Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa PHENOLFOMANDEHIT dạng NOVOLAC theo P.pháp gián đoạn với năng suất 300tần/n

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 ngưng tụ. 38 2.3.2.Thùng chứa và thùng lường. 41 2.3.3.Tính bơm chất lỏng. 45 2.3.4.Tính cân bằng nhiệt lượng. 48 Chương 3 Xây dựng 56 3.1.Yêu cầu về lựa chọn địa điểm xây dựng. 57 3.2.Thiết kế tổng mặt bằng. 58 3.3.Giải pháp cấu tạo nhà. 63 3.4.Giải pháp thông gió. 63 Chương 4 Tính toán điện nước. 65 4.1.Điện dùng trong sản xuất. 65 4.2. Nước dùng trong sản xuất. 66 Chương 5 Tính toán kinh tế. 68 5.1.Tóm tắt dự án. 68 5.2.Thị trường và kế hoạch sản xuất. 68 5.3.Tính toán kinh tế. 69 Chương 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 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 vượt bậc, tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất ưu việt được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và trong đời sống. Vật liệu polyme được sử dụng rất rộng rãi, 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. Chương 1 tổng quan về nhựa phenolic 1. Lịch sử phát triển. Phenol là nhựa tông hợp, sản phẩm của quá trình trùng ngưng giữa phenol và fomandehit. Nhựa phenolic là loại nhựa tổng hợp đàu tiên được sản xuất thương mại. Năm 1872 Bayer là người đầu tiên phát hiện phản ứng giữa phenol và aldehit. Sau đó vào cuối thế kỉ 19 được 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 được 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 được từ phenol và fomadehit trong môi trường kiềm.Quá trình tổng hợp nhựa phenolic tiếp tục được nhiều nhà hoá học nghiên cứu trong những năm cuối của thế kỉ 19 và Thus, Claus, Trainer đã tổng hợp được nhựa phenolictừ phenol và axetandehit trong môi trường 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 ngưng tụ phenol và fomandehit khi có mặt hỗn hợp các axít, thu được nhựa hoà tan trong rượu và chúng được 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 được 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 được có đặc điểm là đóng rắn chậm, thích ứng với các sản phẩm khuôn đúc. Năm 1907 á1909 Leo Backeland công bố những nghiên cứu của mình về loại nhựa phenolfomandehit với xúc tác kiềm có tên thương mại là Bakelite và trong môi trường axit tạo nhựa nhiệt dẻo Novolac với tỷ lệ cấu tử phenol/fomandehit >1.Tuy nhiên nhựa tạo thành chưa được sử dụng trực tiếp như nhiều loại nhựa khác. Backerland đã nghiên cứu cấu trúc nhựa và đưa ra giải pháp khắc phục khó khăn trong quá trình gia công sản phẩm. Ngay sau đó hãng Bakelite lần đầu tiên đưa vào sản xuất nhựa phenolic đẫ đánh dấu bước phát triển của nhựa phenolic. Các năm sau đó nhựa phenolic không ngừng được phát triển cả về số lượng và chất lượng:[11] Năm 1935 nhựa phenolic được sản xuất nhiều nhất so với các loại nhựa khác. Năm 1954 nhựa phenolic được sản xuất 20.000 tấn. Năm 1965 nhựa phenolic được sản xuất 65.000 tấn. Năm 1987 nhựa phenolic lên tới 2,3 triệu tấn Năm 1993 là 2,8 triệu tấn. Năm 1998 lượng nhựa phenolic được sản xuất là 3,4 triệu tấn. ở Việt Nam nhựa phenolic được sử dụng muộn hơn chủ yếu ở dạng bán thành phẩm và nguyên liệu cho một số loại vật liệu như : bột ép, ván ép, sợi ép, keo dán, sơn từ nhựa phenolic biến tính,… Năm 1958á1960 Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trường đại học Bách Khoa Hà Nội ( ngày đó là bộ môn cao phân tử ) đã giúp đỡ xây dựng phân xưởng sản xuất keo dán tại nhà máy gỗ Cầu Đuống. Năm 1975 Nam Tư 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 2000á2003:[ 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 tư 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 nước. 2. Nguyên liệu. Nguyên liệu chính để sản xuất nhựa phenolic là phenol và aldehit. 