年产3000吨脲醛树脂工厂设计

安徽建筑工业学院大作业题目：年产30000吨腐植酸改性脲醛树脂学院：材料与化学工程学院专业：08化学工程与工艺姓名：李小磊学号：013指导教师：章祥林完成日期：2011年4月10号目录摘要 1第一章绪论 2厂址及气象条件 2工厂设计可行性分析 2设计任务和依据 2脲醛树脂的应用及发展概况 2具体生产产品的确定 2本课题预解决的主要问题 3第二章产品与原料的性质与规格 4改性脲醛树脂的质量标准和规格 4生产脲醛树脂的原料的特性与规格 4第三章合成工艺设计和分析 6游离甲醛的来源 6降低游离甲醛含量的途径 6改性脲醛(MUF)树脂的合成 7合成过程中原料对反应结果的影响 8甲醛与尿素摩尔比的影响： 8三聚氰胺用量的影响 9不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果 10加成反应阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响 11缩聚反应阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响 12改性脲醛树脂合成工艺路线 13主要反应 13合成脲醛树脂树脂工艺 14反应阶段 14脱水阶段 14后处理阶段 14生产工艺流程叙述 15第四章工艺计算 16原始数据及所需技术资料 16．物料衡算 16对反映釜进行物料衡算： 17对蒸发器做物料衡算： 17对整个系统做物料平衡计算 18第五章设备工艺计算及其选型 19搅拌反应釜的设计 19物料衡算： 19热量衡算： 20材料选择 23釜体的设计计算 23封头的设计选型 24封头与釜体的连接形式 24支座形式 24反应釜的液位 24．9搅拌装置的设计 25传热装置设计 25反应器上的接管及尺寸 26蒸发器 27对蒸发器做物料衡算： 27泵的选择 27输送甲醛的泵 27输送成品泵 27换热器选型 28储罐的设计 28储罐 28高位计量槽 28旋风分离器选型 28第六章工厂布置 29工厂布置的基本任务 29工厂布置原则 29厂区布置总图说明 31车间布置 31车间布置基本原则和要求： 31车间布置图说明 32第七章公用工程 33通风 33采暖 33照明 33第八章 设备一览表 34第九章设计小结 35小结 35第十章参考文献 36年产30000吨腐植酸改性尿醛树脂工艺设计摘要：树脂是一种用途十分广泛的有机化工产品。本设计产品是腐植酸改性脲醛树脂，合成反应主要由加成反应和缩聚反应两部分组成。腐植酸是自然界中广泛存在的大分子有机物质，广泛应用于农林牧、石油、化工、建材、医药卫生、环保等各个领域。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。脲醛树脂是应用最为广泛的氨基树脂，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。本设计是年产30000吨脲醛树脂工厂设计，主要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图、物料流程图。关键词：腐植酸，改性脲醛树脂，三聚氰胺，尿素第一章绪论厂址及气象条件厂区位置：合肥南郊地势：厂区地势平整常年主导风向：东北风，平均风力二级气温：最高气温40℃最低气温﹣7℃冻土深度：10cm地下水位：﹣25m运输条件：公路，铁路工厂设计可行性分析设计任务根据调查世界脲醛树脂生产能力为万吨/年，需求量的增加速度大约为每年%；我国脲醛树脂产量为万吨/年，而我国还有很大的市场需求空间，根据设计地点进行考察合肥地区需求量，尤其是合肥建材市场，所需的水浸渍法制木屑板的含80%的脲醛树脂水溶液，老的生产工艺不能完全满足现代化生产的需求，所以要对氨基树脂生产进行全新的设计。本设计的主要任务就是完成30000吨脲醛树脂工厂的初步设计。脲醛树脂的应用及发展概况脲醛树脂是由于1884年首次合成，1929年德国染料公司获得第一个脲醛树脂胶粘剂的专利，其后在人造板工业中得到了迅速的发展。我国1957年开始工业化生产，由于UF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，UF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，因而造成对人体的危害。随着人们对室内环境要求的提高,脲醛树脂甲醛释放量越来越受到关注,低毒脲醛树脂和无醛系列(如异氰酸酯)胶粘剂的研究成为热点。寻求环境友好生产技术和“绿色人造板”产品是具有战略意义的重要课题，各国对此都十分重视。20世纪80年代以来，国内外科技工作者对如何降低脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量的研究作了许多工作。