Разработка структурной схемы изучаемого процесса

Введение

Латекс является одним из важнейших продуктов химической промышленности. По способу получения латексы делятся на: синтетические, натуральные и искусственные. Натуральные латексы получают из млечного сока бразильской гевеи, культивируемой преимущественно на плантациях Малайзии, Таиланда, Индонезии, Цейлона. Синтетические латексы представляют собой продукты, полученные путём эмульсионной полимеризации мономеров. Искусственный латекс — это продукт, изготовленный из синтетического каучука.

Использование латексов для производства резинотехнических изделий уменьшает капиталовложения и энергозатраты, а так же облегчает условия труда работников, так как переработка синтетического каучука в резину многостадийный и более энергоёмкий процесс, а латекс применяется для производства маканых изделий по простой технологии и на относительно не сложном оборудовании.

Основными получаемыми видами синтетических латексов в настоящее время являются бутадиен-стирольные латексы, имеющие множество модификаций. Доля бутадиен-стирольных латексов составляет около 80% от общего количества выпускаемых синтетических латексов. Кроме них, химической промышленностью выпускаются бутадиеновые, бутадиен-нитрильные, хлоропреновые, карбоксилатные, метилвинилпиридиновые, бутадиен-α-метилстирольные латексы.

Области применения синтетических латексов значительно шире, чем твёрдых каучуков. Из них вырабатывают не только эластичные изделия, но и пеноматериалы, клеи, покрытия для кожи и бумаги, пропитки корда и ткани, а так же изготавливают краски и ещё много другой нужной продукции. В ряде областей промышленности латексы вообще не могут быть заменены соответствующими твёрдыми каучуками. Широкому распространению латексов благоприятствует так же разнообразие способов их переработки.

Мировая, и в частности российская, шинная промышленность, основной потребитель каучуков и латексов, развивается; растут темпы производства, а следовательно, и темпы потребления каучуков и латексов. Эта отрасль промышленности относится к динамично развивающимся. Ключевой тенденцией развития мировой шинной промышленности в последние годы является постепенный перевод производственных мощностей на восток, а именно — в Восточную Европу и Азию. Это объясняется более дешёвыми операционными и капитальными затратами. Согласно прогнозам, производство на душу населения синтетических каучуков и латексов к 2015 г. должно составить 14,5 (против 8,0) кг/чел. Таким образом, производство латексов является очень перспективным направлением.

Однако в условиях роста и развития отрасли, к сырью предъявляются всё новые требования. Многие производства требуют модернизации и реконструкции. В процессе поиска решений мной был выбран следующий вариант модернизации существующей технологии — замена инициатора - гидроперекиси изопропилбензола на гидроперекись диизопропилбензола (ГПД). Так как ГПД более реакционноспособен, скорость процесса выше, следовательно уменьшится время реакции полимеризации. Это позволит увеличить производительность. Затраты на внедрение представляются относительно небольшими, так как изменения происходят на уже имеющейся материально-технической базе цеха Е-12-12А.

В пояснительной записке приведены обоснования технологической схемы, характеристика используемого сырья и готовой продукции, сделан расчёт материального и теплового балансов процесса производства товарного и модернизированного латекса БМВП-10Х.

Сделаны необходимые экономические расчёты для оценки эффективности принятых решений.

Подтвердив предлагаемые мероприятия расчётами, предполагаю, что полученные результаты могут быть использованы как рекомендации базовому предприятию, производящему товарный латекс БМВП-10Х.

Аналитический обзор

Общие сведения о полимеризации

Полимеризация — процесс образования полимеров из мономеров, содержащих реакционно-способные кратные связи или циклы (в отличие от поликонденсации не сопровождается образованием побочных низкомолекулярных продуктов).

Основными видами полимеризации являются радикальная и ионная полимеризация. Ионная, в свою очередь, делится на катионную, анионную и ионно-координационную.

Существует несколько способов проведения радикальной полимеризации. В основном её проводят в блоке (в массе), растворе, эмульсии, суспензии и газовой фазе. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки и подходит для определённых условий.

Полимеризация протекает по цепному механизму и включает следующие стадии:

l зарождение цепи (инициирование);

l рост цепи;

l обрыв цепи;

l передача цепи.

Стадия зарождения цепи заключается в образовании в реакционной системе радикала. Радикалы могут генерироваться в результате воздействия тепла (термическое инициирование), света (фотоинициирование) и т.д., но эти способы малоэффективны, поэтому используют химическое инициирование (добавление инициаторов). Наиболее распространёнными инициаторами являются пероксиды, гидропероксиды, азо- и диазосоединения, ацилпероксиды.

Рост цепи заключается в последовательном прикреплении молекул мономеров к активному центру с последующей передачей активного центра на конец цепи.

Обрыв цепи происходит в результате гибели активных центров. Обрыв цепи — процесс спонтанный, может наступить при любой длине макрорадикалов, может происходить путём их рекомбинации и диспропорционирования.

Процесс передачи цепи происходит путём отрыва атома или группы атомов от передатчика цепи. Макрорадикал превращается в макромолекулу, а возникший новый радикал развивает кинетическую цепь.

Способы проведения полимеризации

Радикальную полимеризацию проводят в основном в блоке (в массе), растворе, эмульсии, суспензии и газовой фазе. При этом процесс может протекать в гомогенных или гетерогенных условиях. Кроме того, фазовое состояние исходной реакционной смеси может меняться также в ходе полимеризации.

Полимеризация в блоке (в массе) проводится в реакционной смеси, состоящей только из мономера и инициатора. В зависимости от условий проведения процесса различают газо-, жидко- и твердофазную полимеризацию. Жидкофазная полимеризация — это основной способ полимеризации в массе мономера. Она может быть гомогенной и гетерогенной. В первом случае инициатор и образующийся полимер растворимы в мономере, во втором — полимер не растворим в мономере.

­ Полимеризацию в растворе проводят двумя способами. По первому способу для полимеризации применяют растворитель, в котором растворяется и мономер, и полимер. Получаемый раствор используют как таковой или выделяют полимер осаждением либо испарением растворителя. По второму способу полимеризацию в растворе проводят в жидкости, в которой растворяется мономер, но не растворяется полимер. Полимер по мере образования выпадает втвёрдом виде и может быть отделён фильтрованием.

Полимеризация в суспензии (бисерная или гранульная) широко используется для синтеза различных полимеров. При этом мономер диспергируют в воде в виде капелек. Устойчивость дисперсии достигается механическим перемешиванием и введением в реакционную систему специальных добавок — стабилизаторов. При полимеризации всуспензии применяют растворимые в мономере инициаторы. Процесс полимеризации осуществляется в каплях мономера, которые можно рассматривать как микрореакторы блочной полимеризации.

Полимеризация в эмульсии также является широко распространённым способом получения полимеров. При эмульсионной полимеризации в качестве дисперсионной среды обычно используют воду, а в качестве эмульгатора — различные мыла. Для инициирования процесса чаще всего применяют водорастворимые инициаторы и окислительно-восстановительные системы. Полимеризация может протекать в молекулярном растворе мономера в воде, на поверхности раздела капля мономера-вода, на поверхности или внутри мицелл мыла, на поверхности или внутри образующихся полимерных частиц, набухших в мономере.

Описание и обоснование технологии проектируемого процесса

Технология производства товарного латекса БМВП-10Х основана на процессе радикальной полимеризации. По способу проведения — полимеризация в эмульсии, с использованием инициатора (химическое инициирование). Инициирование ведётся обратимой окислительно-восстановительной системой ЖТК-гипериз-ронгалит.

Гипериз — гидроперекись изопропилбензола (инициатор)

ЖТК — железо-трилоновый комплекс

Достоинством эмульсионной полимеризации является возможность осуществления процесса с большими скоростями и образование полимера высокой молекулярной массы, а также лёгкость теплоотвода. К тому же процесс легко оформляется по непрерывной схеме и хорошо регулируется. Так как тепло реакции отводится равномерно, получаемый полимер имеет более высокий молекулярный вес и более однороден по структуре и качеству. Эмульсионная полимеризация характеризуется и более высокими технико–экономическими показателями. Значительную долю себестоимости полимера составляет стоимость мономеров, примерно 70%. Себестоимость полимеров эмульсионной полимеризации значительно ниже, главным образом за счёт более низкой стоимости мономеров. Кроме того эмульсионные процессы характеризуются меньшими затратами на вспомогательные материалы и более низким расходом энергии.

Рецепт полимеризации, роль и назначение компонентов

Таблица 1. Рецепт полимеризации в массовых частях на 100 массовых частей абсолютных мономеров

Наименование компонентов	Дозировки
Бутадиен
2-метил-5-винилпиридин
СЖК	5.2
Лейканол	0.3
KOH	1.3
Меркаптан	0.22
Ронгалит	0.12
Трилон «Б»	0.02
Гипериз	0.4
ГПД	0.09
Сернокислое железо	0.03
Умягченная вода
Конверсия мономеров, %	92-100
Температура полимеризации, ^оC	6-25

Бутадиен и 2-метил 5-винилпиридин являются сырьём для процессапроизводства латекса БМВП-10Х. Они используются в качестве мономеров для реакции полимеризации.

Гипериз — инициатор реакции,

ронгалит — активатор,

меркаптан - регулятор.

СЖК (синтетические жирные кислоты) и KOH используются для приготовления калиевого мыла СЖК (парафината калия).

Из сернокислого железа и трилона «Б» получают раствор ЖТК (железо-трилоновый комплекс).

Полученные парафинат калия и раствор ЖТК, вместе с лейканолом, ронгалитом и умягчённой водой используются для приготовления водной фазы.

Разработка структурной схемы изучаемого процесса

Процесс подготовки сырья и приготовления латекса можно условно представить тремя стадиями. Сначала готовятся растворы для водной фазы и для полимеризации, затем — водная фаза, ну, и заключительной стадией является непосредственно процесс полимеризации. После полимеризации латекс отправляется в отделение дегазации для отгонки незаполимеризовавшихся мономеров.

Стадия приготовления растворов. На этой стадии готовятся раствор парафината калия, раствор ЖТК, раствор ронгалита, эмульсия ТДМ и раствор инициатора.

На стадию поступают материальные потоки:

а) умягчённая вода с температурой помещения с содержанием растворённого кислорода 0.3 мг/л, железа 0.6 мг/л, CO₂ 3.0 мг/л;

б) синтетические жирные кислоты (СЖК) с t=60-70°C с массовой долей неомыляемых веществ 1.3 (1.9)%, воды 1%, кислот C₁₀-C₁₆ 72 (58)%$

в) калия гидрат окиси технический (KOH) с температурой помещения с массовой долей едких щелочей (KOH + NaOH) в пересчёте на KOH 54 (52)%;

г) трилон «Б» с температурой помещения с массовой долей влаги 1.5 (2.0)%, трилона «Б» 98 (95)%;

д) ронгалит (NaHSO₂·CH₂O) с температурой помещения с массовой долей формальдегидсульфоксилата Na (NaHSO₂·CH₂O) 73 (68)%, железа 0.01 (0.02)%;

е) калийканифольное мыло (ККМ) с температурой помещения с массовой долей сухого остатка 20-25%, свободной щёлочи 0.18%, железа 0.004%, абиетиновых кислот 5%;

ж) гипериз с температурой помещения с массовой долей гидропероксида изопропилбензола 89%;

з) железо сернокислое семиводное с температурой помещения с массовой долей сернокислого железа 98-100%, нерастворённых в воде веществ 0.02%;

и) ТДМ с температурой помещения с массовой долей ТДМ 96.5 (92)%.

В скобках указаны значения для 1-го сорта.

Со стадии отправляются потоки:

а) раствор инициатора гипериза с температурой помещения с содержанием гипериза 5.0-8.0%, сухого остатка 7.0-10.0%;

б) раствор парафината калия с содержанием сухого остатка 8.0-12.0%;

в) раствор ронгалита с температурой помещения с содержанием ронгалита 2.0±0.2%;

г) эмульсия ТДМ с температурой помещения с концентрацией ТДМ 5±0.05%, сухого остатка 7±0.2%;

д) раствор железо-трилонового комплекса (ЖТК) с температурой помещения с массовой долей трилона «Б» 0.95-1.0%, железа 0.61-0.64%.

Стадия приготовления водной фазы. На этой стадии из уже приготовленных растворов готовится водная фаза. Приготовление водной фазы ведется летом при температуре помещения, зимой — при дополнительном обогреве. Время перемешивания два часа.

На стадию поступают материальные потоки:

а) умягчённая вода с температурой помещения с содержанием растворённого кислорода 0.3 мг/л, железа 0.6 мг/л, CO₂ 3.0 мг/л;

б) раствор парафината калия с содержанием сухого остатка 8.0-12.0%;

в) раствор ронгалита с температурой помещения с содержанием ронгалита 2.0±0.2%;

г) раствор ЖТК с температурой помещения с массовой долей трилона «Б» 0.95-1.0%, железа 0.61-0.64%;

д) лейканол с температурой помещения с массовой долей активного вещества в пересчёте на сухой продукт 52%, воды 68%.

Со стадии отправляется единственный материальный поток — водная фаза с температурой помещения с содержанием ронгалита 0.085%, сухого остатка водной фазы 2.7-2.9%.

Стадия полимеризации. Это основная стадия всего производства. Сюда подаются приготовленная водная фаза, бутадиен, 2-метил-5-винилпиридин и раствор инициатора. Полимеризация ведётся при температуре 6-25°C.

На стадию поступают материальные потоки:

а) водная фаза с температурой помещения с содержанием ронгалита 0.085%, сухого остатка водной фазы 2.7-2.9%;

б) бутадиен-1,3 с температурой помещения с массовой долей бутадиена 98.0%, легколетучих углеводородов 0.4%, карбонильных соединений 0.006%, монозамещённых ацетиленовых углеводородов 0.02%, тяжёлого остатка 0.3%;

в) 2-метил-5-винилпиридин (МВП) с температурой помещения с массовой долей МВП 88%, высших пиридиновых оснований 2.5%, полимера 0.1%

г) раствор инициатора гипериза с температурой помещения с содержанием гипериза 5.0-8.0%, сухого остатка 7.0-10.0%;

д) умягчённая вода с температурой помещения с содержанием растворённого кислорода 0.3 мг/л, железа 0.6 мг/л, CO₂ 3.0 мг/л;

е) эмульсия ТДМ с температурой помещения с концентрацией ТДМ 5±0.05%, сухого остатка 7±0.2%.

Со стадии отправляется материальный поток — недегазированный латекс.

В общем виде структурная схема производства может быть представлена так:

СКЖ — сернокислое железо

Ронгалит Лейканол

СЖК КОН Трилон «Б» СКЖ ККМ ТДМ ум. вода

ум. вода

МВП

ум. вода ум.

бутадиен гипериз

  Отгонка

  Е-9

Отделение хранения латекса

латекс бутадиен

Дата добавления: 2015-10-29