Đồ án polymer

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC – MƠI TRƯỜNG ĐỒ ÁN POLYMER Tên đề tài: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT KEO PF TAN TRONG NƯỚC, NĂNG SUẤT 10000 TẤN/NĂM Sinh viên thực : Lê Khánh Lớp : 19VL1 Giáo viên hướng dẫn : Mai Thị Phương Chi Đà Nẵng, 2022 CHƯƠNG 4: CÁC TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHỰA PF 4.1 Tính chất nhựa PF Phản ứng phenol với andehyt phản ứng trùng ngưng Đặc tính bậc giúp ta tách nghiên cứu sản phẩm ban đầu tương đối ổn định Nhựa PF có tính chất bật như: + Tính ổn định nhiệt tốt: Chịu nhiệt độ cao, đóng rắn sản phẩm cứng, ổn định kích thước điều kiện khắt khe Vì nhựa PF sử dụng để sản xuất sản phẩm chịu nhiệt, chịu mài mòn + Khả liên kết, kết dính cao: Nhựa phenolic chất liên kết tốt với nhiều hợp chất hữu hay vô chất gia cường tạo loại vật liệu lý tưởng Do đó, nhựa PF dễ dàng thấm sâu vào cấu trúc chất Khi đóng rắn có đặc tính bền cơ, nhiệt, hóa nên sử dụng cho nhiều mục đích khác Mức độ sinh khí thải chất độc hại thấp nên an tồn vận chuyển, sản phẩm có khả chống cháy cao đặc biệt với chất độn vơ cơ, cháy khơng tạo khói + Hàm lượng cacbon cao: Trong điều kiện oxi hóa nhiệt độ cao điểm phân hủy, nhựa phenolic cho hàm lượng cacbon cao Bên cạnh đó, nhựa phenolic tạo cacbon có cấu trúc cacbon thủy tinh Vật liệu cremic thực tế giữ nguyên cấu trúc tình trạng chảy Vì ứng dụng làm vật liệu composite cho thiết bị lưới ống dẫn dầu khơi Người ta nhận định yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo thành nhựa tính chất nhựa cấu tạo hóa học nguyên liệu, tỷ lệ mol phenol andehit, độ pH môi trường phản ứng… 4.1.1 Tính chất nhựa rezolic Ưu điểm: Có độ nhớt thấp, thẩm ướt tốt thớ sợi Khi tạo polymer mạng lưới có tính ổn định nhiệt cao, chứa phenol tự do, bền hóa học cách điện cao Nhược điểm: + Giịn, khơng thể tái sinh, dùng để gia công sản phẩm đúc liên tục Trong nhựa đóng rắn cịn lại số nhóm metylol tự do, nhóm phản ứng với với nhựa tác dụng nhiệt để tạo liên kết hóa học Do vậy, nhựa rezolic khó đóng bao bảo quản Tuy nhiên, khắc phục nhược điểm cách sử dụng phenol khác để giảm mật độ cầu nối o, p- cresol + Nhựa rezolic hỗn hợp sản phẩm phân tử thẳng nhánh, trọng lượng phân tử từ 400÷1000 + Nhựa rezolic có tính ổn định cao, chứa phenol tự do, bền hóa học cách điện cao + Nhựa rezolic nhiệt độ thường tính chảy nhớt, nóng chảy hịa tan, nghĩa bảo quản tính chất chúng thay đổi theo chiều hướng tạo thành polime mạng lưới rezolic chuyển dần sang trạng thái rezitol + Hàm lượng phenol tự cao thấp phụ thuộc vào tỷ lệ cấu tử, đặc điểm lượng xúc tác, chiều sâu ngưng tụ thời gian sấy + Nhựa rezolic rắn thường chứa 8÷12% phenol tự do, nhựa rezolic lỏng chứa 20 cao Lượng phenol tự nhiều làm giảm tốc độ đóng rắn tính chất lý sản phẩm Nhưng có số trường hợp cần chứa phenol tự nhựa làm cho nhựa dễ nóng chảy tạo màng sau đóng rắn có độ đàn hồi + Hàm lượng oxy nhựa rezolic (khi điều chế dùng xúc tác NaOH) có số liên kết ete (-CH2-O-CH2-) đun nóng nhựa thấy có CH2O tỏa + Trong trường hợp dùng xúc tác NH4OH khơng có liên kết ete đun` nóng nhựa đến 200oC khơng thấy CH2O toả + Nhựa rezolic hịa tan hồn tồn nhiều dung môi : xiclohexanol, phenol, dioxan, butanol với điều kiện nhiệt độ sôi dung môi 100OC; lúc nối ngang bị phá hủy + Tốc độ tăng nhiệt độ ảnh hưởng đến độ hòa tan rezolic Nếu tăng nhiệt độ nhanh lúc nhựa chưa kịp trương dung môi, lượng nối ngang tăng lên ngừng hẳn q trình hịa tan nhựa Nếu đun nóng lâu làm rezolic tan hồn tồn + Nhựa rezolic bị đóng rắn (rezit) : giai đoạn rezit mạng lưới tham gia tạo liên kết hóa học mà cịn liên kết lý học + Ở nhiệt độ cao liên kết lý học bị phá hủy xuất tính đàn hồi, làm lạnh tính đàn hồi + Trong điều kiện xác định (ở nhiệt độ cao đun nóng lâu) dùng lượng phenol thừa để xử lý rezit nghiền nhỏ nhựa biến thành nhựa novolac trường hợp xảy tượng đứt liên kết hóa học phân tử tạo liên kết với phenol + Cấu tạo rezit biểu diễn : Trong nhựa đóng rắn cịn lại số nhóm metylol tự nhóm đun nóng tiếp tục nhiệt độ cao thời gian lâu tác dụng với tạo liên kết hóa học 4.1.2 Tính chất nhựa novolac Ưu điểm: Nhựa novolac bảo quản lâu dài mà tính chất khơng thay đổi, dễ sử dụng, có khả tái sinh, dễ sửa chữa cách hàn, dán… Nhược điểm: Là nhựa nhiệt dẻo có khuynh hướng bị nhão, dễ bị nóng chảy Nhựa novolac có màu sáng đến nâu sẫm, tỷ trọng từ 1,2-1,22 g/cm Nhựa có khả làm nóng chảy nhiều lần đóng rắn trở lại, tan tốt rượu axeton Trong thời gian bảo quản nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt tốc độ đóng rắn nhựa thay đổi Nhựa novolac có phân tử mạch thẳng nhánh (nối cầu nối metylen), có khối lượng phân tử khoảng 500-2000 4.2 Ứng dụng nhựa PF Nhựa rezolic lỏng (khơng có nước) áp dụng rộng rãi để tẩm vải, sợi, dùng làm bột ép, dùng làm vật liệu ép tầng, keo dán sơn + Bột ép :vật liệu ép dạng bột hỗn hợp cấu tử phức tạp chủ yếu từ nhựa novolac rezolic Bột ép dùng làm dụng cụ kỹ thuật sinh hoạt, dùng làm vật liệu cách điện, chịu tác dụng dòng điện 20kv to =200oC + Vật liệu ép tầng: Tectolit chất dẻo lớp, dùng để chế tạo từ vải có tẩm nhựa rezolic, vải dùng vải thủy tinh, vải dệt chéo, vải tổng hợp Tính chất Tectolit: Có độ bền nén, va đập cao bền nước, chịu xăng dầu tốt nên dùng công nghiệp chế tạo máy + Keo dán sơn: Nhựa phenol - formaldehyde có ý nghĩa quan trọng dùng để sản xuất keo dán sơn Keo phenol - formaldehyde có độ bền mối nối cao, chịu ẩm vi khuẩn có nhược điểm màng dán dòn Nhựa phenol - formaldehyde loại nhựa tổng hợp dùng để sản xuất sơn Ngoài nhựa rượu cịn thêm 5÷10% colophan vào sơn Sơn dầu cao cấp điều chế từ nhựa 100% Sơn dầu Copan loại sơn điều chế từ Copan trộn với dầu lanh nhiệt độ cao từ 230÷280oC Sơn từ nhựa rezolic tan tốt cồn Ngoài nhựa rezolic dùng làm chất dẻo bột 4.2.1 Keo dán từ nhựa không phối hợp Keo từ nhựa phenol-formaldehyd đa tụ có xúc tác Ba(OH) có màu sáng, nhựa có độ nhớt cao từ 500÷100cp, tỉ trọng 1,25÷1,29 Trong thành phần keo có khoảng 20% nước khoảng 12% phenol tự Keo phenol-formaldehyde tan cồn, đóng rắn nhiệt độ thường, cung cấp thêm chất