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

В случае отверждения резолов кислотами  при рН среды выше определенного значения отверждения практически не происходит. Такое значение рН называется предельным, или пороговым, и является характеристической константой всех резолов, отверждающихся при нагревании.

Ниже   приведена   возможная   структура   отвержденной   смолы (кислое отверждение):

В ряде случаев наблюдается  недостаточное отверждение смол, что отрицательно сказывается на их механической прочности и теплостойкости. В полимерной сетке появляется много слабых мест, которые могут значительно ухудшать свойства изделий. Этот фактор, по-видимому, объясняет часто наблюдаемые большие расхождения между теоретическими и практическими значениями прочности. Возникновение слабых мест может быть обусловлено, вопервых, пространственными затруднениями вовторых, наличием конденсационной воды, которая может приводить к появлению «дырок» (дефектов структуры). Кроме того, чем больше молекула, тем меньше вероятность вступления в реакцию всех функциональных групп.

Влияние температуры на скорость отверждения резола показано на рис.1, а на рис.2   — влияние концентрации кислого отвердителя на продолжительность отверждения и рН резола. Из которых видно, что при увеличении темпераруры снижается скорость отверждения (см. рис.2.1.2.). Чем выше рН тем ниже содержание отвердителя и чем меньше его, тем меньше продолжительность отверждения (см. рис.2.1.2.)

                  Рис. 2.1.1.                                                     Рис.2.1.2.

Рис.2. 1.1. Зависимость скорости отверждения от температуры

Рис. 2.1.2. Зависимость продолжительности отверждения и рН резола

от содержания  отвердителя

 

2.  Характеристика сырья и его подготовка к технологическому процесса

 

       Формальдегид  — НСООН,  М = 30,03.

Применяется как основной компонент  в производстве клеящих и пропиточных смол.

Основные физические свойства формальдегида:

Температура плавления, °С                              -92

Температура кипения, °С                               -19,5

Удельная теплоемкость,                                0,282

Теплота сгорания, ккал/моль                        134,0

Формальдегид хорошо растворяется в воде и спиртах. Основные физические свойства водного раствора формальдегида  (формалина):

Плотность, кг/м3                             1080 — 1100

Вязкость, СП                                                2,45

Показатель преломления                 1,376— 1,377

Температура кипения, °С                           101,0

Технический формалин представляет собой  не раствор формальдегида в воде, а смесь метиленгликоля и полиоксиметиленгликолей, метанола, муравьиной кислоты и воды.

Физико-химические показатели формалина

Внешний вид —бесцветная прозрачная жидкость. При хранении допускается образование мути или белого осадка, растворимого при температуре не выше 40 °С

Содержание формальдегида, %                                                    36,5— 37,5

Содержание метилового спирта, %                                         5,0 —3,0  до 11

Содержание кислот в пересчете  на муравьиную кислоту, %      0,02—0,04

Остаток после прокаливания, %                                                         до 0,008

Содержание железа, %                                                       до 0,0001—0,0005

В процессе хранения формалина образуется полиоксиметиленгликоли со степенью полимеризации n>3, эти соединения слабо растворимы в воде и выпадают из раствора в осадок. Выпадение полимеров в осадок замедляется при введении в формалин метилового спирта. По мере увеличения количества метилового спирта в формалине происходит снижение допустимой температуры его хранения.

 Формалин хранят в обогреваемых  емкостях, изготовленных из кислотостойкой стали или алюминия или эмалированных, при температуре 10 — 25°С в зависимости от сорта. При выпадании осадка формалин подогревают до температуры не выше 40°С без применения открытого огня до полного растворения осадка. Гарантийный срок хранения — 3 месяца со дня изготовления.

       Фенол синтетический — С Н ОН,    М = 94,62.

Применяется в качестве основного  компонента в производстве феноло-формальдегидных  клеящих и пропиточных смол.

 

Основные физические свойства фенола

Температура   плавления, °С                                41

Температура кипения, °С                                   182

Теплота сгорания, кДж/моль                           2866

Расплавленный фенол кристаллизуется при 40,5- 40,9 °С. При длительном соприкосновении с воздухом он окисляется и окрашивается в красный цвет.

Примесь воды понижает точку плавления  на 1,2 °С. Смешиваясь с водой при невысокой температуре, фенол образует жидкость, состоящую из двух слоев: нижний — раствор воды в феноле, верхний — раствор фенола в воде.

