Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm

Công nghệ vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong khoa học và trong đời sống x• hội. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học và kĩ thuật, ngành công nghệ vật liệu nói chung và công nghệ vật liệu polyme nói riêng ngày càng có nhiều tiến bộ vượt bậc, tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất ưu việt được ứng dụng rộng r•i trong khoa học và trong đời sống. Vật liệu polyme được sử dụng rất rộng r•i, các sản phẩm từ polyme gắn liền với đời sống con người, chúng đem lại nhiều tính chất tốt và hiệu quả kinh tế cao. Nhựa phenolic hay phenolfomandehit nói riêng là loại nhựa tổng hợp đầu tiên được ứng dụng trong thương mại. Mặc dù được tổng hợp muộn hơn nhiều loại nhựa khác và chỉ đưa vào sản xuất công nghiệp ở những năm đầu của thế kỷ 20 nhưng cho đến nay nhựa phenolic không ngừng phất triển cả về số lựơng và chất lượng. Sản lượng tiêu thụ nhựa phenolic hàng năm tăng lên đáng kể. Trên cơ sở đó việc: “Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm” mang tính thực tế và cần thiết.

Mục lục Trang Mở đầu 3

Chơng 1 Tổng quan về nhựa phenolic 4

1.Lịch sử phát triển 4

2.Nguyên liệu 6

2.1.Phenol 6

2.2.Andehyt 9

3 Phản ứng tổng hợp 11

3.1 Phản ứng tạo nhựa rerolic 11

3.2.Phản ứng tạo nhựa novolac 12

1.3.3 Điều kiện ngng tụ nhựa 13

4.ứng dụng 17

5.Sản xuất nhựa novolac 19

Chơng 2 Tính toán kĩ thuật 23

2.1.Tính phối liệu và cân bằng vật chất 23

2.2.Tính toán thiết bị 25

2.2.1.Tính toán thiết bị chính 26

2.2.2.Tính cánh khuấy 30

2.2.3.Tính bảo ôn thiết bị phản ứng 33

2.2.4 Tính thiết bị đỡ 36

2.3.Tính thiết bị phụ 38

2.3.1.Tính thiết bị ngng tụ 38

2.3.2.Thùng chứa và thùng lờng 41

2.3.3.Tính bơm chất lỏng 45

2.3.4.Tính cân bằng nhiệt lợng 48

Chơng 3 Xây dựng 56

3.1.Yêu cầu về lựa chọn địa điểm xây dựng 57

3.2.Thiết kế tổng mặt bằng 58

3.3.Giải pháp cấu tạo nhà 63

3.4.Giải pháp thông gió 63

Chơng 4 Tính toán điện nớc 65

4.1.Điện dùng trong sản xuất 65

4.2 Nớc dùng trong sản xuất 66

Chơng 5 Tính toán kinh tế 68

5.1.Tóm tắt dự án 68

5.2.Thị trờng và kế hoạch sản xuất 68

5.3.Tính toán kinh tế 69

Chơng 6 An toàn lao động 76

6.1.An toàn lao động trong nhà máy 76

6.2.Nguyên nhân gây mất an toàn lao động 77

6.3.Các biện pháp đảm bảo an toàn lao động 77

Vật liệu polyme đợc sử dụng rất rộng rãi, các sản phẩm từ polyme gắn liền với

đời sống con ngời, chúng đem lại nhiều tính chất tốt và hiệu quả kinh tế cao Nhựa phenolic hay phenolfomandehit nói riêng là loại nhựa tổng hợp đầu tiên đợc ứng dụng trong thơng mại Mặc dù đợc tổng hợp muộn hơn nhiều loại nhựa khác

và chỉ đa vào sản xuất công nghiệp ở những năm đầu của thế kỷ 20 nhng cho đến nay nhựa phenolic không ngừng phất triển cả về số lựơng và chất lợng Sản lợng

tiêu thụ nhựa phenolic hàng năm tăng lên đáng kể Trên cơ sở đó việc: “Thiết kế

dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phơng pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm” mang tính thực tế và cần thiết.

đã chỉ ra rằng O-, P- hydro benzyl alcol (phenol alcol) có thể nhận đợc từ phenol

và fomadehit trong môi trờng kiềm.Quá trình tổng hợp nhựa phenolic tiếp tục đợc nhiều nhà hoá học nghiên cứu trong những năm cuối của thế kỉ 19 và Thus, Claus, Trainer đã tổng hợp đợc nhựa phenolictừ phenol và axetandehit trong môi trờng axit (HCl)

Vào những năm đầu của thế kỉ 20 rất nhiều nhà hoá học nghiên cứu về quá trình tạo nhựa phenolic bằng việc sử dụng các loại xúc tác khác nhau Blumer đã ngng tụ phenol và fomandehit khi có mặt hỗn hợp các axít, thu đợc nhựa hoà tan trong rợu và chúng đợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vecni

Smith tổng hợp phenolic từ phenol và axetandehit với sự có mặt của axít HCl Sản phẩm thu đợc có tính cách điện tốt.[1]

Story lại cho phenol phản ứng với aldehit trong thời gian dài mà không sử dụng xúc tác, nhựa thu đợc có đặc điểm là đóng rắn chậm, thích ứng với các sản phẩm khuôn đúc

Năm 1907 ữ1909 Leo Backeland công bố những nghiên cứu của mình về loại nhựa phenolfomandehit với xúc tác kiềm có tên thơng mại là Bakelite và trong môi trờng axit tạo nhựa nhiệt dẻo Novolac với tỷ lệ cấu tử phenol/fomandehit

>1.Tuy nhiên nhựa tạo thành cha đợc sử dụng trực tiếp nh nhiều loại nhựa khác Backerland đã nghiên cứu cấu trúc nhựa và đa ra giải pháp khắc phục khó khăn trong quá trình gia công sản phẩm Ngay sau đó hãng Bakelite lần đầu tiên đa vào sản xuất nhựa phenolic đẫ đánh dấu bớc phát triển của nhựa phenolic

Năm 1965 nhựa phenolic đợc sản xuất 65.000 tấn.

