Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng

Môc lôc

Trang

Më ®Çu..................................................................................................................3

Ch¬ng 1. Tæng quan vÒ nhùa phenolic.................................................................4

1.LÞch sö ph¸t triÓn...................................................4

2.Nguyªn liÖu............................6

2.1.Phenol........................6

2.2.Andehyt..........................................9

3. Ph¶n øng tæng hîp..........................................................................................11

3.1. Ph¶n øng t¹o nhùa rerolic............................................................................11

3.2.Ph¶n øng t¹o nhùa novolac...........................................................................12

1.3.3. §iÒu kiÖn ngng tô nhùa.............................................................................13

4.øng dông..........................................................................................................17

5.S¶n xuÊt nhùa novolac.....................................................................................19

Ch¬ng 2. TÝnh to¸n kÜ thuËt................................................................................23

2.1.TÝnh phèi liÖu vµ c©n b»ng vËt chÊt..............................................................23

2.2.TÝnh to¸n thiÕt bÞ...........................................................................................25

2.2.1.TÝnh to¸n thiÕt bÞ chÝnh..............................................................................26

2.2.2.TÝnh c¸nh khuÊy.........................................................................................30

2.2.3.TÝnh b¶o «n thiÕt bÞ ph¶n øng....................................................................33

2.2.4. TÝnh thiÕt bÞ ®ì..........................................................................................36

2.3.TÝnh thiÕt bÞ phô............................................................................................38

2.3.1.TÝnh thiÕt bÞ ngng tô...................................................................................38

2.3.2.Thïng chøa vµ thïng lêng..........................................................................41

2.3.3.TÝnh b¬m chÊt láng....................................................................................45

2.3.4.TÝnh c©n b»ng nhiÖt lîng...........................................................................48

Ch¬ng 3 X©y dùng.............................................................................................56

3.1.Yªu cÇu vÒ lùa chän ®Þa ®iÓm x©y dùng.......................................................57

1

3.2.ThiÕt kÕ tæng mÆt b»ng.................................................................................58

3.3.Gi¶i ph¸p cÊu t¹o nhµ....................................................................................63

3.4.Gi¶i ph¸p th«ng giã.......................................................................................63

Ch¬ng 4 TÝnh to¸n ®iÖn níc...............................................................................65

4.1.§iÖn dïng trong s¶n xuÊt..............................................................................65

4.2. Níc dïng trong s¶n xuÊt..............................................................................66

Ch¬ng 5 TÝnh to¸n kinh tÕ.................................................................................68

5.1.Tãm t¾t dù ¸n................................................................................................68

5.2.ThÞ trêng vµ kÕ ho¹ch s¶n xuÊt.....................................................................68

5.3.TÝnh to¸n kinh tÕ...........................................................................................69

Ch¬ng 6 An toµn lao ®éng.................................................................................76

6.1.An toµn lao ®éng trong nhµ m¸y..................................................................76

6.2.Nguyªn nh©n g©y mÊt an toµn lao ®éng.......................................................77

6.3.C¸c biÖn ph¸p ®¶m b¶o an toµn lao ®éng.....................................................77

2

Më ®Çu

C«ng nghÖ vËt liÖu ngµy cµng ®ãng vai trß quan träng trong khoa häc vµ

trong ®êi sèng x· héi. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh khoa häc vµ kÜ thuËt,

ngµnh c«ng nghÖ vËt liÖu nãi chung vµ c«ng nghÖ vËt liÖu polyme nãi riªng ngµy

cµng cã nhiÒu tiÕn bé vît bËc, t¹o ra nhiÒu lo¹i vËt liÖu cã tÝnh chÊt u viÖt ®îc øng

dông réng r·i trong khoa häc vµ trong ®êi sèng.

VËt liÖu polyme ®îc sö dông rÊt réng r·i, c¸c s¶n phÈm tõ polyme g¾n liÒn víi

®êi sèng con ngêi, chóng ®em l¹i nhiÒu tÝnh chÊt tèt vµ hiÖu qu¶ kinh tÕ cao.

Nhùa phenolic hay phenolfomandehit nãi riªng lµ lo¹i nhùa tæng hîp ®Çu tiªn ®îc

øng dông trong th¬ng m¹i. MÆc dï ®îc tæng hîp muén h¬n nhiÒu lo¹i nhùa kh¸c

vµ chØ ®a vµo s¶n xuÊt c«ng nghiÖp ë nh÷ng n¨m ®Çu cña thÕ kû 20 nhng cho ®Õn

nay nhùa phenolic kh«ng ngõng phÊt triÓn c¶ vÒ sè lù¬ng vµ chÊt lîng. S¶n lîng

tiªu thô nhùa phenolic hµng n¨m t¨ng lªn ®¸ng kÓ. Trªn c¬ së ®ã viÖc: “ThiÕt kÕ

d©y chuyÒn s¶n xuÊt nhùa phenolfomandehit d¹ng novolac theo ph¬ng ph¸p

gi¸n ®o¹n víi n¨ng suÊt 300 tÊn/n¨m” mang tÝnh thùc tÕ vµ cÇn thiÕt.

