Установка синтеза латекса БС-50
РЕФЕРАТ
стр. - 109 рис. - 8 табл. - 56 источников - 14
БУТАДИЕН - 1.3, СТИРОЛ, ПЕРСУЛЬФАТ КАЛИЯ,НАТРИЕВОЕ МЫЛО СЖК, КАЛИЕВОЕ МЫЛО КАНИФОЛИ, ТРИЭТАНОЛАМИН, АНТИОКСИДАНТ П-23, Т–ДДМ (ТРЕТИЧНЫЙ ДОДЕЦИЛМЕРКАПТАН),
ЛЕЙКАНОЛ, ВОДНАЯ ФАЗА, УМЯГЧЁННАЯ ВОДА, УГЛЕВОДО-РОДНАЯ ШИХТА, ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ, ДЕГАЗАЦИЯ, ЛАТЕКС.
Объектом проектирования является установка эмульсионной полимеризации латекса БС-50.
Цель проекта - разработать
технологическую схему
В процессе проектирования
проводились расчеты
В результате проектирования установка отвечает всем современным требованиям по оборудованию, автоматизации, требованиям к условиям труда и экологии, защиты окружающей среды. Достаточно эффективная себестоимость.
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
Лейканол - натриевая соль продукта конденсации
β - нафталинсульфокислоты с формальдегидом
Гипериз - гидропераксид изопропилбензола
т-ДДМ - третичный додецилмеркаптан
ПСК - персульфат калия
с.о. - сухой остаток
м.ч. - массовая часть
ТЭА - триэтаноламин
м.д. - массовая доля
н/б - не более
н/м - не менее
ПДА - параоксидифениламин
СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….
1. ТЕОРИТЕЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТА………………………...….
2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ……………………...
3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС УСТАНОВКИ……………….……...
4. РАСЧЁТ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ….…….
5. РАСЧЕТ ОСНОВНОГОАППАРАТА…………………………………
6. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ПО АВТОМАТИЗАЦИИ И КОНТРОЛЮ ПРОЦЕССА ……………………………………………
7. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ПРИРОДЕ
8. РАСХОДНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ……………………………………
9. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране ассортимент каучуковых латексов, выпускаемых промышленностью, постоянно растет и изменяется. Это обусловлено дифференцированием потребностей различных отраслей, использующих латексы, и конкуренцией со стороны других новых синтетических материалов. Интерес к латексам обусловлен легкостью их переработки и низкими энергетическими затратами, экологической предпочтительностью по сравнению с растворами полимеров и высокими прочностными свойствами.
Бутадиен-стирольные латексы - наиболее массовый тип синтетических латексов. Они выпускаются в широком диапазоне, различающихся содержанием связанного стирола, температурой полимеризации, пластичностью каучука, концентрацией сухого вещества, природой и количеством эмульгатора, антиоксиданта и т.д. Латексы получают путем эмульсионной сополимеризации в условиях, аналогичных производству сополимерных синтетических каучуков.
В настоящее время промышленность синтетического каучука в России выпускает более десятка бутадиен-стирольных латексов, предназначенных для изготовления формованной и листовой пенорезины, нетканых текстильных материалов, воднодисперсионных красок, пропитки корда, проклейки и покрытия бумаги и тканей, при изготовлении ковров, полимербетонов и др.
Целью данного проекта является установка по производству латекса БС-50, получаемого при сополимеризации бутадиена и стирола в соотношении 50:50, производительность 10000 тонн в год по сухому веществу.
- ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ К ПРОЕКТУ
1.1. Проектируемая установка
предназначена для производства
бутадиен-стирольного латекса БС-50 методом
эмульсионной
полимеризации по непрерывной схеме с
последующей отгонкой
и конденсацией незаполимеризовавшихся
мономеров. Производительность установки
10000 тонн в год по сухому веществу.
1.2. В связи со спецификой производства – все технологическое оборудова-ние, а также помещения управления и административно-бытовые помещения расположены в здании. Административно-бытовые помещения размещены в двухэтажном здании, примыкающем к корпусу цеха со стороны отделения приготовления растворов.
Цех состоит из трех отделений:
- приготовление растворов
- полимеризации
- дегазации
1.3. Для обеспечения заданной производительности, предусматривается одна технологическая линия (батарея) полимеризатора и отгонная колонна.
