Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Выбор технологической схемы и оборудования

В данном дипломном проекте предлагается модернизировать технологическую линию №5 завода синтетического волокна для выпуска ПЭТФ «литьевого» назначения, из которого на следующей стадии дополиконденсации может быть получен ПЭТФ «пищевого» назначения, предназначенный для изготовления упаковочных материалов для пищевых продуктов.

Введение

До недавнего времени химической промышленностью выпускался полиэтилентерефталат для производства волокон и нитей, а также некоторых технических нужд, например в качестве антикоррозионных покрытий.

В настоящее время большое внимание уделяется многостороннему использованию полиэтилентерефталата, а также сополимеров на его основе.

Одним из основных направлений использования полиэтилентерефталата является применение в качестве сырья для производства тары на нужды пищевой промышленности.

Обычный ПЭТФ обладает высокой степенью кристалличности и недостаточными литьевыми свойствами, необходимыми для дальнейшего использования при производстве пищевой тары. Эти недостатки устраняются при химической модификации полимера, достигаемой введением при синтезе ПЭТФ одновременно с основным исходным сырьём других алифатических и ароматических дикарбоновых кислот или эфиров, разветвлённых гликолей./1/

За последние годы в США, станах Европы и Азии резко увеличилось использование упаковочных материалов для пищевых продуктов из ПЭТФ (бутылки, упаковки для лекарств и др.).

По опубликованным данным, ежегодные темпы прироста этой продукции оцениваются почти в 15-20%./1/

Таблица 1 Мировое производство полиэфирных продуктов (тыс. т.).

	1994г	1995г	1996г	1997г	1998г	2001г	2004г
Волокно и нити	11229	11975	13236	14325	15295	18362	21016
Плёнки	1028	1084	1179	1256	1318	1471	1569
Упаковка (бутылки)	2532	2988	3415	3860	4356	6020	8030
Другие материалы	595	630	650	700	739	849	993
Всего	15384	16677	18480	20141	21708	26698	31608

Столь резкое увеличение роста спроса на упаковочную тару из ПЭТФ объясняется тем, что полиэфирная тара значительно легче (~ в 10 раз) и прочнее стеклянной и металлической; имеет подобную стеклу прозрачность и глянец; обеспечивает экономию средств при транспортировке и использовании; устойчива к разбиванию и растрескиванию; газонепроницаемость превосходит упаковку из других полимеров.

Чтобы удовлетворить глобальный рыночный спрос в период 2003-2009гг., потребуются инвестиции на дополнительную мощность в 5 млн.т. полимера.

В 2000-2003гг. намечен ввод в объёме 1,25 млн.т. преимущественно для бутылей в: Южной Африке, Австралии, Иране, США, Китае, Египте, Бразилии, Германии и России./2/

Ранок Беларуси и России насыщен гранулятом ПЭТФ «пищевого» назначения только на 40%. Поэтому РУП МПО «ХИМВОЛОКНО», как производитель гранулята ПЭТФ, могло бы освоить новые мощности по выпуску «пищевого» гранулята для удовлетворения, как внутри республиканских потребностей, так и для удовлетворения потребностей ближнего зарубежья в «пищевом» грануляте.

2 Выбор технологической схемы и оборудования. Описание технологического процесса

2.1 Выбор технологической схемы и оборудования

Для организации выпуска «пищевого» ПЭТФ предлагается смонтировать комплектное оборудование для твёрдофазной дополиконденсации.

На заводе синтетического волокна РУП МПО «ХИМВОЛОКНО» для получения полимера – полиэтилентерефталата (ПЭТФ) волоконного назначения, реализован непрерывный способ получения, что объясняется наличием целого ряда достоинств по сравнению с периодическим способом.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывной выгрузкой конечного продукта./9/

Периодический процесс по сравнению с непрерывным имеет ряд существенных недостатков: /7/

Трудность точного воспроизведения технологического режима для каждой партии. В результате даже программно-автоматическое управление процессом становится малоэффективным;
Большие затраты ручного труда при обслуживании аппаратуры или необходимость в использовании дорогостоящих систем дистанционного управления;
Непроизводительные затраты времени на загрузку и разгрузку аппаратов.

При непрерывных процессах производится непрерывная загрузка, реакция и разгрузка аппаратов, и таким образом время на вспомогательные операции не затрачивается.