据报道，国内已将脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量降至%左右。具体生产产品的确定考虑人造板胶粘剂中甲醛释放量的高低直接关系到人民的生活水平和健康状况的好坏，为了降低甲醛释量，改变脲醛树脂特性采用的工艺是用三聚氰胺改性以及新的技术生产的脲醛氨基脂。本课题预解决的主要问题脲醛树脂。英文缩写UF。耐弱酸、弱碱，绝缘性能好，耐磨性极佳，价格便宜，但遇强酸、强碱易分解，耐水性和电性能较差，耐热性也不高，所以要解决的是降低甲醛释放量，改变脲醛树脂特性。本设计将通过合适的工艺，使生产出来产品的甲醛释放量能够达到国家甚至国际胶粘剂的质量标准，并使脲醛树脂缺点得以改善，以提高人民的生活水平健康状况！第二章产品与原料的性质与规格改性脲醛树脂的质量标准和规格pH值—游离甲醛%<固含量%65左右粘度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=mol外观：白色结晶热容：Cp=含氮量（以干基计）%≥缩二脲含量%≤0.5水分含量：≤0.5铁（Fe2O3）含量%：≤游离氨（NH3）含量%：≤水不溶物含量%：≤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：37±甲醇含量，g/100g：≤12甲酸含量g/100ml：≤铁含量，g/100ml：≤灼烧残渣含量，g/100ml：≤闪点，℃：60沸点，℃：96贮存温度，℃：～三聚氰胺（C3H6N6）相对分子质量：126外观：白色结晶含量（升华法）：%甲醛溶解度（80℃/10min）：全溶比热容（0—80℃）（g.℃）摩尔热容:（mol.℃）标准生成焓：Hf=mol生成墒:-830J/（mol.℃）生成自由能:177KJ/mol燃烧热:mol生成热：KJ/mol熔点:354℃相对密度:折射率:氢氧化钠（NaOH）相对分子质量:40含量:40%密度:m3熔点:℃沸点:1390℃甲酸（HCOOH）密度:g/m3含量:10%熔点:℃沸点:℃闪点:℃粘度:第三章合成工艺设计和分析游离甲醛的来源（1）树脂合成时，一般甲醛要过量，所以甲醛反应不充分，使树脂中残留未反应的游离甲醛。（2）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。（3）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。（4）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。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：，无臭UF树脂胶接剂F/U降到。有研究表明，当尿素与甲醛比从1：降到1：后，甲醛释放量会降低2/3。为了尽量降低产品中的游离甲醛，采用分批加入尿素与甲醛进行反应。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。但甲醛过量太多时，游离甲醛含量偏高，又易形成稳定性较差的醚键，醚键在热压时放出次甲基转化成甲醛；并且醚键越多，树脂亲水性就越大，致使耐水性变差。所以甲醛与尿素摩尔比的选择很重要，在整个实验过程中应尽量降低加入甲醛的物质的量比，但对某局部过程却采取加大甲醛与尿素的比例，使之局部过程形成尽可能多的二羟甲脲。目前采用的方法有三步、四步加入法，其中以三步法为多。一般步骤如下：第一批尿素的加入U/F>2，确保二羟基脲的生成；第二批尿素加入后U/F=，使加入的甲醛尽量反应充分，降低游离甲醛的含量；第三批尿素的加入，使产品的游离甲醛进一步降低。通过上述方法使产品中游离甲醛的含量低于1%。同时应控制合适的介质LB值、反应温度和反应时间以使反应达到最佳效果。（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。改性脲醛(MUF)树脂的合成在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7.2～7.8,加入第一批尿素,升温至90℃反应30min,调pH值至5.4～5.6,反应至所需粘度。加入第二批甲醛和三聚氰胺,调pH值至8.0～8.5,反应20min。调pH值至6.5～6.9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。再将pH值调至7.5～8.0,加入第三批尿素,反应0.5h，冷却出料。