年产30000吨腐植酸改性脲醛树脂工艺设计.doc

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1、年产30000吨腐植酸改性脲醛树脂工艺设计前言氨基树脂是一种用途十分广泛的有机化工产品。氨基树脂由含有氨基的化合物与甲醛经缩聚而成的树脂的总称，重要的树脂有脲醛树脂(UF)、三聚氰胺甲醛树脂(MF)和聚酰胺多胺环氧氯丙烷(PAE)等。本设计产品是改性脲醛树脂（三聚氰胺改性脲醛树脂），合成反应主要由加成反应和缩聚反应两部分组成。由于脲醛树脂胶的原料是尿素和甲醛，原料来源丰富，且生产工艺简单、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，很快成为我国人造板生产的主要粘合剂，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加。脲醛树脂胶制品中散发出来的游离甲醛污染环境，特

2、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，因而造成对人体的危害。本工艺专门针对如何降低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应是先加成后缩聚，但又没有明显的界限，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的较顺利。本设计是年产300000吨植酸改性脲醛树脂工艺设计，主要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图。1 绪论1.1 氨基树脂的应用及发展概况1.1.1 涂料用氨基树脂的发展概况随着石油化工的发展，50年代中期许多国家将石油化工提供的异

3、丁醇作为醚化剂生产氨基树脂。由于异丁醇来源丰富，使氨基树脂的品种很快扩大。20世纪30年代甲醇醚化的氨基树脂已开始用于织物整理行业，而它在涂料领域一直未获发展。直至60年代，为了减少涂料施工中有机溶剂对环境的污染和节省资源，开发了各种水性涂料和高固体涂料后，甲醚化氨基树脂作为这类涂料的交联剂才扩大了应用面和生产规模，并出现了系列化产品，但就总产量来说，丁醚化氨基树脂仍占首位。我国是从50年代起开始研制丁醚化脲醛树脂和三聚氰胺树脂的，至今已发展了混容性、固化性不同的若干品种，70年代初自制苯代三聚氰胺，合成了丁醚化苯代三聚氰胺甲醛树脂。不久，又开发了异丁醇醚化的产品，目前这些树脂的生产已达到一定

4、的规模，为我国发展各种氨基树脂漆提供了多品种交联剂。从60年代开始的对甲醇醚化氨基树脂的研究，着重点是放在合成六甲氧基甲基三聚氰胺方面。1.1.2 胶粘剂用氨基树脂脲醛树脂的发展概况脲醛树脂是应用最为广泛的氨基树脂，首次由B.tollens于1884 年合成，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，且生产工艺简单、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，很快成为我国人造板生产的主要粘合剂，目前约占木材工业用量的80%以上。但随着应用领

5、域和用量的增加，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，因而造成对人体的危害。随着人们对室内环境要求的提高,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。寻求环境友好生产技术和“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降低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。2、合成反应机理：2.1 主

6、要反应： (1) 加成反应(羟甲基化)：甲醛与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, 可以根据缩聚反应的深入程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应 （4）三聚氰胺的缩聚反应22 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 反应阶段 脱水阶段 后处理阶段 原料分批加入 加成反映 缩聚反应 蒸

7、发 过滤2.2.1 反应阶段（1）加成反应阶段 加成反应阶段,p H 的降低对改性脲醛树脂各项性能的提高是有利的;升高加成反应温度对改性脲醛树脂综合性能的提高有较好的影响;选择适中的加成反应时间有利于提高改性脲醛树脂的综合性能;（2） 缩聚反应阶段 缩聚反应阶段,p H 的降低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降低而呈升高的趋势。2.2.2 脱水阶段将反应釜中的溶液送到蒸发器中脱水，使产品的固含量达到质量标准。2.