Основными технологическими стадиями при получении ПЭТФ по периодическому способу являются:1)подготовка сырья; 2)переэтерификация; 3)поликонденсация; 4)литьё полимера и дробление его в крошку; 5)смешение гранулята./10/

В процессе перемещения веществ в последовательно установленных аппаратах изменяются следующие параметры: степень превращения, выход продуктов, температура, концентрация реагентов и т.д. Поэтому свойства получаемого продукта также изменяются вдоль всей линии последовательно установленных аппаратов (по длине). Непрерывность исключает простои и увеличивает коэффициент использования оборудования./9/

Таким образом, непрерывные процессы в большинстве случаев экономически выгодны, они позволяют получить высокий выход и однородное качество продукта, непрерывность и постоянство условий протекания отдельных стадий процесса.

Для выпуска ПЭТФ «литьевого» назначения необходимо дополнительно установить оборудование для приготовления и ввода модификаторов. Модификаторы предлагается вводить после каскада переэтерификации в трубопровод перед отгонами гликоля.

Оборудование для приготовления модификаторов должно включать: ёмкости приготовления, фильтры, ёмкости хранения, дозирующие устройства.

Для получения ПЭТФ «пищевого» назначения необходимо провести стадии: кристаллизации, сушки и твёрдофазной дополиконденсации. Для этого предлагается использовать комплектное оборудование фирмы «HOSOKAWA» (США), состоящее из двух кристаллизаторов, сушилки, реактора дополиконденсации и охладителя для гранул./8/

а) Кристаллизатор непрерывного действия «SOLIDAIRE». Кристаллизатор состоит из механической мешалки, вращающейся внутри горизонтального цилиндрического корпуса. Мешалка имеет множество узких с регулируемым шагом лопастей, посредством которых достигается тщательное перемешивание крошки ПЭТФ с минимальной деформацией гранул и высокой степенью кристалличности.

б) Сушка осуществляется в вертикальной сушилке бункерного типа «HOPPER DRYER». Гранулят равномерно высушивается до влажности не выше 10ррм.

в) Кристаллизатор «TORYSDISC» представляет собой горизонтальный аппарат с ротором с вертикальными дисками, которые обеспечивают тщательное перемешивание гранул предотвращающее их слипание. Обеспечивает однородное качество продукта по степени кристалличности. Наиболее эффективен для кристаллизации сополимеров.

Твёрдофазная дополиконденсация осуществляется в вертикальном реакторе бункерного типа. Время пребывания гранулята в реакторе непрерывного действия до 30 часов. Дополиконденсация осуществляется в токе азота, движущегося противотоком. В нижней части реактора расположено выгружное устройство, предназначенное для выгрузки материалов, которые имеют высокую склонность к слипанию.

Охлаждение гранулята ПЭТФ происходит в холодильнике с псевдоожиженным слоем.

Выбранная для данного дипломного проекта установка твердофазной дополиконденсации фирмы «HАSАKAWA» обеспечивает: отличное качество, низкую стоимость, гибкость процесса.

Предназначена для производства продукта однородного качества.

Непрерывная циркуляция азота по замкнутому контуру обеспечивает низко затратный процесс с минимальным энергопотреблением.

Разнообразие моделей оборудования для каждой стадии процесса позволяет выбрать необходимое в соответствии с требованиями к качеству продукта и мощности.

2.2 Описание технологического процесса

Технологический процесс получения «пищевого» ПЭТФ гранулята осуществляется в две непрерывные стадии:

Получение ПЭТФ «литьевого» назначения.

Переэтерификация;

Поликонденсация;
Гранулирование.

получение ПЭТФ «пищевого» назначения.

Предварительная кристаллизация;
Сушка;
Кристаллизация;
Твёрдофазная дополиконденсация;
Охлаждение.

Вспомогательные отделения.

Снабжение цеха сырьём;
Приготовление катализаторов и стабилизатора;
Приготовление модификаторов;
Котельная ВОТ.

2.2.1 Получение ПЭТФ "литьевого" назначения

Переэтерификация. В результате взаимодействия диметилового эфира терефталевой кислоты (ДМТ) с двухатомным спиртом – этиленгликолем (ЭГ) происходит обмен группами, при этом образуется дигликолевый эфир терефталевой кислоты и метанол.

