Phương pháp tổng hợp nhựa PS

Phương pháp tổng hợp nhựa PS

Mục lục Phần I : Mở đầu Phần II : lý thuyÕt chung 2.1.Tổng hợp monome • Nguyên liệu để sản xuất Polystyren • Xúc tác tổng hợp monome • Tính chất vật lý Polystyren 2.2.Lý thut trïng hỵp nhùa PolyStyren 2.2.1.Trùng hợp gốc Cơ chế trình trùng hợp gốc Các yếu tố ảnh hởng đến trïng hỵp gèc 2.2.2.Trïng hỵp ion  Trïng hỵp cation Trùng hợp anion Các yếu tố ảnh hởng đến trùng hợp ion 2.3.Các phơng pháp trùng hợp nhựa PS Trùng hợp khối Trùng hợp dung dịch  Trïng hỵp hun phï  Trïng hỵp nhị tơng Đơn phối liệu cho công nghệ trùng hợp nhũ tơng Cơ chế trình trùng hợp Các yếu tố ảnh hởng đến trùng hợp nhũ tơng Ưu nhợc điểm phơng pháp Tính chất ứng dụng của sản phẩm 2.3.S dây chuyền sản xuất 2.4.Tính chất ứng dụng nhựa PolyStyren 2.5.Ứng dụng phương pháp gia công sản phẩm - - Sản phẩm đúc ép áp suất Sản phẩm ép đùn Sản xuất PS bọt Phần III:Tính toán kỹ thuật 3.1.Tính toán kích thớc thiết bị Tính cân vật chất Tính kích thớc thiết bị phản ứng Tính ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng Cánh khuấy Tính tai treo Tính cân nhiệt lợng 3.2.Tính bơm vận chuyển 3.3.Tính toán thiết bị sấy 3.4.Tính toán thiết bị lọc ly tâm 3.5.Tính thùng lờng nớc, chất nhũ hoá, xà phòng dầu ve Phần iv: phần xây dựng 4.1: Lời nói đầu 4.2.Xác định địa điểm xây dựng Yêu cầu chung Yêu cầu khu đất 4.3.Thiết kế tổng mặt Yêu cầu chung Nguyên tắc phân vùng Ưu nhợc điểm phơng pháp 4.4.Căn để thiết kế phân xởng - - Phần i: mở đầu Polystyren (PS) thuộc nhóm nhựa nhiệt dẻo bao gồm PE, PP, PVC Do có tính đặc biệt PS ngày sử dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật 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 Năm 1831 Bonastre chiết tách Styren lần Năm 1839 E.Simon người xác định tính chất Styren ơng đặt tên cho monome Ông quan sát chuyển hoá từ từ Styren dung dịch lỏng nhớt trạng thái tĩnh Năm 1845 hai nhà hoá học người Anh Hoffman Btyth nhiệt phân monome Styren ống thuỷ tinh bịt kín đầu 200 oC thu sản phẩm cứng gọi meta-styren Năm 1851 Bertherlot sản xuất Styren cách nhiệt phân hydrocacbon ống nóng đỏ để khử hyđro Phương pháp cách thông dụng để sản xuất Polystyren thương phẩm Năm 1911 F.E Matherws Filed British cho biết điều kiện nhiệt độ xúc tác cho trình tổng hợp PolyStyren tạo thành loại nhựa cho trình sản xuất vật phẩm mà từ lâu đờI chúng làm từ xenllulo,thuỷ tinh, cao su cứng,gỗ Năm 1925 lần Polystyren thương phẩm sản xuất công ty Naugck Chemical sản xuất phát triển thời gian ngắn Năm 1930 Farbenindustry in Germany bắt đầu gặt hái thành công công việc kinh doanh