年產(chǎn)3萬噸腐植酸改性脲醛樹脂工藝設(shè)計(jì)

1、材料與化學(xué)工程學(xué)院化工過程分析與合成大作業(yè)題目： 年產(chǎn)3萬噸腐植酸改性脲醛樹脂工藝設(shè)計(jì)課 題 類 別：工藝設(shè)計(jì)說明書學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 班 級： 專業(yè)（全稱）：化學(xué)工程與工藝指 導(dǎo) 教 師： 2011年 4月18日 年產(chǎn)3萬噸腐植酸改性脲醛樹脂工藝設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)產(chǎn)品是改性脲醛樹脂，合成反應(yīng)主要由加成反應(yīng)和縮聚反應(yīng)兩部分組成。由于脲醛樹脂膠的原料是尿素和甲醛，原料來源豐富，且生產(chǎn)工藝簡單、成本低、膠接性耐水性好、固化速度快、膠層無色以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，很快成為我國人造板生產(chǎn)的主要粘合劑，目前約占木材工業(yè)用量的80%以上，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域和用量的增加。脲醛樹脂膠制品中散發(fā)出來的游離甲醛污染

2、環(huán)境，特別是用該板材制成家具和進(jìn)行家庭裝潢后會釋放出殘留甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物（VOC），對人體皮膚、呼吸道和眼睛粘膜有刺激作用，因而造成對人體的危害。本工藝專門針對如何降低散發(fā)游離的甲醛和改性脲醛樹脂做了合理設(shè)計(jì)。脲醛樹脂是應(yīng)用最為廣泛的氨基樹脂兩個反應(yīng)是先加成后縮聚，但又沒有明顯的界限，受反應(yīng)條件影響只是在弱堿性條件下加成反應(yīng)占優(yōu)勢，在弱酸性介質(zhì)中縮聚反應(yīng)進(jìn)行的較順利。本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)900噸氨基樹脂工廠設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了工藝計(jì)算、設(shè)備選型，并繪制了全廠平面布置圖、工藝流程圖、物料流程圖、生產(chǎn)車間的立面圖和平面圖。關(guān)鍵詞： 腐植酸；改性脲醛樹脂；尿素； 車間設(shè)計(jì)；工廠設(shè)計(jì)目 錄摘 要I第一章 緒論1

3、1.1 廠址及氣象條件11.2 工廠設(shè)計(jì)可行性分析11.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和依據(jù)11.2.2 氨基樹脂的應(yīng)用及發(fā)展概況11.2.3 具體生產(chǎn)產(chǎn)品的確定21.2.4 本課題預(yù)解決的主要問題2第二章 產(chǎn)品與原料的性質(zhì)與規(guī)格32.1 改性三聚氰胺脲醛樹脂的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格32.2生產(chǎn)脲醛樹脂的原料的特性與規(guī)格3第三章 合成工藝設(shè)計(jì)和分析53.1 游離甲醛的來源53.2 降低游離甲醛含量的途徑53.3 三聚氰胺改性脲醛(MUF)樹脂的合成73.4 合成過程中原料對反應(yīng)結(jié)果的影響73.4.1 甲醛與尿素摩爾比的影響：73.4.2三聚氰胺用量的影響83.5不同工藝條件下改性脲醛樹脂的合成結(jié)果103.5.1加成

4、反應(yīng)階段各工藝參數(shù)變化對改性脲醛樹脂的影響113.5.2縮聚反應(yīng)階段各工藝參數(shù)的變化對改性脲醛樹脂的影響113.6 改性脲醛樹脂合成工藝路線12主要反應(yīng)123.7 合成脲醛樹脂樹脂工藝133.7.1 反應(yīng)階段143.7.2 脫水階段143.7.3 后處理階段143.7.4 生產(chǎn)工藝流程敘述14第四章 工藝計(jì)算154.1 原始數(shù)據(jù)及所需技術(shù)資料154.2 物料衡算154.2.1對反映釜進(jìn)行物料衡算：164.2.2對蒸發(fā)器做物料衡算：174.2.3對整個系統(tǒng)做物料平衡計(jì)算17第五章 設(shè)備工藝計(jì)算及其選型185.1 攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)185.1.1 物料衡算：185.1.2熱量衡算：195.1.3 材

5、料選擇225.1.4釜體的設(shè)計(jì)計(jì)算225.1.5 封頭的設(shè)計(jì)選型235.1.6 封頭與釜體的連接形式245.1.7 支座形式245.1.8 反應(yīng)釜的液位245.19 攪拌裝置的設(shè)計(jì)245.1.10 傳動裝置設(shè)計(jì)255.1.11 傳熱裝置設(shè)計(jì)255.1.12 反應(yīng)器上的接管及尺寸265.2 蒸發(fā)器 單效蒸發(fā)器275.2.1對蒸發(fā)器做物料衡算：275.2.2原料液流量275.3 泵的選擇295.3.1輸送甲醛的泵295.3.2 輸送成品泵295.4 換熱器選型295.5 儲罐的設(shè)計(jì)305.5.1 儲罐305.5.2 高位計(jì)量槽305.6旋風(fēng)分離器選型30第六章 工廠布置316.1工廠布置的基本任務(wù)