Năm 1987 nhựa phenolic lên tới 2,3 triệu tấn

Năm 1993 là 2,8 triệu tấn

Năm 1998 lợng nhựa phenolic đợc sản xuất là 3,4 triệu tấn

ở Việt Nam nhựa phenolic đợc sử dụng muộn hơn chủ yếu ở dạng bán thành phẩm và nguyên liệu cho một số loại vật liệu nh : bột ép, ván ép, sợi ép, keo dán, sơn từ nhựa phenolic biến tính,…

Năm 1958ữ1960 Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trờng đại học Bách Khoa Hà Nội ( ngày đó là bộ môn cao phân tử ) đã giúp đỡ xây dựng phân xởng sản xuất keo dán tại nhà máy gỗ Cầu Đuống

Năm 1975 Nam T giúp xây dựng nhà máy ván dăm ở khu công nghiệp Việt trì

Sau đó miền Nam xây dựng các nhà máy ván dăm, gỗ ép Đồng Nai,Sài Gòn.Tình hình phát triển nhựa phenolic ở Việt Nam 2000ữ2003:[

Giai đoan 1: Xây dựng và lắp đặt 6 nhà máy ván ép nâng công suất lên22.000 tấn

Giai đoạn 2: Xây dựng và đầu t chiều sâu cho 108 nhà máy chế biến lâm nghiệp

Giai đoạn 3: Xây dựng và hoàn thiện xong 108 nhà máy nâng công suất lên 85.000 tấn đáp ứng một phần nhu cầu trong nớc

2.1.1.Tính chất lý học của phenol.[4]

ở điều kiện thờng phenol có màu hồng nhạt hoặc nâu sẫm Các sản phẩm chứa phenol tự do trong quá trình bảo quản có mầu thay đổi từ hồng nhạt sang nâu sẫm

Nhiệt độ sôi của phenol ts=182,10C

Trọng lợng riêng của phenol d = 1,0596 g/cm3

ở điều kiện thờng phenol là tinh thể có nhiệt độ nóng chảy là 42,3oC, nhiệt

độ hoá rắn là 40,5 ữ 40,9oC

Phenol rất độc, với hàm lợng phenol rất nhỏ trong không khí cũng gây ngộ

độc Phenol hoà tan trong các dung môi phân cực: rợu, axeton, Tính tan trong n…

-ớc của phenol phụ thuộc nhiệt độ

2.1.2.Các phơng pháp điều chế phenol [5]

Phenol tự nhiên đợc tách ra từ các sản phẩm chế biến nhiên liệu rắn ở nhiệt

độ cao Ngoài ra phenol tổng hợp có thể điều chế bằng các phơng pháp sau:

• Phơng pháp sunfua hoá: bao gồm các giai đoạn sau:

Sunfua hoá benzen tạo axit benzoic

Đun nóng chảy kiềm với axit ở thể hơi

Phân giải phenol bằng axit sunfuric và tiến hành chng benzen thô

• Phơng pháp Ra-sic: phơng pháp này gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Cho benzen tác dụng với HCl và không khí ở nhiệt độ

200-230oC có mặt muối nhôm, sắt Sản phẩm thu đợc chứa clobenzen

Giai đoạn 2: Tách rửa clobenzen và thuỷ phân trong lò tiếp xúc ở nhiệt độ

350oC với xúc tác SiO2 hoặc Ca3(PO4)2 Rửa phenol nhận đợc và đem chng cất.Các phản ứng xảy ra nh sau:

C6H6 + HCl + 1/2 O2 C6H5Cl + H2O

C6H5Cl + H2O C6H5OH + HCl

• Phơng pháp oxy hoá trực tiếp benzen:

Tiến hành oxy hoá benzen ở nhiệt độ 800oC, áp suất 70at, có mặt xúc tác HF Hỗn hợp sản phẩm đem chng cất nhiều lần thu phenol Phơng pháp này ít đợc sử dụng do hiệu suất thấp(30-60%)

Tiến hành chng cất phân đoạn thu phenol Phơng pháp đợc đề xuất ở Liên Xô

và là phơng pháp kinh tế nhất hiện nay đợc ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới

• Phơng pháp Dow (Dow Chemiscal):

Tiến hành oxy hoá toluen theo hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: oxy hoá toluen bằng không khí ở nhiẹt độ 120-150oC có xúc tác

Co tạo axit benzoic Phản ứng toả nhiệt mạnh và có nhiều sản phẩm phụ.: HCOOH, CH3COOH, C6H5CHO,

Giai đoạn 2: Decacboxy hoá axit benzoic với xúc tác Cu2+:

C

O

O Cu O C

O COOH

+ Cu 2+

O O

o-Crerol m-Crerol p-Crerol.

