Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa phenolfomandehit dạng novolac theo phương pháp gián đoạn với năng suất 300 tấnnăm 60

Mục lục
Trang
Mở đầu ................................................................................................................ 3
Chương 1. Tổng quan về nhựa phenolic............................................................. 4
1.Lịch sử phát triển ............................................................................................. 4
2.Nguyên liệu ...................................................................................................... 6
2.1.Phenol ........................................................................................................... 6
2.2.Andehyt......................................................................................................... 9
3. Phản ứng tổng hợp ........................................................................................ 11
3.1. Phản ứng tạo nhựa rerolic .......................................................................... 11
3.2.Phản ứng tạo nhựa novolac......................................................................... 12
1.3.3. Điều kiện ngưng tụ nhựa ........................................................................ 13
4.ứng dụng ........................................................................................................ 17
5.Sản xuất nhựa novolac ................................................................................... 19
Chương 2. Tính tốn kĩ thuật ............................................................................ 23
2.1.Tính phối liệu và cân bằng vật chất ............................................................ 23
2.2.Tính tốn thiết bị......................................................................................... 25
2.2.1.Tính tốn thiết bị chính. ........................................................................... 26
2.2.2.Tính cánh khuấy....................................................................................... 30
2.2.3.Tính bảo ơn 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
1


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 thơng gió..................................................................................... 63
Chương 4 Tính tốn điện nước. ....................................................................... 65
4.1.Điện dùng trong sản xuất. ........................................................................... 65
4.2. Nước dùng trong sản xuất.......................................................................... 66
Chương 5 Tính tốn kinh tế. ............................................................................ 68
5.1.Tóm tắt dự án. ............................................................................................. 68
5.2.Thị trường và kế hoạch sản xuất................................................................. 68
5.3.Tính tốn 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

2


Mở đầu
Cơng nghệ vật liệu ngày càng đóng vai trị 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 cơng nghệ vật liệu nói chung và cơng 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.

3


Chương 1 tổng quan về nhựa phenolic
1. Lịch sử phát triển.
Phenol là nhựa tơng hợp, sản phẩm của q 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 khơng nóng chảy,
khơng hồ tan ít thu hút được sự quan tâm. Cùng thời gian đó hai nhà hố 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 hố 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 khơng sử
dụng xúc tác, nhựa thu được có đặc điểm là đóng rắn chậm, thích ứng với các

sản phẩm khn đúc.
Năm 19071909 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

4


như nhiều loại nhựa khác. Backerland đã nghiên cứu cấu trúc nhựa và đưa ra
giải pháp khắc phục khó khăn trong q trình gia cơng 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 khơng 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 19581960 Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme trường đại học
Bách Khoa Hà Nội ( ngày đó là bộ mơn 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
Gịn.
Tình hình phát triển nhựa phenolic ở Việt Nam 20002003:[
Giai đoan 1: Xây dựng và lắp đặt 6 nhà máy ván ép nâng công suất
lên22.000 tấn.

5


Giai đoạn 2: Xây dựng và đầu tư chiều sâu cho 108 nhà máy chế biến lâm
nghiệp.
Giai đoạn 3: Xây dựng và hồn thiện xong 108 nhà máy nâng cơng suất lên
85.000 tấn đáp ứng một phần nhu cầu trong nước.

6


2. Nguyên liệu.
Nguyên liệu chính để sản xuất nhựa phenolic là phenol và aldehit.
2.1.Phenol.
Công thức cấu tạo của phenol:
OH

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 khơng 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 q 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 40,9oC.
Phenol rất độc, với hàm lượng phenol rất nhỏ trong khơng khí cũng gây
ngộ độc. Phenol hồ tan trong các dung mơi 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. Ngồi 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.
7


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 + NaOH



C6H5SO3H + H2O.
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 khơng khí ở nhiệt độ 200-

230oC có mặt muối nhơm, 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


+

C6H5Cl + H2O.

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:
8


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 khơng 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 khơng 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+:

O

O
COOH

C O Cu

O

+ Cu2+

O

OH
O

C

O

C
+ H2O

- CUO

9

C

O

OH
C

HO

OH
- CO2

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:
OH
OH

OH
CH3

CH3

o-Crerol.

m-Crerol.

CH3

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 hồ 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 110 oC và nhiệt độ sơi là
276,5oC, trọng lượng riêng là 1,285 g/cm3.
2.2.Aldehyt.
2.2.1.Fomandehyt.
10


 Tính chất lý học của fomandehyt

[6]

Fomandehyt là chất khí khơng màu, mùi mạnh. Khi làm lạnh fomandehyt sẽ
hố lỏng, nhiệt độ sơi 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 mơi trường


Các phương pháp điều chế fomandehyt:

+ Oxy hố rượu metylic bằng oxy khơng khí có bạc tham gia. Phản ứng xảy ra
như sau:
CH3OH

HCHO

+ 1/2 O2

+

H2O

Hoặc phản ứng khử hydro của rượu:
HCHO

CH3OH

+

H2O

Phản ứng oxy hố 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 hố khí metan khơng hoàn toàn ở 1400-1500oC xảy ra phản ứng:
CH4
CH4

+

O2

CO +

4 H2

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 hố 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%).

