Синтез эпоксидных олигомеров

Реферат

Пояснювальна записка містить  с.,табл. 11, використано джерел 7.

Ключові слова:

ДІАМЕТ Х, ЕПІХЛОРГІДРИН, ЕПОКСИДНИЙ ОЛІГОМЕР, ПОЛІКОНДЕНСАЦІЯ, БАЛАНС, МАТЕРІАЛ, РОЗРАХУНОК.

 

Мета роботи – проектування виробництва  епоксидного олігомеру марки  ЕХД. Об’єктом проектування були основні елементи апаратурно–технологічного оформлення проектованого виробництва. У курсовій роботі розглянуті теоретичні основи виробництва епоксидного олігомеру марки ЕХД, розроблена апаратурно–технологічна схема виробництва, виконано необхідні матеріальні,теплові та технологічні розрахунки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Виробництво пластичних мас є однією з найбільш швидко прогресуючих галузей хімічного виробництва. Прогрес у цій галузі призвів до виникнення великої кількості різноманітних полімерних матеріалів і методів їх отримання.

Розвиток промисловості синтетичних  та пластичних мас не тільки сприяє науковому та технічному процесу  усіх галузей техніки, але й звільняє для народного господарства чорні  та кольорові метали, природні волокна  та будівельні матеріали.

Хоча обсяг виробництва епоксидних олігомерів не великий, але значення їх для багатьох галузей промисловості дуже велике. Споживачами епоксидних олігомерів є радіоелектроніка, електротехніка, хімічна та лакофарбова промисловості. Епоксидні полімери широко застосовуються як високоміцні та конструкційні матеріали для ракетної та космічної техніки, в авіації, судно будуванні та машинобудуванні. Дуже ефективно застосування епоксидних композицій для виготовлення технічного оснащення, у якості ізоляційних матеріалів, покриттів і т.п.

Завдяки гарній адгезії до скла, кераміки, дерева, пластичних мас, металів, епоксидні  олігомери застосовуються для виготовлення клеїв. Клеєві шви стійкі до дії води, полярних розчинників, кислот та характеризуються високою механічною міцністю.

Епоксидні олігомери застосовуються для виготовлення лакофарбових покриттів. Плівка з епоксидних олігомерів відрізняється  високою механічною міцністю, хімічною стійкістю і стійкістю до атмосферних  впливів.

Епоксидні полімери – гарне зв’язне для склопластів. Вони характеризуються високою механічною міцністю, гарною адгезією, хімічною стійкістю, малим водопоглиненням та значними електроізоляційними показниками.

Велике розповсюдження отримали газонаповнені  матеріали на основі епоксидних полімерів, а також епоксидно–наволочні  пінопласти. Низька теплопровідність та звукопроникливість, гарні діелектричні властивості та висока адгезія пінопластів  дають можливість використовувати  їх в якості ізолюючих матеріалів різноманітного призначення.

На основі епоксидних полімерів  виготовляються компаунди гарячого та холодного затвердження.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

 

Епоксидні полімери отримують з  різноманітних з’єднань, які містять реакціонноздатну епоксидну групу. У напружених циклах з дуже викривленими валентними кутами виникає внутрішній електронний дефіцит, що призводе до не рівномірного розподілу електронної цільності. Наслідком цього є значно делокалізація електронної пари атома кисню. За рахунок високої реакційні здатності епоксидної групи сполуки, які мають її в своєму складі, легко вступають в різноманітні реакції, приєднання з речовинами, які містять рухливий атом водню.

Частіше усього для синтезу цього  типа полімерів застосовують епіхлоргідрин (ЕХГ) та діхлоргідрин з дво – та багатоатомними фенолами, а також з діамінами.

Епіхлоргідрин:

Діфенілопропан:

4,4’ – діаміно – 3,3’ –  діхлордіфенілметан (діамет Х) 

При взаємодії ЕХГ з діаметом Х утворюється олігомер лінійної будови

Реакція відбувається в дві стадії. На першій – отримують олігомери з малою молекулярною масою:

 


+4

(n + 1)

+ (3n +4) NaOH

 

+ (3n + 4) NaCl + (3n +4) H2O

 

На другій – олігомер затверджується діамінами, ангідридами, моно - та дикарбоновими кислотами. Луг каталізує реакцію приєднання 4,4’ – діаміно – 3,3’ – діхлордіфенілметану до епоксидної групи та водночас зв’язує утворений хлористий водень .

Для затверджування епоксидної смоли  марки ЕХД використовують, як правило, затврджувачі амінного типу діамет Х, метафенілдіамін та поліетиленполіамін.

Звичайно реакція між епіхлоргідрином  та діамет Х супроводжується побічними  реакціями. За рахунок взаємодії кінцевих епоксидних груп з другорядними гідроксилами можуть утворюватись розгалужені макромолекули:

…

… +

 

…

Крім того в присутності розчину  лугу, епіхлоргідрин може перетворитись  в полімер:

Або гідролізуватись,перетворюючись у гліцерин:

  

Можливо також часткова ізомеризація кінцевої епоксидної групи у альдегідну та кетону:

 

…

Для запобігання протікання побічних процесів необхідно сурове виконання  визначеного відношення початкових компонентів, рН середовища, температури  реакційного середовища.

 

 

 

 

 

 

  1. ХАРАКТЕРИСТИКА СИРОВИНИ

 

Епіхлоргідрин (3 – хлор -1,2 - епоксіпропан )

- рідина прозорого кольору, не розчинна у воді, але розчинна в ароматичних та хлорованих вуглеводнях, кетонах, етерах, спиртах.

Молекулярна маса – 92,5, температура кипіння – 384 К. За ГОСТ -12844 утримання речовини не менш 98%, густина при 293 К 1,175÷1,185 г/см3.

 

4,4’ – діаміно –  3,3’ – діхлордіфенілметан (діамет  Х)

- порошок або кристали від  жовто–сірого до коричневого  кольору 

Молекулярна маса – 267, температура кипіння – 403 К. За ВТХ 30-85 вміст основної речовини в основному продукті не менш 98%

 

Їдкий натр, технічний

NaOH

Молекулярна маса – 40,0. ГОСТ 2263-85 вміст їдкого натру не менш 95%.

 

Вуглекислий газ, зріджений

CO2 – молекулярна маса – 44,01

ГОСТ 8050-84

 

Азот технічний, рідкий

N2 – молекулярна маса – 28

ГОСТ 9293-84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОЛІГОМЕРУ

 

Епоксидний олігомер марки ЕХД  є продуктом взаємодії 4,4’ –  діаміно – 3,3’ – діхлордіфенілметан з епіхлоргідрином у присутності  води з послідуючим дегідрохлоруванням їдким натром.

 

Таблиця 3.1 Технічні показники епоксидного олігомеру марки ЕХД.

Найменування показників

Норма

  1. Зовнішній вид та колір

В’язкий,від жовтого до коричневого 

  1. Вміст епоксидних груп, %

25,0-30,0

  1. Вміст Cl- омиленого , % не більше

0,05

  1. Вміст Cl омиленого, % не більше

2,0

  1. Кінетична в’язкість при 323 К у сантистоксах, % не більше

10000

  1. Вміст летючих речовин, %

2,0


 

Олігомер ЕХД при кімнатній  температурі розчиняється в ацетоні, толуолі, етилцелюлози, диметилформаліні. У воді олігомер не розчиняється. Токсичність епоксидних олігомерів марки ЕХД є токсичним продуктом,особливо у горючому стані, так як виділяє токсичні летючі речовини, до складу яких входить епіхлоргідрин.

Олігомер має подразнюючу дію  на нервову систему та печінку  людини, визиває шкіряні захворювання – дерматити, екземи, опухлість обличчя  і рук.

3.3Області застосування.

Епоксидний олігомер марки ЕХД  застосовують в якості зв’язуючого для само затухаючих високоміцних, водостійких конструкційних матеріалів.

Вміст хлору в олігомері ЕХД  дорівнює – 15%. Для отвердження олігомеру  марки ЕХД застосовують отвержувачі  амінного типу.

3.4 Пожежонебезпечні.

Епоксидний олігомер марки ЕХД  – горючий продукт. В зв’язку  наявності хлору в молекулі олігомера,останній має властивість само затухання.

Температура спалаху – 443К

Температура само затухання – 667 К

Температурні межі:

Нижній – 433 К

Верхній – 458 К

    1. Зберігання олігомеру.

Олігомер зберігають у щільно закритій тарі, в закритому приміщенні при  температурі не вище 303 К. У процесі  зберігання проходе поступове підвищення в’язкості олігомера і зниження показника епоксидних груп, Втративши  свої властивості олігомер переробляється.

 

 

 

 

 

 

 

  1. Матеріальний баланс.
    1. Розрахунок середньої молекулярної маси олігомера.

Формула розрахунку 

Де, 43 – молекулярна маса

E – вміст олігомерних груп епоксидних

m – кількість епоксидних груп

На основі ТУ 6-05-041-321-84 Е=30%

    1. Розрахунок ступені поліконденсації.

Формула розрахунку

де 485 – молек. маса кінцевих груп

429 – молекулярна маса повторюючихся  груп

    1. Розрахунок діамету Х на одну тону олігомеру.

Приймаємо витрати діамету  х-1%, тобто маса діамету Х буде дорівнювати 1010 кг. з рівняння хімічної реакції:

261*1,814 – 860

Х- 1010

    100% діамету Х

За ВТУ 30-85 вміст діамету Х  у сухому продукті не менше 98%.

Приймаємо, що домішки та волога у  товарному діаметі Х складає 1%

Кількість товарного діамету Х 

    1. Розрахунок витрат епіхлоргідрин.

Розрахунок епіхлоргідрин зі співвідношення

6,662*92,5-860

х-1010

 

 За ГОСТ 12844-85 вміст 100% епіхлоргідрину  не менше 98% у сухому продукті.

Кількість епіхлоргідрину 

 У зв’язку з окисленням  епіхлоргідрину у ході реакції  його беруть у значному надлишку: 15 молей епіхлоргідрину на 1 моль  діамету Х.

Витрати технічного епіхлоргідрину на конденсацію:

45*92,5-267

х – 581,6

Кількість технічного епіхлоргідрину

    1. Розрахунок кількості їдкого натру:

6,622*40 – 860

х – 1010

Частина їдкого натру на омилення епіхлоргідрину. За практичними даними омиляється 24% епіхлоргідрину.

Кількість омиляємого епіхлоргідрину

Кількість їдкого натру на омилення :

У технічному їдкому натрі вміст  основної речовини складає 98%

з урахуванням побічних реакцій  їдкий натр беруть у кількості 355кг.

    1. Розрахунок кількості гліцерину, хлористого натру утворившихся при окисленні епіхлоргідрину.

Розрахунок ведеться за рівнянням  реакції окислення.

Кількість гліцерину 

Кількість хлористого натру 

    1. Розрахунок кількості хлористого натру і води.

Утворившихся при синтезі олігомера.

Розрахунок роблять за рівнянням  реакції утворення олігомеру.

Кількість хлористого натру 

Кількість води

    1. Розрахунок кількості води.

Кількість води у реактор завантажується з відношенням на 1 моль діамету  Х 12 моль води

Кількість води

    1. Рівняння хімічної  реакції отримання епоксидного олігомеру марки ЕХД:

 

(3n +4) +

+ (n + 1) +(3n +4) NaOH

 

+(3n + 4) NaCl + (3n +4) H2O

    1. Стадії отримання епоксидного олігомера.
    1. Змішування та виготовлення суміші.
    2. Поліконденсація.
    3. Фільтрація.
    4. Нейтралізація.
    5. Промивка олігомера.
    6. Сушка олігомера.
    7. Злив олігомера.
    1. Втрати реагентів за стадіями
    1. Епоксидний олігомер – 1,0%

а) Фільтрація – 0,3 %

б) Промивка – 0,5 %

в) Сушка – 0,2 %

2) Епіхлоргідрин – 0,8%

а) Поліконденсація – 0,4%

б) Нейтралізація – 0,02%

в)Промивка олігомера – 0,15%

г) Сушка олігомера – 0,18%

4.12 Матеріальний баланс  на одну тону олігомера за  стадіями процесу.

Матеріальний баланс зведений у  таблиці.

  1. Змішування та приготування суміші.

Приход – розхід компонентів  на 1 стадії.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Діамет Х

587,6

4025,1

Суміш

4184,7

28644,6

Епіхлоргідрин

3053,5

20916,5

Опад

3

20,6

Вода

540,6

3703,1

      

Домішки

3

20,5

      
 

4184,7

28665,2

  

4184,7

28665,2


  1. Поліконденсація

Приход компонентів на 2 стадії.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Суміш

4181,7

28644,6

Їдкий натр

362,3

2481,8

Домішки

1,3

50

NaOH(100%)

355

2431,8

домішки

3

20,6

Всього

4547

31147


Розхід компонентів на 2 стадії

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1010

6918,5

Епіхлоргідрин

2260,8

15486,5

Вода

666,2

4263,5

Хлористий натрій

501,3

3433,9

Гліцерин

72,9

499,4

Залишок NaOH

10,3

10,6

Домішки

10,3

10,6

Втрати

15,2

104,1

Епіхлоргідрин

12

82,2

Вода

3,2

21,9

Всього

4547

31147


  1. Фільтрація.

Кількість води для фільтрації береться за даними ОНПО”Пластполімер”.

Прихід компонентів на 3 стадії.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1010

6918,5

Епіхлоргідрин

2260,8

15486,5

Вода

666,2

4263,5

Хлористий натрій

501,3

3433,9

Гліцерин

72,9

499,4

Залишок NaOH

10,3

10,6

Домішки

10,3

10,6

Втрати

15,2

104,1

Вода

300

2055

Всього

4831,8

33097,8


Розхід компонентів на 3 стадії.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1007

6918,5

Епіхлоргідрин

1905,3

15486,5

NaOH

9,0

2,0

H2O

865,2

4263,5

NaCl

501,3

3433,9

Гліцерин

12,9

499,4

NaOH

10,3

10,6

Домішки

10,3

10,6

Епіхлоргідрин

355,5

2435,2

Вода

101

691,9

Олігомер

3

20,5

Всього

4831,8

33097,8


  1. Виділення води.

Приход на стадії 4.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1007

6898

Епіхлоргідрин

1905,3

13051,3

NaOH

9,0

61,7

Вода

865,2

5925,6

Всього

3786,5

25937,5


Розхід на 4 стадії.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1005

6884,3

Епіхлоргідрин

1903,1

13036,2

NaOH

4,0

27,4

Залишок води в олігомері

9,7

66,5

Відділення води

855,5

5860,2

Втрати

9,2

63

Олігомер

2

13,7

Епіхлоргідрин

2,2

15,1

NaOH

5,0

34,25

Всього

3786,5

25937,5


  1. Нейтралізація.

Розрахунок стадії нейтралізації  за реакцією:

2 NaOH + CO2  Na2CO3 + H2O

Кількість вуглецевого газу:

Кількість карбонату натрію:

Кількість води:

Прихід – розхід на 5 стадії.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1005

6894,3

Олігомер

1005

6894,3

Епіхлоргідрин

1903,1

13036,2

Епіхлоргідрин

1900

13015

Вода

9,7

66,5

Сода

5,3

36,3

NaOH

4,0

27,4

Вода

10,6

72,61

CO2

2,2

15,1

Втрати епіхлоргідрину

3,1

21,2

Всього

2924

20029,4

Всього

2924

20029,4


  1. Промивка олігомера.

Прихід на 6 стадії.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1005

6884,3

Епіхлоргідрин

1900

13015

Сода

5,3

36,3

Вода

1010,6

6922,6

Всього

3920,9

26858,2


Розхід на 6 стадії.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1002

6863,7

Епіхлоргідрин

1895,5

12984,1

Залишок води

10

68,5

Промивочна вода

1013,4

6941

Епіхлоргідрин

4,5

30,8

Сода

5,3

36,3

Олігомер

3

20,5

всього

3920,9

26858,2


  1. Таблиця розрахунків розхідних коефіцієнтів на одну тну олігомера.

Найменування

Концентрація, %

Коефіцієнт

Діамет Х

100

0,5876

Епіхлоргідрин

100

3,0535

Їдкий натр

100

0,355

Вуглекислота

100

0,005

Вода

100

  

  1. Сушка олігомера.

Прихід на стадії сушки.

Прихід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1002

6863,7

Епіхлоргідрин

1895,2

12984,1

Вода

10

68,5

Всього

2907,5

19916,4


Розхід на стадії сушки.

Розхід

На 1 т.

На 6,85 т.

Олігомер

1000

6850

Відігнаний епіхлоргідрин

1890

12946,5

Відігнана вода

8

54,8

Втрати

9,5

65,6

Олігомер

2

13,7

Епіхлоргідрин

5,5

37,7

Вода

2

13,7

Всього

2907,5

19916,4


  1. Збірна таблиця матеріального балансу на 1 тону продукту.

Завантажено

Кількість

Діамет Х(99%)

593,5

Діамет Х(100%)

587,6

Домішки

5,9

Епіхлоргідрин(98%)

3115,8

Епіхлоргідрин(100%)

3053,5

Домішки

62,3

Вода на конденсацію та промивку

1840,6

Їдкий натр(98%)

362,3

Їдкий натр(100%)

355

Домішки

1,3

Всього

5912,2


 

Отримано

Кількість

Олігомер

1000

Епіхлоргідрин

1895,5

Вода

140,8

Сіль

501,3

Гліцерин

12,9

Луг

1,3

Епіхлоргідрин

355,5

Вода

101

Олігомер

3

Домішки

10,3

Промивочна вода

1739,6

Епіхлоргідрин

4,5

Сода

5,3

Олігомер

3

Втрати

78,2

Всього

5912,2