Производство карбамидоформальдегидной смолы

Периодический способ производства карбомидоформальдегидных смол

Отличительная особенность  периодического способа производства карбамидных смол - проведение всего  процесса в одном реакционном  аппарате. Центробежным насосом, сжатым воздухом или под вакуумом формалин подают из хранилища по закрытому трубопроводу в напорный сборник, откуда он самотеком поступает в весовой мерник, а затем в реактор. Кристаллический карбамид измельчают в дробильном аппарате и ковшевым элеватором подают в весовой мерник, из которого он через бункер загружается в реактор. В случае применения гранулированного карбамида, измельчения не требуется. При этом уменьшается запыленность производственного помещения.

Формалин, загруженный в реактор, нейтрализуют до требуемого режимом  значения рН, для чего небольшими порциями при работающей мешалке добавляют раствор едкого натра или другого вещества, обладающего основными свойствами.

В подготовленный таким способом формалин при включенном вакууме и постоянном перемешивании загружают карбамид. Затем выключают вакуум и при включенном обратном холодильнике в паровую рубашку подают пар. Реакционную смесь постепенно нагревают до нужной температуры. Все стадии изготовления смолы, включая вакуум-сушку, доконденсацию с   дополнительной   порцией   карбамида,   охлаждение   и стабилизацию, проводят в реакторе. В сборник сливается смола, охлажденная до 20-25^оС. После чего смола с помощью центробежного насоса поступает на склад готовой продукции.

Расчетная часть

Производство  поликонденсационных олигомеров на деревообрабатывающих предприятиях осуществляется периодическим или полунепрерывным способом. В производстве синтез олигомеров ведут в строгом соответствии с технологическим регламентом. Поэтому, цеха по производству смол в деревообрабатывающей промышленности обычно работают без остановок в три смены по скользящему графику.

Таблица 2.1

Годовой фонд рабочего времени

Часовой фонд рабочего времени рассчитывается по формуле

Т_год=Т _дн  х  Q_см х Т _см

Где: Т_дн - число рабочих дней в году (325);

Q_см - количество смен (3);

Тсм - количество часов  в смену (8).

Т_год=325×3×8=7800 часов/год

2.2. Расчет  годовой программы

Мощность  цеха смол определяется  количеством  реакторов.

Расчет производительности реактора (П) осуществляется по

формуле:                                                

  V × T_год ×К_и                10,24×7800×0,85

П=^{__________________} = ^{___________________________} = 10445 (т/год)

τ_с                                                  6,5

Выбираем реактор марки  РСЭрн 10-3.

где V- полезный выход одного синтеза, т; 

V = V_р × ρ_см× К_з;

V = 10 × 1,28×0,8=10,24 (т).

К_з – коэффициент заполнения реактора, 0,8

V_р – емкость реактора, V_р = 10 м³ ;

ρ_см – плотность смолы т/м³, ρ_см=1,28 т/м³;

 Т_год - годовой фонд рабочего времени, ч; 

К_и - коэффициент использования оборудования, 0,75 - 0,9;

τ_с – продолжительность одного синтеза, 6 ч.

τ_с = τ_р + τ_всп; τ_с = 6 + 0,5=6,5 (ч).

где    τ_всп - вспомогательное время, которое складывается из затрат времени на загрузку исходных мономеров, выгрузку готовых олигомеров, охлаждение или нагрев реактора и принимается равным 30 - 40 мин (0,5-0,75 ч); τр - время проведения синтеза по технологическому регламенту.(прибл. 6 ч).

Реакторы, используемые для проведения процесса поликонденсации, различаются по номинальной вместимости от 3,2 до 16 м³. Выбор реактора производится с учетом необходимой производительности цеха смол для обеспечения выполнения производственной программы основного производства, при этом желательно иметь минимальное количество реакторов одного объема.

Количество реакторов (n) определяется по формуле

n = Р/П;   n =16900 / 10445 =1.6

где   П - производительность одного реактора, т;

Р - необходимое количество олигомера для выполнения программы, т.

