Проект участка по производству водорастворимой фенолоформальдегидной смолы СФЖ-3013 производительностью 3000 т/год

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «ТНС и ППМ»

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Проект участка по производству водорастворимой фенолоформальдегидной смолы СФЖ-3013 производительностью 3000 т/год

 

 

 

Выполнила студентка:

4 курса ф-та ТОВ 

 

Руководитель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2006

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                           

 

    ВВЕДЕНИЕ                                                                                                     

 

1 .АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР                                                                    4

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ                                                               6

 

            2.1. Теоретические основы процесса                                                     6

 

2.2. Характеристика сырья и подготовка его

к технологическому процессу                                                             10

 

       2.3. Разработка технологической схемы

       производства фенолформальдегидных смол                                      13

 

       2.4. Материальный баланс сырья                                                         15

 

2.5. Описание устройства и расчет оборудования                             16

 

3. КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА                                                             19

 

3.1. Оценка технического уровня и качества

синтетических смол                                                                              19

 

2. Санитарно-химические свойства синтетических

смол и клееных материалов                                                                 21

 

 

4.     ОХРАНА ТРУДА                                                                                    27

 

5.     ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ                                                    28

 

 

     Список  литературы                                                                                 29

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Природные полимеры (каучук) человек  обрабатывал еще в древние  времена. К концу 19 началу 20 века начали модифицировать целлюлозу, но первым синтетическим  полимером была фенолформальдегидная смола. В последствии реактопласты утупили место термопластам. В наши дни полимерные материалы используются почти во всех отрослях техники и с каждым годом появляются новые способы получения пластмасс, так же создаются полимерные композации с заданными свойствами.

 

 

1. АНЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

 

Фенолформальдегидные смолы или  фенопласты относятся к первым пластическим массам, полученным реакцией поликонденсации. В эпоху бурного развития пластмасс трудно дать прогноз относительно будущего фенопластов — наиболее старых полимерных материалов. Однако с уверенностью можно сказать, что и в настоящее время они не только не утратили своего значения, но и есть основания рассчитывать на долгосрочный и  абсолютный рост производства фенопластов. Насколько фенопласты, будут в дальнейшем экономически перспективными, зависит от возможностей модификации их механических, физических и химических свойств, создания новых рациональных способов переработки, а также от их стоимости и наличия сырьевой базы.

Толчком к производству фенопластов  послужил как дефицит природного сырья, так и необходимость замены природных материалов синтетическими.

В связи с подъемом производства стали к концу 19-го века и увеличением объема переработки каменноугольной смолы, потребовалось решить проблему рационального использования побочных продуктов, в частности фенола.

Значительная доля роста производства фенопластов обусловлена созданием новых товарных продуктов, например непылящих пресс-масс, эластичных смол с повышенной ударной вязкостью и пресс-масс, перерабатываемых при низком давлении. Расширению областей применения фенопластов способствовало создание нового метода переработки — литья под давлением.

Основы химии фенольных смол заложил Бакеландом в начале XX века, именно он сделал  важный и плодотворный вклад в последующее развитие этой области. Уже тогда им было установлено различие между растворимыми (плавкими и неплавкими) и нерастворимыми продуктами поликонденсации. Первые были названы Бакеландом «новолаками», а вторые Лебахом— «бакелитами» или «резитами». Бакеланд также определил три состояния продуктов поликонденсации:

состояние А — растворимые, плавкие;

состояние В — нерастворимые, каучукоподобные, набухающие;

состояние С — неплавкие, нерастворимые, твердые.

Фенопласты получают реакцией поликонденсации  из фенолов и альдегидов, преимущественно формальдегида.

 

 Смолообразование при взаимодействии фенола с формальдегидом наблюдал еще Байер в 1872 г., чему, однако, в то время но придали большого значения, поскольку считали это явление крайне нежелательным. В 1899 г. были внесены первые предложения по использованию фенолоформальдегидных продуктов в качестве изоляционных материалов и заменителей эбонита. Наполнителем служил асбест.