СН3 –СОО - - ООС-СН3 + 2 НО-СН2-СН2-ОН «

ДМТ ЭГ

« НО-СН2-СН2-ООС - - СОО-СН2-СН2-ОН + 2 СН3ОН

ДГТ метанол

Реакция переэтерификации обратима. Для смещения равновесия реакции в сторону образования ДГТ ее проводят в присутствии избыточного количества ЭГ. Смещению равновесия вправо также способствует то, что метанол выделяющийся в результате реакции, испаряется, потому что температура реакции значительно выше температуры кипения метанола, и выводится из зоны реакции.

Процесс переэтерификации осуществляется в 18- ти горизонтальных последовательно соединенных по три единицы одна над другой трубах, которые образуют 18- ти ступенчатый каскад для полного превращения ДМТ в ДГТ. ДМТ и ЭГ подается в первую трубу каскада. Туда же подается катализатор – ацетат марганца.

В каждой группе труб реакционная масса свободно протекает из одной трубы в другую, как в сообщающихся сосудах. Каждая конечная труба группы имеет переливную трубу.

Для протекания реакции переэтерификации и достижения максимальной степени превращения в трубных группах устанавливается определенный температурный режим в пределах от 160ºС до 255ºС.

В первых трубах поддерживается более низкая температура, чтобы реакция переэтерификации не начиналась слишком бурно и отгонка ЭГ и метанола происходила по возможности слабее. Затем температура реакционной массы постепенно повышается по мере ее продвижения в трубах. В процессе переэтерификации температура реакционной массы повышается до 255ºС, при этом большее количество непрореагировавшего ЭГ испаряется.

Отогнанные пары ЭГ и метанола по обогреваемому водяным паром 17бар. Трубопроводу вводятся в колонну метанола п.3. Температура паров внутри трубопровода 90 ± 10 ºС.

Обогрев первых шести труб каскада производится водяным паром 17бар.

Остальные 12 труб каскада обогреваются жидким динилом в противотоке к потоку реакционной массы каскада.

В колонне метанола пары из каскада переэтерификации разделяются на метанол и этиленгликоль. Пары вводятся в среднюю часть колонны. Выше места ввода паров, в колонну подается ЭГ регенерированный, предназначенный для проведения реакции переэтерификации. ЭГ стекает в нижнюю часть колонны, встречает поднимающиеся ему навстречу пары, конденсирует из них ЭГ и поступает в куб колонны.

Пары метанола проходят через верхнюю часть колонны и конденсируются в попеременно работающих параллельных конденсаторах. Сконденсированный метанол стекает в сборник флегмы п.5. Несконденсированная часть паров направляется в газоохладитель, где происходит конденсация остатков паров метанола.

Конденсат стекает в сборник флегмы, а охлажденные газы направляются в общую воздушную линию и затем через скруббер и вентилятор выпускаются в атмосферу. Часть метанола из сборника флегмы самотеком подается в колонну метанола в качестве флегмы, а излишки метанола через переливную трубу сборника флегмы стекают в сборник неотработанной смеси. Температура в сборнике флегмы не более 60ºС.

В кубе колонны собирается ЭГ, содержащий ДМТ и олигомеры, так называемый общий ЭГ. Этот ЭГ в требуемом количестве подаётся в первую трубу каскада.

Из каскада переэтерификации реакционная масса направляется в систему отгона 1 ЭГ./11/

В трубопровод перед отгонами гликоля вводятся катализаторы стадии поликонденсации (трёхокись сурьмы, ацетат кобальта), модификаторы (диэтиленгликоль, изофталевая кислота), стабилизатор (фосфористая кислота).

Отгон гликоля. В системах 1 и 2 отгона ЭГ происходит практически полная отгонка ЭГ, вводимого в избытке в каскад переэтерификации и начинается реакция поликонденсации ДГТ с выделением ЭГ.

Системы 1и 2 отгона гликоля состоят из реактора, испарителя, и центробежных насосов. В реакторах поддерживается определённый уровень (40-60%).

Температура реакционной массы (260-275ºС).

Обогрев аппаратов систем отгонов ЭГ осуществляется парами динила.

