《脲醛樹脂膠黏劑的合成工藝設計問題研究（論文）》6600字

年產(chǎn)2500噸脲醛樹脂膠黏劑的合成工藝設計目錄TOC\o"1-3"\h\u4016引言 1169611脲醛樹脂膠黏劑的基本論述 1127491.1脲醛樹脂膠黏劑的簡介 14131.1.1脲醛樹脂膠黏劑的特點 1231111.1.2脲醛樹脂膠黏劑的應用以及現(xiàn)狀 1198851.2室內(nèi)甲醛的來源及危害 2149131.3脲醛樹脂的合成機理 290541.3.1傳統(tǒng)的合成機理 245841.3.2糠醛合成機理 2259462脲醛樹脂膠黏劑合成工藝流程 3306562.1生產(chǎn)工藝流程敘述 373092.2工藝流程圖 3214013工藝計算 4209463.1生產(chǎn)數(shù)據(jù) 4291853.2物料衡算 4292033.2.1釜中的物料衡算 4318533.2.2真空裝置的物料衡算 7308183.2.3整個系統(tǒng)的物料衡算 7172573.3熱量衡算 7137774主設備的選型和計算 9295864.1釜體的材料選擇 933474.2釜體的選型計算 9212944.3封頭的選型計算 11266764.4夾套的選型計算 11219054.5支座的設計選型 1284135結(jié)論 1231420參考文獻 14引言脲醛樹脂（UF）在生產(chǎn)、生活等各個方面都有很多的應用，其中最為主要的是人造板REF_Ref5020\r\h[1]制造的主要原料。而且，我國人造板制造的產(chǎn)量早已經(jīng)位居于全球第一，在目前看來，也一直保持著高速度發(fā)展。它的諸多優(yōu)勢特點也讓其發(fā)展遠超其他的膠黏劑，在全球的木材產(chǎn)業(yè)中占據(jù)非常大的比重。初期樹脂是由尿素和甲醛縮聚得到，然后加入固化劑或其他方法下固化REF_Ref5062\r\h[2]，形成不易溶于水、不易融化的末期樹脂。它是熱固性聚合物膠黏劑，由于其原料易獲得、顏色較淺、粘接牢固、固化速度快、使用便利、生產(chǎn)流程也相對簡單，以及較好的耐熱性、絕緣性等備受使用；加之我國森林資源的日漸減少、節(jié)約資源的提倡，更是推動了此產(chǎn)品的生產(chǎn)使用。與酚醛樹脂不同的是，它存在游離甲醛量較多、耐水性較差、易老化等不足之處，用此制得的產(chǎn)品中含有的甲醛會持續(xù)地向室內(nèi)揮發(fā)，給人的身體帶來極為嚴重的損害。又隨著人們與日俱增的各種健康方面的需求，尤其是對環(huán)境友好產(chǎn)品的喜愛，使得樹脂的發(fā)展迫在眉睫。然而這些后者不足方面會在很大程度上限制其在木板制造上的推廣。因此，未來進一步挖掘新的脲醛樹脂合成和改性工藝流程的道路，以擴大其在生活中使用的范圍，是木材工業(yè)上研究的重點以及難點。1脲醛樹脂膠黏劑的基本論述1.1脲醛樹脂膠黏劑的簡介1.1.1脲醛樹脂膠黏劑的特點生產(chǎn)原料較為充足，產(chǎn)品價格便宜；粘度較大，但穩(wěn)定性較差，易老化，耐水性較差；樹脂顏色較淺，使用很方便；反應活性較高，易固化或固化時間短；會持續(xù)地在空氣中釋放出甲醛。1.1.2脲醛樹脂膠黏劑的應用以及現(xiàn)狀初期生產(chǎn)的樹脂在經(jīng)過固化劑固化后，可以制造出不同樣式形狀的工藝品。因此它的膠合制品（其中有人造板、刨花板REF_Ref6872\r\h[3]等）被應用于各個生活領域，如大多數(shù)的室內(nèi)裝修、家庭用品、以及房屋建筑等方面?？