mônme polyme thương phẩm với sản lượng 6000 tấn/tháng cách alkyl hố với nhơm clorua tinh chế phương pháp chưng cất nhiều lần - - Năm 1937 công ty Dow Chemical cho mắt Polystyren dân dụng hay gọI Styrol Đây công ty lớn Mỹ năm 1938 sản xuất 100.000 Theo thống kê gần cho biết chất dẻo chiếm khoảng 1/8 sản phẩm từ Fe , kim loại với tỉ trọng lớn gấp lần chúng ngày sử dụng rộng rãi thay kim loại Với tiến khoa học kỹ thuật loại nhựa truyền thống polystyren người ta cịn tạo nhiều loại copolyme như: +PS suốt có độ tinh khiết cao +PS dùng để sản xuất vật phẩm dân dụng có tính chất +PS xốp từ nguyên liệu tinh khiết chứa cacbua hydro nhiệt độ sôi thấp với hàm lượng 6% +Các copolyme từ Styren acrylonitryl, butadien tạo thành loại vật liệu có tính kỹ thuật cao hẳn PolyStyren độ cách điện , bền nhiệt , độ bền va đập … Nhưng loại có ý nghĩa mặt kỹ thuật copolyme Styren acrylonitryl sau Styren butadien Nhựa PS ngày chiếm vị trí quan trọng kinh tế quốc dân đời sống kỹ thuật Vì đồ án mơn học em trình bày tồn phương pháp tổng hợp nhựa - - PHẦN II : LÝ THUYẾT CHUNG 2.1.Tổng hợp monome Nguyên liệu để sản xuất Polystyren styren có cơng thức C6H5CH=CH2 cịn gọI Vynylbenzen Styren chất lỏng khơng màu có mùi đặc biệt khơng hồ tan nước, hoà tan theo tỉ lệ rượu, keton, ete, este,cacbuahydro thơm, Cacbonhydro clo ho¸ , nitro paraphin • Nguyên liệu  Bã nhựa nhận sau chưng khô than ta thu lượng styren Sau tiếp tục chưng cất bã nhựa ta thu ln styren ngun chất có giá trị kinh tế nên sử dụng  Cracking dầu mỏ nhiệt phân số chất hữu khác  Đi từ benzen cloetan - Trước tiên phản ứng tạo thành clorua etan CH2 CH3 + CH3 CH2Cl AlCl3 + HCl Xúc tác sử dụng AlCl3 dạng bột hay phoi vụn Phản ứng tiến hành 3h cuối nâng nhiệt độ lên 90 oC ngừng phản ứng khơng có HCl - Chuyển etyl benzen thành styren + Xà phịng hố clo etyl benzen tạo thành fenyl etyl cacbinol rồI khử nước để chuyển thành styren CH2 CH3 CHCl CH3 Cl2 PCl5 Dưới tác dụng xúc tác PCl5 clo đính vào vị trí + Xử lý Clo etyl benzen dung dịch Na2CO3 70÷100oC - - 4÷6h có chất nhũ hố Cl CH OH CH3 HOH CH CH3 Na2CO3 + Khử nước fenylmetylcacbinol thêm chất tách nước mang tính axít OH CH CH3 CH CH2 H2 O Phản ứng 150o÷200o; 3% bisunfatkali Dùng nước trực tiếp chưng cất styren khỏi nồi phản ứng Sấy khô styren thô lại chưng cất lại Lưu ý: Để trình khử nước tiến hành dễ người ta thêm 1% axit tere clophalic Đi từ benzen etylen CH CH2 + CH2 CH2 CH3 CH2 Nhiệt độ phản ứng 85oC, P=1atm AlCl3 làm xúc tác Sau tách hết xúc tác tiến hành chưng tách sau thu etyl benzen tinh khiết +) Phương pháp Sau q trình lặp lại phương