合成过程中原料对反应结果的影响甲醛与尿素摩尔比的影响：由于F/U是对MUF树脂性能影响最大的因素,因此首先比较了三聚氰胺用量为3%时(以尿素总量计)不同摩尔比对MUF树脂最终性能的影响,实验结果见3-1表3-1甲醛与尿素摩尔比对MUF树脂性能的影可以看出,总体上随着最终摩尔比r5的降低,游离甲醛、甲醛释放量、胶合强度都在降低。当摩尔比降至一定程度后,脲醛树脂中就存在了相当数量的游离尿素,可以吸收树脂中的游离甲醛(树脂热固化释放出的甲醛以及树脂固化后水解时放出的甲醛),从而达到低甲醛释放的目的。但这些尿素同样会与活泼的羟甲基脲反应,降低了脲醛树脂的交联程度,也就削弱了板材的胶合强度,因此摩尔比不宜过低。若将第二批尿素在反应末期一次性加入,在弱碱性条件下,尿素与未反应甲醛发生加成反应,生成羟甲基脲,树脂的游离甲醛量降低了,而羟甲基脲在受热及水解时会放出甲醛,这可以解释树脂1相对较低的游离甲醛和高甲醛释放量。将树脂2与3对比可知,在酸性阶段投放尿素量相同的情况下,较早投放尿素的树脂缩合程度较深,亚甲基桥键的含量相对较多,羟甲基和亚甲基醚键的含量相对较少,也就具有较低的甲醛释放量。具体反应见图3-1。图3-1羟甲基脲的缩合反应另外,从树脂4与6、5与7的对比中可看出,酸性阶段的摩尔比超过某一特定值后,甲醛释放量会急剧上升,甚至超过最终摩尔比的影响。但酸性阶段的摩尔比也不可降得过低,否则会导致缩合反应速度加快而不易控制[6]。综合考虑以上各方面因素,采用图3-2的工艺可实现制备E1级脲醛树脂的目的图3-2制备E1级脲醛树脂时温度、pH值和摩尔比随时间的变化—△—温度temp;—○—pH值pHvalue;—□—F/U三聚氰胺用量的影响三聚氰胺的用量对树脂的性能影响很大。表3-2中列出了采用相同工艺时,三聚氰胺的不同用量与改性脲醛树脂性能之间的关系。表3-2中的树脂都是采用相同的摩尔比和弱碱—弱酸—弱碱制胶工艺,但随着三聚氰胺用量的增加,甲醛释放量不断降低,胶合强度则先增加后下降。这是由于三聚氰胺与甲醛的加成反应可以形成一系列从二羟甲基三聚氰胺到六羟甲基三聚氰胺的混合物,不同的羟甲基三聚氰胺之间互相发生缩合反应,生成亚甲基桥键和亚甲基醚键,并保留了一部分尚未反应的羟甲基基团,具体过程可见图3-3。而正是相当数量亚甲基醚键的存在才使得MUF树脂在热固化时很少放出甲醛,而脲醛树脂在同样条件下却会产生大量的甲醛气体。随着三聚氰胺用量的增加,三聚氰胺与甲醛的缩合产物中的亚甲基醚键含量也在增加,降低了树脂在热固化及水解时放出的甲醛量。同时由于引入了多官能度的三聚氰胺分子,提高了树脂的交联程度,也就加强了板材的胶合性能。另一方面,随着三聚氰胺羟甲基化的进行,其N原子的亲核性不断增强,反应活性也不断加强,而尿素的情况则恰恰相反,这就使得三聚氰胺的加入降低了树脂的固化速度,导致在同样的热压条件下由于固化不完全而使板材的胶合强度不断下降。因此,三聚氰胺的用量也不可过高。表3-2中的后4份树脂甲醛释放量都达到了E1级的要求,但树脂10与11的胶合强度却低于Ⅱ类板标准要求的0.7MPa。表3-2三聚氰胺用量对树脂性能的影响图3-3三聚氰胺与甲醛的羟甲基化反应及其产物的缩合反应不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果表3-3不同工艺参数条件下改性脲醛树脂的合成及其性能指标测定结果。表3-4不同反应条件对改性脲醛氨基树脂的影响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对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11～13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,和,其他工艺条件不变,其实验结果见表3-4。由表3-4知,pH变化对改性脲醛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）反应温度对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80℃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(在此次实验范围内)。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（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(表3-4)。相比较而言,适中的反应时间对改性脲醛树脂的合成有利。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。由表3-4可知,pH对固化时间、游离甲醛含量和羟甲基含量的影响无明显规律性。