Вакуум в системах 1и 2 отгонов ЭГ создается насосными вакуумными стендами п.13. Каждый насосный стенд состоит из секционного гликоль кольцевого насоса, бака ЭГ и холодильника.

Отгоняющиеся в системах отгона пары ЭГ, содержащие некоторое количество олигомеров, по обогреваемым парами динила трубопроводам отводятся в скрубберы п.11. В скрубберах эти пары конденсируются циркулирующим через скрубберы холодным ЭГ. Не сконденсировавшаяся в скрубберах часть паров ЭГ и легколетучих фракций вводится в конечные конденсаторы, где производится окончательная конденсация паров ЭГ и легколетучих фракций. Не сконденсировавшиеся газы далее направляются на насосные стенды, конденсат ЭГ собирается в барометрический бак п.14.

Поликонденсация.

nНОСН2 СН2ООС - -СООСН2СН2ОН ↔

↔ [- ОСН2СН2ООС - -СО-]n + (п-1) НОСН2СН2ОН

При введении в полимер диэтиленгликоля полимер приобретает гибкую вставку, чем она длиннее, тем ниже температура стеклования (Тс).

Химическая структура такого полимера:

~ОСН2СН2ООС- -СО[-(СН2)2ОСН2СН-]nООС- -СО~

в результате введения звеньев изофталевой кислоты получается полимер со следующей химической структурой:

~ОСН2СН2ООС- -СООСН2СН2ООС-

-СО~

Наличие звеньев изофталевой кислоты нарушает регулярность первичной структуры, снижает температуру стеклования, чем меньше регулярность полимера, тем меньше его способность к кристаллизации. В результате получим более аморфную или мелкокристаллическую структуру, что необходимо для того, чтобы полимер был прозрачным.

Из системы 2 отгона ЭГ расплав транспортируется в предварительный реактор поликонденсации п.15. В нем поддерживается более глубокий вакуум (0,010 ± 0,005) бар и более высокая температура (275-280)±2 С, чем в системе 2 отгона ЭГ.

Из предварительного реактора расплав по трубопроводу давлением (3,0 ± 0,5) бар подаётся в главный реактор поликонденсации.

Вакуум в главном реакторе (0,002-0,005) бар и температура (280-288)±2ºС.

Обогрев предварительного и главного реакторов осуществляется парами динила.

Предварительный и главный реакторы представляют собой горизонтальные цилиндрические аппараты, снабженные клеточными мешалками, которые вращаются с постоянным числом оборотов. Валы мешалок уплотнены на обеих сторонах реакторов торцевыми уплотнителями, в которых уплотняющей жидкостью служит ЭГ.

Для защиты контактных уплотнительных колец от расплава через ротаметры подаётся азот (250-500)л/час, который протекает вдоль вала внутри реактора. Подшипники и валы мешалок в области уплотнительных колец охлаждаются водой.

Образующиеся в результате процесса поликондесации пары, состоящие из ЭГ и олигомеров, поступают в отделители олигомеров п.12. Далее пары ЭГ направляются в скруббера, а олигомеры поступают в сборники олигомеров.

Олигомеры периодически сливают из сборников олигомеров в переносные ванны, дробят и отправляют на регенерацию.

В скрубберах пары ЭГ конденсируются за счет распыления в них холодного ЭГ. Не сконденсировавшаяся часть паров и газы уходят далее в конечные отделители.

ЭГ из предварительного реактора, сконденсировавшись в скруббере и отделителе, направляется в барометрический циркуляционный бак ЭГ п.14. ЭГ из главного реактора проходит аналогичный путь.

Из барометрических циркуляционных баков центробежным насосом ЭГ подаётся через холодильники и фильтры к скрубберам и конечным отделителям.

Вакуум в предварительном реакторе создаётся двухступенчатым вакуумным стендом п.20, который состоит из гликолькольцевого секционного насоса Рутта.

В главном реакторе вакуум создаётся трёхступенчатым вакуумным стендом п.21, который состоит из гликолькольцевого насоса и двух последовательно подключённых насосов Рутта.

Из главного реактора расплав шестерёнчатыми насосами передаётся в два параллельно подключенных конечных реактора п.18, п.19. Здесь поддерживается более глубокий вакуум и более высокая температура, чем в главном реакторе.

По окончании процесса поликонденсации расплав ПЭТФ направляется на гранулирование.