Crezol thờng tồn tại dới dạng hỗn hợp ba đồng phân nhiệt độ sôi của hỗn hợp

là 185-205oC, trọng lợng riêng 1,044g/cm3 Crezol hoà tan trong rợu, ete, kiềm, khó hoà tan trong nớc Crezol nhận đợc chủ yếu từ sản phẩm xử nhiệt của than đá, than nâu, gỗ

Xylenol: (CH3)2C6H3OH

Xylenol có sáu đồng phân, xylenol kĩ thuật ở dạng lỏng nhớt, mầu nâu,, trọng lọng riệng 1,035-1,040 g/cm3 Xylenol tan trong dung dịch kiềm 10% Xylenol cũng nhận đợc chủ yếu từ xử lý nhiên liệu rắn

Resocsin (m-dioxy benzen): C6H4(OH)2

Resocsin ở dạng tinh thể rắn, nhiệt độ nóng chảy là 110oC và nhiệt độ sôi là 276,5oC, trọng lợng riêng là 1,285 g/cm3

2.2.Aldehyt.

2.2.1.Fomandehyt.

• Tính chất lý học của fomandehyt [6]

Fomandehyt là chất khí không màu, mùi mạnh Khi làm lạnh fomandehyt sẽ hoá lỏng, nhiệt độ sôi là -21oC, nhiệt độ nóng chảy là -92oC, ở nhiệt độ –

93oC sẽ đóng thành một chất tinh thể rắn trọng lợng riêng là 0,815 g/cm3

Fomanhehyt thờng đợc sử dụng ở dạng dung dịch với nớc gọi là focmalin Focmalin chứa 33- 40% thể tích fomandehyt Khi để lâu thấy kết tủa trắng tách ra

từ dung dịch focmalin đó là polyme của fomandehyt (parafooc ) Để tránh hiện

Phản ứng oxy hoá có thể tiến hành trong chân không hoặc dới áp suất.

+ Điều chế fomandehyt từ metan:

Mêtan đợc điều chế từ các sản phẩm chế biến dầu mỏ và khí thiên nhiên Oxy hoá khí metan không hoàn toàn ở 1400-1500oC xảy ra phản ứng:

2.2.2.Axetandehyt: CH3CHO

Là chất lỏng có mùi khó chịu, nhiệt độ sôi là 20,8oC, nóng chảy ở –123,5oC, trọng lợng riêng là 0,792g/cm3 Axetandehyt hoà tan trong nớc rợu, ete Axetandehyt rất rễ tự trùng hợp

2.2.3.Fufurol.

Công thức hoá học của fufurol:

CHO

Là chất lỏng không màu, mùi dễ chịu Nhiệt độ sôi là 161,7oC, đóng rắn ở –36,5oC, trọng lợng riêng là1,1598 g/cm3 Fufurol tan trong rợu etylic, metylic, ete, axeton Trong quá trình bảo quản nếu có mặt không khí thì fufurol sẽ có màu tối dần và rợu hoá Để bảo quản ngời ta thờng cho thêm hydroquynol hoặc parafooc.Phơng pháp chủ yếu để sản xuất fufurol là thuỷ phân các phế phẩm trong nông nghiệp: rơm, dạ, lõi ngô, tiến hành thuỷ phân d… ới áp suất và nhiệt độ lớn hơn

100oC Ngoài ra có thể nhận đợc fufurol bằng cách thuỷ phân gỗ hoặc than nâu

Ion phenolat có khả năng giải toả điện tích vào vòng benzen làm cho mật độ

điện tử tại các vị trí ortho và para của vòng tăng lên

Các ion này sẽ phản ứng với fomandehyt theo phơng trình:

Trong môi trờng kiềm ion hydroxy metynol phenol bền vững và các vị trí hoạt

động còn lại của phenol tiếp tục phản ứng với fomandehyt để tạo ra các mono, di, tri hydroxy phenol

Hỗn hợp rợu phenolic này sẽ ngng tụ tạo nhựa rezolic:

+ H 2 O

CH 2 O

Nhùa novolac t¹o thµnh trong ®iÒu kiÖn m«i trêng ph¶n øng lµ axit C¬ chÕ ph¶n øng nh sau:

CH2 O + H

+

CH2 OH+

+

Trong m«i trêng axit c¸c metylol phenol kh«ng bÒn chóng t¬ng t¸c víi ion H+

t¹o ion metylolphenol

3.3 Điều kiện ngng tụ nhựa.

Phản ứng ngng tụ nhựa của phenol và fomandehit là phản ứng từng bậc vì vậy

ta có thể tách các sản phẩm và nghiên cứu các sản phẩm ban đầu tơng đối ổn

định Qua nhiều thí nghiệm thấy rằng các điều kiện nh : cấu tạo hoá học của nguyên liệu, tỷ lệ cấu tử, môi trờng phản ứng ảnh hởng quyết định đến quá trình tạo thành và các tính chất của nhựa

3.3.1 Điều kiện ngng tụ nhựa rezolic.

Nhựa rezolic tạo thành trong điều kiện :

Môi trờng phản ứng là môi trờng kiềm

Tỷ lệ Phenol / fomandehit > 1 (d phenol)

Phenol phản ứng có ba vị trí hoạt động

•Xúc tác cho phản ứng:

Các xúc tác thờng dùng là : NaOH, Ba(OH)2, NH4OH,

o NaOH: Là xúc tác mạnh , dùng với lợng nhỏ (0,1%), NaOH còn có tác dụng làm cho các sản phẩm đa tụ ban đầu dễ hoà tan trong môi trờng phản ứng Nhợc