墒亲詮奈覈岢沙掷m(xù)發(fā)展以來，再加上我國REF_Ref7087\r\h[4]工業(yè)快速的發(fā)展、木材方面需求量較大導致森林樹木資源的逐漸減少，脲醛樹脂膠黏劑取代不可再生資源樹木已經(jīng)是大勢所趨，因此在木材加工行業(yè)逐漸開始發(fā)展REF_Ref7704\r\h[5]。到目前為止，人造板領域在整個木材加工中所使用的脲醛樹脂膠黏劑已經(jīng)占據(jù)非常大，甚至占比超過了90%。因此它的發(fā)展前景非?？捎^，前途也很遠大。隨著科學技術在不斷地發(fā)展和實驗室研究人員的不斷努力，讓其應用領域也進一步擴大，性能也逐漸越來越優(yōu)。此種膠黏劑的應用甚至已經(jīng)插足于微膠囊方面。1.2室內(nèi)甲醛的來源及危害室內(nèi)空氣中存在的甲醛一般來源于：一、工業(yè)在生產(chǎn)的脲醛樹脂時，一般要求甲醛必須過量，但按照等摩爾比反應時肯定會存在反應不完全的可能，因此產(chǎn)品中會有多余甲醛；二、原料反應時有不穩(wěn)定的結(jié)構出現(xiàn)，在特定條件下會解體，因此后續(xù)使用中釋放甲醛；三、在炎熱及空氣中含有較多水汽的室內(nèi)，由于樹脂易老化也會釋放甲醛。四、生成脲醛樹脂的整個有機反應中存在可逆反應，當甲醛參與反應發(fā)生逆向時會重新生成甲醛。尤其是用作裝修時的樹脂膠中的甲醛揮發(fā)速度很慢，因此經(jīng)過長時間后室內(nèi)空氣中所含有的甲醛會長期超標以致人體中毒。甲醛是一種有機化合物且具有揮發(fā)的特性而甲醛對人體有致癌性這已經(jīng)被世界所公認。短期之內(nèi)，甲醛只會對人體會產(chǎn)生刺激反應、過敏性反應。而如果人們長時間與之接觸或者生活在微量的甲醛環(huán)境中，人體甚至察覺不到危險就有可能出現(xiàn)某些癥狀，比如惡心嘔吐、嗓子疼痛、嗓子發(fā)干等慢性呼吸道疾病甚至還會患鼻竇炎。1.3脲醛樹脂的合成機理合成脲醛樹脂的過程中，對于尿素與甲醛之間的反應很多樣，存在很多種可能，產(chǎn)物的結(jié)構無法精準控制。從大量研究中得知中間階段的產(chǎn)物中可能含有一羥甲基、二羥甲基、三羥甲基、四羥甲基等結(jié)構；其次反應過程的終點也很難確定下來，因此最終結(jié)構也無法得知，只知道它的分子量

大約為10000，而分子量又與樹脂的性能之間存在著關系。收集到目前為止所有的有關研討，主要有兩種理論REF_Ref8615\r\h[6]：第一，傳統(tǒng)合成理論（主要）；第二，糠醛理論。1.3.1傳統(tǒng)的合成機理傳統(tǒng)合成將樹脂的生產(chǎn)劃分為兩個階段，但并沒有界限能把它們清楚區(qū)分開來。第一個階段是在弱堿性或中性溶液的前提下進行加成，尿素結(jié)構中的氨基的氫與甲醛結(jié)構中的羥基發(fā)生反應，故也稱羥甲基化。按照上述反應后可以生成羥甲基結(jié)構，其中以生成更多的二羥甲基脲為目標。若采用高摩爾比時，反應后產(chǎn)物中可能會存在三羥甲基脲、四羥甲基脲。第二個階段是在前一階段和弱酸性條件下，反應中會發(fā)生加成以及縮聚反應占據(jù)主要，這個階段是合成樹脂過程中決定其性能的關鍵一步。隨后當反應釜中液體的粘度達到一定的程度（工業(yè)上所要求）時，將反應液用氫氧化鈉調(diào)節(jié)為中性，通過真空脫水后接著降溫一段時間，最后出料，得到初期的脲醛樹脂產(chǎn)品。