Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm

Công nghệ vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong khoa học và trong đời sống x• hội. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học và kĩ thuật, ngành công nghệ vật liệu nói chung và công nghệ vật liệu polyme nói riêng ngày càng có nhiều tiến bộ vượt bậc, tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất ưu việt được ứng dụng rộng r•i trong khoa học và trong đời sống. Vật liệu polyme được sử dụng rất rộng r•i, các sản phẩm từ polyme gắn liền với đời sống con người, chúng đem lại nhiều tính chất tốt và hiệu quả kinh tế cao. Nhựa phenolic hay phenolfomandehit nói riêng là loại nhựa tổng hợp đầu tiên được ứng dụng trong thương mại. Mặc dù được tổng hợp muộn hơn nhiều loại nhựa khác và chỉ đưa vào sản xuất công nghiệp ở những năm đầu của thế kỷ 20 nhưng cho đến nay nhựa phenolic không ngừng phất triển cả về số lựơng và chất lượng. Sản lượng tiêu thụ nhựa phenolic hàng năm tăng lên đáng kể. Trên cơ sở đó việc: “Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm” mang tính thực tế và cần thiết.

Mục lục Trang Mở đầu 3 Chơng 1. Tổng quan về nhựa phenolic .4 1.Lịch sử phát triển .4 2.Nguyên liệu 6 2.1.Phenol 6 2.2.Andehyt 9 3. Phản ứng tổng hợp 11 3.1. Phản ứng tạo nhựa rerolic 11 3.2.Phản ứng tạo nhựa novolac .12 1.3.3. Điều kiện ngng tụ nhựa .13 4.ứng dụng 17 5.Sản xuất nhựa novolac .19 Chơng 2. Tính toán kĩ thuật 23 2.1.Tính phối liệu và cân bằng vật chất 23 2.2.Tính toán thiết bị .25 2.2.1.Tính toán thiết bị chính 26 2.2.2.Tính cánh khuấy .30 2.2.3.Tính bảo ôn thiết bị phản ứng 33 2.2.4. Tính thiết bị đỡ 36 2.3.Tính thiết bị phụ 38 2.3.1.Tính thiết bị ngng tụ .38 2.3.2.Thùng chứa và thùng lờng 41 2.3.3.Tính bơm chất lỏng 45 2.3.4.Tính cân bằng nhiệt lợng .48 Chơng 3 Xây dựng .56 3.1.Yêu cầu về lựa chọn địa điểm xây dựng .57 1 3.2.Thiết kế tổng mặt bằng .58 3.3.Giải pháp cấu tạo nhà 63 3.4.Giải pháp thông gió .63 Chơng 4 Tính toán điện nớc .65 4.1.Điện dùng trong sản xuất 65 4.2. Nớc dùng trong sản xuất 66 Chơng 5 Tính toán kinh tế .68 5.1.Tóm tắt dự án 68 5.2.Thị trờng và kế hoạch sản xuất .68 5.3.Tính toán kinh tế .69 Chơng 6 An toàn lao động .76 6.1.An toàn lao động trong nhà máy 76 6.2.Nguyên nhân gây mất an toàn lao động .77 6.3.Các biện pháp đảm bảo an toàn lao động .77 2 Mở đầu Công nghệ vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong khoa học và trong đời sống xã hội. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học và kĩ thuật, ngành công nghệ vật liệu nói chung và công nghệ vật liệu polyme nói riêng ngày càng có nhiều tiến bộ vợt bậc, tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất u việt đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học và trong đời sống. Vật liệu polyme đợc sử dụng rất rộng rãi, các sản phẩm từ polyme gắn liền với đời sống con ngời, chúng đem lại nhiều tính chất tốt và hiệu quả kinh tế cao. Nhựa phenolic hay phenolfomandehit nói riêng là loại nhựa tổng hợp đầu tiên đợc ứng dụng trong thơng mại. Mặc dù đợc tổng hợp muộn hơn nhiều loại nhựa khác và chỉ đa vào sản xuất công nghiệp ở những năm đầu của thế kỷ 20 nhng cho đến nay nhựa phenolic không ngừng phất triển cả về số lựơng và chất lợng. Sản lợng tiêu thụ nhựa phenolic hàng năm tăng lên đáng kể. Trên cơ sở đó việc: Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phơng pháp gián đoạn với năng suất 300 tấn/năm mang tính thực tế và cần thiết. 3 Chơng 1 tổng quan về nhựa phenolic 1. Lịch sử phát triển. Phenol là nhựa tông hợp, sản phẩm của quá trình trùng ngng giữa phenol và fomandehit. Nhựa phenolic là loại nhựa tổng hợp đàu tiên đợc sản xuất thơng mại. Năm 1872 Bayer là ngời đầu tiên phát hiện phản ứng giữa phenol và aldehit. Sau đó vào cuối thế kỉ 19 đợc các nhà khoa học Klecbegr, Tollens, Abel nghiên cứu, tuy nhiên sản phẩm của họ chỉ là nhựa không nóng chảy, không hoà tan ít thu hút đợc sự quan tâm. Cùng thời gian đó hai nhà hoá học Leaderer và Manasse đã chỉ ra rằng O-, P- hydro benzyl alcol (phenol alcol) có thể nhận đợc từ phenol và fomadehit trong môi trờng kiềm.Quá trình tổng hợp nhựa phenolic tiếp tục đợc nhiều nhà hoá học nghiên cứu trong những năm cuối của thế kỉ 19 và Thus, Claus, Trainer đã tổng hợp đợc nhựa phenolictừ phenol và axetandehit trong môi trờng axit (HCl) Vào những năm đầu của thế kỉ 20 rất nhiều nhà hoá học nghiên cứu về quá trình tạo nhựa phenolic bằng việc sử dụng các loại xúc tác khác nhau. Blumer đã ngng tụ phenol và fomandehit khi có mặt hỗn hợp các axít, thu đợc nhựa hoà tan trong rợu và chúng đợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vecni. Smith tổng hợp phenolic từ phenol và axetandehit với sự có mặt của axít HCl. Sản phẩm thu đợc có tính cách điện tốt.[1] Story lại cho phenol phản ứng với aldehit trong thời gian dài mà không sử dụng xúc tác, nhựa thu đợc có đặc điểm là đóng rắn chậm, thích ứng với các sản phẩm khuôn đúc. Năm 1907 ữ1909 Leo Backeland công bố những nghiên cứu của mình về loại nhựa phenolfomandehit với xúc tác kiềm có tên thơng mại là Bakelite và trong môi trờng axit tạo nhựa nhiệt dẻo Novolac với tỷ lệ cấu tử phenol/fomandehit >1.Tuy nhiên nhựa tạo thành cha đợc sử dụng trực tiếp nh nhiều loại nhựa khác. Backerland đã nghiên cứu cấu trúc nhựa và đa ra giải pháp khắc phục khó khăn trong quá trình gia công sản phẩm. Ngay sau đó hãng Bakelite lần đầu tiên đa vào sản xuất nhựa phenolic đẫ đánh dấu bớc phát triển của nhựa phenolic. 4 Các năm sau đó nhựa phenolic không ngừng đợc phát triển cả về số lợng và chất lợng:[11] Năm 1935 nhựa phenolic đợc sản xuất nhiều nhất so với các loại nhựa khác. Năm 1954 nhựa phenolic đợc sản xuất 20.000 tấn. Năm 1965 nhựa phenolic đợc sản xuất 65.000 tấn. Năm 1987 nhựa phenolic lên tới 2,3 triệu tấn Năm 1993 là 2,8 triệu tấn. Năm 1998 lợng nhựa phenolic đợc sản xuất là 3,4 triệu tấn. ở Việt Nam nhựa phenolic đợc sử dụng muộn hơn chủ yếu ở dạng bán thành phẩm và nguyên liệu cho một số loại vật liệu nh : bột ép, ván ép, sợi ép, keo dán, sơn từ nhựa phenolic biến tính, Năm 1958ữ1960 Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trờng đại học Bách Khoa Hà Nội ( ngày đó là bộ môn cao phân tử ) đã giúp đỡ xây dựng phân xởng sản xuất keo dán tại nhà máy gỗ Cầu Đuống. Năm 1975 Nam T giúp xây dựng nhà máy ván dăm ở khu công nghiệp Việt trì. Sau đó miền Nam xây dựng các nhà máy ván dăm, gỗ ép Đồng Nai,Sài Gòn. Tình hình phát triển nhựa phenolic ở Việt Nam 2000ữ2003:[ Giai đoan 1: Xây dựng và lắp đặt 6 nhà máy ván ép nâng công suất lên22.000 tấn. Giai đoạn 2: Xây dựng và đầu t chiều sâu cho 108 nhà máy chế biến lâm nghiệp. Giai đoạn 3: Xây dựng và hoàn thiện xong 108 nhà máy nâng công suất lên 85.000 tấn đáp ứng một phần nhu cầu trong nớc. 5 2. Nguyên liệu. Nguyên liệu chính để sản xuất nhựa phenolic là phenol và aldehit. 