醇溶性酚醛树脂工艺设计
学院名称 化学化工学院 班 级 高分子材料与工程081班
学生姓名 韦月婷 学 号 20084580110 指导教师 刘芝芳
2011-12-05
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醇溶性酚醛树脂工艺设计说明书
一、引言
酚醛树脂也叫电木，又称电木粉，英文名称phenolic resin,简称PF，比重1.25~1.30，是酚与醛经聚合制得的合成树脂统称。
酚醛树脂有热塑性和热固性两类。热塑性酚醛树脂（或称两步法酚醛树脂），为浅色至暗褐色脆性固体，溶于乙醇、丙酮等溶剂中，长期具有可溶可熔性，仅在六亚甲基四胺或聚甲醛等交联剂存在下才固化(加热时可快速固化)。主要用于制造压塑粉，也用于制造层压塑料、清漆和胶粘剂。热固性酚醛树脂（或称一步法酚醛树脂），可根据需要制成固体、液体和乳液，都可在热或（和）酸作用下不用交联剂即可交联固化。
为指导树脂合成和成型加工，常将其固化过程分为A、B、C三个阶段。具有可溶可熔性的预聚体称作A阶酚醛树脂;交联固化为不溶不熔的最终状态称C阶酚醛树脂；在溶剂中溶胀但又不完全溶解，受热软化但不熔化的中间状态称B阶酚醛树脂,热固性酚醛树脂存放过程中粘度逐渐增大，最后可变成不溶不熔的C阶树脂。因此,其存放期一般不超过3～6个月。
热固性酚醛树脂可用于制造各种层压塑料、压塑粉、层压塑料；制造清漆或绝缘、耐腐蚀涂料；制造日用品、装饰品；制造隔音、隔热材料等。 常见的高压电插座、胶粘剂和改性其他高聚物。
根据溶剂的不同，分为醇溶和水溶。能溶解在水里而不溶于醇的为水溶醇不溶酚醛树脂；能溶解在醇里而不溶于水的为醇溶水不溶酚醛树脂；两者都能溶解的为醇溶水溶酚醛树脂。
酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。
二、醇溶性酚醛树脂工艺设计
1．原料：
生产醇溶性酚醛树脂的原料
名 称 苯 酚
甲 醛 氨水（催化剂）
乙 醇
含 量 98%(质量分数，含杂质)
37%(质量分数) 20%(质量分数) 95%(V/V)
2．配料比： 苯酚∶甲醛（37%）=1∶1.2（摩尔比） 3．产品质量：
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固含量：60% 水：﹤8%
游离苯酚：﹤5%（存于树脂中）
氨水的用量：5%（为纯苯酚质量的5%）
三、合成
酚醛树脂的合成反应分为两步，首先是苯酚与甲醛的加成反应，随后是缩合及缩聚反应。即：
1、加成反应
在适当条件下，一元羟甲基苯酚继续进行加成反应，就可生成二元及多元羟甲基苯酚：
酚与醛的摩尔比
酚醛树脂是酚类与醛类反应合成的产物，所以两者必须有适当的摩尔比，任何一种原料极大的过量，都不可能生成酚醛树脂。
当反应采取酚与醛的摩尔比为1：1时，理想状态下，应可生成线型结构的酚醛树脂，但因没有更多的甲醛分子，苯酚的三个反应活化点并没有充分起作用，故而不能形成交联网状结构的酚醛树脂。
若反应采取酚稍过量，例如醛与酚的摩尔比为2：3，则不能产生足够的羟甲基，缩聚反应达到一定阶段就会停止，只能得到较低分子量的线型结构酚醛树脂：
与上相反，若反应采取醛过量，即两者摩尔比大于1，则反应初期的加成反应，易于形成二元及多元羟甲基酚：
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酚醛树脂合成的第一步产物(一元羟甲基苯酚)继续进行加成反应二元及多元羟甲基苯酚的速率都远比一元羟甲基苯酚生成的速率快，也比一元羟甲基苯酚继续反应速率快，所以更有利于生成二元及多元羟甲基苯酚，它们经缩聚反应就会 生成带支链的树脂分子；
只有醛过量达到一定水平，能够保证生成较多量的三羟甲基苯酚的情况下，反应初期才能有一定支链结构的大分子，也才有可能继续进行交联反应最终形成网状结构。
2.缩合及缩聚反应
缩合及缩聚反应，随反应条件的不同可以发生在羟甲基苯酚与苯酚分子之间，也可发生在各个羟甲基苯酚分子之间
在以氨水为催化剂的碱性条件下，主要发生以下反应：
四、生产流程或生产方案
1．生产流程方案
用苯酚、甲醛为原料，控制摩尔比在1∶1.2，使其在碱性环境下缩合成树脂，经真空脱水后制得成品。
本工艺利用真空吸入原料苯酚,室内供热系统提供水蒸汽作为热源。其他原料来自高位槽并可加入适量乙醇用以调节粘度避免结垢。 2.工艺流程简图和参数
流程简图如图图所示：
苯酚（98％） 甲醛（37%） 溶液缩聚 分离脱水 熔融缩聚 加醇稀释 氨水（20%） 脱 酚醛 水 乙醇 溶液
醇溶性酚醛树脂的生产工艺流程简图
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工艺参数如表所示：
醇溶性酚醛树脂的生产工艺参数
原料 冷却水 水蒸汽
合成阶段 20℃-70℃
— —
脱水阶段 75℃（2.5～3h） 20℃升到30℃ 75℃降到40℃
调稀阶段 冷却到50℃
— —
整个生产周期如图所示： 60℃苯酚 (进料10min) 甲醛 蒸汽加热 预聚体 自动升温 预聚体 保温60 min 酚醛树脂 进料 ( 10min) 40min 70 ℃ 30 min 85℃-95℃ 85℃-95℃ 冷 氨水 ( 5min) 却 进料 加乙醇调稀 酚醛树脂 冷却 酚醛树脂 真空脱水 酚醛树脂 产品 20 min 50 ℃ 30min 75 ℃ 180 min 75℃ 醇溶性酚醛树脂的生产周期
3．生产流程简述 (1).向反应釜内加料
a按树脂生产配方要求，依次分别对苯酚、甲醛进行计量后加入反应釜； b搅拌均匀后，测pH值。根据配方要求及原料混合液的pH值，加入适当量的碱性催化剂，最终pH值一般在7.0～11.0范围内。 (2).缩聚反应
a加热搅拌下，向反应釜夹套内通蒸汽加热，缓慢：逐步升温至60℃，用真空将苯酚吸入反应釜内，通入蒸汽保温；将37%的甲醛水溶液以苯酚∶甲醛=1∶1.2（mol）的比例缓慢加入反应釜内，开启电动搅拌系统开始搅拌；再加入浓度为20%的氨水催化剂，加热升温至70℃,由于缩聚反应的放热效应，温度会自动上升。当温度升至78℃时，即用循环冷却水调节，使反应温度缓缓上升并保温在85℃～95℃间（不超过95℃）。放热量一般为586.1kJ/kg(苯酚与甲醛反应放热速率)。反应温度用夹套内通蒸汽(表压)及冷却水(流量)的办法来调节。
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b缩聚。在维持物料沸腾状态下进行缩聚反应。在缩聚反应进行同时，上升蒸汽通过冷凝器冷凝后回流。根据冷凝液量及清澈度(由清变浑)可一般性判断缩聚反应的进程。必要时，在缩聚后期可补加一定量催化剂，以促进缩聚反应后期的反应速率。 (3)反应终止
随着反应进行，树脂分子量逐步升高，并不溶于水中。反应物开始分为两个液相，静置下可分为明显两层，上层为以水为主的水溶液，下层为树脂液。缩聚反应自回流液出现混浊开始约30min后即可取样测黏度或相对密度，一般当以4号涂料杯中测试结果为20～40s/60℃，即可作为缩聚操作终点。 （4）.脱水
反应物系中的水来自中所含的水和酚、醛缩聚反应释出的水，为了获得合格的固体酚醛树脂，必须脱除这些水分。另外，脱水过程也同时带出了反应物系中的残余酚、醛、甲醇、催化剂等，有利于酚醛树脂质量的提升。脱水过程，酚醛树脂的分子量还会有稍稍增大，这是应该注意的问题。为了顺利脱水，其操作是在真空减压下进行的，且随水分的逐渐脱除，反应物系黏度不断上升，真空度和物料温度均将不断提高。脱水终点，视釜内树脂透明和黏度情况多次取样，直至合格。 （5） 稀释
在树脂脱水到达终点后，向反应釜夹套内通人冷却水使物料降至接近常温，再加入乙醇并不断搅拌使形成均匀溶液。最后自然冷却到40℃出料，即为产品；此种溶液一般是配成50%左右的浓度。
五、生产过程所需设备
1.溶液缩聚阶段：反应釜、冷却器、夹套、冷料槽 2.分离脱水阶段：真空系统、真空泵、反应釜 3熔融缩聚阶段：反应釜、真空系统 4稀释阶段：稀释釜
六、主要设备选型
1.反应釜的选择
查《化工工艺设计手册》第三版，选择搪玻璃搅拌设备。搪玻璃设备是由含硅量高的玻璃质釉喷涂在钢板表面，经920℃～960℃多次高温搪烧、使玻璃质釉密着于金属胎表面而成。搪玻璃设备的性能是：
①耐腐蚀性 能耐无机酸、有机酸、有机溶剂及pH值小于或等于12的碱溶液，但对强碱、氢氟酸及温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸不适用。
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②不粘性 光滑的玻璃面对介质不粘且容易清洗。 ③绝缘性 适用于介质在过程中易产生静电的场合。
④隔离性 玻璃层将介质与容器钢胎隔离、铁离子不溶入介质。 ⑤保鲜性 玻璃层对介质具有优良的保鲜性能。
搪玻璃设备出厂前玻璃层均经20kV高电压检验，不导电为合格。玻璃层厚度一般为0.8～2.0㎜。成品玻璃面耐温差急变性能为：热冲击120℃，冷冲击110℃。搪玻璃设备、管子、管件及人手孔等配套件系列已有新标准，选用时应注意说明。
2.换热器（脱水冷凝器）的选型
选择25×2.5mm的换热管。选择管内流速：查《化工原理》上册（表4-13）选取管内流速为6m/s。因为蒸汽中含有少量苯酚,苯酚有毒,所以选择蒸汽走管程,循环冷却水走壳程。 3. 贮存容器的选择
查《化工工艺设计手册》第三版选择贮存容器：甲醛选择玻璃钢平底椭圆封头储罐，且底部应装有用来加热的热水或蒸汽盘管，以便在环境温度低时实施必要的加热，防止槽内甲醛溶液的聚合，贮槽外面应有隔热层，且要在内壁进行防护处理，涂上防护层，多用过氯乙烯漆、环氧树脂漆等，每2～3年重漆一次 4. 缓冲罐的选型
查《化工工艺设计手册》第三版选择搪玻璃开式储存容器作为缓冲罐 5. 计量罐的选型
查《化工工艺设计手册》第三版选择搪玻璃开式储存容器作为计量罐 6.真空泵的选型
查《化工工艺设计手册》第二版(下册)表19-60,选择水环泵。 7.管线选择
查《化工原理》上册(P357)查得：
苯酚、乙醇选取内径为25㎜的无缝钢管，氨水选取内径为11㎜的无缝钢管, 查《化工工艺设计手册》第三版(P4-83)查得:甲醛选取内径为25㎜的不锈钢冷拔无缝钢管
七、生产工艺详图(另附CAD图纸)
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