3

Ch¬ng 1 tæng quan vÒ nhùa phenolic

1. LÞch sö ph¸t triÓn.

Phenol lµ nhùa t«ng hîp, s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh trïng ngng gi÷a phenol vµ

fomandehit. Nhùa phenolic lµ lo¹i nhùa tæng hîp ®µu tiªn ®îc s¶n xuÊt th¬ng m¹i.

N¨m 1872 Bayer lµ ngêi ®Çu tiªn ph¸t hiÖn ph¶n øng gi÷a phenol vµ aldehit.

Sau ®ã vµo cuèi thÕ kØ 19 ®îc c¸c nhµ khoa häc Klecbegr, Tollens, Abel nghiªn

cøu, tuy nhiªn s¶n phÈm cña hä chØ lµ nhùa kh«ng nãng ch¶y, kh«ng hoµ tan Ýt

thu hót ®îc sù quan t©m. Cïng thêi gian ®ã hai nhµ ho¸ häc Leaderer vµ Manasse

®· chØ ra r»ng O-, P- hydro benzyl alcol (phenol alcol) cã thÓ nhËn ®îc tõ phenol

vµ fomadehit trong m«i trêng kiÒm.Qu¸ tr×nh tæng hîp nhùa phenolic tiÕp tôc ®îc

nhiÒu nhµ ho¸ häc nghiªn cøu trong nh÷ng n¨m cuèi cña thÕ kØ 19 vµ Thus, Claus,

Trainer ®· tæng hîp ®îc nhùa phenolictõ phenol vµ axetandehit trong m«i trêng

axit (HCl)

Vµo nh÷ng n¨m ®Çu cña thÕ kØ 20 rÊt nhiÒu nhµ ho¸ häc nghiªn cøu vÒ qu¸

tr×nh t¹o nhùa phenolic b»ng viÖc sö dông c¸c lo¹i xóc t¸c kh¸c nhau. Blumer ®·

ngng tô phenol vµ fomandehit khi cã mÆt hçn hîp c¸c axÝt, thu ®îc nhùa hoµ tan

trong rîu vµ chóng ®îc sö dông lµm nguyªn liÖu s¶n xuÊt vecni.

Smith tæng hîp phenolic tõ phenol vµ axetandehit víi sù cã mÆt cña axÝt HCl.

S¶n phÈm thu ®îc cã tÝnh c¸ch ®iÖn tèt.[1]

Story l¹i cho phenol ph¶n øng víi aldehit trong thêi gian dµi mµ kh«ng sö

dông xóc t¸c, nhùa thu ®îc cã ®Æc ®iÓm lµ ®ãng r¾n chËm, thÝch øng víi c¸c s¶n

phÈm khu«n ®óc.

N¨m 1907 ÷1909 Leo Backeland c«ng bè nh÷ng nghiªn cøu cña m×nh vÒ lo¹i

nhùa phenolfomandehit víi xóc t¸c kiÒm cã tªn th¬ng m¹i lµ Bakelite vµ trong

m«i trêng axit t¹o nhùa nhiÖt dÎo Novolac víi tû lÖ cÊu tö phenol/fomandehit

>1.Tuy nhiªn nhùa t¹o thµnh cha ®îc sö dông trùc tiÕp nh nhiÒu lo¹i nhùa kh¸c.

Backerland ®· nghiªn cøu cÊu tróc nhùa vµ ®a ra gi¶i ph¸p kh¾c phôc khã kh¨n

trong qu¸ tr×nh gia c«ng s¶n phÈm. Ngay sau ®ã h·ng Bakelite lÇn ®Çu tiªn ®a vµo

s¶n xuÊt nhùa phenolic ®É ®¸nh dÊu bíc ph¸t triÓn cña nhùa phenolic.

4

C¸c n¨m sau ®ã nhùa phenolic kh«ng ngõng ®îc ph¸t triÓn c¶ vÒ sè lîng vµ

chÊt lîng:[11]

N¨m 1935 nhùa phenolic ®îc s¶n xuÊt nhiÒu nhÊt so víi c¸c lo¹i nhùa kh¸c.

