Основы нефтехимических процессов Контрольная работа "Модифицированный полистирол"

Скачать: modificirovannyy-polistirol-moy-gotovyy.zip [85,36 Kb] (cкачиваний: 1)  

Основы нефтехимических процессов

Контрольная работа

Содержаниес.

Введение3

1 Теоретические основы процесса4

2 Свойства целевого продукта7

3 Сырьё процесса9

4 Технологическая схема производства стирола и ее описание 10

Заключение 15

Введение

Полистирол - пластик, получаемый путем полимеризации стирола. Он прозрачен, лишен запаха, физиологически безвреден. Немодифицированный полистирол жесткий, но довольно хрупкий, по сравнению с другими листовыми пластиками, материал, причем под воздействием ультрафиолета желтеет и становится ломким, поэтому используется в основном в помещениях. Однако, при этом, полистирол разбить сложнее, чем обычное стекло.

Полистирол в 2,5 раза легче обычного стекла (плотность 1060 кг/м3), превосходит его по теплоизоляционным свойствам и близок по прозрачности (прозрачный полистирол имеет светопропускание около 90%). Он имеет большую влагостойкость и лучшие электроизоляционные свойства, чем любой другой распространенный листовой пластик. Диапазон температур, при которых немодифицированный полистирол сохраняет свои свойства от -40 до +80 градусов С.
Главное достоинство полистирола - это один из самых дешевых пластиков.

Промышленность пластмасс зародилась на рубеже XX века. Легко полимеризующийся стирол и его стеклообразный твердый полимер сразу же привлекли внимание. Основы химии и техноло­гии производства полистирола заложили Остромысленский и Штау-дингер. Последний предложил цепной механизм образования макромолекул полистирола.

Первый патент на получение полистирола (способом термической спонтанной полимеризации в массе) был взят в Германии в 1911г. Там же в 1920г. началось промышленное производство полимера. В 1936г. уже производилось 6000т/год.

За пределами Германии рост производства полистирола долгое время сдерживался высокой ценой на мономер. Стимулом к бурному развитию послужило создание в США, во время второй мировой войны, крупнотоннажного производства бутадиен-стирольного каучука что, естественно, привело к снижению цен на стирол. Разработка таких эффективных продуктов; как пенополистирол, ударопрочные полимеры стирола, АБС-пластики, позволила полистирольным пластикам в целом занять третье место в мировом производстве пластмасс после полиэтилена и поливинилхлорида.

Ударопрочный полистирол и его модификации получили широкое применение в сфере бытовой техники и электроники (корпусные элементы бытовых приборов).

Широкое применение полистирола и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок. Наиболее широкое применение (более 60% производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком.

1 Теоретические основы процесса

В промышленности полистирол получают радикальной полимеризацией стирола. Методы получения полистиролов отличаютсяпо циклу работы, съему продукции с единицы объема, условиям проведения процесса полимеризации. От конкретного метода производства зависят свойства получаемого полистирола. Различают 4 способа полимеризации стирола: полимеризацию в массе (блоке) мономера, полимеризацию мономера в эмульсии (в основном производство АБС - пластиков), суспензионную полимеризацию (ударопрочный полистирол и пенополистирол) и полимеризацию в растворе (блок-сополимеры бутадиена и стирола).

Для получения ударопрочных сополимеров стирола с каучуком наиболее широко применяют метод блочно-суспензионной полимеризации, при котором сначала полимеризацию ведут в массе (до достижения конверсии 20% - 40%), а затем в водной дисперсии.

Общей тенденцией развития технологии синтеза является увеличение мощности единичных агрегатов, как за счет возрастания реакционных объемов, так и за счет интенсификации режимов синтеза. В настоящее время производительность единичных агрегатов синтеза достигает 15-30 тыс. тонн полимера в год.

1.1 Полимеризация в массе.