1.3.2糠醛合成機理按照糠醛理論，合成的初期脲醛樹脂中具有Uron環(huán)結(jié)構，用其加工制造后的產(chǎn)品耐水性能較優(yōu)于其他制品。與傳統(tǒng)理論合成的亞甲基二脲經(jīng)過對比后發(fā)現(xiàn)該理論合成得到的Uron環(huán)耐水性能較好；且還有一個好處，在聚合樹脂高分子中的Uron環(huán)鏈節(jié)，會加大樹脂分子鏈的長度，縮聚階段將進行的更加完全。當樹脂結(jié)構中含有少許的Uron環(huán)時，會使得樹脂的粘度增大、耐水性提高等，其中存在的游離甲醛含量也會相對較少，并且在后續(xù)的加工、改造、以及使用過程中由于某些原因釋放出的甲醛也會變少；反之，則結(jié)果相反?，F(xiàn)如今的工業(yè)生產(chǎn)中，此兩種理論都已經(jīng)發(fā)展的十分完備。但是，傳統(tǒng)的脲醛樹脂合成理論更易被人們所接受，也在工業(yè)生產(chǎn)中的應用更為普遍。2脲醛樹脂膠黏劑合成工藝流程2.1生產(chǎn)工藝流程敘述（1）首先將40%的HCHO溶液添加到反應釜中，然后把40%的NaOH添加至甲醛溶液中，將溶液的pH調(diào)節(jié)至8~9。接下來將第一批含量大約80%的尿素加入，在反應進行半小時之后，加入第二批含量大約10%的尿素。并一開始就將混合液加熱且維持在90℃左右，保溫1h左右。（2）大約1h后，加入40%的甲酸將pH調(diào)節(jié)至3~4，繼續(xù)在90℃下反應1h。（3）保溫結(jié)束后用40%的氫氧化鈉將溶液PH調(diào)至7，溫度維持90℃，反應30min。（4）加入剩下的尿素與少量的聚乙烯醇，在90℃下，繼續(xù)補充縮合反應30min。（5）然后將產(chǎn)物送入真空裝置進行脫水預處理。當固含量達到70%時，終止操作。（6）將初期合成的樹脂冷卻至40℃，將產(chǎn)品送至儲藏罐中。2.2工藝流程圖40%NaOH調(diào)節(jié)PH為8~940%NaOH調(diào)節(jié)PH為8~930min后加入第一批80%30min后加入第一批80%尿素甲醛溶液加入到反應釜加入第二批10%尿素調(diào)PH為調(diào)PH為8~940%NaOH調(diào)PH為3~440%甲酸30min30min后真空脫水加入第三批10%真空脫水加入第三批10%尿素加入少量的聚乙烯醇脫水到脫水到30%停止圖1工藝流程冷卻至40℃出料

圖1工藝流程冷卻至40℃出料3工藝計算3.1生產(chǎn)數(shù)據(jù)本設計是年產(chǎn)2500t脲醛樹脂膠黏劑的合成工藝設計。一年365天大約等于8760h，參考一般的工業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)生產(chǎn)樹脂的工業(yè)都將一年的生產(chǎn)時間按照8000h計算。而對于脲醛樹脂工業(yè)生產(chǎn)方式與一般工業(yè)生產(chǎn)（連續(xù)法）不同，通常要采用間歇式生產(chǎn)；由于脲醛樹脂生產(chǎn)過程中尿素與甲醛只進行縮聚反應，只不過結(jié)構會不同但最終都是膠黏劑的一部分，而在反應釜內(nèi)由于流動中損失的量相對于年產(chǎn)2500t很小，因此損失率大約為3%。數(shù)據(jù)如下所示。