产3000吨腐植酸改性脲醛树脂工厂设计

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1、5安徽建筑工业学院大作业题 目：年产30000吨腐植酸改性脲醛树脂 学 院：材料与化学工程学院 专 业：08化学工程与工艺 姓 名：李小磊 学 号：08206040213 指导教师：章祥林 完成日期：2011年4月10号目 录摘 要1第一章 绪论21.1 厂址及气象条件21.2 工厂设计可行性分析21.2.1 设计任务和依据21.2.2 脲醛树脂的应用及发展概况21.2.3 具体生产产品的确定21.2.4 本课题预解决的主要问题3第二章 产品与原料的性质与规格42.1 改性脲醛树脂的质量标准和规格42.2生产脲醛树脂的原料的特性与规格4第三章 合成工艺设计和分析63.1 游离甲醛的来源63.2

2、 降低游离甲醛含量的途径63.3 改性脲醛(MUF)树脂的合成73.4 合成过程中原料对反应结果的影响83.4.1 甲醛与尿素摩尔比的影响：83.4.2三聚氰胺用量的影响93.5不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果103.5.1加成反应阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响113.5.2缩聚反应阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响123.6 改性脲醛树脂合成工艺路线13主要反应133.7 合成脲醛树脂树脂工艺143.7.1 反应阶段143.7.2 脱水阶段143.7.3 后处理阶段143.7.4 生产工艺流程叙述15第四章 工艺计算164.1 原始数据及所需技术资料164.2 物料衡算16

3、4.2.1对反映釜进行物料衡算：174.2.2对蒸发器做物料衡算：174.2.3对整个系统做物料平衡计算18第五章 设备工艺计算及其选型195.1 搅拌反应釜的设计195.1.1 物料衡算：195.1.2热量衡算：205.1.3 材料选择235.1.4釜体的设计计算235.1.5 封头的设计选型245.1.6 封头与釜体的连接形式245.1.7 支座形式245.1.8 反应釜的液位245.19 搅拌装置的设计255.1.10 传热装置设计255.1.11 反应器上的接管及尺寸265.2 蒸发器27对蒸发器做物料衡算：275.3 泵的选择275.3.1输送甲醛的泵275.3.2 输送成品泵275

4、.4 换热器选型285.5 储罐的设计285.5.1 储罐285.5.2 高位计量槽285.6旋风分离器选型28第六章 工厂布置296.1工厂布置的基本任务296.1.1工厂布置原则296.1.2 厂区布置总图说明316.2车间布置316.2.1车间布置基本原则和要求：316.2.2车间布置图说明32第七章 公用工程337.1 通风337.2 采暖337.3 照明33第八章设备一览表34第九章 设计小结359.1小结35第十章 参 考 文 献36年产30000吨腐植酸改性尿醛树脂工艺设计摘 要：树脂是一种用途十分广泛的有机化工产品。本设计产品是腐植酸改性脲醛树脂，合成反应主要由加成反应和缩聚反

5、应两部分组成。腐植酸是自然界中广泛存在的大分子有机物质，广泛应用于农林牧、石油、化工、建材、医药卫生、环保等各个领域。由于脲醛树脂胶的原料是尿素和甲醛，原料来源丰富，且生产工艺简单、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色以及使用方便等优点，很快成为我国人造板生产的主要粘合剂，目前约占木材工业用量的80%以上，但随着应用领域和用量的增加。脲醛树脂胶制品中散发出来的游离甲醛污染环境，特别是用该板材制成家具和进行家庭装潢后会释放出残留甲醛和挥发性有机物（VOC），对人体皮肤、呼吸道和眼睛粘膜有刺激作用，因而造成对人体的危害。本工艺专门针对如何降低散发游离的甲醛和改性脲醛树脂做了合理设计。脲醛树

6、脂是应用最为广泛的氨基树脂，两个反应是先加成后缩聚，但又没有明显的界限，受反应条件影响只是在弱碱性条件下加成反应占优势，在弱酸性介质中缩聚反应进行的较顺利。本设计是年产30000吨脲醛树脂工厂设计，主要进行了工艺计算、设备选型，并绘制了工艺流程图、物料流程图。关键词：腐植酸，改性脲醛树脂，三聚氰胺，尿素397第一章 绪论1.1 厂址及气象条件1. 厂区位置：合肥南郊2. 地势：厂区地势平整3. 常年主导风向：东北风， 平均风力二级4. 气温：最高气温 40 最低气温 75. 冻土深度：10cm6. 地下水位：25m7. 运输条件：公路，铁路1.2 工厂设计可行性分析1.2.1 设计任务根据调查

