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1、年产3万吨腐植酸改性脲醛树脂工艺设计摘要腐植酸脲醛树脂是一种用途十分广泛的有机化工产品，主要用做于粘胶剂。本设计产品是改性脲醛树脂（腐植酸改性脲醛树脂HUF），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
2、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。本设计是年产30000吨腐植酸脲醛树脂工厂设计，主要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图。关键词：改性脲醛树脂；腐植酸；尿素；工艺流程图目录摘 要I第一章 绪论11.1 厂址及气象条件11.2 工厂设计可行性分析11.2.1 设计任务和依据 1第二章 产品与原料的性质与规格32.1脲醛树脂的质量标准和规格32.2生产脲醛树脂的原料的特性与规格3第三章 合成工艺设计和分析53.1 游离甲醛的来源53.2 降低游离甲醛含量的途径53.3 腐植酸改性脲醛(HUF)树脂的合成73.4不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成
3、结果53.4.1加成反应阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响53.4.2缩聚反应阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响63.5 改性脲醛树脂合成工艺路线7主要反应73.6 合成脲醛树脂树脂工艺73.6.1 反应阶段73.6.2 脱水阶段83.6.3 后处理阶段8第四章 工艺计算94.1 原始数据及所需技术资料94.2 物料衡算94.2.1对反映釜进行物料衡算：94.2.2对蒸发器做物料衡算：104.2.3对整个系统做物料平衡计算11第五章 设备工艺计算及其选型115.1 搅拌反应釜的设计115.1.1 物料衡算：115.1.2热量衡算：125.1.3 材料选择145.1.4釜体的设计计算1
4、55.1.5 封头的设计选型155.1.6 封头与釜体的连接形式155.1.7 支座形式155.1.8 反应釜的液位165.1.9 搅拌装置的设计165.1.10 传动装置设计175.1.11 传热装置设计175.1.12 反应器上的接管及尺寸175.2 蒸发器 单效蒸发器185.2.1原料液流量185.3 泵的选择195.3.1输送甲醛的泵195.3.2 输送成品泵205.4 换热器选型205.5旋风分离器选型20第六章设备一览表21第七章 设计小结227.1小结22第一章绪论1.1厂址及气象条件1. 厂区位置：合肥地区2. 地势：厂区地势平整3. 常年主导风向：东北风，平均风力二级4. 气
5、温：最高气温40最低气温75. 地下水位：25m6. 运输条件：公路，铁路1.2工厂设计可行性分析1.2.1设计任务和依据本次设计根据章祥林老师的化工过程分析与开发3万吨腐植酸改性尿醛树脂设计任务书，联系自己在大学三年中所学的各种知识及实习过程中收集的资料来进行工艺设计的。长期以来，国内外许多研究人员一直致力于低甲醛释放量脲醛树脂的研究，并初步解释了甲醛释放的机理，形成了具有指导意义的降低甲醛释放量的理论降低甲醛与尿素的摩尔比和分次添加尿素是降低甲醛释放量的有效途径以。较低的摩尔比会给脲醛树脂带来粘度大、固化时间长和湿强度低等缺点。影响脲醛树脂湿强度的主要原因是树脂中存在一些亲水基团如羟甲基、