Гранулирование. Расплав ПЭТФ продавливается через четыре параллельно соединённые экструзионные головки в виде жилок. Каждая экструзионная головка состоит из двух фильер, которые могут отключаться от трубопровода подвода расплава. Фильера состоит из распределительного устройства с пластиной, имеющей 8 отверстий, диаметром 7мм.

Все 64 отверстия четырех экструзионных головок расположены в один ряд.

Жилки расплава, выходящие из фильер, проходят вертикально вниз и гранулятором протягиваются через 9-ти метровую водяную охладительную ванну п.23, вытягиваются, получают эллиптическое сечение и затвердевают.

Литьевые ванны при смене фильер могут быть передвинуты в продольном направлении к гранулятору по направляющим рельсам. В литьевых ваннах установлены металлические листы с направляющими канавками для каждой отдельной жилки полимера. Металлические листы длиной 4м с направляющими канавками погружены воду на 13см. Их назначение- предотвращение слипания жилок после выхода их из экструзионных головок.

Литьевые ванны заполняют фильтрованной речной водой.

В конце ванны жилки проходят через сортировочные грабли к гранулятору п.24. Остаток воды на жилках удаляется пластиковой губкой и воздухом. Жилки подводят к втягивающему устройству гранулятора, состоящему из стального и эластичного валиков. Жилки ПЭТФ измельчаются фрезой со спиральными пазами и неподвижным ножом. Длина гранул около 5мм. Эллиптическое сечение гранул имеет длину осей от 3,0мм до 4,5мм. Для выпуска "пищевого" ПЭТФ необходимо уменьшить размеры гранул, для этого необходимо увеличить скорость вращения фрезы. Режущее устройство и выходящие гранулы для охлаждения обдуваются воздухом.

Гранулы подаются на вибрационное сито п.25, где происходит отделение не прорезанных гранул.

Далее гранулят транспортируется в бункеры анализа п.28, которые установлены на стационарных весах.

Из бункера анализа гранулят поступает в бункер хранения п.29, который состоит из 12 секций. В каждую секцию загружают гранулят из двух бункеров анализа. Далее гранулят ссыпается в конусную часть многосекционного бункера для смешения.

Из многосекционного бункера хранения гранулят пневмотранспортом подается в промежуточную ёмкость хранения на стадию кристаллизации.

2.2.2 Получение ПЭТФ "пищевого" назначения

Предварительная кристаллизация. Гранулят ПЭТФ из промежуточного бункера хранения самотёком подаётся на предварительную кристаллизацию, где ПЭТФ нагревается в течение 3-7 мин до 160°С при механическом

перемешивании. При этом достигается степень кристалличности 35-40%. Так как температура ПЭТФ увеличивается до 160°С, состояние твёрдых частиц изменяется от «свободно-текучего» до «клейкого» поверхностного состояния. Вследствие этого возникает необходимость в предотвращении склеивания гранул ПЭТФ и образования комков. Для этого полимер подвергают перемешиванию. В связи с тем, что температура гранул ПЭТФ не превышает 160°С и время выдержки ПЭТФ ≈ 3-7 мин, данная стадия кристаллизации не требует покрытия атмосферой инертного газа.

Кристаллизация проводится в аппарате «SOLIDAIR RSTALLIZER» , который представляет собой горизонтальный аппарат с мешалкой. Мешалка имеет множество узких, плоских с регулируемым шагом лопастей, посредством которых перемешивается крошка ПЭТФ.

Противотоком грануляту подаётся воздух с температурой 160ºС. Из кристаллизатора воздух поступает в пылеотделитель для очистки от мелких частиц и далее выбрасывается в атмосферу.

Из кристаллизатора самотёком полимер подаётся на стадию сушки.

В процессе сушки происходит диффузия влаги из внутренней части твёрдых частиц к поверхности, а затем через приграничный слой, окружающий частицу, в газовую фазу.

Из кристаллизатора самотёком полимер подаётся на стадию сушки.

Для этих целей используется бункерная сушилка вертикального типа. Отношение длина/диаметр составляет 4:1. В верхней части сушилки размещается медленно вращающаяся мешалка с горизонтальными лопастями и одним выравнивателем.

