Hiện nay, nguyên liệu cho ngành hóa dầu là sản phẩm của các phân đoạn dầu mỏ, các sản phẩm khí thiên nhiên và khí đồng hành. Từ các nguồn nguyên liệu này, ngành hóa dầu tổng hợp nên các sản phẩm có ích cho cuộc sống như các loại đồ gia dụng, các hóa mĩ phẩm, các dung môi pha xăng, dung môi sơn … Một trong những sản phẩm hóa dầu được quan tâm hiện nay là các loại polime trong đó có Polystyren. Polystyren được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp bao bì vì ưu điểm tính cách nhiệt tốt, giá rẻ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT - - ĐỒ ÁN CƠNG NGHỆ HĨA DẦU & CHẾ BIẾN POLYME ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYSTYREN VÀ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ KỸ THUẬT CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HUYỀN PHÙ VỚI NĂNG SUẤT 200.000 TẤN/NĂM Họ tên sinh viên: DỖN ANH TUẤN Lớp: Lọc hóa dầu B - K54 Khoa: Dầu khí Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ LINH HÀ NỘI, 1/2014 Lời mở đầu Dầu khí nguồn nguyên liệu đa năng, ngày người ta chủ yếu sử dụng để làm nhiên liệu chạy loại phương tiện vận tải, máy móc công nghiệp Trong tương lai không xa nguồn dầu cạn kiệt đặt tốn tìm nguồn nguyên liệu thay sử dụng nguồn nguyên liệu cách hiệu Điều khẳng định vị ngành hóa dầu tương lai Hiện nay, nguyên liệu cho ngành hóa dầu sản phẩm phân đoạn dầu mỏ, sản phẩm khí thiên nhiên khí đồng hành Từ nguồn nguyên liệu này, ngành hóa dầu tổng hợp nên sản phẩm có ích cho sống loại đồ gia dụng, hóa mĩ phẩm, dung mơi pha xăng, dung môi sơn … Một sản phẩm hóa dầu quan tâm loại polime có Polystyren Polystyren sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp bao bì ưu điểm tính cách nhiệt tốt, giá rẻ Các nhà khoa học từ trường Polymer Science and Engineering College thuộc trường Đại học Khoa học Công nghệ Quingdao, Trung Quốc tiến hành trộn loại hạt nhựa hấp thụ nước với đường kính micron chất tương tự Styrene trước đem tổng hợp để tạo thành vật liệu giống nhựa Polystyrene Khi vật liệu tiếp xúc với nước, hạt polymer trộn vào giãn nở cắt mạch nhựa thành dạng bột và nhựa này phân hủy sinh học Với giá thành rẻ loại nhựa xốp Polystyrene truyền thống và thân thiện với môi trường Hơn nữa, loại nhựa xốp Polystyrene cho khả tăng tốc phân hủy sinh học khơng tính chất bao bì thời gian sử dụng Nhận thấy tầm quan trọng nhựa polystyren em viết luận nhằm mục đích “Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất polystyren tính tốn số thơng số kĩ thuật cho thiết bị phản ứng sử dụng phương pháp huyền phù với suất 200.000 tấn/năm” CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ POLYSTYREN Lịch sử Polystyren (PS) Từ kỷ thứ 18 styren lần tìm thấy chưng cất nhựa bồ đề với nước Năm1831 lần Bonastre chiết tách styren Năm 1839, E.Simon người xác định tính chất polystyren đặt tên styren , ông quan sát chuyển hoá styren dung dịch lỏng nhớt trạng thái tĩnh Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman Btytt nhiệt phân monome styren ống thuỷ tinh kín 2000C thu sản phẩm đồng thể Berthelot chế tạo styren cách nhiệt phân số hydrocacbon phương pháp tảng cho sản xuất styren công nghiệp sau Năm 1937, Công ty Dow Chemical, công ty lớn Mỹ sản xuất polystyren dân dụng hay gọi styrol năm 1938 sản xuất 100.000 kg polystyren Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày hoàn thiện sản phẩm thu có tính chất lý hố học tốt, đồng đều, đáp ứng nhu cầu xã hội Tính chất polystyren (PS) PS thuộc nhóm nhiệt dẻo tiêu chuẩn, gồm có PS PVC (poly vinylclorua) PS cứng, suốt với độ bóng cao, khơng mùi, khơng vị Khi cháy có nhiều khói, giá thành rẻ, dễ gia công phương pháp ép đúc áp suất Dưới 100oC, nguyên liệu PS đóng rắn lại giống thủy tinh với nồng độ thích hợp PS có tính điện mơi tốt, bền với nhiều hóa chất sử dụng, chịu nước tốt PS không phân cực bền với hóa chất phân cực phân cực mạnh Vì có ngun tử H C bậc linh động nên H dễ tham gia phản ứng oxi hóa PS nhanh bị lão hóa khơng khí có ánh sáng trực tiếp Vịng benzen tham gia phản ứng sunfo hóa, nitro hóa…dùng để sản xuất nhựa trao đổi ion cationit axit mạnh Khối lượng riêng d = 1,05 1,1 g/cm3 Chỉ số chảy MI: 1 g/10 phút Độ bền kéo đứt: 400 450 kg/cm2 Tính chất PS huyền phù Dung Khối Nhũ tương dịch Giới hạn bền uốn, [kg/cm2] 816 875 800 900 Độ bền va đập, [kg/cm/cm2] 14,7 15 15 180 Độ bền nhiệt (Mactanh), [oC] 80 80 80 80 Độ thẩm điện môi (điện 2,6 2,6 2,6 2,6 xuyên thủng), (10 hex) PS tái chế sử dụng lại nhiều lĩnh vực Nhiệt độ nhiệt dẻo PS khoảng 80 - 100 oC nên việc tái chế trực tiếp, ta việc cắt làm vụn thành mảnh nhỏ sau nhiệt dẻo, đem xử lý đóng khn để hồn tất sản phẩm Ngoài số trường hợp ta sử dụng phương pháp nhiệt phân phương pháp phân giải Hydrocracking Sản phẩm trình monome sử dụng nguyên liệu đầu cơng nghiệp hóa chất dầu mỏ Điều có ý nghĩa quan trọng việc bảo vệ môi trường Một số u cầu sử dụng mang tính khơng thể thiếu cân quang học tốt hơn, độ cứng, bền với hóa chất nhiệt độ tốt, độ bền cao xử lý linh hoạt, màu sắc… phù hợp với PS Vì có ứng dụng rộng rãi thực tế Tuy nhiên PS có nhược điểm lớn chúng giịn, làm giảm phần phạm vi ứng dụng Cấu Tạo Của Polystyren (PS) Qua nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau, đặc biệt phương pháp nhiệt phân PS thấy PS có cấu trúc đầu nối đuôi PS nhiệt độ phản ứng khơng cao tạo nhánh nhánh bé Cấu tạo triển vọng polystyren (PS) Theo cấu trúc, thông thường PS chia thành loại sau: - PS tinh thể (GPPS) - PS chịu va đập (HIPS) - PS xốp (EPS) 3.1 PS tinh thể (GPPS) PS tinh thể thường sử dụng cho mục đích thơng dụng (GPPS), có khối lượng phân tử lớn (Mw = - x105), mang tính nhiệt dẻo rõ ràng cứng, bền, khơng mùi, khơng 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 nhiệt tính điện tốt, lý mà chúng sử dụng vật liệu cách điện rẻ tiền Về phương diện thương mại PS tinh thể gia cơng chế biến loạt cơng nghệ Hình ảnh