Đồ án thuyết kế phân xưởng sản xuất ps theo phương pháp trùng hợp huyền phù

Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù PHẦN 1: MỞ ĐẦU Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ Các ngành công nghiệp đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đặc biệt là ngành công nghệ sản xuất chất dẻo Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polymer, được dùng làm vật liệu sản xuất nhiều loại vật dụng góp phần quan trọng vào phục vụ đời sống con người cũng như phục vụ cho sự phát triển của nhiều ngành và lĩnh vực kinh tế khác như; điện, điện tử, viễn thông, giao thông vận tải, thủy sản, nông nghiệp,… Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, chất dẻo còn được ứng dụng và trở thành vật liệu thay thế cho những vật liệu truyền thống tưởng chừng như không thể thay thế được là gỗ, kim loại, silicat, Do đó, ngành công nghiệp nhựa ngày càng có vai trò quan trọng trong đời sống cũng như sản xuất của các quốc gia Sản lượng nhựa toàn cầu đạt 322 triệu tấn/ năm[1] Hình 1.1 Sản lượng sản xuất nhựa toàn cầu 1950 -2016[2] SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 1 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù Giống như các loại nhựa khác, polystyrene (PS) cũng được sử dụng rộng rãi vì tính chất cơ học tốt và giá thành tương đối thấp PS được sử dụng rộng rãi trong vật liệu xây dựng (vật liệu cách nhiệt), xốp đóng gói, hộp đựng thực phẩm, cốc, đĩa tiện lợi Năm 1839, nhà hóa học người Đức Eduard Simon đã phát minh ra PS, ông đã phân lập chất này từ nhựa tự nhiên nhưng ông không biết mình đã khám phá ra điều gì Sau đó, nhà hóa học hữu cơ người Đức, Hermann Staudiger, nhận ra rằng khám phá của Simon bao gồm các chuỗi polystyren Năm 1930, các nhà khoa học tại công ty có tên Badische Anilin & Soda- Fabrik đã phát triển phương pháp sản xuất PS thương mại Các sản phẩm PS được đưa vào thị trường Hoa Kì năm 1938 bởi công ty hóa chất Dow[3] Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩm thu được có tính chất cơ lý h tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xã hội Có khoảng 21 triệu tấn PS được sản xuất trên thế giới vào năm 2013[1] Hình 1.2 Cơ cấu tiêu thụ Polystyren toàn cầu năm 2020 theo khu vực[4] Lượng tiêu thụ PS trên toàn thế giới có sự phân chia rõ rệt, chiếm phần lớn ở Châu Á, theo sau là Bắc Mỹ Còn thị trường tiêu thụ ít PS là: Châu Âu, Trung Đông-Bắc Phi và Mỹ La Tinh SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 2 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù Khu vực Châu Á Thái Bình Dương là một thị trường polystyrene lớn, nó đóng góp đáng kể vào thị trường thương mại vật liệu Trong khi xuất nhập khẩu nhựa polystyrene chịu va đập (HIPS) và polystyrene tinh thể (GPPS) được cân bằng, thì Châu Á Thái Bình Dương là khu vực xuất khẩu nhựa polystyrene xốp (EPS) Sản lượng polystyrene trên toàn cầu, đặc biệt là polystyrene chịu va đập, và GPPS được ước tính là khoảng 14 triệu tấn, trong đó Châu Á chiếm khoảng một nửa tổng sản lượng Sản lượng polystyrene xốp (EPS) toàn cầu ước tính vào khoảng 12 triệu tấn, trong đó Châu Á Thái Bình Dương chiếm khoảng 3/4 tổng sản lượng Người tiêu dùng ở Bắc Mỹ dự kiến sẽ hướng đến khu vực Châu Á Thái Bình Dương để đáp ứng các