N¨m 1954 nhùa phenolic ®îc s¶n xuÊt 20.000 tÊn.

N¨m 1965 nhùa phenolic ®îc s¶n xuÊt 65.000 tÊn.

N¨m 1987 nhùa phenolic lªn tíi 2,3 triÖu tÊn

N¨m 1993 lµ 2,8 triÖu tÊn.

N¨m 1998 lîng nhùa phenolic ®îc s¶n xuÊt lµ 3,4 triÖu tÊn.

ë ViÖt Nam nhùa phenolic ®îc sö dông muén h¬n chñ yÕu ë d¹ng b¸n thµnh

phÈm vµ nguyªn liÖu cho mét sè lo¹i vËt liÖu nh : bét Ðp, v¸n Ðp, sîi Ðp, keo d¸n,

s¬n tõ nhùa phenolic biÕn tÝnh,…

N¨m 1958÷1960 Trung t©m nghiªn cøu vËt liÖu polyme trêng ®¹i häc B¸ch

Khoa Hµ Néi ( ngµy ®ã lµ bé m«n cao ph©n tö ) ®· gióp ®ì x©y dùng ph©n xëng

s¶n xuÊt keo d¸n t¹i nhµ m¸y gç CÇu §uèng.

N¨m 1975 Nam T gióp x©y dùng nhµ m¸y v¸n d¨m ë khu c«ng nghiÖp ViÖt

tr×.

Sau ®ã miÒn Nam x©y dùng c¸c nhµ m¸y v¸n d¨m, gç Ðp §ång Nai,Sµi Gßn.

T×nh h×nh ph¸t triÓn nhùa phenolic ë ViÖt Nam 2000÷2003:[

Giai ®oan 1: X©y dùng vµ l¾p ®Æt 6 nhµ m¸y v¸n Ðp n©ng c«ng suÊt

lªn22.000 tÊn.

Giai ®o¹n 2: X©y dùng vµ ®Çu t chiÒu s©u cho 108 nhµ m¸y chÕ biÕn l©m

nghiÖp.

Giai ®o¹n 3: X©y dùng vµ hoµn thiÖn xong 108 nhµ m¸y n©ng c«ng suÊt lªn

85.000 tÊn ®¸p øng mét phÇn nhu cÇu trong níc.

5

2. Nguyªn liÖu.

Nguyªn liÖu chÝnh ®Ó s¶n xuÊt nhùa phenolic lµ phenol vµ aldehit.

2.1.Phenol.

C«ng thøc cÊu t¹o cña phenol:

OH

C«ng thøc ho¸ häc cña phenol C6H5OH, do cÊu t¹o ho¸ häc cña phenol t¹i

c¸c vÞ trÝ ortho vµ para nguyªn tö hydro rÊt linh ®éng nªn nhùa tõ phenol cã kh¶

n¨ng chuyÓn sang tr¹ng th¸i kh«ng gian ba chiÒu.

2.1.1.TÝnh chÊt lý häc cña phenol.[4]

ë ®iÒu kiÖn thêng phenol cã mµu hång nh¹t hoÆc n©u sÉm. C¸c s¶n phÈm

chøa phenol tù do trong qu¸ tr×nh b¶o qu¶n cã mÇu thay ®æi tõ hång nh¹t sang

n©u sÉm.

NhiÖt ®é s«i cña phenol ts=182,10C.

Träng lîng riªng cña phenol d = 1,0596 g/cm3

.

ë ®iÒu kiÖn thêng phenol lµ tinh thÓ cã nhiÖt ®é nãng ch¶y lµ 42,3oC, nhiÖt

®é ho¸ r¾n lµ 40,5 ÷ 40,9oC.

Phenol rÊt ®éc, víi hµm lîng phenol rÊt nhá trong kh«ng khÝ còng g©y ngé

®éc. Phenol hoµ tan trong c¸c dung m«i ph©n cùc: rîu, axeton, TÝnh tan trong n … -

íc cña phenol phô thuéc nhiÖt ®é.

2.1.2.C¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ phenol. [5]

Phenol tù nhiªn ®îc t¸ch ra tõ c¸c s¶n phÈm chÕ biÕn nhiªn liÖu r¾n ë nhiÖt

®é cao. Ngoµi ra phenol tæng hîp cã thÓ ®iÒu chÕ b»ng c¸c ph¬ng ph¸p sau:

• Ph¬ng ph¸p sunfua ho¸: bao gåm c¸c giai ®o¹n sau:

Sunfua ho¸ benzen t¹o axit benzoic.

§un nãng ch¶y kiÒm víi axit ë thÓ h¬i.