这可能是pH相对较高造成的(普通脲醛树脂缩聚反应的pH在左右)。而粘度在pH为时有较大的增长。pH对储存期的影响相当显着,pH较高有利于储存期的延长;胶合强度随pH的降低而增大;预压性能在缩聚反应的整个pH范围内均较理想。pH对甲醛释放量的影响相当显着,随着pH的降低甲醛释放量明显下降。12号实验的结果可以解释为:较低的pH增加了反应速度及激烈程度,在缩聚过程中小分子生成较多,这是导致黏度、游离甲醛含量和羟甲基含量上升的原因;以NH4Cl为固化剂时胶液体系中需含有一定量的游离甲醛才能使胶液固化,而12号实验结果中游离甲醛含量相对较高,从而导致胶合强度上升,甲醛释放量下降。（2）反应温度改性脲醛树脂的影响较高或较低的反应温度,对黏度的影响都较大(表3-4);改性脲醛树脂的固化时间随缩聚温度的降低而缩短;改性脲醛树脂的游离甲醛随反应温度的降低有降低的趋势;改性脲醛树脂的羟甲基含量随反应温度的降低而增加;高温或低温反应不利于储存期的延长和胶合强度的提高;反应温度越低则胶合板预压性能越差;另外,高温反应有利于降低甲醛释放量。（3）初摩尔比改性脲醛树脂的影响初摩尔比为～时,黏度随初摩尔比的降低而增大,固化时间随初摩尔比的降低而缩短,游离甲醛含量在高初摩尔比时较低,羟甲基含量随初摩尔比的降低而降低;储存期受初摩尔比的影响极为明显,初摩尔比越高则储存期越长;胶合强度在初摩尔比为时最好,预压性能与初摩尔比的关系不能确定。甲醛释放量有随初摩尔比降低而升高的趋势。初摩尔比为115时,对粘度的影响最大,羟甲基含量、胶合强度也明显增大,甲醛释放量已经超出E1级的水平.改性脲醛树脂合成工艺路线脲醛树脂合成采用弱碱——弱酸——弱碱工艺。主要反应：(1)加成反应(羟甲基化)：甲醛与尿素首先生成一羟甲基脲和二羟甲基脲。(2)缩聚反应因为缩聚反应是逐步形成的,在脱水过程中,相邻羟甲基脲分子之间通过亚甲基键或二亚甲基醚键相连形成聚合物,所以工业生产脲醛树脂时,可以根据缩聚反应的深入程度来控制产物的相对分子质量。其水溶液随相对分子质量的高低表现为低黏度、高黏度、透明和浑浊的浆液。工业生产的脲醛树脂相对分子质量为数百至数千。（3）三聚氰胺的羟甲基化反应（4）三聚氰胺的缩聚反应合成脲醛树脂树脂工艺脲醛树脂的生产分三个阶段，每个阶段具体工艺如下：合成工艺反应阶段脱水阶段后处理阶段原料分批加入加成反映缩聚反应蒸发过滤反应阶段（1）加成反应阶段加成反应阶段,pH的降低对改性脲醛树脂各项性能的提高是有利的;升高加成反应温度对改性脲醛树脂综合性能的提高有较好的影响;选择适中的加成反应时间有利于提高改性脲醛树脂的综合性能;（2）缩聚反应阶段缩聚反应阶段,pH的降低除不利于储存期的延长外,对改性脲醛树脂其他性能的提高均有较好的影响;缩聚温度不宜过高或过低,否则不利于改性脲醛树脂综合性能的提高;此外，初摩尔比的变化能明显地影响储存期,初摩尔比越高储存期越长;甲醛释放量有随初摩尔比降低而呈升高的趋势。脱水阶段将反应釜中的溶液送到蒸发器中脱水，使产品的固含量达到质量标准。后处理阶段成品必须过滤除去树脂中的杂质，如未反应的三聚氰胺，未醚化的羟基三聚氰胺低聚物，残余的催化剂等。助滤剂可采用硅藻土、碳酸镁等物质，过滤温度以60～70℃为宜。生产工艺流程叙述在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7.2～7.8共30min加入第一批尿素,升温至90℃反应30min,调pH值至5.4～5.6,反应至所需粘度-共1h加入第二批甲醛和三聚氰胺，调pH值至8.0～8.5,反应20min。共1h调pH值至6.5～6.9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。共30min再将pH值调至7.5～,加入第三批尿素，反应0.5h。共1h将溶液送到蒸发器中蒸发部分水分共30min冷却送到产品储罐共30min第四章工艺计算原始数据及所需技术资料生产规模30000t/年生产时间年开工时间8000h生产方式间歇式生产生产量每天四批本设计是年产30000吨的改性脲醛树脂工厂其产品是80%的尿醛树脂树脂水溶液，纯脲醛树脂溶质为30000吨损失率%计算顺序由于产物与原料间计量关系比较简单，且整个工艺过程也较简单，容易得到原料间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。化学变化参数尿素甲醛三聚氰胺聚合物结构单元分子量6030126在计算聚合物结构元的分子量时，三聚氰胺占尿素的3%则其占原料的百分比为60×60+30×+126=%其中为甲醛与尿素的最终摩尔比。单体—CH2-NH-C=O-NHCH2O-n分子量为102三聚氰胺聚合物分子量为168所以聚合物结构单元的分子量为102×%+168×%=．