畢業(yè)設(shè)計---年產(chǎn)200噸摩擦材料用改性熱固性酚醛樹脂的工藝設(shè)計

1、目錄摘要1前言21 選題背景21.1 概述21.2 桐油的物理化學(xué)性質(zhì)31.3 改性樹脂用于摩擦材料行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀41.3.1 摩擦材料的發(fā)展現(xiàn)狀41.3.2 桐油改性樹脂的發(fā)展現(xiàn)狀51.3.3 桐油改性熱固性酚醛樹脂的應(yīng)用前景52 桐油改性酚醛樹脂的生產(chǎn)方法62.1 生產(chǎn)方法的評述62.2 桐油一苯酚一甲醛反應(yīng)（烷基化反應(yīng)）機(jī)理的探討72.3 配方的選擇92.4 工藝流程103 第一反應(yīng)釜的設(shè)計113.1 一生產(chǎn)周期生產(chǎn)能力113.2 第一反應(yīng)釜的物料與熱量衡算113.2.1 物料衡算113.2.2 熱量衡算123.3 第一反應(yīng)釜的機(jī)械設(shè)計133.3.1 反應(yīng)釜的體積計算133.3.2 反應(yīng)

2、釜筒體的設(shè)計133.3.3 封頭法蘭的選取153.3.4 墊片的選取153.3.5 支座的選取153.3.6 水壓試驗及強(qiáng)度校核163.3.7 手孔、視鏡、補(bǔ)強(qiáng)圈163.3.8 攪拌設(shè)備的計算173.3.9 接管194 第二反應(yīng)釜的設(shè)計204.1 第二反應(yīng)釜的物料衡算與熱量衡算204.1.1 物料衡算204.1.2 熱量衡算214.2 第二反應(yīng)釜的機(jī)械設(shè)計214.2.1 反應(yīng)釜的體積計算214.2.2 反應(yīng)釜筒體的設(shè)計224.2.3 封頭法蘭的選取244.2.4 墊片的選取244.2.5 支座的選取244.2.6 水壓試驗及強(qiáng)度校核244.2.7 手孔、視鏡、補(bǔ)強(qiáng)圈254.2.8 攪拌設(shè)備的計

3、算264.2.9 接管275 真空泵的選擇與計算286 三廢處理和安全生產(chǎn)286.1 環(huán)境保護(hù)286.1.1 廢氣處理296.1.2 廢水治理306.2 安全生產(chǎn)316.2.1 應(yīng)急監(jiān)測及處理處置方法326.2.2 防火與防爆33參考文獻(xiàn)34附錄36致謝37黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）年產(chǎn)200噸摩擦材料用改性熱固性酚醛樹脂的工藝設(shè)計摘要綜述了摩擦材料用改性酚醛樹脂的研究進(jìn)展，并綜述了桐油改性的應(yīng)用新進(jìn)展，介紹了近幾年來桐油改性的研究成果，展望了桐油改性的開發(fā)及應(yīng)用前景。綜述了桐油改性酚醛樹脂的合成機(jī)理與結(jié)構(gòu)表征。通過桐油和苯酚在催化劑存在下的反應(yīng)，然后再在堿性催化劑存在下與甲醛反應(yīng)制得一種

4、桐油改性甲階酚醛樹脂。用此酚醛樹脂制作的剎車片摩擦系數(shù)大、摩擦性能穩(wěn)定、磨損率低。同時介紹了桐油改性熱固性酚醛樹脂生產(chǎn)基本情況及年產(chǎn)200 噸合成工藝系統(tǒng)流程，介紹了桐油改性熱固性酚醛樹脂的合成基本原理，反應(yīng)機(jī)理生產(chǎn)方法及工藝流程的概述和工藝合成的基本方法，并且對設(shè)備進(jìn)行物料，熱量衡算和工藝計算。關(guān)鍵詞：合成；工藝流程；生產(chǎn)方法。AbstractDevelopment of modified phenolic resin used for friction material was reviewed.Some new developments in the modification of tu

5、ng oil are elaborated in the article.Advances in the modification of tung oil in recent year are outlined.The exploitations and applications in the modification of tung oil are prospected.The synthesis、mechanism and characterization of phenol-formaldehyde resins modified with tung oil was reviewed.T

6、he resol resin modified with tung oil was prepared successfully by means of reaction of tung oil and phenol in the presence of a catalyst first,and then reaction with formaldehyde in the presence of a basic catalyst.The brake block applied by modified resin had great friction coefficient、stabilized

7、fricition property and low wear rate.This paper introduces the basic production of the resol resin modified with tung oil and the system processes of 200 tons annual production capacity, introduced the basic synthesis principle of the resol resin modified with tung oil, reaction mechanism, productio

8、n methods ，process technology exposition and the basic method of synthesis, and the equipment materials, and process heat balance calculation.Key words: Synthesis; Process; Production methods.前言摩擦材料廣泛應(yīng)用于各種交通工具和工程機(jī)械的離合器和制動器中，使用環(huán)境苛刻，如高溫、高沖擊、與水和油介質(zhì)接觸。摩擦材料通常由粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑四大組元構(gòu)成，其中粘結(jié)劑一般選用樹脂和改性物。樹脂作

