THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT NHỰA PF TAN TRONG CỒN, NĂNG SUẤT 15000 TẤN NĂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC – MƠI TRƯỜNG ĐỒ ÁN POLYMER Tên đề tài: THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT NHỰA PF TAN TRONG CỒN, NĂNG SUẤT 15000 TẤN/NĂM Sinh viên thực Lớp : TRẦN VIỆT ANH : 19VL1 Giảng viên hướng dẫn: Mai Thị Phương Chi Đà Nẵng, 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA KEO PF 4.1 Tính chất keo PF 4.1.1 Tính chất nhựa rezolic 4.1.2 Tính chất nhựa novolac 4.2 Ứng dụng nhựa PF 4.3 Ứng dụng nhựa phenol-formandehyt để làm keo dán 4.3.1 Keo dán từ nhựa không phối hợp .5 4.3.2 Keo từ nhựa phối hợp 4.4 Biến tính nhựa phenol-formandehyt 4.4.1 Biến tính nhựa thông 4.4.2 Biến tính rượu 4.4.3 Biến tính axit béo dầu thực vật CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH SẢN XUẤT KEO PHENOLFORMANDEHYT TAN TRONG CỒN .9 5.1 Lập luận lựa chọn công nghệ sản xuất keo phenol-formandehyt (PF) 5.2 Dây chuyền công nghệ sản xuất .9 5.2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất .9 5.2.2 Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA KEO PF 4.1 Tính chất keo 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 của 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, pcresol + Nhựa rezolic hỗn hợp sản phẩm phân tử thấp thẳng nhánh, trọng lượng phân tử thay đổi từ 400-1000, tỷ trọng 1,25- 1,27 g/cm3 + Nhựa rezolic có màu từ vàng sang đến hồng phụ thuộc vào chất xúc tác Nếu xúc tác amoniac amin hữu nhựa có màu vàng, xúc tác NaOH nhựa có màu hồng, với xúc tác Ba(OH)2 nhựa có màu vàng sáng + Khác với nhựa novolac, nhựa rezolic chứa nhiều phenol tự do, làm giảm nhiệt độ nóng chảy Ở trạng thái đóng rắn, nhựa rezolic có độ chịu nước cao, chịu hóa học tính điện mơi cao nhựa novolac đóng rắn Urotropin + Trong thời gian bảo quản nguội, nhựa rezolic chuyển sang trạng thái khơng nóng chảy khơng hịa tan, cịn đun nóng đóng rắn nhanh + Nhựa rezolic nhiệt độ thưởng tính chảy nhớt, nóng chảy hịa tan, nghĩa bảo quản tính chất chúng thay đổi theo chiều hướng tạo thành polymer 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 oxi 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 NH 4OH khơng có liên kết ete đun nóng nhựa đến 200°C khơng thấy CH2O tỏa + Nhựa rezolic hịa tan hồn tồn nhiều dung mơi như: xiclohexanol, phenol, dioxan, butanol… Nhưng với điều kiện nhiệt độ sơi dung mơi 100°C lúc nối ngang vật lý bị phá hủy 3 + 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 trình hịa tan nhựa Nếu đun nóng lâu làm rezolic tan hoàn toàn + Nhựa rezolic bị đóng rắn (rezit): Trong giai đoạn rezit mạng lưới tham gia tạo khơng liên kết hóa học mà 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) dung 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: CH2 OH CH2 CH2OH CH2 CH2 OH – H2C OH OH – H2C CH2 CH2 OH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 OH OH OH CH2 – H2C OH CH2 CH2OH CH2 OH HOH2C CH2 CH2 CH2 OH 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 của 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 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 – formaldehyt có ý nghĩa quan trọng dùng để sản xuất keo dán sơn - Keo phenol – formaldehyt có độ bền mối nối cao, chịu ẩm vi khuẩn có nhược điểm màng dán giịn - Nhựa phenol – formaldehyt loại nhựa tổng hợp dùng để sản xuất sơn Ngồi nhựa rượu cịn thêm – 10% colophan 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 Ngồi nhựa rezolic cịn dùng làm chất dẻo bột 4.3 Ứng dụng nhựa phenol-formandehyt để làm keo dán Cũng nhựa ure-formaldehyt, nhựa phenol-formaldehyt có ứng dụng quan trọng việc dùng để dán vật liệu gỗ, kim loại, chất dẻo, thủy tinh, sành, sứ… Nhựa rezolic tan nước đóng rắn nhiệt độ thường nhờ axit mạnh, muối chúng hay este axit, đóng rắn cách đun nóng áp suất 3-6 kg/cm khơng cần xúc tác Keo phenol-formaldehyt có tính kết dính cao, chịu ẩm loại nấm Song có nhược điểm màng keo dán giịn, độ bền mối dán vào gỗ bị giảm tác dụng xúc tác axit lên xenlulo Do gần phối trộn phenol-formaldehyt với loại polymer nhiệt dẻo 4.3.1 Keo dán từ nhựa không phối hợp Keo từ nhựa phenol-formaldehyt đa tụ có xúc tác NaOH có màu sẫm, nhựa có độ nhớt cao từ 50-100cP, tỷ trọng 1,25-1,29 Trong thành phần keo có khoảng 20% nước khoảng 12% phenol tự Keo phenol-formaldehyt tan nước đóng rắn nhiệt độ thường cung cấp thêm chất đóng rắn (chất tiếp xúc petrop) 4.3.2 Keo từ nhựa phối hợp 4.3.2.1 Keo cacbonit-phenol-formaldehyt