yêu cầu trong tương lai của họ Trung Quốc là một trong những nước nhập khẩu HIPS và GPPS lớn nhất bởi vì ứng dụng chất này ngày càng tăng trong ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng[5] Bảng 1.1 Sản lượng sản xuất nguyên liệu nhựa trong nước[6] Nguyên Công ty sản xuất Công suất liệu (tấn/năm) PP Công ty TNHH MTV Lọc hóa dầu Bình Sơn 150,000 PET Công ty TNHH Hưng Nghiệp Formosa 145,000 PVC 200,000 Công ty TNHH nhựa và hóa chất Phú Mỹ 190,000 PS Công ty TNHH Nhựa và hóa chất TPC Vina 48,000 EPS 38,000 BOPP Công ty TNHH Polystyren Việt Nam 60,000 Công ty TNHH Polystyren Việt Nam 12,000 DOP Công ty TNHH Hưng Nghiệp Formosa 30,000 Công ty Cổ phần Nhựa Youl Chon Vina 40,000 Công ty Màng Châu Âu Công ty Liên doanh Hóa Chất LG Việt Nam SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 3 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù Qua bảng số liệu ta thấy sản lượng sản xuất PS ở Việt Nam còn thấp, chủ yếu tập trung sản xuất PE, PP,PET, và PVC Quá trình sản xuất Polystyren hiện nay có nhiều phương pháp như trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù và trùng hợp nhũ tương Trong đó trùng hợp huyền phù là phương pháp có nhiều ưu điểm như: khối lượng phân tử cao độ đa phân tán nhỏ,… Từ những đặc điểm sản xuất cũng như nhu cầu tiêu thụ nhựa PS ở trên, em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù, năng suất 20000 tấn/năm” trong nhiệm vụ thiết kế đồ án này PHẦN 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên liệu tổng hợp Polystyren 2.1.1 Styren Công thức phân tử của styren: C8H8 Công thức cấu tạo của styren: C6H5-CH=CH2 SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 4 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù CH CH2 2.1.1.1 Tính chất vật lí Styren ở điều kiện thường, nó là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi thơm đặc biệt Không hòa tan trong nước, có thể trộn lẫn với hầu hết các dung môi hữu cơ theo bất kỳ tỷ lệ nào[7] Bảng 1.2 Tính chất vật lý của styren[7] Khối lượng phân tử, g/mol 104.14 Tỷ trọng, g/cm3 0.9059 Nhiệt độ sôi, ℃ 145 Nhiệt độ nóng chảy, ℃ -31 Nhiệt độ chớp cháy, ℃ 31 Áp suất hơi ở 20℃,hPa 6.67 Độ dẫn nhiệt ở 20℃,W/m℃ 0.6 2.1.1.2 Tính chất hóa học của styren[8] C6H5-CHBr-CH2Br  Cộng halogen: C6H5-CH=CH2 + Br2 C6H5-CH-CH3  Cộng HA ( HOH, HX, H2SO4 ) A C6H5-CH=CH2 + HA C6H5COOH + CO2 + H2O Phản ứng oxy hóa: C6H5-CH=CH2 + O2 + Cộng H2: SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 5 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù HC CH2 CH2 CH3 H2, Ni 25oC, 3at Styren rất dễ trùng hợp vì có nối đôi và vòng thơm, trong quá trình bảo quản nên hạn chế cho tiếp xúc với ánh sáng, oxy, nhiệt độ Thông thường khi bảo quản ta cho 0,5 ÷ 1,5 % khối lượng hydroquinon vào làm chất ức chế trùng hợp 2.1.1.2 Đặc điểm nguy hiểm của styren Khi tiếp xúc với styrene sẽ gây kích ứng da và mắt, việc này lặp lại thường xuyên thì có khả năng gây ung thư cao Độc tính đường miệng của styrene thấp Bất kỳ lượng nhỏ nào vô tình nuốt phải đều không thể gây hại Nuốt phải một lượng lớn styrene có thể gây kích ứng miệng, cổ họng và đường tiêu hóa Tuy nhiên, hít vào phổi có thể gây viêm phổi do hóa chất, có thể gây tử vong[7] 2.1.1.3 Các phương pháp thu được