ПММК. Проект узла полимеризации метилметакрилата суспензионным способом
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
1 Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт _____Природных ресурсов__________________________________________ Направление подготовки ______Химическая технология_________________________ Кафедра ___ТОВПМ________________________________________________________ БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема работы «Проект узла полимеризации метилметакрилата суспензионным способом» УДК _678.744.335.063.62 Студент Группа ФИО Подпись Дата 2Д2Б Килин Александр Владимирович Руководитель Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Бондалетова Людмила Ивановна к.х.н. КОНСУЛЬТАНТЫ: По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Рыжакина Татьяна Гавриловна к.э.н. По разделу «Социальная ответственность» Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Гусельников Михаил Эдуардович к.т.н. ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ: Зав. кафедрой ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата ТОВПМ Юсубов Мехман Сулейман-оглы Профессор, д.х.н. Томск – 2016 г. 2 Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт __________________природных ресурсов_____________________ Направление подготовки ____Химическая технология __________________ Кафедра __технологии органических веществ и полимерных материалов___ УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой ________ ________ Юсубов М.С. (Подпись) (Дата) (Ф.И.О.) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы В форме: бакалаврской работы (бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации) Студенту: Группа ФИО 2Д2Б Килину Александру Владимировичу Тема работы: Узел для полимеризации метилметакрилата суспензионным способом Утверждена приказом директора (дата, номер) Срок сдачи студентом выполненной работы 17.06.16 г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ: Исходные данные к работе (наименование объекта исследования или проектирования; производительность или нагрузка; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т.д.); вид сырья или материал изделия; требования к продукту, изделию или процессу; особые требования к особенностям функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в плане безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, энергозатратам; экономический анализ и т.д.). Полимеризации метилметакрилата суспензионным способом; производительность установки составляет 4000 т/год; процесс периодический; в качестве основного аппарата использовался реактор емкостного типа, оснащенный лопастной мешалкой и рубашкой Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов Произведен анализ научно-технической литературы; выполнены материальный, тепловой и 3 (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе). механический расчеты; подобрано необходимое оборудование; разработаны технологическая схема и схема автоматизации основного аппарата, выполнен чертеж основного аппарата Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей) Технологическая схема узла полимеризации ММА суспензионным способом; чертеж реактора; чертеж деталей реактора (фланцевое соединение, сальниковое уплотнение, мешалка); аппаратурно- технологическая схема, диаграмма зависимости температуры от продолжительности процесса; изображения некоторых деталей реактора; обвязка реактора Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы (с указанием раздела) Раздел Консультант Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение Рыжакина Татьяна Гавриловна (к.э.н.) Социальная ответственность Гусельников Михаил Эдуардович (к.т.н.) Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику 16.11.15 г. Задание выдал руководитель: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата доцент Бондалетова Л.И. к.х.н., доцент Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата 2Д2Б Килин А.В. 4 ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ» Студенту: Группа ФИО 2Д2Б Килин Александр Владимирович Институт Электронного обучения Кафедра ТОВПМ Уровень образования Бакалавриат Направление/специальность Химическая технологтя Исходные данные к разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»: 1. Стоимость ресурсов научного исследования (НИ): материально-технических, энергетических, финансовых, информационных и человеческих Работа с информацией, представленной в российских и иностранных научных публикациях, аналитических материалах, статических бюллетенях и изданиях, нормативно-правовых документах; анкетирование; опрос. 2. Нормы и нормативы расходования ресурсов 3. Используемая система налогообложения, ставки налогов, отчислений, дисконтирования и кредитования Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке: 1. Оценка коммерческого потенциала, перспективности и альтернатив проведения НИ с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения Проведение предпроектного анализа. Определение целевого рынка и проведение его сегментирования. Выполнение SWOT- анализа проекта 2. Определение возможных альтернатив проведения научных исследований Определение целей и ожиданий, требований проекта. Определение заинтересованных сторон и их ожиданий. 