đóng rắn (chất tiếp xúc pêtrốp) Keo phenol formaldehyde nói chung keo từ nhựa urêformaldehyde có nhiều ứng dụng, chúng dán vật liệu như: gỗ, kim loại, chất dẻo, thủy tinh, gốm, sứ Đặc biệt keo tan cồn hay nhũ tương tan nước Chúng đóng rắn nhiệt độ thường có xúc tác acid mạnh, muối hay este chúng hay đóng rắn cách đun nóng áp suất 3÷6 kg/cm2 khơng cần xúc tác Keo phenol-formaldehyde có tính kết dính cao chịu ẩm loại nấm chúng có độ bền chống nứt Song có nhược điểm màng keo dán độ bền mối dán gỗ thấp tác dụng thủy phân acid lên xelulo, cần biến tính dùng với polime khác như: ure-formaldehyde, cao su, nhựa epoxy Biến tính keo phenol-formaldehyde, để khắc phục nhược điểm làm cho keo có tính chất đặc biệt có độ co rút 4.2.2 Keo dán từ nhựa phối hợp 4.2.2.1 Keo Cacbonit – phenol – formaldehyde Được sản xuất từ dung dịch H2O nhựa phenol ure-formaldehyde chất xúc tác rắn, để giảm độ co rút người ta cho thêm phụ gia xenlulô Phối liệu keo: + Nhựa ure-formaldehyde 56 phần khối lượng + Nhựa phenol-formaldehyde 35 phần khối lượng + Este êtylic acid oxalic phần khối lượng + Bột gỗ phần khối lượng + Keo chứa 30÷50% nước 4.2.2.2 Keo polivinyl butyrat – phenol – formaldehyde Keo dung dịch nhựa rezolic polivinyl butyrat tan cồn, từ loại nhựa có tính bám dính tốt chuyển sang trạng thái khơng nóng chảy, khơng hịa tan đun nóng Keo chất lỏng có màu suốt hay mờ đục từ vàng sang đỏ Phân biệt nhãn hiệu tỉ lệ trộn cấu tử khác mà nhãn hiệu khác Thơng thường polivinyl butyrat phenol-formaldehyde trình phức tạp với đóng rắn nhựa rezolic lúc nhóm metylol nhựa rezolic tác dụng với nhóm hyđroxyl polivinyl butyrat Ngồi ra, cịn có phần cấu tử trộn hợp giữ ngun khơng phản ứng trích ly dung mơi 4.2.2.3 Keo phenol – cao su Keo phenol - cao su điều chế cách trộn hợp nhựa phenol- formaldehyde với cao su (acrylonitril, clopren ) keo dùng để dán nhôm, thép hợp kim có độ bền trượt uốn cao, chịu dao động, chịu nước, bền nhiệt, bền với dầu mỏ 4.2.2.4 Keo phenol – formaldehyde epoxy Được sản xuất cách phối hợp epoxy với phenol-formaldehyde keo loại có tính bám dính tốt bề mặt kim loại vật liệu khác Đặc biệt có tính bám dính tốt bề mặt kim loại vật liệu khác Đặc biệt giữ độ bền nhiệt độ cao đun nóng hỗn hợp nhựa Nhựa phenol-formaldehyde tác dụng với nhựa epoxy làm xuất liên kết este Nhựa đóng rắn xong có cấu tạo mạng lưới khơng gian dày đặc chịu nhiệt tốt Phối liệu loại nhựa + Nhựa rezolic 100 phần khối lượng + Nhựa epoxy 20 phần khối lượng + Urotropin phần khối lượng Dùng dung mơi metyletylketon để hịa tan nhựa, cho hỗn hợp đóng rắn 160 0C, thời gian 30 phút, đem thử kết cấu dán 230 0C 3150C thấy keo có thơng số bền trượt tốt Xử lý mối dán 232 0C 192h tăng độ bền trượt lên 87 kg/cm2 4.3 Biến tính nhựa PF Có thể biến tính phenol-formandehit số chất như: axit nhựa thơng, rượu (thường dùng butanol), dầu thực vật 4.3.1 Biến tính nhựa thông Loại nhựa dùng sản xuất sơn dầu thay cho nhựa copal thiên nhiên nên thường có tên nhựa copal tổng hợp Khi pha trộn với dầu để chế tạo sơn thường gọi