điển của loại xúc tác này là cần phải tiến hành trung hoà kiềm còn lại trong nhựa.Vì còn kiềm d trong nhựa làm giảm các tính chất kĩ thuật của nhựa: mầu sắc, độ bền nớc, tính chất cách điện,

o Ba(OH)2: là xúc tác yếu hơn NaOH nên dùng với lợng nhiều hơn (1-1,5%), Ba(OH)2 dễ trung hoà bằng CO2, muối trơ còn lại trong nhựa không ảnh hởng đến các tính chất kĩ thuật của nhựa Do tác dụng xúc tác yếu hơn nên dễ khống chế tốc độ phản ứng ngng tụ

biến đợc sử dụng để tổng hợp nhựa rezolic ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau NH4OH kết hợp với fomandehit tạo thành urotropin vì vậy ta có thể sử dụng trực tiếp urotropin làm xúc tác Hàm lợng thờng lấy từ 0,5 - 3% so với phenol Sử dụng dung dịch amoniac để dễ khống chế tốc độ phản ứng nhng có nhợc điểm là sản phẩm dễ bị rộp trong quá trình ép nóng do tạo khí NH3

• Tỷ lệ cấu tử:

Trong môi trờng kiềm nếu d phenol vẫn tạo thành nhựa rezolic ở đây tỷ lệ cấu

tử không không ảnh hởng quyết định nh với nhựa novolac Hàm lợng các cấu tử

đ-ợc lấy gần với đơng lợng phân tử Khi tăng hàm lợng fomandehit thì tính chất của nhựa cũng thay đổi: tăng nhiệt độ nhỏ giọt, tăng tốc độ đóng rắn và giảm hàm l-ợng phenol tự do trong nhựa

• Thành phần hoá học của các cấu tử :

Đặc trng hoá học của phenol tham gia phản ứng ngng tụ thành rezolic ảnh ởng lớn đến quá trình đa tụ : tốc độ đa tụ , tốc độ đóng rắn,

h-Các phenol có ba vị trí hoạt động hoá học tham gia phản ứng rất mãnh liệt với fomandehit và tạo nhựa rezolic có độ nhiệt rắn cao Nhựa đi từ phenol, m-crerol

có tốc độ đóng rắn cao Fomandehit thờng sử dụng ở dạng dung dịch với nớc gọi

là focmalin, nồng độ fomandehit 37- 40%, trong focmalin chứa 7- 12% metanol

đóng vai trò chất bảo quản Sự có mặt của metanol làm giảm hiệu suất ngng tụ, nồng độ fomandehit tỷ lệ với tốc độ phản ứng.Vì vậy hàm lợng metanol trong focmalin càng thấp, hàm lợng fomandehit càng cao thì tốc độ phản ứng càng mạnh

3.3.2.Điều kiện tạo nhựa novolac:

Nhựa novolac tạo thành trong điều kiện:

Phenol có 2 hoặc 3 vị trí hoạt động

Tỷ lệ phenol / fomandehit >1 (d phenol)

Môi trờng phản ứng là môi trờng axit

•Xúc tác :[3]

Các loại xúc tác hay dùng là : HCl, H2SO4, axit osalic,

 HCl : Nồng độ HCl trong môi trờng phản ứng là 0,1- 0,3%, PH môi trờng phản ứng từ : 2,2 – 1,8 Phản ứng đa tụ toả nhiệt lớn nên HCl cần đa vào thành nhiều lần HCl có u điểm là khi sấy sẽ tách khỏi hỗn hợp cùng với hơi nớc nhng nhợc điểm của nó là ăn mòn thiêt bị

 H2SO4 : Axit này chỉ đợc sử dụng trong thờng hợp đặc biệt Tác dụng xúc tác của axit sunfuric kém hơn axit HCl và khi sấy axit H2SO4 còn lại trong nhựa vì vậy phải tiến hành trung hoà axit , các muối trơ còn lại trong nhựa làm ảnh hởng

đến mầu sắc của nhựa Axit H2SO4 gây ăn mòn thiêt bị rất lớn

 Axit osalic: Là axit hữu cơ phân ly yếu, hoạt tính xúc tác kém nên đợc sử dụng với lợng lớn Quá trình phản ứng xảy ra êm dụi, dễ điều chỉnh hơn nhng thời gian phản ứng lại lớn hơn rất nhiều so với axit vô cơ Nhựa tạo thành có mầu sáng

và bền ánh sáng hơn

 Axit focmic: Axit focmic luôn có trong fomalin nhng hàm lợng thấp không

đủ để đảm bảo tốc độ phả ứng cần thiết Vì vậy khi tiến hành đa tụ ở áp suất ờng và nhiệt độ sôi của hỗn hợp cần phải thêm axit để đảm bảo PH môi trờng xuống 2,2-1,8 Nếu tiến hành phản ứng ở áp suất và nhiệt độ cao thì quá trình xảy

nhựa novolac tạo thành càng cao, lợng phenol tự do trong nhựa càng giảm ( lợng phenol tự do trong nhựa càng nhỏ nhựa càng dễ chuyển thành nhựa rezolic)

• Điều kiện sấy và đa tụ:

Quá trình đa tụ nhựa tạo thành không tan trong hỗn hợp phản ứng, có thể kết thúc quá trình đa tụ khi có sự phân lớp Nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy nếu kéo dài thời gian đa tụ thì phản ứng giữa phenol và fomandehit triệt để hơn, trọng lợng phân tử trung bình và hiệu suất tạo nhựa cao hơn ( phản ứng đa tụ tiến hành từng bậc)

Quá trình sấy ngoài mục đích tách nớc và các cấu tử không tham gia phản ứng : phenol, fomandehit, axit, còn có tác dụng làm cho phản ứng tiến hành sâu hơn ở nhiệt độ cao Quá trình sấy gồm các giai đoạn sau:

Đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ sôi

Cho bay hơi ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp

Xử lý nhiệt : nâng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của hỗn hợp

Thời gian xử lý nhiệt và nhiệt độ ảnh hởng rất lớn đến độ nhớt, nhiệt độ chảy mềm, hàm lợng phenol tự do.[5]

•Bột ép: thờng sử dụng để sản xuất các vật phẩm thông dụng hay công dụng

đặc biệt Bột ép có thể sản xuất bằng phơng pháp trục vít, trục cán thông thờng Phụ gia thờng dùng là mạt ca (đa phần), sợi amian nhỏ, bột mica, thạch anh

Theo công dụng phân thành các loại bột ép sau:

- Bột ép làm các sản phẩm đặc biệt có độ bền nớc và độ chịu nhiệt cao.

