.9时,黏度随初摩尔比降低而增大,固化时间随初摩尔比降低而缩短,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降低而降低;储存期受初摩尔比影响极为显著,初摩尔比越高则储存期越长;胶合强度在初摩尔比为
2.3时最好,预压性能和初摩尔比关系不能确定。甲醛释放量有随初摩尔比降低而升高趋势。初摩尔比为115时,对粘度影响最大,羟甲基含量、胶合强度也显著增大,甲醛释放量已经超出E1 级水平.
3.6 改性脲醛树脂合成工艺路线
脲醛树脂合成采取弱碱——弱酸——弱碱工艺。
关键反应：
(1) 加成反应(羟甲基化)：甲醛和尿素首先生成一羟甲基脲和二羟甲基脲。

(2) 缩聚反应　因为缩聚反应是逐步形成,在脱水过程中, 相邻羟甲基脲分子之间经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, 能够依据缩聚反应深入程度来控制产物相对分子质量。其水溶液随相对分子质量高低表现为低黏度、高黏度、透明和浑浊浆液。工业生产脲醛树脂相对分子质量为数百至数千。

（3）三聚氰胺羟甲基化反应

（4）三聚氰胺缩聚反应
3.7 合成脲醛树脂树脂工艺
脲醛树脂生产分三个阶段，每个阶段具体工艺以下：
合成工艺

反应阶段 脱水阶段 后处理阶段
原料分批加入

加成反应 缩聚反应 蒸发 过滤
3.7.1 反应阶段
（1）加成反应阶段
加成反应阶段,pH降低对改性脲醛树脂各项性能提升是有利;升高加成反应温度对改性脲醛树脂综合性能提升有很好影响;选择适中加成反应时间有利于提升改性脲醛树脂综合性能;
（2） 缩聚反应阶段
缩聚反应阶段,pH降低除不利于储存期延长外,对改性脲醛树脂其它性能提升全部有很好影响;缩聚温度不宜过高或过低,不然不利于改性脲醛树脂综合性能提升;另外，初摩尔比改变能显著地影响储存期,初摩尔比越高储存期越长;甲醛释放量有随初摩尔比降低而呈升高趋势。
3.7.2 脱水阶段
将反应釜中溶液送到蒸发器中脱水，使产品固含量达成质量标准。
3.7.3 后处理阶段
成品必需过滤除去树脂中杂质，如未反应三聚氰胺，未醚化羟基三聚氰胺低聚物，残余催化剂等。助滤剂可采取硅藻土、碳酸镁等物质，过滤温度以60～70℃为宜。
3.7.4 生产工艺步骤叙述
（1） 在反应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 ℃反应30 min,调pH值至
5. 4～5. 6,反应至所需粘度- 共1h
（3） 加入第二批甲醛和三聚氰胺，调pH值至8. 0～8. 5,
反应20min。 共1h
（4） 调pH值至6. 5～6. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。 共30min
（5） 再将pH值调至7. 5～8.0,加入第三批尿素，反应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 在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 2～7. 8 共30min
（8） 加入第一批尿素,升温至90 ℃反应30 min,调pH值至
5. 4～5. 6,反应至所需粘度- 共1h
（9） 加入第二批甲醛和三聚氰胺，调pH值至8. 0～8. 5,
反应20min。 共1h
（10） 调pH值至6. 5～6. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。 共30min
（11） 再将pH值调至7. 5～8.0,加入第三批尿素，反应0. 5 h。 共1h
（12） 将溶液送到蒸发器中蒸发部分水分 共30min
（13） 冷却送到产品储罐 共30mi

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） 生产方法 间歇式生产
（4） 生产量 天天四批
本设计是年产30000吨改性脲醛树脂工厂
其产品是80%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） 计算次序 因为产物和原料间计量关系比较简单，且整个工艺过程也较简单，轻易得到原料间百分比关系，所以采取顺步骤计算次序。
（7） 化学改变参数
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分子量时，三聚氰胺占尿素3% 则其占原料百分比为60×0.03/60+30×1.1+126=0.8%其中1.1为甲醛和尿素最终摩尔比。
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
因为产量较小，计算基准定为千克/天 （Kg/h）
日产量Wd=3000×1000/（8000×0.977)=3838.280Kg/h
关键原料投料量
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对反应釜进行物料衡算：

在反应过程中，甲酸和NaOH只是调整反应体系pH值，其本身并不参与反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中能够省去。则此时进料就为工业甲醛，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
依据化学计量式有
三聚氰胺反应完全所消耗甲醛量=65.635×60/126=31.255Kg/h
和尿素反应甲醛量=1203.301—31.255=1172.046Kg/h
三聚氰胺反应后生成聚合物量=65.635×168/126=87.513Kg/h
三聚氰胺反应生成水=65.635×18/126=9.376Kg/h
反应尿素量=1172.046×60/60=1172.046Kg/h
甲醛，尿素反应生成聚合物量=1172.046×102/60=1992.478 Kg/h
甲醛，尿素反应生成水量=1172.046×18/60=351.614 Kg/h
未反应尿素=2187.820—1172.046=1015.774Kg/h
系统中水=9.376+351.614+4011×70%
=3168.690Kg/h
出料量=聚合混合物+水+未反应物料量
=87.513+1992.478+3168.690+1015.774
=6264.455Kg/h
进料量=6264.455Kg/h=出料量=6264.455Kg/h
所以反应釜物料平衡
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 搅拌反应釜设计
一天四釜，先对反应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
关键原料投料量
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
对反应釜进行物料衡算：
在反应过程中，甲酸和NaOH只是调整反应体系pH值，其本身并不参与反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中能够省去。则此时进料就为工业甲醛，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
依据化学计量式有
三聚氰胺反应完全所消耗甲醛量=393.810×60/126=187.529Kg
和尿素反应甲醛量=7219.805—187.529=7032.276Kg
三聚氰胺反应后生成聚合物量=393.810×168/126=525.080Kg
三聚氰胺反应生成水=393.810×18/126=56.259Kg
反应尿素量=7032.276×60/60=6032.276Kg
甲醛，尿素反应生成聚合物量=7032.276×102/60=11954.869Kg
甲醛，尿素反应生成水量=7032.276×18/60=2106.683Kg
未反应尿素=13126.918-7032.276=6094.642Kg
系统中水=56.259+2109.683+24066.017×70%
=19012.154Kg/d
出料量=聚合混合物+水+未反应物料量
=525.080+11954.869+19012.154+6094.642
=37586.745Kg
进料量 =37586.745Kg=出料量=37586.745Kg
所以反应釜物料平衡
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础方程式
Q物料带入+Q热负荷=Q物料带出+Q热损失
化学热量衡算通常方程式
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
其中： Q1 所处理物料带入设备热量；
Q2 换热剂和设备和物料传输热量（符号要求加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“－”）；
Q3 化学反应热（符号要求过程放热为“+”，过程吸热为“－”）；
Q4 离开设备物料带走热量；
Q5 设备消耗热量；
Q6 设备向周围散失热量，又称热损失。
(2) 热量衡算
因为各股物料全部是在常温下加入，所以 Q1=0