6、316.1.1工廠布置原則316.1.2 廠區(qū)布置總圖說明336.2車間布置336.2.1車間布置基本原則和要求：336.2.2車間布置圖說明35第七章 公用工程367.1 通風(fēng)367.2 采暖367.3 照明36第八章設(shè)備一覽表37第九章 設(shè)計(jì)小結(jié)389.1小結(jié)38第十章 參 考 文 獻(xiàn)39致 謝40第一章 緒論1.1 廠址及氣象條件1. 廠區(qū)位置：合肥經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)2. 地勢：廠區(qū)地勢平整3. 常年主導(dǎo)風(fēng)向：東北風(fēng)， 平均風(fēng)力二級4. 氣溫：最高氣溫 40 最低氣溫 105. 凍土深度：10cm6. 地下水位：25m7. 運(yùn)輸條件：公路，鐵路1.2 工廠設(shè)計(jì)可行性分析1.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和依據(jù)

7、本次設(shè)計(jì)根據(jù)章祥林老師的化工過程分析與開發(fā)課程結(jié)課課題年產(chǎn)3萬噸腐植酸改性脲醛樹脂的工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書，聯(lián)系自己在大學(xué)三年中所學(xué)的各種知識及實(shí)習(xí)過程中收集的資料，并且在參觀了安利合成革、豐樂農(nóng)化、氯堿化工廠的生產(chǎn)車間及初步了解化工生產(chǎn)的過程以后進(jìn)行該課題的設(shè)計(jì)。1.2.2 脲醛樹脂的應(yīng)用及發(fā)展概況脲醛樹脂又稱尿素甲醛樹脂，是由尿素與甲醛縮聚而成的熱固性樹脂性物質(zhì)的總稱，是一類重要的氨基樹脂。一般是無色到淺色液體或白色固體，無味，硬度高，耐油，抗霉，耐光性好。若在樹脂中加入纖維素則可增進(jìn)其機(jī)械性質(zhì)，變?yōu)椴Ａ频耐该鞫鹊娜闈嵝晕矬w，極為美觀。脲醛樹脂終端應(yīng)用十分廣泛，主要用于木材加工工業(yè)及家具行業(yè)

8、作粘合劑和膠粘樹脂，廣泛應(yīng)用于木器加工、膠合板、刨花板、中密度纖維板、人造板材的生產(chǎn)及室內(nèi)裝修等行業(yè)，其消費(fèi)占脲醛樹脂消費(fèi)的80%左右 。還在農(nóng)業(yè)、園藝上用作緩效肥料、用作膜塑材料、紙張和紡織處理劑、涂料以及用作保溫材料和吸音材料及建筑材料的發(fā)泡制品等。此產(chǎn)品還可用來制作化妝品和藥品的容器蓋、餐具、照相器材部件、鈕扣和長效肥料，尿素樹脂在國內(nèi)各大膠合板廠及涂料、塑料、機(jī)械工業(yè)有需求。目前，世界上脲醛樹脂的主要生產(chǎn)、消費(fèi)和地區(qū)是美國、西歐、日本。多年來，上述國家和地區(qū)在該領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。國內(nèi)脲醛 樹脂90%以上 用作脲醛膠生產(chǎn)，脲醛膠大約 80%是 由木材加工企業(yè)自產(chǎn)自用，只有大約20%是 由化

9、工企業(yè)生產(chǎn)再銷售給木材加工 企業(yè)。國內(nèi)脲醛樹脂生產(chǎn)企業(yè)中，萬噸/年以上的企業(yè)較少，多為木材加工企業(yè)自己配套的小脲醛樹脂裝置 。國內(nèi)木材加工企業(yè)多達(dá)3000余家，脲醛膠的生產(chǎn)極為分散，生產(chǎn)專業(yè)化水平低，產(chǎn)品質(zhì)量差，特別是游離甲醛含量高，污染嚴(yán)重。隨著國家從2002年開始執(zhí)行新的室內(nèi)裝飾材料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)法規(guī)，脲醛膠的生產(chǎn)格局正在發(fā)生以下變化：環(huán)保型脲醛的產(chǎn)量迅速提高、脲醛樹脂的比例逐漸提高、粉狀脲醛樹脂的比例逐漸提高。目前我國脲醛樹脂產(chǎn)量約為160萬噸，環(huán)保型脲醛樹脂全國生產(chǎn)能力大約20萬噸，預(yù)計(jì)2015年國內(nèi)脲醛樹脂產(chǎn)量將達(dá)到200萬噸，需求量將達(dá)到240萬噸左右，市場空間大，發(fā)展前景好，其中

10、環(huán)保型脲醛樹脂在國內(nèi)的發(fā)展?jié)摿Ω蟆?1.2.3 本課題預(yù)解決的主要問題脲甲醛樹脂。英文縮寫UF。耐弱酸、弱堿，絕緣性能好，耐磨性極佳，價格便宜，但遇強(qiáng)酸、強(qiáng)堿易分解，耐水性和電性能較差，耐熱性也不高，所以要解決的是降低甲醛釋放量，改變脲醛樹脂特性。本設(shè)計(jì)將通過合適的工藝，使用腐植酸（umic-acid以下簡稱HA）代替部分尿素來達(dá)到降低成本提高利潤，同時使對HA 進(jìn)行羥甲基化改性，可減小芳環(huán)上的位阻， 提高其分子結(jié)構(gòu)中氰基和異氰酸酯基的反應(yīng)活性，從而能有效降低UF 中游離甲醛釋放量。由HUF 膠粘劑壓制的人造板， 其甲醛釋放量達(dá)到GB 18 580-2001 標(biāo)準(zhǔn)中E1級指標(biāo)要求。第二章 產(chǎn)

11、品與原料的性質(zhì)與規(guī)格2.1 改性腐植酸脲醛樹脂的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格pH值 7.58.0游離甲醛% 2，確保二羥基脲的生成；第二批尿素加入后U/F=1.8-1.9，使加入的甲醛盡量反應(yīng)充分，降低游離甲醛的含量；第三批尿素的加入，使產(chǎn)品的游離甲醛進(jìn)一步降低。通過上述方法使產(chǎn)品中游離甲醛的含量低于1%。同時應(yīng)控制合適的介質(zhì)LB 值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間以使反應(yīng)達(dá)到最佳效果。（2） 加入復(fù)合改性劑通常UF 樹脂的F/U 物質(zhì)的量比降低時，會同時帶來以下一些問題：樹脂膠粘性能下降、樹脂的儲存期縮短、樹脂的水溶性降低、樹脂的初粘性下降等。為了解決這些問題，在樹脂合成時要添加各種改性劑。據(jù)報(bào)道，復(fù)合改性劑有PQ

12、復(fù)合添加劑、聚乙烯醇（PVC）和木質(zhì)素磺酸鹽類等。改性劑加入后與在縮聚階段產(chǎn)生的羥甲基碳正離子進(jìn)行縮醛化反應(yīng)，其作用是控制樹脂的膠聯(lián)度，不斷與反應(yīng)過程中游離出的甲醛進(jìn)行反應(yīng)。（3） 對體系微觀過程和體系的動力學(xué)研究應(yīng)用脲醛樹脂膠體理論，從主要影響因素入手，通過大量實(shí)驗(yàn)，研制低游離甲醛含量的脲醛樹脂。實(shí)踐證明，為改善樹脂的微觀結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低縮聚階段的PH 值，有利于加快縮聚反應(yīng)速度和減少反應(yīng)體系的羥甲基的相對含量，從而減少了在微觀結(jié)構(gòu)上形成二甲基醚或醚結(jié)構(gòu)的幾率。國內(nèi)也有對反應(yīng)釜內(nèi)流體動力學(xué)研究的報(bào)道。攪拌過程是一產(chǎn)生流體復(fù)雜動力學(xué)的過程，其中很可能存在著非線性渾濁現(xiàn)象。攪拌的關(guān)鍵作用是盡可能使

13、反應(yīng)釜內(nèi)的流體流動處于完全混合的狀態(tài)，這樣充分?jǐn)嚢杈湍軠p少反應(yīng)器內(nèi)溫度和濃度梯度，這與膠的合成縮聚過程的條件相匹配，所以充分?jǐn)嚢枋潜匾?。制膠過程涉及到復(fù)雜的工藝和設(shè)備的優(yōu)化問題，如在工業(yè)生產(chǎn)中，往往應(yīng)用了很成功的小試成果，但總達(dá)不到小試的效果，這在很大程度上是由于工業(yè)設(shè)備放大過程中，只注意了機(jī)理過程的相似性，而沒有充分考慮達(dá)到相同機(jī)理所應(yīng)具備的條件和環(huán)境應(yīng)該相同或相似。人們又往往忽略掉最重要的一條：動力學(xué)特征的相似性，即設(shè)備放大前后，其動力學(xué)特征應(yīng)盡可能的保持不變。當(dāng)前，在這方面的工作正在進(jìn)行著。3.3 腐植酸改性脲醛(HUF)樹脂的合成將甲醛溶液和 聚乙烯醇（以下簡稱PVA） 加入到反應(yīng)釜

14、中， 邊攪拌邊用10% NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH值至8.59.0；當(dāng)溫度升至70 時，加入第一批尿素，繼續(xù)升溫至8590 ，攪拌反應(yīng)30 min；隨后用10%氯化銨溶液調(diào)節(jié)pH 值至4.44.6，9095 反應(yīng)20 min； 調(diào)節(jié)pH 值至7.5，85 左右添加第二批尿素，繼續(xù)反應(yīng)30 min；冷卻至40 以下，出料即可。將褐煤放入反應(yīng)釜中，加入蒸餾水，攪拌均勻；然后緩慢加入 固體NaOH和 碳酸鈉，將反應(yīng)溫度調(diào)至6575 ，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)2 h 后冷卻出料。往上述溶液加入甲醛溶液，調(diào)節(jié)pH 值至1011，升溫至70，攪拌2 h 即可將腐植酸（HA）進(jìn)行羥甲基化改性，然后按照m（HA 羥甲基化溶

15、液）m脲醛樹脂（UF）=14 比例將兩者混合均勻，制得腐植酸-脲醛樹脂（HUF）。3.4 合成過程中原料對反應(yīng)結(jié)果的影響3.4.1改性前后HA 或UF 的FT-IR 表征與分析圖1 為未改性HA、羥甲基化改性HA、未改性UF 和HUF 的FT-IR 曲線。由圖1a（未改性HA）可知：3 407 cm-1 處為-OH的伸縮振動峰；1 576 cm-1處出現(xiàn)明顯的特征環(huán)上C=C 的伸縮振動峰，說明HA 分子中有芳環(huán)存在；1 458 cm-1 處為羧酸根離子基（O=C-O-）的不對稱伸縮振動峰，1 382 cm-1處為芳香胺的C-N 伸縮振動峰，1 113 cm-1處為醚基（C-O-C）的伸縮振動峰

16、。綜上所述， 由褐煤制得的HA 是含有-OH、-NH2、COOH-及C-O-C 等基團(tuán)的芳香族化合物。由圖1b（羥甲基化改性HA）可知：與圖1a 相比，3 413、1 020 cm-1 處的增強(qiáng)峰分別為-OH、C-O-C的特征吸收峰；2 104 cm-1處新出現(xiàn)-CN 的特征吸收峰，這可能是甲醛上的羰基碳帶有部分正電荷（為親電試劑），氨基接在一個強(qiáng)吸電子基團(tuán)上，使氨基上的N 帶有電負(fù)性， 或氨基與HA 苯環(huán)上酚羥基鄰位碳（未被占用）加成生成-CN 或-N=C=O 所致。在堿性條件下，HA 酚羥基上氧原子的電子云密度增大， 共軛電子離域也使酚羥基鄰位碳上的電子云密度增大。HA 經(jīng)羥甲基化改性后，

17、其芳環(huán)結(jié)構(gòu)上引入了多個羥基， 甲醛與苯環(huán)發(fā)生親電取代反應(yīng)生成伯羥基，也增加了羥基含量。因此，下一步縮聚反應(yīng)的活性明顯提高，表現(xiàn)為3 413 cm-1處的羥基峰明顯增強(qiáng)，1 020 cm-1處的醚鍵特征吸收峰強(qiáng)而尖銳。由圖1c 可知： 未改性UF 和HUF 的FT-IR 曲線非常相似，說明兩者具有相似的結(jié)構(gòu)；2 1652 175 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰強(qiáng)而尖銳，這是-CN 基與不飽和鍵或芳環(huán)共軛時的伸縮振動吸收峰；1 6501 700 cm-1為C=O 的伸縮振動吸收峰， 這是UF 最重要的特征基團(tuán)；1 1001 150 cm-1 為C-N 的吸收峰，1 0001 050 cm-1 為C-O-C

18、 的伸縮振動吸收峰。由于HA中含有芳環(huán)結(jié)構(gòu)，這些基團(tuán)與芳環(huán)會發(fā)生共振作用（改變了鍵的力常數(shù)），故相應(yīng)的振動譜帶有一定偏移。3.4.2 UF 和HUF 的熱穩(wěn)定性分析圖2 為UF 和HUF 的TG 和DTG 曲線。由圖2可知：UF 熱分解主要集中在200300 之間，HUF的熱分解溫度比未改性UF 高2050 ， 說明改性HA 的加入可以有效提高UF 的熱穩(wěn)定性。3.4.3 UF 和HUF 的DSC 表征與分析圖3 為UF 和HUF 的DSC 曲線。由圖3 可知：UF 和HUF 的Tg分別為204.4、200.3 ， 說明改性HA 的加入對改性UF 的鏈段相變影響不大。3.4.4 改性HA 用量

19、對人造板膠接強(qiáng)度的影響在壓制人造板過程中，UF 膠層固化后具有較大的收縮應(yīng)力， 并且UF 膠液易滲透至木材空隙中而可能產(chǎn)生缺膠現(xiàn)象，故由未改性UF 壓制的人造板，其膠接強(qiáng)度相對低。圖4 為改性HA 用量對人造板膠接強(qiáng)度的影響。由圖4 可知：人造板的膠接強(qiáng)度隨改性HA 用量的增加呈先升后降的趨勢；當(dāng)w（改性HA）=5%30%時，HUF 膠粘劑在施膠過程中對木材等多孔性材質(zhì)不易產(chǎn)生缺膠或透膠現(xiàn)象，故由HUF 膠粘劑壓制的人造板，其膠接強(qiáng)度相對較高；當(dāng)w（改性HA）30%時，膠接強(qiáng)度呈下降趨勢，這可能是改性HA 吸水率上升所致。因此，在未能有效降低改性HA 吸水率以前，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過30%。3.

20、4.5 HUF 的實(shí)測性能與經(jīng)濟(jì)效益分析表1 列出了HUF 的實(shí)測性能。由表1 可知：HUF 的各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求，并且其游離甲醛含量較低，環(huán)保性較好。改性HA 的市場價為200 元/t，未改性UF 的市場價為2 200 元/t。在不改變HUF 應(yīng)用性能的前提下，選擇w（改性HA）=25%，則HUF 成本為1 850 元/t左右（按產(chǎn)率90%計(jì)）。與未改性UF 相比，HUF 可節(jié)約成本350 元/t， 故HUF 的市場競爭力優(yōu)于未改的UF.3.5不同工藝條件下改性脲醛樹脂的合成結(jié)果3.5.1加成反應(yīng)階段各工藝參數(shù)變化對改性脲醛樹脂的影響（1）p H改性脲醛樹脂的影響脲醛樹脂的形成機(jī)理表明,

21、加成產(chǎn)物除受尿素與甲醛摩爾比的影響外,還受反應(yīng)介質(zhì)p H 的影響.反應(yīng)介質(zhì)的p H 為7 . 5 以上時,很少發(fā)生縮聚反應(yīng),但加成反應(yīng)在此附近開始,且反應(yīng)速度隨p H 的升高而加快,當(dāng)p H 達(dá)到1113 時,一羥甲脲與二羥甲脲的形成極慢,這樣就會導(dǎo)致羥甲基化不完全,游離甲醛含量升高,樹脂的其他性能下降。因此加成反應(yīng)階段的p H 選擇8 . 0 ,9 . 0和10 . 0 ,其他工藝條件不變,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3-4 。由表3-4 可知,p H 變化對改性脲醛樹脂的黏度變化影響不大;固化時間隨p H 的降低而降低,并且當(dāng)p H 從10 降到9 時,固化時間的變化較大。游離甲醛含量隨p H 的降低而

22、升高,羥甲基含量、儲存期隨p H 的降低而升高。膠合強(qiáng)度及甲醛釋放量隨p H 的降低而降低,預(yù)壓性能隨p H 的降低而越來越好。因此加成反應(yīng)階段降低p H 有利于提高改性脲醛樹脂的各項(xiàng)性能（2） 反應(yīng)溫度改性脲醛樹脂的影響在其他工藝條件相同時,加成反應(yīng)溫度較高有利于羥甲基化的完全反應(yīng)。由表3-4 可知,反應(yīng)溫度在80 時改性脲醛樹脂的黏度增加較快,表明低溫條件下進(jìn)行加成反應(yīng)對提高黏度有利。反應(yīng)溫度越低,改性脲醛樹脂的固化速度越快,樹脂中的游離甲醛和羥甲基含量隨反應(yīng)溫度的降低而升高,改性脲醛樹脂的儲存期隨反應(yīng)溫度的降低而縮短。加成反應(yīng)溫度對膠合強(qiáng)度的影響較小,預(yù)壓性能隨加成反應(yīng)溫度的下降而下降,

23、甲醛釋放量隨加成反應(yīng)溫度的降低而略有升高(在此次實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)) 。綜合而言,升高加成反應(yīng)溫度有利于提高改性脲醛樹脂的綜合性能（3）反應(yīng)時間改性脲醛樹脂的影響在其他工藝條件不變時,反應(yīng)時間對改性脲醛樹脂各項(xiàng)性能的影響不具有明顯的規(guī)律性(表3-4) 。相比較而言,適中的反應(yīng)時間對改性脲醛樹脂的合成有利。3.5.2縮聚反應(yīng)階段各工藝參數(shù)的變化對改性脲醛樹脂的影響（1）pH改性脲醛樹脂的影響縮聚反應(yīng)階段的pH 控制被認(rèn)為是脲醛樹脂合成的關(guān)鍵因素。在酸性條件下,一羥甲脲和二羥甲脲與尿素及甲醛進(jìn)行縮聚反應(yīng),主要生成亞甲基鍵和少量醚鍵連接的低分子化合物,在p H 較低的情況下,縮聚反應(yīng)速度快,易生成不含羥甲基

24、的聚次甲基脲不溶性沉淀,樹脂的水溶性降低,游離甲醛含量增加,適用期縮短,縮聚反應(yīng)不易控制。這些不利因素在改性脲醛樹脂的合成中同樣存在。由表3-4 可知,p H 對固化時間、游離甲醛含量和羥甲基含量的影響無明顯規(guī)律性。這可能是p H 相對較高造成的(普通脲醛樹脂縮聚反應(yīng)的p H 在4. 5 左右) 。而粘度在p H 為5. 2 時有較大的增長。p H 對儲存期的影響相當(dāng)顯著,p H 較高有利于儲存期的延長;膠合強(qiáng)度隨p H 的降低而增大;預(yù)壓性能在縮聚反應(yīng)的整個p H 范圍內(nèi)均較理想。p H 對甲醛釋放量的影響相當(dāng)顯著,隨著p H 的降低甲醛釋放量明顯下降。12 號實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以解釋為:較低的p

25、 H 增加了反應(yīng)速度及激烈程度,在縮聚過程中小分子生成較多,這是導(dǎo)致黏度、游離甲醛含量和羥甲基含量上升的原因;以N H4 Cl 為固化劑時膠液體系中需含有一定量的游離甲醛才能使膠液固化,而12 號實(shí)驗(yàn)結(jié)果中游離甲醛含量相對較高,從而導(dǎo)致膠合強(qiáng)度上升,甲醛釋放量下降。（2）反應(yīng)溫度改性脲醛樹脂的影響較高或較低的反應(yīng)溫度,對黏度的影響都較大(表3-4) ;改性脲醛樹脂的固化時間隨縮聚溫度的降低而縮短;改性脲醛樹脂的游離甲醛隨反應(yīng)溫度的降低有降低的趨勢;改性脲醛樹脂的羥甲基含量隨反應(yīng)溫度的降低而增加;高溫或低溫反應(yīng)不利于儲存期的延長和膠合強(qiáng)度的提高;反應(yīng)溫度越低則膠合板預(yù)壓性能越差;另外,高溫反應(yīng)有

26、利于降低甲醛釋放量。（3）初摩爾比改性脲醛樹脂的影響初摩爾比為2. 71. 9 時,黏度隨初摩爾比的降低而增大,固化時間隨初摩爾比的降低而縮短,游離甲醛含量在高初摩爾比時較低,羥甲基含量隨初摩爾比的降低而降低;儲存期受初摩爾比的影響極為明顯,初摩爾比越高則儲存期越長;膠合強(qiáng)度在初摩爾比為2. 3 時最好,預(yù)壓性能與初摩爾比的關(guān)系不能確定。甲醛釋放量有隨初摩爾比降低而升高的趨勢。初摩爾比為115 時,對粘度的影響最大,羥甲基含量、膠合強(qiáng)度也明顯增大,甲醛釋放量已經(jīng)超出E1 級的水平.3.6 改性脲醛樹脂合成工藝路線 脲醛樹脂合成采用弱堿弱酸弱堿工藝。主要反應(yīng)：(1) 加成反應(yīng)(羥甲基化)：甲醛與