7、世界脲醛树脂生产能力为684.7万吨/年，需求量的增加速度大约为每年3.6%；我国脲醛树脂产量为5.43万吨/年，而我国还有很大的市场需求空间，根据设计地点进行考察合肥地区需求量，尤其是合肥建材市场，所需的水浸渍法制木屑板的含80%的脲醛树脂水溶液，老的生产工艺不能完全满足现代化生产的需求，所以要对氨基树脂生产进行全新的设计。本设计的主要任务就是完成30000吨脲醛树脂工厂的初步设计。1.2.2 脲醛树脂的应用及发展概况脲醛树脂是由B.tollens于1884 年首次合成，1929年德国I.G染料公司获得第一个脲醛树脂胶粘剂的专利，其后在人造板工业中得到了迅速的发展。我国1957 年开始工业化

8、生产，由于UF 树脂胶的原料是尿素和甲醛，原料来源丰富，且生产工艺简单、成本低、胶接性耐水性好、固化速度快、胶层无色以及使用方便等优点，很快成为我国人造板生产的主要粘合剂，目前约占木材工业用量的80%以上。但随着应用领域和用量的增加，UF树脂胶制品中散发出来的游离甲醛污染环境，特别是用该板材制成家具和进行家庭装潢后会释放出残留甲醛和挥发性有机物（VOC），对人体皮肤、呼吸道和眼睛粘膜有刺激作用，因而造成对人体的危害。随着人们对室内环境要求的提高,脲醛树脂甲醛释放量越来越受到关注,低毒脲醛树脂和无醛系列(如异氰酸酯)胶粘剂的研究成为热点。寻求环境友好生产技术和“绿色人造板”产品是具有战略意义的重

9、要课题，各国对此都十分重视。20世纪80 年代以来，国内外科技工作者对如何降低脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量的研究作了许多工作。据报道，国内已将脲醛树脂粘合剂中游离甲醛含量降至0.10%左右。1.2.3 具体生产产品的确定考虑人造板胶粘剂中甲醛释放量的高低直接关系到人民的生活水平和健康状况的好坏，为了降低甲醛释量，改变脲醛树脂特性采用的工艺是用三聚氰胺改性以及新的技术生产的脲醛氨基脂。1.2.4 本课题预解决的主要问题脲醛树脂。英文缩写UF。耐弱酸、弱碱，绝缘性能好，耐磨性极佳，价格便宜，但遇强酸、强碱易分解，耐水性和电性能较差，耐热性也不高，所以要解决的是降低甲醛释放量，改变脲醛树脂特性。本设

10、计将通过合适的工艺，使生产出来产品的甲醛释放量能够达到国家甚至国际胶粘剂的质量标准，并使脲醛树脂缺点得以改善，以提高人民的生活水平健康状况！39第二章 产品与原料的性质与规格2.1 改性脲醛树脂的质量标准和规格pH值 7.58.0游离甲醛% 2，确保二羟基脲的生成；第二批尿素加入后U/F=1.8-1.9，使加入的甲醛尽量反应充分，降低游离甲醛的含量；第三批尿素的加入，使产品的游离甲醛进一步降低。通过上述方法使产品中游离甲醛的含量低于1%。同时应控制合适的介质LB 值、反应温度和反应时间以使反应达到最佳效果。（2） 加入复合改性剂通常UF 树脂的F/U 物质的量比降低时，会同时带来以下一些问题：

11、树脂胶粘性能下降、树脂的储存期缩短、树脂的水溶性降低、树脂的初粘性下降等。为了解决这些问题，在树脂合成时要添加各种改性剂。据报道，复合改性剂有PQ 复合添加剂、聚乙烯醇（PVC）和木质素磺酸盐类等。改性剂加入后与在缩聚阶段产生的羟甲基碳正离子进行缩醛化反应，其作用是控制树脂的胶联度，不断与反应过程中游离出的甲醛进行反应。（3） 对体系微观过程和体系的动力学研究应用脲醛树脂胶体理论，从主要影响因素入手，通过大量实验，研制低游离甲醛含量的脲醛树脂。实践证明，为改善树脂的微观结构，适当降低缩聚阶段的PH 值，有利于加快缩聚反应速度和减少反应体系的羟甲基的相对含量，从而减少了在微观结构上形成二甲基醚或

12、醚结构的几率。国内也有对反应釜内流体动力学研究的报道。搅拌过程是一产生流体复杂动力学的过程，其中很可能存在着非线性浑浊现象。搅拌的关键作用是尽可能使反应釜内的流体流动处于完全混合的状态，这样充分搅拌就能减少反应器内温度和浓度梯度，这与胶的合成缩聚过程的条件相匹配，所以充分搅拌是必要的。制胶过程涉及到复杂的工艺和设备的优化问题，如在工业生产中，往往应用了很成功的小试成果，但总达不到小试的效果，这在很大程度上是由于工业设备放大过程中，只注意了机理过程的相似性，而没有充分考虑达到相同机理所应具备的条件和环境应该相同或相似。人们又往往忽略掉最重要的一条：动力学特征的相似性，即设备放大前后，其动力学特征