• Vật liệu ép lớp: Chủ yếu để sản xuất vật liệu dạng tấm và dạng ống.Tuỳ thuộc phụ gia mà chất dẻo ở các dạng khác nhau: testolit ( phụ gia là vải, sợi bông ), thuỷ tinh testolit ( phụ gia là vải thuỷ tinh)

•Vật liệu sợi ép: Chủ yếu đi từ rerolic và phụ gia sợi làm tăng một số tính chất cơ học: độ dẻo, độ chịu va đập, sợi làm phụ gia có thể là sợi bông, sợi thuỷ tinh.…

• Vật liệu ép với phụ gia thô ( mảnh vụn ): đi từ rerolic và phụ gia là mảnh vụn: vải, giấy, Sản phẩn có độ dẻo và chịu va đập.…

Vật liệu ép từ nhựa phenolic có nhợc điểm là chịu axit kém, dòn, các tính chất cách điện phụ thuộc nhiệt độ Để tăng cờng các tính chất này ngời ta thờng

sử dụng phối hợp với các nhựa khác polyvinylclozit, cao su thiên nhiên

4.2.Phao-lit.

Phao-lit là loại vật liệu chịu axit tốt, sản xuất từ nhựa phenolfomandehit dạng rerzolic có mặt chất phụ gia Các phụ gia chủ yếu để sản xuất phao-lit là : cát, grafit, amian antoxilit

Phao-lit đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để lót và chế tạo các thiêt bị hoá học: thùng chứa, nồi phản ứng, tháp hấp phụ,

4.3.Keo dán.

Nhựa phenolfomandehit đợc ứng dụng để sản xuất keo dán cho các loại vật liêu nh : gỗ, kim loại, chất dẻo, gốm, sứ, thuỷ tinh, Nhựa rerolic thờng sử dụng ở dạng tan trong rợu họăc nhũ tơng trong nớc

Keo phenolic có tính kết dính cao, chụi đợc ẩm và các loại nấm mốc song có nhợc điểm là màng keo dán dòn, độ bền mối dán kết cấu thấp Hiện nay chủ yếu

sử dụng keo phenolfomandehit kết hợp với các loại polyme khác : urefomandehit, epoxy, polyvinylaxetan, cao su, nilon,

Dùng làm nguyên liệu sản xuât màng sơn, vecni.

Bên cạnh đó nhựa novolac cũng đợc sử dụng cho các sản phẩm :

Chi tiết cho động cơ, hoả tiễn

Phanh, lớp đệm mối nối chịu nhiệt > 500oC

Thiết bị điện dùng trong gia đình chịu nhiệt độ cao

Đầu chế hoà khí

Nắp đầu xilanh của động cơ xe

Sử dụng phối trộn với các chất phụ gia để tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất tốt: dẫn nhiệt cao, vật liệu dẫn từ, vật liệu bán dẫn, [5]

5 Sản xuất nhựa novolac.

Nhựa novolac có thể đợc xuất theo hai phơng pháp là liên tục và gián đoạn đi

từ các nguyên liệu đầu là focmalin, phenol, phenol hỗn hợp với các phenol khác Các đơn phối liệu để sản xuất nhựa novolac có thể khác nhau nhiều tuỳ từng nhãn hiệu nhựa nhng quá trình sản xuất đều tuân theo qui trình ngng tụ

Qui trình sản xuất nhựa novolac có thể phân thành các giai đoạn sau:

 Ngng tụ phenol và focmalin ở nhiệt độ 98-100oC

Trong công nghiệp có thể sản xuất novolac theo phơng pháp không xúc tác và dới áp suất cao Khi đó axit focmic trong focmalin đóng vai trò chất khởi đầu, tốc

độ phản ứng ở áp suất cao lớn hơn so với áp suất thờng nhng trong thực tế sản

xuất năng suất thiết bị ở áp suất thờng cao hơn ở áp suất cao Khi tiến hành trùng ngng ở áp suất cao thì phenol phải sử dụng d nhiều (phenol : fomandehyt là 100:26 theo trọng lợng ) Hiệu suất khi đó đạt 85-92% nhng hàm lợng phenol tự

do trong nhựa vẫn cao Để khắc phục cho thêm vào axit osalic thì hiệu suất đạt 107% và nhiệt độ phản ứng 180oC

5.1 Sản xuất nhựa novolac theo phơng pháp liên tục.

Quá trình sản xuất mà hỗn hợp nguyên liệu đợc đa vào liên tục sẩn phẩm phản ứng cũng đợc lấy ra liên tục thông qua một hệ thiết bị nối tiếp nhau Trong thời gian phản ứng nồng độ các cấu tử trong một thể tích nào đó không thay đổi theo thời gian Quá trình sản xuất liên tục có thể phân thành: quá trình liên tục từng bậc và quá trình dòng liên tục