表SEQ表\*ARABIC1生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)量規(guī)模生產(chǎn)時間生產(chǎn)方式損失率甲醛溶液尿素聚乙烯醇2500t/年8000h間歇式生產(chǎn)3%37%100%尿素量的1%3.2物料衡算3.2.1釜中的物料衡算工業(yè)上生產(chǎn)脲醛樹脂的工藝過程相對于生產(chǎn)其他樹脂來說相對比較簡單，所以要生產(chǎn)的樹脂與原料之間的計算關系也相對簡單，不是特別復雜。因此，經(jīng)過計算就能較為容易地得到尿素、甲醛、少量的聚乙烯醇（約尿素量的1%[14]）與脲醛樹脂、水它們之間的物料平衡關系。根據(jù)前面討論的內(nèi)容，確定了整個過程中的各個參數(shù)，以及所需的原料?？芍汉铣呻迦渲x擇的摩爾比為HCHO：H2NCONH2=1.3:1。其中HCHO的摩爾分數(shù)為30，H2NCONH2的摩爾分數(shù)為60。HCHO溶液的質(zhì)量分數(shù)為37%，H2NCONH2溶液的質(zhì)量分數(shù)為100%。對于聚合物而言，聚乙烯醇結(jié)構中所含單體的分子量為44，而脲醛樹脂單體的分子量是102，其單體結(jié)構為-(CH2-NH-C=O-NHCH2O)-n。計算產(chǎn)物（聚合物）結(jié)構單元的分子量時，聚乙烯醇占原料的百分比：所以聚合物結(jié)構單元的分子量為：本設計采用的是間歇法生產(chǎn)，雖然生產(chǎn)能力相比于連續(xù)法較小，但是合成的脲醛樹脂樹脂性能卻較好，而且工業(yè)上一般也采用間歇法生產(chǎn)。原料需要分批投料，一個間歇操作周期主要包括反應、輔助（加料、加熱、出料）過程，輔助時間大約可以設計為30min，如果實際輔助時間大于30min，則可以加快進出料、冷卻、脫水等。一個周期總的時間：總生產(chǎn)時間為8000h，則全年需要的投料次數(shù)為：則每次投料的量為：則脲醛樹脂產(chǎn)量為：原料的投料量可以經(jīng)過計算得出，由于確定了甲醛與尿素的摩爾比為1.3:1，因此尿素結(jié)構在聚合物的整個結(jié)構中占據(jù)的百分比為：可以推導并計算出，原料中尿素的量為：則后期加入的聚乙烯醇的量為：所需甲醛的量為：由于甲醛是質(zhì)量分數(shù)為37%的溶液，因此，原料甲醛量：由于在合成脲醛樹脂的整個過程中，氫氧化鈉、甲酸溶液的主要作用是為了調(diào)節(jié)溶液的PH以滿足各個階段所需的酸堿性條件，即它們本身并不與原料參與反應進出料前后平衡，因此物料衡算可省略。因此，37%的甲醛、尿素與聚乙烯醇為進料量。根據(jù)化學計量式可得，與聚乙烯醇反應完全消耗的甲醛量為：與尿素反應的甲醛量：與聚乙烯醇反應完全后生成聚合物的量為：與聚乙烯醇反應完全后生成的水量為：則反應的尿素量為：甲醛與尿素反應生成的聚合物的量為：甲醛與尿素反應生成的水的量為：未反應的尿素的量：整個系統(tǒng)中的水量：總的聚合物的量為：綜上所述，因此，反應釜中的物料平衡。以上數(shù)據(jù)如下表所示。表SEQ表\*ARABIC2反應釜進出料產(chǎn)品37%甲醛（kg/h）尿素（kg/h）聚乙烯醇（kg/h）產(chǎn)物（kg/h）水（kg/h）進料321.97183.271.8300出料066.640202.43238.003.2.2真空裝置的物料衡算真空裝置的進料量為：真空脫去水的量為：所獲得的產(chǎn)品量為：綜上所述，真空裝置物料平衡。