Кафедра «Технологии пластических масс»
РЕФЕРАТ
По дисциплине «Дополнительные главы по оборудованию заводов по производству и переработке полимеров»
На тему: «Производство и переработка полистирола в суспензии»
Выполнила: Студент 4 курса, ФТППК, очного отделения,
группы 5291-1 Мартемьянова Ольга Николаевана
Проверил: Кандидат химических наук
Доцент кафедры Яруллин Алексей Фердинандович
Содержание
Введение
Химизм процесса
Технологическая схема
Основной аппарат
Переработка
Список использованной литературы
Введение
Полистирол - жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/мі), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до 40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).
Растворяется в ацетоне, толуоле, медленнее в бензине. Не растворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением, высокой влагостойкостью и морозостойкостью.
Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:
Эмульсионный (ПСЭ)
Наиболее устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95 °C. Для этого метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации.
Стирол предварительно очищают от ингибиторов. В качестве инициаторов реакции применяют водорастворимые соединения.
В качестве эмульгаторов применяют соли жирных кислот, щелочи (мыло), соли сульфокислот.
Суспензионный (ПСС)
Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Стирол подготавливают, суспендируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии и инициаторов полимеризации.
Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130 °С) под давлением. Результатом является - получение суспензии, из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.
Блочный или получаемый в массе (ПСМ)
Различают две схемы производства полистирола общего назначения: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100-220 °С. Реакция прекращается при степени превращения стирола в полистирол до 80-90 % массы (при методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50-60 %). Непрореагировавший стирол-мономер удаляют из расплава полистирола вакуумированием, понижая содержание остаточного стирола в полистироле до 0,01-0,05 %, непрореагировавший мономер возвращается на полимеризацию. Полистирол, полученный блочным методом отличается высокой чистотой и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.
Химизм процесса
Суспензионный метод получения ПС и сополимеров стирола, включающий проведение реакции в водной фазе при умеренных температурах, в отличие от блочного, характеризуется тем, что упрощается отвод тепла полимеризации. Образование полимера происходит в каплях мономера (в дисперсной фазе), суспензированного в воде (дисперсионной среде), диаметром 0,2-5 мм и не слипающихся друг с другом вследтвие их поверхностной стабилизации с помощью определенных органических или неорганических веществ, добавляемых в количестве 0,1-5% от массы воды.
Органическими стабилизаторами суспензий стирола в воде являются поливиниловый спирт, сополимеры винилового спирта с винилацетатом, содержащие 8-20 % ацетатных групп, желатин, крахмал, а неорганическими -- фосфат и карбонат кальция, тальк, бентонит, гидроксиды магния и алюминия.
Размер капель задают, подбирая количество стабилизатора с учетом его эффективности. Количество воды в суспензии мало влияет на ход полимеризации, но по экономическим соображениям принимают соотношение вода: мономер =1:2. Образование капель стирола в воде достигается механическим перемешиванием системы со скоростью, обеспечивающей сохранение капель (1-3 об/с).
Инициаторами полимеризации являются пероксиды (бензоила, ацетилбензоила и др.) и азосоединения (динитрил азобисизомасляной кислоты и т. п.), растворимые в стироле и нерастворимые в воде. Их вводят в количестве 0,1 -1 % от массы мономера.
Температура реакции определяется природой инициатора и обычно поддерживается в пределах 50-130°С. Ее повышают ступенчато по мере увеличения конверсии стирола в ПС с тем, чтобы предотвратить слипание капель. Конечная температура процесса должна быть не менее чем на 10-15 °С ниже температуры начала размягчения полимера.
Механизм полимеризации мономера или смеси мономеров в суспензии аналогичен процессу в массе (в блоке), поскольку он протекает в каплях, представляющих собой микрореакторы.
При химически инициированной полимеризации стирола применяют инициаторы.
Инициирование полимеризации пероксидом бензоила протекает по схеме
полимеризация стирол полистирол производство
При термическом инициировании полимеризация стирола протекает с образованием бирадикалов, скорость полимеризации зависит от температуры.