sơn albertol Sản xuất nhựa copal nhân tạo theo phương pháp: + Đa tụ hỗn hợp gồm phenol, formalin, nhựa thông Sấy nhựa để tách để este nhóm –COOH nhựa thơng 250°C Sau nâng nhiệt độ lên 180-250°C để tách hết glyxerin không phản ứng để nguội nghiền + Đun nóng chảy nhựa novolac với nhựa thông theo tỷ lệ: novolac – nhựa thông 1:2 Ở nhiệt độ 180-250°C thời gian 10-12 4.3.2 Biến tính bẳng rượu Dùng rượu để ete hóa nhóm metylol vừa tạo thành trình đa tụ phenol, tỷ lệ phenol với formaldehyde Mục đích giảm độ phân cực nhựa làm cho kết hợp với dầu tan cacbua hydro Thường dùng rượu butylic Các phản ứng xảy ra: Để tăng khả hòa tan nhựa PF vào dầu người ta tiến hành đa tụ sơ PF tạo PF phân tử thấp sau cho tác dụng với butanol biến tính dầu thực vật Nhựa tạo thành có cấu tạo: Nhựa PF biến tính dầu thực vật cho màng sơn tương đối co giãn, bền nước, dung môi, thời tiết nên thường dùng để sản xuất sơn men bền với xăng dầu, sơn đồ hộp chịu axit 4.3.3 Biến tính axit béo Thực chất phản ứng este hóa epoxy Đồng thời este nhóm hydroxyl chảy nhựa ban đầu Trong cơng nghiệp thường tiến hành este hóa nhiệt độ 220-260°C, phản ứng sử dụng xúc tác Dung dịch nhựa thường bị đục bảo quản Axit béo lấy từ dầu lanh, dầu trẩu khử nước, axit béo có số nối đơi nhiều q trình este hóa diễn nhanh CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT KEO PHENOL – FORMALDEHYDE TAN TRONG NƯỚC 5.1 Lý thuyết tổng hợp dùng nhựa tan nước dùng làm keo dán 5.1.1 Nguyên liệu Phenol nồng độ 98% :100 phần khối lượng Formaldehyt nồng độ 37% :37 phần khối lượng Xúc tác NaOH nồng độ 15%: phần khối lượng Tỷ lệ mol : P/F = 6/7 Trong trường hợp dùng xúc tác NaOH tạo di, tri, mono metylol phenol Các môno, di, tri, metylol phenol tác dụng với tạo nhựa rezolic, phần phenol lại không phản ứng, lượng nhiều làm giảm trọng lượng phân tử sản phẩm 5.1.2 Cơ chế 5.2 Lập luận chọn quy trình cơng nghệ sản xuất keo PF Việc lựa chọn quy trình cơng nghệ có vai trị quan trọng việc thiết kế phân xưởng Nó góp phần khơng nhỏ việc định suất chất lượng sản phẩm Vậy nên, việc lựa chọn dây chuyền phải phải đảm bảo yêu cầu an toàn lao động cho cơng nhân, thao tác đơn giản Ngồi ra, việc lựa chọn cơng nghệ cịn phải đảm bảo tiêu chí: + Về mặt kinh tế như: Giá thành nguyên liệu: NH4OH: 88.000đ/500ml C6H6O: 200.000đ/500g HCHO: 100.000đ/500ml C2H6O: 15.000đ/500ml Giá thành sản phẩm khỏi nhà máy: Nhựa PF thành phẩm : 50.000đ/kg + Về mặt kết cấu máy móc dây chuyền sản xuất phải đảm bảo tính bền, an tồn sử dụng, thời gian sử dụng lâu dài Thiết bị phải có kếu cấu đơn giản dễ sử dụng, hiệu sản phẩm cao 5.3 Sơ đồ dây chuyển công nghệ sản xuất Hình vẽ 5.4 Thuyết minh sơ đồ dây chuyền cơng nghệ Gồm giai đoạn : + Chuẩn bị nguyên liệu + Tiến hành phản ứng trùng ngưng Sấy nhựa + Tháo nhựa + Hòa trộn với nước + Quá trình trùng ngưng sấy nhựa thực thiết bị : Thùng chứa phenol tinh thể (1) đưa vào phịng đun nóng đặt bể nước nóng (2), đun nóng ống xoắn ruột gà nước bão hòa cho phênol chảy lỏng ra, nhiệt độ khoảng 500C Phênol lỏng bơm li tâm