3. Планирование процесса управления НТИ: структура и график проведения, бюджет, риски и организация закупок Составление календарного плана проекта. Определение бюджета НТИ 4. Определение ресурсной, финансовой, экономической эффективности Проведение оценки экономической эффективности исследования получения полиметилметакрилата суспензионным способом Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей): 1. Оценка конкурентоспособности технических решений 2. Матрица SWOT 3. График проведения и бюджет НТИ 4. Расчёт денежного потока 5. Оценка ресурсной, финансовой и экономической эффективности НТИ Дата выдачи задания для раздела по линейному графику Задание выдал консультант: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата Доцент Рыжакина Татьяна Гавриловна Кандидат экономических наук Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата 2Д2Б Килин Александр Владимирович 5 ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ» Студенту: Группа ФИО 2Д2Б Килин Александр Владимирович Институт ИПР Кафедра ТОВПМ Уровень образования Бакалавриат Направление/специальность Химическая технология Исходные данные к разделу «Социальная ответственность»: 1. Характеристика объекта исследования (вещество, материал, прибор, алгоритм, методика, рабочая зона) и области его применения Проект узла полимеризации метилметакрилата суспензионным способом. Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке: 1. Производственная безопасность 1.1. Анализ выявленных вредных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения 1.2. Анализ выявленных опасных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения физико-химическая природа вредности, её связь с разрабатываемой темой; действие фактора на организм человека; приведение допустимых норм с необходимой размерностью (со ссылкой на соответствующий нормативно-технический документ); предлагаемые средства защиты; (сначала коллективной защиты, затем индивидуальные защитные средства). электробезопасность (источники, средства защиты; термические опасности (источники, средства защиты); – пожаровзрывобезопасность (причины, профилактические мероприятия, первичные средства пожаротушения). 2. Экологическая безопасность анализ воздействия объекта на атмосферу (выбросы); анализ воздействия объекта на гидросферу (сбросы); анализ воздействия объекта на литосферу (отходы); 3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях: перечень возможных ЧС при разработке и эксплуатации проектируемого решения; выбор наиболее типичной ЧС; разработка превентивных мер по 6 предупреждению ЧС; – разработка действий в результате возникшей ЧС и мер по ликвидации её последствий. 4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности: специальные (характерные при эксплуатации объекта исследования, проектируемой рабочей зоны) правовые нормы трудового законодательства; – организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны. Дата выдачи задания для раздела по линейному графику Задание выдал консультант: Должность ФИО Ученая степень, звание Подпись Дата доцент Гусельников М.Э. к.т.н. Задание принял к исполнению студент: Группа ФИО Подпись Дата 2Д2Б Килин А.В.. 7 ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ ПО ООП Код Результата Результат обучения (выпускник должен быть готов) Профессиональные компетенции Р1 Применять базовые и специальные, математические, естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные знания в профессиональной деятельности Р2 Применять знания в области современных химических технологий для решения производственных задач Р3 Ставить и решатьзадачи производственного анализа, связанные с созданием и переработкой материалов с использованием моделирования объектов и процессов химической технологии Р4 Разрабатывать новые технологические процессы, проектировать и использовать новое оборудование химической технологии, проектировать объекты химической технологии в контексте предприятия , общества и окружающей среды Р5 Проводить теоретические и экспериментальные исследованияв области современных химических технологий Р6 Внедрять, эксплуатироватьи обслуживать современное высокотехнологичное оборудование, обеспечивать его высокую эффективность, выводить на рынок новые материалы, соблюдать правила охраны здоровья и безопасности труда на химико-технологическом производстве, выполнять требования по защите окружающей среды. Универсальные компетенции Р7 Демонстрировать знания социальных, этических и культурных аспектов профессиональной деятельности. Р8 Самостоятельно учитьсяи непрерывно повышать квалификациюв течение всего периода профессиональной деятельности. Р9 Активно владеть иностранным языком на уровне, позволяющем разрабатывать документацию, презентовать результаты профессиональной деятельности. Р10 Эффективно работать индивидуально и в коллективе, демонстрировать лидерство в инженерной деятельности и инженерном предпринимательстве, ответственность за результаты работы и готовность следовать корпоративной культуре организации. 