9、為摩擦材料的基體組元起著至關(guān)重要的作用，它把各種組分有機(jī)地粘結(jié)在一起，并傳遞和均勻載荷，但它是熱穩(wěn)定性能最差的組元，易受熱而降解，導(dǎo)致制品失效。樹脂基體作為粘結(jié)劑，對摩擦材料的熱衰退性能、恢復(fù)性能、摩擦性能和力學(xué)性能有著直接的影響。因此，樹脂粘結(jié)劑的選用直接影響到摩擦材料的各項性能，尤其是高溫摩擦磨損性能。隨著車速與承載能力的提高，對基體樹脂提出了更高的要求，近代摩擦材料的配方設(shè)計越來越趨向于選用高性能的樹脂粘結(jié)劑并盡量減少樹脂的含量，這既有利于改善摩擦材料的熱性能又可以降低成本。張揚(yáng)1等研究發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂具有良好的耐熱性和力學(xué)性能，原料易得，價格便宜，生產(chǎn)設(shè)備簡單，一直是摩阻材料最重要的樹脂基

10、體，應(yīng)用于摩阻材料模量高、強(qiáng)度較低，使用時噪音較大，且熱分解溫度低，摩擦層的分解殘留物性能不穩(wěn)定?，F(xiàn)在的摩擦材料用粘結(jié)劑主要采用改性酚醛樹脂，近代改性方法有很多，丁 橡膠改性酚醛樹脂、腰果殼油改性酚醛樹脂、桐油改性酚醛樹脂、亞麻油改性酚醛樹脂、含Si微粒增韌酚醛樹脂、硼化合物改性酚醛樹脂、纖維增強(qiáng)酚醛樹脂（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、金屬纖維、混雜纖維、無機(jī)化合物晶須、蛭石及其他纖維）。1 選題背景1.1 概述蒲俠2等研究發(fā)現(xiàn)桐油是桐油（Aleurites fordii）樹種子中的主要產(chǎn)物，最重要的工業(yè)原料和傳統(tǒng)的出口商品。我國桐油年產(chǎn)量達(dá)10萬t以上，占世界桐油產(chǎn)量的80%，占世界銷售量的6

11、0%，我國不僅是世界上最大的桐油生產(chǎn)國，而且是桐油種植資源最豐富的國家。據(jù)全國桐油種植資源普查材料介紹，截止1998年底，我國桐油品種供有151個。我國桐油品種不但產(chǎn)量高，而且油質(zhì)好，絕干桐籽含油量在50%以上，絕干桐仁含油率可高達(dá)68%。主要性能指標(biāo)如：酸價、碘價、皂化價、折光指數(shù)均為最佳，素有“中國桐油”之稱。在各種油類中，桐油的干性最好，它的油膜具有堅固不粘、附著力強(qiáng)、耐力、耐堿、耐日光大氣等性能，廣泛添加于涂料、清漆及相關(guān)物質(zhì)中。桐油是我國的優(yōu)勢林產(chǎn)資源，桐油的原料來源充足、性能穩(wěn)定、價格低廉，因此筆者采用桐油對酚醛樹脂進(jìn)行改性，以提高酚醛樹脂的韌性、耐熱性，并將改性酚醛樹脂用于剎車片

12、中，試驗證明，該樹脂可以改善剎車片的性能，簡化生產(chǎn)工藝，并降低成本。邵美秀3等研究發(fā)現(xiàn)由于桐油改性酚醛樹脂柔韌性提高,從而使剎車片與摩擦對偶的抱合性提高了,于是接觸面增加,導(dǎo)致低溫摩擦系數(shù)提高;當(dāng)制動過程導(dǎo)致摩擦表面溫度急劇上升時,剎車片中的基體樹脂在高溫下熱分解出焦油狀物質(zhì)覆蓋在摩擦表面起到潤滑作用;另一方面熱分解揮發(fā)出的水分、有機(jī)物等在摩擦表面產(chǎn)生擠壓力,降低了有效接觸壓力,從而使摩擦系數(shù)有所下降;在降溫恢復(fù)過程中,摩擦表面殘留的樹脂分解物已被碳化,形成了一種較穩(wěn)定的碳化膜,該膜層堅實、柔韌、不易脫落,從而保證了摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。桐油改性酚醛樹脂主要用作耐磨材料的粘結(jié)劑，廣泛應(yīng)用于汽車、火車

13、飛機(jī)等交通運輸工具的制動系統(tǒng)中。1.2 桐油的物理化學(xué)性質(zhì)表1-1 桐油的物理性桐油化學(xué)性質(zhì)：顏色形態(tài)特性主要成分密度沸點組成黃棕稠甘油性桐酸甘油酯925-942-33.5亞油酸3.0亞麻酸80桐酸桐酸：學(xué)名十八碳-9,11,13-三烯酸。亞麻酸的最重要異構(gòu)體。白色晶體。分子中有三個共軛雙鍵。有多種順反異構(gòu)體，其中-桐（油）酸和-桐（油）酸最為重要。-桐（油）酸，熔點48-49。不溶于水，溶于乙醇和乙醚。在日光、空氣等中不穩(wěn)定。易受氧化。受日光、硫、硒、硫化物、硒化物等的作用而轉(zhuǎn)變?yōu)?桐（油）酸。其甘油酯是桐油的主要成分。-桐（油）酸，熔點71。不溶于水，較難溶于乙醇和乙醚。較穩(wěn)定。不易受氧化

14、。能起加成反應(yīng)。氫化時最后變?yōu)橛仓帷?桐（油）酸由桐油經(jīng)水解后用乙醇分步結(jié)晶而得。-桐（油）酸由將-桐（油）酸轉(zhuǎn)化而制得。桐油的分子量573，比重15°/250.939一0.943，碘值165，折光率1.515，碘值0.2一0.7。桐油的基本組成為十八碳共扼三烯一9，11，13酸(桐酸)的甘油醋。其分子式為：分子中的共扼雙鍵具較大的反應(yīng)活性。利用桐油與苯酚反應(yīng)，然后再在堿性條件下與甲醛反應(yīng)制成樹脂，用此類樹脂與棉纖維素紙或木漿纖維素紙制成層壓材料，制品具有較高的耐熱性，低的吸水率，優(yōu)良的絕緣性能和高的抗沖擊強(qiáng)度及低溫下可沖剪的加工性能。從而改善了制品的性能，增加了成品率，節(jié)約了能源