styren - Styren có trong bã nhựa - Nhận được khi chưng khô than - Cracking dầu mỏ - Nhiệt phân một số chất hữu cơ khác - Đề hydro hoá của etylbenzen  Trong các phương pháp thì phương pháp đề hydro hoá của etylbenzen được sử dụng rộng rãi nhất Etylbenzen có công thức : C6H5 – CH2 – CH3 Phương pháp này bao gồm hai bước: + alkyl hóa benzen bằng etylen để tạo ra etylbenzen + tiếp theo là khử hydro etylbenzen để tạo ra styren SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 6 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù CH3 CH2 H2C CH + H2 2.1.2 Một số chất phụ gia 2.2 Cơ chế trùng hợp Polystyren 2.2.1 Giai đoạn khơi mào Đây là giai đoạn sinh ra trung tâm hoạt động, dưới tác dụng của nhiệt độ, chất khởi đầu peroxit benzoin phân huỷ thành gốc tự do: O O O COOC 2 CO Peroxyt benzoil Sau đó: O TO R + CO2 CO Gốc tự do tạo thành tiếp tục phản ứng với monome cho một gốc tự do mới SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 7 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù CH CH2 R CH2 CH R + 2.2.2 Giai đoạn phát triển mạch Các gốc tự do được tạo thành từ giai đoạn trước lần lượt đính liên tiếp vào các phân tử monome rồi tiếp tục phát triển mạch như sau: CH CH2 CH CH2R R CH2 CH CH2 CH n n+ CH CH2 2.2.2 Giai đoạn ngắt mạch Phản ứng đứt mạch trong quá trình trùng hợp gốc có thể xảy ra theo hai cách: - Kết hợp CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 + - Phân ly không đối xứng SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 8 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù HC CH H2C CH2 2 H2C CH2 + 2.3 Động học của quá trình trùng hợp gốc Giai đoạn khơi mào Sự phân hủy của chất khơi mào tạo ra gốc tự do: I 2R* kd Sự kết hợp giữa monomer và gốc tự do R +M RMi* kd Do đó, tốc độ khơi mào Ri=d ¿ ¿  Trong đó: + I là chất khơi mào + R* là gốc tự do + Kd: Hằng số tốc độ cho sự phân ly của chất khơi mào (s-1) + Ri: Tốc độ phân hủy của gốc tự do + [M*] là nồng độ Rmi* + f: Hệ số của chất khơi mào + [I]: Nồng độ ban đầu của chất khơi mào Giai đoạn phát triển mạch RM1*+M RM2* SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 9 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù kp RM2* RM2*+M kp RMx*+M RMx+1* kp Tốc độ phát triển mạch : Rp  d[M ] kp[M *][M ] dt (2)  Trong đó: + Rp: Tốc độ phát triển mạch + Kp: Hằng số tốc độ phản ứng phát triển mạch + [M*] =⅀ RMx* RMx* + [M] là nồng độ monomer ban đầu Giai đoạn ngắt mạch Rt = −d ¿ ¿ =2kt[M*]2(3) Từ (1)(3) ta có Ri =Rt = > 2fkd[I] = 2kt[M*]2 1  f kd  2 1  [I ]2 = > [M*] =  kt  (4) Thay (4) vào (2) ta có: 1 R  f kd  2 1 p k p   [I ]2 [M ]  kt  SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 10 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù Chất đàn hồi được trộn vào polystyrene, chủ yếu để làm tăng tính bền cơ học Kết quả là tạo ra vật liệu thường được gọi là PS chịu va đập (HIPS) và có giá trị cho nhiều thứ khác nhau Chất đàn hồi Polybutadiene có cấu trúc lập thể điều hòa được sử dụng để điều chỉnh tính chịu va đập Độ bền, tính chịu va đập, độ trong, và các công nghệ chế biến khác nhau có ảnh hưởng tới hình dáng sợi và sự phân tán trong pha nền polymer Polystyrene chịu va đập có thể được xử lý một cách dễ dàng bởi các công nghệ chế biến