Метод производства полистиролов полимеризацией в массе с неполной конверсией мономеров является в настоящее время одним из наиболее распространенных в силу высоких технико-экономических показателей. В отечественной промышленности метод полимеризации в массе был выбран в качестве основного в 70-х годах, и в настоящее время по этому методу выпускается около 60% продукции. Этот метод имеет оптимальную схему технологического процесса. Процесс осуществляется по непрерывной схеме в системе последовательно соединенных 2-3 аппаратов с мешалками; заключительную стадию процесса часто проводят в аппарате колонного типа. Начальная температура реакции 80-100°С, конечная 200-220 °С. Полимеризацию прерывают при степени превращения стирола 80% - 90%. Непрореагировавший мономер удаляют из расплава полистирола под вакуумом, а затем с водяным паром до содержания стирола в полимере 0,01% - 0,05%. В полистирол вводят стабилизаторы, красители, антипирены и другие добавки и гранулируют. Блочный полистирол отличается высокой чистотой. Эта технология наиболее экономична (в ней отсутствуют операции промывки, обезвоживания и сушки мелкодисперсных продуктов) и практически безотходна (непрореагировавший стирол возвращается на полимеризацию). Проведение процесса до неполной конверсии мономера (80% - 90%) позволяет использовать высокие скорости полимеризации, контролировать температурные параметры, обеспечивать допустимые вязкости полимеризуемой среды. При проведении процесса до более глубоких степеней превращения мономера, затрудняется отвод тепла от высоковязкой реакционной массы, становится невозможным вести полимеризацию в изотермическом режиме. Эта особенность процесса полимеризации в массе привела к тому, что все большее внимание уделяется другим способам производства, и, в первую очередь, суспензионному методу.

1.2 Суспензионная полимеризация.

Полимеризация в суспензии – конкурирующий технологический процесс, который развивается параллельно с полимеризацией в массе, основан на малой растворимости виниловых мономеров в воде и на нейтральности последней в реакциях радикальной полимеризации. Процесс используется для получения продукта специальных марок, главным образом, пенополистирола. Суспензионный метод производства – полунепрерывный процесс – характеризуется наличием дополнительных технологических стадий (создание реакционной системы, выделение полученного полимера) и периодическим использованием оборудования на стадии полимеризации. Процесс проводится в реакторах объемом 10-50 м3, снабженных мешалкой и рубашкой. Стирол суспендируют в деминерализованной воде, используя стабилизаторы эмульсии; инициатор полимеризации (органические пероксиды) растворяют в каплях мономера, где и происходит полимеризация. В результате образуются крупные гранулы в суспензии полимера в воде.

Полимеризацию ведут при постепенном повышении температуры от 40 до 130°С под давлением в течение 8-14 часов. Из полученной суспензии полимер выделяют центрифугированием, после чего его промывают и сушат. Закономерности суспензионной полимеризации близки к закономерностям полимеризации в массе мономера, но существенно облегчены теплоотвод и перемешивание компонентов системы.

1.3 Эмульсионная полимеризация.

В производстве полистирола эмульсионный метод ведения полимеризации не получил такого развития, как полимеризация в массе или суспензии. Это обусловлено тем, что при эмульсионной полимеризации получают продукт слишком высокого молекулярного веса. Чаще всего для последующей переработки его необходимо вальцевать либо каким-то другим методом снижать его молекулярный вес. Основное направление его применения – получение полупродукта для последующего производства пенополистирола прессовым методом.

Система эмульсионной полимеризации содержит стирол, воду, как дисперсионную среду, водорастворимый инициатор (персульфат калия), ионный эмульгатор, различные добавки, в частности призванные регулировать рН среды. Полимеризация протекает в мицеллах эмульгатора, содержащих мономер. Образующийся полимер представляет собой высокодисперсную суспензию (латекс), не растворимую в воде. Система в целом является многокомпонентной, что затрудняет выделение полимера в чистом виде. Поэтому используются различные приемы его отмывки. Применение метода постепенно сокращается, так как он сопряжен с большим количеством сточных вод.

2 Свойства целевого продукта

Ударопрочный полистирол производится методом непрерывной полимеризации в массе. Продукт выпускается в виде стабилизированных гранул в окрашенном и неокрашенном виде и представляет собой сополимер стирола с полибутадиеном. Применяемая технология получения ударопрочного полистирола обеспечивает высокую однородность материала, отсутствие включений гель-образований и низкое содержание остаточного мономера в соответствии с требованиями Европейских стандартов.

Таблица 3. Характеристика сверх ударопрочного полистирола

3 Сырьё процесса

Сырьем для промышленного производства модифицированного полистирола служит стирол и бутадиеновый каучук.