• Quá trình liên tục từng bậc: Là quá trình liên tục xảy ra từng bậc trong một dãy thiết bị nối tiếp nhau thành một hệ tác dụng liên tục Đặc điểm của quá trình

là nồng độ các cấu tử không thay đổi trong toàn bộ thể tích của thiêt bị sau khi đạt

đến trạng thái ổn định Sự thay đổi nồng độ của các cấu tử ban đầu và sản phẩm cuối cùng xảy ra từng bậc trong cả dãy thiết bị, ở mỗi thiêt bị hỗn hợp phản ứng

và chất lỏng chảy ra có thành phần đồng nhất

Phơng pháp liên tục đòi hỏi tính toán thiết bị rất phức tạp, trong nhiều trờng hợp có thể tiến hành phản ứng trong các tháp có ngăn phân chia, mỗi ngăn tơng ứng với một thiết bị riêng biệt Hỗn hợp nguyên liệu liên tục đi vào ngăn đầu tiên

và liên tục đi ra ở ngăn cuối cùng Xúc tác thờng đa vào từ ngăn đầu tiên, một số trờng hợp nhiệt độ phản ứng toả ra mạnh để phân phối nhiệt đều trong thiết bị phản ứng thì xúc tác đợc đa vào từng ngăn

• Phơng pháp dòng liên tục: Quá trình trong đó nồng độ các cấu tử thay đổi trong toàn bộ không gian phản ứng cũng giống nh trong quá trình liên tục từng bậc, đối với quá trình này nồng độ hỗn hợp phản ứng không thay đổi trong suốt thời gian phản ứng Quá trình dòng liên tục thờng tiến hành trong thiết bị dạng ống

5.2 Sản xuất novolac theo phơng pháp gián đoạn.

Nguyên tắc làm việc của phơng pháp gián đoạn:

Nguyên liệu từ các thùng chứa trong phân xởng nhờ bơm bơm lên các thùng ờng trọng lợng rồi từ đó đi vào thiết bị phản ứng

l-Axit từ thùng cao vị đa vào thùng lờng trọng lợng hoặc thể tích Hỗn hợp phản ứng đợc khuấy đều, thêm xúc tác đến PH yêu cầu (1,6-2,5)

Đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 55-60oC sau đó ngừng cấp hơi vì nhiệt độ hỗn hợp phản ứng tự tăng do phản ứng toả nhiệt Khi nhiệt độ hỗn hợp đạt 98-

100oC thì hỗn hợp bắt đầu sôi và ngừng khuấy, cho nớc vào vỏ bọc ngoài của thiết

bị để làm lạnh nhng phải đảm bảo hỗn hợp phản ứng sôi nhẹ.Sau một thời gian ( khoảng 20 phút ) tiếp tục cho khuấy và thêm xúc tác Duy trì phản ứng và tiến hành lấy mẫu kiểm tra tỷ trọng của nhựa tới khi đạt yêu cầu

Trong quá trình phản ứng từ khi đun nóng đến lúc sôi, tỷ trọng, độ nhớt của hỗn hợp phản ứng thay đổi không đáng kể, do trọng lợng phân tử trung bình thấp tan đợc trong fomalin Cùng với thời gian phản ứng nhựa tạo thành có khối lợng phân tử tăng dần, khó hoà tan trong nớc, phenol, fomalin không thâm gia phản ứng Sau khi sôi khoảng một giờ lợng phenol và fomandehyt không tham gia phản ứng giảm không đáng kể, độ nhớt của nhựa tăng lên là do cácc sản phẩm thấp phân tử ngng tụ với nhau.Giai đoạn sấy nhựa nhằm mục đích khử nớc, metanol, xúc tác dễ bay hơi, phenol, fomalin và các sản phẩm phụ

Nhựa đợc xử lý nhiệt bằng hơi nớc có áp suất vào vỏ bọc ngoài của thiết bị Hiệu suất nhựa đạt đợc105-110% so với trọng lợng nhựa

• Tóm lại đối với đỗi phơng pháp sản xuất đều có những u điểm và nhợc

điểm khác nhau Do vậy việc lựa chọn phơng pháp sản xuất nào tuỳ thuộc vào mục đích, yêu cầu về sản phẩm, yêu cầu về tri phí đầu t ,

Đối với phơng pháp liên tục đòi hỏi hệ thống thiết bị rất phức tạp, tính toán rất chính xác, năng lợng tiêu tốn nhiều, hiệu suất không cao.Tuy nhiên phơng pháp này cho năng suất cao

Đối với phơng pháp gián đoạn hệ thống thiết bị đơn giản hơn, cho hiệu suất cao, chi phí kinh tế ít hơn phơng pháp liên tục nhng cho năng suất không cao, độ

đồng đều của sản phẩm kém.Thực tế sản xuất phơng pháp gián đoạn thờng đợc ứng dụng nhiều vì tính kinh tế cao, dây chuyền sản xuất đơn giản và đặc biệt là an toàn về môi trờng ( hàm lợng metanol và phenol tự do có trong nớc thải)

Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phơng pháp gián đoạn (trang bên)

15 14

6

Nước lẫn nhựa

7

16

Hơi nước

10- Thiết bị hoà tan axit oxalic

11- Thiết bị làm nóng chảy axit oleic.

12-Thùng cao vị của axit oleic.

14- Thiết bị sinh hàn ống chùm.

15- Thùng chứa nước ngưng tụ.

16- Trống làm nguội.

Chơng 2 Tính Toán kĩ thuật 2.1 Tớnh phối liệu và cõn bằng vật chất.

Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa novlac:

Giả thiết tổn hoa qua các công đoạn nh sau:

Tổng số ngày làm việc trong năm: 365-125 =240 (ngày)

Năng suất thiết bị trong một ngày là: 1 , 25

240

300

2.1.2.1.Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm.

Từ số lợng một tấn sản phẩm tính ngợc lại để biết nguyên liệu đầu cần dùng

Công đoạn đóng ngói sản phẩm:

Công đoạn này tổn hao 0,5% nên sản lợng cần sản xuất trớc khi đa vào công

5 , 99

100 1000

Lợng tổn hao là: 1005 – 1000 = 5 (kg)

100 1005

,

99

100

1010

Lợng tổn hao là: 1015 – 1010 = 5 (kg)

Công đoạn đa tụ:

Công đoạn này tổn hao 1% nên sản lợc cần thiết là:

26 , 1025 99

100

100 26 , 1025

100 4 ,

Lợng phenol 96% cần thiết để tạo ra 1030,4 kg nhựa Novolac là:

85 , 949 96

Lợng Focmalin 100% cần để tạo ra 1030,4 kg nhựa Novolac là:

2 , 246 113

Cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm

Bảng cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất

1250 nhựa Novolac

Bảng cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất

Vhh=Vhh

hh hh

a1, a2, a3 :nồng độ phần trăm khối lợng của từng cấu tử

Thiết bị làm việc ở nhiệt độ 98oC, tra khối lợng riêng của các cấu tử ở nhiệt

2

9 , 2030

( kg)

4 , 1034

45 , 1015

Thể tích làm việc của tháp: Vlv= 1 , 4

7 , 0

98 , 0

4 , 1

Lấy H=1,3 m

2.2.1.2.Tính toán cơ khí cho thiết bị phản ứng.

Môi trờng làm việc của tháp là môi trờng axít, nồng độ axít <1% và nhiệt độ

là 98oC.Chọn loại vật liệu làm thiết bị phản ứng có tính chịu axít là thép không gỉ X17H13M2T.Thiết bị làm việc ở áp suất thờng nên chọn phơng pháp hàn thân hình trụ

Chiều dày thân hình trụ đợc xác định theo công thức sau:

2 [10,Tr.360 – 371]

Trong đó : ϕ : hệ số bền của thiết bị phản ứng theo phơng pháp hàn

Hệ số ϕ tra theo đờng kính thiết bị phản ứng và phơng pháp gia công đợc ϕ

= 0,95

P: áp suất làm việc của tháp

P= P1 +Pmt

P1: áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng

Pmt: áp suất môi trờng

[σk] = 6 0 , 9 186 , 92 10 6

6 , 2

10

[σc] = 6 0 , 9 132 10 6

5 , 1

10 220

95 , 0 10 132 ].

Bá P ë mÉu cña biÓu thøc tÝnh s

6 1 , 4 10 1 , 93 10 95

, 0 10 132 2

29 , 108819

2 , 1 ].

.[

2

= +

=

=C P

D t

ϕ δ

P C S

ϕ <

−

− +

10 110 2

, 1

10 132 10

215 , 36 95

, 0 10 6 , 3 2

6 , 171507 ].

10 6 , 3 2

Đáy và nắp thiết bị làm cùng loại vật liệu với thân thiết bị Đáy đợc hàn vào thân thiết bị, đáy thiết bị có ống dẫn sản phẩm Nắp có lỗ trục cánh khuấy, cửa nạp liệu, cửa ra vào vệ sinh, nắp đợc nối với thân bằng bích nối Thiết bị làm việc

ở áp suất lớn hơn 7.104 N/m2 và đặt đứng nên chọn đáy và nắp dạng elíp có gờ Chiều dày đáy và nắp tính theo công thức sau:

h

D P k

P D

b

t h

k

− .2

].

.[

8 ,

4 , 0

1 − =

=

t

D d

10 95 , 0 66 , 0 92 , 186

Vậy bỏ P ở mẫu trong công thức tính S

3 , 0 2

1 95 , 0 66 , 0 10 92 , 186 8 ,

3

29 ,

Lấy S = 5mm

Kiểm tra ứng suất thử:

2 , 1 ) ( 6 , 7

].

( 2

b h

b t

C S h k

P C S h

=

6 6

3

2

10 155 10

07 , 44 10

6 , 3 3 , 0 95 , 0 66 , 0 6 , 7

6 , 171507 )].

4 , 1 5 ( 3 , 0 2 2 , 1

[

<

=

− +

δ

Vậy S = 5mm thoả mãn yêu cầu bền.Vậy đáy và nắp dày 5mm

Chọn bích nối:

Thiết bị làm việc ở áp suất thờng nên chọn loại bích liền bằng thép để nối nắp

và thân thiết bị, đáy thiết bị đợc hàn vào thân thiết bị Các kích thớc chính của bích nh sau:

Quá trình khuấy thờng xuất hiện những chỗ xoáy và chuyển động tròn của chất lỏng làm mất năng lợng và tạo bọt Để khắc phục có thể ghép thêm các thanh chắn trong thiết bị phản ứng

Các kích thớc của cánh khuấy nh sau:

l: Chiều cao mức chất lỏng trong thiết bị phản ứng.