15、和原材料。1.3 改性樹脂用于摩擦材料行業(yè)的發(fā)展1.3.1 摩擦材料的發(fā)展現(xiàn)狀樹脂是摩擦材料的重要粘合劑，隨著現(xiàn)代摩擦材料的迅速發(fā)展，高性能的摩擦材料要求樹脂的粘結(jié)效率高，綜合性能好。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對摩擦材料的安全性、舒適性和耐磨性的要求也越來越高。其中摩擦材料在各種工況中的制動性能，入原始磨合特性，高溫時的抗熱衰退性能，恢復(fù)特性，壓力和速度特性等，均有很高的要求。更對制動噪音和震動方面提出嚴(yán)格的要求。近幾年來國外比較先進(jìn)的工藝、原材料、配方理論相繼登陸我國，許多外國摩擦材料公司紛紛在我國搶灘，國外企業(yè)不可避免要與國外企業(yè)競爭。用老的工藝、材料無法滿足新的要求。因此使用新材料、新工藝

16、、新的評估方法，是研究人員永久的課題。張劍4等研究發(fā)現(xiàn)用改性樹脂制成的剎車塊在高溫階段的磨損基本上得到了控制，磨損隨溫度的變化都比較小，在通常情況下高溫磨損比常溫磨損大得多，特別是樹脂含量比較低的時候。用改性樹脂制造的摩擦材料其摩擦性能與國外的材料相接近，磨損接近或低一些。用磷改性的無機(jī)改性酚醛樹脂比較適合金屬含量比較高的盤式剎車片。其摩擦穩(wěn)定性比較好。環(huán)氧改性樹脂一般以粘結(jié)效率比較高而著稱，國外有些配方或底料和背板粘結(jié)劑都有用環(huán)氧酚醛樹脂的，特別是樹脂含量比較低的時候。丁青橡膠改性樹脂對提供摩擦材料的耐磨性、制動效能，也有一定的作用。改性樹脂摩擦材料有比較好的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性。特別需要指出

17、的是配方中樹脂含量都是比較低的。低的樹脂含量要得到較好的耐磨性，配方體系就非常重要。目前國內(nèi)腰果油改性酚醛樹脂，橡膠改性酚醛，純腰果油液體樹脂已經(jīng)有一定的應(yīng)用，環(huán)氧和無機(jī)改性的酚醛樹脂用的比較少。對其粘結(jié)效率，耐溫性，高溫時有機(jī)物分解或滲出，這些性能與摩擦材料的衰退、同一制動過程的摩擦穩(wěn)定性，不同工況的摩擦穩(wěn)定性都有比較大的影響。改性樹脂，如環(huán)氧改性，磷酸鹽改性，對改善這些方面性能都有一定的作用。應(yīng)該進(jìn)一步對其進(jìn)行研究，一適應(yīng)現(xiàn)代摩擦材料對材料的安全性、耐磨性和舒適性的要求。1.3.2 桐油改性樹脂的發(fā)展現(xiàn)狀酚醛樹脂是一種最早發(fā)現(xiàn)并獲得廣泛應(yīng)用的合成樹脂，主要用作各種粘合劑、涂料和復(fù)合材料基體

18、樹脂等。然而，由于酚醛樹脂脆性大、吸水率高和耐熱性能欠佳等，限制了它的進(jìn)一步使用。為了制備新一代的基體樹脂，改善摩擦材料的性能，科學(xué)家們開展了桐油改性酚醛樹脂的系列研究。桐油改性酚醛樹脂主要有兩種方法：a桐油中的共軛三烯在酸催化下與苯酚發(fā)生陽離子烷基化反應(yīng)其中殘留的雙鍵由于空阻效應(yīng)，參加反應(yīng)的幾率很小。生成的產(chǎn)物在堿催化下進(jìn)一步與甲醛反應(yīng)，生成了桐油改性酚醛樹脂。該樹脂固化后，不但硬度降低，韌性提高，而且耐熱性也有一定的改善，耐熱指數(shù)提高30%，熱解活化能提高60%-80%b桐油與線型酚醛樹脂進(jìn)行加成反應(yīng)反應(yīng)溫度大于140，在高溫下，桐油能與羥甲基樹脂起加成反應(yīng)，生成苯并二氫化呋喃結(jié)構(gòu)，由其制

19、得的摩擦制件具有較理想的硬度和抗熱衰退性能。1.3.3 桐油改性熱固性酚醛樹脂的應(yīng)用前景桐油是一種珍貴的可再生植物資源，已在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。用桐油生產(chǎn)出的產(chǎn)品已達(dá)300多種，與桐油有關(guān)的產(chǎn)品也有上千種。由于它具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以可以發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)。桐油可以作為油脂肪漆的主要原料，在感光涂料、油墨用樹脂中也大有作為。蒲俠2等研究發(fā)現(xiàn)桐油改性的不飽和聚酯具有良好的空干性，可用于FRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）、涂料的基礎(chǔ)樹脂；桐油改性酚醛樹脂可用作為汽車、摩托車等機(jī)動車的剎車片基礎(chǔ)樹脂，具有極好的耐磨性；利用桐油改性酚醛環(huán)氧樹脂，此產(chǎn)品兼有桐油、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂路基板，開拓了桐油在