В 1902г. Люфт запатентовал способ производства смолы, суть которого заключалась в том, что смеси, состоявшие из равных частей фенола и 40%-ного формальдегида, нагревали в присутствии серной кислоты. Хрупкость полученной смолы снижали введением камфары.

В настоящее время фенопласты находят  широчайшее применение во многих отраслях науки и техники.

Олигомерные продукты поликонденсации фенолов с альдегидами применяются в производстве пресс-порошков, слоистых пластиков, фанеры, клеев и лаков. Кроме того, их используют в производстве формовочных материалов, на их основе получают сото- и пенопласты. Они хорошо совмещаются с большим количеством таких полимеров, как поливинилхлорид, полиамиды, каучуки, поливинилбутираль; легко этерифицируются по фенольному гидроксилу, приобретая способность растворяться в неполярных растворителях; являются отвердителями для эпоксидных и карбамидных олигомеров. Изделия, полученные на их основе, отличаются высокой механической прочностью, подо- и кислотостойкостыо, хорошими электроизоляционными свойствами.

При термической деструкции полимеров  этого типа образуется углеродистый остаток (кокс), имеющий высокую термостойкость. Это обусловило применение фенолоформальдегидных полимеров в качестве тепловой защиты конструкций в авиационной и ракетной технике. Высокая адгезия фенолоформальдегидных полимеров, особенно модифицированных, обеспечила их широкое применение для склеивания разнообразных материалов (древесины, металлов, стекла и т. п.).

Низкая стоимость исходного  сырья, его доступность, простота и высокая производительность технологических процессов получения и переработки фенолоформальдегидных олигомеров обеспечивают неуклонный рост объема производства этих важнейших поликонденсационных полимеров.

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1.  Теоретические основы процесса

Фенолоальдегидные полимеры получают при взаимодействии фенолов с  альдегидами в присутствии кислых или щелочных катализаторов. Реакции, ведущие к образованию термопластичных и термореактивных олигомеров, очень сложны и до сих пор полностью не изучены, так как фенолы — многофункциональные соединения, а конечные отвержденные продукты неплавки и нерастворимы. Все это затрудняет выяснение строения полимеров.

Взаимодействие фенолов с альдегидами  представляет собой реакцию поликонденсации. Установлено, что на образование  олигомеров и их свойства влияют: химическое строение сырья; молярное соотношение фенола и альдегида; кислотность реакционной среды.

Образование резолов. В состав резолов входят в основном оксиметилфенолы, диоксидифенилметаны и диоксидибензиловые эфиры. На первой стадии получения резола в присутствии щелочного катализатора происходит нуклеофильное присоединение иона фенолята (I) к формальдегиду (II), причем начало образования резола аналогично образованию альдоля.

 

 

 

 

 

 

Щелочная конденсация резола протекает  через стадию образования иона карбония — по аналоги с конденсацией в присутствии кислого катализатора. Образование иона карбония может сопровождаться возникновением переходного комплекса, содержащего водородные связи.

На скорость реакции влияет энергия  отрыва протона от орто- или пара-положения фенола, которая, повидимому, у метилолфенолов меньше, чем у фенола. Поэтому конденсация метилолфенолов друг с другом протекает быстрее, чем их конденсация с фенолом.

В щелочной среде фенол может  присоединять до трех молекул формальдегида. При мольном соотношении фенол : формальдельгид 1:1 в щелочной среде образуются метилолфенолы, соединенные метиленовьши и диметиленэфирными группами. Содержание метилольных, метиленовых и диметиленэфирных групп зависит от мольного соотношения реагентов, природы катализатора, концентрации исходных компонентов, температуры  и продолжительности реакции.