đưa lên thiết bị lường (5) Xúc tác NaOH được bơm li tâm đưa lên cho vào thùng lường (9) Mở van cho HCHO, phênol dung dịch NaOH vào thiết bị phản ứng (10) Thiết bị phản ứng có gắn cánh khuấy dạng mỏ neo Ban đầu mở cánh khuấy quay với vận tốc 30 v/p, đồng thời cho nước nóng vào vỏ bọc để gia nhiệt cho hỗn hợp phản ứng, q trình đun nóng tiến hành vòng 30 đến 40 phút Khi nhiệt độ lên khoảng 60 ÷650C ngừng đun nóng lúc hỗn hợp phản ứng tự tăng nhiệt độ lên đến khoảng 95 ÷1000C Lúc mở thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ hơi, chất lỏng ngưng tụ cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng Khi hỗn hợp thiết bị phản ứng sôi lên cho nước lạnh vào vỏ bọc để làm lạnh (chú ý khống chế lượng nước hỗn hợp sơi nhẹ) Duy trì nhiệt độ 95÷1000C khoảng 100 phút, lấy mẫu để xác định độ nhớt hỗn hợp Nếu độ nhớt chưa đạt yêu cầu tiếp tục làm việc điều kiện nhiệt độ sơi đến đạt giá trị độ nhớt theo yêu cầu kết thúc trình đa tụ bắt đầu sấy Chú ý trình phản ứng pH hỗn hợp ln trì 7,5 đến 8,5 Quá trình đa tụ kết thúc, lúc hỗn hợp phân thành lớp: lớp nhựa, lớp nước, phenol, formalin chưa phản ứng Do thành phần nước tồn hợp chất thấp phân tử : CH 3OH, CH2O, chất xúc tác, sản phẩm phụ, phenol không phản ứng nên cần phải tách nước để nhựa tạo tinh khiết Giai đoạn sấy nhựa rezolic quan trọng Nên tạo chân không sâu để giảm nhiệt độ nhựa giai đoạn sôi mạnh Phải tiến hành tạo chân không từ từ để hỗn hợp phản ứng đừng sủi bọt mạnh Về đầu trình sấy tạo nhiều nhiệt độ nhựa nhanh chóng giảm (lúc khơng nên đun nóng) Phần lớn nước bốc 60÷700C Trước kết thúc sôi vài phút cho nước áp suất atm vào vỏ đun nóng, nước khử hầu hết, nhựa trở nên sáng nhiệt bắt đầu tăng lên lúc giảm xuống 0,5 atm Ở điều kiện sấy cố định (áp suất cịn khơng 200 mmHg) tăng nhiệt độ lên khơng q 1000C Để kết thúc q trình sấy nhựa ta theo thời gian nhiệt độ nhựa Đồng thời kiểm tra nhiệt độ nhỏ giọt tốc độ đóng rắn mẫu nhựa Lấy mẫu thứ nhiệt độ nhựa nồi phản ứng đạt từ 82 ÷850C sau 10 phút lấy mẫu lần Kết thúc trình sấy nhựa tốc độ đóng rắn kim loại nhiệt độ 150 0C chưa đạt tới 100÷160 giây Sau tách nước, tháo nhựa thùng chứa cho nước vào, nước xử lý cho qua thùng lường đưa vào thùng chứa để hịa trộn với Thiết bị hịa trộn có gắn cánh khuấy, tiến hành khuấy khoảng 40 đến 70 phút, vận tốc cánh khuấy khoảng 25 v/p Sau khuấy trộn xong keo tạo tháo bồn chứa keo nhập kho tạm thời trước đóng gói  ... máy + Keo dán sơn: Nhựa phenol - formaldehyde có ý nghĩa quan trọng dùng để sản xuất keo dán sơn Keo phenol - formaldehyde có độ bền mối nối cao, chịu ẩm vi khuẩn có nhược điểm màng dán dòn Nhựa... dịch NaOH vào thiết bị phản ứng (10) Thiết bị phản ứng có gắn cánh khuấy dạng mỏ neo Ban đầu mở cánh khuấy quay với vận tốc 30 v/p, đồng thời cho nước nóng vào vỏ bọc để gia nhiệt cho hỗn hợp phản... Ngồi nhựa rezolic cịn dùng làm chất dẻo bột 4.2.1 Keo dán từ nhựa không phối hợp Keo từ nhựa phenol-formaldehyd đa tụ có xúc tác Ba(OH) có màu sáng, nhựa có độ nhớt cao từ 500÷100cp, tỉ trọng 1,25÷1,29