13、应尽可能的保持不变。当前，在这方面的工作正在进行着。3.3 改性脲醛(MUF)树脂的合成在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 27. 8,加入第一批尿素,升温至90 反应30 min,调pH值至5. 45. 6,反应至所需粘度。加入第二批甲醛和三聚氰胺,调pH值至8. 08. 5,反应20min。调pH值至6. 56. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。再将pH值调至7. 58. 0,加入第三批尿素,反应0. 5 h，冷却出料。3.4 合成过程中原料对反应结果的影响3.4.1 甲醛与尿素摩尔比的影响：由于F /U是对MUF树脂性能影响最大的因素,因此首先比较了三聚氰胺用量为3 %时(以

14、尿素总量计)不同摩尔比对MUF树脂最终性能的影响,实验结果见3-1表3-1甲醛与尿素摩尔比对MUF树脂性能的影可以看出,总体上随着最终摩尔比r5 的降低,游离甲醛、甲醛释放量、胶合强度都在降低。当摩尔比降至一定程度后,脲醛树脂中就存在了相当数量的游离尿素,可以吸收树脂中的游离甲醛(树脂热固化释放出的甲醛以及树脂固化后水解时放出的甲醛) ,从而达到低甲醛释放的目的。但这些尿素同样会与活泼的羟甲基脲反应,降低了脲醛树脂的交联程度,也就削弱了板材的胶合强度,因此摩尔比不宜过低。若将第二批尿素在反应末期一次性加入,在弱碱性条件下,尿素与未反应甲醛发生加成反应,生成羟甲基脲,树脂的游离甲醛量降低了,而羟

15、甲基脲在受热及水解时会放出甲醛,这可以解释树脂1相对较低的游离甲醛和高甲醛释放量。将树脂2与3对比可知,在酸性阶段投放尿素量相同的情况下,较早投放尿素的树脂缩合程度较深,亚甲基桥键的含量相对较多,羟甲基和亚甲基醚键的含量相对较少,也就具有较低的甲醛释放量。具体反应见图3-1。图3-1羟甲基脲的缩合反应另外,从树脂4与6、5与7的对比中可看出,酸性阶段的摩尔比超过某一特定值后,甲醛释放量会急剧上升,甚至超过最终摩尔比的影响。但酸性阶段的摩尔比也不可降得过低,否则会导致缩合反应速度加快而不易控制 6 。综合考虑以上各方面因素,采用图3-2的工艺可实现制备E1级脲醛树脂的目的图3-2制备E1级脲醛树

16、脂时温度、pH值和摩尔比随时间的变化温度temp; pH值pH value; F /U3.4.2三聚氰胺用量的影响三聚氰胺的用量对树脂的性能影响很大。表3-2中列出了采用相同工艺时,三聚氰胺的不同用量与改性脲醛树脂性能之间的关系。表3-2中的树脂都是采用相同的摩尔比和弱碱弱酸弱碱制胶工艺,但随着三聚氰胺用量的增加,甲醛释放量不断降低,胶合强度则先增加后下降。这是由于三聚氰胺与甲醛的加成反应可以形成一系列从二羟甲基三聚氰胺到六羟甲基三聚氰胺的混合物,不同的羟甲基三聚氰胺之间互相发生缩合反应,生成亚甲基桥键和亚甲基醚键,并保留了一部分尚未反应的羟甲基基团,具体过程可见图3-3。而正是相当数量亚甲基

17、醚键的存在才使得MUF树脂在热固化时很少放出甲醛,而脲醛树脂在同样条件下却会产生大量的甲醛气体。随着三聚氰胺用量的增加,三聚氰胺与甲醛的缩合产物中的亚甲基醚键含量也在增加,降低了树脂在热固化及水解时放出的甲醛量。同时由于引入了多官能度的三聚氰胺分子,提高了树脂的交联程度,也就加强了板材的胶合性能。另一方面,随着三聚氰胺羟甲基化的进行,其N原子的亲核性不断增强,反应活性也不断加强,而尿素的情况则恰恰相反,这就使得三聚氰胺的加入降低了树脂的固化速度,导致在同样的热压条件下由于固化不完全而使板材的胶合强度不断下降。因此,三聚氰胺的用量也不可过高。表3-2中的后4份树脂甲醛释放量都达到了E1级的要求,

