III/ Quá trình công nghệ sản xuất PVC
3.1.Thuyết minh dây chuyền
Quá trình trùng hợp huyền phù theo mẻ được tiến hành trong thiết bị phản ứng có áp lực cao (autoclave). Nước được nạp vào trước (nước cần phải khử khoáng), tiếp theo là các tác nhân huyền phù, muối đệm dưới dạng dung dịch. Sau khi không khí được đuổi ra khỏi thiết bị bằng khí trơ, MVC và chất khơi mào được nạp vào (1) dưới áp lực. Thiết bị phản ứng có cánh khuấy và thiết bị trao đổi nhiệt. Chế độ khuấy được duy trì sao cho có thể phá vỡ pha lỏng của MVC để tạo ra những hạt li ti với kích cỡ mong muốn và làm bay hơi một phần MVC. Qúa trình gia nhiệt cũng như làm lạnh được điều chỉnh chính xác theo nhiệt độ yêu cầu để sản xuất mỗi loại sản phẩm (từ 50 – 70oC). Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ là khoảng 58-59oC và áp suất ở điều kiện đó là 8.6 at thời gian tiến hành khoảng 300 phút, lúc này áp suất giảm xuống còn 6,3 at. Hiệu suất chuyển hoá đạt 85 ÷ 87%. Nếu muốn độ chuyển hoá đạt 90% thì kéo dài thời gian phản ứng thêm rất nhiều, xét về mặt kinh tế thì không có lợi. Vì vậy thường dừng phản ứng khi độ chuyển hóa đạt khoảng 87%. Trong quá trình trùng hợp phải thường xuyên duy trì pH của hỗn hợp lớn hơn 7 hạn chế hiện tượng giảm hoạt tính của chất khơi đầu và biến chất PVC do HCl và các axit tạo ra do phân huỷ chất khởi đầu, có thêm vào chất kìm hãm vào để không cho phản ứng tiếp tục xảy ra để ổn định nhiệt độ và pH của huyền phù PVC. Hỗn hợp sau khi phản ứng kết thúc gọi là vữa PVC gồm VCM chưa phản ứng, PVC, chất ổn định huyền phù, dung dịch đệm, chất hãm, nước và các tạp chất, không ổn định chứa các hạt poymer trong pha nước và monomer chưa phản ứng. Nếu ngừng khấy sẽ dẫn đến việc lắng tụ các hạt polymer do đó vữa PVC vẫn tiếp tục khấy cho đến khi tháo hết sang thiết bị khác cũng có cánh khuấy. Để tăng hiệu suất chuyển hóa PVC cho vữa qua (2). Do chênh lệch áp suất giữa phản ứng (1) và thiết bị thu hồi (2) nên vữa PVC tự chảy và khi đạt trạng thái cân bằng ta sử dụng bơm li tâm để
vẩn chuyển lượng còn lại. Lượng MVC còn lại sau phản ứng chiếm 10-20% khối lượng ban đầu. Để giảm tổn thất phải thu hồi MVC, phần lớn lượng MVC sẽ được tách ra bằng cách bay hơi và được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ và thùng chứa (6). Cần phải tách triệt để MVC dư vì vậy vữa PVC đưa sang (3), gia nhiệt và chưng cất trong tháp (4) . Tháp được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa sục vào đáy tháp. Nhiệt độ ở đáy tháp khoảng 800C, huyền phù chảy từ trên xuống theo đường ziczac còn hơi nước từ dưới lên. Quá trình chuyển khối xảy ra, hơi nước kéo theo VCM đi ra ở đỉnh tháp theo ống dẫn tới hệ thống xử lý thu hồi. Ở đáy tháp PVC ở dạng huyền phù đã sạch VCM được tháo ra liên tục đến bồn chứa (5), lượng MVC còn lại thu vào (6). Sau đó được tách nước tại máy li tâm (7), ở đây sử dụng máy li tâm để tách nước thì có hiệu quả hơn do hỗn hợp là rắn-lỏng nên li tâm là cho hiệu quả nhất. Sau khi tách nước có độ ẩm 17% rồi được đưa đến sấy khô tại thiết bị sấy (8), Thiết bị sấy có thể là sấy thùng quay, sấy tầng sôi… nhưng phổ biến hơn là sấy tầng sôi. Trong thành phần hạt PVC đã có chất ổn định nhiệt nên ở nhiệt độ này tính chất của PVC không bị thay đổi. Thiết bị sấy được thiết kế sao cho đủ độ cao, kéo dài thời gian tiếp xúc làm tăng hiệu quả tách ẩm những chất bay hơi được dẫn qua thiết bị xử lí khí thải (9), phần thỏa mản yêu cầu tiêu chuẩn về môi trường thì được thải ra ngoài không khí. Bột PVC sau khi sấy có độ ẩm 0.3% được đi qua hệ thống sàng (10) để loại những hạt quá cỡ (thô hoặc quá mịn). Đối với hạt có kích thước quá nhỏ thì bị luồng khí ở thiết bị sấy cuốn ra ngoài và tiếp tục xử lí rồi thải ra môi trường, còn hạt quá cỡ được thu hồi. Sau đó đưa vào silo chứa (11) và được đóng bao (12).
3.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp PVC • Ảnh hưởng của nhiệt độ
- Nhiệt độ thấp sẽ không có lợi cho phản ứng vì nhiệt độ thấp thì tạo gốc tự do sẽ ít, tốc độ phản ứng sẽ chậm.
- Nhiệt độ cao sẽ cung cấp năng lượng cho phản ứng khơi mào làm tốc độ phản ứng khơi mào tăng tạo ra nhiều gốc tự do linh động, phản ứng xảy ra dể hơn. Trong quá trình phản ứng polyme diễn ra, độ nhớt của hệ tăng dần và tăng lên rất nhanh và nhiệt độ tăng cao hơn nữa thì chỉ làm giảm độ nhớt của hệ chứ
không thúc đẩy phản ứng. Nếu nhiệt độ quá cao sẽ thúc đẩy quá trình phân huỷ polyme, làm gẫy mạch của polyme, xuất hiện các liên kết đôi làm mạch của polyme dễ bị oxi hoá ảnh hưởng đến màu sắc của PVC và phân hủy polymer. - Thời gian phản ứng kết thúc phản ứng là 300 phút, để kết thúc phản ứng tổng hợp là tăng nhiệt độ cuối của nhiệt độ vỏ bọc bên ngoài lên trên nhiệt độ phản ứng để tăng độ linh động và tái hợp gốc để dập tắt gốc tự do hoặc hạ nhiệt độ phản ứng. Dấu hiệu nhận biết điểm dừng phản ứng là áp suất giảm vì nồng độ monomer (tồn tại thể khí) giảm.