11


2.2.2.Axetandehyt: CH3CHO.
Là chất lỏng có mùi khó chịu, nhiệt độ sơi 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.
Cơng thức hố học của fufurol:
HC

CH

HC

CH

CHO

O

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 khơng 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. Ngồi 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:

OH

O

+

+ OH

12

H2O


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 vịng tăng lên.
Các ion này sẽ phản ứng với fomandehyt theo phương trình:
O

O

-

+

+

CH2

H

O

CH2O

O

O
CH2OH
CH2OH
O

O

O

+ CH2

O

-

CH2OH

CH2OH

Trong mơi trường kiềm ion hydroxy metynol phenol bền vững và các vị trí
hoạt động cịn 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:

OH

OH

OH

OH
CH2

CH2OH

+

+
CH2OH

CH2OH

13

H2O


OH

OH

OH

OH

OH

CH2

CH2

+

+
CH2OH

CH2OH

H2O

CH2OH

CH2

OH

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:
-

+

CH2

O

+

+

+

OH

CH2

H

Ion metylol sẽ tấn cơng vào vị trí giàu điện tử của phenol.

OH

OH

OH

CH2OH

H
+

+ CH2

CH2

OH

+

OH

H

+

+

Trong môi trường axit các metylol phenol không bền chúng tương tác với
ion H+ tạo ion metylolphenol.

OH

OH
CH2OH
+

CH2
H

O
+

+

14

H

- H2O


OH

OH

OH

OH

+

CH2

CH2

+

Hoặc chúng ngưng tụ với nhau tạo cầu nối metylen.
OH

OH

OH
CH2OH

OH
CH2

CH2OH

O

CH2

+

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 hố học
của ngun liệu, tỷ lệ cấu tử, mơi 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,..
o

NaOH: Là xúc tác mạnh , dùng với lượng nhỏ (0,1%), NaOH cịn có tác

dụng làm cho các sản phẩm đa tụ ban đầu dễ hồ tan trong mơi trường phản
ứng. Nhược điển của loại xúc tác này là cần phải tiến hành trung hoà kiềm còn

15


lại trong nhựa.Vì cịn kiềm dư trong nhựa làm giảm các tính chất kĩ thuật của
nhựa: mầu sắc, độ bền nước, tính chất cách điện,..
o

Ba(OH)2: là xúc tác yếu hơn NaOH nên dùng với lượng nhiều hơn (1-

1,5%), Ba(OH)2 dễ trung hồ bằng CO2, muối trơ cịn lại trong nhựa khơng 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 .
o

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 mơi 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, mcrerol 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 712% metanol đóng vai trị 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

16


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 cịn lại trong
nhựa vì vậy phải tiến hành trung hồ axit , các muối trơ cịn 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 vơ cơ. Nhựa tạo thành có
mầu sáng và bền ánh sáng hơn.
 Axit focmic: Axit focmic ln 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.

17


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 hố 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 khơng tan trong hỗn hợp phản ứng, có thể kết
thúc q 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).
Q trình sấy ngồi mục đích tách nước và các cấu tử không tham gia phản
ứng : phenol, fomandehit, axit,..cịn 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.

18


Thành phần chính của chất dẻo là nhựa phenolic có thể ở dạng novolac hoặc
rerolic ngồi ra cịn 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 thơng dụng hay cơng
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, dịn, 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.
19


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 hố 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 dịn, 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, ngồi ra cịn 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 cơng 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 hồ 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]

20


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 cơng 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 trị 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.

21


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 khơng
thay đổi theo thời gian. Q trình sản xuất liên tục có thể phân thành: q trình
liên tục từng bậc và q trình dịng 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 khơng thay đổi trong tồn 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 địi hỏi tính tốn 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 dịng liên tục: Q trình trong đó nồng độ các cấu tử thay
đổi trong tồn bộ khơng 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. Q trình dịng 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.

22


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 98100oC thì hỗn hợp bắt đầu sơi 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 sơi, 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 hồ 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 tốn
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,

23


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 tồn về mơi 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).

24


Sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa Phenolic dạng Novolac
theo ph-ơng
pháp gián đoạn
Phân đoạn
phenol
phenol

Crerol

Fomalin

Xylenol

Đến bơm chân
không
14

1

2

4

3

HCl

5

Axit oxalic

15

N-ớc
6

12

8

N-ớc lẫn
nhựa

10

Axit oleic

Hơi n-ớc

13

9

11

Hơi
n-ớc

16
Không khí lạnh

1,2,3,4,5,9,13 - Các thùng l-ờng nguyên liệu.
6-Máy lọc
7- Nồi phản ứng trùng ng-ng và sấy.
8- Thùng cao vị.
10- Thiết bị hoà tan axit oxalic
11- Thiết bị làm nóng chảy axit oleic.
12-Thïng cao vÞ cđa axit oleic.
14- ThiÕt bÞ sinh hµn èng chïm.
15- Thïng chøa n-íc ng-ng tơ.

16- Trèng lµm ngi.

Chương 2 Tính Tốn kĩ thuật
2.1. Tớnh phối liệu và cõn bằng vật chất.
25

Nhùa Novolac