18、但树脂10与11的胶合强度却低于类板标准要求的0. 7MPa。表3-2三聚氰胺用量对树脂性能的影响图3-3三聚氰胺与甲醛的羟甲基化反应及其产物的缩合反应3.5不同工艺条件下改性脲醛树脂的合成结果表3-3不同工艺参数条件下改性脲醛树脂的合成及其性能指标测定结果。表3-4不同反应条件对改性脲醛氨基树脂的影响3.5.1加成反应阶段各工艺参数变化对改性脲醛树脂的影响（1）pH对改性脲醛树脂的影响脲醛树脂的形成机理表明,加成产物除受尿素与甲醛摩尔比的影响外,还受反应介质pH的影响.反应介质的pH为7.5以上时,很少发生缩聚反应,但加成反应在此附近开始,且反应速度随pH的升高而加快,当pH达到1113 时

19、,一羟甲脲与二羟甲脲的形成极慢,这样就会导致羟甲基化不完全,游离甲醛含量升高,树脂的其他性能下降。因此加成反应阶段的pH选择8.0 ,9.0和10.0 ,其他工艺条件不变,其实验结果见表3-4。由表3-4知,pH变化对改性脲醛树脂的黏度变化影响不大;固化时间随pH的降低而降低,并且当pH从10降到9时,固化时间的变化较大。游离甲醛含量随pH的降低而升高,羟甲基含量、储存期随pH的降低而升高。胶合强度及甲醛释放量随pH的降低而降低,预压性能随pH的降低而越来越好。因此加成反应阶段降低pH有利于提高改性脲醛树脂的各项性能（2）反应温度对改性脲醛树脂的影响在其他工艺条件相同时,加成反应温度较高有利于

20、羟甲基化的完全反应。由表3-4 可知,反应温度在80时改性脲醛树脂的黏度增加较快,表明低温条件下进行加成反应对提高黏度有利。反应温度越低,改性脲醛树脂的固化速度越快,树脂中的游离甲醛和羟甲基含量随反应温度的降低而升高,改性脲醛树脂的储存期随反应温度的降低而缩短。加成反应温度对胶合强度的影响较小,预压性能随加成反应温度的下降而下降,甲醛释放量随加成反应温度的降低而略有升高(在此次实验范围内)。综合而言,升高加成反应温度有利于提高改性脲醛树脂的综合性能（3）反应时间改性脲醛树脂的影响在其他工艺条件不变时,反应时间对改性脲醛树脂各项性能的影响不具有明显的规律性(表3-4) 。相比较而言,适中的反应时

21、间对改性脲醛树脂的合成有利。3.5.2缩聚反应阶段各工艺参数的变化对改性脲醛树脂的影响（1）pH改性脲醛树脂的影响缩聚反应阶段的pH 控制被认为是脲醛树脂合成的关键因素。在酸性条件下,一羟甲脲和二羟甲脲与尿素及甲醛进行缩聚反应,主要生成亚甲基键和少量醚键连接的低分子化合物,在pH较低的情况下,缩聚反应速度快,易生成不含羟甲基的聚次甲基脲不溶性沉淀,树脂的水溶性降低,游离甲醛含量增加,适用期缩短,缩聚反应不易控制。这些不利因素在改性脲醛树脂的合成中同样存在。由表3-4 可知,pH对固化时间、游离甲醛含量和羟甲基含量的影响无明显规律性。这可能是pH相对较高造成的(普通脲醛树脂缩聚反应的pH在4.5

22、左右)。而粘度在pH为5.2 时有较大的增长。pH对储存期的影响相当显著,pH较高有利于储存期的延长;胶合强度随pH的降低而增大;预压性能在缩聚反应的整个pH范围内均较理想。pH对甲醛释放量的影响相当显著,随着pH的降低甲醛释放量明显下降。12号实验的结果可以解释为:较低的pH增加了反应速度及激烈程度,在缩聚过程中小分子生成较多,这是导致黏度、游离甲醛含量和羟甲基含量上升的原因;以N H4 Cl 为固化剂时胶液体系中需含有一定量的游离甲醛才能使胶液固化,而12号实验结果中游离甲醛含量相对较高,从而导致胶合强度上升,甲醛释放量下降。（2）反应温度改性脲醛树脂的影响较高或较低的反应温度,对黏度的影

23、响都较大(表3-4);改性脲醛树脂的固化时间随缩聚温度的降低而缩短;改性脲醛树脂的游离甲醛随反应温度的降低有降低的趋势;改性脲醛树脂的羟甲基含量随反应温度的降低而增加;高温或低温反应不利于储存期的延长和胶合强度的提高;反应温度越低则胶合板预压性能越差;另外,高温反应有利于降低甲醛释放量。（3）初摩尔比改性脲醛树脂的影响初摩尔比为2.71.9时,黏度随初摩尔比的降低而增大,固化时间随初摩尔比的降低而缩短,游离甲醛含量在高初摩尔比时较低,羟甲基含量随初摩尔比的降低而降低;储存期受初摩尔比的影响极为明显,初摩尔比越高则储存期越长;胶合强度在初摩尔比为2.3时最好,预压性能与初摩尔比的关系不能确定。甲

