Производство фенолформальдегидной смолы резольного типа

Введение
Производство фенолформальдегидных смол – одна из важнейших отраслей химической промышленности, поскольку продукция используется во многих областях производства и быта. Высокая экономическая эффективность применения фенолформальдегидных смол, универсальность их свойств, возможность получения из них изделий доступными и высокопроизводительными методами обусловили, за последние десятилетия, неуклонный рост объема их производства.
Фенолформальдегидные смолы одни из первых синтетических полимеров, нашедших практическое применение. Особенностью смол является возможность для модификации их свойств за счет введения наполнителей. Леонардо Бакеландом предложена технология получения на основе фенолформальдегидных смол полимерных композиционных материалов и технология переработки таких материалов в изделия. Таким образом, уже 1907-1910 гг. был известен технологический маршрут от сырья до потребительских изделий.
…

1.1. Характеристика и основные области применения фенолформальдегидных смол
Фенолформальдегидные смолы представляют собой продукты реакции конденсации фенолов или его гомологов (крезолов, ксиленолов) с формальдегидом. Реакция конденсации протекает в присутствии катализаторов, которые могут быть как кислотного (НСl, H2SO4), так и щелочного типа (NH4OH, Ba(OH)2, NaOH). В зависимости от природы и соотношения компонентов, а также от применяемого катализатора фенолоформальдегидные смолы, как было указано выше, делят на два вида:
1) термореактивные или резольные;
2) термопластичные или новолачные смолы [1, с.176].
1.1.1 Новолачные фенолформальдегидные смолы
Новолачные смолы (новолаки) – это термопластичные олигомерные продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. Получают их в кислой среде в присутствии катализаторов – соляной, щавелевой кислот, реже серной, при избытке фенола (отношение фенола к формальдегиду в молях 6:5 или 7:6).
…

1.2. Характеристика сырья и материалов, применяемых в производстве резольных фенолформальдегидных смол
Фенол – кристаллическое бесцветное вещество с характерным запахом, плавится при 42,3 °С, кипит при 182 °С. На воздухе окисляется и принимает розовую, затем бурую окраску. Примеси значительно снижают температуру плавления фенола. Растворимость в воде около 8 %, при нагревании до 84 °С смешивается с водой в любых отношениях. Водные растворы щелочей легко растворяют фенол с образованием фенолятов. Фенол растворим в формалине, этаноле, диэтиловом эфире, глицерине, бензоле, скипидаре, жирных кислотах и их эфирах [4, с.151].
При вдыхании паров или проглатывании поражаются слизистые оболочки пищеварительного тракта, верхних дыхательных путей, глаз. При попадании на кожу образуется ожог фенолом. При глубоком проникновении вызывает некроз тканей. Оказывает выраженное токсическое действие на внутренние органы.
…

1.3. Физико-химические основы отдельных стадий технологического процесса
Реакция поликонденсации фенолов с формальдегидом приводит обычно к образованию резольных смол при pН>7, т.е. в присутствии щелочных катализаторов. Щелочные катализаторы определяют резольный характер смолы не только при избытке формальдегида, но также и при избытке фенола.
Важнейшие катализаторы резольной конденсации: гидроксид натрия, гидроксид бария, гидроксид аммония, иногда карбонат натрия, сульфит натрия и др. Гидрат окиси натрия представляет собой весьма энергичный катализатор и применяется, соответственно, в небольших концентрациях (≈0,1 %). Он обуславливает, по сравнению с другими катализаторами, большую растворимость, первичных продуктов поликонденсации в реакционной среде его используют в тех случаях, когда важно тормозить процесс коагуляции смолы во время конденсации и сушки. Он облегчает также условия получения обезвоженных (так называемых сухих) резольных смол.
…

1.4. Сравнительная характеристика промышленных способов производства фенолформальдегидных смол резольного типа
Производство резольных олигомеров осложняется возможностью протекания процессов отверждения при их получении. На практике резольные олигомеры получают периодическим и непрерывным способами. Методы получения резольных олигомеров разных, марок примерно одинаковы и различаются только составом исходных компонентов и режимом поликонденсации [3, с.56].
При получении резольных смол важно не превышать температуру и строго выдерживать время. При несоблюдении температурно-временного режима, возможно, начало гелеобразования смолы в реакторе. Чтобы избежать гелеобразования высушенной смолы проводят ее быстрое охлаждение сразу после слива из реактора. Для этого ее сливают в вагоны-холодильники, представляющие собой тележки с вертикальными полыми металлическими плитами. Смолу сливают таким образом, чтобы в полостях соседних плит находилась охлаждающая вода [4, с.158].
…

2.1. Характеристика смолы марки СФЖ-3014
Смола СФЖ-3014 – водорастворимая фенолформальдегидная смола горячего отверждения с содержанием сухого остатка (46-52)% и минимальным содержанием свободных продуктов (не более 0,1%), предназначена для изготовления фанеры повышенной водостойкости марки ФСФ, фанерных плит, древесно-волокнистых плит сухим способом и древесностружечных плит. Клееная продукция на ее основе разрешена для применения в жилищном и гражданском строительстве [11, с.51].
По физико-механическим показателям жидкие фенолформальдегидные смолы марок СФЖ-3014 выпускаются по ГОСТ 20907-16 и должна соответствовать нормам, указанным в таблице 2.1 [12].
Таблица 2.
…

