Đồ Án Chuyên Nghành Thiết Kế Đề Tài Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nhựa PS Theo PP TH Nhũ Tương Năng Suất 5500T/năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ MƠI TRƯỜNG MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU… Lựa chọn phương pháp sản xuất 33 5.2 Cân vật chất… 33 5.2.1 Tính cân vật chất cho polystyren sản phẩm 33 5.2.2 Cân vật chất cho đoạn sấy… 38 5.2.3 Cân vật chất cho mẻ sản xuất 40 5.2.4 Cân vật chất cho ngày sản xuất… 41 Cân vật chất cho năm sản xuất… 41 Trang LỜI MỞ ĐẦU Từ xưa đến nay, người biết dùng vật liệu thiên nhiên để phục vụ cho nhu cầu đời sống Xã hội ngày tiến người tìm nhiều loại vật liệu hữu hiệu để thay cho vật liệu truyền thống Từ nửa sau kỉ XX, ngành cơng nghiệp hóa học có vị trí quan trọng sống người, sản phẩm xâm nhập hầu hết vào lĩnh vực sống khoa học- kỹ thuật khác nhờ tính ưu việt mà loại vật liệu khác so sánh như: độ bền học, độ đàn hồi, khả cách âm, cách nhiệt độ, cách điện, giá thành rẻ, nhẹ dễ gia cơng Polystyren lần tìm thấy qua dấu vết nhựa hổ phách, chưng cất với nước tạo thành vật liệu dạng lỏng có mùi khó chịu, tỷ lệ thành phần nguyên tử C H giống benzen Polystyen thuộc nhóm nhựa nhiệt dẻo Do có tính đặc biệt polystyren ngày sử dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật Polystyren sản xuất cách trùng hợp styren Việc sản xuất có tiến hành nhiều phương pháp khác như: trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù, trùng hợp nhũ tương Hiện nay, polystyren sản xuất chủ yếu hai phương pháp là: trùng hợp nhũ tương trùng hợp huyền phù Hai phương pháp có tính dẫn nhiệt tốt, tính cách điện cao, độ đa phân tán nhỏ, khối lượng phân tử cao Để hiểu rõ công nghệ dây chuyền sản xuất nhựa polystyren Sau đây, em xin trình bày chi tiết thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa polystyren nhũ tương với suất 12.000 tấn/năm CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ NHỰA Khái niệm Polystyren (viết tắt PS) loại nhựa nhiệt dẻo, tạo thành từ phản ứng trùng hợp styren CH=CH CH CH2 CH n n Phân loại Theo cấu trúc thơng thường PS chia làm loại sau: • PS tinh thể (GPPS) • PS chịu va đập (HIPS) • PS xốp (EPS) PS tinh thể (GPPS) PS tinh thể thường sử dụng cho mục đích thơng dụng (GPPS) có khối lượng phân tử lớn, mang tính nhiệt dẻo rõ ràng là: cứng, bền, không mùi, không vị Là chất dễ tác động nhiệt, ổn định nhiệt, trọng lượng riêng thấp có giá thành thấp chi phí thấp phân xưởng có sử dụng khn đúc, ép, màng mỏng Ngồi vật liệu PS có tính chất chất nhiệt tính điện tốt, lý mà chúng sử dụng vật liệu cách điện rẻ tiền Về phương diện thương mại PS tinh thể gia công chế biến loạt