Полимеризаторы объемом 12,5м3, повсеместно применяемые для
проведения эмульсионной полимеризации, снабжены двойной рамной мешалкой и рубашкой.
Отгонная колонна с пакетами «диск-кольцо» стандартных размеров.
Емкости с перемешивающими устройствами с предварительным расчетом по объему из технологического регламента, действующего производства.
1.4. Для обеспечения надежной, бесперебойной
работы основного
оборудования все насосы и некоторые емкости
устанавливаются
с резервом.
1.5. Контроль за
ведением процесса
и управлением его
осуществляется с помощью КИП, автоматики
и измерительно-
вычислительного комплекса
и ведется из
операторской.
Непрерывное оформление
процесса позволяет осуществлять
более полную его автоматизацию.
1.6. В процессе используются следующие энергетические
средства:
пар 0,5 МПа
горячая вода +900C
оборотная вода +250C
захоложенная вода +70C
электрический ток 220-380В
сжатый азот - давление 0,4МПа
сжатый воздух - 0,4МПа
все энергосредства - от заводских сетей
1.7. Цех снабжен средствами механизации (автопогрузчики, кран-балки, механические лебедки, электрические подъемники), необходимыми для проведения монтажных и ремонтных работ, перемещения тяжелых грузов, средствами автоматического пожаротушения, автоматическими газосигнализаторами.
1.8. Количество часов работы цеха в год 8520, при трехсменном графике работы и длительности смены 8 часов.
1.9. Характеристика газовых производственных выбросов, сточных вод и твердых отходов. Методы их утилизации и рекуперации.
Газовые выбросы направляются в закрытую систему с последующим сжиганием на факеле.
За счет создания рецикла в системе конденсации, уменьшено количество воды, загрязняемой стиролом. На вакуумный насос подается охлаждённая стирольная вода. Сточные выбросы уменьшены на 4 м3 /ч.
Твердые отходы производства полностью используются после сушки и размельчения в вакуумных мешалках в виде бутадиенсторольного порошка (БСП) для получения неответственных резиновых изделий (коврики, поливочные шланги и.д.), как добавка при изготовлении дорожных покрытий.
1.10. Общая санитарно-
Производство характеризуется возможностью загрязнения окружающей среды, производственных помещений и атмосферного воздуха токсическими продуктами.
По токсической характеристике
большинство продуктов
Площадку для строительства предприятия следует выбирать в зоне уже действующих химических производств, что будет способствовать более эффективному использованию общественного труда и материальных ресурсов.
Исходя из свойств веществ и условий их применения или обработки определяем категорию помещений по взрывопожарной опасности по НПБ 105-03.
Отделение приготовления
рабочих растворов и
Отделение эмульсионной полимеризации - категория А;
Отделение дегазации –
1.11. Характеристика исходного сырья.
1.11.1. Бутадиен-1,3 CH2=CH-CH=CH2
Состав по ТУ 38103658-88
Внешний вид - бесцветная или слегка желтоватая прозрачная, легко
подвижная жидкость
Массовая доля бутадиена не менее 99%
Массовая доля легколетучих не более 0,20%
Массовая доля тяжелого остатка не более 0,1%
Массовая доля ингибитора ДСИ не менее 0,01-0,03%
1.11.2. Стирол CH2=CH
Состав по ГОСТ 10003-81
Внешний вид - бесцветная прозрачная жидкость, однородная без механичес-ких примесей
Массовая доля стирола не менее 99,6%
Массовая доля перекисных соединений в пересчете на активный кислород не более 0,0005%
Массовая доля полимера не более 0,001%
Массовая доля стабилизатора 0,0005-0,0010%
1.11.3. Диспергатор НФ (лейканол)
Состав по техническому ГОСТу 6848-79 марка «А»
На приготовление водной фазы поступает раствор с массовой долей диспер-гатора 15±2%
, где n = 1 ÷ 9
1.11.4. Каливое мыло диспропорционированной
канифоли С19Н29СООК
Состав по ТУ 2453-018-48158319-2000
Массовая доля сухого остатка в пределах:
для калиевой соли 30-35%
для натровой соли 20-25%
Массовая доля свободной щелочи не более 0,18%
Массовая доля железа не более 0,004%
Массовая доля абиетиновых кислот не более 5%
1.11.5. Натровое мыло СЖК (C9-С15)COONa
Состав по ГОСТ 23239-89
На приготовление водной фазы поступает раствор натрового мыла СЖК с массовой долей мыла 10±1%
Массовая доля свободной щелочи 0,1-0,3%
1.11.6. Хлористый калий KCl
Состав по ГОСТ 4568-83
На приготовление водной фазы поступает раствор с массовой долей хлористого калия 15 ± 1% и рН в пределах - 10,5 - 11,0
1.11.7. Додецилмеркаптан третичный
C12H25SH
Состав по ТУ 38 10252-79
Внешний вид - прозрачная
жидкость от бесцветного до бледно-желтого
цвета
Массовая доля т-ДДМ не менее 92%
Плотность 0,840 г/см3
1.11.8. Триэтаноламин N(C2H4OH)3
Состав по ТУ 6-02-916-79
Внешний вид - прозрачная жидкость, допускает цвет от желтого до светло-коричневого, но не темнее водного йода концентрации 1 г/л.