8 РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа 95 с., 12 рис., 40 табл., ______15____источников Ключевые слова: органическое стекло, проектирование узла, полимеризация ММА, радикальная полимеризация, выделение бисера из суспензии, фильтрование, центрифугирование, сушка. Объектом исследования является производства полиметилметакрилата суспензионным способом. Цель работы – спроектировать узел для полимеризации метилметакрилата суспензионным способом. В процессе проектирования проводились расчеты материального и теплового баланса, конструктивные расчеты, автоматический и аналитический контроль, так же были затронуты ресурсоэффективнось, ресурсосбережение и социальная ответственность В результате расчетов спроектировано 4 реактора объемом по 10 м 3 Основные конструктивные, технологические и технико- эксплуатационные характеристики: реактор объемом 10 м 3 , общая высота аппарата 5780 мм, внутренний диаметр 2200 мм. Область применения: авиа- машиностроении, медицине, канцелярские товары, строительстве Экономическая эффективность/значимость работы. Из-за развивающейся авиа- и машиностроении в будущем будет спрос на ПММА 9 Оглавление Введение………………………………………………………………….....10 1. Теоретическая часть…………………………………………….……....11 1.1Способы полимеризации……………………………………………11 1.2 Особенности проведения суспензионной полимеризации...…….13 1.3 Химизм процесса полимеризации ПММА……………………..…15 2. Объекты исследования ……………………………………..………….17 2.1 Химико-физические свойства ПММА…...…..……………...…….17 2.2 Характеристики используемого сырья…...…..………….….…….19 3.Контроль производства……………………………………………….…22 3.1 Автоматический контроль…………………………………...…22 3.2 Аналитический контроль……………………………………….25 4.Финансовый менеджмент , ресурсоэффективность и ресурсосбережение…..…………………………………………………...34 5.Социальная ответственность…………………………………………..55 10 Введение Полиметилметакрилат, производство которого началось в 1933 году, в настоящее время используется в качестве заменителя стекла. Материал активно используется в строительстве, транспортной и электронной промышленности, а также в производстве мебели и медицинских продуктов[1]. Азиатско-Тихоокеанский регион, где спрос на полиметилметакрилат составил 65% в 2013 году, является крупнейшим потребителем и производителем материала. К основным потребителям полиметилметакрилата относятся Европа и Северная Америка. На территории СНГ полиметилметакрилат производится только в России, в то время как другие страны удовлетворяют спрос за счет импорта[1]. Ожидается, что потребление материала будет и дальше расти в Азиатско- Тихоокеанском регионе, главным образом, благодаря развитию электронной промышленности в Южной Корее, Китае и Тайване. Как прогнозируется, мировой рынок полиметилметакрилата достигнет производства в 2.9 миллионов тонн к 2020 году[1]. Целью работы является расчет реактора периодического действия, для полимеризации полиметилметакрилата суспензионным способом, с годовой производительностью цеха в 4000 т/год. Процесс получения полиметилметакрилата включает следующие стадии: загрузки сырья, полимеризации, фильтрование, центрифугирование и промывки, сушки гранул и грануляции. 11 1.Теоретическая часть 1.1Способы полимеризации При проведении любого процесса синтеза полимеров весьма важной стадией является химическое превращение мономеров в полимер. Способ проведения процесса существенно влияет на качество получаемого полимера и на экономику процесса в целом. Ниже будут проанализированы особенности существующих традиционных методов ведения технологических процессов. В технологическом синтезе полимерных материалов используются следующие методы полимеризации мономеров: в массе, в растворе, в суспензии и эмульсии [2]. Полимеризация мономеров в массе Механизм полимеризации может быть радикальным или ионным в зависимости от типа инициаторов. При этом различают гомогенные системы (полимер полностью растворим в мономере, в конце процесса в зависимости от глубины превращения система представляет собой расплав полимера или его концентрированный раствор) и гетерогенные (полимер образует отдельную жидкую или твердую фазу). В результате полимеризационного процесса образуются полимеры линейного или разветвленного строения. Возможно получение всех трех типов сополимеров – статистических, блок- и привитых. Полимеризация мономеров в растворе Полимеризация мономеров в растворе включает собственно мономер, инициатор и растворитель. Начальная реакционная система может быть гомогенной или гетерогенной. Это практически единственный способ полимеризации газообразных мономеров на гетерогенных