- Ngoài ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến khối lượng phân tử. Nếu ở nhiệt độ thấp polymer có KLPT cao thì có độ bền cao nhưng lại rất cứng nên rất khó gia công tạo sản phẩm. Còn nếu nhỏ quá thì không đủ các tính chất cơ lí…
Do đó khoảng nhiệt độ 58-59 oC là thích hợp
Nhiệtđộ
Đồ thị:Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng phân tử • Ảnh hưởng của oxi và tạp chất
-Tuỳ thuộc vào bản chất monome và điều kiện trùng hợp oxi có thể làm dễ dàng hoặc khó khăn cho quá trình trùng hợp. Oxi tác dụng với monome tạo ra peroxit hoặc hydroperoxit. Peroxit này phân huỷ gốc tự do. Nếu gốc này ít hoạt tính thì oxi có tác dụng hãm quá trình trùng hợp. Nếu gốc này hoạt động thì oxi sẽ làm tăng vận tốc trùng hợp
| | | Cl O O
Do ảnh hưởng phức tạp của oxi và các hợp chất khác như vậy nên quá trình trùng hợp bắt buộc phải điều chế monome thật tinh khiết và phản ứng cần tiến hành trong môi trường khí trơ. Sau mỗi mẻ, tháp phản ứng được làm sạch để chuẩn bị cho mẻ tiếp theo. Người ta vệ sinh tháp bằng nước loại khoáng để tẩy sạch các cặn bẩn còn sót lại. Cặn bẩn này sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
• Thứ tự nạp liệu
Đầu tiên cần tráng một lớp phủ RCS bằng cách phun sương để hạt PVC không dính trên thành thiết bị tránh gây hiện tượng quá nhiệt cục bộ, oxi hóa nhiệt tạo gel hóa. Tiếp theo nước được nạp vào với một lượng nhất định, nước phải được khử khoáng (loại Na+, K+), để tránh quá trình thủy phân với poly ancol. Rồi tiếp là chất AD-5, có mặt của nước AD-5 sẽ mất hidro linh động, nên mất khả năng phản ứng, để ổn định nhiệt phải thực hiện khuấy trộn, sau đó cho các tác nhân
vào tạo dung dịch lỏng-nhớt có chất ổn định, rồi bổ sung thêm một lượng nước để tránh hiện tượng co thể tích. Sau đó cho VMC, xúc tác khuấy trộn phân tán để tạo hệ lỏng-lỏng không nỗi lên trên. Nếu ta cho các chất vào cùng một lúc thì không được vì thiết bị phản ứng là chịu ở áp lực cao nếu có nhiều lỗ trên nắp dẫn vật liệu vào thì không đảm bảo về áp lực cho thiết bị nên chỉ làm một ống dẫn. Đi vào đường ống sẽ có hiện tượng dính lại trên đường ống nên cần cho nước vào từng giai đoạn để rửa nếu không sẽ xuất hiện các phản ứng không mong muốn, cần hạn chế.
• Ảnh hưởng các yếu tố khác.
-Tính chất của PVC được quyết định bởi giai đoạn polyme hoá. Kích thước, độ xốp của hạt được quyết định bởi loại và nồng độ tác nhân tạo huyền phù (chất bảo vệ hạt keo) cũng như cơ chế khuấy của lò phản ứng. Khi tốc độ cánh khuấy tăng lên, kích thước của hạt PVC đầu tiên sẽ giảm xuống trước khi tăng trở lại. Việc thay đổi chất khơi mào có thể làm thay đổi kích thước và cấu trúc của hạt. Nồng độ của chất khơi mào quá lớn sẽ làm cho mạch của polyme trở nên ngắn hơn.
-Các quá trình polyme hoá mong muốn thường sử dụng nước loại khoáng phải thỏa mãn yêu cầu về độ dẫn điện và pH, có hoặc không dùng dung dịch đệm. Độ sạch của monome và nước là yếu tố quan trọng để sản phẩm PVC tránh được những khuyết tật về mặt cấu trúc.
-Các điều kiện tiến hành polyme hoá sẽ ảnh hưởng đến màu sắc và độ bền nhiệt của PVC. Các điều kiện này cần phải được đảm bảo để các khuyết tật không xảy ra trong mạch polyme đang phát triển, hoặc polyme không bị quá nhiệt trong quá trình phân tách hay làm khô. Việc này không phải luôn luôn dễ thực hiện, vì vậy một lượng tác nhân trung hoà và chống oxi hoá được thêm vào để giảm mức độ phân huỷ.
-Việc chọn lọc các chất phụ gia một cách cẩn thận là cực kì quan trọng. Việc lẫn tạp chất đặc biệt là tạp chất ion sẽ làm giảm tính cách điện của PVC hạn chế các ứng dụng của PVC trong lĩnh vực cáp cách điện. Khi PVC được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, các phụ gia cần phải được chứng nhận không độc hại bởi các tổ chức có thẩm quyền.