Стирол представляет собой бесцветную жидкость—мономер, содержащий альдегиды и кетоны, образующиеся из стирола на воздухе, имеет едкий резкий запах. Температура кипения стирола + 145°С, температура замерзания —31°С, критическая температура + 373°С. Скрытая теплота испарения 365 Дж/г, вязкость 0,78 Па с, плотность 906 кг/м3, молекулярная масса 104. Смесь воздуха со стиролом при содержании последнего 1,1—6,1% (по объему) взрывается. Стирол легко смешивается в любых соотношениях с большинством органических растворителей (неполярных и слабо-полярных): низшими спиртами, алифатическими, ароматическими хлорированными углеводородами, нитропарафинами, сероуглеродом и т. д. Растворимость стирола в высших спиртах, кетонах и эфирах ограничена, в воде он почти нерастворим (0,03%), н вода в стироле также растворяется плохо (0,07%).

Стирол является хорошим растворителем органических перекисей. Стирол обладает наркотическим действием— длительное вдыхание паров вызывает расстройство нервной системы, катары дыхательных путей, изменение состава крови и печени, раздражение кожи. При концентрации паров до 2 мг/л и кратковременном действии их и а организм наблюдается легкое раздражение слизистых оболочек. Жидкий стирол вызывает образование трещин и а коже.

Основным методом промышленного производства стирола является каталитическое дегидрирование этнлбензола (СоИя—СНг— —СНз). который получают в результате алкнлировапия бензола этиленом в присутствии Катализатора (хлористого алюминия или фосфорной кислоты).

Бутадиен-1,3 (дивинил) СН2=СН—СН=СН2 — ненасыщенный углеводород, простейший представитель диеновых углеводородов. Бутадиен — бесцветный газ с характерным запахом, температура кипения −4,5 °C, температура плавления −108,9 °C, температура вспышки −40 °C. Бутадиен получают пропусканием этилового спирта через катализатор:

2CH3CH2OH → C4H6 + 2H2O + H2

Или дегидрогенизацией нормального бутилена:

CH2=CH—CH2—CH3 → CH2=CH—CH=CH2 + Н2

Полимеризацией бутадиена получают синтетический каучук.

4 Технологическая схема производства модифицированного полистирола и ее описание

Физико-химические основы процесса.

Полимеризация стирола протекает по радикальному механизму. Инициаторы при суспензионной полимеризации стирола используют органического типа: пероксид бензоила, трет-бутил перфталат.

Полистирол общего назначения не взрывоопасен, но является горючим, легковоспламеняющимся материалом с температурой воспламенения 210°С и температурой самовоспламенения 444°С.

Пыль фракции 20 - 250 мкм имеет нижний предел воспламенения 25-29 г./м3. Взвешенная в воздухе пыль полистирола склонна к образованию электростатических зарядов, что может быть источником опасности, так как возможно образование взрывной смеси. В обычных условиях - выделение паров стирола и других продуктов разложения.

Полистирол общего назначения разлагается в ароматических, хлорированных углеводородах, простых и сложных эфирах, терпенах. Набухает в бензине и керосине. Стоек к воде, щелочам, кислотам, спиртам.

Полимеризация стирола проходит по следующей схеме:

ИНИЦИИРОВАНИЕ

При температуре выше 700С перекись бензоила распадается по уравнению:

(С6Н5СОО)2 2 С6Н5СОО2С6Н5 + 2СО2

Образовавшиеся радикалы присоединяются к молекулам стирола, активируя их:

СН2=СН-С6Н5 + С6Н5-СОО ? С6Н5 - С - О-СН2-СН - С6Н5

СН2=СН-С6Н5 + С6Н5 ? С6Н5-СН2-СН - С6Н5

РОСТ ЦЕПИ

С6Н5 -С-О-СН2 -СН + n СН2=СН-С6Н5

О С6Н5

С6Н5 -С-О - [СН2-СН] nСН2 -СН-С6Н5

О С6Н5

ОБРЫВ ЦЕПИ

2 С6Н5 -С-О - [СН2-СН] nСН2 -СН ? С6Н5 -С-О - [СН2-СН] 2n+2О-С=О

О С6Н5 С6Н5 О С6Н5 С6Н5

С6Н5 -С-О [СН2СН] nСН2 -СН + С6Н5 -СН2 –СН

О С6Н5 С6Н5 С6Н5

С6Н5 -С-О - [СН2СН-] n+2С6Н5

О С6Н5

В общем виде уравнение реакции полимеризации запишется следующим образом:

С6Н5СН=СН2?[-СН-СН2-] n

Технологическая схема производства ударопрочного полистирола показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Производство ударопрочного полистирола

1 – дисковый нож; 2 – ротационная мельница; 3 – аппарат для растворения; 4 – мерник; 5 – промежуточная емкость; 6,8 – форполимеризаторы; 7,9,14 – холодильники; 10 – полимеризатор колонного типа; 11 – экструдер; 12 – охлаждающая ванна; 13 – гранулятор.