1.2. Характеристика сырья и материалов, применяемых в производстве резольных фенолформальдегидных смол
Фенол – кристаллическое бесцветное вещество с характерным запахом, плавится при 42,3 °С, кипит при 182 °С. На воздухе окисляется и принимает розовую, затем бурую окраску. Примеси значительно снижают температуру плавления фенола. Растворимость в воде около 8 %, при нагревании до 84 °С смешивается с водой в любых отношениях. Водные растворы щелочей легко растворяют фенол с образованием фенолятов. Фенол растворим в формалине, этаноле, диэтиловом эфире, глицерине, бензоле, скипидаре, жирных кислотах и их эфирах [4, с.151].
При вдыхании паров или проглатывании поражаются слизистые оболочки пищеварительного тракта, верхних дыхательных путей, глаз. При попадании на кожу образуется ожог фенолом. При глубоком проникновении вызывает некроз тканей. Оказывает выраженное токсическое действие на внутренние органы.
…

2.4. Описание технологического процесса производства смолы марки СФЖ-3014
Производство резольной фенолформальдегидной смолы марки СФЖ-3014 осуществляется периодическим процессом.
ВР.1.1 Проверка и подготовка к работе оборудования
Все оборудование периодически визуально проверяют на целостность покрытия аппарата, запорной арматуры, отсутствие реакционной массы. Герметичность аппаратов проверяют созданием давления 2 атм внутри реактора, закрывают подачу сжатого воздуха. При выдержке 10 мин давление не должно уменьшиться. На холостом ходу проверяют работу мешалок, поступление пара в рубашки. Контролируют приборы КИПиА, пульт управления.
ВР.1.2 Хранение и подготовка сырья
Фенол поступает в расплавленном виде по трубопроводу в хранилище Хр1 со склада хранения химического сырья. Из хранилища Хр1 насосом Н4 фенол закачивается в весовой мерник М7. Температура фенола должна быть (50-80) °С.
…

2.5. Основные технологические параметры и контроль производства
Таблица 2.5
Контрольные точки производства
№ п/п
№ стадии
Объект контроля
Средство контроля
Контролируемый параметр
Регламентированный норматив

1
2
3
4
5
6

КТ-1
ВР.1.2
Хранилище фенола
Термометр сопротивления в комплекте с измерителем регулятором ТРМ 138Р. Шкала 0-100%
Температура
50-80 °С

Буковый уровнемер. Преобразователь типа Р-РР-IР с пневмоэлектрическим преобразователем и выходом на вторичный прибор.
Уровень
0-80 %

Гидростатический зонд глубины с сигнализацией световой и звуковой по превышению уровня в емкости
Сигнализация верхнего уровня
Не более 80%

КТ-2
ВР.1.2
Хранилище формалина
Термометр сопротивления в комплекте с измерителем регулятором ТРМ 138Р. Шкала 0-100%
Температура
50-80 °С

Измеритель уровня – гидростатический зонд с выходом на вторичный прибор ТРМ – 138. Диапазон измерения от 0 до 6 м. Погрешность комплекта ±0,5%.
Уровень
0-80 %

Методика испытания по ГОСТ 1625-89.
…

3.1. Исходные данные
3.1.1 Масштаб расчета – 1000 кг (1т) технической фенолоформальдегидной смолы марки СФЖ-3014.
3.1.2 Состав товарного продукта (СФЖ-3014):
100%-ной ФФС – 46 %
Воды – 46,2
Свободного формальдегида – 0,1 %
Свободного фенола – 0,1 %
Примеси – 7,6
Рецептура загрузки компонентов для производства смолы марки СФЖ-3014 определяется из расчета на 100 массовых частей фенола. Рецептура загрузки компонентов СФЖ-3014 представлена в таблице 3.1 [9].
Таблица 3.1.
Рецептура загрузки компонентов для производства СФЖ-3014
№
п/п
Наименования сырья
Массовые части
1
Фенол 100%
100
2
Формалин
80
3
Вода
202
4
Едкий натр
34,3
Итого:
416,3
Определение процентного содержания загрузки компонентов по формуле (3.1):
ωк = mn ∙ω товарного продукта (СФЖ-3014) / m, (3.1)
где ωк– содержание загружаемых компонентов, %;
mn– количество массовых частей загружаемых компонентов (по табл.3.
…