2.1.Phenol. Công thức cấu tạo của phenol: O H Công thức hoá học của phenol C 6 H 5 OH, do cấu tạo hoá học của phenol tại các vị trí ortho và para nguyên tử hydro rất linh động nên nhựa từ phenol có khả năng chuyển sang trạng thái không gian ba chiều. 2.1.1.Tính chất lý học của phenol.[4] ở điều kiện thờng phenol có màu hồng nhạt hoặc nâu sẫm. Các sản phẩm chứa phenol tự do trong quá trình bảo quản có mầu thay đổi từ hồng nhạt sang nâu sẫm. Nhiệt độ sôi của phenol t s =182,1 0 C. Trọng lợng riêng của phenol d = 1,0596 g/cm 3 . ở điều kiện thờng phenol là tinh thể có nhiệt độ nóng chảy là 42,3 o C, nhiệt độ hoá rắn là 40,5 ữ 40,9 o C. Phenol rất độc, với hàm lợng phenol rất nhỏ trong không khí cũng gây ngộ độc. Phenol hoà tan trong các dung môi phân cực: rợu, axeton, Tính tan trong n - ớc của phenol phụ thuộc nhiệt độ. 2.1.2.Các phơng pháp điều chế phenol. [5] Phenol tự nhiên đợc tách ra từ các sản phẩm chế biến nhiên liệu rắn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra phenol tổng hợp có thể điều chế bằng các phơng pháp sau: Phơng pháp sunfua hoá: bao gồm các giai đoạn sau: Sunfua hoá benzen tạo axit benzoic. Đun nóng chảy kiềm với axit ở thể hơi. Phân giải phenol bằng axit sunfuric và tiến hành chng benzen thô. 6 Nhợc điểm của phơng pháp này là có nhiều giai đoạn, tốn nhiều xút, axit và hiệu suất phản ứng không cao. Các phản ứng xảy ra trong quá trình trùng hợp: C 6 H 6 + H 2 SO 4 C 6 H 5 SO 3 H + H 2 O. C 6 H 5 SO 3 H + NaOH C 6 H 5 SO 3 Na + H 2 O. C 6 H 5 SO 3 Na + NaOH C 6 H 5 ONa + Na 2 SO 3 + H 2 O. C 6 H 5 ONa + H 2 SO 4 C 6 H 5 OH + Na 2 SO 4 Phơng pháp clo hoá: Xử lý clobenzen bằng Na 2 CO 3 10% theo tỷ lệ 1:1,25 có mặt oxit diphenyl. Để lắng, tách phenol đem chng theo hơi nớc hoặc xử lý clobenzen bằng NaOH10% theo tỷ lệ 1:1,25 tơng tự nh với Na 2 CO 3 . Phơng pháp Ra-sic: phơng pháp này gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Cho benzen tác dụng với HCl và không khí ở nhiệt độ 200- 230 o C có mặt muối nhôm, sắt. Sản phẩm thu đợc chứa clobenzen. Giai đoạn 2: Tách rửa clobenzen và thuỷ phân trong lò tiếp xúc ở nhiệt độ 350 o C với xúc tác SiO 2 hoặc Ca 3 (PO 4 ) 2 . Rửa phenol nhận đợc và đem chng cất. Các phản ứng xảy ra nh sau: C 6 H 6 + HCl + 1/2 O 2 C 6 H 5 Cl + H 2 O. C 6 H 5 Cl + H 2 O C 6 H 5 OH + HCl . Phơng pháp oxy hoá trực tiếp benzen: Tiến hành oxy hoá benzen ở nhiệt độ 800 o C, áp suất 70at, có mặt xúc tác HF. Hỗn hợp sản phẩm đem chng cất nhiều lần thu phenol. Phơng pháp này ít đợc sử dụng do hiệu suất thấp(30-60%). Phơng pháp Cu-men: Tiến hành alkyl hoá benzenở 85 0 C, áp suất 70at và xúc tác AlCl 3 tạo izopropylbenzen: C 6 H 6 + CH 2 =CH CH 3 C 6 H 5 CH(CH 3 ) 2 . Oxy hoá izopropylbenzen ở nhiệt độ 600-650 o C có mặt không khí tạo hydropeoxit: 7 C 6 H 5 CHCH(CH 3 ) 2 O 2 C 6 H 5 C(CH 3 ) 2 OOH. Phân giải hydropeoxit bằng axit H 2 SO 4 10% thành phenol và axeton cùng một số sản phẩm phụ khác. C 6 H 5 C(CH 3 ) 2 OOH. C 6 H 5 OH + CH 3 COCH 3 Tiến hành chng cất phân đoạn thu phenol. Phơng pháp đợc đề xuất