công nghệ, ứng dụng PS tinh thể trình bày đây: PS TINH THỂ (MỤC ĐÍCH THƠNG DỤNG) Đúc khn kiểu • Làm vỏ bao bì • Hộp lọ đựng mỹ • • • • • phẩm Cánh quạt/tán đèn Đồ nhựa rắn Các mặt hàng văn phòng phẩm Dây quay đĩa máy tính Vật dụng y tế PS chịu va đập (HIPS) Ép khn • Làm vỏ bao bì • Thùng catton • Khay đựng thịt gia cầm • Hộp đựng thực phẩm ăn nhanh • Hộp xốp • Bao bì thực phẩm Ứng dụng • Lắp kính • Chiếu sáng • Vật trang trí nhà Chất đàn hồi trộn vào polystyren, chủ yếu để làm tăng tính bền học Kết tạo vật liệu thường gọi PS chịu va đập (HIPS) có giá trị cho nhiều thứ khác Chất đàn hồi Polybutadiene có cấu trúc lập thể điều hịa sử dụng để điều chỉnh tính chịu va đập Độ bền, tính chịu va đập, độ trong, cơng nghệ chế biến khác có ảnh hưởng tới hình dáng sợi phân tán pha polymer Polystyren chịu va đập xử lý cách dễ dàng công nghệ chế biến nhiệt dẻo thông thường gồm công nghệ màng, cơng nghệ cơng nghệ: ép nóng, ép biên, đúc phun, đúc phun áp lực đúc thổi cấu trúc Một số ứng dụng HIPS: • • • • • • • • • • • Bao bì dập nóng Đựng thức ăn nhanh Cốc nắp đậy Hộp đựng nước ép trái sản phẩm sữa Đường ống cho tủ lạnh Các phận máy điều hịa khơng khí Cáp nối TV/băng ghi âm Đồng hồ treo tường Phụ kiện đồ điện Đĩa video băng catset Đồ chơi, gót giày PS xốp (EPS) PS xốp thuật ngữ chung để PS copolymer styren tạo hợp chất với chất tạo khí phụ gia khác, chế biến thành sản phẩm xốp có tỷ trọng thấp Các loại vật liệu EPS chế tạo sản phẩm cốc cà phê, giảm sóc cho tơ Mục đích EPS chế tạo ly dùng lần, vỏ chống rung vật liệu cách nhiệt Do có ứng dụng rộng rãi sinh hoạt công nghiệp, polystyren trở thành vật liệu quan trọng thiết yếu sống người Việc nghiên cứu công nghệ nhằm đẩy mạnh sản xuất polystyren để chế tạo vật phẩm ngày quan tâm phát triển 1.3 Nguyên liệu tổng hợp 1.3.1 Styren Có cơng thức phân tử: C8H8 Cơng thức cấu tạo: CH=CH2 vinyl benzen 1.3.1.1 Tính chất vật lý Styren chất lỏng suốt, khơng màu đến vàng có mùi hắc, khúc xạ ánh sáng mạnh Khi styren tiếp xúc với người gây kích ứng đường hơ hấp co thắt cổ họng phổi, gây kích ứng mắt da, gây biểu chống mặt Styren trộn lẫn với dung môi hữu định với tỷ lệ Nó dung mơi tốt cho cao su tổng hợp, polystyren polymer có liên kết ngang khơng lớn khác Styren hịa tan hợp chất hydroxyl nước Khối lượng riêng 25°C: d = 0,9045 g/cm^ Độ nhớt (25°C): PS dễ trùng hợp có nối đơi vịng thơm, trình bảo quản nên hạn chế tiếp xúc với ánh sáng, oxy, nhiệt độ Thông thường bảo quản ta cho 0,5 - 1,5% khối lượng hydroquinon vào làm chất ức chế trùng hợp Nhiệt độ sôi: ts = 145,2 °C Nhiệt độ nóng chảy: tnc = -30,63 °C Nhiệt độ bùng cháy: tbc = 34 °C Nhiệt hóa hơi: 86,9 