3.2. Расчет материального баланса по стадиям и узлам
Узел 1. Поликонденсация
ЗАГРУЖЕНО. Из приведенного выше расчета загрузки исходного сырья следует:
1. Фенола технического:GФ.техн. = 244,30 кг
в том числе:
Фенола 100%-ного:
GФ = 243,33 кг
воды:
G1воды = 0,98 кг
2. Рассчитаю формальдегид 100% по формуле (3.7):
G Фор.100% = G Ф100%∙g Фор, (3.7)
где GФор.100%– масса формальдегида 100%, кг
G Ф100%– масса фенола 100%, кг
g Фор – удельная загрузка формальдегида, кг/кг
GФор.100%= 243,33 ∙ 0,8 = 194,66 кг
Масса технического формалина по формуле (3.8):
Gтехн.Фор = G Фор100%/Фор, (3.8)
где Gтехн.Фор– масса технического формалина, кг;
G Фор100%– масса формальдегида 100%, кг;
Фор – содержание основного вещества (формальдегид) в формалине 37% техническом.
Gтехн.Фор= 194,66/0,37 = 526,12 кг
Расчет примесей в загруженном формалине по формуле (3.9):
G прим= Gтехн.Фор ∙прим, (3.9)
где Gтехн.
…

4.1. Исходные данные для расчетов
4.1.1 Технологический расчет аппаратов периодического действия (РПД).
Полный объем реактора РПД может быть рассчитан по формуле (4.1):
Va = Gгод∙V1т∙ (1+z)∙ / N∙ 24∙ ∙ n, (4.1)
где Vа – расчетный объем аппарата, м3;
Gгод – годовой выпуск продукции т;
N – количество рабочих суток в году;
V1т – объем реакционной смеси, перерабатываемой на данной стадии производства для получения 1т товарного продукта, м3/т, V1т = G1т/;
z – запас производительности (в долях единицы), учитывающий внеплановые простои реактора; обычно z = 0,05 – 0,2;
– период процесса, час;
– коэффициент заполнения реактора, доли единицы;
n –число аппаратов, устанавливаемых на данной стадии технологического процесса.
Исходные данные для расчета РПД:
1. Годовой выпуск фенолформальдегидной резольной смолы марки СФЖ-3014 – 48000 тонн. Gгод= 48 тыс.т.
2.
…

4.2 Расчет и подбор вспомогательного оборудования
4.2.1 Расчет мерников
Для расчета полного объема Vмер мерника воспользуюсь формулой (4.3):
(4.3)
где Gопер – масса операционной загрузки i-го вида сырья в реактор, кг/опер;
i – плотность i-го вида сырья, кг/м3;
мерн – коэффициент заполнения мерника для i-го вида сырья, доли единицы (= 0,9).
Расчет мерника фенола:
ф =1050 кг/м3
Gопер= 9600 кг (из табл. № 2.3, с расчетом на три реактора).

Выбираю по ГОСТ 13372-78 стандартный стальной эмалированный мерник с объемом 12,5 м3 [14].
2. Расчет мерника формалина:
фор=1110 кг/м3
Gопер= 20760 кг (из табл. № 2.3, с расчетом на три реактора)

Выбираю по ГОСТ 13372-78 стандартный стальной эмалированный мерник с объемом 25,00 м3 [14].
3. Расчет мерника раствора едкого натра:
NaOH=1450 кг/м3
Gопер= 7620 кг (из табл. № 2.
…

4.3. Ведомость спецификации
Таблица 4.1
№ п/п
Наименование оборудования
Кол-во единиц
Материал рабочей зоны, способ защиты
Технологическая характеристика
1
2
3
4
5
1
Хранилище фенола (Хр1)
1
Сталь
12Х18Н10Т
ГОСТ 9931-85. Обозначение: ВЭЭ 1-2-32-0,6. Вместимость – 32,0 м3. Вертикальный цельносварной аппарат с эллиптическим днищем и трубным пучком, с постоянным подогревом. Предназначен для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред при условном давлении в аппарате 0,6 МПа.
2
Хранилище формалина (Хр2)
1
Сталь
12Х18Н10Т
ГОСТ 9931-85. Обозначение: ВЭЭ 1-1-63-0,6. Вместимость – 63,0 м3. Вертикальный цельносварной аппарат с эллиптическим днищем. Предназначен для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред при условном давлении в аппарате 0,6 МПа.
3
Хранилище едкого натра (Хр3)
1
Сталь
12Х18Н10Т
ГОСТ 9931-85. Обозначение ВЭЭ 1-1-20-0,6. Вместимость – 20 м3. Вертикальный цельносварной аппарат с эллиптическим днищем.
…

5. Безопасность жизнедеятельности
5.1. Введение
Наука о безопасности труда и жизнедеятельности человека развивается в связи с совершенствованием научно-технического прогресса. Главная роль науки о безопасности труда – это возможность исполнения людьми своих трудовых обязанностей без вреда для здоровья и жизни.
Итак, безопасность жизнедеятельности – это область знаний, в которой изучаются опасности и нежелательные последствия (ущерб здоровью человека или его смерть, пожары, аварии и т.д.) их воздействия на человека и объекты среды обитания, закономерности их проявления и способы защиты от них [15].
Безопасность – это состояние защищенности, исключение причинения вреда здоровью человека. Безопасность жизнедеятельности – «инструмент», который помогает достигнуть безопасности при выполнении трудовых обязанностей.
…