Плотность в пределах 1,095-1,124 г/см3
1.11.9. Пирофосфат натрия Na4P2O7
Состав по ГОСТ 342-77x4
Массовая доля пирофосфорно кислого натрия не менее 98%
1.11.10. Антиоксидант П-23 2,4,6-три-третично-бутилфенол
Состав по ТУ 6-14-26-77
Внешний вид - белый кристаллический порошок. Допускается голубой, желтый и зеленый оттенки
Температура плавления 129,0-131,00C
Плавится в пределах 10C
Содержание золы не более 0,03%
Содержание воды не более 0,09%
1.11.11. Изопропилбензола гидропероксид технический (гипериз)
Состав по ТУ 38402-62-121-90
На дозировку в полимеризаторы используется эмульсия гипериза на мыле СЖК
Массовая доля гипериза 5-6%
Массовая доля мыла СЖК 5-6%
1.11.12. Калий надсернокислый технический
K2S2O7.
Состав по ТУ 38103270-87
На полимеризацию дозируется раствор персульфата калия с массовой долей ПСК - 3,0±0,1%.
1.11.13. ПДА - параоксидифениламин
Состав по ТУ 38.402-62-121-90
Внешний вид - твердая масса серого цвета
Содержание примесей не растворимых в бензоле не более 0,2%
Содержание золы не более 0,05%
1.11.14. Умягченная обескислороженная
вода или паровой конденсат
Состав по СТП-38-246-86
Жесткость общая не более 0,07мг.экв/л
Щелочность не более 2,0мг.экв/л
Содержание взвешенных частиц не более Змг/л
Показатель водородных ионов, рН не менее 8
Содержание железа не более О,3мг/л
Содержание кислорода не более 0,5мг/л
1.12. Характеристика готовой продукции.
1.12.1. Латекс БС-50
Состав по ГОСТ 15080-77
Массовая доля сухого вещества не менее 47,0%
Массовая доля незаполимеризовавшегося стирола не более 0,1%
Массовая доля легколетучих углеводородов С2-С4 не более 0,02%
рН не менее 10,5
Массовая доля П-23 1,0-1,02
Содержание включений и коаголюма - отсутствие
Условная вязкость, сек 12-16
Поверхностное натяжение мН/м не более 45
Стойкость латекса при разведении водой 1:100 – устойчив (отсутствие коагулюма)
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В настоящее время
процесс эмульсионной полимеризации
является одним из основных методов
получения синтетических
Образование высокомолекулярных соединений при полимеризации в эмульсиях протекает по радикальному механизму.
Достоинства эмульсионных процессов – сравнительно низкое тепловыделение на единицу объема реакционной массы, улучшающие условия теплосъема; текучесть получаемого продукта, что позволяет оформлять процесс по непрерывной схеме и использовать современные средства автоматизации и контроля.
В производстве каучуков и латексов используют главным образом ионогенные эмульгаторы, растворы которых относятся к полуколлоидам и являются полудисперсными: они содержат ионы, молекулы и мицеллы эмульгатора. Минимальная концентрация эмульгатора, при которой наблюдается образование мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразования (KKM). KKM зависит от многих факторов. Например, добавление электролитов понижает KKM, поскольку уменьшает диссоциацию эмульгатора в растворе.
С мицеллообразованием тесно связана солюбилизация, или коллоидная растворимость мономеров в растворах эмульгатора, оказывающая существенное влияние на скорость эмульсионной полимеризации.