物料衡算衡算公式：进料量=出料量+损失量由于产量较小，计算基准定为千克/天（Kg/h）日产量Wd=3000×1000/（8000×=h主要原料投料量尿素结构在聚合物结构单元中占58/=57%所以，尿素投料量=×57%=h三聚氰胺投料量=×3%=h甲醛投料量=60××30=h工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=30%=4011Kg/h对反映釜进行物料衡算：在反应过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其本身并不参加反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。进料量=工业甲醛+三聚氰胺+尿素=4011++=h根据化学计量式有三聚氰胺反应完全所消耗的甲醛量=×60/126=h和尿素反应的甲醛量=—=h三聚氰胺反应后生成的聚合物量=×168/126=h三聚氰胺反应生成的水=×18/126=h反应的尿素量=×60/60=h甲醛，尿素反应生成的聚合物量=×102/60=Kg/h甲醛，尿素反应生成的水量=×18/60=Kg/h未反应的尿素=—=h系统中的水=++4011×70%=h出料量=聚合混合物+水+未反应的物料量=+++=h进料量=h=出料量=h所以反映釜物料平衡对蒸发器做物料衡算：进料量=h蒸发出的水=—=h产品=出料量=产品+蒸发出的水=+=h进料量=出料量所以蒸发器物料平衡对整个系统做物料平衡计算进料量=4011++=h出料量=+=h总物料平衡，所以整个系统物料平衡。物料名称数据（Kg/h）纯净甲醛工业甲醛4011纯三聚氰胺尿素系统中水产品物料平衡表第五章设备工艺计算及其选型搅拌反应釜的设计一天四釜，先对反应釜做物料和热量衡算物料衡算：衡算公式：进料量=出料量+损失量产量W=30000×1000/（8000×）=h一天四釜所以一釜物料为=×6=主要原料投料量尿素结构在聚合物结构单元中占58/=57%所以，尿素投料量=×57%=三聚氰胺投料量=×3%=甲醛投料量=60××30=工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=30%=对反映釜进行物料衡算：在反应过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其本身并不参加反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。进料量=工业甲醛+三聚氰胺+尿素=++=根据化学计量式有三聚氰胺反应完全所消耗的甲醛量=×60/126=和尿素反应的甲醛量=—=三聚氰胺反应后生成的聚合物量=×168/126=三聚氰胺反应生成的水=×18/126=反应的尿素量=×60/60=甲醛，尿素反应生成的聚合物量=×102/60=甲醛，尿素反应生成的水量=×18/60=未反应的尿素=系统中的水=++×70%=d出料量=聚合混合物+水+未反应的物料量=+++=进料量==出料量=所以反映釜物料平衡热量衡算：(1)计算依据及基准间歇式生产热量衡算基本方程式Q物料带入+Q热负荷=Q物料带出+Q热损失化学热量衡算一般方程式Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6其中：Q1所处理的物料带入设备的热量；Q2换热剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“－”）；Q3化学反应热（符号规定过程放热为“+”，过程吸热为“－”）；Q4离开设备物料带走的热量；Q5设备消耗热量；Q6设备向周围散失的热量，又称热损失。(2)热量衡算由于各股物料都是在常温下加入，所以Q1=0反应热的计算：Q3其中用到化学键键能：N-H:389KJ/molC=O:728KJ/molC-O:26KJ/molC-N:305KJ/molO-H:464KJ/molⅠ此反应断裂：N-HC=O中的C-O合成C-NO-H断键需要的能量1mol×389KJ/mol×2+2mol×(728-326)=1582KJ合成键释放的能量1mol×2×305+1mol×2×464=1538KJ△H=1538-1582=-44KJ/molQⅠ=60×(-44)=Ⅱ此反应断裂：N-HC-O合成C-N断键需要的能量1mol×389KJ/mol+1mol×326KJ/mol=715KJ合成键释放的能量1mol×305×KJ/mol×2=610KJ合成聚合单体：△H=610-715=-105KJ/molQⅡ=60×(-105)=Ⅲ此反应断裂：N-HC=O中的C-O合成C-NO-H断键需要的能量1mol×389KJ/mol+2mol×402KJ/mol=1582KJ合成键释放的能量1mol×2×305+1mol×2×464=1538KJ△H=1538-1582=-44KJ/molQⅢ=126×(-44)=molⅣ此反应断裂：N-HC-O合成C-N断键需要的能量1mol×389KJ/mol+1mol×326KJ/mol=715KJ合成键释放的能量1mol×305KJ/mol=305KJ合成聚合单体：△H=610-715=-105KJ/molQⅣ=126×(-105)=mol所以Q3=QⅠ+QⅡ+QⅢ+QⅣ=+（+（+（）=根据化学反应式求得的化学反应热较小，在衡算过程中可以忽略即Q3=0求Q4可按公式Q4= 