Đồ án chuyên nghành thiết kế đề tài thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PS theo PP TH nhũ tương năng suất 5500tnăm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ MƠI TRƯỜNG Đồ Án Chun Nghành Thiết Kế Đề Tài Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nhựa PS Theo PP TH Nhũ Tương Năng Suất 5500T/năm Sinh viên thực Lớp Mã sv Giảng viên giảng dạy MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU… .3 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 5.2.5 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 công 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 Trang 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 CH C H n n Phân loại Theo cấu trúc thông thường PS chia làm loại sau: PS tinh thể (GPPS) PS chịu va đập (HIPS) Trang PS xốp (EPS) 1PS 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 phịng phẩm Dây quay đĩa máy tính Vật dụng y tế PS chịu va đập (HIPS) 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 Trang 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 Trang 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 Trang 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-CH=CH +Br C6H5-CH = CH2 b Phản ứng oxy hóa Giống etylen, styren làm màu KMnO4 bị oxy hóa nhóm vinyl có vịng benzen giữ nguyên C 6H 5-CH=CH +2KMnO 4+4H 2O CH=CH2 + O2 C c 3C 6H 5-CHOH-CH 2OH+2Mn 2O+2KOH C6H5-COOH + 6H Phản ứng cộng H2 Trang C6H5-CH = CH2 CO2+H2O d Phản ứng trùng hợp đồng trùng hợp CH=CH2 C n H 3.3 Biến tính nhựa Polystyren chịu nhiệt độ, giá thành rẻ, nhiên có nhược điểm giịn khơ khó nhuộm màu Để cải thiện tính chất polystyren ta tiến hành sau: + Giảm tính giịn, đồng trùng hợp polystyren với cao su butadiene ta có cao su SBR (cao su styren-butadien) nCH2=CH-CH=CH2 + nCH2=CH-C6H6 (CH2-CH=CH-CH2-CH2-CH-C6H6)n + Tăng khả nhuộm màu, đồng trùng hợp với vinyl pridil + Phụ gia cải thiện độ lực cho polystyren (PClear119) Sản phẩm phụ gia nhựa PClear119 giúp tăng cường có hiệu số đặc tính cho sản phẩm sản phẩm nhựa PS như: + Giúp tăng độ sản phẩm + Tăng độ bóng bề mặt sản phẩm + Tăng dai, hạn chế tượng giòn sản phẩm + Tăng độ bền màu hỗ trợ phân tán màu + Cải thiện dòng chảy, hỗ trợ gia công loại sản phẩm thành mỏng + Giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm làm từ nhựa PS + Hồn thiện tính chất sản phẩm nhựa PS có pha trộn tỷ lệ tái sinh định: trì độ bóng, độ trong, độ dai, tươi bền màu CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT 4.1 Lập luận chọn quy trình cơng nghệ sản xuất Trang 29 Việc lựa chọn quy trình dây chuyền công nghệ sản xuất định đến suất, chất lượng, giá thành sản phẩm định đến thành bại nhà máy sản xuất Các thiết bị dùng dây chuyền công nghệ sản xuất góp phần tích cực vào việc giảm lượng nhân cơng, tăng lợi nhuận cho nhà máy Do đó, việc lựa chọn dây chuyền công nghệ phải đảm bảo yêu cầu trình sản xuất, thuận lợi việc bố trí cơng đoạn sản xuất, cơng nhân thao tác dễ dàng, đảm bảo an toàn lao động Các tiêu kinh tế- kỹ thuật: suất thiết bị sản xuất cần đạt yêu cầu sau:  Yêu cầu tiêu kinh tế- kỹ thuật: Hệ số tiêu hao nguyên liệu lượng gồm: nhiên liệu, nước, nước bão hịa, khơng khí nén, điện Tiêu hao cho đơn vị tính theo khối lượng thể tích sản phẩm Điều ảnh hưởng đến yếu tố sau: Giá nguyên liệu vào Chi phí vận hành Giá sản phẩm  Yêu cầu kết cấu: Tính giới thiết bị sản xuất gồm: tính bền, tính cứng, tính lâu dài, tính an tồn Tính cơng nghệ thiết bị sản xuất: dễ chế tạo, kết cấu đơn giản, gọn nhẹ dùng vật liệu đắt tiền Tính vận hành: đơn giản, hiệu cao, suất cao 4.2 Hình vẽ dây chuyền cơng nghệ sản xuất 4.3 Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ Trang 30 Đầu tiên cho nước xà phòng dầu ve vào thiết bị phản ứng tiến hành khuấy trộn Sau cho styren chất khởi đầu đưa vào lị phản ứng (1), trì vận tốc cánh khuấy khoảng 120-160 vịng/phút Đun nóng hỗn hợp lên 65-700C, lúc chất khởi đầu bắt đầu phân ly tạo gốc tự do, phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ hỗn hợp tự tăng lên 85900C Giữ nhiệt độ hàm lượng monome dư hỗn hợp phản ứng nhỏ 1% Không nên tăng nhiệt lên hạt polystyren vừa tạo chảy mềm dính lại với Sau tiến hành phá nhũ tương thùng chứa (2) đem lắng, lọc, ly tâm (3) để tách polyme hạt bé dung dịch chất nhũ hóa, chất khởi đầu cịn dư… Monome tự tách cách sục nước nhiệt vào hỗn hợp polystyren-nước thực q trình lơi nước (4) Việc phá nhũ tương thực nhiều cách khác nhau: Dùng nhiệt để phá hệ nhũ tương Dùng học: khuấy mạnh với vận tốc khuấy 3000-6000 vòng/phút Dùng điện trường