Được sản xuất từ dung dịch H 2O nhựa phenol ure-formaldehyt chất xúc tác rắn, để giảm độ co rút người ta cho thêm phụ gia xenlulo Phối liệu keo:  Nhựa ure-formaldehyt: 56 phần khối lượng  Nhựa phenol-formaldehyt: 35 phần khối lượng  Este etylic axit oxalic: phần khối lượng  Bột gỗ: phần khối lượng  Keo chứa 30-50% nước 4.3.2.2 Keo polyvinyl butirat-phenol-formandehyt Keo dung dịch nhựa rezolic polyvinyl butirat 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 Ngồi ra, cịn có phần cấu tử trộn hợp giữ ngun khơng phản ứng trích ly dung môi 4.3.2.3 Keo phenol-formandehyt cao su Keo phenol-cao su điều chế cách trộn hợp nhựa phenol-formaldehyt với cao su (acryclonitril, clopren…) Keo dùng để dán nhơm, thép hợp kim có độ bền trượt uốn cao, chịu dao động, chịu nước, bền nhiệt, bền với dầu mỏ 4.3.2.4 Keo phenol-formaldehyt epoxy Được sản xuất cách phối hợp epoxy với phenol-formaldehyt Keo loại 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-formaldehyt tác dụng với nhựa epoxy làm xuất liên kết este Nhựa đóng rắn xong có cấu tạo mạng lưới không gian dày đặc chịu nhiệt tốt Phối liệu loại nhựa này: Nhựa rezolic: 100 phần khối lượng Nhựa epoxy: 20 phần khối lượng Urotropin: phần khối lượng Dùng dung mơi metyletyleton để hịa tan nhựa, cho hỗn hợp đóng rắn 160 0C, thời gian 30 phút , đem thử kết cấu dán 230°C 315°C thấy keo có thơng số bền trượt tốt Xử lý mối dán 232°C 192 tăng độ bền trượt lên 87 kg/cm2 4.4 Biến tính nhựa phenol-formandehyt Có thể biến tính phenol-formandehyt số chất như: axit nhựa thông, rượu (thường dùng butanol), dầu thực vật 4.4.1 Biến tính nhựa thơng 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 khơng 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 4.4.2 Biến tính rượu Dùng rượu để ete hóa nhóm metylol vừa tạo thành trình đa tụ phenol, tỷ lệ phenol với formaldehyt 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: OH OH CH2OH + CH2OH C4H9OH + CH2OH H2O CH2-O-C4H9 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: OH OH CH2OH CH2 CH2OC4H9 CH2OC4H9 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 4.4.3 Biến tính axit béo của dầu thực vật 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 PHENOLFORMANDEHYT TAN TRONG CỒN 5.1 Lập luận lựa chọn công nghệ sản xuất keo phenol-formandehyt (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: 99.000đ/500ml C6H6O: 100.000đ/500g HCHO: 70.000đ/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 5.2 Dây chuyền công nghệ sản xuất 5.2.1.Sơ đồ dây chùn cơng nghệ sản x́t (Hình vẽ) 5.2.2.Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ 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 phenol chảy lỏng ra, nhiệt độ khoảng 50°C Phenol lỏng bơm ly tâm (7) đưa lên thiết bị lường (5) Xúc tác Ba(OH)2 được bơm li tâm đưa lên cho vào thùng lường (9) Mở van cho HCHO, phenol dung dịch Ba(OH)2 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 vòng/phút, đồng thời cho nước nóng vào vỏ bọc để gia nhiệt cho hỗn hợp phản ứng, q trình đun nóng tiến hành vòng 30 – 40 phút Khi nhiệt độ lên khoảng 60 - 65°C ngừng đun nóng lúc hỗn hợp phản ứng tự tăng nhiệt độ lên đến khoảng 95 - 100°C Lúc mở thiết bị ngưng tụ (11) để ngưng tụ hơi, chất lỏng ngưng tụ cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng Khi hỗn hợp phản ứng sôi lên cho nước lạnh vào vỏ bọc để làm lạnh (chú ý khống chế lượng nước hỗn hợp sôi nhẹ) Duy trì nhiệt độ 95 – 100°C khoảng 100 phút, lấy mẫu để xác định độ nhớt hỗn hợp Nếu độ nhớt chưa đạt yêu cầu tiếp tục làm việc với 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 – 8,5 Q trình đa tụ kết thúc, lúc hỗn hợp phân thành lớp: lớp nhựa, lớp nước, phenol, formaline chưa phản ứng 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 dừng 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 70°C 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 200mmHg) tăng nhiệt độ lên không 100°C Để kết thúc 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 - 85°C sau 10 phút lấy mẫu lần Kết thúc q trình sấy nhựa tốc độ đóng rắn kim loại nhiệt độ 150°C chưa đạt tới 100 – 160 giây Sau tách nước, tháo nhựa thùng hòa tan (13) cho cồn vào, cồn thùng chứa cồn (14) xử lý cho qua thùng lường cồn (15) đưa vào thùng hòa tan (13) để hòa trộn với Thiết bị hòa trộn có gắn cánh khuấy, thiết hành khuấy khoảng 40 – 70 phút, vận tốc cánh khuấy khoảng 25 vòng/phút Sau khuấy trộn xong keo tạo tháo vào thùng chứa keo (16) nhập kho tạm thời trước đóng gói