Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phân monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 2000C và thu được sản phẩm đồng thể. Berthelot đã chế tạo được styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon và phương pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này. Năm 1937, Công ty Dow Chemical, một công ty lớn của Mỹ đã sản xuất được polystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đã sản xuất được 100.000 kg polystyren. Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩm thu được có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xã hội. 1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren Năm 1930, PS mới bắt đầu được sử dụng như một sản phẩm thương mại nhưng đến năm 1938 thế giới sản xuất được 100 tấn polystyren, cuối chiến tranh thế giới thứ hai sản xuất được 25.000 tấn. Đến cuối năm 1961 đã sản xuất được gần 1 triệu tấn PS. Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đó đến các nước ở Tây Âu. Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trong bảng 1:
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về nhựa polystyren (PS) ……………………………………………… 1.1.1. Lịch sử phát triển……………………………………………………………… 1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren. ……………………………………………… 1.1.3. Nguyên liệu. ………………………………………………………………… 1.1.3.1. Tính chất vật lý của styren. …………………………………………………. 1.1.3.2. Các phương pháp để thu được styren. ………………………………………. 1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp………………………………………………….… 1.2.1.Giai đoạn khơi mào……………………………………………………………. 1.2.2. Giai đoạn phát triển mạch. ……………………………………………….… 1.2.3. Giai đoạn đứt mạch…………………………………………………………… 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc polystyren…………………. 1.3.1. ảnh hưởng của oxy và tạp chất……………………………………………… 1.3.2. ảnh hưởng của nhiệt độ………………………………………………………. 1.3.3. ảnh hưởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu………………………. 1.4. Các phương pháp sản xuất……………………………………………………… 1.4.1. Trùng hợp khối……………………………………………………………… 1.4.2. Trùng hợp dung dịch…………………………………………………………. 1.4.3. Trùng hợp nhũ tương………………………………………………………… 1.4.4. Trùng hợp huyền phù…………………………………………………………. Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 1.5. Tính chất của nhựa polystyren………………………………………………… 1.6. ứng dụng……………………………………………………………………… Chương 2: tính toán thiết bị 2.1 Tính phối liệu và cân bằng vật chất……………………………………………… 2.1.1. Lựa chọn phương pháp sản xuất………. ……………………………………… 2.1.2. Cân bằng vật chất…………………………………………………………… 2.2. Tính toán kích thước thiết bị phản ứng…………………………………………. 2.2.1. Tính toán vỏ thiết bị chính……………………………………………………. 2.2.2. Tính cánh khuấy và mô tơ cánh khuấy……………………… ……………… 2.2.3. Tính lớp vỏ gia nhiệt…………………………………………… …………… 2.2.4. Tính chiều dày lớp bảo ôn…………………………………………………… 2.2.5. Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng………………………….……… 2.2.6. Chọn mặt bích, đệm, bu lông……………………………………….………… 2.2.7. Tai treo của thiết bị…………………………………………………….……… 2.3. Tính toán thùng chứa styren…………………………………………………… 2.4. Tính toán thùng lường styren…………………………………………………… 2.5. Tính toán thiết bị ngưng tụ……………………………………………….…… 2.6. Tính toán bơm………………………………………………………………… 2.7. Tính cân bằng nhiệt lượng………………………………………………………. 2.8. Thiết bị ly tâm………………………………………………………………… 2.9. Thiết bị sấy phun……………………………………………………………… 2.9.