8、2.3 后处理阶段成品必须过滤除去树脂中的杂质，如未反应的三聚氰胺，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6070为宜。 2.2.4 生产工艺流程叙述（1） 在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 27. 8 共30min（2） 加入第一批尿素,升温至90 反应30 min,调pH值至5. 45. 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. 08. 5,反应20min。 共1h（4） 调pH值至6. 56. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。 共1h（5） 再将pH值调至7. 58.0,加入第三批尿素，反

9、应0. 5 h。 共1.5h （6） 将溶液送到蒸发器中蒸发部分水分。 共1h（7） 冷却送到产品储罐。 共1h 3.工艺计算3.1原始数据及所需技术资料（1） 生产规模30000t/a（2） 生产时间 8000h（3） 生产方式 连续式生产（4） 损失率 2.3%（5） 计算顺序 由于产物与原料间计量关系比较简单，且整个工艺过程也较简单，容易得到原料间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。（6） 化学变化参数尿素 甲醛 腐植酸 聚合物结构单元分子量 60 30 5000 103.18 在计算聚合物结构元的分子量时，腐植酸占尿素的2% 则其占原料的百分比为600.02/60+301.1+500

10、0=0.024% 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 腐植酸聚合物分子量为5000 所以聚合物结构单元的分子量为10299.976%+50000.024% = 103.18产量Wd=3000010000.977/（8000 0.977）= 3838.28Kg/h主要原料投料量 尿素结构在聚合物结构单元中占60/103.18 = 58.15%所以，尿素投料量 = 3838.2858.15% = 2231.96Kg/h 腐植酸投料量=2231.962%=44.64 Kg/h甲醛投料量 =2231.96 /601.1 30 = 1227

11、.58Kg/h工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量 =1227.58/30% = 4091.93 Kg/h3.2对反映釜进行物料衡算： 在反应过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其本身并不参加反应，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，腐植酸和尿素。进料量 = 工业甲醛 + 腐植酸+ 尿素 = 4091.93+ 44.64 + 2231.96 =6368.53Kg/h根据化学计量式有腐植酸反应完全所消耗的甲醛量 =44.6460 / 5000=0.54Kg/h和尿素反应的甲醛量 = 1227.58 0.54 =1227.54 Kg/h反应的尿素

12、量 =1227.54 60 / 60 =1227.54Kg/h甲醛，尿素反应生成的聚合物量 = 1227.54 102 / 60 = 2086.82 Kg/h腐植酸反应生成的水量=44.64 18/ 5000=0.161 Kg/h甲醛，尿素反应生成的水量 = 1227.54 18 / 60 =368.262Kg/h 未反应的尿素 =2231.96-1227.54=1004.42 Kg/h系统中的水 =0.163+368.262+4091.9370%=3232.774 Kg/h出料量 = 聚合混合物 + 水 + 未反应的物料量 = 2086.82+3232.774+1004.42 =6368.5

13、3Kg/h进料量=出料量，所以反映釜物料平衡。4.设备工艺计算及其选型4.1材料选择 由于在反应过程中有腐蚀性物质的加入，所以材料应选用耐腐蚀材料。对该反应器选用镍铬不锈钢，0Cr18Ni9 .钢板标准为GB4237 。在100下的许用应力为114Mpa。釜体的设计计算反应釜体积 V=1227.58/6368.53 815 + 2231.96 /6368.53 1335 + 44.64/6368.53 1598 +3232.774/6368.53 1000= 157.10+467.87+11.20+507.62=1143.79Kg/m3V= =6368.53/1143.79=5.568m3装料

14、系数= 0.7 反应釜体积Vt = V / = 5.568 / 0.7 = 7.954m3根据GB98451988钢制机械搅拌容器圆整取 Vt =8 m3反应釜高H = 7500 mm 反应釜内径 D = 1200 mm该反应设计压力为1.01 105 Pa 设计温度为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 对壁厚圆整取d = 10 mm 反应釜的质量W = 3.141.21.50.017900 = 446.508 Kg 4.2 封头的