表SEQ表\*ARABIC3真空裝置進出料產(chǎn)品水（kg/h）產(chǎn)物（kg/h）未反應（kg/h）進料238.00202.4366.64出料0460.3946.683.2.3整個系統(tǒng)的物料衡算系統(tǒng)的進料量為：系統(tǒng)的出料量為：由于進料量=出料量因此，整個系統(tǒng)物料平衡。表SEQ表\*ARABIC4系統(tǒng)進出料產(chǎn)品37%甲醛（kg/h）尿素（kg/h）聚乙烯醇（kg/h）產(chǎn)物（kg/h）水（kg/h）進料321.97183.271.8300出料000460.3946.683.3熱量衡算對反應釜的整體進行熱量衡算，反應釜的需要有換熱裝置結(jié)構，因為其不僅可以提供給釜內(nèi)反應物發(fā)生化學反應時所要求的熱量，還可以移走反應物反應放出的熱量。而夾套為反應釜的換熱結(jié)構單元，其中通入水蒸氣提供熱量；通入冷卻水帶走熱量。選擇水蒸氣為0.2Mpa120℃作為加熱介質(zhì)。查閱物質(zhì)物理性質(zhì)資料REF_Ref9657\r\h[12]后，得到，表SEQ表\*ARABIC5物質(zhì)比熱容物質(zhì)水甲醛尿素平均比熱容KJ/(Kg*℃)4.201.922.09加熱時，對反應釜整體衡算：其中，對于有機反應熱，根據(jù)各個鍵斷裂所需要的熱求取。對于整個過程包括兩個主要反應：合成脲醛樹脂、改性樹脂反應。根據(jù)化合鍵的斷裂、合成再結(jié)合反應機理來計算放出或吸收的熱量，得出前者吸收的熱量為149KJ/mol，后者吸收的熱量為540KJ/mol。所以，反應熱相對于給熱很小，占給熱的比小于1%，因此反應熱可以忽略不計。所以，所需要水蒸氣的熱量為：夾套本身具有保溫，且加熱溫度不高，取以5%的熱損失計算，傳熱效率為95%。實際水蒸氣的輸入熱量為：在0.2Mpa120℃時，水蒸氣的汽化潛熱則一次所需蒸氣的量為：以輸入的物質(zhì)（室溫20℃）為0基準，如下表。表SEQ表\*ARABIC6反應釜熱量衡算物質(zhì)甲醛尿素水反應熱（忽略）熱損失水蒸氣輸入熱量/KJ00000323552.95輸出熱量/KJ40833.2280437.20178904.88477.5823377.6504主設備的選型和計算本設計主要設備為反應釜，下列對各部件進行選型。4.1釜體的材料選擇合成初期的脲醛樹脂在不同階段需要在特定的酸性或堿性條件下反應，反應釜內(nèi)部處于酸堿性環(huán)境中，因此反應釜材料要具備防腐蝕性。則該主設備選擇耐腐蝕的鎳鉻不銹鋼，標準為GB/T24511的06Cr19Ni10鋼管。查閱資料REF_Ref10095\r\h[13]后，06Cr19Ni10在不同的溫度下所對應的許用應力大小，得到100℃時該類材料許用應力大約為114.00Mpa。按照大多數(shù)工業(yè)上的反應釜來說，圓柱形筒體、標椎橢圓形封頭是首先考慮的。4.2釜體的選型計算釜體的高度以及內(nèi)徑甲醛的密度為815kg/m3；尿素的密度為1335kg/m3；聚乙烯醇的密度為1270kg/m3則反應釜內(nèi)聚合混合物的密度ρ混合物為：反應釜的有效容積Vt為：裝料系數(shù)一般取0.6~0.85，由于樹脂的粘度較大，取0.8較為合適。則反應釜的實際體積為：對于一般的攪拌反應釜，當釜內(nèi)的反應物為液液兩相相互混合時，反應釜釜體的長徑比一般取為1~1.3之間，此處取。則反應釜內(nèi)徑Di：將計算結(jié)果圓整后，取1300mm。