kcal/mol Nhiệt trùng hợp: 16,5 kcal/mol Giới hạn cháy nổ khơng khí (%V): 1,1 - 6,1 Độ co thể tích trùng hợp: 17% 1.3.1.2 Tính chất hóa học a Phản ứng cộng Halogen (Cl2, Br2) hydro Halogen (HCl, HBr) cộng vào nhóm vinyl styren tương tự cộng vào ankan: C 6H 5- C H = C H + B r2 C 6H - C H - C H Br C 6H - C H = C H + H C l C 6H Br - CH - CH Cl H b Phản ứng oxy hóa Giống etylen, styren làm màu KMnO4 bị oxy hóa nhóm vinyl có vịng benzen giữ ngun C 6H - C H = C H H + K M n O + H 2O CH=CH + O C 6H - C H O H - C H 2O H + M n 2O + K O C H - C O O H + C O + H 2O C6H5 c Phản ứng cộng H2 C 6H - C H = C H 2+ H Ni to ,3 a tm C 6H - C H - C H d Phản ứng trùng hợp đồng trùng hợp CH=CH C x t, to -C H -C H 2-C H -C H 2-C H -C H .C H C 6H C6H5 H n C C Lượng polystyren hao hụt sau sấy: 1000 – 997 = kg - Do tổn hao giai đoạn sấy, sàng, đóng bao 0,5% nên khối lượng polystyren trước sấy, sàng, đóng bao: 997 ×100 99,5 = 1002,01 kg Lượng polystyren hao hụt sấy, sàng, đóng bao: 1002,01 – 997 = 5,01 kg - Do tổn hao giai đoạn xử lý 0,15% nên khối lượng polystyren trước xử lý: 1002,01×100 99,85 = 1003,52 kg Lượng polystyren hao hụt xử lý: 1003,52 – 1002,01 = 1,51 kg - Do tổn hao giai đoạn tổng hợp 0,25% nên khối lượng polystyren trước tổng hợp: 1003,52 ×100 99,75 = 1006,04 kg Lượng polystyren hao hụt giai đoạn xử lý: 1006,04 – 1003,52 = 2,52 kg - Do tổn hao giai đoạn nguyên liệu khác 0,35% nên khối lượng polystyren trước giai đoạn nguyên liệu khác: 1006,04 ×100 99,65 = 1009,57 kg Lượng polystyren hao hụt nguyên liệu khác: 1009,57 – 1006,04 = 3,53 kg - Do tổn hao giai đoạn chuẩn bị monomer 0,35% nên khối lượng polystyren trước chuẩn bị monomer: 1009,5×100 99,65 = 1013,12 kg Lượng polystyren hao hụt chuẩn bị monomer: 1013,12 – 1009,57 = 3,55 kg Vậy tổng hợp polystyren hao hụt là: + 5,01 + 1,51 + 2,52 + 3,53 + 3,55 = 19,12 kg Như để thu nhựa có độ ẩm sau sấy 0,3% lượng polystyren cần tạo từ trình trùng hợp là: 1013,12 kg 5.2.1.1 Tính tốn thành phần ngun liệu  Tính tốn lượng styren 99,8% Vì hiệu suất phản ứng đạt 75% nhựa polystyren tổng hợp từ Styren chất khởi đầu, chất nhũ hóa, chất đệm nên ta có: 1013,12 ×100 75 = 1350,83 kg Lượng styren tham gia phản ứng: 75 100 ×1350,83 = 1013,12 kg Thực tế dùng styren 99,8% nên cần nạp: 100 99,8 ×1350,83 = 1353,54 kg Vì tổn hao giai đoạn chuẩn bị monomer 0,35% đó,lượng styrene 99,8% cần chuẩn b l: 1353,54 ì100 99,65 = 1358,29 kg ã Thnh phần nguyên liệu khác cần dùng theo đơn phối liệu: - Chất nhũ hóa: 1350,83 × = 40,53 kg 100 - Chất khởi đầu: 1350,83 × 0,25 100 = 3,38 kg - Chất đệm: 1350,83 × 0,05 100 = 0,675 kg Vì giai đoạn sử dụng nguyên liệu khác tổn hao 0,35 % nên