6、羰基、氨基和亚氨基等。在一定范围内减少上述亲水基团可以有效地提高脲醛树脂的湿强度。目前，将腐植酸(HA)进行羟甲基化改性然后按照m(HA羟甲基化溶液)：m脲醛树脂(UF)I=I：4比例将两者混合均匀，制得腐植酸一脲醛树脂(HUF)第二章产品与原料的性质与规格2.1改性腐植酸脲醛树脂的质量标准和规格pH值7.58.0游离甲醛%0.15固含量%75左右粘度0.26Pa.s2.2生产脲醛树脂的原料的特性与规格尿素（CH4N2O）相对分子质量：60标准生成焓：Hf=-47.1KJ/mol外观：白色结晶热容：Cp=93.3J/mol.k含氮量（以干基计）%46.3缩二脲含量%0.5水分含量：0.5铁（F
7、e2O3）含量%：0.002游离氨（NH3）含量%：0.01水不溶物含量%：0.02工业甲醛（福尔马林溶液）的物理性质外观：无色透明液体，在低温时能自聚成微浑30%含量密度815Kg/m3标准生成焓：Hf=-116KJ/mol甲醛含量，g/100g：370.5甲醇含量，g/100g：12甲酸含量g/100ml：0.04铁含量，g/100ml：0.0005灼烧残渣含量，g/100ml：0.005闪点，：60沸点，：96贮存温度，：15.632.2氢氧化钠（NaOH）相对分子质量:40含量:40%密度:2.130g/m3熔点:318.4沸点:1390甲酸（HCOOH）密度:1.22g/m3含量:1
8、0%熔点:8.6沸点:100.8闪点:68.9粘度:1.784mpa.s第三章合成工艺设计和分析3.1游离甲醛的来源（1）在脲醛树脂合成的过程中，由于部分质子化的甲醛分子的存在，在胶体粒子周围形成吸附双粒子层，使树脂的稳定性加强，一旦加入固化剂后，树脂固化过程中在电解质的作用下，吸附粒子层遭到破坏，从而释放出甲醛。（2）在树脂合成中已参与反应的甲醛，由于生成了不稳定的基团，它们在热压或板材使用过程中分解，又释放出已结合的甲醛。（3）在温度高、湿度大的环境下，产品内的胶层老化，以及木材中的半纤维素分解，也会释放甲醛。由上所知，甲醛释放的原因是很复杂的，并且是不可避免的，而产生甲醛释放最主要、最直
9、接的原因是液胶中的游离甲醛的含量和微观结构的不合理。因而，降低甲醛释放量的最有效的方法是合成甲醛含量低、微观结构合理的树脂。3.2降低游离甲醛含量的途径（1）低物质的量比（F/U）分批加入尿素通常胶合板生产使用UF树脂胶接剂F/U为：1.7-2.0。有研究表明，当尿素与甲醛比从1：1.8降到1：1.3后，甲醛释放量会降低2/3。UF树脂的合成反应主要由加成反应和缩聚反应两部分组成。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。具体发生的化学反应主要如下：在碱性条件下的反应是生成以羟甲基脲的反应，在特殊条件下，甲醛
10、过量时，也可生成三羟基脲和四羟基脲。在酸性条件下的反应是先羟甲基和氨基，后羟甲基和羟甲基之间的缩合反应。这种缩合反应使分子增长，生成含有羟甲基的低聚物，将这种低聚物作为胶粘剂使用。并且胶粘剂的固化是在酸性条件下进行的，树脂进一步缩合形成立体构造的巨大分子。在反应的初期，甲醛过量有利于生成二羟甲基脲，对增加树脂的胶联度有较大的作用。（2）加入复合改性剂通常UF树脂的F/U物质的量比降低时，会同时带来以下一些问题：树脂胶粘性能下降、树脂的储存期缩短、树脂的水溶性降低、树脂的初粘性下降等。为了解决这些问题，在树脂合成时要添加各种改性剂。据报道，复合改性剂有PQ复合添加剂、聚乙烯醇（PVC）和木质素磺