先求平均=×+×+×+×=+++=Kg℃Q4= =××(90—25)=×106KJ由后面的设备计算知设备的质量是KgQ5=CM△t=××（90-25）=×105KJ热损失取总热量的3%所以Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1=0Q3=0Q4=×106KJQ5=×105KJQ6=3%（Q1+Q2+Q3）Q2=Q4+Q5+3%（Q1+Q2+Q3）Q2=Q4+Q5+Q2=×106+×105Q2=×106KJQ=Q1+Q2+Q3=0+×106+0=×106所以，总热量Q总=Q2=×106KJ材料选择由于在反应过程中有腐蚀性物质的加入，所以材料应选用耐腐蚀材料。对该反应器选用镍铬不锈钢，0Cr18Ni9.钢板标准为GB4237。在100℃下的许用应力为114Mpa。釜体的设计计算反应釜体积V==×815+×1335+×1598+×1000=+++448=m3V===装料系数Φ=反应釜体积Vt=V/Φ==根据GB9845—1988〈钢制机械搅拌容器〉圆整Vt=50m3反应釜高H=4900mm反应釜内径D=3600mm该反应设计压力为×105Pa设计温度为90℃。所以容器壁厚δd=PDi/(2[σ]tΦ-P)+C=(2×114×+=公式中[σ]t=114MpaΦ=1C=对壁厚圆整取δd=17mm反应釜的质量W=∏DHδdρ=××××7900=封头的设计选型上封头选择上封头选取标准椭圆形封头。具体参数如下：封头内径DN=3600mm（GB9019—88）封头高度h==×3600=900mm封头侧面积==×=封头体积==×=封头直边高度h2=40mm曲面高度h1=600mm封头厚度δ=25mm下封头选择由于反应体系属于高黏度流体，为使流体能顺利快速的流出反应釜，所以下封头选用90度锥形封头。具体参数如下：封头内径DN=3600mm封头高度h==×3600=1200mm封头侧面积==×=封头体积==×=封头与釜体的连接形式封头与釜体的连接形式选用平面法兰连接。具体参数如下：内径DN=3600mmD=3760mmD2=3715mmD3=3656mmδ=65mmd=30mm螺柱M20数量取72个。非金属软垫片D5=3650mmd5=3600mm支座形式支座选用耳式B型带垫板支座。选用标准为JB/T472—92。具体参数如下：材料为Q235—A?F，垫板材料为0Cr18Ni9。耳座用4个，厚度δ=20mm反应釜的液位最高液位反应液体积VR=下封头体积V头=下封头高度h=1800mm在釜体中的实际反应液体积V1=—=H1=V1×4/∏D2所以H1=×4/∏D2=×4/（×）=2798mm所以，最高液位H=H1+h=2798+1800=4598mm(2)最低液位最低液位H=1/3D=1/3×3600=1200mm搅拌装置的设计搅拌浆设计由于被搅拌流体黏度很高，且搅拌的作用是要将物料充分混合，所以搅拌浆叶的形式选为螺带式搅拌浆。其具体设计参数如下：Z=1搅拌浆直径d==×3600=3420mm螺距S=db/d=1/10搅拌浆高度Hm=d+h=3420+1800=5220mm搅拌转速n=10r/min搅拌器底部与反应釜底部的距离C==搅拌轴设计(1)搅拌轴材料选为1Cr18Ni9Ti,其[Τ]=15—25MPa取20MPa许用应力变化系数A=—取A=12搅拌轴直径圆整去d=65mm(2)搅拌功率计算搅拌轴功率根据诺谟图进行简捷计算：搅拌反应器容积V=50++==62220L反应液黏度定为，密度ρ=1290Kg/m3，搅拌形式为螺旋式缓和搅拌根据诺谟图可知轴功率Pa==×=搅拌轴密封选用机械密封所以轴密封消耗功率为Pm=12%Pa=×=所以，搅拌器电机消耗功率为P=(Pa+Pm)/=+/=式中传动效率为传热装置设计传热装置形式传热装置选用夹套传热，具体参数如下：夹套内径D0=D+100=3600+100=3700mm传热介质及其用量夹套中选用95℃循环水加热。夹套内空间V=（×∏×+）×=反应器上的接管及尺寸液体进料管液体进料的进料时间定为15min。流体流速为8m/s，流体为30%甲醛。