Chiều cao từ đáy thiết bị đến cánh khuấy:

z= 0,11.dM = 0,11 1,02 = 0,1122 (m)

Bề dày cánh khuấy : s = 0,06 dM = 0,06 1,02 = 0,0612 (m).Công suất làm việc của cánh khuấy :

81 ,

Lấy n = 0,8 (v/s)

ξ : Hằng số phụ thuộc chế độ chuyển động của chất lỏng

ρhh: khối lợng riêng của hỗn hợp phản ứng

ξM xác định dựa vào đồ thị quan hệ ξM = f (Re)

6

2 2

10 45 , 7 10

130

8 0 9 , 0 4 , 1034

16 , 2372

Đờng kính trục khuấy xác định theo công thức:

dk =3

81 , 9

x

M

Mx =

π

10

37216 , 2 10 3

Trong đó : t1: Nhiệt độ hơi nớc bão hoà, t1=120oC.

tT1: Nhiệt độ thành thiết bị phía trong tháp

tT2: Nhiệt độ thành thiết bị phía ngoài tháp

tT3: Nhiệt độ thành thiết bị giáp với không khí

t2 : Nhiệt độ môi trờng xung quanh

δt: Chiều dày lớp vỏ áo

δbo: Chiều dày lớp bảo ônCoi quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt: nhiệt do hơi cấp cho thành thiết bị (q1) bằng nhiệt truyền qua lớp vỏ áo (q2) bằng nhiệt truyền qua lớp bảo ôn (q3) bằng nhiệt cấp cho môi trờng xung quanh

δ + 1

rc: Nhiệt trở do cặn của hơi nớc, rc = 5800 (w/m2.độ)

δt : Chiều dầy lớp vỏ áo, lấy δt = 3mm

λt : Hệ số dẫn nhiệt của thép làm vỏ áo λt = 46(w/m2.độ)

λbo: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bảo ôn

α1: Hệ số cấp nhiệt của hơi nớc

α2: Hệ số cấp nhiệt ra môi trờng

t t t

t

T

T T

bo

2 3 2 1

2 3 2 3 1 1

α α

α α

Hệ số cấp nhiệt của hơi nớc α1:

Hơi nớc đi trong tiết diện hình vành khăn giữa vỏ áo và thân thiết bị Chuẩn số Nuxen xác định nh sau :

da : Đờng kính ngoài của ống trong

db: Đờng kính trong của ống ngoài

ρ: Khối lợng riêng của hơi nớc ρ = 1,1199 (kg/m3).

Cp: Nhiệt dung riêng của hơi nớc, Cp= 2,114.103 (J/kg.độ)

à: Độ nhớt của hơi, à = 138,85.10-7 (N.s/m)

10 85 , 138

1199 , 1 255 , 1

10 7179 , 2

10 114 , 2 10 85 , 138

2

3 7

21 , 1 ( ) 08 , 1 (

) 10 253 (

23 ,

0 4 0 , 8 0 , 4 0 , 45 =

255 , 1

10 7179 , 2 2 , 30441

1

t

t c

δ

λt : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm vỏ áo

Chọn vật liệu bảo ôn là bông thuỷ tinh bọc vải thuỷ tinh có:

λbo = 0,133(w/m.độ)

) 25 40 (

25 , 659 62 , 11

) 25 40 ( 62 , 11 ).

40 120 ( 25 , 659 133

1 1

1

α λ

1 133

, 0

10 60 10

37 , 2 7 , 753 1

1

3 4

= +

+

62 , 11

) 25 109 ( 85 , 1 25 ) (

2

− α

t t

C

ttb : Nhiệt độ trung bình của hơi, ttb= 109

2 120

98+ = oC

định trọng lợng tải trọng của toàn bộ thiết bị phản ứng.

Khối lợng toàn bộ thiết bị phản ứng:

M= mtb + md +mn +mvo +mk +mbo +mnl + mbs

mtb: Khối lợng thiết bị phản ứng

md, mn : Khối lợng đáy và nắp thiết bị phản ứng

mvo, mbo : Khối lợng vỏ áo và khối lợng lớp bảo ôn

ρ

= (1 , 21 1 , 2 ) 1 , 5 224 , 15

4 10 9 ,

ρvo : Khối lợng riêng của thép cácbon, ρvo=7,85.103(kg/m3)

mvo= (1 , 306 1 , 3 ) 1 , 5 144 , 53

4 85 ,

mbo = bo (D n D t ).h

4

2 2

ρ

h: Chiều cao lớp vỏ bảo ôn, bằng chiều cao hỗn hợp chất lỏng

Chọn thiết bị ngng tụ dạng ống chùm sử dụng tác nhân làm lạnh là nớc đi bên ngoài ống và hơi đi trong ống Hai lu thể chuyển động ngợc chiều nhau Quá trình biến đổi nhiệt độ trong hai lu thể nh sau:

Tính nhiệt trao đổi và lợng nớc cần dùng:

Lợng nhiệt do hơi nớc cấp là: Q = m.r

m: Lu lợng hơi nớc (kg/s)

r : ẩn nhiệt ngng tụ của hơi nớc, r = 2264.103(J/kg)

=

∆t C

Q

Tính hệ số cấp nhiệt của từng lu thể

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nớc xác định theo công thức:

25 , 0

1 1

04

r A

A: Hệ số phụ thuộc nhiệt độ, tại 100oC , A = 179

H: Chiều cao của ống truyền nhiệt, lấy H = 0,5m

R : Nhiệt ngng tụ của hơi nớc tính bằng Kcal/kg,

r = 539,4(Kcal/kg)

5 , 0

4 , 539 15 , 365 5

, 0

4 , 539 179 04

,

2

25 , 0

1

25 , 0

Re 21 ,

0

25 , 0 43

, 0 8 , 0

14 , 5 1425

, 5 10 2 021 ,