Реакция полимеризации включает в себя три стадии:
1. Инициирование
2. Рост цепи
3. Обрыв цепи
Б) рост цепи
Технологический процесс
Принципиально технологический процесс производства ПС и сополимеров стирола в суспензии периодическим методом в реакторах с мешалкой состоит из следующих основных стадий: подготовка мономерной и водной фаз, смешение компонентов и полимеризация стирола или смеси стирола с другими мономерами, отделение и промывка гранул, сушка гранул и окончательная обработка ПС или сополимеров стирола.
В аппарат 1 для приготовления мономерной фазы загружают стирол при получении ПС или стирол вместе с другими мономерами (акрилонитрилом, метилметакрилатом и т. п.) при получении сополимеров и другие вещества, растворимые в мономерах (инициатор, пластификатор, смазки, регулятор молекулярной массы и др.) и тщательно перемешивают. В аппарате 3 готовят раствор органического стабилизатора или суспензию неорганического стабилизатора в воде.
В реактор 2 загружают водную фазу, а затем при перемешивании вводят мономерную фазу. Степень заполнения реактора 85-90 %. Полимеризацию проводят в зависимости от получаемого продукта и природы инициатора при 50-130°С в течение 9-12ч.
Реактор объемом 10-30 м3, изготовленный из нержавеющей стали или биметалический, снабжен трехъярусной двухлопастной мешалкой с регулируемой скоростью ращения от 0 до 3 об/с и рубашкой для обогрева и охлаждения. После окончания процесса содержимое реактора охлаждают до 40-50°С, сливают через сито 4 (задерживают комки диаметром более 5 мм) и собирают в промежуточный сборник 5. После разбавления деминерализованной водой до соотношения гранулы: вода =1:2-1:3 (улучшение ее подвижности) суспензию обезвоживают и промывают водой в ленточном вакуум-фильтре или в непрерывно действующей центрифуге 6 отстойного типа со шнековой выгрузкой осадка. Из центрифуги фильтрат (сточные воды) направляют на очистку, а гранулы с влажностью 2-3 % поступают в сушилку 7 для сушки горячим воздухом до остаточной влажности 0,1 -0,2 %.
Схема производства суспензионного полистирола и сополимеров стирола периодическим методом в реакторе с мешалкой: 1 -- аппарат для приготовления мономерной фазы; 2 -- реактор; 3 -- аппарат для приготовления водной фазы; 4 -- сито; 5 -- промежуточный сборник; 6 -- центрифуга; 7 -- сушилка
Ленточные вакуум-фильтры относятся к фильтрам непрерывного действия с постоянным перепадом давления. Они предназначены для фильтрования агрессивных и неагрессивных быстроосаждающихся суспензий с неоднородной крупностью твердой фазы. Эти фильтры проектируются различных типов и могут, в частности, использоваться для обезвоживания осадков сточных вод, предварительно обработанных флокулянтами, а также суспензий с многократной промывкой осадка.
Центрифуга непрерывно действующей отстойного типа со шнековой выгрузкой осадка. Принцип работы данной центрифуги состоит в том, что суспензия подается по трубе во внутренний барабан, а затем сквозь окна выводится в отстойный барабан. На этом этапе происходит разделение суспензии. Осветленная жидкость поступает в кожух и выводится через патрубок. Шнек перемещает осадок и выводит его через патрубок.
Ленточные сушилки предназначены для непрерывной сушки горячим воздухом конкретных сыпучих материалов (зернистых, гранулированных, волокнистых) взрывопожаробезопасных нетоксичных продуктов с начальной влажностью до 75%.
Типовая конструкция сушилок этого вида представляет собой прямоугольный короб, разделенный по длине на секции (от 3 до 10), а по ширине на два коридора.
В правом (по ходу продукта) коридоре размещен непрерывный транспортный конвейер (лента), на котором перемещается продукт, подлежащий сушке. В левом коридоре расположены паровые калориферы, циркуляционные вентиляторы и газоходы.