进料体积V=m甲/ρ甲=815=体积流量VS=V/t=900=s进料管内径圆整取d=Φ75×出料管反应产物出料时间定20min，且物料为高黏度流体，取u=1m/s出料体积V=m/ρ==体积流量VS=V/t=1200=m3/s出料管内径圆整取d=Φ80×4进出料管都选用普通无缝钢管蒸发器对蒸发器做物料衡算：进料量=h蒸发出的水=—=h产品=出料量=产品+蒸发出的水=+=h进料量=出料量所以蒸发器物料平衡泵的选择输送甲醛的泵基本数据：该泵主要输送甲醛溶液，输送温度t=25℃。溶液组成30%甲醛，70%水，密度ρ=815Kg/m3,黏度=,无腐蚀性。正常流量VS=（815×900）=s=h泵工作的环境温度为25℃，选泵时流量定为×=h所以根据化工工艺手册选泵：屏蔽泵B流量—400m3/h扬程10—240m温度-70—380输送成品泵反应液黏度定为，密度ρ=1290Kg/m3体积流量VS=V/t=600=m3/s=m3/h屏蔽泵B流量—400m3/h扬程10—240m温度-70—380换热器选型由工艺可知，本设计中用到换热器的地方只有反应釜上的回流冷凝器和工艺后期冷凝水的冷凝器。这两处对冷凝效果均没有特殊要求。反应釜上回流冷凝器主要作用是将釜内的热蒸气冷凝，从而避免釜内压力过高。蒸发器后的冷凝器也只是将蒸发掉的水分冷凝回收。因此，本工艺中换热器可选择套管式换热器，冷凝液走管内，气体走管间。并且由于处理量较小，选用两程即可。储罐的设计储罐原料储罐选型参考JB1421—74《平底平盖容器》，投入甲醛的体积VN=4011/815/=,圆整取VN=,DN=2000mm,H=2260mm投入尿素的体积VN=1335/=,圆整取VN=,DN=1400mm,H=1600mm投入三聚氢胺体积VN=1598/=,圆整取VN=,DN=400mm,H=600mm缓冲槽VT=V/φ==,圆整取VN=50m3,DN=3600mm,H=4900mm成品槽集中3次出一次料，圆整取VN=则DN=2000mm,H=2700mm高位计量槽投入甲醛的体积=815=高位计量槽VN==,圆整取VN=45m3,DN=3400mm,H=5000mm第六章工厂布置工厂布置的基本任务工厂布置的基本任务是结合厂区的各种自然条件和外部条件确定生产过程中各种对象的空间位置，以获得最合适的物料和人员的流动路线，创造协调而又合理的生产和生活环境，组织全厂构成一个能高度发挥效能的生产整体。因此，工厂布置任务的实质是为了寻求物料和人员的最佳运输方案。对于工厂布置，按我国习惯做法，划分为厂区布置和厂房（装置）布置两部分。前者习惯的称为总图布置，后者称为车间布置.就工作的分工而言，这样的划分可以使总图专业和工艺专业有各自明确的工作范围，但就工作的性质而言，二者是不可分的整体，因为他们具有相同的工作任务，只是工作范围大小之分，即厂区布置是全局，而各个厂房布置则是局部。工厂布置原则从工程的角度来看，化学工厂的总布局应该注意以下几个方面：（1）工厂布置应该满足生产和运输需要(a)厂区布置应符合生产工艺流程的合理需要，应使工厂各个生产环节具有良好的系，保证它们间的迳直和短捷的生产作业线，避免生产流程的交叉和迂回往复，使各种物料的疏运距离最短。(b)供水、供电、供热、供气、供冷及其它公共设施，在注意其对环境影响和厂外外管网联系的情况下，应力求靠近负荷中心，使各种公共系统介质的运输距离为最小。(c)厂区道路要迳直短捷，不同货流之间，人流和货流之间都应该尽可能避免交叉迂回。货运量大，车辆往返频繁的设施（仓库、堆厂、车库、运输站场等）宜靠近厂区边缘地段布置。（d)当厂区较平坦方整时，一般采用举行街区布置方式，以使得布置紧凑，用地节实现运输及管网的短捷，厂区整齐。总之，符合生产和运输要求，实质上要求总平面布置实现生产过程中的各种物料和人员的输运距离为最小，最终实现生产的能耗最小。(2)工厂布置应满足安全和卫生要求化工企业生产具有易燃、易爆和有毒、有害等特点，厂区布置应充分考虑安全布局，严格遵守防火，卫生等安全规范、标准和有关规定，其重点是防止火灾爆炸的发生，以保护国家财产，保障工厂职工的人身安全和改善劳动条件，具体布置时应考虑以下几方面：(a)火灾危险性较大以及散发大量烟尘或有害气体的车间，装置和场所，应布置在厂区边缘或其他车间，厂所的下风向。(b)经常散发可燃气体的场所，如易燃液体罐区，隔油池，易燃液体装卸站台等，应远离各类明火源，并应布置在火源的下风侧或平行风侧和厂区边缘;不散发可燃气体的可燃材料库或堆放场则应位于火源上风侧。(c)贮存大量可燃液体或比空气重的可燃气体贮罐和使用车间，一般不宜布置在人多的场所及火源的上坡侧.对由于工艺要求而设在上坡地段的可燃液体罐区，应采取有效安全措施，如设防火墙，导流墙或导流沟，以避免流散的液体威胁坡下车间。