Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проект узла сополимеризации стирола с метилметакрилатом в производстве латекса

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт – Природных ресурсов (ХО)

Направление (специальность) – химическая технология и биотехнология

Кафедра – ТООС и ВМС

ПРОЕКТ УЗЛА СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ СТИРОЛА С МЕТИЛМЕТАКРИЛАТОМ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛАТЕКСА

Выпускная квалификационная работа

на соискание квалификации бакалавр

ФЮРА.240100.04.00.001 ПЗ

Студент гр. 5А73 _________________ Е.В. Вихарева

(подпись)

_________________

(дата)

Руководитель _________________ Е.П. Фитерер

канд. хим. наук (подпись)

_________________

(дата)

Допустить к защите: _________________ Е.А. Краснокутская

Заведующий кафедрой (подпись)

_________________

(дата)

Томск – 2011

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра ТООС и ВМС

УТВЕРЖДАЮ:

Зав.кафедрой Краснокутская Е.А.

____________________________

(подпись, дата)

ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы

Студенту гр. 5А73 Вихаревой Е.В.

1.Тема выпускной квалификационной работы ПРОЕКТ УЗЛА сополимеризации стирола с метилметакрилатом в производстве латекса (утверждена приказом ректора (распоряжением декана)) от № .

2.Срок сдачи студентом готовой работы .

3.Исходные данные к работе Годовая производительность производства – 10000 т/год; годовой фонд рабочего времени – 306 дней. Рецептура загрузки (вес %): вода – 250, метилметакрилат – 60, стирол – 40, перекись бензоила – 1, поливиниловый спирт – 5, дипроксид – 0,15.

4.Содержание текстового документа (перечень подлежащих разработке вопросов Введение

Теоретическая часть

Технико – экономическое обоснование

Физико – химические основы процесса

Описание технологического процесса

Материальные расчет

Технологический расчет основного аппарата

Аппаратурные расчеты

Контроль производства

Безопасность жизнедеятельности

Заключение

5.Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей): .

5.1. Схема технологическая. На отдельном листе.

5.2. Реактор полимеризации. Общий вид. На отдельном листе.

5.3. Сборочные единицы. На отдельном листе.

6.Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы

Руководитель Е.П.Фитерер

____________________________

(подпись, дата)

Задание принял к исполнению

Е.В.Вихарева

__________________________

(подпись, дата)

Реферат

Выпускная квалификационная работа состоит из 69с., содержит 15 табл., 4 рис., 17 литературных источников, 3 л. граф. материала.

Объектом разработки является производство стирол – метилметакрилатного латекса. Целью проектирования является разработка комплекса взаимосвязанных процессов, обеспечивающих выработку латекса требуемого качества при минимальной себестоимости.

Выпускная проектная работа выполнена на кафедре ТООС под руководством к.х.н. Е.П. Фитерер студенткой группы 5А73 Вихаревой Е.В.

Содержание

Введение………………………………………………………………………….7

1. Теоретическая часть

1.1 Технико-экономическое обоснование…………………………………...10

1.1.1 Выбор и обоснование способа производства…………………………..12

1.1.2 Характеристика исходного сырья и готовой продукции……………...14

1.2 Химизм процесса сополимеризации стирола с

метилметакрилатом в эмульсии…………………………………………17

1.3 Кинетика сополимеризации стирола с метилметакрилатом…………...21

1.4 Термодинамика сополимеризации стирола с метилметакрилатом…....22

1.5 Влияние различных факторов на скорость, молекулярную массу,

выход и размеры образующегося латекса……………………………….23

2. Технологическая часть

2.1 Описание технологической схемы………………………………………25

2.2 Материальный расчет…………………………………………………….27

2.3 Выбор материала и конструкции основного аппарата………………...36

2.4 Расчет объема реактора…………………………………………………..38

2.5 Тепловой расчет………………………………………………………….39

2.6 Аппаратурные расчеты…………………………………………………..43

2.6.1 Конструктивный расчет полимеризатора………………………………43

2.6.2 Расчет дополнительной аппаратуры…………………………………….46

2.7 Контроль производства…………………………………………………..46

2.7.1 Аналитический контроль………………………………………………...46

2.7.1.1 Анализ исходного сырья………………………………………………...46

2.7.1.1.1 Определение массовой доли стирола и органических примесей (фенилацетилена, дивинилбензола, ацетофенона)…………………...46

2.7.1.1.2 Определение массовой доли метилметакрилата…………………….48

2.7.1.2 Анализ полученного латекса………………………………………….49

2.7.1.2.1 Определение массовой доли сухого вещества……………………….49

2.7.1.2.2 Определение стойкости латекса при разведении водой в

соотношении 1:100…………………………………………………….50

2.7.1.2.3 Определение массовой доли

незаполимеризованного стирола………………………………………51

2.7.1.2.4 Определение поверхностного натяжения……………………………55

2.7.2 Автоматический контроль и управление процессом………………...58

2.8 Безопасность жизнедеятельности……………………………………..59

2.8.1 Основные требования безопасной эксплуатации

производства…………………………..………………………………..59

2.8.2 Противоаварийная защита на производстве……………………………..60

2.8.3 Электробезопасность……………………………………………………...60

2.8.4 Индивидуальные и коллективные средства защиты работающих……..61

Заключение……………………………………………………………………….62

Список использованной литературы…………………………………………...63

Приложение А……………………………………………………………………66

Спецификация……………………………………………………………………67

ФЮРА.240100.04.00.002.СТ. Схема технологическая…... ……………..На отдельном листе

ФЮРА.240100.04.00.003.ВО. Реактор. Вид общий……. .........................На отдельном листе

ФЮРА.240100.04.00.004.СБ. Реактор. Сборочные единицы …………...На отдельном листе

Диск

Введение

Латексы – это водные дисперсии полимеров, которые вследствие своих специфических свойств и доступности нашли широкое применение. Латексы по способу получения делятся на натуральные, синтетические и искусственные.

Латекс натуральный - млечный сок каучуконосных растений. Плантации гевеи бразильской - главный промышленный источник натурального латекса, представляющего собой водную дисперсию глобул натурального каучука, содержащую также белки, соли и другие добавки. Наибольшее промышленное значение имеет латекс бразильской гевеи, из которого выделяют каучук натуральный. Из латекса натурального получают натуральный каучук, готовят тонкослойные "маканыe" (в том числе медицинские) и губчатые изделия, нити, клеи и прочее. При получении и переработке латекса энергозатраты и загрязнение среды обитания минимальны.

Синтетические латексы - водные дисперсии синтетических каучуков, образующиеся в результате эмульсионной полимеризации. К синтетическим латексам относят также дисперсии пластиков, например поливинилхлорида, поливинилацетата. Искусственные латексы (искусственные дисперсии) - продукты, которые образуются при диспергировании "готовых" полимеров в воде. Как правило, такие латексы получают из каучуков, синтезируемых полимеризацией в растворе, например бутилкаучука, изопреновых каучуков. Латекс состоит из мельчайших частичек жидкости, твёрдых частиц и других примесей.

Искусственные латексы изготавливают из твердых полимеров или их растворов в органических растворителях. К ним относятся латексы 1,4-цис-полиизопрена, силоксановых и других неэмульсионных каучуков.

Латекс, рассматриваемый в данной работе, относится к синтетическим.

Синтетические латексы по ряду свойств сближаются с натуральным латексом. Это сходство объясняется тем, что как натуральный, так и синтетические латексы стабилизованы поверхностно-активными веществами. В натуральных латексах стабилизаторами являются протеины, а в синтетических - поверхностно-активные вещества.

Главной характеристикой всякой коллоидной многокомпонентной системы является степень дисперсности. Все синтетические латексы относятся к полидисперсным системам, размер частиц которых колеблется от сотых долей до нескольких микрометров.

Синтетические латексы представляют собой более высокодисперсные системы, чем натуральный латекс. Частицы синтетических латексов меньше и более однородны по размерам, чем частицы натурального латекса (0,05 мкм в синтетических латексах, 0,15 - 14 мкм в натуральном). Благодаря высокой дисперсности синтетические латексы обладают рядом преимуществ по сравнению с натуральным латексом. К ним относятся: большая устойчивость синтетических латексов, лучшая диффузионная способность и так далее.

Заряд частицы латексов удерживается благодаря абсорбированному на их поверхности стабилизатору (эмульгатору). В настоящее время разработана рецептура полимеризации, которая позволяет получать латексы с частицами заданной величины. От размера частиц латекса зависят многие их свойства. Характерным свойством синтетических латексов является их меньшая подверженность самопроизвольному расслаиванию, или сливкоотделению, по сравнению с натуральным латексом. Для концентрирования таких латексов применяют особые приемы.

Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, является одним из наиболее важных свойств коллоидной системы. Вязкость синтетических латексов зависит от их концентрации, температуры, наличия электролита и других. С увеличением концентрации латекса вязкость его возрастает, причем для каждого вида латекса имеется своя критическая концентрация пастообразования.

Синтетические латексы обладают достаточно высокой химической устойчивостью, что обеспечивает возможность практического их применения.

Латекс может коагулироваться при механических и температурных воздействиях, при разведении, при введении в него электролитов, инертных наполнителей и так далее. Устойчивость латексов к механическим воздействиям представляет интерес не только для характеристики коллоидного состояния системы, но является весьма важным технологическим показателем.

На свойства синтетических латексов большое влияние оказывают состав и свойства дисперсионной среды, главным образом природа эмульгатора или стабилизатора и чистота исходных мономеров. В производстве латекса используется более широкий ассортимент эмульгаторов, чем для каучуков эмульсионной полимеризации. В большинстве случаев применяются анионоактивные эмульгаторы - соли жирных кислот, абиетиновой кислоты, сульфокислот и др.

Области применения латексов чрезвычайно разнообразны вследствие высокой технико-экономической эффективности их использования в различных отраслях промышленности. Применение латексов позволяет получать такие изделия, которые из твёрдых каучуков вообще не могут быть изготовлены, например тонкостенные, бесшовные. На основе латексов изготовляют клеи и краски, не содержащие токсичных и пожароопасных растворителей. Применение латексов в производстве бумаги способствует повышению её прочности, гибкости, влаго- и маслостойкости и улучшению внешнего вида. Латексы используют также для аппретирования текстильных материалов; для пропитки шинного корда; при изготовлении прошивных ковров, ворсовых тканей, искусственного меха с целью закрепления ворса и лучшего сохранения формы изделий из этих материалов; в качестве связующего при изготовлении нетканых материалов; для отделки натуральной и при получении искусственной кожи. Широкое применение латексы находят в строительстве при изготовлении полимерцементов, настилов для полов, дорожных покрытий, герметиков. Латексы вводят в состав композиций, применяемых для защиты почвы от ветровой эрозии. На основе латексов получают антикоррозионные покрытия и так далее. Наибольшее значение в современной технологической практике имеют синтетические латексы благодаря их широкому ассортименту и разнообразию свойств.

Теоретическая часть

1.1 Технико-экономическое обоснование

В настоящее время мировое потребление полимерных дисперсий находится на уровне 15 млн. тонн в год; из них около 6 млн. тонн в год приходится на натуральный латекс. Потребление синтетических полимерных дисперсий можно расположить в следующем порядке: бутадиен-стирольные 37 %, полиакрилатные – 30 %, поливинилацетатные (гомо- и сополимерные) – 28 %, остальные – 5 %.

Производством латексов занимаются более 500 компаний, при этом только 20 компаний занимают 50 % мирового рынка. Абсолютными лидерами являются 3 производителя - BASF, DOW Chemical, Rohm and Haas, которые ежегодно производят свыше миллиона тонн и обеспечивают 20 % общей потребности в дисперсиях [1].

Российское производство акрилсодержащих дисперсий в последние 2-3 года демонстрирует достаточно высокие темпы роста на уровне 20 % в год. Мощности российских производителей акриловых дисперсий позволяют ежегодно производить до 75 тыс.тонн акриловых и стирол-акриловых дисперсий.

По итогам 2008 года импорт в Россию акрилсодержащих дисперсий на

19 % превысил показатели 2007 года. Импорт дисперсий для производства лакокрасочных материалов увеличился на 25,2 %. В 1 полугодии 2009 года общий импорт дисперсий в РФ сократился на 26,8 %, в том числе для производства лакокрасочных материалов - на 34,3 %. Доля импортной продукции на рынке дисперсий для лакокрасочных материалов в 2008 году составляла немногим более 62 %.

Экспорт акрилсодержащих дисперсий из России в 2008 году сократился на 55 % после 23 %-ного роста в 2007 году. Более 63 % российского экспорта акрилсодержащих дисперсий в 2008 году предназначалось для производства лакокрасочных материалов, причем их доля продолжает снижаться [2].

Латексы- водные дисперсии полимеров. Наиболее распространены латексы каучуков. Натуральный латекс - млечный сок каучуконосных растений, главным образом бразильской гевеи, извлекаемый путём надреза (т. н. «подсечки») наружного слоя коры дерева, он содержит 34-37% каучука, 52-60% воды, а также небольшие количества белков, смол, сахара и минеральных веществ. Синтетические латексы - водные дисперсии синтетических каучуков, образующиеся в результате эмульсионной полимеризации. К синтетическим относят также дисперсии пластиков, например поливинилхлорида, поливинилацетата. Искусственные латексы (искусственные дисперсии) - продукты, которые образуются при диспергировании полимеров в воде. Как правило, такие дисперсии получают из каучуков, синтезируемых полимеризацией в растворе, например бутилкаучука, изопреновых каучуков.

Стирол-акриловые дисперсии занимают достойное место в списке наиболее массовых и востребованных продуктов при строительстве и ремонте. Стирол-акриловая дисперсия – это синтетическое водорастворимое вещество, полученное путём полимеризации сложных эфиров акриловой кислоты и стирола на основе эмульгаторов и стабилизаторов. Стирол-акриловая дисперсия обладает прекрасной клеящей способностью и незаменима при производстве клеев и водоэмульсионных красок.

Широкий ассортимент данной категории лакокрасочных изделий разрабатывается и синтезируется согласно новейшим технологиям и соответствует всем требованиям современной лакокрасочной промышленности. Стирол-акриловые дисперсии в составе красок образуют пленки, отличающиеся хорошими видовыми показателями, высокой твердостью и деформационно-прочностными свойствами. Стоит отметить, что в их составе используется минимальное количество коалесцентов и других традиционных добавок.

Стирол-акриловая дисперсия, которую ещё иногда называют акриловым латексом, это не совсем то же самое, что и просто акриловая дисперсия (акриловый латекс в чистом виде). Акриловая дисперсия в отличие от стирол-акриловой - более высокотехнологичный продукт, отличающийся некоторыми более высокими техническими характеристиками и физико-химическими свойствами. Акриловые дисперсии не желтеют при воздействии на них ультрафиолетовых лучей. Однако, в отличие от стирол-акриловых дисперсий, менее стойки к воде. В частом контакте с ней возможно появление ржавчины на поверхности черных металлов. Стирол-акриловые, в свою очередь, помимо повышенной стойкости к воде обладают хорошей паропроницаемостью, устойчивостью к ультрафиолетовым лучам. Стоимость чистых акриловых дисперсий несколько выше, чем стирол-акриловых.

Выбор и обоснование способа производства

Способ проведения процесса сополимеризации существенно влияет на экономику процесса и на получаемый продукт. На сегодняшний день наиболее распространенными методами получения полимеров являются полимеризация в массе, полимеризация в растворе, эмульсионная, суспензионная полимеризация и полимеризация в твердой фазе. Объектом данной работы является латекс, который в промышленности получают двумя методами: эмульсионной и суспензионной полимеризацией. Рассмотрим подробнее оба этих метода.

Суспензионная сополимеризация стирола и метилметакрилата.

Суспензионная сополимеризация стирола с метилметакрилатом проходит в водной фазе в присутствии инициаторов, растворимых в мономере. Для обеспечения устойчивости реакционной системы и предотвращения слипания капель мономеров и гранул полимера в реакционную систему вводят стабилизаторы. В качестве стабилизаторов используют водорастворимые полимеры (поливиниловый спирт, сополимеры винилацетата и винилового спирта, желатин и др.), а также нерастворимые в воде неорганические соединения, такие как бентонит, каолин, гидроксиды магния и алюминия. Наиболее устойчивая суспензия и мелкие гранулы получают при применении поливинилового спирта, содержащего 8…20 % неомыленных ацетатных групп. Конечный продукт полимеризации – частицы полимера шарообразной формы с размером 0,1…2 мм [3].

В процессе суспензионной полимеризации каждая капля мономера представляет собой отдельный изолированный объем(блок), в котором и протекает процесс образования полимера, но в отличие от полимеризации в массе, каждая капля мономера в суспензии окружена дисперсионной средой (водой). Отсюда главное преимущество суспензионной полимеризации– хороший отвод тепла, что способствует уменьшению полидисперсности полимера.

Недостаток суспензионного способа – полимер загрязнен остатками стабилизатора. Кроме того, существуют и технологические трудности организации процесса по непрерывному циклу на стадии полимеризации, обусловленные тенденцией частиц к слипанию [4]. Поэтому в промышленности суспензионный процесс сополимеризации стирола с метилметакрилатом оформляют в виде периодического.

Периодический процесс проводят в реакторе из нержавеющей стали или в биметаллическом емкостью 10-30 м³, снабженном трехъярусной мешалкой с регулируемой скоростью вращения от 0 до 3 об/с и рубашкой для обогрева и охлаждения. В аппарат для приготовления мономерной фазы загружают стирол, метилметакрилат, инициатор и регулятор молекулярной массы. В другом аппарате готовят раствор поливинилового спирта в воде. После этого в реактор загружают водную фазу, а затем при перемешивании вводят мономерную фазу.

Температура реакции определяется природой инициатора и обычно поддерживается в пределах 50-130⁰С. Ее повышают ступенчато по мере увеличения конверсии мономеров с тем, чтобы предотвратить слипание капель [5].

Сополимер стирола с метилметакрилатом имеет плотность 1140 кг/м³при 20⁰С.

Эмульсионная сополимеризация стирола и метилметакрилата

Метод эмульсионной сополимеризации стирола с метилметакрилатом основан на диспергировании мономеров в эмульсионной среде в присутствии эмульгаторов, понижающих поверхностное натяжение на границе между каплями мономеров и водой. Кроме мономеров и воды в реакционной смеси присутствуют эмульгатор, регулятор рН, регулятор молекулярной массы.

В качестве эмульгатора применяют карбонат магния, а также полиакриловую кислоту, поливиниловый спирт и другие водорастворимые полимеры. Инициатором служит перекись бензоила.

Дисперсионной средой обычно является умягченная или деионизированная вода – дешевый, нетоксичный, пожаробезопасный растворитель.

В качестве регуляторов молекулярной массы полимера наибольшее практическое применение нашли диизопропилксантогендисульфид (дипроксид, применяемый при высокотемпературной полимеризации) и трет – додецилмеркаптан (при низкотемпературной полимеризации).

При введении мономера, нерастворимого или плохо растворимого в воде, лишь небольшая часть его растворяется и переходит в раствор. Основная част мономера диспергирована в виде капелек, размер которых зависит от скорости перемешивания.

Эмульгатор играет двоякую роль: во-первых, снижает поверхностное натяжение на границе раздела фаз «мономер – вода», что облегчает эмульгирование мономера в воде; во-вторых, эмульгаторы солюбилизируют мономеры. При увеличении концентрации эмульгатора в реакционной системе скорость полимеризации возрастает.

При эмульсионной сополимеризации стирола с метилметакрилатом процесс происходит в углеводородной фазе, независимо от того, является ли инициатор маслорастворимым или водорастворимым.

Процесс водно – эмульсионной сополимеризации стирола с метилметакрилатом в промышленности организуют по периодическому способу. В никелевый реактор или реактор из биметаллической стали, снабженный рубашкой и мешалкой рамного или рамно – якорного типа, последовательно загружают все компоненты. Процесс ведут в течение 2-4 часов. Температура процесса поддерживается в пределах 70 - 85ºС. Продуктом полимеризации является полимер с размером частиц 0,1 – 0,3 мкм.

При эмульсионной полимеризации сополимер образуется высокомолекулярным, решается проблема температурного контроля процесса( вследствие легкости отвода теплоты реакции из маленьких частиц через водную фазу), устраняется опасность пожара и загрязнения атмосферы. К тому же процесс эмульсионной сополимеризации возможно проводить при долее низких температурах, чем суспензионную полимеризацию, что сказывается на качестве получаемого продукта (полимер образуется с менее низкой степенью полидисперсности). Серьезный недостаток метода - наличие эмульгатора и трудоемкие операции по его удалению, а также трудность организации процесса по непрерывной схеме. Но если латекс является конечным продуктом, то необходимость операций по очистке эмульгатора отпадает. К достоинствам метода относится возможность направленного регулирования свойств полимера, специфичного лишь для латексной полимеризации [6].

Характеристика исходного сырья и готовой продукции

Основные физико-химические характеристики исходного сырья представлены в приложении А.

Стирол (фенилэтилен, винилбензол)

Стирол легко воспламеняется. Пары стирола раздражают слизистые оболочки; предельно допустимая концентрация их в воздухе 0,005 мг/дм³. Стирол слабо токсичен.

Индивидуальная защита: фильтрующий противогаз марки А или БКФ, защитная одежда, резиновые перчатки, защитные очки.

Основным методом производства стирола в промышленности является дегидрирование этилбензола. Основную реакцию дегидрирования можно представить следующим образом:

Данный процесс проводят при температуре 580 - 600ºС на железооксидных катализаторах, содержащих 55 – 80 % Fe₂O₃, 2 – 28 % Cr₂O₃, 15 – 35 % K₂CO₃ и некоторые оксидные добавки, в присутствии перегретого до 700ºС пара. Стирол ректификат содержит только 0.02 % примесей и удовлетворяет по качеству требованиям к этому мономеру [7].

Проект узла сополимеризации стирола с метилметакрилатом в производстве латекса 📙 Дипломная → 🆔 15283