Лопасти и выравниватель распределяют поступающий гранулят равномерно по поперечному сечению сушилки, что предотвращает спекание гранулята при разогреве.

Сушка осуществляется горячим азотом с температурой190ºС и точкой росы - 40ºС, который поступает через приточные патрубки в разгрузочной части сушилки, противотоком обдувает падающий гранулят и выходит через вытяжные патрубки в верхней части сушилки. Выходящий азот поступает в пылеотделитель, затем в теплообменник для охлаждения, и далее в двухступенчатый гликолевый скруббер на очистку.

Из сушилки гранулы ПЭТФ поступают на вторую стадию кристаллизации, на которой ПЭТФ нагревается до температуры реакции твёрдофазной дополиконденсации (в пределах 210-230°С). На этой стадии предусматривается продолжительное время выдержки, достаточное для того, чтобы произошли изменения морфологии кристаллов, и степень кристалличности достигла не менее 50%. Это очень чувствительная стадия, при которой могут воспроизвестись условия «слипания» твёрдых частиц в состоянии покоя. Для предотвращения термоокисления ПЭТФ при реакционной температуре на этой стадии кристаллизации применяется атмосфера инертного газа.

Кристаллизация осуществляется в аппарате – «Торусдиск », представляющий собой горизонтальный аппарат, снабжённый ротором с вертикальными дисками, которые обеспечивают тщательное перемешивание гранул, для предотвращения их слипания, а также для обеспечения однородного качества продукта.

Противотоком к движущемуся грануляту подаётся азот с температурой 220-240ºС и выводится через патрубки в верхней части аппарата в пылеотделитель, затем в теплообменник для охлаждения и далее в двухступенчатый гликолевый скруббер на очистку.

На стадии твёрдофазной дополиконденсации ПЭТФ протекают различные реакции, как роста полимерных цепей, так и побочные реакции, идущие с образованием побочных продуктов, таких как ацетальдегид, ЭГ и вода.

Основная реакция, ведущая к увеличению молекулярного веса ПЭТФ, следующая:

РЕТ-СООСН2СН2ОН + НОСН2СН2ООС-РЕТ ↔

↔РЕТ-СООСН2СН2ООС-РЕТ + НОСН2СН2ОН

Одновременно идут реакции, в которых образуется ацетальдегид и вода:

РЕТ-СООН + НОСН2СН2ООС-РЕТ→РЕТ-СООСН2СН2-РЕТ + Н2О

РЕТСООСН=СН2 + НОСН2СН2ООС-РЕТ→

→РЕТСООСН2СН2ООС-РЕТ + СН3СНО

Кроме того, возможны разложение гидроксиэтильных концевых групп:

РЕТ-СН2СН2ОН→РЕТ-СООН + СН3СНО

Реакции поликонденсации и этерификации обратимы, в то время как реакции образования ацетальдегида необратимы.

Гранулы ПЭТФ выгружаются из второго кристаллизатора в бункерный реактор. Время нахождения гранулята в реакторе при равномерном перемещении продукта вниз должно быть достаточным, чтобы поднять вязкость продукта, как результат твёрдофазной дополиконденсации. На дне бункерного реактора установлен механический выгружной механизм, что обеспечивает равномерную выгрузку продукта.

Твёрдовазная дополиконденсация проводится в атмосфере инертного газа с рециркулирующим потоком газа для удаления побочных продуктов реакции – этиленгликоля, ацетальдегида и паров воды - из бункерного реактора. Газ подаётся в нижнюю часть реактора с температурой 245ºC и отводится через верхнюю часть реактора.

Выходящий азот делится на два потока, часть поступает на стадию второй кристаллизации, а часть в бункерную сушилку.

Очистка азота. Абсорбционная очистка газа посредством скрубберов может быть альтернативой каталитическому сжиганию для высокоэффективного охлаждения и очистки рециркулирующих газовых потоков посредством прямого контактирования газа в скруббере с ЭГ. Достигаются высокая эффективность абсорбции и высокая скорость массопереноса. ЭГ пропускается противотоком к потоку газа так, что свежий гликоль контактирует с газом с более низкой концентрацией загрязнений.

Рециркулирующий газообразный азот обрабатывается в двухстадийном гликолевом скрубберном контуре.

Выбор технологической схемы и оборудования 📙 Курсовая → 🆔 58560