2.1.Phenol. Công thức cấu tạo của phenol: Công thức hoá học của phenol C6H5OH, 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 thường 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 ts=182,10C. Trọng lượng riêng của phenol d = 1,0596 g/cm3. ở điều kiện thường phenol là tinh thể có nhiệt độ nóng chảy là 42,3oC, nhiệt độ hoá rắn là 40,5 á 40,9oC. Phenol rất độc, với hàm lượng phenol rất nhỏ trong không khí cũng gây ngộ độc. Phenol hoà tan trong các dung môi phân cực: rượu, axeton,…Tính tan trong nước của phenol phụ thuộc nhiệt độ. 2.1.2.Các phương pháp điều chế phenol. [5] Phenol tự nhiên được 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 phương pháp sau: Phương 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 chưng benzen thô. Nhược điểm của phương 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: C6H6 + H2SO4 C6H5SO3H + H2O. C6H5SO3H + NaOH C6H5SO3Na + H2O. C6H5SO3Na + NaOH C6H5ONa + Na2SO3 + H2O. C6H5ONa + H2SO4 C6H5OH + Na2SO4 Phương pháp clo hoá: Xử lý clobenzen bằng Na2CO310% theo tỷ lệ 1:1,25 có mặt oxit diphenyl. Để lắng, tách phenol đem chưng theo hơi nước hoặc xử lý clobenzen bằng NaOH10% theo tỷ lệ 1:1,25 tương tự như với Na2CO3. Phương pháp Ra-sic: phương pháp này gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Cho benzen tác dụng với HCl và không khí ở nhiệt độ 200-230oC có mặt muối nhôm, sắt. Sản phẩm thu được chứa clobenzen. Giai đoạn 2: Tách rửa clobenzen và thuỷ phân trong lò tiếp xúc ở nhiệt độ 350oC với xúc tác SiO2 hoặc Ca3(PO4)2. Rửa phenol nhận được và đem chưng cất. Các phản ứng xảy ra như sau: C6H6 + HCl + 1/2 O2 C6H5Cl + H2O. C6H5Cl + H2O C6H5OH + HCl . Phương pháp oxy hoá trực tiếp benzen: Tiến hành oxy hoá benzen ở nhiệt độ 800oC, áp suất 70at, có mặt xúc tác HF. Hỗn hợp sản phẩm đem chưng cất nhiều lần thu phenol. Phương pháp này ít được sử dụng do hiệu suất thấp(30-60%). Phương pháp Cu-men: Tiến hành alkyl hoá benzenở 850C, áp suất 70at và xúc tác AlCl3 tạo izopropylbenzen: C6H6 + CH2=CH CH3 C6H5CH(CH3)2. Oxy hoá izopropylbenzen ở nhiệt độ 600-650oC có mặt không khí tạo hydropeoxit: C6H5CHCH(CH3)2 O2 C6H5C(CH3)2OOH. Phân giải hydropeoxit bằng axit H2SO410% thành phenol và axeton cùng một số sản phẩm phụ khác. C6H5C(CH3)2OOH. C6H5OH + CH3COCH3 Tiến hành chưng cất phân đoạn thu phenol. Phương pháp được đề xuất ở Liên Xô và là phương pháp kinh tế nhất hiện nay được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới. Phương 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 120-150oC có xúc tác Co tạo axit benzoic. Phản ứng toả nhiệt mạnh và có nhiều sản phẩm phụ.: HCOOH, CH3COOH, C6H5CHO,.. Giai đoạn 2: Decacboxy hoá axit benzoic với xúc tác Cu2+: Quá trình tiến hành ở áp suất thường, nhiệt độ 200-250oC, Cu2+ sử dụng ở dạng dung dịch 1-5%. 2.1.3.Một số phenol khác:[3] Crezol: CH3C6H4OH. Crezol có ba đồng phân: o-Crerol. m-Crerol. p-Crerol. Crezol thường tồn tại dưới dạng hỗn hợp ba đồng phân. nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 185-205oC, trọng lượng riêng 1,044g/cm3. Crezol hoà tan trong rượu, ete, kiềm, khó hoà tan trong nước. Crezol nhận được chủ yếu từ sản phẩm xử nhiệt của than đá, than nâu, gỗ. Xylenol: (CH3)2C6H3OH. Xylenol có sáu đồng phân, xylenol kĩ thuật ở dạng lỏng nhớt, mầu nâu,, trọng lưọng riệng 1,035-1,040 g/cm3. Xylenol tan trong dung dịch kiềm 10%. Xylenol cũng nhận được chủ yếu từ xử lý nhiên liệu rắn. Resocsin (m-dioxy benzen): C6H4(OH)2. Resocsin ở dạng tinh thể rắn, nhiệt độ nóng chảy là 110oC và nhiệt độ sôi là 276,5oC, trọng lượng riêng là 1,285 g/cm3. 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 -21oC, nhiệt độ nóng chảy là -92oC, ở nhiệt độ –93oC sẽ đóng thành một chất tinh thể rắn trọng lượng riêng là 0,815 g/cm3. Fomanhehyt thường được sử dụng ở dạng dung dịch với nước 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 tượng trên thường sử dụng rượu metylic 7-12% trong focmalin. Hàm lượng rượu trong focmalin có thể thay đổi tuỳ thuộc nhiệt độ môi trường Các phương pháp điều chế fomandehyt: + Oxy hoá rượu metylic bằng oxy không khí có bạc tham gia. Phản ứng xảy ra như sau: CH3OH + 1/2 O2 HCHO + H2O Hoặc phản ứng khử hydro của rượu: CH3OH HCHO + H2O Phản ứng oxy hoá có thể tiến hành trong chân không hoặc dưới áp suất. + Điều chế fomandehyt từ metan: Mêtan được điều chế từ các sản phẩm chế biến dầu mỏ và khí thiên nhiên. Oxy hoá khí metan không hoàn toàn ở 1400-1500oC xảy ra phản ứng: CH4 + O2 CO + 4 H2 CH4 CH CH + 3 H2 Metanol được tổng hợp từ hỗn hợp H2 và CO ở trên và tiến hành oxy hoá metanol ở nhiệt độ 500-600oC có mặt xúc tác thì nhận được fomandehyt. + Oxy hoá etylen: cho hỗn hợp khí chứa 85% etylen và 15% oxy về thể tích qua các chất tiếp xúc trơ như: đất sét nung tẩm H2BO3 hoặc H3PO4 ở 375oC hoặc đi qua tháp chất đầy đá bọt tẩm KMnO4 hay KClO3 ở nhiệt độ lớn hơn 100oC. Hiệu suất tạo fomandehyt khá cao (70-80%). 2.2.2.Axetandehyt: CH3CHO. Là chất lỏng có mùi khó chịu, nhiệt độ sôi là 20,8oC, nóng chảy ở –123,5oC, trọng lượng riêng là 0,792g/cm3. Axetandehyt hoà tan trong nước rượu, ete. Axetandehyt rất rễ tự trùng hợp. 2.2.3.Fufurol. Công thức hoá học của fufurol: Là chất lỏng không màu, mùi dễ chịu. Nhiệt độ sôi là 161,7oC, đóng rắn ở –36,5oC, trọng lượng riêng là1,1598 g/cm3. Fufurol tan trong rượu etylic, metylic, ete, axeton. Trong quá trình bảo quản nếu có mặt không khí thì fufurol sẽ có màu tối dần và rượu hoá. Để bảo quản người ta thường cho thêm hydroquynol hoặc parafooc. Phương pháp chủ yếu để sản xuất fufurol là thuỷ phân các phế phẩm trong nông nghiệp: rơm, dạ, lõi ngô,…tiến hành thuỷ phân dưới áp suất và nhiệt độ lớn hơn 100oC. Ngoài ra có thể nhận được fufurol bằng cách thuỷ phân gỗ hoặc than nâu. 3.Phản ứng tổng hợp. 3.1.Phản ứng tổng hợp nhựa rezolic. Nhựa phenolic dạng rezolic nhận được trong môi trường kiềm. Cơ chế xảy ra trong môi trường kiềm xảy ra như sau: Ion phenolat có khả năng giải toả điện tích vào vòng benzen làm cho mật độ điện tử tại các vị trí ortho và para của vòng tăng lên. Các ion này sẽ phản ứng với fomandehyt theo phương trình: Trong môi trường kiềm ion hydroxy metynol phenol bền vững và các vị trí hoạt động còn lại của phenol tiếp tục phản ứng với fomandehyt để tạo ra các mono, di, tri hydroxy phenol. Hỗn hợp rượu phenolic này sẽ ngưng tụ tạo nhựa rezolic: 3.2.Phản ứng tạo nhựa novolac. Nhựa novolac tạo thành trong điều kiện môi trường phản ứng là axit. Cơ chế phản ứng như sau: Ion metylol sẽ tấn công vào vị trí giàu điện tử của phenol. Trong môi trường axit các metylol phenol không bền chúng tương tác với ion H+ tạo ion metylolphenol. Hoặc chúng ngưng tụ với nhau tạo cầu nối metylen. 