pháp phương pháp 2.3 +) Phương pháp Khử hydro etyl benzen Phương pháp hiệu nên phương pháp chủ yếu để sản xuất Styren - - CH2 CH3 CH CH2 H2 Phản ứng toả nhiều nhiệt nên thường tiến hành nhiệt độ cao áp suất riêng phần etyl benzen nhá Do để giảm áp suất q trình trùng hợp dùng chân khơng pha lỗng etyl benzen khí trơ hay pha lỗng nước • Xúc tác tổng hợp monome Ở số nước phát triển người ta sản xuất styren với loại xúc tác khác nhau:  Ở Nga : - Khử H2 etyl benzen 650oC có xúc tác Cu, Cr, N2 hay CO2 làm chất pha loãng cho độ nhớt dung dịch 50÷55% - Khử H2 650oC xúc tác Zn: Al2O3= 1: 9, P= 13mmHg, độ nhớt dung dịch 80% - Hơi etyl benzen cho qua thiết bị đun nóng trước vào thíêt bị phản ứng đun nóng đến 650-700oC thiết bị phản ứng chất đầy Silicagen, than hoạt tính tầm chất xúc tác Hơi khỏi thiết bị phản ứng qua máy làm lạnh để ngưng tụ lại Độ nhớt Styren, thời gian làm việc xúc tác phụ thuộc vào thành phần, độ mịn xúc tác, chất chất mang, tỷ lệ nước etyl benzen  Ở Đức - Xúc tác oxyt Zn (77,4%) hoạt tính kiềm - Thiết bị phản ứng hình ống Hơi nước etyl benzen lấy theo tỉ lệ phân tử xúc tác cịn người ta trì nhiệt độ phản ứng 380oC, sau xúc tác gỉm hoạt hố nhiệt độ 610oC  Ở Mỹ - Các oxyt kiềm Fe hoá trị (85%) vớI oxyt crom người ta lấy theo tỉ lệ 1kg etyl benzen hỗn hợp vớI 2,8 kg nước, trì nhiệt độ - - thiết bị phản ứng 630oC, nhiệt độ nước 365 oC H2, CO, CO2, CH4, C2H6 - - • Tính chất vật lý polystyren Tỉ trọng Chiết suất Độ nhớt Tosôi Tonc Tobùng cháy Tobắt lửa Tobay Nhiệt cháy Nhiệt trùng hợp Tỷ nhiệt 25oc Giới hạn nổ khơng khí Độ co sau trùng hợp g/cm3 ∧25 cP o C o C o C o C o C cal/g cal/g cal/g.độ %V %V 0,90458 1,54389 0,75 145,2 -30,6 31,0 34,0 86,9 10,04 168 0,407 1,1ữ6,1 17,0 2.2 Tổng hợp polyme ã Cấu tạo triển vọng phát triển nhựa tơng lai PS loại nhựa không đắt nặng không đợc sử dụng rộng rÃi nh nhựa Polyetylen Nhựa PS chủ yếu đợc ứng dụng rộng rÃi nghành công nghiệp nh để sản xuất vỏ máy tính , máy bay, bọc gói sản phẩm, vật liệu cách điện PS thuộc loại nhựa vinylpolyme Cấu trúc nói chung mạch hyđrocacbon dài với có mặt nhóm phenyl đợc gắn vào nguyên tử cacbon khác cách có qui tắc Nhựa PS sản phẩm trình trùng hợp gốc tự nhóm vinyl Nhựa PS có nhiều đồng phân lập thể: PS syndiotactic polyme có nhóm phenyl mạch đợc phân bố xen kẽ hai phía mặt phẳng mạch cacbon PS atactic nhóm phennyl phân bố cách lộn xộn trật tự hai phía mặt phẳng mạch cacbon PS izotactic nhóm phenyl phân bố cách đặn phía mặt phẳng mạch cacbon - - CÊu tróc syndiotactic cho vËt liƯu polyme cã cÊu trúc tinh thể hơnvà vật liệu polyme có tính lý tốt