vài ứng dụng PS: Hình 1: GPPS ứng dụng 3.2 PS chịu va đập (HIPS) Chất đàn hồi trộn vào polystyrene, 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 Polystyrene chịu va đập xử lý cách dễ dàng công nghệ chế biến nhiệt dẻo thông thường gồm công nghệ màng, công nghệ cơng nghệ: ép biên, ép nóng, đúc phun, đúc phun áp lực, đúc thổi cấu trúc Hình 2: Nhựa HIPS ứng dụng làm vỏ vật liệu 3.3 PS xốp (EPS) PS xốp thuật ngữ chung để PS,và copolyme styrene 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 Hình 3: Nhựa EPS ứng dụng 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 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT POLYSTYREN Tổng hợp nguyên liệu Styren 1.1 Nguyên liệu Styren Nguyên liệu để sản xuất Polystyren (PS) Styren CTPT: C8H8 CTCT: Styren chất lỏng khơng màu, có mùi đặc trưng, khơng hồ tan nước mà hoà tan theo tỷ lệ với rượu, keton, ete, este, cacbuahydro clo hoá, nitroparafin Tính chất vật lý styren trình bày bảng Bảng Tính chất vật lý polystyren Tỉ trọng d25 , g/cm3 0.9045 Chiết suất 1.54389 Độ nhớt 250C, Cp 0.75 Nhiệt độ sôi, 0C 145.2 Nhiệt độ nóng chảy, 0C -30.6 Nhiệt độ cháy bùng , 0C 31.0 Nhiệt độ bắt lửa, 0C 34.0 Nhiệt bay hơi, cal/g 86.9 Nhiệt cháy ,cal/g 10.04 Nhiệt nóng chảy, cal/g 25.4 Nhiệt trùng hợp, cal/g 168 Tỉ nhiệt 250C ,cal/g.độ Giới hạn nổ khơng khí, %V 0.407 1.1 6.1 Độ co sau trùng hợp, %V 17.0 1.2 Tổng hợp Styren: Styren thường tổng hợp cách dehidro hóa trực tiếp etylbenzen Dehydro hóa trực tiếp Etylbenzen phương pháp đoạn nhiệt Dehydro hóa trực tiếp Etylbenzen phương pháp đẳng nhiệt Dehydro hóa trực tiếp Etylbenzen Các điều kiện PƯ: T = 550 650oC, P = 0,1 0,3 Mpa Hệ xúc tác đại gồm cấu tử: cấu tử hoạt động (Fe 2O3); chất ổn định (Cr2O3 , Al2O3 , MgO); chất ức chế tạo cốc (K 2O); chất khơi mào (CuO, V2O5, AgO) chất kết dính (Aluminat canxi) Tùy thuộc vào loại xúc tác sử dụng, q trình tiến hành điều kiện đẳng nhiệt đoạn nhiệt Về mặt công nghệ hai phương pháp: phương pháp đề hidro hóa đoạn nhiệt sử dụng nhiều vì: o Dehidro hóa đoạn nhiệt sử dụng thiết bị dạng trục xuyên tâm nên có độ chênh áp nhỏ xúc tác có tuổi thọ cao từ 5- năm Cịn xúc tác phương pháp dehidro hóa đẳng nhiệt tồn từ 12 – 18 tháng o Tỉ lệ nước pha thêm vào styren nhằm mục đích tránh q nhiệt cục q trình dehidro hóa đoạn nhiệt 1/1,2 cịn đẳng nhiệt 1/1,6 1.2.1 Dehydro hóa đoạn nhiệt Hình 4: Sản xuất Styren cơng nghệ Dehydro hóa đoạn nhiệt Thuyết minh sơ đồ: Etylbenzenen etylbenzen tuần hoàn bốc hơi, trộn với 10% nước (vì lớp xúc tác, nhiệt độ phản ứng giảm 1oC độ chuyển hóa tăng 1%, để thu độ chuyển hóa cao phải thêm đáng kể lượng nước nhiệt độ cao), gia nhiệt đến 530 550 oC đưa vào TBPƯ 90% lượng nước lại gia nhiệt lên 800oC đưa vào TBPƯ để nâng nhiệt độ lên 650 oC, phản ứng Dehydro hóa bắt đầu xảy nhiệt độ Khí sản phẩm khỏi TBPƯ có nhiệt độ 590 600 oC làm lạnh nhanh chóng thiết bị làm lạnh nước, nhiệt khí sản phẩm dùng để sản 10