nhiệt dẻo thông thường gồm công nghệ màng, công nghệ tấm và các công nghệ: ép biên, ép nóng, đúc phun, đúc phun áp lực, và đúc thổi cấu trúc Một số ứng dụng của HIPS: - Bao bì dập nóng - Đựng thức ăn nhanh - Cốc và nắp đậy - Hộp đựng nước ép trái cây và các sản phẩm sữa - Đường ống cho tủ lạnh - Các bộ phận của máy điều hòa không khí - Cáp nối TV/băng ghi âm - Đồng hồ treo tường - Phụ kiện đồ điện - Đĩa video và băng catset - Đồ chơi, gót giày… PS xốp (EPS) PS xốp là thuật ngữ chung để chỉ PS, và copolyme styrene được tạo ra như một hợp chất với các chất tạo khí và các phụ gia khác, nó có thể được chế biến thành các sản phẩm xốp có tỷ trọng thấp Các loại vật liệu EPS có thể chế tạo các sản phẩm như cốc cà phê, giảm sóc cho ô tô Mục đích chính của EPS là chế tạo ly dùng 1 lần, vỏ chống rung và vật liệu cách nhiệt SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 18 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù Do có ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng như trong công nghiệp, polystyren đã trở thành vật liệu quan trọng và thiết yếu đối với cuộc sống con người Việc nghiên cứu các công nghệ mới nhằm đẩy mạnh sản xuất polystyren để chế tạo ra các vật phẩm ngày càng được quan tâm và phát triển PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔMG NGHỆ CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1.1 Tính toán cân bằng vật chất Mục đích của việc tính cân bằng vật chất nhằm giúp ta biết được mỗi mẻ sản xuất cần bao nhiêu nguyên liệu Từ đó lập bảng chuẩn bị nguyên liệu cho một mẻ, một ngày và một năm sản xuất Đồng thời lập đơn đặt hàng để đáp ứng yêu cầu sản xuất liên tục nhưng không được ứ đọng và đặc biệt là trong kho không được thiếu nguyên liệu Ngoài ra, việc tính cân bằng vật chất sẽ góp phần tính toán giá thành của sản phẩm tạo ra, từ đó so sánh với nguyên liệu đem sử dụng để đánh giá tính kinh tế và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn nữa việc tính cân bằng vật chất còn là cơ SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 19 Thuyết kế phân xưởng sản xuất PS theo phương pháp trùng hợp huyền phù sở cho việc tính được thiết bị có kích thước, trọng lượng là bao nhiêu để bố trí và xây dựng nhà máy đạt được độ chính xác, an toàn trong quá trình làm việc Những thông số ban đầu Sơ đồ biểu diễn các giai đoạn trong quá trình sản xuất như sau: Chuẩn bị Trùng hợp Xử lý tách Ly tâm nguyên liệu monomer Đóng gói Sàng Sấy  Các số liệu ban đầu: - Năng suất: 20.000 tấn/ năm - Độ ẩm sản phẩm: Qua khảo sát các sản phẩm có mặt trên thị trường các số liệu thu được cho thấy độ ẩm trong sản phẩm dao động từ 0,2% - 0,5% Trong đồ án này em chọn độ ẩm sản phẩm là 0,2% - Độ ẩm PS trước khi sấy là 25% - Hiệu suất: 95% - Sự tổn hao qua các giai đoạn: Tổn hao trong từng công đoạn sản xuất phụ thuộc nhiều vào công nghệ sử dụng Các thông số này thường rất ít được đề cập trong các tài liệu Vì vậy trong đồ án này tổn hao được giả định để tính toán cụ thể như sau: + Giai đoạn nạp liệu: 0,2% + Giai đoạn trùng hợp: 0,1% + Giai tách monomer: 0,1% + Giai đoạn ly tâm: 0,3% + Giai đoạn sấy: 0,1% + Sàng: 0,1% + Giai đoạn đóng gói sản phẩm: 0,1% - Thời gian làm việc: SVTH: Lê Thị Diễm Hiền GVHD: TS Phan Thế Anh 20