24、醛释放量有随初摩尔比降低而升高的趋势。初摩尔比为115时,对粘度的影响最大,羟甲基含量、胶合强度也明显增大,甲醛释放量已经超出E1 级的水平.3.6 改性脲醛树脂合成工艺路线 脲醛树脂合成采用弱碱弱酸弱碱工艺。主要反应：(1) 加成反应(羟甲基化)：甲醛与尿素首先生成一羟甲基脲和二羟甲基脲。(2) 缩聚反应因为缩聚反应是逐步形成的,在脱水过程中, 相邻羟甲基脲分子之间通过亚甲基键或二亚甲基醚键相连形成聚合物, 所以工业生产脲醛树脂时, 可以根据缩聚反应的深入程度来控制产物的相对分子质量。其水溶液随相对分子质量的高低表现为低黏度、高黏度、透明和浑浊的浆液。工业生产的脲醛树脂相对分子质量为数百至数

25、千。（3）三聚氰胺的羟甲基化反应 （4）三聚氰胺的缩聚反应3.7 合成脲醛树脂树脂工艺脲醛树脂的生产分三个阶段，每个阶段具体工艺如下：合成工艺 反应阶段 脱水阶段 后处理阶段 原料分批加入 加成反映 缩聚反应 蒸发 过滤3.7.1 反应阶段（1）加成反应阶段 加成反应阶段,pH的降低对改性脲醛树脂各项性能的提高是有利的;升高加成反应温度对改性脲醛树脂综合性能的提高有较好的影响;选择适中的加成反应时间有利于提高改性脲醛树脂的综合性能;（2） 缩聚反应阶段 缩聚反应阶段,pH的降低除不利于储存期的延长外,对改性脲醛树脂其他性能的提高均有较好的影响;缩聚温度不宜过高或过低,否则不利于改性脲醛树脂综合

26、性能的提高;此外，初摩尔比的变化能明显地影响储存期,初摩尔比越高储存期越长;甲醛释放量有随初摩尔比降低而呈升高的趋势。3.7.2 脱水阶段将反应釜中的溶液送到蒸发器中脱水，使产品的固含量达到质量标准。3.7.3 后处理阶段成品必须过滤除去树脂中的杂质，如未反应的三聚氰胺，未醚化的羟基三聚氰胺低聚物，残余的催化剂等。助滤剂可采用硅藻土、碳酸镁等物质，过滤温度以6070为宜。 3.7.4 生产工艺流程叙述（1） 在反应釜中加入第一批甲醛,将pH值调至7. 27. 8 共30min（2） 加入第一批尿素,升温至90 反应30 min,调pH值至5. 45. 6,反应至所需粘度- 共1h（3） 加入第

27、二批甲醛和三聚氰胺，调pH值至8. 08. 5,反应20min。 共1h（4） 调pH值至6. 56. 9,加入第二批尿素,反应至所需粘度。 共30min（5） 再将pH值调至7. 58.0,加入第三批尿素，反应0. 5 h。 共1h （6） 将溶液送到蒸发器中蒸发部分水分 共30min（7） 冷却送到产品储罐 共30min 第四章 工艺计算4.1 原始数据及所需技术资料（1） 生产规模 30000t/年（2） 生产时间 年开工时间8000h（3） 生产方式 间歇式生产（4） 生产量 每天四批 本设计是年产30000吨的改性脲醛树脂工厂其产品是80%的尿醛树脂树脂水溶液，纯脲醛树脂溶质为300

28、00吨（5） 损失率 2.3%（6） 计算顺序 由于产物与原料间计量关系比较简单，且整个工艺过程也较简单，容易得到原料间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。（7） 化学变化参数尿素 甲醛 三聚氰胺 聚合物结构单元分子量 60 30 126 102.52 在计算聚合物结构元的分子量时，三聚氰胺占尿素的3% 则其占原料的百分比为600.03/60+301.1+126=0.8%其中1.1为甲醛与尿素的最终摩尔比。单体CH2-NH-C=O-NHCH2O-n分子量为102 三聚氰胺聚合物分子量为168 所以聚合物结构单元的分子量为10299.2%+1680.8%=102.524.2 物料衡算 衡算公式