Ph©n gi¶i phenol b»ng axit sunfuric vµ tiÕn hµnh chng benzen th«.

6

Nhîc ®iÓm cña ph¬ng ph¸p nµy lµ cã nhiÒu giai ®o¹n, tèn nhiÒu xót, axit vµ

hiÖu suÊt ph¶n øng kh«ng cao.

C¸c ph¶n øng x¶y ra trong qu¸ tr×nh trïng hîp:

C6H6 + H2SO4 C6H5SO3H + H2O.

C6H5SO3H + NaOH C6H5SO3Na + H2O.

C6H5SO3Na + NaOH C6H5ONa + Na2SO3 + H2O.

C6H5ONa + H2SO4 C6H5OH + Na2SO4

• Ph¬ng ph¸p clo ho¸:

Xö lý clobenzen b»ng Na2CO310% theo tû lÖ 1:1,25 cã mÆt oxit diphenyl. §Ó

l¾ng, t¸ch phenol ®em chng theo h¬i níc hoÆc xö lý clobenzen b»ng NaOH10%

theo tû lÖ 1:1,25 t¬ng tù nh víi Na2CO3.

• Ph¬ng ph¸p Ra-sic: ph¬ng ph¸p nµy gåm hai giai ®o¹n:

Giai ®o¹n 1: Cho benzen t¸c dông víi HCl vµ kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é 200-

230oC cã mÆt muèi nh«m, s¾t. S¶n phÈm thu ®îc chøa clobenzen.

Giai ®o¹n 2: T¸ch röa clobenzen vµ thuû ph©n trong lß tiÕp xóc ë nhiÖt ®é

350oC víi xóc t¸c SiO2 hoÆc Ca3(PO4)2. Röa phenol nhËn ®îc vµ ®em chng cÊt.

C¸c ph¶n øng x¶y ra nh sau:

C6H6 + HCl + 1/2 O2 C6H5Cl + H2O.

C6H5Cl + H2O C6H5OH + HCl .

• Ph¬ng ph¸p oxy ho¸ trùc tiÕp benzen:

TiÕn hµnh oxy ho¸ benzen ë nhiÖt ®é 800oC, ¸p suÊt 70at, cã mÆt xóc t¸c HF.

Hçn hîp s¶n phÈm ®em chng cÊt nhiÒu lÇn thu phenol. Ph¬ng ph¸p nµy Ýt ®îc sö

dông do hiÖu suÊt thÊp(30-60%).

• Ph¬ng ph¸p Cu-men:

TiÕn hµnh alkyl ho¸ benzenë 850C, ¸p suÊt 70at vµ xóc t¸c AlCl3 t¹o

izopropylbenzen:

C6H6 + CH2=CH CH3 C6H5CH(CH3)2.

Oxy ho¸ izopropylbenzen ë nhiÖt ®é 600-650oC cã mÆt kh«ng khÝ t¹o

hydropeoxit:

7

C6H5CHCH(CH3)2 O2 C6H5C(CH3)2OOH.

Ph©n gi¶i hydropeoxit b»ng axit H2SO410% thµnh phenol vµ axeton cïng mét

sè s¶n phÈm phô kh¸c.

C6H5C(CH3)2OOH. C6H5OH + CH3COCH3

TiÕn hµnh chng cÊt ph©n ®o¹n thu phenol. Ph¬ng ph¸p ®îc ®Ò xuÊt ë Liªn X«

vµ lµ ph¬ng ph¸p kinh tÕ nhÊt hiÖn nay ®îc øng dông ë nhiÒu níc trªn thÕ giíi.

• Ph¬ng ph¸p Dow (Dow Chemiscal):

TiÕn hµnh oxy ho¸ toluen theo hai giai ®o¹n:

Giai ®o¹n 1: oxy ho¸ toluen b»ng kh«ng khÝ ë nhiÑt ®é 120-150oC cã xóc t¸c

Co t¹o axit benzoic. Ph¶n øng to¶ nhiÖt m¹nh vµ cã nhiÒu s¶n phÈm phô.:

HCOOH, CH3COOH, C6H5CHO,..

Giai ®o¹n 2: Decacboxy ho¸ axit benzoic víi xóc t¸c Cu2+:

C

O

O Cu O

C

O

COOH

+ Cu2+

O C C

O

O

+ H2O

OH

- CUO

OH

C HO

O OH

- CO2

Qu¸ tr×nh tiÕn hµnh ë ¸p suÊt thêng, nhiÖt ®é 200-250oC, Cu2+ sö dông ë d¹ng

dung dÞch 1-5%.

8