В начале процесса практически весь эмульгатор находится в виде мицелл, а мономер - в виде капель эмульсии.
По ходу процесса полимеризации мицеллы превращаются в полимерно-мономерные частицы (ПМЧ).
Бутадиен - стирольный латекс - продукт эмульсионной сополимеризации бутадиена — 1,3 со стиролом. Механизм сополимеризации - радикальный. В образовании каждой макромолекулы выделяются три стадии:
1.Стадия инициирования
- образование первичных
2.Рост цепи.
3.Обрыв цепи, т.е. остановка роста макромолекул.
При температурах 30-400C в качестве инициирующей системы
используют персульфат калия - окислитель,
для его восстановления
и образования ион-радикалов вводят триэтаноламин:
О О О О О
║ ║ ║ ║ ║
К-О-S-O-O-S-O-K→2K++O--S-O-O-
║ ║
║ ║
║ (ион радикал)
О О О О О
О
║
O--S-O∙(R1∙)+H2O→SO
+OH-+Н+
║ (ион радикал)
О
Рост молекул начинается в мицеллах в результате вхождения в них свободных радикалов
О
║
О-- S-O∙ + nCH2=CH-CH=CH2 + mCH2=CH →
║
О
О
║
О--S-O[CH2-CH=CH-CH2]n-[CH-CH2
║
O
По мере исчерпывания персульфата калия в систему вводится дополнительный инициатор - гидропероксид изопропилбензола, который при температуре 600C разлагается с образованием свободных радикалов, дающим начало новым полимерным цепям, связывающим оставшиеся мономеры бутадиена и стирола.
Разложение дополнительного инициатора гипериза под влиянием температуры с образованием свободных радикалов
ROOH→RO∙ + ∙ОН
свободный
радикал
и образованием полимерной цепи.
Состав получаемого
полимера определяется в первую очередь
активностью мономеров в
Для регулировки молекулярной массы полимера при низкотемпературных процессах широко применяется трет-додецилмеркаптан (т-ДДМ), в присутствии которого протекает перенос цепи:
Mn∙ + тpeт-С12Н25SH→ MnH+т-С12Н25S∙
растущая полимерная
цепь
т-ДДМ вводят в один прием. Новый свободный радикал дальше продолжает цепную реакцию сополимеризации.
Реакция обрыва цепи
а) исчерпывание мономера (рекомбинация)
б) диспропорционирование
(перераспределение водорода , который
заключается в передаче водорода от одного
радикала к другому)
в) передача на примесь
г) растущая полимерная
цепь прекращает свой рост,
а
образующийся новый радикал может вновь
присоединять мономеры
Mn∙ + RSH → MnH + RS∙
Образовавшиеся полимерные молекулы вследствие наличия активных двойных связей склонны к взаимодействию с кислородом воздуха и к развитию нежелательных вторичных реакций поэтому латекс заправляется антиоксидантом П-23.
Обязательным компонентом эмульсионной полимеризации является эмульгатор. В данном процессе - смешанный эмульгатор -калиевое мыло канифоли и натровое мыло СЖК (С10 –C16). Использование натрового мыла СЖК способствует ускорению реакции сополимеризации.
Дополнительный стабилизатор (диспергатор) эмульсионной системы - лейканол - натривая соль продукта конденсации (β-нафталинсульфокислоты с формальдегидом является весьма эффективным поверхностно-активным веществом, способствующим стабилизации дисперсии полимера.
Пирофосфат натрия является комплексообразующим агентом связывающим возможное появление ионов железа.
Хлористый калий - электролит, добавляется для снижения вязкости системы и образования полимерных частиц определенного размера.
3. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТА
Установка полимеризации для получения латекса БС-50 включает:
1. Отделение приготовления растворов компонентов водной фазы и раствора инициатора - персульфата калия.
2. Отделение полимеризации. Здесь же готовятся эмульсия гипериза, раствор регулятора, суспензия П-23.
3. Отделение дегазации.
3.1. Приготовление водной фазы.
В емкость с мешалкой Л-001 принимается расчетное количество эмульгаторов-каливого мыла канифоли и натривого мыло СЖК. Подается умягченная вода. После приема расчетного количества эмульгатора и воды (по уровню в емкости) или снижении соответствующего уровня в емкости автоматически срабатывают отсечные клапаны, установленные на линиях подачи и расхода. Раствор для снижения вязкости подогревается горячей водой через змеевик до температуры 600С. Емкость имеет линию воздушки и "азотного" дыхания. Приготовленный раствор эмульгатора подается самотеком в емкость для приготовления водной фазы Л-007/1-3.