Стадии тех процесса.

1. Измельчение готового бутадиенового (бутадиен-стирольного) каучука с помощью дискового ножа.

2. Растворение при нагревании и интенсивном перемешивании каучукового порошка в стироле (4-15%-ная концентрация), Т= 80С, время 20 ч.

3. Перелив состава в промежуточную емкость с добавлением инициаторов (пероксиды), стабилизаторов, пластификаторов (бутилстеорат и др.), регуляторов роста цепи (меркаптан) и охлаждением до 30С.

4. Форполимеризация (предварительная) в две стадии (1-ая стадия – получение форполимера со степенью конверсии 0,4) Т = 130С, время 5-6 часов, атмосфера азота.

После образования 2-3% полистирола реакционная среда расслаивается на стирольную фазу (р-р полистирола в стироле) и каучуковую (р-р каучука и привитого сополимера в стироле). Образование привитого сополимера протекает на границе раздела фаз. Структура, размеры дискретной каучуковой фазы, содержание в ней скрытого в твердой фазе полистирола зависят от интенсивности перемешивания, концентрации основных компонентов и модифицирующих добавок.

(2-ая стадия – получение форполимера со степенью конверсии 0,8) Т = 180С, время 5-6 часов, атмосфера азота. При степени превращения стирола больше 0,4 реакц. система из-за высокой вязкости становится стабильной и перемешивания уже не требуется.

5. Окончательная полимеризация в аппарате колонного типа с вакуумной камерой до степени конверсии 0,95. Т= 230С. На завершающей стадии процесса происходит частичное сшивание каучука в частицах микрогеля, в результате чего возрастает их устойчивость к сдвиговым деформациям. Непрореагировавший стирол удаляют в вакууме.

6. Экструзия расплава сополимера.

7. Грануляция.

При блочно-суспензионном способе сначала полимеризацию проводят в массе (как описано выше) до степени превращения стирола 30-40%. Затем реакц. массу суспендируют в воде при интенсивном перемешивании и проводят суспензионную полимеризацию до предельной степени превращения стирола.

Ээкструзионное (механическое) смешением бутадиена, полистирола и привитого бутадиеном полистирола

Получается ударопрочный полистирол, имеющий двухфазную структуру. Непрерывная фаза (матрица) образована полистиролом (обычно мол. м. 220-300 тыс.), дискретная фаза (микрогель)-частицами каучука овальной формы с размерами 2-5 мкм. Каучуковые частицы (бутадиеновые или бутадиен-стирольные) окружены тонкой пленкой привитого сополимера стирола на каучуке (мол. м. 220-280 тыс.), который обеспечивает хорошую адгезию между полистирольной и каучуковой фазами. От объема каучуковой фазы во многом зависят свойства ударопрочного полистирола.

Заключение

Изучение полимеров, их физических и химических свойств, а так же взаимодействие различных полимеров друг с другом, приводит к появлению новых соединений, которые соответствовали бы нужным свойствам. Например, можно создавать ударопрочные соединения, или соединения сочетающие несколько нужных свойств, например ударопрочность, морозостойкость, стойкость к воздействию солнечных лучей.

Так изучение полистирола одного из известных полимеров привело к его активному использованию. Мы порой даже не задумываемся, из чего сделан тот, или иной предмет окружающий нас. Все чаще натуральные материалы, например дерево, заменяется пластмассами, которые гораздо дешевле, и износостойкие.

На примере полистирола ударопрочного можно убедиться как с добавлением в материал некоторых примесей и должной обработке можно получить совершенно отличный от исходного продукт, который будет намного выгоднее использовать в производстве.

В условиях постоянно развивающихся технологий мы можем сочетать различные материалы для получения совершенного продукта, который позволит экономить доступные ресурсы для развития производства.

Можно сделать один большой вывод: нужно изучать новые материалы, во-первых, натуральных материалов осталось не так уж и много, во-вторых, изучая полимеры можно создавать соединения которые в разы превосходят натуральные, а в третьих, полимеры стали использоваться в промышленности относительно недавно и есть возможность открывать что-то новое.