  Расчет потребного количества  сырья и материалов

Расчет количества сырья и материалов начинается с  расчета рецептуры смол.

Расчет рецептуры смол.

Расчет рецептуры производится на 100 массовых частей основного реагента, используемого для проведения синтеза (карбамида, фенола, ме-ламина и т.д.). Исходными данными для проведения этого расчета являются мольное соотношение используемых для синтеза мономеров и их молекулярная масса: 

                                                  100 × М_м × g

G_м = –––––––––––––,

                                                       М_р

где   100 - массовые части  основного реагента;

М_м - молекулярная масса мономера, для которого производится расчет;

g - мольная доля мономера;

М_р - молекулярная масса основного реагента  (фенола или карбамида);

G_M - количество в массовых частях определяемого мономера.

Рассчитаем массовую часть формальдегида:

                                                  100 × 30× 1,66

G_м = –––––––––––––––– = 83 м.ч.,

                                                       60

Некоторые мономеры используются для проведения синтеза  в виде растворов (формальдегид применяют  в виде 37%-ного водного раствора формалина), необходимо полученные расчетные количества этих мономеров перевести в массовые части их растворов:        

                                                                G_м

                                                G_мр  =    –––– × 100,                      

                                                                 K

где   G_M - количество мономера в массовых частях; К - концентрация мономера   в растворе, % (для формальдегида K =37%); G_Mp - количество мономера в массовых частях в виде раствора.

                                                                83

  Для формалина :                 G_мр  =    –––– × 100 = 224,3 м.ч.,

                                                                 37

Результаты  расчета представляются в виде таблицы, отражающей рецептуру олигомера (в массовых частях).

Расчет выхода олигомера и количества растворителя.

Рецептура карбамидоформальдегидной смолы 

В ходе проведения синтеза возможны производственные потери, образующиеся, например, за счет выделения свободного формальдегида, а также летучих веществ. Практический выход олигомера определяется с учетом потерь:

ПВ = ТВ-ПП,    ПВ = 183,72 – 3,67 =180,05 (м.ч.) 

где   ТВ - теоретический выход, м.ч.;

ПП - производственные потери, м.ч.;(можно принять 2% от ТВ),ПП = 3,67.

ПВ - практический выход, м.ч.

Производственные  потери определяются как сумма содержания свободных мономеров в составе олигомера и летучих веществ.

Зная практический выход сухой смолы рассчитывают количество испаренной влаги:

                                                           ПВ

В_и  = (ПВ+В)  − –––– × 100,                           

                                                           K_о

                                                     180,05

В_и  = (183,72+141,3)  − –––– × 100, = 50,84 (м.ч.)                      

                                                       67

где   ПВ - практический выход  олигомера, м.ч.;

К_о - требуемая концентрация олигомеров, %;

В - количество воды, вводимое с формалином, м.ч.;

В_и - количество необходимого растворителя.

Количество  воды В, вводимое с формалином, рассчитывают по формуле:

В=Ф-ФА             В=224,3-83 = 141,3(м.ч.)

где   Ф - количество формалина по рецептуре, м.ч.;( G_M)

ФА - количество формальдегида по рецептуре, м.ч.( G_MP)

После выполнения данного расчета можно приступить к расчету расхода сырья на производство 1 тонны смолы.

Расчет  расхода сырья на производство 1 т смолы.

Исходными данными  для расчета являются: концентрация готового олигомера (К_о), количество отгоняемой в процессе вакуум сушки воды (В_и , %) и рецептура олигомера в массовых частях.

1. Расход сырья на приготовление реакционной смеси:

Р = Р_карб+Р_форм+ Р_хамон+Р_{ед.натр} , мч, 

P= 100 + 224,3 +3 + 0,6 = 327,9 (м.ч.)

где   Р_карб, Р_форм, Р_хамон ,Р_{ед.натр} - количество мономеров, м.ч., (ТВ раствор)

2. Выход после вакуум сушки:

Р' = Р-В_и   

Р'=327,9-50,84=277,06 (м.ч.)

где   Р - количество сырья в исходной реакционной смеси, м.ч.; В_и - количество испаряемой влаги, м.ч.

3. Общий выход смолы (Р ^п):

                                                   Р'

                                      Р ^п  =  –––– × 100, (%)

                                                    P

                                                   277,06

                                      Р ^п  =  –––––––– × 100 = 84,49 (%),

                                                    327,9

где   Р' - выход после вакуум-сушки, м.ч.;

Р - количество сырья в исходной реакционной смеси, м.ч. 4. Расход мономера на 1 т товарной смолы:

                                                  G_M

                                      X₁  =  –––– × 1000,

                                                    Р'

                                                   83

 для формальдегида X₁  =  –––––– × 1000 = 299,57 (кг)

                                                277,06

                                                   224,3

  для формалина          X₁  =  –––––– × 1000 = 809,57 (кг)

                                                277,06

                                                   100

 для карбамида             X₁  =  –––––– × 1000 = 360,93 (кг)

                                                277,06

                                                   0,6

 для едкого натра X₁  =       –––––– × 1000 = 2,165 (кг)

                                                277,06

                                                                   3

 для хлористого аммония       X₁  =  –––––– × 1000 = 10,82 (кг)

                                                              277,06

где   G_M - количество мономера в реакционной смеси, м.ч.; Р' - выход олигомера после вакуум-сушки, м.ч. 5. Расход мономера на 1 т условной сухой смолы:

                                                  X₁

                                      X₂ =  –––– × 100,

                                                          K_o

                                                   299,57

 для формальдегида     X₂  =  –––––– × 100 = 447,11 (кг)

                                                     67

                                                 809,57

  для формалина          X₂  =  –––––– × 100 = 1208,31 (кг)

                                                     67

                                                   360,93

 для карбамида             X₂  =  –––––– × 100 = 538,7 (кг)

                                                      67

                                                     2,165

 для едкого натра          X₂  =  –––––– × 100 = 3,231 (кг)

                                                       67

                                                               10,82

 для хлористого аммония        X₂  =  –––––– × 100 = 16,14 (кг)

                                                                 67

Где X₁  - расход мономера на 1 т товарной смолы, кг; К_о - концентрация готового олигомера, %.

6. Расход мономера на 1 т условно  сухой смолы с учетом потерь:

Х₃=Х₂ ×К_n

для формальдегида      X₃ =447,11×1,03 = 460,52

 для формалина       X₃=1208,31×1,03 = 1244,55 (кг)

для карбамида             X₃=538,7×1,03 = 554,86 (кг)

для едкого натра         X₃ =3,231×1,03 = 3,327 (кг)

для хлористого аммония   X₃=16,14×1,03 = 16,62 (кг)

где   Х₂ - расход мономера на 1 т условно сухой смолы, кг; К_n - коэффициент потерь (1,01 - 1,05).

 Расчет потребного количества электроэнергии и пара

Расходуемое тепло слагается  из тепла нагрева смеси Q₁ тепла нагрева реактора Q₂, потерь тепла в окружающую среду Q₃:

Q = Q ₁+ Q ₂+ Q₃., ккал. 

Расход тепла  на нагрев смеси можно определить по формуле

Q₁= mС(t₂-t₁), ккал 

где   т - количество смеси в реакторе, кг;

С - теплоемкость смеси, ккал/кг град.;

t₁  - начальная температура смеси; (10 -20)°С

t₂ - конечная температура смеси, (65 – 70)°С;

Теплоемкость  смеси определяется по теплоемкости исходных компонентов по принципу аддитивности:

              (С₁ × m₁) + (С₂ × m₂) + ... + (С_n × m_n)        ккал

С = –––––––––––––––––––––––––––––––––––,   ––––––,

           т₁+  т₂ + ... + т_п                                               кг ∙ град

где   С₁,С₂,...С_п - теплоемкость компонентов смеси, ккал/кг  град.; т₁ , т₂,...т_п - масса компонентов смеси, кг.

Теплоемкость карбамида С₁= 0,37

Теплоемкость формалина С₂= 0,82

Теплоемкость едкого натра С₃= 0,15

Теплоемкость хлористого аммония  С₄=0,15

        (0,37 × 554,86) + (0,82 × 1244,55) +(0,15 × 3,327)+ (0,15 × 16,62)

С = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– =0,675

                                       554,86+1244,55+3,327+16,62

                        Q₁= 10445×0,675×(65-10) = 384898,25 ккал 

Тепло, потребное для  нагрева реактора, определяют по формуле

                              Q₂  = m_р × С_ст × (t₂ - t₁, )                                      

              Q₂  = 8500 × 0,115 × (65- 10 ) = 53762,5 (ккал)

где   m_р - вес реактора, кг;

С_ст - удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен реактор (для стали 0,115 ккал/кг-град), ккал/кг-град.; t₁ - температура в цехе, °С; t₂ - конечная температура смеси, °С;

Потери тепла в окружающую среду принимаются 2…5 % от Q₂

Q₃=. Q₂×0.03 = 53762,5×0,03 = 1612,875 (ккал)

Q= 384898,25 + 53762,5 + 1612,875 = 440273,625 (ккал)

Удельный расход теплоты на 1 тонну товарной смолы:

Q_уд=440273,625/10445= 42,1516 (ккал/кг)

Годовой расход тепла

Q_год = 42,1516×130000 = 5479708 (ккал/год)

Расход тепла при  вакуум-сушке при остаточном давлении Р (0,2 кг/м²) составляет:

Q_и  = m × Q_исп ,    ккал, 

где   т - масса отогнанной воды, кг на 1 кг товарной смолы

    m =50.84/277.06 = 0.183( кг/кг)

Q_ucn – удельная теплота испарения, 510 ккал/кг.

Q_и =0,183×510 = 93,33 (ккал) на 1 кг товарной смолы

Расчет количества пара, используемого для нагрева  реакционной смеси и реактора, а также испарения лишней воды в процессе вакуум-сушки, производится по формуле:     

                                           Q

D=  –––––––  × 1,02, кг                              

                      (i_n - i_k)

где   Q - расходуемое тепло, ккал;

Q = Q_и×P =93,33×130000 = 12132900(ккал) ,

Q = 12132900×4,19= 50836851 (кДж)

Где Р- годовая программа (130000кг/год)

i_n - энтальпия греющего пара – 2748,5 (кДж/кг)

i_k - энтальпия конденсата на выходе – 640,1 (кДж/кг)

                                      50836851

D=  –––––––––––––  × 1,02, = 24593.8(кг/год)

                   2748,5-640,1

Правила безопасности для производства синтетических  олигомеров

Общие положения.

1. Настоящие правила распространяются на все предприятия попроизводству пластических масс, имеющие взрывоопасные и взрыво- и 
   пожароопасные производства, цехи, участки, подконтрольные Госгортехнадзору.
2. Проектирование, строительство, реконструкция и эксплуатация 
   предприятий по производству пластических масс должны производиться в 
   соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП), утвержденными Госстроем, с соблюдением "Правил безопасности во взрывоопасных и взрывопожароопасных химических производствах".
3. Лица, вновь принятые в производственные цехи, а также переводимые на другую работу, должны быть проинструктированы по правилам нутреннего распорядка, техники безопасности, пожарной безопасности, производственной санитарии и обучены безопасным методам работы в соответствии с ГОСТ 12.0.004-79 "Организация обучения работающих безопасности труда".
4. К самостоятельной работе они могут быть допущены только после стажировки на рабочем месте и проверки знаний по технике безопасности на допуск к самостоятельной работе.
5. Продолжительность работы стажера-дублера устанавливается руководителем предприятия с учетом сложности производства и профессии, но должна быть для основных производственных работ не менее 10 дней.

Строительный комплекс.

1.  Генеральные планы предприятий для производства пластических масс, объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений этих предприятий должны соответсвовать требованиям СНиП, ПБВХП-74, а также требованиям правил безопасности.
2. На покрытии зданий с производствами категорий А, Б и Е допускается размещать:

а) воздушные  холодильники, в трубах которых находятся  легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ПК) жидкости при установке их на поддоны, с отводом пролитой жидкости в емкость;

б) технологические аппараты, в которых отсутствуют ЛВЖ и ГЖ;

в) бункера с порошкообразным или гранулированным продуктом;

г) агрегаты вытяжной вентиляции.

3. При производстве олигомеров, где возможно образование взрывоопасной или вредной пыли, строительные конструкции должны иметь 
   гладкую поверхность с минимальным числом выступов и отделку, пускающую очистку их от пыли и влажную уборку. Помещения с производствами категории Б, в которых возможно выделение взрывоопасных пылей, следует отделять от помещений с производствами других категорий тамбуром-шлюзом, без подачи в него воздуха. В указанных помещениях с выделением взрывоопасной пыли должно обеспечиваться превышение вытяжки над притоком на 5 %.
4. Предприятие должно обеспечивать регулярный контроль качества 
   сбрасываемых производственных загрязнений и вод по графику, утвержденному главным инженером предприятия.
5. При содержании в сточных водах загрязнений сверх допустимых 
   норм или аварийных проливах продукции стоки следует подвергать локальной очистке, регенерации или направлять их на установки термического обезвреживания.
6. Спуск в канализацию вредных продуктов производства реагентов 
   (в том числе и при аварийных случаях) и вод после промывки аппаратов, 
   трубопроводов и других производственных операций, а также загрязненных от мытья полов сточных вод в производственных помещениях запрещается.

Указанные продукты и воды должны направляться в специальные  технологические емкости и после предварительного контроля на содержание в них вредных веществ должен решаться вопрос об их утилизации, обезвреживании или выпуске в канализацию.

Сточные воды, содержащие загрязнения, превышающие  допустимые пределы для сброса их на очистные сооружения, подлежат уничтожению. Отработанные реактивы лабораторий должны обезвреживаться до их выпуска в канализацию.

Технологическое оборудование и предохранительные  устройства.

1.  Расположение оборудования и коммуникаций должно обеспечить безопасность и удобство эксплуатации и ремонта, а также свободное передвижение крупногабаритного оборудования при его монтаже, демонтаже и ремонте.
2. Управление и контроль за работой оборудования, установленного 
   на открытых площадках, должны осуществляться, как правило, с центрального пульта управления, располагаемого в закрытом помещении.

Специфические требования к отдельным производствам  карбамидоформальдегидных  смол.

1. Для предотвращения выбросов реакционной массы из аппарата необходимо предусмотреть:

а) сигнализацию и автоматическое отключение подачи пара в рубашку аппарата при достижении установленной температуры реакционной массы;

б) контроль скорости нагрева реакционной смеси и пуска охлаждающей воды в рубашку аппарата;

в) поверхность теплообмена конденсатора, обеспечивающую полную конденсацию поступающих в него паров;

г) сечение шламовой трубы и ее прокладку между реактором и конденсатором, обеспечивающие свободный пропуск паров из реактора в конденсатор;

д) аварийную емкость или специальную ловушку для сбора паров и газов от предохранительного клапана или мембраны реакционного аппарата.

2. Установка арматуры на шламовых трубах и на линиях сброса от предохранительных устройств не допускается.
3. Подача в реактор катализаторов  должна осуществляться через дозирующее устройство.

Литература:

1.Ю.Г.Доронин, С.Н.Мирошниченко, М.М.Свиткина «Синтетические смолы  в деревообработке»

2.В.В.Коршак «Технология  пластических масс»

3.В.Е.Цветков, Ю.В.Пасько, О.П.Мачнева «Полимеры в производстве  древесных материалов»

4.Л.С.Калинина, М.А.Моторина, Н.И.Никитина, Н.А.Хачапуридзе, «Анализ конденсационных полимеров»

5.А.Б.Левин, Ю.П.Семенов  «Теплотехнический справочник студента»