Выбрать и обосновать технологическую схему периодического производства эмульсионного полистирола для цеха производительностью 36 м3 сут. Составить материальный и тепловой балансы стадии полимеризации
 Скачать 324.74 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» Кафедра химической технологии твердого топлива РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по общей химической технологии на тему: «Выбрать и обосновать технологическую схему периодического производства эмульсионного полистирола для цеха производительностью 36 м3 /сут. Составить материальный и тепловой балансы стадии полимеризации»
Кемерово 2021 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» Кафедра химической технологии твердого топлива
Задание по курсовой работе Студенту ____________________________________________________________ Тема курсовой работы ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ утверждена приказом по вузу от Срок сдачи студентом законченной курсовой работы Исходные данные к курсовой работе ________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Объём и содержание пояснительной записки (основных вопросов общей и специальной части) и графического материала ________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Консультации по курсовой работе (с указанием относящихся к ним разделов проекта) _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ Дата выдачи задания ________________ Руководитель ________________ (подпись) Основная литература и рекомендуемые материалы ________________________________________________________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Задание принял к исполнению (дата) __________________ СОДЕРЖАНИЕ
  ВВЕДЕНИЕПолистирольные пластики представляют собой многочисленную группу термопластичных материалов, химический состав полимерной части которых содержит стирол или продукты его сополимеризации. Широко используются ПС, ударопрочный полистирол (УПС) и АБС-сополимеры. ПС и материалы на его основе относятся к конструкционным полимерным материалам. Они характеризуются достаточно высокой прочностью, жесткостью, высокой размерной стабильностью, отличными декоративными свойствами. Производство этого материала в государствах СНГ в 2004 году составило около 200 тысяч тонн. Полистирольные пластики используются практически во всех отраслях промышленности, а благодаря высоким диэлектрическим характеристикам – в электротехнике и радиотехнике.  1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТАВ производстве полистирола эмульсионный способ ведения полимеризации менее востребован в сравнении с блочным и суспензионным. Эмульсионный полистирол имеет более высокую молекулярную массу, самый маленький размер полимерных частиц и применяется главным образом для получения пенополистирола (ППС) с кажущейся плотностью не менее 100 кг/м3. Эмульсионная полимеризация применяется для получения сополимеров стирола с другими виниловыми мономерами. Среди сополимеров наиболее востребованы сополимеры стирола с бутадиеном в производстве эмульсионных синтетических каучуков марок СКС, а также ударопрочный полистирол марок СНП, УПС и АБС–пластики. В промышленности эмульсионные процессы реализованы как в периодическом, так и в непрерывном вариантах. Типовой технологический процесс производства полистирола периодическим эмульсионным способом состоит из следующих стадий: подготовка компонентов; полимеризация; коагуляция (осаждение) полистирола; центрифугирование и промывка полимера; сушка, просев, грануляция полистирола; расфасовка и упаковка готового продукта [1]. Данный способ процесса полимеризации обладает существенными недостатками: сложность перехода с выпуска одной марки ПС на выпуск другой марки, и вследствие этого узость марочного ассортимента; 2. процесс плохо поддается регулированию, вследствие огромных значений вязкости реакционной среды и затрудненного теплообмена; 3. относительно низкая молекулярная масса. Суспензионный полистирол Суспензионный полистирол применяется для получения различных малотоннажных марок полистирола и сополимеров стирола. Преимущества суспензионной полимеризации: наличие водной дисперсной среды, что облегчает отвод тепла, упрощает управление процессом и регулирование режима работы реактора; 2. остаточное содержание мономера в полимере очень мало 0.1%, что позволяет применять его для производства изделий, соприкасающихся с пищевыми продуктами; 3. возможность получения большого ассортимента марок полистирола; 4.возможность получения полимера с более низкой степенью полидисперсности; полимер имеет более узкое молекулярно-массовое распределение, по сравнению с блочным полимером, а следовательно большая ударная вязкость и 15 теплостойкость. Но в то же время данный способ полимеризации стирола имеет ряд недостатков: многостадийность и многокомпонентность; 2. загрязнения продукта следами стабилизатора и других добавок; 3. значительное количество сточных вод, требующих очистки;  трудоемкость перевода на непрерывную схему.Полистирол, полученный эмульсионным методом, применяется главным образом для получения пенополистирола. К достоинствам данного метода можно отнести следующее: наличие водной дисперсной среды, что облегчает отвод тепла, упрощает управление процессом и регулирование режима работы реактора; возможность проводить процесс при более низких температурах («холодная полимеризация»), чем при полимеризации в суспензии и в массе; отсутствие зависимости между скоростью полимеризации и молекулярной массой образующегося полимера, т.е. есть возможность изменять эти параметры в широких пределах независимо друг от друга; эмульсионный полистирол имеет более высокую молекулярную массу и самый маленький размер полимерных частиц, чем полимер, получаемый другими методами. Но наряду с преимуществами этот способ имеет и свои недостатки: многостадийность и многокомпонентность; загрязнение продукта следами эмульгатора и других добавок; худшие диэлектрические свойства по сравнению с продуктами получаемыми другими методами; необходимость отделения водной фазы, отмывки реакционной среды, сушки тонкодисперсного полистирола и первичной переработки;  значительное количество сточных вод, требующих очистки [1].2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБРАННОГО СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА Полимеризацию стирола в эмульсии проводят в водной среде в присутствии эмульгаторов и водорастворимых инициаторов. Эмульгаторами являются поверхностно–активные вещества: натриевые или калиевые соли жирных кислот (стеариновой, олеиновой и др.), соли алифатических и ароматических сульфокислот (лаурилсульфат, дибутилнафталинсульфат, додеци–бензолсульфат натрия и др.). Природа и количество эмульгатора (0,1 – 3%) оказывает существенное влияние на полимеризацию в эмульсии. В частности, с увеличение содержания эмульгатора возрастает скорость процесса, снижается молекулярная масса полимера, и уменьшаются размеры частиц полимера (до 0,1 – 5 мкм). Инициаторы процесса – водорастворимые пероксиды и гидроксиды (пероксид водорода, персульфаты аммония, натрия и калия). Для снижения температуры реакции с 50 – 90 до 15 – 20 0С добавляют ускорители распада инициаторов: сульфат железа (II), бикарбонат, бисульфит и тиосульфат натрия, аскорбиновую кислоту и др. Инициирующие системы, содержащие пероксиды (окислители) и ускорители (восстановители), носят название – окислительно–восстановительных .  Регуляторами молекулярной массы полимеров являются такие переносчики цепи, как додецилмеркаптан, диизопропилксантогенатдисульфид, а регуляторами рН–среды, при которой проиисходит распад инициатора на радикалы – ацетаты и фосфаты натрия [2].На рисунке 1 приведена реакция полимеризации стирола, где в качестве инициатора использовался пероксид водорода.  Рис.1. Реакция полимеризации стирола  3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА Технологический процесс производства эмульсионного полистирола состоит из следующих стадий: Подготовка сырья Полимеризация стирола Коагуляция полимера Промывка и центрифугирование полимера Сушка продукта Просев и грануляция Расфасовка и упаковка готового продукта Перед полимеризацией из мономера удаляют ингибитор промывкой его 5–10%-ным раствором щелочи с последующей отмывкой щелочи водой. Полимеризацию проводят при 70–95 0С в течение 7–8 часов до содержания остаточногомономера в полимере не более 0,5%. Схема процесса производства эмульсионного полистирола периодическим способом представлена в приложении 2 В аппарате 1 готовят водную фазу – раствор в дименирализованной воде эмульгатора (олеат натрия), инициатора (пероксида водорода). Смесь загружают в реактор 2. Эмульсию готовят введением стирола при сильном перемешивании рамно-лопастной или турбинной мешалкой. Содержимое реактора 2 через рубашку нагревают до 70–95 0С и процесс ведут в течение 1,5 часов. Холодильник 3 работает как обратный и обеспечивает возврат сконденсированных паров водно-стирольной смеси. При остаточном содержании непрореагировавшего стирола не более 0,5% реацию прекращают [5].  