29、：进料量=出料量+损失量 由于产量较小，计算基准定为千克/天 （Kg/h） 日产量Wd=30001000/（80000.977)=3838.280Kg/h 主要原料投料量 尿素结构在聚合物结构单元中占58/102.52 = 57% 所以，尿素投料量=3838.28057%=2187.820Kg/h 三聚氰胺投料量=2187.8203%=65.635Kg/h 甲醛投料量=2187.820/601.130= 1203.301Kg/h 工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=1203.301/30%=4011Kg/h4.2.1对反映釜进行物料衡算： 在反应过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系

30、的pH值，其本身并不参加反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。进料量 = 工业甲醛+三聚氰胺+尿素 = 4011+65.635+2187.820 =6264.455Kg/h根据化学计量式有三聚氰胺反应完全所消耗的甲醛量=65.63560/126=31.255Kg/h和尿素反应的甲醛量=1203.30131.255=1172.046Kg/h三聚氰胺反应后生成的聚合物量=65.635168/126=87.513Kg/h三聚氰胺反应生成的水=65.63518/126=9.376Kg/h反应的尿素量=1172.04660/60=1172.046Kg/

31、h甲醛，尿素反应生成的聚合物量=1172.046102/60=1992.478 Kg/h甲醛，尿素反应生成的水量=1172.04618/60=351.614 Kg/h 未反应的尿素=2187.8201172.046=1015.774Kg/h 系统中的水=9.376+351.614+401170% =3168.690Kg/h出料量=聚合混合物+水+未反应的物料量 =87.513+1992.478+3168.690+1015.774=6264.455Kg/h进料量=6264.455Kg/h=出料量=6264.455Kg/h 所以反映釜物料平衡 4.2.2对蒸发器做物料衡算：进料量=6164.455

32、Kg/h 蒸发出的水=6264.4553838.280/0.8=1466.605Kg/h产品=6164.455-1466.605=4797.850出料量= 产品+蒸发出的水 =4797.850+1466.605 =6764.455Kg/h 进料量=出料量 所以蒸发器物料平衡 4.2.3对整个系统做物料平衡计算进料量=4011+65.635+2187.820 =6264.455Kg/h出料量=4797.850+1466.605 =6264.455Kg/h 总物料平衡， 所以整个系统物料平衡。 物料名称数据（ Kg/h ）纯净甲醛1203.301工业甲醛4011纯三聚氰胺65.635尿素2187.

33、820系统中水3168.690产品4797.850 物料平衡表第五章 设备工艺计算及其选型5.1 搅拌反应釜的设计一天四釜，先对反应釜做物料和热量衡算5.1.1 物料衡算：衡算公式：进料量=出料量+损失量产量W= 300001000/（80000.977）=3838.280Kg/h一天四釜所以一釜物料为=3838.2806=23029.680Kg主要原料投料量 尿素结构在聚合物结构单元中占58/102.52=57%所以，尿素投料量=23029.68057%=13126.918Kg三聚氰胺投料量=13126.9183%=393.810Kg甲醛投料量=13126.918/601.130=7219.

34、805Kg工业甲醛为30%甲醛溶液，所以甲醛溶液投料量=7219.805/30%=24066.017Kg对反映釜进行物料衡算： 在反应过程中，甲酸和NaOH只是调节反映体系的pH值，其本身并不参加反应，所以进料和出料平衡，在衡算过程中可以省去。则此时的进料就为工业甲醛，三聚氰胺和尿素。进料量=工业甲醛+三聚氰胺+尿素 =24066.017+393.810+13126.918 =37586.745Kg根据化学计量式有三聚氰胺反应完全所消耗的甲醛量=393.81060/126=187.529Kg和尿素反应的甲醛量=7219.805187.529=7032.276Kg三聚氰胺反应后生成的聚合物量=3

35、93.810168/126=525.080Kg三聚氰胺反应生成的水=393.81018/126=56.259Kg反应的尿素量=7032.27660/60=6032.276Kg甲醛，尿素反应生成的聚合物量=7032.276102/60=11954.869Kg甲醛，尿素反应生成的水量=7032.27618/60=2106.683Kg未反应的尿素=13126.918-7032.276=6094.642Kg系统中的水=56.259+2109.683+24066.01770% =19012.154Kg/d出料量=聚合混合物+水+未反应的物料量 =525.080+11954.869+19012.154+6

36、094.642 =37586.745Kg进料量 =37586.745Kg=出料量=37586.745Kg 所以反映釜物料平衡 5.1.2热量衡算：(1)计算依据及基准间歇式生产热量衡算基本方程式Q物料带入+Q热负荷=Q物料带出+Q热损失 化学热量衡算一般方程式 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6其中： Q1 所处理的物料带入设备的热量；Q2 换热剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“”）；Q3 化学反应热（符号规定过程放热为“+”，过程吸热为“”）；Q4 离开设备物料带走的热量；Q5 设备消耗热量；Q6 设备向周围散失的热量，又称热损失。(2) 热量衡算由