20、電子工業(yè)的新用途，是一種新型且具有一脂三者的優(yōu)點。近年來，岳陽化工廠環(huán)氧樹脂研究所采用將CYD-128與桐油按一定比例配合，在季銨鹽做催化劑的條件下反應(yīng)得到外觀棕紅的透明樹脂A組分，再將桐油酸酐與馬來酸酐和YH-306復(fù)配得澆鑄型和浸漬型改性酸酐B組分，將A、B組分澆鑄型和浸漬型改性酸酐B組分,將A、B組分混勻用于干式變壓器和互感器的工業(yè)應(yīng)用已取得成功。目前國內(nèi)幾大互感器/變壓器廠均使用該產(chǎn)品,效果比較理想。此外,桐油本身具有氧化聚合的特性,不但引發(fā)自身的聚合反應(yīng),而且還可帶動其他單體共聚。與引發(fā)劑(催化劑)引發(fā)的共聚合反應(yīng)相比,這是一種全新概念的“綠色”聚合方法,生成的產(chǎn)物可能具有一定的生物

21、降解功能。筆者正進(jìn)行這方面的研究,在不飽和油脂聚合過程中引入苯乙烯等單體,通過對反應(yīng)過程的控制,來控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu),可以得到一系列不同結(jié)構(gòu)的天然高分子與合成高分子相結(jié)合的產(chǎn)物,這種合成方法的研制成功,將是桐油應(yīng)用領(lǐng)域的一大突破。桐油分子中的三個共軛雙鍵,都含有一個離域的大鍵,我們預(yù)言這種開鏈體系將像過去100多年來苯的歷史一樣,會產(chǎn)生出數(shù)萬種衍生物,形成一個桐油族化合物,從而將發(fā)現(xiàn)一系列有利于健康的、生理的、生物的衍生物,并將在日用化學(xué)、合成樹脂、塑料、橡膠等許多領(lǐng)域大顯神通。總之,改性桐油的應(yīng)用前景極為樂觀。2 桐油改性酚醛樹脂的生產(chǎn)方法2.1 生產(chǎn)方法的評述（1）烷基化反應(yīng)a桐油-苯酚反應(yīng)產(chǎn)

22、物的合成往反應(yīng)釜中加入苯酚、酸性催化劑鹽酸并攪拌均勻,在快速攪拌下緩慢加入桐油,升溫至100110反應(yīng)3 h,停止加熱并在攪拌下冷卻至室溫,即得桐油-苯酚反應(yīng)產(chǎn)物。b桐油改性酚醛樹脂的合成在反應(yīng)釜中加入桐油-苯酚反應(yīng)產(chǎn)物,加熱攪拌,在50加入甲醛,攪拌均勻后再加入堿性催化劑氫氧化鈉,緩慢升溫至100110反應(yīng)2 h。當(dāng)反應(yīng)物出現(xiàn)黃色渾濁時,到達(dá)縮合終點,立即冷卻,到50時開始真空脫水。當(dāng)脫水量達(dá)到一定程度即樹脂液變成棕色透明時,立即停止脫水,加入適量的無水乙醇攪拌溶解,冷卻到室溫出料,即得桐油改性酚醛樹脂。（2）桐油與線型酚醛樹脂的加成反應(yīng)溫度大于140，在高溫下，桐油能與羥甲基樹脂起加成反應(yīng)

23、，生成苯并二氫化呋喃結(jié)構(gòu)，由其制得的摩擦制件具有較理想的硬度和抗熱衰退性能。2.2 桐油一苯酚一甲醛反應(yīng)（烷基化反應(yīng)）機(jī)理的探討余鋼5和焦揚(yáng)聲6等研究發(fā)現(xiàn)，在酸催化作用下，一桐酸甘油酯中的共軛三烯發(fā)生對苯酚核的烷基化反應(yīng)，或苯酚核對共扼三烯的親核取代反應(yīng)，酚輕基未參加反應(yīng)，酚核取代(或共扼三烯加成)位置為酚輕基的對位或鄰位，可按Markownikoff's規(guī)則推導(dǎo)產(chǎn)物分子的可能結(jié)構(gòu)式。第一步:由酸解離出的進(jìn)攻桐油而產(chǎn)生桐油陽離子(I) （I）第二步:由(I)與苯酚發(fā)生親電取代而形成化合物(II) （II） 第三步:按上述機(jī)理，另一分子苯酚加成到(I)，產(chǎn)生化合物(III)（III） （

24、IV） 殘留的一個雙鍵由于空間位阻較大，活性較低，因此，當(dāng)原料配比中苯酚的摩爾數(shù)足夠時，則每二分子苯酚能夠與桐油中的一個一桐酸基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，即1摩爾桐油大體可與6摩爾的苯酚發(fā)生反應(yīng)，其主要分子結(jié)構(gòu)可用(IV)表示。另一方面，在酸催化作用下，桐油也可能發(fā)生陽離子聚合:于是，體系中存在著桐油自聚與桐油對苯酚反應(yīng)之間的競爭。 第四步:在堿催化作用下，當(dāng)甲醛/苯酚摩爾比大于1時，則發(fā)生甲醛對酚核的加成反應(yīng).生成化合物(V) 第五步:化合物(V)進(jìn)一步縮聚形成甲階酚醛樹脂(VI) 顯然，當(dāng)桐油與苯酚反應(yīng)時，苯酚過量，即苯酚/桐油摩爾比大于6時，則體系中還會發(fā)生通常的苯酚一甲醛縮合反應(yīng)，生成普通的甲階酚醛