lượng nguyên liệu khác cần chuẩn bị là: - Chất nhũ hóa: 40,53×100 = 40,67 kg 99,65 - Chất khởi đầu: 3,38×100 99,65 = 3,39 kg - Chất đệm: 0,675×100 99,65 = 0,677 kg  Tính tốn lượng nước: Lượng nước theo đơn phối liệu: 1350,83 × 250 100 = 3377,075 kg Do tổn hao chuẩn bị nguyên liệu nên lượng nước cần đưa vào q trình là: 3377,075×100 99,65 = 3388,94 kg Bảng cân vật chất cho trình chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu Styren Lượng vào (kg) 1358,29 Lượng (kg) 1353,54 Tổn hao (kg) 4,75 Nước Chất nhũ hóa: xà phịng dầu ve Chất khởi đầu: pesunphat kali Chất đệm Tổng 5.2.1.2 3388,94 40,67 3,39 0,677 4791,967 3377,075 40,53 3,38 0,675 4775,2 Tính lượng styren cần dùng: Với hiệu suất chuyển hóa 75% lượng styren ban đầu là: 1013,12 ×100 75 = 1350,83 kg Lượng styren không phản ứng là: 1350,83 – 1013,12 = 337,71 kg Độ nguyên chất styren 99,8% lượng styren cần dùng là: 1350,83 ×100 99,8 = 1353,54 kg Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, đó: Lượng styrene thực tế dùng là: 1353,54 ×100 99,65 = 1358,29 kg Lượng styren hao hụt trình chuẩn bị monomer là: 1358,29 – 1353,54 = 4,75 kg 5.2.1.3 Tính lượng nước Lượng chất nước dùng cho đơn phối liệu 11,865 0,14 0,01 0,002 16,767 1358,29 × 250 100 = 3395,73 kg Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất nước cần dùng: 3395,73×100 99,65 Tổn hao nước là: 5.2.1.4 = 3407,66 kg 3407,66 – 3395,73 = 11,93 kg Tính lượng chất khởi đầu Lượng chất khởi đầu dùng cho đơn phối liệu 1358,29 × 0,25 = 3,4 kg 100 Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất khởi đầu cần dùng: 3,4 ×100 99,65 = 3,41 kg Tổn hao chất khởi đầu là: 5.2.1.5 3,41 – 3,4 =0,01 kg Tính lượng chất nhũ hóa Lượng chất nhũ hóa dùng cho đơn phối liệu 1358,29 × 100 = 40,75 kg Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất nhũ hóa cần dùng: 40,75 ×100 99,65 Tổn hao chất nhũ hóa là: 5.2.1.6 = 40,89 kg 40,89 – 40,75 = 0,14 kg Tính lượng chất đệm Lượng chất đệm dùng cho đơn phối liệu 1358,29 × 0,05 100 = 0,68 kg Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất đệm cần dùng: 0,68 ×100 99,65 = 0,6824 kg Tổn hao chất đệm là: 0,6824 – 0,68 = 0,0024 kg Bảng cân vật chất cho sản phẩm: Ngun liệu Styren Nước Chất nhũ hóa: xà phịng dầu ve Chất khởi đầu: pesunphat kali Chất đệm Tổng Lượng vào (kg) 1358,29 3407,66 40,89 3,41 0,6824 4810,9324 Lượng (kg) 1353,54 3395,73 40,75 3,4 0,68 4794,1 Tổn hao (kg) 4,75 11,93 0,14 0,01 0,0024 16,8324 5.2.2 Cân vật chất cho công đoạn sấy 5.2.2.1 Độ ẩm trước sấy Độ ẩm polystyrene trước sấy sau xử lý 21%, khối lượng polystyren có độ ẩm sau xử lý là: 1003,52 ×100 = 1270,28 kg 79 Do tổn hao công đoạn xử lý 