37、于各股物料都是在常温下加入，所以 Q1=0反应热的计算：Q3其中用到化学键键能：N-H:389 KJ/mol C=O:728 KJ/mol C-O:26 KJ/molC-N:305 KJ/mol O-H:464KJ/mol 此反应断裂：N-HC=O中的C-O合成C-NO-H断键需要的能量1mol389KJ/mol2+2mol(728-326)=1582KJ 合成键释放的能量1mol2305+1mol2464=1538KJH=1538-1582=-44KJ/mol Q=7032.276/60(-44)=-5150.402KJ此反应断裂：N-H C-O 合成 C-N 断键需要的能量1mol389K

38、J/mol+1mol326KJ/mol=715KJ 合成键释放的能量1mol305KJ/mol2=610KJ合成聚合单体：H=610-715=-105KJ/molQ=7032.276/60(-105)= -12306.483KJ此反应断裂：N-HC=O中的C-O合成C-N O-H断键需要的能量1mol389KJ/mol+2mol402KJ/mol=1582KJ 合成键释放的能量1mol2305+1mol2464=1538KJH=1538-1582=-44 KJ/mol Q=393.810/126(-44)=-137.521KJ/mol此反应断裂：N-H C-O合成 C-N 断键需要的能量1mo

39、l389KJ/mol+ 1mol326KJ/mol=715KJ 合成键释放的能量1mol305KJ/mol=305KJ合成聚合单体：H=610- 715=-105KJ/molQ=393.810/126(-105)=-328.175KJ/mol所以 Q3=Q+Q+Q+Q =-5150.402+（-12306.483)+（-137.521)+（-328.175） =-17922.581KJ根据化学反应式求得的化学反应热较小，在衡算过程中可以忽略 即 Q3 = 0求Q4可按公式Q4=先求平均 =7219.805/37586.7451.18+13126.918/37586.7451.55 +393.8

40、10/37586.7451.47+16846.212/37586.7454.2 =0.227+0.541+0.015+1.882=2.665KJ/Kg Q4=2.66537586.745(9025)=6.51106 KJ由后面的设备计算知设备的质量是446.508 KgQ5 =CMt=0.57438.823（90-25）=2.42105KJ 热损失取总热量的3% 所以 Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6Q1=0 Q3 =0Q4 =6.51106 KJ Q5 =2.42105KJQ6= 3%（Q1+Q2 +Q3） Q2= Q4+Q5+3%（ Q1+Q2+Q3 ） Q2 = Q

41、4+Q5+0.03 Q20.97Q2 =6.51106 +2.42105 Q2=6.96106KJ Q=Q1+Q2+Q3 =0+6.96106+0 =6.96106所以 ，总热量Q总=Q2=6.96106KJ5.1.3 材料选择 由于在反应过程中有腐蚀性物质的加入，所以材料应选用耐腐蚀材料。对该反应器选用镍铬不锈钢，0Cr18Ni9 .钢板标准为GB4237 。在100下的许用应力为114Mpa。5.1.4釜体的设计计算反应釜体积 V= 7219.805/37586.745815+13126.918/37586.7451335 +393.810/37586.7451598+16846.212/

42、37586.7451000=156.48+465.48+16.779+448=1087.174Kg/m3V= = = 34.573m3装料系数= 0.7 反应釜体积Vt=V/=34.573/0.7=49.390m3根据GB98451988钢制机械搅拌容器圆整Vt=50m3反应釜高H=4900mm 反应釜内径D=3600mm该反应设计压力为1.01105Pa设计温度为90 。所以容器壁厚d=PDi/(2t-P)+C =1.013600/ (21141-1.01)+0.8 =16.82mm 公式中t=114 Mpa =1 C=0.8 对壁厚圆整取d=17mm 反应釜的质量W=DHd =3.143.