Высушиваемый материал подается на горизонтальную перфорированную ленту 1, которая изготавливается из металлической плетеной сетки или перфорированных пластин. Лента может быть и сплошной, выполненной из полотна или прорезиненной ткани.
Для перемещения и натяжения ленты сушилка оснащается приводной и натяжной станциями, между которыми установлены промежуточные секции с вентиляторами 3 и калориферами 5. Для выравнивания влажности материала по высоте слоя установлены ворошители 2, выполненные в виде валков с пальцами.
В ленточных сушилках воздух, нагреваемый калориферами промежуточных секций и циркуляционными вентиляторами через воздухораспределительную решетку 4, расположенную над лентой, подается сверху вниз на слой продукта, продувает его и затем частично поступает через калорифер на вентилятор, а частично выводится из аппарата. При помощи заслонок, установленных на каналах подачи свежего и отвода отработанного воздуха, легко осуществляется прямоточная, противоточная или смешанная схема движения воздуха и продукта.
Привод ленты, состоящий из мониторавариатора, редуктора и цепной передачи, размещен в приводной станции; здесь же установлено разгрузочное устройство шнекового типа 6. Скорость движения ленты выбирается с таким расчетом, чтобы за время пребывания в сушилке материал успел высохнуть.
Ленточная сушилка: 1-ленточный конвейер; 2ворошители; 3-циркуляционный вентилятор; 4воздухораспределительная решетка; 5паровой калорифер; 6шнек для выгрузки сухого материала
Основной аппарат
Сусленаионный полистирол получают в полимеризатора периодического действия, который изготовлен из нержавеющей стали.
Стенка полимеризатора во избежание налипания полимера должна быть тщательно отполирована. Особое внимание уделяют тщательному перемешиванию массы. Отклонения от режима перемешивания приводят к необратимому браку. Перемешивание осуществляют двухлопастной трехъярусной мешалкой, скорость вращения которой можно плавно регулировать в пределах 0-60 об/мин. Лопасти мешалки расположены в трех плоскостях по высоте вала. Две верхние лопасти повернуты к горизонтальной плоскости таким образом, чтобы масса двигалась к днищу полимеризатора, нижние - чтобы создавалось движение массы вверх полимеризатора.
Вал перемешивающего устройства консольного тапа и имеет сальниковое уплотнение. Набивка уплотнения выполнена из фторопластового материала марки ФУМ или АСТ.
Полимеризатор имеет рубашку для охлаждения и нагрева массы. Обечайка имеет пятисекционную рубашку, выполненную из полутруб радиусом 50 мм, приваренных в обечайке. Каждая секция имеет индивидуальный подвод охлаждающего агента, что позволяет регулировать температуру массы по высоте полимеризатора. В верхней части обечайки, на разделе фаз газ-жидкость, установлена дополнительная гладкая рубашка. Крышка полимеризатора снабжена охлаждающей рубашкой для предотвращения возможного налипания полимера и для безопасного обслуживания полимеризатора. Днище полимеризатора имеет рубашку с вмятинами. Внутренняя поверхность полимеризатора тщательно отполирована.
Крышка полимеризатора служит опорной поверхностью для крепления стойки привода и уплотнения переманивающего устройства. Вал мешалки пустотелый, консольного типа, выполнен в виде термобаллона, охлаждаемого водой. Диаметр термобаллона равен 540 мм, что позволило увеличить окружную скорость массы в центре полимеризатора и создать необходимую поверхность теплообмена. Вал мешалки выполнен разъемным для облегчения его сборки и разборки. Привод мешалки состоит из двух гидромоторов мощностью по 20 квт. Гидромоторы работают параллельно на один вал, что повышает надежность и долговечность привода. Уплотнение вала-торцевое. Корпус уплотнения имеет рубашку для охлаждения водой. На крышке установлены две отбойные лопасти для устранения появляющихся воронок в перемешиваемой массе.