反應釜高度H：，將計算結(jié)果圓整后，取1600mm。則反應釜體積經(jīng)過核算，裝填系數(shù)在合適的范圍內(nèi)，因此此設計的反應釜滿足條件。則反應釜高度1600mm，反應釜內(nèi)徑1300mm。（2）釜體的厚度反應釜內(nèi)設計壓力為0.2Mpa，設計溫度為90℃。06Cr19Ni10在90℃下的許用應力為；又液體的靜壓，小于計算壓力的7%，因此可以忽略不計。而反應釜內(nèi)計算壓力，計算壓力，而對于兩面焊接且局部無損傷系數(shù)取0.85，因此，圓筒的計算壁厚為：查閱資料REF_Ref10150\r\h[14]后，負偏差可取0.6mm，由于選擇耐腐蝕的鎳鉻不銹鋼，所以腐蝕余量0mm。則設計厚度為：則名義厚度為：將所計算的結(jié)果圓整后，反應釜釜體壁厚為4mm。（3）水壓試驗校核由于容器內(nèi)部為液液混合反應，屬于液壓試驗，則試驗壓力為：查相關手冊，得ReL=205MPa故滿足。4.3封頭的選型計算（1）封頭的內(nèi)徑與壁厚上、下封頭內(nèi)徑取與釜體內(nèi)徑相等取1300mm。內(nèi)徑小于2000mm，則直邊高度取為25mm，曲面深度取內(nèi)徑的1/4取325mm。反應釜的上、下封頭均都承受了0.2Mpa，上、下封頭計算方法相同。對于標準橢圓封頭計算厚度：與計算釜體厚度相同，圓整后，封頭壁厚為3mm，取與筒體壁厚相等4mm。對于封頭來說，一般選擇標準橢圓形其內(nèi)徑和筒體相等。具體尺寸：封頭內(nèi)徑1300mm，直邊高度為25mm，曲面深度為325mm。則封頭體積0.29m3，封頭的側(cè)面積3.03m2。下封頭與下封頭選型基本一樣，平面法蘭連接可以充當封頭與釜體兩者之間聯(lián)接。水壓試驗校核由上同理可得，故符合。4.4夾套的選型計算夾套直徑及高度夾套的直徑需要在釜體壁厚基礎上，按照標準的夾套直徑與筒體直徑的關系來選取。取分析釜體和夾套內(nèi)受力情況，其設計壓力均為0.2Mpa，則內(nèi)筒所能承受最高壓力也為0.2Mpa。夾套的壁厚夾套本體焊接一般采用雙面對接焊，雙面焊位置處無挫傷。焊縫系數(shù)取0.85，腐蝕余量為0mm，工作壓力為0.2Mpa。將計算的結(jié)果圓整，厚度為4mm。經(jīng)驗算后，此厚度符合要求。水壓試驗校核由上同理可得，故符合。4.5支座的設計選型由于反應釜器壁不是太厚，因此需要在器壁與支座之間加上一層耐腐蝕材料為06Cr19Ni10的墊板，且支座選擇四個材料為Q235-A的耳式長臂B型支座。5結(jié)論綜合所有的因素后，對于設計的年產(chǎn)2500t脲醛樹脂膠黏劑合成的工藝流程，總結(jié)有以下優(yōu)缺點：設計脲醛樹脂的合成工藝中所選擇的各種參數(shù)都是在前人所做的許多研究上而選擇地最合適的參數(shù)，此種合成的產(chǎn)物樹脂性能較優(yōu)；在反應釜中，到反應后期時會加入少量的聚乙烯醇，這樣做不僅可以與樹脂中游離的甲醛反應聚合生成另一種膠黏劑以降低甲醛的含量，還可以進一步增加粘度、耐水特性以及防止其老化后釋放有害物質(zhì)甲醛。在之后的反應釜、真空裝置進行物料、熱量衡算中，和對各個部件合適選擇，然后再進一步核算是否符合工藝要求，其計算過程合理準確、計算方法科學、符合實際生產(chǎn)；也充分考慮了合成反應是吸熱反應，將利用其熱量以降低生產(chǎn)成本。但聚乙烯醇需要在酸性條件下與甲醛發(fā)生反應，而后期則是在中性的條