cấu trúc mong muốn sản phẩm Nhng trình trùng hợp khó chi phí lớn phơng pháp chủ yếu đợc dùng để sản xuất PS dùng cho mục đích yêu cầu kỹ thuật cao C¸c copolyme cđa Styren nh copolyme Butadien- Styren, copolyme StyrenAcrilonitryl loại có giá trị kinh tế cao Phần lớn sản phẩm thu đợc dạng copolyme ghép polyme mà mạch dài loại mắt xích đợc đính vào mạch polyme loại mắt xích khác Mạch Mạch nhánh - 10 - 3.3 Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng:Các ống nối dùng để nối thiết bị với đờng ống công nghệ Đó ®o¹n èng cã bÝch chÕ t¹o b»ng vËt liƯu gièng vật liệu vỏ đúc liền với thân Đờng kính ống dẫn nguyên liệu đợc tính theo công thức: d = 4.Q π.v Q: Lu lỵng cđa lu thĨ,(m3/s) v: VËn tèc cđa lu thĨ èng,(m) Níc tù chảy ống v=0,08-0,15 m/s Nớc chảy áp lực v=0,8-1,5 m/s Hơi nớc bÃo hoà v=20-30 m/s Không khí khí khác v=8-12m/s ã ống nối Styren với thiết bị phản ứng: Giả thiết thời gian nạp liệu : 30 phút Khối lợng Styren cho mẻ :m=1141,87(kg) Do Q= m 141,87 = = 0,0007( m / s ) t.ρ 1800.904,5 Chän vËn tèc lu thÓ èng: v=1,5 m/s d = 4.0,0007 = 0,024(m) π.1,5 →d=24 mm V× èng ngắn nên ta tăng đờng kính lên lần ta lấy: d=76 mm Chiều dài ống nối l=100 mm ã ống dẫn nớc vào nồi phản ứng: Qn: Lu lợng nớc chảy ống dẫn (m3/s) Qn = mn ρ n t mn: Khèi lỵng nớc cần bơm cho mẻ sản xuất, (kg) n: Khối lợng riêng nớc , (kg/m3) Qn = 2,5.1141,87 = 0,0398( m / s ) 1000.1800 dn: Đờng kính ống nối dẫn nớc vào thiết bị phản øng(m) - 48 - dn = 0,0398.4 = 0,18( m) π.1,5 Qui chn dn=219 mm ChiỊu dµi èng nèi l=115 mm ã ống dẫn xà phòng dầu ve vào nồi phản ứng: mdv=34,256(kg) ddv: Đờng kính ống dẫn xà phòng dâu ve vào thiết bị phản ứng (m) Qdv = d dv = mdv 34,256 = = 2.10 −5 (m / s) ρ dv t 950.1800 4.2.10 −5 = 0.0041( m ) π.1,5 Qui chuÈn : dn=25 mm l=70 mm 3.4Tính tai treo thiết bị: Thiết bị phản ứng dạng nồi phản ứng có trọng lợng lớn thờng chịu ứng suất rung động làm việc Để giữ thiết bị ta sử dụng chân đỡ tai treo Trong tai treo có nhiều u điểm gọn nhẹ không làm vớng cấu khác đồng thời phân bố tải trọng giá rẻ m=mth+mđ+mn+mvo+mđc+mbo+mngl+mbx Trong đó: mth: Khối lợng thân tháp mđ: Khối lợng đáy mn: Khối lợng đáy tháp mvo: Khối lợng vỏ thiết bị mđc: Khối lợng cánh khuyâývà trục quay mngl: Khối lợng nguyên liệu mbs: Khối lợng bổ xung Tính mth: mth=ρth.V V = π ( Dn − Dt2 ).h = π (1,812 −1,8 ).4 = 0,094( m ) - 49 - ρth=7,85.103(kg/m3) → mth = 7,85.10 3.0,094 = 737,9( kg ) Khối lợng đáy, nắp mđ=mn=142(kg) B1 s H d S 20 L Tính mbo: mbo=ρ.V [I.1 Tr9 T1] V = π π 2 ( Dn − Dt2 ).h = ( Dn − Dt2 ).[ H + 2.