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy phun…………………….… 2.9.2. Vòi phun……………………………………………………………………… 2.9.3.Buồng sấy phun……………………………………………………………… Chương 3: Xây dựng 3.1.Yêu cầu lựa chọn địa điểm xây dựng……………………………………….…… Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 3.1.1.Yêu cầu chung………………………………………………………….……… 3.1.2. Yêu cầu về khu đất…………………………………………………………… 3.1.3.Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp………………………………………………. 3.2.Thiết kế tổng mặt bằng………………………………………………………… 3.2.1. Yêu cầu chung………………………………………………………………… 3.2.2. Nguyên tắc phân vùng………………………………………………………… 3.2.3. Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng………………………………. …………………………………………………. 3.3. Những căn cứ để thiết kế phân xưởng…….…………………………………… 3.4. Giải pháp thông gió…………………….……………………………………… Chương 4: kinh tế 4.1. Tóm lược dự án…………………………………………………………………. 4.2. Thị trường và kế hoạch sản xuất…………………………………………….… 4.2.1. Nhu cầu……………………………………………………………………… 4.2.2. Kế hoạch sản xuất…………………………………………………………… 4.3. Tính toán kinh tế………………………………………………………………… 4.3.1. Vốn cố định………………………………………………………………… 4.3.1.1. Vốn xây dựng………………………………………………………………. 4.3.1.2. Vốn đầu tư thiết bị máy móc……………………………………………… 4.3.2. Vốn lưu động…………………………………………………………………. 4.3.2.1. Chi phí nguyên liệu (1 năm)………………………………………… …… 4.3.2.2. Chi phí nhu cầu về điện…………………………………………………… 4.3.2.3. Chi phí nhu cầu về nước……………………………………………………. 4.3.2.4. Chi phí dầu nóng…………………………………………………………… 4.3.3. Tính nhu cầu lao động………………………………………………………… 4.3.3.1. Tính quỹ lương trả cho công nhân trực tiếp………………………………… Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 4.3.3.2. Tinh quỹ lương trả cho công nhân gián tiếp…………………………… 4.3.4. Giá thành sản phẩm……………………………………………………… 4.3.5. Lãi và thời gian thu hồi vốn………………………………………………… kết luận………………………………………………………………………… tài liệu tham khảo LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Nuyễn Thanh Liêm, thầy giáo Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, bộ môn xây dựng công nghiệp, khoa kinh tế và quản lý trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thanh Liêm, thầy giáo Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2004. Sinh viên Lời mở đầu Nhân loại đang bước vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ. Ngành công nghệ sản xuất chất dẻo và các ngành công nghiệp khác đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các mặt đời sống xã hội và trong công nghiệp. Nguyên liệu đầu để sản xuất chất dẻo rất đa dạng và dồi dào như than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ…So với kim loại, chất dẻo có nhiều tính chất ưu việt như: nhẹ, bền môi trường ăn mòn, cách điện…Ngoài ra còn có một số loại có khả năng chịu nhiệt tốt, trong suốt, dễ gia công nên chất dẻo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và dần dần thay thế kim loại. Ở nước ta nguồn nguyên liệu để sản xuất chất dẻo là rất lớn nhưng hầu hết các loại chất dẻo đều phải nhập khẩu do ngành công nghiệp hoá dầu của Việt Nam chưa phát triển, mặt khác ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo chưa được đầu tư đúng mức. Xuất phát từ yêu cầu thực tế ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo của nước ta đã hình thành nên đồ án: Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 “Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren theo phương pháp huyền phù với công suất 1000 tấn /năm”. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về nhựa polystyren (PS) [ ] 13,12,11 1.1.1. Lịch sử phát triển [ ] 12 Từ thế kỷ thứ 18 styren lần đầu tiên được tìm thấy khi chưng cất nhựa cây bồ đề với nước.Năm1831 lần đầu tiên Bonastre đã chiết tách ra styren. Năm 1839, E.Simon là người đầu tiên xác định được tính chất của polystyren và đặt tên đầu tiên là styren , ông đã quan sát được sự chuyển hoá của styren trong dung dịch lỏng nhớt ở trạng thái tĩnh. Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phân monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 200 0 C và thu được sản phẩm đồng thể. Berthelot đã chế tạo được styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon và phương pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này. Năm 1937, Công ty Dow Chemical, một công ty lớn của Mỹ đã sản xuất được polystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đã sản xuất được 100.000 kg polystyren. Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩm thu được có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xã hội. 1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren [ ] 12 Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 Năm 1930, PS mới bắt đầu được sử dụng như một sản phẩm thương mại nhưng đến năm 1938 thế giới sản xuất được 100 tấn polystyren, cuối chiến tranh thế giới thứ hai sản xuất được 25.000 tấn. Đến cuối năm 1961 đã sản xuất được gần 1 triệu tấn PS. Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đó đến các nước ở Tây Âu. Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trong bảng 1: Bảng 1: Tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ [ ] 12 . Năm Loại Sản lượng (kg) 1938 Tinh thể 100.000 1946 Tinh thể 25.000.000 1961 Tinh thể 50.000.000 1966 Tinh thể, ghép 1.000.000.000 1969 Ghép 1.500.000.000 Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 được thống kê trong bảng 2. Bảng 2: Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 [ ] 1912 − . Thứ tù Công ty Địa điểm Công suất ( triệu tấn/năm) 1 Amoco Taxas 800 2 Monanto Taxas 750 3 Dow Chemical Taxas 550 4 Cos Mar Luisiana 500 5 Sinclair Kopper Pennsylvania 470 6 Dow Chemical Michigan 350 7 Sun Oil Taxas 300 8 Shell California 240 9 Foster Grant Luisiana 220 Tổng 4.700 Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 1.1.3. Nguyên liệu [ ] 12,4,3 1.1.3.1. Tính chất của styren [ ] 12,3 Styren là một chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, không hoà tan trong nước mà hoà tan theo bất cứ tỷ lệ nào với rượu, keton, ete, este, cacbuahydro clo hoá, nitroparafin. Tính chất vật lý của styren được trình bày trong bảng 3. Bảng 3: Tính chất vật lý của polystyren [ ] 3 . Tỉ trọng d 25 , g/cm 3 0.9045 Chiết suất 1.54389 Độ nhớt ở 25 0 C, Cp 0.75 Nhiệt độ sôi, 0 C 145.2 Nhiệt độ nóng chảy, 0 C -30.6 Nhiệt độ cháy bùng , 0 C 31.0 Nhiệt độ bắt lửa, 0 C 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 ở 25 0 C ,cal/g.độ 0.407 Giới hạn nổ trong không khí, %V 1.1÷ 6.1 Độ co sau khi trùng hợp, %V 17.0 1.1.3.2. Các phương pháp để thu được styren [ ] 3 - 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 trên thì phương pháp đề hydro hoá của etylbenzen được sử dụng rộng rãi nhất . Etylbenzen có công thức : C 6 H 5 – CH 2 – CH 3. Có hai phương pháp sản xuất etylbenzen: Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 a. Đi từ benzen và cloetan ( có tricloua nhôm làm xúc tác). C 6 H 6 + CH 3 – CH 2 – Cl C 6 H 5 – CH 2 – CH 3 + HCl b. Đi từ benzen và etylen. C 6 H 6 + CH 2 = CH 2 C 6 H 5 – CH 2 – CH 3 Sản phẩm được chưng tách hết benzen chưa tham gia phản ứng sau đó hoàn nguyên xúc tác. Monome trước khi tiến hành trùng hợp phải có độ tinh khiết 99,8 ÷ 100%. Do trong quá trình bảo quản và vận chuyển monone có thể tự trùng hợp do nhiều nguyên nhân khác nhau: nhiệt độ, tia phóng xạ, ánh sáng…nên để ngăn ngừa hiện tượng đó cần bổ xung vào styren các chất hãm. Chất hãm là chất có khả năng ngăn ngừa hoàn toàn phản ứng trùng hợp sớm của monome. Chất hãm thông dụng là hydroquinon. Thực ra, chất hãm là sản phẩm ôxi hoá của nó – benzoquinon. Benzoquinon tương tác với gốc khởi đầu hoặc hoặc mạch phân tử đang phát triển tạo ra gốc semi – quinon: OH OH oxy hoa O O O O . CH CH 2 CH . CH + CH CH 2 CH CH 2 + O O H Do hiệu ứng liên hợp của điện tử lẻ với điện tử π của nhân thơm nên gốc semi - quinon Ýt hoạt động và không có khả năng khơi mào trùng hợp styren. Nó chỉ có thể tương tác với gốc đang phát triển và ngừng quá trình phát triển mạch: Đồ án tốt nghiệp Trần Lệ Sâm – Polyme – K44 . O O H CH CH 2 . CH 2 C + H O OH Nguyên liệu chính sản xuất polystyren cần độ tinh khiết cao 99,8 ÷100 %. Thường sử dụng phương pháp chưng cất để thu được polystyren tinh khiết. 1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp Phản ứng trùng hợp nhựa PS xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm 3 giai đoạn chính: + Giai đoạn khơi mào. + Giai đoạn phát triển mạch. + Giai đoạn đứt mạch. Styren có công thức như sau: ch = ch 2 δ − δ + Do có nhóm vinyl trong phân tử nên nhóm này có tính chất đẩy đôi điện tử dùng chung trong liên kết π của liên kết đôi C = C. Như vậy mật độ điện tích trên các nguyên tử cacbon của nhóm vinyl cũng bị thay đổi. Mặt khác, nhóm phenyl có tính chất hút điện tử, mật độ điện tích âm tập trung ở vị trí octo và para. Chính vì sự chênh lệch điện tích như vậy mà liên kết π của liên kết C = C trở nên kém bền hơn và thích hợp cho quá trình trùng hợp gốc. Có nhiều phương pháp trùng hợp polystyren như: + Trùng hợp gốc tự do. + Trùng hợp ion. + Trùng hợp xúc tác Zittler- Natta. Thông thường phương pháp phổ biến và hữu hiệu nhất là quá trình trùng hợp theo cơ chế gốc. Để tạo ra gốc tự do thường sử dụng các loại chất khơi mào sau: Đồ án tốt nghiệp [...]... sơ đồ dây chuyền sản xuất polystyren theo ph ơng pháp huyền phù 3 2 4 7 5 6 8 10 9 11 Khí nóng 20 Khí nóng 12 13 19 20 1234567 8- 1 19 18 Thùng chứa styren Đờng dầu Đờng nớc cấp Thùng lờng styre Thùng lờng nớc Thùng lờng polyvinyl ancol Thiết bị ngng tụ Thiết bị phân ly 9- Thiết bị phản ứng 17 20 16 14 15 10 -Thiết bị rửa 11- Thiết bị sấy phun 12 -Thiết bị tạo hạt 13 -Thiết bi sấy băng tải 14-Cân đồng... lờng polyvinyl ancol Thiết bị ngng tụ Thiết bị phân ly 9- Thiết bị phản ứng 17 20 16 14 15 10 -Thiết bị rửa 11- Thiết bị sấy phun 12 -Thiết bị tạo hạt 13 -Thiết bi sấy băng tải 14-Cân đồng hồ 15 -Thiết bị đóng bao 16 -Thiết bị ly tâm 17-Thùng chứa polyvinylancol 18 - Thùng chứa peroxit benzoin Thuyt minh dõy chuyn: Styren sch thựng cha 1 nh bm ly tõm 20 a lờn thựng lng 4, nc theo ng dn vo thựng lng 5 Peroxit... phõn t thp ng dng ca sn phm Polyme trựng hp khi c dựng ch to cỏc sn phm ỳc thng vo trong khuụn v ít cn gia cụng li, sn phm thng dựng lm vt cỏch in v cỏc chi tit thụng thng s dng trong k thut do sn phm polystyren nhn c theo phng phỏp trựng hp khi cú th thay i trong din rng 1.4.2 Trựng hp dung dch [ 3] So vi trựng hp khi, phn ng trựng hp trong dung dch tin hnh vi tc chm hn v polyme to thnh cú trng lng... latex n giai on cui cỏc monome ó phn ng ht sinh ra phn ng t mch, chuyn mch hn ch phn ng chuyn mch lờn polyme ngi ta phi a thờm tỏc nhõn trựng hp khỏc gi l cht iu chnh khi lng phõn t, sau khi trựng hp polystyren cú mu hi vng v nhit chy mm cao hn so với trựng hp khi Tc trựng hp Khi trựng hp styren trong nh tng c n nh nh cỏc cht x phũng hoỏ, quỏ trỡnh tin hnh vi tc khụng i cho n khi trong h thng ht... trong sn phm sn phm c tinh khit Sau khi ra, sn phm c chuyn vo thit b ly tõm 16, thit b ny cú tỏc dng sy s b sn phm, nh thit b hỳt chõn khụng sn phm li c tip tc a sang thit b sy phun 11 Sn phm c a vo thiết b t trờn xung di dng tia nh dhit b phun khớ ng, khớ núng c thi t di lờn v sy cho n khi ẩm trong sn phm khụng quỏ 5% Sau khi sy tip tc a sn phm vo mỏy ép ựn 12 to ht Sn phm c vn chuyn bng thit b... K44 Bao bỡ K thut Xõy dng v giao thụng Thit b nhit lnh Cỏc lnh vc khỏc 50 15 14 6 15 54 10 12 3 21 CHNG 2: PHN TNH TON THIT B 2.1 Tớnh phi liu v cõn bng vt cht 2.1.1 La chn phng phỏp sn xut sn xut nha polystyren cú th tin hnh theo bn phng phỏp khỏc nhau ỏn ny chn phng phỏp huyn phự vi n phi liu nh sau: + Styren 99,8% 100 PTL + Nc 200 PTL + Peoxit benzoin 1 PTL + Polyvinylalcol ỏn tt nghip 1,5 PTL... Giai on np liu Cụng on ny tn hao 0.3% nờn lng nguyờn liu u cho vo l: 1017.1x100 = 1020,15 99,7 kg Vy tng tn hao cho c quỏ trỡnh sn xut l: 1020,15 1000 = 20,15 kg i vi styren 99,8 % sn xut c 1000 kg polystyren thỡ cn lng styren l: 1020,15 x100 = 1022,2 kg 99,8 - Lng nc cn dựng l : 200x1022,2 = 2044,38 kg 100 - Lng peroxit benzoin cn dựng l: 1022,2 x1 = 10,222 kg 100 - Lng polyvinylancol cn dựng l:... cõn bng vt cht cho 1000 tn sn phm: Bng 6: Cõn bng vt cht cho 1000 tn sn phm Nguyờn liu Styren Nc Peoxit benzoin Polyvinyl ancol ỏn tt nghip Lng vo (kg) 1.022.200 2.044.380 10222 15333 Sn phm 1000 tn polystyren Trn L Sõm Polyme K44 b Cõn bng vt cht cho 1 ngy sn xut: - Thi gian lm vic: + Ngh ch nht : 52 ngy + Ngh l tt :7 ngy + Ngh bo dng : 14 ngy Vy s ngy lm vic trong nm l : 365 73 = 292 ngy Vi nng... 1.000.000 = 3424,66 kg 292 Bng cõn bng vt cht cho 1 ngy sn xut Bng 7 : Cõn bng vt cht cho 1 ngy sn xut Nguyờn liu Styren Nc Peoxit benzoil Polyvinyl ancol u vo (kg) 3500,68 7001,3 35 52,51 Sn phm 3424,66 kg polystyren c Cõn bng vt cht cho mt m sn xut Vỡ sn xut theo phng phỏp giỏn on nờn phi lm theo tng m: + Thi gian np liu : 15 phút + Thi gian phn ng : 360 phút + Thi gian thỏo sn phm ra khi thit b phn ng... Polyme K44 3424,66 = 1141,533 kg 3 Vy cú bng sau: Bng 8: Cõn bng vt cht cho mt m sn xut Nguyờn liu Styren Nc Peoxit benzoin Polyvinyl ancol Lng vo (kg) 1166,89 2333,76 11,66 17,50 Sn phm 1141,533 kg polystyren 2.2 Tính toỏn kớch thc thit b phn ng 2.2.1 Tớnh toỏn v thit b chớnh 2.2.1.1 Tớnh th tớch nguyờn liu chim ch trong ni V1 = Gi Pi Gi: Khi lng ca cu t th i trong thit b phn ng cú: G1= 1166,89