25、樹脂與桐油改性酚醛樹脂的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)( IPN )，從而可望改善酚醛樹脂的韌性和耐熱性。 （V） （VI） 2.3 配方的選擇查文獻(xiàn)7，我們采用如下的實例：將苯酚100公斤，桐油40公斤，50%的對甲苯磺酸水溶液0.4公斤，加入帶有攪拌器，溫度計及回流冷凝器的反應(yīng)釜內(nèi)，在攪拌中升溫至100110，反應(yīng)180分鐘，冷卻至室溫，加入與對甲苯磺酸等當(dāng)量的堿水溶液中和。在反應(yīng)釜中加入桐油-苯酚反應(yīng)產(chǎn)物,加熱攪拌,在50加入37%甲醛溶液100公斤,攪拌均勻后再加入堿性催化劑38%氫氧化鈉2.7公斤,緩慢升溫至100110反應(yīng)2 h。當(dāng)反應(yīng)物出現(xiàn)黃色渾濁時,到達(dá)縮合終點,立即冷卻,到50時，加入10%

26、的鹽酸中和，調(diào)PH至7開始真空脫水。當(dāng)脫水量達(dá)到一定程度即樹脂液變成棕色透明時,立即停止脫水,加入適量的無水乙醇攪拌溶解,冷卻到室溫出料,即得桐油改性酚醛樹脂。2.4 工藝流程苯酚桐油催化劑（對甲苯磺酸）攪拌反應(yīng)釜攪拌反應(yīng)釜甲醛催化劑（氫氧化鈉）鹽酸堿水溶液真空脫水無水乙醇桐油改性熱固性酚醛樹脂工藝流程簡圖參考附圖33 第一反應(yīng)釜的設(shè)計3.1 一生產(chǎn)周期生產(chǎn)能力除去大修、小修，年工作10個月，每月以30天計，一年有300個工作日。本設(shè)計采用間歇式反應(yīng)釜，一個生產(chǎn)周期預(yù)計要360分鐘，一天24個小時，算下來一年又300×24÷6=1200個工作周期，生產(chǎn)200噸桐油改性熱固性

27、酚醛樹脂的話，一生產(chǎn)周期至少要生產(chǎn)200÷1200=0.17噸改性樹脂。采用一套生產(chǎn)設(shè)備，建造2個反應(yīng)釜，一個生產(chǎn)桐油改性苯酚，一個生產(chǎn)桐油改性熱固性酚醛樹脂，一臺真空泵。3.2 第一反應(yīng)釜的物料與熱量衡算3.2.1 物料衡算3.2.1.1 原料配比原料配比擬為：每份桐油與六份苯酚反應(yīng)，同時過量苯酚有助于桐油改性熱固性酚醛樹脂提高韌性。桐油：苯酚=1:2.5桐油：甲醛溶液（37%）=1:2.5桐油的轉(zhuǎn)化率為95%進(jìn)口物料溫度為室溫，出口物料溫度為室溫。3.2.1.2 反應(yīng)釜進(jìn)出口物料組分反應(yīng)釜進(jìn)口物料組分：苯酚100公斤 桐油40公斤 對苯磺酸水溶液 0.4公斤反應(yīng)釜出口物料組分：苯

28、酚 桐油 催化劑 0.4公斤 表3-1 物料衡算項目苯酚桐油催化劑桐油改性苯酚按化學(xué)計算式計算需要量（mol）274.845.82.2345.8過量苯酚（mol）1063.845.8對于桐油轉(zhuǎn)化率95%時的轉(zhuǎn)化物質(zhì)261.0643.51產(chǎn)生物質(zhì)（mol）43.51未轉(zhuǎn)化物質(zhì)（mol）802.742.292.23總計（mol）進(jìn)入物料（mol）1063.845.82.23引出物料（mol）802.742.292.2343.513.2.2 熱量衡算熱量衡算是能量守恒定律的應(yīng)用，對過程分析可知，體系的熱效應(yīng)包括反應(yīng)放熱、產(chǎn)物反應(yīng)物吸熱、桐油和苯酚反應(yīng)放熱。所以使用下面的熱量衡算方程：Q1Q2Q3=Q

29、4Q5式中： Q1物料帶入的熱量 Q2反應(yīng)放出的熱量 Q3反應(yīng)釜吸收的熱量，反應(yīng)釜用天然氣加熱 Q4產(chǎn)物反應(yīng)物吸熱 Q5損失熱量，一般為5%常溫下物料帶入熱量，桐油的比熱容選用油酸的比熱容 ，苯酚100的比熱容，桐油改性苯酚的比熱容以苯酚的比熱容計算，即。則，反應(yīng)物與生成物吸收的熱量為 28448410J=28448.41KJ反應(yīng)為放熱反應(yīng)，以1mol物料為基準(zhǔn)，該反應(yīng)放出的熱量為：反應(yīng)斷裂6mol碳碳雙鍵，6mol碳?xì)滏I。生成6mol碳碳單鍵，6mol碳?xì)鋯捂I。碳碳雙鍵的鍵能為610.9KJ/mol，碳碳單鍵的鍵能為347.3KJ/mol反應(yīng)吸收的熱量為6×611-6×3

30、47=1584KJ/mol在配方中加入反應(yīng)釜中時，反應(yīng)吸熱為43.51×1584=68919.84KJ查得天然氣的摩爾燃燒焓為H=210.8 kcal/mol，為882377.6J/mol綜上 ，3.3 第一反應(yīng)釜的機(jī)械設(shè)計3.3.1 反應(yīng)釜的體積計算由反應(yīng)釜內(nèi)物料衡算的結(jié)果計算盛裝物料的容積（），查得原料的密度數(shù)據(jù)，桐油密度為925 ；苯酚密度為1071，所以 =40/925+100/1071=0.137根據(jù) V0=V· （3-1）式中： V0操作時盛裝物料的容積 V 罐體全容積 填裝系數(shù)取=0.7，則V=0.137/0.7=0.196 3.3.2 反應(yīng)釜筒體的設(shè)計3.3

31、.2.1 筒體材料的選擇在整個配方中桐油與苯酚反應(yīng)時沒有使用增壓條件，筒體中只有水蒸氣的飽和蒸汽壓力。100時水的飽和蒸汽壓為101.32 KPa。本反應(yīng)釜介質(zhì)中苯酚有弱酸性 ，設(shè)計溫度為110，設(shè)計壓力為常壓101KPa，則擬選用Q235B型碳素鋼板。3.3.2.2 確定筒體內(nèi)徑一般由工藝條件給定容積、筒體內(nèi)徑按式估算： m （3-2）式中： 工藝條件給定容積， 長徑比，當(dāng)反應(yīng)釜容積小時，為使筒體內(nèi)徑不致太小，以便在頂蓋上容易布置接管和傳動裝置，通常取最小值。由表4-211得取1.2 ，則 =4V/(H/Di)1/3=4×0.196/1.21/3=0.59m （3-3）將計算結(jié)果圓

32、整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，選取筒體直徑600mm 。3.3.2.3 筒體厚度的計算一般由筒體的內(nèi)徑，工藝給定的壓力筒體的厚度按式估算： （3-4）其中 Pd圓筒的設(shè)計壓力，MPa。反應(yīng)釜工作壓力為101KPa，且設(shè)計壓力取最大工作壓力的1.1倍7，所以Pc=1.1×101=111.1KPaDi圓筒的內(nèi)徑 t鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，查表得Q235B在110的t=113 MPa焊接接頭系數(shù)，1，考慮到苯酚對鐵有腐蝕作用，擬采用局部無損檢測，雙面焊對接接頭，則取=0.85所以=0.101×600/(2×113×0.85-0.1111)=0.315mm ，因為此

33、時厚度太小，不能滿足制造、運輸和安裝時的要求。為此筒體使用碳素鋼時的最下厚度（不包括腐蝕裕量）：=3mm ，取鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm，腐蝕欲量C2=1mm=3+1+0.8=4.8mm ，圓整后取=5mm 。3.3.2.4 筒體封頭的選型與計算筒體封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料也選為筒體封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料也選為Q235-B，公稱直徑DN=600mm，根據(jù)公式算得封頭厚度為： （3-5）則 0.315mm ，因為此時厚度太小，不能滿足制造、運輸和安裝時的要求。為此筒體使用碳素鋼時的最下厚度（不包括腐蝕裕量）：=3.00mm ，取鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm，腐蝕欲量C2=1mm ，n=3+1

34、+0.8=4.8mm圓整后取 n =5.00mm 查表2-2-612得：曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積,質(zhì)量。查表EH-1212的公稱直徑為600mm，厚度為5mm時需用外壓為1.08Mpa，符合設(shè)計工藝。3.3.2.5 校核根據(jù)資料取直邊高度為h0=25mm，且曲面高度。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭公稱直徑DN=600mm，時，其容積。且查表2-1-212得筒體直徑為600mm時的每一米高筒體容積為V1=0.283m3及每一米高筒節(jié)鋼板質(zhì)量為75kg。則筒體部分高度為： =(0.196-0.035)/0.283=0.56m （3-6）于是H/Di=0.56/0.6=0.95 復(fù)核結(jié)果基本符合。3.3.

35、3 封頭法蘭的選取根據(jù)DN=600mm，p=0.1-0.101MPa，查表3-1-112得應(yīng)選凹凸密封面甲型平焊法蘭。根據(jù)p=0.1-0.101MPa，t=110左右，查表3-1-512得法蘭材料適合選用板材Q235-B。法蘭結(jié)構(gòu)參考圖3-1-212,尺寸參考表3-1-2（A）12,采用24個M16型螺栓。查表3-1-2（B）12法蘭質(zhì)量為：凹面質(zhì)量，凸面質(zhì)量。法蘭標(biāo)記為：法蘭A-T 600-0.6 JB/T4701-2000 。3.3.4 墊片的選取擬采用突（凹凸）面密封面，墊片形式為耐油墊，墊片材料為耐油橡膠石棉板。尺寸參考表3-2-3112,結(jié)構(gòu)參考圖3-2-3012。標(biāo)注為：HG206

36、06 墊片 MFM 600-0.6 XB450/304連接螺栓：M16、 24個，螺栓材料:35 。螺母材料：353.3.5 支座的選取本反應(yīng)釜為立式容器，且反應(yīng)釜底部放料，由設(shè)計工藝數(shù)據(jù)查表3-3-1212擬采用耳式A1型支座。材料擬選用與筒體材料一樣的Q235-B。結(jié)構(gòu)參考圖3-3-1612,尺寸參考表3-3-912。3.3.6 水壓試驗及強(qiáng)度校核查得Q235B在鋼板厚度小于等于5mm時的屈服強(qiáng)度s=235MPa，則0.9s=211.5MPa。筒體水壓試驗壓力由PT=P0.1=0.2MPa，PT=1.25,P=0.125MPa，取二者中大值，為方便壓力表讀數(shù)，取PT=0.2MPa。筒體水壓