( h + ht ) ] 4 h:Chiều cao toàn tháp,(m) Dn: Đờng kính lớp bảo ôn,(m) Dt: Đờng kính lớp bảo ôn,(m) h=3+2.(375+25).10-3=3,8(m) Dn=1810+106+10=1926(mm)=1,926(m) Dt=1,926-10 =1,916(mm)=1,916(m) mbo = 200 π (1,926 −1,916 ).3,8 = 19,34( kg ) Khối lợng nguyên liệu đà tính phần cân vật chất ta đợc mngl=4151,2(kg) Lấy mbs=250(kg) Khối lợng tổng cộng: m=737,9+142+142+19,34+4151+250=5442,27(kg) Chọn tai treo loại tai tải trọng tai là: T = 5442,27.9,81 = 13347,16( N ) Theo b¶ng [XIII.36 Tr438 T2] ta chän tai treo lo¹i 2,5.104(N) - 50 - L=150 mm S=8 mm.l=45 mm a=20 mm d=30 mm B=120 mm B1=130 mm H=215 mm 3.5Tính bích: Do thiết bị phản ứng làm việc áp suất thờng nên ta chọn kiểu mặt bích liền Chọn bích liền làm thép kiểu I với thông số sau h Dt Do D1 Db D Dt=1800 mm db:M30 Db=1890 mm D1=1860 mm D0=1815 mm D=1940 mm Z=40 h=48 mm 3.6Tính toán bơm: - 51 - Bơm máy thuỷ lực dùng để vận chuyển truyền lợng cho chất lỏng Dựa vào nguyên lý làm việc bơm ngời ta chia bơm làm loại: bơm thể tích, bơm ly tâm, bơm phận dẫn động Đặc điểm bơm ly tâm lợng áp suất chất lỏng tăng lên nhờ lực ly tâm tạo chÊt láng gng quay Trong c«ng nghiƯp hiƯn yêu cầu kỹ thuật sản xuất ngời ta dùng loại bơm ly tâm khác cách vận hành Bơm ly tâm có u ®iĨm sau: Cung cÊp ®Ịu Quay nhanh ThiÕt bÞ đơn giản Có thể bơm chất lỏng không bị tắc h hỏng Trong khuôn khổ đồ án ngời ta dùng bơm ly tâm để vận chuyển chất lỏng ã Bơm vận chuyển Styren: Nguyên liệu đợc bơm lên thùng chứa mẻ sản xuất Năng suất bơm là: Q= m 1141,67 = = 2,73( kg / ph ) t 420 V× tỉn hao nên phải lấy d 10% so với lợng cần sử dụngdo lợng cần bơm là: Q ' = 2,73.1,1 = 3,003( kg / ph ) Đặt bơm vị trí chất lỏng tự chảy vào guồng:Hh=0 Chiều cao đẩy bơm :9 m Chiều dài đờng ống tổng céng lµ L=30 m Cã van vµ khủ nối vuông góc Giả thiết chất lỏng chảy với vận tốc 1,5 m/s áp suất toàn phần bơm cần tạo là: H = P2 P1 + hm + h0 ρ g [II.185 Tr438 T1] P1,P2: ¸p suÊt bề mặt chất lỏng bề mặt bể chứa mặt cắt phía ống đẩy áp suất khÝ qun,(N/m2) h0: ChiỊu cao n©ng chÊt láng, (m) - 52 - hm: Chiều cao tơng ứng với áp suất tiêu tốn để thắng toàn trở lực đờng ống, (m) hm = P .g P=Pđ+Pc+PH+PTB+PK[II.53 Tr376 T1] P: áp suất động học cần thiết để tạo vận tốc cho dòng chảy khỏi ống dẫn, (N/m2) PTB: áp st bỉ xung ë ci ®êng èng dÉn,(N/m2) Bá qua ∆PH , ∆PTB , ∆PK Do ®ã: ∆P=∆P®+∆Pc ∆Pd = ρ.ω2 [II.54 Tr376 T1] ρ: Khèi lỵng cđa chÊt lỏng cần bơm,(kg/m3) : Vận tốc chất lỏng, (m/s) Pd = ( 904,5.1,5 = 1017,5 N / m 2 ∆Pms = λ ) L ρ.ω2 d td L: ChiỊu dµi èng dÉn, chän L=30 m Chn số Reynol cho chế độ dòng chảy ống Re = ω.d td ρ 1,5.0,05.904,5 = = 92928 > 10 0,73.10 Re>104 nên chế độ chảy ống chế độ chảy xoáy Tính : = 0,3164 0,3164 λ= = 0,018 , 25 Re 92928 0, 25 → ∆Pms = 0,024 ∆Pc = ξ ( 30 904,5.1,5 = 14652 N / m 0,05 ) ρ.