ở Liên Xô và là phơng pháp kinh tế nhất hiện nay đợc ứng dụng ở nhiều nớc trên thế giới. Phơng pháp Dow (Dow Chemiscal): Tiến hành oxy hoá toluen theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1: oxy hoá toluen bằng không khí ở nhiẹt độ 120-150 o C có xúc tác Co tạo axit benzoic. Phản ứng toả nhiệt mạnh và có nhiều sản phẩm phụ.: HCOOH, CH 3 COOH, C 6 H 5 CHO, Giai đoạn 2: Decacboxy hoá axit benzoic với xúc tác Cu 2+ : C O O Cu O C O COOH + Cu 2+ O C C O O + H 2 O OH - C U O OH C HO O OH - CO 2 Quá trình tiến hành ở áp suất thờng, nhiệt độ 200-250 o C, Cu 2+ sử dụng ở dạng dung dịch 1-5%. 8 2.1.3.Một số phenol khác:[3] Crezol: CH 3 C 6 H 4 OH. Crezol có ba đồng phân: OH CH 3 OH CH 3 CH 3 OH o-Crerol. m-Crerol. p-Crerol. Crezol thờng tồn tại dới dạng hỗn hợp ba đồng phân. nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 185-205 o C, trọng lợng riêng 1,044g/cm 3 . Crezol hoà tan trong rợu, ete, kiềm, khó hoà tan trong nớc. Crezol nhận đợc chủ yếu từ sản phẩm xử nhiệt của than đá, than nâu, gỗ. Xylenol: (CH 3 ) 2 C 6 H 3 OH. Xylenol có sáu đồng phân, xylenol kĩ thuật ở dạng lỏng nhớt, mầu nâu,, trọng lọng riệng 1,035-1,040 g/cm 3 . Xylenol tan trong dung dịch kiềm 10%. Xylenol cũng nhận đợc chủ yếu từ xử lý nhiên liệu rắn. Resocsin (m-dioxy benzen): C 6 H 4 (OH) 2 . Resocsin ở dạng tinh thể rắn, nhiệt độ nóng chảy là 110 o C và nhiệt độ sôi là 276,5 o C, trọng lợng riêng là 1,285 g/cm 3 . 2.2.Aldehyt. 2.2.1.Fomandehyt. Tính chất lý học của fomandehyt [6] Fomandehyt là chất khí không màu, mùi mạnh. Khi làm lạnh fomandehyt sẽ hoá lỏng, nhiệt độ sôi là -21 o C, nhiệt độ nóng chảy là -92 o C, ở nhiệt độ 93 o C sẽ đóng thành một chất tinh thể rắn trọng lợng riêng là 0,815 g/cm 3 . Fomanhehyt thờng đợc sử dụng ở dạng dung dịch với nớc gọi là focmalin. Focmalin chứa 33- 40% thể tích fomandehyt. Khi để lâu thấy kết tủa trắng tách ra từ dung dịch focmalin đó là polyme của fomandehyt (parafooc ). Để tránh hiện t- 9 ợng trên thờng sử dụng rợu metylic 7-12% trong focmalin. Hàm lợng rợu trong focmalin có thể thay đổi tuỳ thuộc nhiệt độ môi trờng Các phơng pháp điều chế fomandehyt: + Oxy hoá rợu metylic bằng oxy không khí có bạc tham gia. Phản ứng xảy ra nh sau: CH 3 OH + 1/2 O 2 HCHO + H 2 O Hoặc phản ứng khử hydro của rợu: CH 3 OH HCHO + H 2 O Phản ứng oxy hoá có thể tiến hành trong chân không hoặc dới áp suất. + Điều chế fomandehyt từ metan: Mêtan đợc điều chế từ các sản phẩm chế biến dầu mỏ và khí thiên nhiên. Oxy hoá khí metan không hoàn toàn ở 1400-1500 o C xảy ra phản ứng: CH 4 + O 2 CO + 4 H 2 CH 4 CH CH + 3 H 2 Metanol đợc tổng hợp từ hỗn hợp H 2 và CO ở trên và tiến hành oxy hoá metanol ở nhiệt độ 500-600 o C có mặt xúc tác thì nhận đợc fomandehyt. + Oxy hoá etylen: cho hỗn hợp khí chứa 85% etylen và 15% oxy về thể tích qua các chất tiếp xúc trơ nh: đất sét nung tẩm H 2 BO 3 hoặc H 3 PO 4 ở 375 o C hoặc đi qua tháp chất đầy đá bọt tẩm KMnO 4 hay KClO 3 ở nhiệt độ lớn hơn 100 o C. Hiệu suất tạo fomandehyt khá cao (70-80%). 2.2.2.Axetandehyt: CH 3 CHO. Là chất lỏng có mùi khó chịu, nhiệt độ sôi là 20,8 o C, nóng chảy ở 123,5 o C, trọng lợng riêng là 0,792g/cm 3 . Axetandehyt hoà tan trong nớc rợu, ete. Axetandehyt rất rễ tự trùng hợp. 2.2.3.Fufurol. Công thức hoá học của fufurol: 10