3.3. Điều kiện ngưng tụ nhựa. Phản ứng ngưng tụ nhựa của phenol và fomandehit là phản ứng từng bậc vì vậy ta có thể tách các sản phẩm và nghiên cứu các sản phẩm ban đầu tương đối ổn định. Qua nhiều thí nghiệm thấy rằng các điều kiện như : cấu tạo hoá học của nguyên liệu, tỷ lệ cấu tử, môi trường phản ứng ảnh hưởng quyết định đến quá trình tạo thành và các tính chất của nhựa. 3.3.1. Điều kiện ngưng tụ nhựa rezolic. Nhựa rezolic tạo thành trong điều kiện : Môi trường phản ứng là môi trường kiềm. Tỷ lệ Phenol / fomandehit > 1 (dư phenol). Phenol phản ứng có ba vị trí hoạt động. Xúc tác cho phản ứng: Các xúc tác thường dùng là : NaOH, Ba(OH)2, NH4OH,.. NaOH: Là xúc tác mạnh , dùng với lượng nhỏ (0,1%), NaOH còn có tác dụng làm cho các sản phẩm đa tụ ban đầu dễ hoà tan trong môi trường phản ứng. Nhược điển của loại xúc tác này là cần phải tiến hành trung hoà kiềm còn lại trong nhựa.Vì còn kiềm dư trong nhựa làm giảm các tính chất kĩ thuật của nhựa: mầu sắc, độ bền nước, tính chất cách điện,.. Ba(OH)2: là xúc tác yếu hơn NaOH nên dùng với lượng nhiều hơn (1-1,5%), Ba(OH)2 dễ trung hoà bằng CO2, muối trơ còn lại trong nhựa không ảnh hưởng đến các tính chất kĩ thuật của nhựa. Do tác dụng xúc tác yếu hơn nên dễ khống chế tốc độ phản ứng ngưng tụ . NH4OH: Thường sử dụng ở dạng dung dịch amoniac 25%. Là xúc tác phổ biến được sử dụng để tổng hợp nhựa rezolic ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. NH4OH kết hợp với fomandehit tạo thành urotropin vì vậy ta có thể sử dụng trực tiếp urotropin làm xúc tác. Hàm lượng thường lấy từ 0,5 - 3% so với phenol. Sử dụng dung dịch amoniac để dễ khống chế tốc độ phản ứng nhưng có nhược điểm là sản phẩm dễ bị rộp trong quá trình ép nóng do tạo khí NH3. Tỷ lệ cấu tử: Trong môi trường kiềm nếu dư phenol vẫn tạo thành nhựa rezolic. ở đây tỷ lệ cấu tử không không ảnh hưởng quyết định như với nhựa novolac. Hàm lượng các cấu tử được lấy gần với đương lượng phân tử. Khi tăng hàm lượng fomandehit thì tính chất của nhựa cũng thay đổi: tăng nhiệt độ nhỏ giọt, tăng tốc độ đóng rắn và giảm hàm lượng phenol tự do trong nhựa. Thành phần hoá học của các cấu tử : Đặc trưng hoá học của phenol tham gia phản ứng ngưng tụ thành rezolic ảnh hưởng lớn đến quá trình đa tụ : tốc độ đa tụ , tốc độ đóng rắn,.. Các phenol có ba vị trí hoạt động hoá học tham gia phản ứng rất mãnh liệt với fomandehit và tạo nhựa rezolic có độ nhiệt rắn cao. Nhựa đi từ phenol, m-crerol có tốc độ đóng rắn cao. Fomandehit thường sử dụng ở dạng dung dịch với nước gọi là focmalin, nồng độ fomandehit 37- 40%, trong focmalin chứa 7- 12% metanol đóng vai trò chất bảo quản. Sự có mặt của metanol làm giảm hiệu suất ngưng tụ, nồng độ fomandehit tỷ lệ với tốc độ phản ứng.Vì vậy hàm lượng metanol trong focmalin càng thấp, hàm lượng fomandehit càng cao thì tốc độ phản ứng càng mạnh. 3.3.2.Điều kiện tạo nhựa novolac: Nhựa novolac tạo thành trong điều kiện: Phenol có 2 hoặc 3 vị trí hoạt động. Tỷ lệ phenol / fomandehit >1 (dư phenol). Môi trường phản ứng là môi trường axit . Xúc tác :[3] Các loại xúc tác hay dùng là : HCl, H2SO4, axit osalic,.. HCl : Nồng độ HCl trong môi trường phản ứng là 0,1- 0,3%, PH môi trường phản ứng từ : 2,2 – 1,8. Phản ứng đa tụ toả nhiệt lớn nên HCl cần đưa vào thành nhiều lần. HCl có ưu điểm là khi sấy sẽ tách khỏi hỗn hợp cùng với hơi nước nhưng nhược điểm của nó là ăn mòn thiêt bị. H2SO4 : Axit này chỉ được sử dụng trong thường hợp đặc biệt. Tác dụng xúc tác của axit sunfuric kém hơn axit HCl và khi sấy axit H2SO4 còn lại trong nhựa vì vậy phải tiến hành trung hoà axit , các muối trơ còn lại trong