Dùng chất điện ly: muối ăn, NH4Cl, ZnCl2, CH3COOH,… Nhựa tạo tạo đem qua (5) để sàng lọc, tách hạt theo kích thước khác nhau, đem phối trộn với phụ gia theo tỷ lệ định (6) sau đem đóng gói sản phẩm CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 5.1 Lựa chọn phương pháp sản xuất Trang 31 Để sản xuất nhựa polystyren tiến hành theo bốn phương pháp khác Ở đồ án chọn phương pháp nhũ tương với đơn phối liệu sau: + Năng suất : 12000 tấn/năm + Hiệu suất: 75% + Độ ẩm trước sấy: 21% + Độ ẩm sau sấy: 0.3% + Styren 99,8%: 100 phần trọng lượng + Nước: 250 phần trọng lượng + Xà phịng dầu ve (chất nhũ hóa): phần trọng lượng + Pesunphat kali (chất khởi đầu): 0,25 phần trọng lượng + Chất đệm: 0,05 phần trọng lượng 5.2 Cân vật chất Sơ đồ biểu diễn giai đoạn tồn q trình sản xuất sau: Trùng hợp Nguyên liệu Kết tụ Rửa, sấy Đóng bao Sự tổn hao qua giai đoạn: - Chuẩn bị monomer: - Nguyên liệu khác: - Tổng hợp: - Xử lý: - Sấy, sàng, đóng bao: 5.2.1 Tính Cân vật chất cho polystyren sản phẩm Độ ẩm polystyren sau sấy 0,3% nên khối lượng polystyen sản phẩm: 1000 99,7 100 = 997 kg Trang 32 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 Lượng polystyren hao hụt sấy, sàng, đóng bao: - Do tổn hao giai đoạn xử lý 0,15% nên khối lượng polystyren trước xử lý: 1002,01 100 Lượng polystyren hao hụt xử lý: - Do tổn hao giai đoạn tổng hợp 0,25% nên khối lượng polystyren trước tổng hợp: 99,75 Lượng polystyren hao hụt giai đoạn xử lý: - Do tổn hao giai đoạn nguyên liệu khác 0,35% nên khối lượng polystyren trước giai đoạn nguyên liệu khác: 1006,04 99,65 100 = 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 Trang 33 Như để thu nhựa có độ ẩm sau sấy 0,3% lượng polystyren cần tạo từ q 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 1350,83 100 = 1013,12 kg Thực tế dùng styren 99,8% nên cần nạp: 100 1350,83 99,8 = 1353,54 kg Vì tổn hao giai đoạn chuẩn bị monomer 0,35% đó,lượng styrene 99,8% cần chuẩn bị là: 1353,54 100 99,65 = 1358,29 kg Thành phần nguyên liệu khác cần dùng theo đơn phối liệu: - Chất nhũ hóa: 1350,83 100 = 40,53 kg - Chất khởi đầu: Trang 34 = 3,38 kg Trang 35 - 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 99,65 = 40,67 kg - Chất khởi đầu: 3,38 100 99,65 = 3,39 kg - Chất đệm: 0,675 100 99,65 = 0,677 kg  Tính toán 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 trình là: 3377,075 100 99,65 = 3388,94 kg Bảng cân vật chất cho trình chuẩn bị nguyên liệu: 5.2.1.2 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 1358,29 250 100 = 3395,73 kg Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất nước cần dùng: Trang 37 3395,73 100 99,65 = 3407,66 kg Tổn hao nước là: 3407,66 – 3395,73 = 11,93 kg 5.2.1.4 Tính lượng chất khởi đầu Lượng chất khởi đầu dùng cho đơn phối liệu 1358,29 0,25 100 = 3,4 kg 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: 3,41 – 3,4 =0,01 kg 5.2.1.5 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 Tính lượng chất đệm Lượng chất đệm dùng cho đơn phối liệu Hao hụt trình chuẩn bị monomer 0,35%, lượng chất đệm cần dùng: 0,68 100 99,65 = 0,6824 kg Trang 38 Tổn hao chất đệm là: 0,6824 – 0,68 = 0,0024 kg Bảng cân vật chất cho sản phẩm: 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: Do tổn hao công đoạn xử lý 0,15% khối lượng polystyren ra: Tổn hao giai đoạn xử lý 0,15% là: Hỗn hợp nước tách trước tổn hao: Do tổn hao 0,15%, lượng hỗn hợp nước ra: 99,85 100 2125,45 = 2122,26 kg 5.2.2.2 Độ ẩm sau sấy 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 Trang 39 Do tổn hao công 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: 99,5 260,2 100 = 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 5.2.3 Cân vật chất cho mẻ sản xuất Thời gian làm việc: + Nghỉ chủ nhật + Nghỉ lễ tết + Nghỉ bảo dưỡng 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: Trang 40 Bảng cân vật chất cho mẻ sản xuất C C 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 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 Trang 41 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 Trang 42 ... H n n Phân loại Theo cấu trúc th? ?ng th? ?ờng PS chia làm loại sau: PS tinh th? ?? (GPPS) PS chịu va đập (HIPS) Trang PS xốp (EPS) 1PS tinh th? ?? (GPPS) PS tinh th? ?? th? ?ờng sử dụng cho mục đích th? ?ng... 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 th? ?nh từ... phương pháp sản xuất Trang 31 Để sản xuất nhựa polystyren tiến hành theo bốn phương pháp khác Ở đồ án chọn phương pháp nhũ tương với đơn phối liệu sau: + Năng suất : 12000 tấn/năm + Hiệu suất: 75%