43、64.90.0177900 =7438.823Kg 5.1.5 封头的设计选型（1） 上封头选择 上封头选取标准椭圆形封头。具体参数如下：封头内径DN=3600mm（GB901988） 封头高度h=0.25D=0.253600=900mm 封头侧面积=1.083D2=1.0833.62=14.04m2 封头体积=0.131D3=0.1313.63= 6.11m3 封头直边高度h2=40mm 曲面高度h1=600mm 封头厚度=25mm (2) 下封头选择 由于反应体系属于高黏度流体，为使流体能顺利快速的流出反应釜，所以下封头选用90度锥形封头。具体参数如下： 封头内径DN=3600mm 封头高

44、度h=0.5D=0.53600=1200mm 封头侧面积=1.11D2=1.113.62= 14.39m2 封头体积=0.1309D3=0.13093.63 =6.11m35.1.6 封头与釜体的连接形式封头与釜体的连接形式选用平面法兰连接。具体参数如下：内径DN=3600mm D=3760mm D2=3715mm D3=3656mm =65mm d=30mm螺柱M20 数量取72个 。非金属软垫片D5 =3650mm d5=3600mm5.1.7 支座形式支座选用耳式B型带垫板支座。选用标准为JB/T47292。具体参数如下：材料为Q235AF，垫板材料为0Cr18Ni9。 耳座用4个，厚度

45、=20mm 5.1.8 反应釜的液位（1） 最高液位 反应液体积VR=34.573m3 下封头体积V头=6.11m3 下封头高度h=1800mm在釜体中的实际反应液体积V1=34.5736.11=28.463m3H1 = V14 / D2所以H1 =28.4634/D2=28.4634/（3.143.62） = 2798mm所以，最高液位H = H1 + h=2798+1800=4598mm(2) 最低液位 最低液位 H=1/3D =1/33600=1200mm5.1.9 搅拌装置的设计5.1.9.1 搅拌浆设计由于被搅拌流体黏度很高，且搅拌的作用是要将物料充分混合，所以搅拌浆叶的形式选为螺带

46、式搅拌浆。其具体设计参数如下：Z=1 搅拌浆直径d=0.95D=0.953600=3420mm 螺距S=d b/d=1/10 搅拌浆高度Hm=d+h=3420+1800=5220mm搅拌转速n=10r/min 搅拌器底部与反应釜底部的距离C=0.01d=34.2mm5.1.9.2 搅拌轴设计(1) 搅拌轴材料选为1Cr18Ni9Ti ,其=1525MPa 取20MPa许用应力变化系数A=13.411.3取A=12 搅拌轴直径 圆整去d=65mm (2) 搅拌功率计算搅拌轴功率根据诺谟图进行简捷计算：搅拌反应器容积V=50+6.11+6.11=62.22m3=62220L反应液黏度定为0.26p

47、a.s ，密度=1290Kg/m3，搅拌形式为螺旋式缓和搅拌根据诺谟图可知轴功率Pa=1.5hp=1.514885.099W=22.325KW搅拌轴密封选用机械密封所以轴密封消耗功率为Pm =12%Pa=1.10.12=2.679W 所以，搅拌器电机消耗功率为P=(Pa+Pm)/0.9=(22.325+2.679)/0.9=27.782KW式中传动效率为0.9 5.1.10 传热装置设计5.1.10.1传热装置形式传热装置选用夹套传热，具体参数如下：夹套内径D0=D+100=3600+100=3700mm 5.1.10.2 传热介质及其用量夹套中选用95循环水加热。夹套内空间V =（1.13.

48、62+2.18）0.1 =5.915m35.1.11 反应器上的接管及尺寸5.1.11.1液体进料管 液体进料的进料时间定为15min 。流体流速为8m/s ，流体为30%甲醛。进料体积V = m甲/甲 =24066.017/815 = 29.53m3体积流量VS=V/t =29.53/900=0.0328m3/s进料管内径 圆整取d = 753.55.1.11.2 出料管 反应产物出料时间定20min ，且物料为高黏度流体，取u=1m/s 出料体积V=m/ =37586.745/1099.827=34.175m3 体积流量VS=V/t =34.175/1200=0.0285 m3/s 出料管

49、内径 圆整取d =804 进出料管都选用普通无缝钢管5.2 蒸发器对蒸发器做物料衡算：进料量=37586.745kg/h 蒸发出的水=37586.74523029.680/0.75=6880.505Kg/h产品=37586.745-6880.505=30706.240出料量=产品+蒸发出的水 =30706.240+6880.505=37586.745kg/h 进料量= 出料量 所以蒸发器物料平衡 5.3 泵的选择5.3.1输送甲醛的泵基本数据：该泵主要输送甲醛溶液，输送温度t=25 。溶液组成30%甲醛，70%水，密度=815Kg/m3 ,黏度=2.33mpas,无腐蚀性。正常流量VS=24066.017/（815900） =0.0328m3/s =118.115m3/h泵工作的环境温度为25，选泵时流量定为118.1151.2=141.74m3/h所以根据化工工艺手册选泵：屏蔽泵B 流量0.1400m3/h 扬程10240m 温度-703805.3.2 输送成品泵 反应液黏度定为0.26pa.s ，密度= 1290Kg/m3 体积流量VS = V/t = 1.345/600 = 0.00224 m3/s =0.1344 m3/h屏蔽泵 B