15、设计选型（1） 上封头选择 上封头选取标准椭圆形封头。具体参数如下：封头内径DN = 1200 mm （GB901988） 封头高度h = 0.25 D = 0.25 1200 = 300 mm 封头侧面积 = 1.083 D2 = 1.083 1.22 = 1.56 m2 封头体积 = 0.131 D3 = 0.131 1.23 = 0.23 m3 封头直边高度h2 = 40mm 曲面高度h1 = 350mm 封头厚度 = 15mm (2) 下封头选择 由于反应体系属于高黏度流体，为使流体能顺利快速的流出反应釜，所以下封头选用90度锥形封头。具体参数如下： 封头内径DN = 1200mm 封

16、头高度h = 0.5D =0.5 1200 = 600mm 封头侧面积 = 1.11D2 = 1.11 1.22 = 2.18 m2 封头体积 = 0.1309 D3 = 0.1309 1.23 = 0.23 m34.3封头与釜体的连接形式封头与釜体的连接形式选用平面法兰连接。具体参数如下：内径DN = 1200 mm D = 1330 mm D2 =1290 mm D3 = 1241 mm = 46mm d = 23mm螺柱M20 数量取40个 。非金属软垫片 D5 = 1240mm d5 = 1200mm4.4 支座形式支座选用耳式B型带垫板支座。选用标准为JB/T47292。具体参数如下

17、：材料为Q235AF，垫板材料为0Cr18Ni9。 耳座用4个，厚度= 12mm 4.5 反应釜的液位（1） 最高液位 反应液体积VR = 5.568m3 下封头体积V头 = 0.23 m3 下封头高度h = 600mm在釜体中的实际反应液体积V1 = 5.568 0.23 = 5.338 m3H1 = V14 / D2所以H1 = 1.1154 / D2= 1.1154 / （3.141.22） = 986mm所以，最高液位H = H1 + h= 986 + 600 = 1586mm(2) 最低液位 最低液位 H = 1/3 D = 1/3 1200 = 400mm5 工厂布置5.1工厂布置

18、的基本任务工厂布置的基本任务是结合厂区的各种自然条件和外部条件确定生产过程中各种对象的空间位置， 以获得最合适的物料和人员的流动路线，创造协调而又合理的生产和生活环境，组织全厂构成一个能高度发挥效能的生产整体。因此，工厂布置任务的实质是为了寻求物料和人员的最佳运输方案。对于工厂布置，按我国习惯做法，划分为厂区布置和厂房（装置）布置两部分。前者习惯的称为总图布置，后者称为车间布置.就工作的分工而言，这样的划分可以使总图专业和工艺专业有各自明确的工作范围，但就工作的性质而言，二者是不可分的整体，因为他们具有相同的工作任务，只是工作范围大小之分，即厂区布置是全局，而各个厂房布置则是局部。5.1.1工

19、厂布置原则从工程的角度来看，化学工厂的总布局应该注意以下几个方面：（1） 工厂布置应该满足生产和运输需要(a) 厂区布置应符合生产工艺流程的合理需要，应使工厂各个生产环节具有良好的联系，保证它们间的迳直和短捷的生产作业线，避免生产流程的交叉和迂回往复，使各种物料的疏运距离最短。(b) 供水、供电、供热、供气、供冷及其它公共设施，在注意其对环境影响和厂外外管网联系的情况下，应力求靠近负荷中心，使各种公共系统介质的运输距离为最小。(c) 厂区道路要迳直短捷，不同货流之间，人流和货流之间都应该尽可能避免交叉迂回。货运量大，车辆往返频繁的设施（仓库、堆厂、车库、运输站场等）宜靠近厂区边缘地段布置。(d

20、) 当厂区较平坦方整时，一般采用举行街区布置方式，以使得布置紧凑，用地节实现运输及管网的短捷，厂区整齐。总之，符合生产和运输要求，实质上要求总平面布置实现生产过程中的各种物料和人员的输运距离为最小，最终实现生产的能耗最小。(2) 工厂布置应满足安全和卫生要求化工企业生产具有易燃、易爆和有毒、有害等特点，厂区布置应充分考虑安全布局，严格遵守防火，卫生等安全规范、标准和有关规定，其重点是防止火灾爆炸的发生，以保护国家财产，保障工厂职工的人身安全和改善劳动条件，具体布置时应考虑以下几方面：(a)火灾危险性较大以及散发大量烟尘或有害气体的车间，装置和场所，应布置在厂区边缘或其他车间，厂所的下风向。(b

21、)经常散发可燃气体的场所，如易燃液体罐区，隔油池，易燃液体装卸站台等，应远离各类明火源，并应布置在火源的下风侧或平行风侧和厂区边缘;不散发可燃气体的可燃材料库或堆放场则应位于火源上风侧。(c)贮存大量可燃液体或比空气重的可燃气体贮罐和使用车间，一般不宜布置在人多的场所及火源的上坡侧.对由于工艺要求而设在上坡地段的可燃液体罐区，应采取有效安全措施，如设防火墙，导流墙或导流沟，以避免流散的液体威胁坡下车间。(d)火灾、爆炸危险性大的和散发有毒有害气体的车间，装置或设备，应尽可能露天或半敞开布置，以降低其危险性，毒害性和事故的破坏性，但应注意生产特点对露天布置的适应性。（3） 由于工艺流程的更新，加

22、工程度的深化，产品品种的变化和综合利用的增加等原因，化工厂的布局应有较大的弹性，即要求在工厂发展变化、厂区扩大后，现有的生产、运输布局和安全布局方面仍能保持合理的布局。具体注意下列各点。（a） 分期建设时，总平面布置应使前后各期工程项目尽量分别集中，使前期工程尽可能投产，后期有适当的合理的布局。（b） 应使后期施工与前期生产之间的相互干扰尽可能小。后期工程一般不宜布置在前期工程地段内，其外观还应避免穿过前期工程危险区域或者车间内部，以利于安全生产和施工。（c） 考虑远近期的关系应坚持“远近集合，以近为主，近期集中，远期外围，由近及远，自内向外”的布置原则，以达到近期紧凑，远期合理的目的。（d）

23、 在预留发展用地时，总平面布置至少应有一个方向可供发展的可能，并主要将发展用地留于厂外防止厂内大圈空地，多征少用，早征迟用和征而不用的错误做法。（4） 工厂布置必须贯彻节约用地原则节约用地是我国的基本国策。生产要求、安全卫生要求和发展要求与节约用地是相辅相成的。保证迳直和短捷的生产作业线必然要求工厂集中和紧凑的布置，而集中和紧凑的布置不仅节约了能量，也同样节约土地。在安全卫生要求方面，如能妥善安排不同对象的不同安全间距要求，即可保证必要的安全距离，又可使土地得到充分利用。在对待发展要求方面，坚持“近期集中，远期外围，由近及远，自内向外”的布置原则，可以使近期工程因集中布置而节约近期用地，并为远

24、期工程的发展创造最大的灵活性。（5） 工厂布置应考率各种自然条件和周围环境的影响（a）重视风向和风向频率对总平面布置的影响，布置建筑物位置时要注意它们与主导风向的关系。（b） 应注意工程地质条件的影响，厂房应布置在土层均匀，地耐力强的地段。一般挖方地段宜布置厂房，填方地段宜布置道路、地坑、地下构。（c） 工厂总平面布置应满足城市规划，工业区域规划的有关要求，做到局部服从全体，注意与城市规划的协调。 5.1.2 厂区布置总图说明本工业区主导风是西北风，根据这个气象因素将生活区布置在滩地东面，生活区布置在西面呈平行风侧布置。然后按各分厂不同地污染危害程度由东向西依次布置，使化工厂地生产装置远离生活

25、区，既满足了卫生要求，又使土地获得充分利用。关于工厂地发展要求包括两方面的含义，一方面在设计任务中明确规定的远期发展规模；另一方面是工厂投产后，随着工艺流程的变化，产品产量的增加，综合利用的提高等所引起的发展变化，本布置图已对这种发展要求予以充分估计。 布置的原则是“近期集中，远期外围，由近及远，自内向外，由近而远”。有近期工程的集中布置为远期工程的发展创造灵活条件。同时在近期集中的原则下，按不同的车间要求各自预留适当的余地，使之在可以预见的将来不致打乱整个生产和安全布局。5.2车间布置5.2.1车间布置基本原则和要求：车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面。（2） 厂房建筑a) 厂

26、房平面力求简单化，以利用建筑定型化合施工机械化。常用形式有直线型、T型和L型。b) 柱间距多用66，一般不超过12m。总跨度：多层一般24m，单层30m。常用厂房总跨度有6，12，18，24，30 m，一般有机化工车间总跨度为23个柱网跨度。c) 层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层46m，最低不低于3.2m，净空高度不得低于2.6m。 以上三方面尽量符合建筑模数（标准化）的要求。d) 在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、防毒等安全需要。e) 在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。f) 笨重设备和震动设备尽量布置

27、地搂地面。同类设备可尽量集中。g) 设备穿孔必须避开主梁。h) 厂房出入口、交通道、楼梯等都需精细安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度达0.2 m以上，满载的运输设备大0.61.0m，单门宽一般900，双门宽有1200，1500，1800，楼梯坡度450600，主楼梯450的较多。 （3） 生产操作a) 设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返物料。尽量采用位差送料，一般从高层到底层设备布置为计量槽反映设备贮槽、重型设备和震动设备。b) 互相有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。c) 相同、相似设备尽可能对称、集中，以利于操作管理给水、电、气等供应。d) 考

28、虑进出料、取样、观察等的方便。（4） 设备装修a) 不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通道。b) 二层楼以上的设备、需在下层设吊孔，对庞大特殊设备在封闭式厂房中可先安装设备后砌墙。c) 要考虑起吊装置，如塔顶、房梁设永久吊架。（5） 安全要求a) 采光要好，尽量避光操作，高大设备避免靠窗挡光。b) 通风要好，高温、有毒、易燃易爆车间尽可能取敞开式，以利于通风散热。机械通风效果要好，应该根据逸出气体或粉尘量的允许浓度确定通风量和通风次数。c) 有毒物质设备放置下风，操作位置应在上风。剧毒设备要隔离操作、单独排风。d) 防爆车间尽可能使用单层厂房，避免车

29、间有死角。建筑物泄压面积一般0.05m2/m3。多层的楼板要有泄压孔，设计防火、防爆墙，设置双斗门，门窗朝外开。门净宽不小于0.8m，净高不低于2 m，走道净宽不小于1.4m，楼梯最小宽度不小于1.1m。二楼以上要考虑紧急疏散等措施。要考虑消防设施、设备。（6） 车间辅助设备及生活用室的配置如自控室、动力间、变配电室、通风除尘室、机修间、办公室、化验室、休息室、更衣室、浴室、厕所等，对防爆及毒性大的车间，上述各项尽量避免设在车间内。（7） 设备之间及设备与建筑之间要有一定的安全距离，所以要根据其距离来布置设备。5.2.2车间布置图说明本生产流程主要设备有搅拌釜反应器、换热器、贮槽及泵。火灾危险

30、性类别为乙类，所以采用闭市厂房。根据本工艺特点，主设备放在二层，过滤、泵、贮罐放在一层；室外贮罐集中布置。整个厂区主导风向是西北风，所以主要反应器、贮槽等布置在东面。所有管道沿框架柱子布置，既整齐美观又不需要单独敷设管架，节约投资费用。6.小结 在既重视发展，又不忽略环境保护的今天，环保型粉状固体脲醛树脂具有较好的发展前景。因此，具有诸多优点的腐植酸改性脲醛树脂发展前景十分明朗。与其相关的反应机理和产品研发等环节仍是我们努力的方向。限于本人所学和个人能力的不足，本设计尚有许多不足之处，敬请见谅。参考文献1 娄爱娟，吴志泉，吴叙美化工设计上海：华东理工大学出版社2 陈昀聚合物合成工艺设计北京：化学工业出版社3 徐寿昌有机化学北京：高等教育出版社4 化工百科全书（第八卷）北京：化学工业出版社5 陈乐怡合成树脂及塑料 牌号手册（下）中国石化出版社6 米镇涛化学工艺学北京：化学工业出版社