27、尿素首先生成一羥甲基脲和二羥甲基脲。(2) 縮聚反應(yīng)因?yàn)榭s聚反應(yīng)是逐步形成的,在脫水過程中, 相鄰羥甲基脲分子之間通過亞甲基鍵或二亞甲基醚鍵相連形成聚合物, 所以工業(yè)生產(chǎn)脲醛樹脂時, 可以根據(jù)縮聚反應(yīng)的深入程度來控制產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量。其水溶液隨相對分子質(zhì)量的高低表現(xiàn)為低黏度、高黏度、透明和渾濁的漿液。工業(yè)生產(chǎn)的脲醛樹脂相對分子質(zhì)量為數(shù)百至數(shù)千。HA+4UF3.7 合成脲醛樹脂樹脂工藝脲醛樹脂的生產(chǎn)分三個階段，每個階段具體工藝如下：合成工藝 反應(yīng)階段 脫水階段 后處理階段 原料分批加入 加成反映 縮聚反應(yīng) 蒸發(fā) 過濾3.7.1 反應(yīng)階段（1）加成反應(yīng)階段 加成反應(yīng)階段,p H 的降低對改性脲醛

28、樹脂各項(xiàng)性能的提高是有利的;升高加成反應(yīng)溫度對改性脲醛樹脂綜合性能的提高有較好的影響;選擇適中的加成反應(yīng)時間有利于提高改性脲醛樹脂的綜合性能;（2） 縮聚反應(yīng)階段 縮聚反應(yīng)階段,p H 的降低除不利于儲存期的延長外,對改性脲醛樹脂其他性能的提高均有較好的影響;縮聚溫度不宜過高或過低,否則不利于改性脲醛樹脂綜合性能的提高;此外，初摩爾比的變化能明顯地影響儲存期,初摩爾比越高儲存期越長;甲醛釋放量有隨初摩爾比降低而呈升高的趨勢。3.7.2 脫水階段將反應(yīng)釜中的溶液送到蒸發(fā)器中脫水，使產(chǎn)品的固含量達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3.7.3 后處理階段成品必須過濾除去樹脂中的雜質(zhì)，如未反應(yīng)的腐植酸，殘余的催化劑等。助濾

29、劑可采用硅藻土、碳酸鎂等物質(zhì)，過濾溫度以6070為宜。 3.7.4 生產(chǎn)工藝流程敘述將甲醛溶液和 聚乙烯醇（以下簡稱PVA） 加入到反應(yīng)釜中， 邊攪拌邊用10% NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH值至8.59.0；當(dāng)溫度升至70 時，加入第一批尿素，繼續(xù)升溫至8590 ，攪拌反應(yīng)30 min；隨后用10%氯化銨溶液調(diào)節(jié)pH 值至4.44.6，9095 反應(yīng)20 min； 調(diào)節(jié)pH 值至7.5，85 左右添加第二批尿素，繼續(xù)反應(yīng)30 min；冷卻至40 以下，出料即可。將褐煤放入反應(yīng)釜中，加入蒸餾水，攪拌均勻；然后緩慢加入 固體NaOH和 碳酸鈉，將反應(yīng)溫度調(diào)至6575 ，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)2 h 后冷卻出料。

30、往上述溶液加入甲醛溶液，調(diào)節(jié)pH 值至1011，升溫至70，攪拌2 h 即可將腐植酸（HA）進(jìn)行羥甲基化改性，然后按照m（HA 羥甲基化溶液）m脲醛樹脂（UF）=14 比例將兩者混合均勻，制得腐植酸-脲醛樹脂（HUF）。第四章 工藝計(jì)算4.1 原始數(shù)據(jù)及所需技術(shù)資料（1） 生產(chǎn)規(guī)模 30000t/y（2） 生產(chǎn)時間 年工作日334天（3） 生產(chǎn)方式 連續(xù)生產(chǎn)（4） 生產(chǎn)量 每天三批 三班倒 本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)30000噸的氨基樹脂工廠其產(chǎn)品是80%的氨基樹脂水溶液，純HUF溶質(zhì)為30000噸（5） 損失率 2.3%（6） 計(jì)算順序 由于產(chǎn)物與原料間計(jì)量關(guān)系比較簡單，且整個工藝過程也較簡單，容易得到原

31、料間的比例關(guān)系，所以采用順流程的計(jì)算順序。（7） 化學(xué)變化參數(shù)尿素 甲醛 腐植酸 聚合物結(jié)構(gòu)單元分子量 60 30 350 127.50 在計(jì)算聚合物結(jié)構(gòu)元的分子量時，HA與UF質(zhì)量之比1：4則其占原料的百分比為20% 其中1.2為甲醛與尿素的最終摩爾比。單體（CH2-NH-C=O-NHCH2O）- n分子量為102 腐植酸分子量為350 所以聚合物結(jié)構(gòu)單元的分子量為350 5/ (350 4/102 ) =127.504.2 物料衡算衡算公式：進(jìn)料量 = 出料量 + 損失量由于產(chǎn)量較小，計(jì)算基準(zhǔn)定為千克/小時 （Kg/h）日產(chǎn)量Wd= 300001000/（80000.977） = 3838

32、.28 Kg/d主要原料投料量 所以，尿素投料量 = 3838.28 0.8 1/2.2=1395.74Kg/h腐植酸投料量=3838.280.2= 767.66Kg/h甲醛投料量 =3838.280.8 1.2/2.2= 1674.89 Kg/h工業(yè)甲醛為30%反應(yīng)釜中甲醛的含量為25%，所以甲醛溶液投料量 = 1674.89/(30% 25%)= 33497.80Kg/h4.2.1對反映釜進(jìn)行物料衡算： 在反應(yīng)過程中，甲酸和NaOH只是調(diào)節(jié)反映體系的pH值，其本身并不參加反應(yīng)，所以進(jìn)料和出料平衡，在衡算過程中可以省去。則此時的進(jìn)料就為工業(yè)甲醛，三聚氰胺和尿素。進(jìn)料量 = 工業(yè)甲醛 + 三聚