Низкомолекулярныс резолы. В умеренных  условиях (температура около 70 °С), при  избытке формальдегида (1,5—2 моля на 1 моль фенола) и соответствующих количествах гидроокисей щелочных и щелочноземельных металлов образуются относительно низкомолекулярные, водорастворимые смолы, содержащие преимущественно метилольные группы. В их состав входят различные одно- и двухядерные фенолоспирты с высоким содержанием метилольных групп (обладающие поэтому высокой реакционной способностью), свободные фенол и формальдегид.

Растворимость низкомолекулярных  резолов в воде по мере повышения  температуры уменьшается (метилольные  группы превращаются в диметиленэфирные и метиленовые), на что указывает повышение вязкости. Вязкость повышается также при длительном хранении. Низкомолекулярные резолы применяются в качестве пропиточных смол, клеев, связующих для древесины, тканей, бумаги, стекло- и шлаковаты.

Высокомолекулярные резолы. Для высокомолекулярных резолов характерно высокое содержание метиленовых групп, а их структура аналогична структуре новолаков. Различие между ними в том, что у резолов относительно высокое содержание метилольных и диметиленэфирных групп.

Образование высокомолекулярных смол происходит уже при небольшом избытке формальдегида (1—1,5 моля на 1 моль фенола), незначительных количествах гидроокисей щелочных металлов и повышенных температурах (выше 70 °С). Эти смолы легко и быстро при незначительном выделении летучих продуктов конденсации (Н 0, СН 0) переходят в состояние резита.

Высокомолекулярные резолы нерастворимы в воде, но растворяются в спиртах  и кетонах. Они применяются в  качестве литьевых смол, защитных пленок, связующих для слоистых материалов, прессмасс.

Отверждение. Взаимодействие фенола с альдегидами протекает, как правило, медленно. Поэтому для ускорения реакции и проведения ее в определенном направлении используют катализаторы. Общей особенностью поликонденсации как с кислыми, так и с основными катализаторами является присоединение формальдегида к фенолу с образованием метилольных групп. Кислые катализаторы не только способствуют образованию метилольных групп, но и оказывают влияние на дальнейшее, также зависящее от температуры протекание реакции между первичными фенолоспиртами и фенолами или между фенолоспиртами.

Кислыми катализаторами могут служит серная, фосфорная, уксусная, соляная, молочная, щавелевая, сульфаниловая, три-хлоруксусная, n-толуолсудьфокислота, хлориды металлов кислого характера. Щелочными катализаторами служат гидроокисиды щелочных или щелочноземельных металлов, некоторые амины.

Как уже отмечалось, поликонденсацию  в любой момент можно приостановить и при необходимости продолжить. Отверждение — это как бы доведение процесса поликонденсации до стадии, на которой достигаются необходимые свойства продукта. Стадии поликонденсации классифицируют по общим свойствам смол:

стадия А — резолы или новолаки, плавкие и растворимые;

стадия В — резитолы, еще формующиеся  при нагревании и способные к набуханию;

стадия С — резиты — конечные продукты поликонденсации, неплавкие, нерастворимые.

Время, необходимое для перехода смолы из жидкого в вязкое, каучукоподобное состояние В, обозначают временем В, а для перехода в неплавкое состояние С— временем С.

Скорость отверждения  определяется, в первую очередь, реакционной  способностью фенолов по отношению  к формальдегиду и увеличивается  в ряду: фенол — м-крезол — 3,5-ксиленол. Время В и С дает возможность  сравнивать свойства различных смол при отверждении, но не служит абсолютной мерой продолжительности отверждения.

При отверждении резолов при  нагревании (150—180 °С) образуются в основном метиленовые и диметиленэфирные мостики. Последние чувствительны к высоким температурам — при 200 °С и выше протекают реакции превращения, сопровождающиеся изменением цвета продукта до темно-коричневого. Эти реакции уже не влияют на рост цепи. При этом наблюдается преимущественно окислительное восстановление хинонметидов, появляются типичные для подобных процессов группы и соединения: этиленовые (—СН₂—СН₂—), виниленовые (—СН=СН—), циклические хинолэфиры, а также метальные и формильные концевые группы. При температурах выше 300 °С начинается деструкция.