nhựa làm ảnh hưởng đến mầu sắc của nhựa. Axit H2SO4 gây ăn mòn thiêt bị rất lớn. Axit osalic: Là axit hữu cơ phân ly yếu, hoạt tính xúc tác kém nên được sử dụng với lượng lớn. Quá trình phản ứng xảy ra êm dụi, dễ điều chỉnh hơn nhưng thời gian phản ứng lại lớn hơn rất nhiều so với axit vô cơ. Nhựa tạo thành có mầu sáng và bền ánh sáng hơn. Axit focmic: Axit focmic luôn có trong fomalin nhưng hàm lượng thấp không đủ để đảm bảo tốc độ phả ứng cần thiết. Vì vậy khi tiến hành đa tụ ở áp suất thường và nhiệt độ sôi của hỗn hợp cần phải thêm axit để đảm bảo PH môi trường xuống 2,2-1,8. Nếu tiến hành phản ứng ở áp suất và nhiệt độ cao thì quá trình xảy ra khá nhanh và không cần thêm axit xúc tác. Trong thực tế axit HCl được sử dụng chủ yếu để sản xuất bột ép và axit osalic thường dùng để sản xuất novolac cho công nghiệp sơn. Tỷ lệ cấu tử: Nhựa novolac chỉ nhận được trong điều kiện thừa phenol. Trong sản xuất tỷ lệ phenol:fomandehit thường lấy là 6:5 hoặc 7:6. Lượng fomandehit càng gần với phenol thì nhiệt độ chảy mềm, trọng lượng phân tử trung bình, độ hoá rắn nhiệt của nhựa novolac tạo thành càng cao, lượng phenol tự do trong nhựa càng giảm ( lượng phenol tự do trong nhựa càng nhỏ nhựa càng dễ chuyển thành nhựa rezolic). Điều kiện sấy và đa tụ: Quá trình đa tụ nhựa tạo thành không tan trong hỗn hợp phản ứng, có thể kết thúc quá trình đa tụ khi có sự phân lớp. Nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy nếu kéo dài thời gian đa tụ thì phản ứng giữa phenol và fomandehit triệt để hơn, trọng lượng phân tử trung bình và hiệu suất tạo nhựa cao hơn ( phản ứng đa tụ tiến hành từng bậc). Quá trình sấy ngoài mục đích tách nước và các cấu tử không tham gia phản ứng : phenol, fomandehit, axit,..còn có tác dụng làm cho phản ứng tiến hành sâu hơn ở nhiệt độ cao. Quá trình sấy gồm các giai đoạn sau: Đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ sôi. Cho bay hơi ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp. Xử lý nhiệt : nâng nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của hỗn hợp. Thời gian xử lý nhiệt và nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến độ nhớt, nhiệt độ chảy mềm, hàm lượng phenol tự do.[5] 4.ứng dụng. [11] Nhựa phenolic được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là sản xuất chất dẻo từ nhựa phenolic để làm các loại vật phẩm . 4.1.Chất dẻo. Thành phần chính của chất dẻo là nhựa phenolic có thể ở dạng novolac hoặc rerolic ngoài ra còn có các chất phụ gia : chất màu, chất hoá dẻo,…Căn cứ vào phụ gia và mức độ nghiền nhỏ phân thành các loại sau: dạng bột, dạng sợi, mảnh vụn và dạng lớp. Phương pháp gia công thường sử dụng là phương pháp ép. Bột ép: thường sử dụng để sản xuất các vật phẩm thông dụng hay công dụng đặc biệt. Bột ép có thể sản xuất bằng phương pháp trục vít, trục cán thông thường. Phụ gia thường dùng là mạt cưa (đa phần), sợi amian nhỏ, bột mica, thạch anh. Theo công dụng phân thành các loại bột ép sau: - Bột ép làm các sản phẩm kĩ thuật và dân dụng thường từ nhựa novolac có độ chịu lực, chịu nhiệt, cách điện, kém. - Bột ép làm các sản phẩm cách điện: hầu hết là từ zerolic. Sản phẩm cách điện chịu được điện áp và nhiệt tương đối cao (20Kv , 200oC). - Bột ép làm các sản phẩm đặc biệt có độ bền nước và độ chịu nhiệt cao. Vật liệu ép lớp: Chủ yếu để sản xuất vật liệu dạng tấm và dạng ống.Tuỳ thuộc phụ gia mà chất dẻo ở các dạng khác nhau: testolit ( phụ gia là vải, sợi bông ), thuỷ tinh testolit ( phụ gia là vải thuỷ tinh). Vật liệu sợi ép: Chủ yếu đi từ rerolic và phụ gia sợi làm tăng một số tính chất cơ học: độ dẻo, độ chịu va đập,…sợi làm phụ gia có thể là sợi bông, sợi thuỷ tinh. Vật liệu ép với phụ gia thô ( mảnh vụn ): đi từ rerolic và phụ gia là mảnh vụn: vải, giấy,…Sản phẩn có độ dẻo và chịu va đập. Vật liệu ép từ nhựa phenolic có nhược điểm là chịu axit kém, dòn, các tính chất cách điện phụ thuộc nhiệt độ. Để tăng cường các tính chất này người ta thường sử dụng phối hợp với các nhựa khác polyvinylclozit, cao su thiên nhiên. 4.2.Phao-lit. Phao-lit là loại vật liệu chịu axit tốt, sản xuất từ nhựa phenolfomandehit dạng rerzolic có mặt chất phụ gia. Các phụ gia chủ yếu để sản xuất phao-lit là : cát, grafit, amian antoxilit. Phao-lit được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để lót và chế tạo các thiêt bị hoá học: thùng chứa, nồi phản ứng, tháp hấp phụ,.. 4.3.Keo dán. Nhựa phenolfomandehit được ứng dụng để sản xuất keo dán cho các loại vật liêu như : gỗ, kim loại, chất dẻo, gốm, sứ, thuỷ tinh,..Nhựa rerolic thường sử dụng ở dạng tan trong rượu họăc nhũ tương trong nước. Keo phenolic có tính kết dính cao, chụi được ẩm và các loại nấm mốc song có nhược điểm là màng keo dán dòn, độ bền mối dán kết cấu thấp. Hiện nay chủ yếu sử dụng keo phenolfomandehit kết hợp với các loại polyme khác : urefomandehit, epoxy, polyvinylaxetan, cao su, nilon,.. 4.4. Một số ứng dụng khác. Phần lớn các sản phẩm từ nhựa phenolic được ứng dụng vào các lĩnh vực kể trên, ngoài ra còn một số ứng dụng khác như : Sử dụng làm chất dẻo bọt, sản phẩm có tỷ trọng thấp 0,015 – 0,32g/cm3, có nhiều đặc tính tốt sử dụng trong công nghiệp xây dựng. Dùng làm nguyên liệu sản xuât màng sơn, vecni. Bên cạnh đó nhựa novolac cũng được sử dụng cho các sản phẩm : Chi tiết cho động cơ, hoả tiễn. Phanh, lớp đệm mối nối chịu nhiệt > 500oC. Thiết bị điện dùng trong gia đình chịu nhiệt độ cao. Đầu chế hoà khí. Nắp đầu xilanh của động cơ xe. Sử dụng phối trộn với các chất phụ gia để tạo ra nhiều loại vật liệu có tính chất tốt: dẫn nhiệt cao, vật liệu dẫn từ, vật liệu bán dẫn,.. [5] 5. Sản xuất nhựa novolac. Nhựa novolac có thể được xuất theo hai phương pháp là liên tục và gián đoạn đi từ các nguyên liệu đầu là focmalin, phenol, phenol hỗn hợp với các phenol khác. Các đơn phối liệu để sản xuất nhựa novolac có thể khác nhau nhiều tuỳ từng nhãn hiệu nhựa nhưng quá trình sản xuất đều tuân theo qui trình ngưng tụ. Qui trình sản xuất nhựa novolac có thể phân thành các giai đoạn sau: Đưa nguyên liệu vào thiết bị phản ứng. Trộn hợp phenol và fomalin thành hỗn hợp đồng nhất. Cho xúc tác vào hỗn hợp phản ứng. Ngưng tụ phenol và focmalin ở nhiệt độ 98-100oC. Khử nước trong chân không và xử lý nhiệt. Thêm các chất bổ trợ và tiến hành rót nhựa. Trong công nghiệp có thể sản xuất novolac theo phương pháp không xúc tác và dưới áp suất cao. Khi đó axit focmic trong focmalin đóng vai trò chất khởi đầu, tốc độ phản ứng ở áp suất cao lớn hơn so với áp suất thường nhưng trong thực tế sản xuất năng suất thiết bị ở áp suất thường cao hơn ở áp suất cao. Khi tiến hành trùng ngưng ở áp suất cao thì phenol phải sử dụng dư nhiều (phenol : fomandehyt là 100:26 theo trọng lượng ). Hiệu suất khi đó đạt 85-92% nhưng hàm lượng phenol tự do trong nhựa vẫn cao. Để khắc phục cho thêm vào axit osalic thì hiệu suất đạt 107% và nhiệt độ phản ứng 180oC.  5.1. Sản xuất nhựa novolac theo phương pháp liên tục. Quá trình sản xuất mà hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào liên tục sẩn phẩm phản ứng cũng được lấy ra liên tục thông qua một hệ thiết bị nối tiếp nhau. Trong thời gian phản ứng nồng độ các cấu tử trong một thể tích nào đó không thay đổi theo thời gian. Quá trình sản xuất liên tục có thể phân thành: quá trình liên tục từng bậc và quá trình dòng liên tục. Quá trình liên tục từng bậc: Là quá trình liên tục xảy ra từng bậc trong một dãy thiết bị nối tiếp nhau thành một hệ tác dụng liên tục. Đặc điểm của quá trình là nồng độ các cấu tử không thay đổi trong toàn bộ thể tích của thiêt bị sau khi đạt đến trạng thái ổn định. Sự thay đổi nồng độ của các cấu tử ban đầu và sản phẩm cuối cùng xảy ra từng bậc trong cả dãy thiết bị, ở mỗi thiêt bị hỗn hợp phản ứng và chất lỏng chảy ra có thành phần đồng nhất. Phương pháp liên tục đòi hỏi tính toán thiết bị rất phức tạp, trong nhiều trường hợp có thể tiến hành phản ứng trong các tháp có ngăn phân chia, mỗi ngăn tương ứng với một thiết bị riêng biệt. Hỗn hợp nguyên liệu liên tục đi vào ngăn đầu tiên và liên tục đi ra ở ngăn cuối cùng. Xúc tác thường đưa vào từ ngăn đầu tiên, một số trường hợp nhiệt độ phản ứng toả ra mạnh để phân phối nhiệt đều trong thiết bị phản ứng thì xúc tác được đưa vào từng ngăn. Phương pháp dòng liên tục: Quá trình trong đó nồng độ các cấu tử thay đổi trong toàn bộ không gian phản ứng cũng giống như trong quá trình liên tục từng bậc, đối với quá trình này nồng độ hỗn hợp phản ứng không thay đổi trong suốt thời gian phản ứng. Quá trình dòng liên tục thường tiến hành trong thiết bị dạng ống. 5.2. Sản xuất novolac theo phương pháp gián đoạn. Nguyên tắc làm việc của phương pháp gián đoạn: Nguyên liệu từ các thùng chứa trong phân xưởng nhờ bơm bơm lên các thùng lường trọng lượng rồi từ đó đi vào thiết bị phản ứng. Axit từ thùng cao vị đưa vào thùng lường trọng lượng hoặc thể tích. Hỗn hợp phản ứng được khuấy đều, thêm xúc tác đến PH yêu cầu (1,6-2,5). Đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 55-60oC sau đó ngừng cấp hơi vì nhiệt độ hỗn hợp phản ứng tự tăng do phản ứng toả nhiệt. Khi nhiệt độ hỗn hợp đạt 98-100oC thì hỗn hợp bắt đầu sôi và ngừng khuấy, cho nước vào vỏ bọc ngoài của thiết bị để làm lạnh nhưng phải đảm bảo hỗn hợp phản ứng sôi nhẹ.Sau một thời gian ( khoảng 20 phút ) tiếp tục cho khuấy và thêm xúc tác. Duy trì phản ứng và tiến hành lấy mẫu kiểm tra tỷ trọng của nhựa tới khi đạt yêu cầu. Trong quá trình phản ứng từ khi đun nóng đến lúc sôi, tỷ trọng, độ nhớt của hỗn hợp phản ứng thay đổi không đáng kể, do trọng lượng phân tử trung bình thấp tan được trong fomalin. Cùng với thời gian phản ứng nhựa tạo thành có khối lượng phân tử tăng dần, khó hoà tan trong nước, phenol, fomalin không thâm gia phản ứng. Sau khi sôi khoảng một giờ lượng phenol và fomandehyt không tham gia phản ứng giảm không đáng kể, độ nhớt của nhựa tăng lên là do cácc sản phẩm thấp phân tử ngưng tụ với nhau.Giai đoạn sấy nhựa nhằm mục đích khử nước, metanol, xúc tác dễ bay hơi, phenol, fomalin và các sản phẩm phụ. Nhựa được xử lý nhiệt bằng hơi nước có áp suất vào vỏ bọc ngoài của thiết bị. Hiệu suất nhựa đạt được105-110% so với trọng lượng nhựa. Tóm lại đối với đỗi phương pháp sản xuất đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Do vậy việc lựa chọn phương pháp sản xuất nào tuỳ thuộc vào mục đích, yêu cầu về sản phẩm, yêu cầu về tri phí đầu tư , .. Đối với phương pháp liên tục đòi hỏi hệ thống thiết bị rất phức tạp, tính toán rất chính xác, năng lượng tiêu tốn nhiều, hiệu suất không cao.Tuy nhiên phương pháp này cho năng suất cao. Đối với phương pháp gián đoạn hệ thống thiết bị đơn giản hơn, cho hiệu suất cao, chi phí kinh tế ít hơn phương pháp liên tục nhưng cho năng suất không cao, độ đồng đều của sản phẩm kém.Thực tế sản xuất phương pháp gián đoạn thường được ứng dụng nhiều vì tính kinh tế cao, dây chuyền sản xuất đơn giản và đặc biệt là an toàn về môi trường ( hàm lượng metanol và phenol tự do có trong nước thải). Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn (trang bên). Chương 2 Tính Toán kĩ thuật 2.1. Tớnh phối liệu và cõn bằng vật chất. 2.1.1.Đơn phối liệu Nhựa novolac được sản xuất theo phương pháp gián đoạn, đơn phối liệu như sau: Phenol 96%: 100 phần trọng lượng. Focmandehyt 37% 70 phần trọng lượng. HCl 6N 1 phần trọng lượng. 2.1.2.Cõn bằng vật chất Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa novlac: Nguyên liệu Đa tụ Lọc Sấy Sản phẩm Giả thiết tổn hoa qua các công đoạn như sau: Nạp liệu: 0,5%. Đa tụ: 1%. Lọc, tách: 0,5%. Sấy: 0,5%. Đóng gói sản phẩm: 0,5%. Thời gian làm việc: Tổng số ngày trong năm: 365. Nghỉ thứ bảy, chủ nhật: 104. Nghỉ lễ, tết: 7. Nghỉ bảo dưỡng: 14. Tổng số ngày làm việc trong năm: 365-125 =240 (ngày). Năng suất thiết bị trong một ngày là: (tấn/ngày). 2.1.2.1.Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm. Từ số lượng một tấn sản phẩm tính ngược lại để biết nguyên liệu đầu cần dùng. Công đoạn đóng ngói sản phẩm: Công đoạn này tổn hao 0,5% nên sản lượng cần sản xuất trước khi đưa vào công đoạn này là: (kg). Lượng tổn hao là: 1005 – 1000 = 5 (kg). Công đoạn sấy: Công đoạn này tổn hao 0,5% nên sản lượng trước khi sấy là: (kg). Lượng tổn hao là: 1010 – 1005 = 5 (kg). Công đoạn lọc và tách nước: Công đoạn này tổn hao 0,5% nên sản lược cần thiết là: (kg). Lượng tổn hao là: 1015 – 1010 = 5 (kg). Công đoạn đa tụ: Công đoạn này tổn hao 1% nên sản lược cần thiết là: (kg) Lượng tổn hao là: 1025,26 – 1015 = 10,26 (kg). Công đoạn nạp liệu: Công đoạn này tổn hao 0,5% nên sản lược cần thiết là: (kg). Lượng tổn hao là: 1030,4 – 1025,26 = 5,14 (kg). Vậy tổng tổn hao cả quá trình là 3%. Từ đơn phối liệu: 100 kg phenol phản ứng với 27 kg focmalin và 1 kg HCl thu được 113 kg nhựa Novolac. Lượng phenol 100% cần thiết để tạo ra 1030,4 kg nhựa Novolac là: (kg) Lượng phenol 96% cần thiết để tạo ra 1030,4 kg nhựa Novolac là: (kg). Lượng Focmalin 100% cần để tạo ra 1030,4 kg nhựa Novolac là: (kg). Lượng Focmalin 37% cần để tạo ra 1030,4 nhựa Novolac là: (kg). Lượng xúc tác cần thiết là: (kg). Cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm. Nguyên liệu Lượng vào(kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) Phenol 96% 949,85 1000 28,49 Focmalin 37% 665,4 19,96 HCl 6N 9,12 0,27 Bảng cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Phenol 96% 1187,31 1250 nhựa Novolac Focmalin37% 831,75 HCl 6N 11,4 Bảng cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất. Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Phenol 96% 284955 300.000 nhựa Novolac Focmalin 37% 199620 HCl 6N 2736 2.2.Tính toán thiết bị 2.2.1.Tính toán thiết bị chính. 2.2.1.1.Tính các kích thước của tháp. Tính thể tích làm việc của tháp: Hỗn hợp phản ứng gồm ba cấu tử: phenol, dung dịch focmalin, axít xúc tác. Thể tích của thấp tính theo công thức sau: Vhh=Vhh Trong đó Ghh: khối lượng hỗn hợp phản ứng. Vhh: thể tích hỗn hợp phản ứng. rhh : khối lượn riêng của hỗn hợp phản ứng. rhh =0,01(r1a1+r2a2 +r3a3 +….). [7,Tr.14] Trong đó : r1 ,r2 ,r3: khối lượng riêng của từng cấu tử._.