(d)火灾、爆炸危险性大的和散发有毒有害气体的车间，装置或设备，应尽可能露天或半敞开布置，以降低其危险性，毒害性和事故的破坏性，但应注意生产特点对露天布置的适应性。（3）由于工艺流程的更新，加工程度的深化，产品品种的变化和综合利用的增加等原因，化工厂的布局应有较大的弹性，即要求在工厂发展变化、厂区扩大后，现有的生产、运输布局和安全布局方面仍能保持合理的布局。具体注意下列各点。（a）分期建设时，总平面布置应使前后各期工程项目尽量分别集中，使前期工程尽可能投产，后期有适当的合理的布局。（b）应使后期施工与前期生产之间的相互干扰尽可能小。后期工程一般不宜布置在前期工程地段内，其外观还应避免穿过前期工程危险区域或者车间内部，以利于安全生产和施工。（c）考虑远近期的关系应坚持“远近集合，以近为主，近期集中，远期外围，由近及远，自内向外”的布置原则，以达到近期紧凑，远期合理的目的。（d）在预留发展用地时，总平面布置至少应有一个方向可供发展的可能，并主要将发展用地留于厂外防止厂内大圈空地，多征少用，早征迟用和征而不用的错误做法。（4）工厂布置必须贯彻节约用地原则节约用地是我国的基本国策。生产要求、安全卫生要求和发展要求与节约用地是相辅相成的。保证迳直和短捷的生产作业线必然要求工厂集中和紧凑的布置，而集中和紧凑的布置不仅节约了能量，也同样节约土地。在安全卫生要求方面，如能妥善安排不同对象的不同安全间距要求，即可保证必要的安全距离，又可使土地得到充分利用。在对待发展要求方面，坚持“近期集中，远期外围，由近及远，自内向外”的布置原则，可以使近期工程因集中布置而节约近期用地，并为远期工程的发展创造最大的灵活性。（5）工厂布置应考率各种自然条件和周围环境的影响（a）重视风向和风向频率对总平面布置的影响，布置建筑物位置时要注意它们与主导风向的关系。（b）应注意工程地质条件的影响，厂房应布置在土层均匀，地耐力强的地段。一般挖方地段宜布置厂房，填方地段宜布置道路、地坑、地下构。（c）工厂总平面布置应满足城市规划，工业区域规划的有关要求，做到局部服从全体，注意与城市规划的协调。厂区布置总图说明本工业区主导风是西北风，根据这个气象因素将生活区布置在滩地东面，生活区布置在西面呈平行风侧布置。然后按各分厂不同地污染危害程度由东向西依次布置，使化工厂地生产装置远离生活区，既满足了卫生要求，又使土地获得充分利用。关于工厂地发展要求包括两方面的含义，一方面在设计任务中明确规定的远期发展规模；另一方面是工厂投产后，随着工艺流程的变化，产品产量的增加，综合利用的提高等所引起的发展变化，本布置图已对这种发展要求予以充分估计。

布置的原则是“近期集中，远期外围，由近及远，自内向外，由近而远”。有近期工程的集中布置为远期工程的发展创造灵活条件。同时在近期集中的原则下，按不同的车间要求各自预留适当的余地，使之在可以预见的将来不致打乱整个生产和安全布局。车间布置车间布置基本原则和要求：车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面。（1）厂房建筑（a）厂房平面力求简单化，以利用建筑定型化合施工机械化。常用形式有直线型、T型和L型。(b)柱间距多用6×6，一般不超过12m。总跨度：多层一般≤24m，单层≤30m。常用厂房总跨度有6，12，18，24，30m，一般有机化工车间总跨度为2～3个柱网跨度。(c)层高与设备的高低、安装位置有关，一般每层4～6m，最低不低于，净空高度不得低于。以上三方面尽量符合建筑模数（标准化）的要求。(d)在可能情况下尽量采用露天化和敞开式设计，这样既能节省投资，又有利于通风采光、防爆、防毒等安全需要。(e)在不影响流程情况下，较高设备集中布置，可简化厂房立体化布置，又省投资。(f)笨重设备和震动设备尽量布置地搂地面。同类设备可尽量集中。(g)设备穿孔必须避开主梁。(h)厂房出入口、交通道、楼梯等都需精细安排。一般厂房大门宽度要比通过的设备宽度达m以上，满载的运输设备大～，单门宽一般900㎜，双门宽有1200，1500，1800㎜，楼梯坡度450～600，主楼梯450的较多。(2)生产操作(a)设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返物料。尽量采用位差送料，一般从高层到底层设备布置为计量槽→反映设备→贮槽、重型设备和震动设备。(b)互相有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。(c)相同、相似设备尽可能对称、集中，以利于操作管理给水、电、气等供应。(d)考虑进出料、取样、观察等的方便。(3)设备装修(a)不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通道。(b)二层楼以上的设备、需在下层设吊孔，对庞大特殊