катализаторах. По сравнению с полимеризацией в массе этот метод имеет преимущество с точки зрения гибкости управления процессом, скоростей реакции и 12 теплоотвода. Для мономеров, полимеризующихся по радикальному механизму, эти преимущества в большинстве случаев недостаточны, чтобы сделать полимеризацию в растворе экономически выгодной для крупнотоннажного производства. Помимо дополнительных затрат на удаление реакционной среды, этот метод обусловливает ведение процесса с пониженной скоростью. Разбавление мономера приводит к получению полимера с меньшей молекулярной массой [2]. Полимеризация мономеров в эмульсии В качестве инициаторов процесса используют персульфаты калия или аммония, пероксид водорода, а также окислительно-восстановительные системы. Применение последних позволяет проводить полимеризацию мономеров при более низких температурах и с большими скоростями. В качестве окислителей обычно применяют пероксид водорода, персульфат калия, органические гидропероксиды. Восстановителями служат соли металлов переменной валентности, сернистые соединения и многие другие вещества. На активность инициаторов существенное влияние оказывает рН водной среды. В качестве регуляторов рН используются буферные вещества – фосфаты, карбонаты и др., количество которых составляет от 0,25 до 1 %. Полимеризация проходит в мицеллах с высокой скоростью и полимеры имеют большую молекулярную массу. Недостаток этого метода – загрязнение продукта следами эмульгатора и другими добавками, необходимость отделения водной фазы, отмывки от компонентов реакционной среды, сушки и первичной переработки. Наиболее широко применяется этот метод в производстве синтетических каучуков [2]. 13 Способы полимеризации полиметилметакрилата Полимеризацию эфира метакриловой кислоты можно проводить блочным, суспензионным, эмульсионными методами и в растворе. Полимеризация в присутствии инициаторов протекает по радикальному механизму. При блочной и суспензионной полимеризации в качестве инициаторов используют перекись бензоила и динитрил азобисизомасляной кислоты. Для снижения температуры полимеризации при получении толстых блоков в качестве инициатора полимеризации применяют эфиры надугольной кислоты (перкарбонаты). При эмульсионной полимеризации в качестве инициаторов чаще всего применяют персульфаты калия и натрия. При блочной полимеризации в присутствии перекисных инициаторов получают атактический полимер, который не кристаллизуется даже при растяжении [3]. 1.2 Особенности проведения суспензионной полимеризации Суспензионной полимеризацией называют полимеризацию, протекающую в каплях мономера, диспергированного в жидкой среде. При этом капли мономера постепенно превращаются в твердые полимерные частицы (порошок, гранулы, бисер, жемчуг). При полимеризации в водной суспензии реакционная система представляет собой множество микрореакторов, в которых процесс протекает в массе. Из-за малых размеров блока отношение его поверхности к объему велико, и отвод тепла реакции протекает без затруднения. Регулируя отношение полимерной фазы к водной, можно контролировать температурный режим процесса с высокой точностью. В начальной стадии реакции система представляет собой эмульсию капель мономера в воде. Суспензия эта нестабильна и существует за счет интенсивного перемешивания. Образование полимера в ходе процесса приводит к 14 повышению его концентрации в каплях мономера и увеличению их вязкости. Суспензия, как таковая, образуется только тогда, когда конверсия достигает примерно 70 % [5]. Суспензионная полимеризация, проводимая в изотермических условиях, позволяет получать более однородный продукт, чем полимеризация в массе. Обычно ее проводят при температурах ниже 100 °С, но применение повышенного давления позволяет повысить температуру до 150 °С. Гибкое регулирование температуры процесса имеет решающее значение, при полимеризации метилметакрилата, при которой молекулярная структура полимера необыкновенно чувствительна к изменению температурного режима и возможности проявления резкого гель-эффекта [5]. Достоинства данного метода следующие: 1. легкость отвода тепла полимеризации; 2. удобная форма образующегося полимера; 3. высокая производительность; К недостаткам относятся: 1. полимер загрязнен стабилизатором: 2. трудно провести полимеризацию до полного исчерпания мономера; 3. коркообразование: 4. необходимость в операциях по выделению полимера из полимеризационной среды, а также в операциях по обеспечению экологичности процесса. Подготовка и очистка больших количеств воды. 5. многостадийность [5]. 15 1.3 Химизм процесса полимеризации ПММА Процесс полимеризации метилметакрилата идет по радикальному механизму. Радикальной полимеризацией называется цепной процесс с образованием свободных радикалов. Она является одной из основных реакций получения высокомолекулярных соединений. Полимеризация метилметакрилата протекает в три стадии: инициирование, роста цепи и обрыва цепи. |