0,15% khối lượng polystyren ra: 1270,28×100 99,85 Tổn hao giai đoạn xử lý 0,15% là: = 1272,2 kg 1272,2 – 1270,28 = 1,92 kg Hỗn hợp nước tách trước tổn hao: Do tổn hao 0,15%, lượng hỗn hợp nước ra: 99,85 100 5.2.2.2 Độ ẩm sau sấy × 2125,45 = 2122,26 kg 3395,73 – 1270,28 = 2125,45 kg Độ ẩm polystyren sau sấy 0,3%, khối lượng polystyren có độ ẩm 0,3% sau sấy là: 1002,01×100 99,7 = 1005,03 kg Do tổn hao cơng đoạn sấy 0,5%, khối lượng polystyren trước sấy: 1005,03×100 99,5 = 1010,08 kg Lượng polystyren tổn hao công đoạn này: 1010,08 – 1005,03 = 5,05 kg Suy ra, lượng nước tách công đoạn sấy: 1270,28 –1010,08 = 260,2 kg Do tổn hao 0,5%, lượng nước tách là: 99,5 100 × 260,2 = 259 kg Bảng cân vật chất cho công đoạn sấy: Cấu tử Polystyren (độ ẩm trước 21%) Polystyren (độ ẩm sau 0,3%) Nước tách Tổng Lượng vào (kg) Lượng (kg) Tổn hao (kg) 1005,03 5,05 259 1264,03 5,05 1270,28 1270,28 5.2.3 Cân vật chất cho mẻ sản xuất Thời gian làm việc: + Nghỉ chủ nhật + Nghỉ lễ tết + Nghỉ bảo dưỡng : 52 ngày :8 ngày : 15 ngày Vậy số ngày làm việc năm : 365 – 75 = 290 ngày Một ngày làm việc ca nên suất làm việc ca là: 12000 290 × = 13,793 tấn/ca Vậy mẻ keo ta sản xuất 13,793 nên ta có bảng sau: Bảng cân vật chất cho mẻ sản xuất Nguyên liệu Styren Nước Chất nhũ hóa: xà phịng dầu ve Chất khởi đầu: pesunphat kali Chất đệm Tổng Lượng vào (kg) 18734,89 47001,854 564 47,034 0,941 66348,719 Lượng (kg) 18669,38 46837,3 562,06 46,896 0,938 66116,574 Tổn hao (kg) 65,51 164,554 1,94 0,138 0,033 232,145 5.2.4 Cân vật chất cho ngày sản xuất: Vì ngày đêm sản xuất mẻ nhựa Do đó, ta lấy nhân cho Bảng cân vật chất cho mẻ sản xuất Bảng cân vật chất cho ngày sản xuất Nguyên liệu Styren Nước Chất nhũ hóa: xà phịng dầu ve Chất khởi đầu: pesunphat kali Chất đệm Tổng Lượng vào (kg) 56204,67 141005,562 1692 141,102 2,823 199046,157 Lượng (kg) 56008,14 140511,9 1686,18 140,688 2,814 198346,908 Tổn hao (kg) 196,53 493,662 5,82 0,414 0,009 699,249 5.2.5 Cân vật chất cho năm sản xuất Vì năm làm việc 290 ngày nên ta có bảng cân vật chất cho năm Bảng cân vật chất cho năm sản xuất Nguyên liệu Styren Nước Chất nhũ hóa: xà phòng dầu ve Chất khởi đầu: pesunphat kali Chất đệm Tổng Lượng vào (kg) 16299354,3 40891612,98 490680 40919,58 818,67 57723385,53 Lượng (kg) 16242360,6 40748451 488992,2 40799,52 816,06 57520603,32 Tổn hao (kg) 56993,7 143161,98 1687,8 120,06 2,61 202782,21 KẾT LUẬN Cũng nước giới, nhu cầu styren polystyren Việt Nam ngày cao Hàng năm phải nhập số lượng tương đối lớn từ nước ngồi, phí lượng ngoại tệ đáng kể Việt sản xuất styren polystyren với công nghệ phù hợp điều kiện Việt Nam đảm bảo chất lượng yêu cầu tính cấp bách