37、試驗時壁內(nèi)應(yīng)力：=Di(nc)/2(nc) （3-7）=0.2600(52.8)/2(52.8)×0.85=32.2MPa =K×Di0.5(nc)/2(nc) （3-8）=0.2600×0.90.5(52.8)/2(52.8)×0.85=28.9MPa 可見水壓試驗筒體內(nèi)應(yīng)力小于0.9s，水壓試驗安全。3.3.7 手孔、視鏡、補(bǔ)強(qiáng)圈3.3.7.1 手孔根據(jù)釜體的設(shè)計溫度、最高工作壓力、材質(zhì)、介質(zhì)及使用要求等條件，選用平蓋平焊法蘭手孔（JB589-79），手孔公稱直徑選DN=150mm，密封面采用A型密封面。手孔結(jié)構(gòu)參考圖3-4-912,尺寸參考表3-4

38、-912。密封面結(jié)構(gòu)尺寸參考表3-4-1112。質(zhì)量查表3-4-912得：表3-2 全平面的常壓手孔明細(xì)件號標(biāo)準(zhǔn)號名稱數(shù)量材料123456GB578186GB4186筒節(jié)法蘭墊片蓋螺栓M20×70螺母M20×7011118810（無縫鋼管）Q235B橡膠是石棉板(XB450)Q235BQ235AQ235A手孔標(biāo)記為：手孔A I Pg16，Dg150，JB589-79-33.3.7.2 視鏡采用碳素鋼不帶頸視鏡（HGJ501-86-1）視鏡壓力Pg=10kgf/cm2公稱直徑Dg=50，考慮到反應(yīng)過程有大量水蒸氣生成在試鏡上加裝沖洗裝置以方便使用。結(jié)構(gòu)參考圖3-5-112,尺

39、寸參考表3-5-212，質(zhì)量參考表3-5-212得：。視鏡標(biāo)記：視鏡I Pg10 Dg=50，HGJ501-86-1表3-3 視鏡材料明細(xì)件號標(biāo)準(zhǔn)號名稱數(shù)量材料1HGJ501-86-0視鏡玻璃1鋼化硼硅玻璃2HG3985-83襯墊2石棉橡膠板3接緣1Q235-A4壓緊環(huán)1Q235-A5螺柱M126356螺母M126353.3.7.3 補(bǔ)強(qiáng)圈手孔補(bǔ)強(qiáng)圈公稱直徑150mm,視鏡補(bǔ)強(qiáng)圈公稱直徑為50mm補(bǔ)強(qiáng)厚度均為6mm 。補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸參考表3-6-112及圖3-6-112。參考表3-6-112重量為：手孔補(bǔ)強(qiáng)圈，視鏡補(bǔ)強(qiáng)圈。3.3.8 攪拌設(shè)備的計算3.3.8.1 攪拌器直徑、高因為反應(yīng)物的粘度不大

40、，且反應(yīng)釜的內(nèi)徑為600mm ，選擇六葉平直葉渦輪攪拌器。攪拌器直徑與槽內(nèi)徑之比1/3 ，攪拌器高和直徑之比，視槽內(nèi)液體液面高度而定。液面高度為416mm。則選擇攪拌器直徑為200mm ，攪拌器高為500mm 。3.3.8.2 電機(jī)功率的選擇與計算筒體的容積： ，加入桐油的體積： ，加入苯酚的體積： ，桐油體積比： ，苯酚體積比： ，混合物料的密度： ，桐油粘度為：7.1 苯酚粘度為：1.01 （3-10）混合液的雷諾數(shù)： ，液面高度為：416mm，攪拌器直徑為：200mm 。則, （3-11）取 =25s ，可得 N=9.03 r/s=541.8 r/min ，按減速器標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速系列，取 N=

41、500 r/min ，由Rushton算圖查的功率準(zhǔn)數(shù) =1.8 ，攪拌器的攪拌功率為： (3-12) (3-13) (3-14)取傳動效率為0.88，則電機(jī)的需要功率為： 。3.3.8.3 軸的計算與材料選擇選擇攪拌軸的材料為不銹鋼，查得其許用扭應(yīng)力為r=1220MPa，計算系數(shù)A=135160，則攪拌軸的直徑為： （3-9）式中 p攪拌功率 n攪拌器轉(zhuǎn)速圓整后取考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱和物料對軸的腐蝕，可以選取攪拌軸的直徑： d=70mm攪拌軸直徑參考表17-2163.3.9 接管3.3.9.1 進(jìn)料管進(jìn)料管采用50mm×3.5mm無縫鋼管.管的一端切成45°，伸入釜體

42、少許。配用突面板式平焊管發(fā)蘭：HG20592.法蘭PL50-2.5 RF Q235-A因為該接管為50mm×3.5mm，厚度小于5mm.故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸參考表3-6-112及圖3-6-112。 3.3.9.2 壓出管壓出管采用可拆的壓出管50mm×3.5mm，將它套入罐體的固定接口管 38mm×3.5mm內(nèi)并用一非標(biāo)準(zhǔn)法蘭固定在接口管法蘭上。罐體的接口管采用HG20592.法蘭PL32-2.5 RF Q235-A，與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上。厚度小于5mm.故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸參考表3-6-112及圖3-6-112。 3.3.9

43、.3 放空管放空管采用32mm×3.5mm無縫鋼管，管法蘭為：HG20592.法蘭PL32-2.5 RF Q235-B。厚度小于5mm.故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸參考表3-6-112及圖3-6-112。 表3-4 材料明細(xì)序號圖號或標(biāo)準(zhǔn)號名稱材料備注123456789101112JB/T74764-2002JB/T4701-2000HG20592HG20592JB589-79JB/T4725-92HG/T2123-1995筒體DN=600mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭DN=600mm封頭法蘭進(jìn)料管50mm×3.5mm壓出管50mm×3.5mm放空管32mm×3

44、.5mm壓出管接口管38mm×3.5mm壓出管法蘭PL32-2.5RF放空管法蘭PL32-2.5RF平蓋平焊法蘭手孔DN=250mm耳式A1型支座攪拌軸Q235-BQ235-BQ235-BQ235-BQ235-BQ235-AQ235-AQ235-BQ235-BQ235-B不銹鋼 實心4 第二反應(yīng)釜的設(shè)計桐油改性苯酚（A）43.51公斤反應(yīng)溫度為100110，反應(yīng)時間為2h桐油改性熱固性酚醛樹脂甲醛（B37%）100公斤催化劑（38%氫氧化鈉）2.7公斤反應(yīng)器4.1 第二反應(yīng)釜的物料衡算與熱量衡算4.1.1 物料衡算表4-1 物料衡算項目桐油改性苯酚甲醛溶液（37%）催化劑桐油改性熱固

45、性酚醛樹脂水按化學(xué)計算式計算需要量mol43.5160.925.6543.5134.8過量甲醛1233對于桐油改性苯酚轉(zhuǎn)化率100%的轉(zhuǎn)化物質(zhì)43.5160.9產(chǎn)生物質(zhì)43.5134.8未轉(zhuǎn)化物質(zhì)117225.65進(jìn)入物料43.511233引出物料117243.5135354.1.2 熱量衡算熱量衡算是能量守恒定律的應(yīng)用，對過程分析可知，體系的熱效應(yīng)包括反應(yīng)放熱、水分蒸發(fā)吸熱、桐油和苯酚反應(yīng)放熱。所以使用下面的熱量衡算方程：Q1Q3= Q3Q4式中： Q1反應(yīng)放出的熱量 Q2反應(yīng)釜吸收的熱量，反應(yīng)釜用天然氣加熱 Q3產(chǎn)物和反應(yīng)物吸熱 Q4損失熱量，一般為5%常溫下物料帶入熱量,每1kg水汽化所

46、吸收的熱量約為497.4kcal，即2082042.7×63.6=132418KJ，桐油改性苯酚的比熱容以苯酚的比熱容計算，即，甲醛的比熱容為。產(chǎn)物和反應(yīng)物吸收的熱量為=148699KJ。反應(yīng)為放熱反應(yīng)，以1mol物料為基準(zhǔn)，該反應(yīng)放出的熱量為：1mol桐油改性苯酚與甲醛反應(yīng)：1mol的碳?xì)滏I斷裂，1mol的碳碳鍵生成，1mol的氧氫鍵生成，反應(yīng)放出能量為464+347-414=87KJ/mol。生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時 5mol的碳?xì)滏I斷裂，5mol的碳碳鍵生成，4mol的碳氧鍵斷裂，4mol的水生成，反應(yīng)放出能量為5×347+8×464-5×414-4

47、5;360=1937KJ/mol，則，反應(yīng)釜中物料反應(yīng)完放出的熱量為=17612KJ，查得天然氣的摩爾燃燒焓為H=210.8 kcal/mol，為882377.6J/mol綜上 ，。4.2 第二反應(yīng)釜的機(jī)械設(shè)計4.2.1 反應(yīng)釜的體積計算桐油改性苯酚的密度按桐油與苯酚的混合液的密度計算為：在第一步反應(yīng)中生成水的質(zhì)量為：在第二步反應(yīng)中加入的水的物質(zhì)的量為：苯酚密度為：1071 甲醛密度為：815 桐油密度為：925桐油改性苯酚的物質(zhì)的量為1329，則，加入第二反應(yīng)釜的物料的總體積為：。根據(jù) V0=V· (4-1)式中： V0操作時盛裝物料的容積 V 罐體全容積 填裝系數(shù)取=0.7，則4

48、.2.2 反應(yīng)釜筒體的設(shè)計4.2.2.1筒體材料的選擇在整個第二步反應(yīng)中桐油改性苯酚與甲醛縮合反應(yīng)，反應(yīng)中只有水蒸氣，水在100時的飽和蒸汽壓為101.32 KPa反應(yīng)釜介質(zhì)中苯酚有弱酸性，設(shè)計溫度為100，設(shè)計壓力為常壓101KPa，則擬選用Q235B型碳素鋼板。4.2.2.2確定筒體內(nèi)徑一般由工藝條件給定容積、筒體內(nèi)徑按式估算： m (4-2)式中： 工藝條件給定容積， 長徑比，由表4-213 得取1.2 ，則, =4V/(H/Di)1/3=4×0.350/1.21/3=0.71m (4-3)將計算結(jié)果圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，選取筒體直徑700mm（650盡量不采用）。4.2.2

49、.3 筒體厚度的計算一般由筒體的內(nèi)徑，工藝給定的壓力筒體的厚度按式估算： (4-4)其中 Pd圓筒的設(shè)計壓力，MPa。反應(yīng)釜工作壓力為101KPa，且設(shè)計壓力取最大工作壓力的1.1倍7，所以Pc=1.1×101=111.1KPa 。Di圓筒的內(nèi)徑。t鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，查表得Q235B在110時的t=113 MPa。焊接接頭系數(shù)，1，考慮到苯酚對鐵有腐蝕作用，擬采用局部無損檢測，雙面焊對接接頭 。則，取 =0.85 所以， =0.101×700/(2×113×0.85-0.1111)=0.368mm 因為此時厚度太小，不能滿足制造、運輸和安裝時的要求。為此筒體使用碳素鋼時的最下厚度（不包括腐蝕裕量）：=3mm ，取鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm，腐蝕欲量C2=1mm，=3+1+0.8=4.8mm ，圓整后取 =5mm 4.2.2.4 筒體封頭的選型和計算筒體封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料也選為筒體封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料也選為Q235-B，公稱直徑DN=700mm，根據(jù)公式算得封頭厚度為：則，