33、氰胺 + 尿素 = 2620.508 + 52.887 + 1762.887 =4436.282Kg/d根據(jù)化學(xué)計(jì)量式有三聚氰胺反應(yīng)完全所消耗的甲醛量 = 52.88760 / 126 = 25.184 Kg/d和尿素反應(yīng)的甲醛量 = 969.588 25.184 = 944.404 Kg/d三聚氰胺反應(yīng)后生成的聚合物量 = 52.887 168 / 126 = 70.516 Kg/d三聚氰胺反應(yīng)生成的水 = 52.887 18 / 126 = 7.555Kg/d反應(yīng)的尿素量 = 944.404 60 / 60 = 944.404 Kg/d甲醛，尿素反應(yīng)生成的聚合物量 = 944.404 10

34、2 / 60 = 1605.487 Kg/d甲醛，尿素反應(yīng)生成的水量 = 944.404 18 / 60 = 283.321 Kg/d 未反應(yīng)的尿素 = 1762.887 944.404 = 818.483 Kg/d 系統(tǒng)中的水 = 7.555 + 283.321 + 2620.508 63% = 1941.796 Kg/d出料量 = 聚合混合物 + 水 + 未反應(yīng)的物料量 = 70.516 + 1605.487 + 1941.796 + 818.483 = 4436.282 Kg/d進(jìn)料量 = 4436.282 Kg/d = 出料量 = 4436.282 Kg/d 所以反映釜物料平衡 4.2

35、.2對蒸發(fā)器做物料衡算：進(jìn)料量 = 4436.282Kg/d 蒸發(fā)出的水 = 4436.282 3092.784/0.8 = 570.302 Kg/d產(chǎn)品=4436.282-570.302=3865.98出料量 = 產(chǎn)品 + 蒸發(fā)出的水= 3865.98 + 570.302= 4436.282 Kg/d 進(jìn)料量 = 出料量 所以蒸發(fā)器物料平衡 4.2.3對整個系統(tǒng)做物料平衡計(jì)算進(jìn)料量 = 2620.508 + 52.887 + 1762.887 = 4436.282 Kg/d出料量 = 3865.98 + 570.302= 4436.282 Kg/d 總物料平衡， 所以整個系統(tǒng)物料平衡。 物料

36、平衡表物料名稱數(shù)據(jù)（ Kg/d ）純凈甲醛969.588工業(yè)甲醛2620.508純?nèi)矍璋?2.887尿素1762.877系統(tǒng)中水1941.796產(chǎn)品3865.98第五章 設(shè)備工藝計(jì)算及其選型5.1 攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)一天三釜，先對反應(yīng)釜做物料和熱量衡算5.1.1 物料衡算：衡算公式：進(jìn)料量 = 出料量 + 損失量日產(chǎn)量Wd= 9001000/（3000.97） = 3092.784 Kg/d一天三釜所以一釜物料為=3092.784/3=1030.928Kg主要原料投料量 尿素結(jié)構(gòu)在聚合物結(jié)構(gòu)單元中占58/102.52 = 57%所以，尿素投料量 = 1030.928 57% = 587.629

37、 Kg三聚氰胺投料量 = 587.629 3% = 17.629Kg甲醛投料量 = 587.629/601.1 30 = 323.196 Kg工業(yè)甲醛為37%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量 = 323.196/37% = 873.503 Kg對反映釜進(jìn)行物料衡算： 在反應(yīng)過程中，甲酸和NaOH只是調(diào)節(jié)反映體系的pH值，其本身并不參加反應(yīng)，所以進(jìn)料和出料平衡，在衡算過程中可以省去。則此時的進(jìn)料就為工業(yè)甲醛，三聚氰胺和尿素。進(jìn)料量 = 工業(yè)甲醛 + 三聚氰胺 + 尿素 = 873.503 + 17.629 + 587.629 = 1478.761Kg根據(jù)化學(xué)計(jì)量式有三聚氰胺反應(yīng)完全所消耗的甲醛量 =

38、 17.62960 / 126 = 8.395 Kg和尿素反應(yīng)的甲醛量 = 323.196 8.395 = 314.801 Kg三聚氰胺反應(yīng)后生成的聚合物量 = 17.629 168 / 126 = 23.505 Kg三聚氰胺反應(yīng)生成的水 = 17.629 18 / 126 = 2.518 Kg反應(yīng)的尿素量 = 314.801 60 / 60 = 314.801 Kg甲醛，尿素反應(yīng)生成的聚合物量 = 314.801 102 / 60 = 535.162 Kg甲醛，尿素反應(yīng)生成的水量 = 314.801 18 / 60 = 94.441 Kg未反應(yīng)的尿素 = 587.629 -314.801 =

39、 272.828 Kg系統(tǒng)中的水 = 2.518 + 94.441 + 873.503 63% = 647.266 Kg/d出料量 = 聚合混合物 + 水 + 未反應(yīng)的物料量 = 23.505 + 535.162 + 647.266 + 272.828 = 1478.761 Kg進(jìn)料量 = 1478.761 Kg= 出料量 = 1478.761 Kg 所以反映釜物料平衡 5.1.2熱量衡算：(1)計(jì)算依據(jù)及基準(zhǔn)間歇式生產(chǎn)熱量衡算基本方程式Q物料帶入+Q熱負(fù)荷=Q物料帶出+Q熱損失 化學(xué)熱量衡算一般方程式 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6其中： Q1 所處理的物料帶入設(shè)備的熱量；Q2 換熱劑與

40、設(shè)備和物料傳遞的熱量（符號規(guī)定加熱劑加入熱量為“+”，冷卻劑吸收熱量為“”）；Q3 化學(xué)反應(yīng)熱（符號規(guī)定過程放熱為“+”，過程吸熱為“”）；Q4 離開設(shè)備物料帶走的熱量；Q5 設(shè)備消耗熱量；Q6 設(shè)備向周圍散失的熱量，又稱熱損失。(2) 熱量衡算由于各股物料都是在常溫下加入，所以 Q1 = 0反應(yīng)熱的計(jì)算：Q3其中用到化學(xué)鍵鍵能：N-H: 389 KJ/mol C=O: 728 KJ/mol C-O: 326 KJ/molC-N: 305 KJ/mol O-H: 464KJ/mol 此反應(yīng)斷裂：N-H C=O中的C-O 合成 C-N O-H斷鍵需要的能量 1mol 389KJ/mol 2 +

41、2mol (728-326)=1582 KJ 合成鍵釋放的能量 1mol 2 305 + 1mol 2 464= 1538 KJH = 1538 -1582 = -44 KJ/mol Q=314.801/60 (-44)= -200.854 KJ此反應(yīng)斷裂：N-H C-O 合成 C-N 斷鍵需要的能量 1mol 389KJ/mol+ 1mol 326 KJ/mol=715 KJ 合成鍵釋放的能量 1mol 305 KJ/mol 2=610 KJ合成聚合單體： H=610-715= - 105 KJ/molQ=314.801/60(-105)= -550.902 KJHA + 13.5UF 13

42、.5HUF斷鍵需要的能量 1mol389KJ/mol+ 13.5mol 402 KJ/mol=1582 KJ 合成鍵釋放的能量 1mol2305 + 1mol13.5464=1538 KJH = 1538-1582 = -44 KJ/mol Q=17.629/126(-44)= -18.468 KJ/mol 所以 Q3= Q+Q+Q+Q =-200.854 +（-550.902）+（-18.468）+（-14.691） =-784.915 KJ根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式求得的化學(xué)反應(yīng)熱較小，在衡算過程中可以忽略 即 Q3 = 0求 Q4可按公式 Q4=先求平均 = 323.196/1478.761 1.1

43、8 + 587.629 /1478.761 1.55 + 17.629/1478.761 1.47 + 550.307/1478.761 4.2 = 0.258 + 0.616 + 0.018 + 1.563= 2.455 KJ/KgQ4 = = 2.455 1478.761 (90 25 )= 2.36 105 KJ由后面的設(shè)備計(jì)算知設(shè)備的質(zhì)量是446.508 KgQ5 = C M t= 0.5 446.508 （ 90 25 ）= 1.45 104 KJ 熱損失取總熱量的3% 所以 Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6Q1 = 0 Q3 = 0Q4 = 2.36 105

44、KJ Q5 = 1.45 104 KJQ6 = 3%（ Q1 + Q2 + Q3 ）Q2 = Q4 + Q5 + 3%（ Q1 + Q2 + Q3 ） Q2 = Q4 + Q5 + 0.03 Q21.03Q2 =2.36105 + 1.45 104 =2.505105 + 785.885Q2 = 2.58 105 KJ Q= Q1 + Q2 + Q3 = 0 + 2.58 105 + 0 = 2.58 105所以 ，總熱量 Q總 = Q2 = 2.58 105 KJ5.1.3 材料選擇 由于在反應(yīng)過程中有腐蝕性物質(zhì)的加入，所以材料應(yīng)選用耐腐蝕材料。對該反應(yīng)器選用鎳鉻不銹鋼，0Cr18Ni9 .

45、鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB4237 。在100下的許用應(yīng)力為114Mpa。5.1.4釜體的設(shè)計(jì)計(jì)算反應(yīng)釜體積 V= 323.196/1478.761 815 + 587.629 /1478.761 1335 + 17.629/1478.761 1598 + 550.307/1478.761 1000= 178.125 + 530.501+ 19.060 + 372.141= 1099.827 Kg/m3V= = = 1.345 m3裝料系數(shù)= 0.7 反應(yīng)釜體積Vt = V / = 1.345 / 0.7 = 1.921m3根據(jù)GB98451988鋼制機(jī)械攪拌容器圓整取 Vt = 2.0 m3反應(yīng)釜高H = 1500 mm 反應(yīng)釜內(nèi)徑 D = 1200 mm該反應(yīng)設(shè)計(jì)壓力為1.01 105 Pa 設(shè)計(jì)溫度為90 。所以容器壁厚d = P Di / (2t -P) + C = 1.011200 / 21141-1.01 + 0.8 = 6.14 mm 公式中t = 114 Mpa = 1 C = 0.8 對壁厚圓整取d = 10 mm 反應(yīng)釜的質(zhì)量W = DHd = 3.141.21.50.017900 = 446.508 Kg 5.1.5 封頭的設(shè)計(jì)選型（1） 上封頭選擇 上封頭選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。具體參數(shù)如下：封頭內(nèi)徑