ω2 ξ: Lµ hƯ sè trë lùc cơc bé ξvan: HƯ sè trë lùc øng víi van ứng với đờng kính d=0,05 m ta tra đợc:van=1,35 - 53 - ξkhuû=0,6 ∆Pcvan = 1,35 ∆Pckhuû = 0,6 ( 904,5.1,5 = 1373,7 N / m 2 ( 904,5.1,5 = 610 N / m 2 ) ) ( ∆Pc = ∆Pcvan + ∆Pckhuû = 1373,7 + 610 = 1984,2 N / m ) ( ∆P = ∆Pd + ∆Pms + ∆Pc = 1017,5 + 14652 + 1984,2 = 17654 N / m hm = ∆P ρ.g = ) 17654 =1,98( m ) 904,5.9,81 →H=1,98+9=10,98(m) Công suất bơm: NT = Q..g H ( kW ) 1000 : Hiệu suất toàn phần bơm Q: Năng suất bơm (m3/s) H: áp suất toàn phần bơm (m) NT = 2,79.904,5.9,81.11 = 0,12( kW ) 1000.0,7.3600 Công suất lý thuyết động cơ: N dc = NT , ( kW ) ηtr.ηdc ηtr: HÖ số truyền động tr=0,8 dc: Hiệu suất động Chọn động điện có công suất lớn công suất tính toán Do công suất động Nđc=.Nđc : Hệ số dự trữ, chọn =4 N dc = ( 0,12 = 0,75 N / m 0,8.0,8 ) Chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang ta có bảng sau: Loại bơm Năng Chiều cao Số vòng Nhiệt Chiều cao suất(m3/h) (m) quay(vòng/ độ(0C) hút(m) 10-43 phót) 1450-2900 -40-90 2,8 3-288 - 54 - 3.7TÝnh toán cánh khuâý động cơ: Cánh khuấy có tác dụng tăng cờng trình truyền nhiệt, chuyển khối phản ứng hoá học Đối với trình trùng hợp nhũ tơng khuấy trộn có tác dụng làm tăng khả hoà tan chất khởi đầu nớc Ta chọn cánh khuấy hình khung D2 (i) b (iI) hm h (iii) Cánh khuấy làm thép góc thép Cơ cấu khuấy trộn gồm phần đối xứng d: Đờng kính cánh khuấy d=D - 2.H hm: Khoảng cách từ đáy thiết bị đến cánh khuấy hm=25-140mm Chän hm=100 mm hM: ChiỊu cao chÊt láng cÇn khuÊy hM=0,56.H h: ChiÒu cao ngang h=0,05(m) a: chiÒu réng c¸nh khuÊy a=0,05(m) Ta cã: d=1,8 - 2.0,1=1,6(m) hm=0,05.1,5=0,05(m) hM=0,56.2,1=1,18(m) H: Chiều cao thiết bị,(m) Cánh khuấy gồm phần đối xứng là: cánh nằm ngang(I):Kích thớc 1000x50x5mm - 55 - cánh thẳng đứng(II): Kích thớc 1200x50x50 mm Phần hình cầu (phần đỡ) cánh khuấy:R2=1200 mm làm thép góc 50x50 nh cánh khuấy thẳng đứng Công suất cần thiết làm cho toàn cánh khuấy chuyển động N=Nng+Nđ+Nn(kW) Nng: Công suất làm quay cánh nằm ngang,(kW) Nđ: Công suất làm quay cánh thẳng đứng,(kW) Nn: Công suất làm quayphần mỏ neo,(kW) ã Tính công suất Nng: Bề mặt diện cánh khuấy: Fch=b.h=(0,5-0,05).0,05=0,0225(m2) Vì b 450 = =9 h 50 nªn ϕ=1,18 N ng = 60.10 −9 N ng = 60.10 −9 ϕ.z Fch D n ρ η 1,18.4 0,0225.13.30 3.971,32 = 0,224( kW ) 0,75 • Tính công suất Nđ: Công suất để làm quay cánh thẳng đứng (II) N d =18.10 .z.h ( D − D14 ).n ρ η D2=1 m→D1=D2-2.0,05=1-0,1=0,9(m) b 0,05 =