Образовавшийся латекс, из которого острым паром отгоняют свободный стирол, собирают в приемник 4. Латекс охлаждают до 50 0С и сливают в сборник 5. Выделение полимера из латекса проводят в осадителе 6 с добавлением водного раствора алюмокалиевых квасцов. Электролит нарушает устойчивость латекса и вызывает выпадение частиц полистирола.Из аппарата 6 суспензия полимера поступает в промыватель, снабженный рамной мешалкой. После фильтрования водный раствор поступает на очистку, а полимер промывают при перемешивании свежей порцией воды с температурой 70–80 0С. После 3-5 промывок взмученную в воде суспензию полимера подают на центрифугу 8 для полного обезвоживания. Порошок полистирола с влажностью 60% поступает в сушилку 9, а после сушки влажностью около 0,5% – в бункер 10. Затем высушенный полимер просеивают на сите и подвергают гранулированию.  Полистирол имеет молекулярную массу около 1000000 и очень низкую текучесть при литье под давлением. В этой связи за счет частичной деструкции при гранулировании снижается молекулярная масса и облегчается при этом литье под давлением [4].4. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ 4.1. РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
Расчет: 36 м3 – вводимый стирол Эмульгатор вводят в количестве 0,5–1% от массы стирола. 36 – 100 Х – 1 Х = 0,36 м3 требуется эмульгатора Соотношение воды и стирола составляет 1:2. 36 * 2 = 72 м3 требуется воды Инициатор вводят в пределах от 0,25–0,5% от массы стирола 36 – 100 Х – 0,5 Х = 0,18 м3 требуется инициатора  4.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
 Температура на входе – 20 0СТемпература на выходе – 85 0С Уравнение теплового баланса: Q1=Q2 + Qотв Определим количество теплоты для исходной смеси: Q1 = V * Cp * t, Где V – объем исходных компонентов, л; Сp – теплоемкость вещества, кДж / моль * 0С; t – температура. Qстирол = 36 * 1.735 * 20 = 1249.2 кДж – теплота подводимая к стиролу Qводы = 72 * 4,183 * 20 = 6048 кДж – теплота подводимая к воде Тепловой эффект реакции полимеризации: ΔH = 68700 * 36 / 85 ΔH = 29096.4706 кДж Q1 = Qстирол + Qводы = 36393.67 кДж Определим количество теплоты для продуктов реакции: Q1 = V * Cp * t, Где V – объем исходных компонентов, л; Сp – теплоемкость вещества, кДж / моль * 0С; t – температура. Qполистирола = 35,82 * 1,343 * 85 = 4089,0321 – теплота уноса полистирола Qстирола = 0,18 * 1,957 * 85 = 29,9421 – теплота уноса стирола Qводы = 72.56 * 4.202 * 85 = 25 903. 92 – теплота уноса воды Q2 = Qполистирола + Qстирола + Qводы = 30022,8942 кДж Qотв. = Q1 – Q2 = 36393.67 – 30022,8942 = 6370,7758 кДж   ЗАКЛЮЧЕНИЕЭмульсионная полимеризация стирола очень важный процесс для производства полистирола, который в дальнейшем пригоден для производства пенополистирола. В работе рассмотрена технологическая схема производства эмульсионного полистирола в реакторе периодического действия. Процесс проводят при температуре 85 0С при атмосферном давлении с использованием инициатора – пероксида водорода. Представлены все характеристики аппаратов, проведён анализ химико-технологического процесса, его отпимальные условия, материальных и тепловых балансов. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Технология пластических масс. Под ред. В. В. Коршака. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Химия, 1985. – 560 с. Софьина, С. Ю. Технология полимеров : учебно-методическое пособие / С. Ю. Софьина, Н. Е. Темникова, С. Н. Русанова. — Казань : КНИТУ, 2018. — 140 с. Справочник кодов общероссийских классификаторов [Электронный ресурс] https://classinform.ru/ok-eskd/kod.html Сутягин, В. М. Общая химическая технология полимеров : учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 208 с. Сутягин, В. М. Общая химическая технология полимеров : учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков. — 3-е изд., испр. — Санкт-Петербург : Лань, 2018. — 208 с. Ровкина, Н. М. Химия и технология полимеров. Технологические расчеты в синтезе полимеров. Сборник примеров и задач : учебное пособие / Н. М. Ровкина, А. А. Ляпков. — Санкт-Петербург : Лань, 2019. — 168 с. Резервуары и технологическое оборудование [Электронный ресурс] https://gazovik-pgo.ru/cat/capacityes/apparaty_s_peremeshivajuschimi_ustrojstvami/ Аржаков, М. С. Химия и физика полимеров. Краткий словарь : учебное пособие / М. С. Аржаков. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. – теплоемкость стирола и полистирола Электронный справочник теплоемкости воды [Электронный ресурс] http://thermalinfo.ru/svojstva-zhidkostej/voda-i-rastvory/udelnaya-teploemkost-vody  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||