Фенол хорошо растворяется в спирте, эфире, а также водных растворах щелочей. Благодаря кислотному характеру фенол при взаимодействии с растворами щелочей образует феноляты (соли). Под действием кислот феноляты легко разлагаются и выделяют фенол.

Фенол реагирует со многими соединениями, в том числе и с альдегидами, с которыми он вступает в реакцию поликонденсации, являющуюся основой для получения смол.

Технические требования.

По физико-химическим показателям синтетический фенол должен соответствовать нормам, указанным в табл. 2.2.1.

Для производства синтетических смол рекомендуется применять фенол  высшего сорта, показатели которого строго регламентированы.

Фенол хранят в оцинкованных, алюминиевых или из нержавеющей стали емкостях. Срок хранения фенола в твердом состоянии в цистернах не более 15 суток, в барабанах — не более 30 суток.

Кристаллический фенол выплавляют из металлических барабанов путем нагревания их в плавильной камере, которая представляет собой металлическую камеру с паровой рубашкой.

Табл.2.2.1.

 

 

Натр едкий — NaOH,    M = 39,97.

Применяется в производстве синтетических  смол как катализатор реакции, диспергирующее средство и регулятор рН среды. Получается химическим методом и методами ртутного и диафрагменного электролиза раствора хлористого натрия.

Едкий натр в виде химического раствора марок РХ-1 и РХ-2, используемый при производстве смол, представляет собой бесцветную прозрачную жидкость от пепельного до голубого цвета. По физико-химическим показателям технический едкий натр должен соответствовать нормам, указанным в табл.2.2.1.

Технический едкий натр в виде раствора хранят в герметических ще-лочестойких  емкостях.

Сыпучие и кристаллические сырьевые материалы поступают на предприятие в мешках, металлических и деревянных барабанах, которые хранят в складских сухих помещениях.

Наибольшее содержание едкого натра, менее всего железа в пересчете  на Fe O  (особенно в РХ-1),см  табл. 2.2.1.

 

 

 

 

Табл.2.2.

 

3. Разработка технологической схемы производства фенолформальдегидных смол

 

Получение фенолформальдегидных смол резольного типа зависит от условий  и области их применения.

Водорастворимая атмосферостойкая фенолоформальдегидная смола С-13 представляет собой продукт конденсации фенола с формальдегидом в щелочной среде.

Рецепт смолы С-13, мас. ч.

Фенол синтетический (технический)                            100,00

1 порция формалина, 37 %-ного раствора                  164

2 порция                                                                           18

Едкий натр, 42 %-ный раствор                                     51,4

Вода                                                                                  78,6

       Содержание сухих  веществ в готовой смоле                41%

       Количество отгоняемое  в процессе                                23%

       вакуум-сушки, воды

Смола С-13 предназначена для изготовления специальной клеящей пленки на основе бумаг, поэтому для получения низковязкой смолы, обладающей способностью хорошо пропитывать бумагу, конденсацию ведут в сравнительно мягких условиях, без кипячения реакционной смеси. по технологической схеме, показанной на рис.2.3.1. 

 

Рис. 2.3.1. Технологическая схема производства фенолформальдегидных смол: 1 — мерник фенола, 2 — мерник формалина, 3 — мерник катализатора, 4, 6, 7, 12 — трубопроводы, 5 — холодильник, 8 — вакуум-сборник, 9 — паровая рубашка, 10 — мешалка, 11 — реактор.

Исходное сырье, предварительно проанализированное заводской лабораторией в соответствии с действующими ГОСТами и техническими условиями, дозируется весовыми или объемными мерниками. Конденсацию проводят в реакторах, снабженных мешалками, холодильниками и приборами (термометры, манометры, вакуумметры), позволяющими контролировать процесс.

В рубашку 9 реактора пускают пар и нагревают реактор до 40—45° С. В реактор 11 загружают расплавленный фенол или жидкие фенолы (фенольную фракцию, трикрезол и др.) из мерника 1 по трубопроводу 12  в количестве 100,00 масс.ч., а затем при работающей мешалке 10 раствор едкого натра  из мерника 3 в количестве 15,65 масс.ч . Перемешивание продолжают 20—40 мин. Температура реакционной смеси в пределах 45—65°С поддерживается в течение 10 мин. Затем включают холодильник 5 на обратное действие, т. е. конденсат может по трубопроводу 4, холодильнику 5 и трубопроводу 6 вернуться в реактор 11. При работающей мешалке загружают формалин из мерника 2 в количестве 162,5 масс.ч. его подают непрерывной струей в течение 60—70 мин. Подача формалина в реактор должна быть равномерной. Температура реакционной смеси в это время должна поддерживаться в пределах 65—80 °С после окончания загрузки формалина температура за счет слабого подогрева и экзотермической реакции (с большим выделением тепла) повышается до 90—95 °С в течение 10—45 мин., для поддержания температуры в требуемых пределах периодически вводят в рубашку реактора холодную воду для охлаждения.  При этой температуре производится вызревание смолы до необходимой вязкости. Затем в рубашку реактора подают холодную воду и охлаждают смолу. При получении смолы нужной вязкости ее охлаждают до 30 °С, причем охлаждение до 60—70 °С производят в течение не более 40 мин. Общая продолжительность охлаждения смолы до 30 °С не должна превышать 120 мин. Готовую смолу сливают в приемники.

 Для получения повышенной концентрации и вязкости смолу подвергают частичному обезвоживанию в вакууме. Для этого переключают холодильник на прямое действие по трубопроводам 4 и 7, включают вакуум-насос через вакуум-сборник 8. Вакуум-сушку смолы ведут при 70 — 75° С и разрежении не менее 480 — 500 мм рт. ст.

По окончании вакуум-сушки включают обратный холодильник и охлаждают полученную смолу до 20—30° С.

4. Материальный баланс сырья

 

Исходные данные:1) рецепт смолы, масс. ч.: фенол — 100; формалин 37%-ной концентрации — 164; едкий натр 42%-ный раствор — 51,4 2) содержание сухих веществ в готовой смоле — 41%; 3) количество отгоняемой воды в процессе вакуум-сушки — 23% от первоначальной загрузки реактора.

Расчет: расход сырья на приготовление  реакционной смеси:

100+164=264масс.ч.

Выход после вакуум сушки:

1-я порция-264(100-23/100)=203,3 масс.ч

2-я порция 203,3+18=221,3 масс.ч

Общий выход смолы составляет 221,3 100/264+18=78,5%

Расход фенола на 1 т. товарной смолы:

221,3-100      Х1= 451,9 кг

1000-Х1

Расход фенола на 1 т. усл.-сухой смолы:

410-451,9       Х2=1102,1кг

1000-Х2

Расход фенола на 1 т. с учетом 2% потерь:

1102,1 1,02=1124,2 кг

 

Расход формалина на 1 т. товарной смолы:

221,3-182        Х3=822,4 кг

1000-Х3

Расход формалина на 1 т. усл.-сухой  смолы:

410-822,4        Х4=2005,9 кг

1000-Х4

Расход формалина на 1 т. с учетом 2% потерь:

2005,9 1.02=2046 кг

 

 

5.  Описание устройства и расчет оборудования

 

В комплект оборудования для изготовления клеящих и пропиточных синтетических  смол входят следующие аппараты: реактор, теплообменник, вакуум-сборник, напорные сборники и весовые мерники для всех используемых видов сырьевых материалов, приемники готовых смол и вакуум-насосы.

Все перечисленное оборудование выпускается  отечественной промышленностью серийно.

При комплектовании оборудования для производства смол необходимо руководствоваться тем, чтобы оборудование было выполнено в антикоррозийном исполнении, например с использованием нержавеющих кислотостойких сталей или сталей, покрытых эмалью. Необходимо это по следующим причинам. Основным сырьем в производстве синтетических смол являются формалин, фенол и карбамид. В качестве катализаторов реакции при синтезе смол применяются растворы едкого натра и хлористого аммония.

Известно, что формалин уже при обычных температурах вызывает коррозию многих металлов, таких как железо, медь; никель, сплавов цинка. В процессе же синтеза смол в присутствии щелочных и кислотных катализаторов (величина рН среды колеблется от 2,0 до 10,0) формалин, обладающий сильно кислой реакцией, нагревается до температуры 90- 92 С с выделением муравьиной кислоты, вызывающей коррозию реакторов.

При эксплуатации реакторов, происходит окисление стенок с разрушением поверхности реактора и образованием окислов железа (в виде окалины), которые оказывают отрицательное влияние на чистоту и качество смол.