11、酸盐类等。改性剂加入后与在缩聚阶段产生的羟甲基碳正离子进行缩醛化反应，其作用是控制树脂的胶联度，不断与反应过程中游离出的甲醛进行反应。（3）对体系微观过程和体系的动力学研究应用脲醛树脂胶体理论，从主要影响因素入手，通过大量实验，研制低游离甲醛含量的脲醛树脂。实践证明，为改善树脂的微观结构，适当降低缩聚阶段的PH值，有利于加快缩聚反应速度和减少反应体系的羟甲基的相对含量，从而减少了在微观结构上形成二甲基醚或醚结构的几率。国内也有对反应釜内流体动力学研究的报道。搅拌过程是一产生流体复杂动力学的过程，其中很可能存在着非线性浑浊现象。搅拌的关键作用是尽可能使反应釜内的流体流动处于完全混合的状态，这样充
12、分搅拌就能减少反应器内温度和浓度梯度，这与胶的合成缩聚过程的条件相匹配，所以充分搅拌是必要的。制胶过程涉及到复杂的工艺和设备的优化问题，如在工业生产中，往往应用了很成功的小试成果，但总达不到小试的效果，这在很大程度上是由于工业设备放大过程中，只注意了机理过程的相似性，而没有充分考虑达到相同机理所应具备的条件和环境应该相同或相似。人们又往往忽略掉最重要的一条：动力学特征的相似性，即设备放大前后，其动力学特征应尽可能的保持不变。当前，在这方面的工作正在进行着。3.3腐植酸改性脲醛(HUF)树脂的合成本设计工艺先加入尿素、甲醛摩尔比为1:1.6生成尿醛树脂，之后将腐植酸(HA)进行羟甲基化改性然后按
13、照m(HA羟甲基化溶液)：m脲醛树脂(UF)I=I：4比例将两者混合均匀，制得腐植酸一脲醛树脂(HUF)。3.4.1加成反应阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响（1）PH改性脲醛树脂的影响脲醛树脂的形成机理表明,加成产物除受尿素与甲醛摩尔比的影响外,还受反应介质pH的影响.反应介质的pH为7.5以上时,很少发生缩聚反应,但加成反应在此附近开始,且反应速度随pH的升高而加快,当pH达到1113时,一羟甲脲与二羟甲脲的形成极慢,这样就会导致羟甲基化不完全,游离甲醛含量升高,树脂的其他性能下降。因此加成反应阶段的pH选择8.0,9.0和10.0,其他工艺条件不变,由实验结果可知,pH变化对改性脲醛
14、树脂的黏度变化影响不大;固化时间随pH的降低而降低,并且当pH从10降到9时,固化时间的变化较大。游离甲醛含量随pH的降低而升高,羟甲基含量、储存期随pH的降低而升高。胶合强度及甲醛释放量随pH的降低而降低,预压性能随pH的降低而越来越好。因此加成反应阶段降低pH有利于提高改性脲醛树脂的各项性能。（2）反应温度改性脲醛树脂的影响在其他工艺条件相同时,加成反应温度较高有利于羟甲基化的完全反应。由表3-4可知,反应温度在85时改性脲醛树脂的黏度增加较快,表明低温条件下进行加成反应对提高黏度有利。反应温度越低,改性脲醛树脂的固化速度越快,树脂中的游离甲醛和羟甲基含量随反应温度的降低而升高,改性脲醛树
15、脂的储存期随反应温度的降低而缩短。加成反应温度对胶合强度的影响较小,预压性能随加成反应温度的下降而下降,甲醛释放量随加成反应温度的降低而略有升高。综合而言,升高加成反应温度有利于提高改性脲醛树脂的综合性能，最终选择为85。（3）反应时间改性脲醛树脂的影响在其他工艺条件不变时,反应时间对改性脲醛树脂各项性能的影响不具有明显的规律性。相比较而言,适中的反应时间对改性脲醛树脂的合成有利。本设计采用连续操作。3.4.2缩聚反应阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响（1）pH改性脲醛树脂的影响缩聚反应阶段的pH控制被认为是脲醛树脂合成的关键因素。在酸性条件下,一羟甲脲和二羟甲脲与尿素及甲醛进行缩聚反应,主要生成亚甲基键和少量醚键连接的低分子化合物,在pH较低的情况下,缩聚反应速度快,易生成不含羟甲基的聚次甲基脲不溶性沉淀,树脂的水溶性降低,游离甲醛含量增加,适用期缩短,缩聚反应不易控制。这些不利因素在改性脲醛树脂的合成中同样存在。pH对固化时间、游离甲醛含量和