В емкости с мешалкой Л-002 готовится 15%-ый раствор едкого натра. В емкость принимаются расчетные количества 40%-го раствора NaOH и умягченной воды. Раствор перемешивается и автоматически подается самотеком в емкость приготовления водной фазы Л-007/1-3.
В емкость с мешалкой Л-003 готовится 15% раствор лейканола. В емкость принимаются расчетные количества лейканола и умягченной воды. Раствор перемешивается и подается самотеком в емкость приготовления водной фазы Л-007/1-3.
В емкость с мешалкой Л-004 готовится 5% раствор пирофосфата Na. В емкость принимаеются расчетные количества кристаллической соли и умягченной воды. Раствор перемешивается и подается самотеком в емкость приготовления водной фазы Л-007/1-3.
В емкости с мешалкой Л-005 готовится 5% раствор триэтаноламина. В емкость принимаются расчетные количества триэтаноламина и умягченной воды. Раствор перемешивается и подается самотеком в емкость приготовления водной фазы Л-007/1-3.
В емкость с мешалкой Л-006 готовится 15% раствор хлорида калия. В емкость принимается кристалическая соль и умягченная вода. Раствор перемешивается и подается самотеком в емкость приготовления водной фазы
Л-007/1-3.
Линии приема растворов в емкости Л-002, Л-003, Л-005, а так же линии слива растворов с емкостей Л-002 – Л-005 снабжены сточными клапанами, срабатывающими аналогично емкости с мешалкой Л-001.
Емкости Л-007/1-3 служат для приготовления концентрированной водной фазы и подачи ее на полимеризаторы. В емкость Л-007/1-3 при перемешивании принимаются водные растворы компонентов водной фазы. Затем концентрированная водная фаза разбавляется расчетным количеством умягченной воды в потоке,при помощи регулятора соотношения потоков в диафрагменном смесителе Пн-021. Из емкости
Л-007/1-3 водная фаза непрерывно передается через фильтр Ф-008 насосом Н-009 дозируется в линию водной фазы и далее через диафрагменный смеситель Пн-021 дозируется насосом Н-022 на первый полимеризатор по ходу процесса .
Все емкости Л-001 - Л-007 имеют прибор замера уровня, линии воздушки и азотного «дыхания». Азот подается от гидрозатвора Пн-027.
3.2. Приготовление растворов не входящих в водную фазу.
В емкости с мешалкой Л-010 готовится 3% раствор инициатора персульфата калия. В емкость принимаются расчетные количества соли и умягченной воды. По достижению определенного уровня на линии подачи воды срабатывают отсечные клапаны. Уровень в емкости замеряется. Приготовленный раствор самотеком подается в мерник E-011, откуда через фильтр Ф-012 насосом H-013 дозируется в линию водной фазы и далее через диафрагменный смеситель Пн-021и насосом Н-022 на первый полимеризатор по ходу процесса.
В емкости с мешалкой Л-014 принимаются расчетные количества т-ДДМ и стирола. После чего, подача прекращается автоматически клапанами. Уровень в емкости замеряется. 10% т-ДДМ самотеком передается в емкость E-015, откуда насосом Н-017-дозируется в линию водной фазы на первый полимеризатор Л-023/1. В емкости с мешалкой Л-018 готовится часть из общего количества эмульгатора и эмульсии гипериза. В емкость по уровню принимаются расчетные количества мыла, эмульсии гипериза и умягченной воды, после чего отсечные клапаны закрываются. Раствор подогревается горячей водой через змеевик до температуры 600С, перемешивается и самотеком передается в емкость E-019, откуда насосом Н-020 по заданному расходу дозируется на последующие полимеризаторы.
3.3. Отделение полимеризации.
Процесс непрерывной эмульсионной полимеризации дивинила со стиролом проводится в полимеризационной батарее, состоящей из 7 полимеризаторов Л-023/1-7,один из которых остается незаполненным и служит резервом.
Каждый полимеризатор снабжен рубашкой для отвода тепла реакции, который осуществляется захоложенной водой; двойной рамной мешалкой. Полимеризаторы обвязаны линиями "А", "Б", "В" из которых: