Технология производства полиметилметакрилата

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Полиметилметакрилат (ПММА) - очень важный продукт химической промышленности, который нашел широкое применение как в авиа- и приборостроении, так и в строительстве и производстве станков. [1]

Сырьем для производства полиметилметакрилата служит метилметакрилат, первым промышленным методом синтеза которого является ацетонциангидринный процесс (1930-е, Rohm&Haas, Германия; ICI, Великобритания).

Как уже отмечено, самолёты и вертолёты, относящиеся к предыдущему поколению, остекляют однослойными или многослойными (композитными) материалами на основе органических и силикатных стёкол. Многие области применения этих полимеров пересекаются со стеклом, но оргстекло значительно проще обрабатывается и формуется, а также обладает меньшим весом. Это определяет его преимущество для изготовления различных деталей интерьера, указателей, рекламной продукции и аквариумов. Обычно для связи используется трудоёмкое оптическое стекло. В этом волокне сердцевина делается из кварцево-германатного стекла. Хотя материал стеклянных волокон дешевле пластиковых, их себестоимость выше из-за специальной обработки и технологии изделий. В отдельных, менее ответственных случаях широкое применение для связи имеет пластиковое волокно. Из необычных областей применения оргстекла следует отметить:

-Изготовление клея-растворителя путём получения мономера (метилметакрилата) перегонкой;

-В сантехнике (акриловые ванны), в торговом оборудовании.

Существует два типа оргстекла -- литое и экструзионное.

1.Технологическая часть

1.1 Физико-химические свойства сырья и продукции

Метилметакрилат - органическое вещество; бесцветная, маслянистая жидкость с ароматическим запахом, легко испаряется и воспламеняется. Химическая формула : CH2=C(CH3)-COOCH3. Т. плавл. -- 50°, т. кип. 100°, плотн. 0,936 (20°/4°), давл. паров 35 мм рт. ст. (20°), насыщающая конц. 192 мг/л. Раств. в воде 1,5% (30°). Коэфф. растворимости паров в воде 75 (20°). Смешивается во всех соотношениях со спиртом. При длительном стоянии полимеризуется в стекловидную массу. Полимеризация ингибируется добавкой стабилизаторов (гидрохинон, пирогаллол и др.). Окисляется на воздухе.Перекись бензоила - органическое соединение ароматического ряда, относящееся к диацилпероксидам и содержащее пероксидную группу O-O, связанную с двумя бензоильными группами C6H5-C(O)-. Растворяется в простых и сложных эфирах, хуже растворяется в керосине и петролейном эфире, не растворяется в диэтиленгликоле и кремнийорганических жидкостях. Умеренно растворяется в ацетоне (15,7 %), метилэтилкетоне (16,0 %), бензоле (15,8 %), стироле (12,5 %), метилметакрилате (12,7 %). Чистый пероксид бензоила способен быстро воспламеняться и гореть с большой интенсивностью; горение его больших количеств переходит во взрыв. Он также взрывается при нагревании, ударе и трении. Однако смесь бензоилпероксида с водой с содержанием последней выше 20 % устойчива. Органические вещества способны воспламеняться при соприкосновении с бензоилпероксидом. Бензоилпероксид воспламеняется при действии минеральных кислот. Молярная масса - 242,23 г/моль; Плотность - 1,334 г/см3; Температура плавления - 106-108 оС.

Дибутилфталат - бесцветная маслянистая жидкость, хорошо растворяется в органических растворителях (этаноле, бензоле, ацетоне), малорастворим в воде. Химическая формула: C16H22O4 Молярная масса 278,35 г/моль, плотность - 1,05 г/см3, температура плавления - -35 оC, температура кипения - 340 оС.

Полиметилметакрилат - является аморфным полимером с плотностью 1180-1200 кг/м3 и температурой стеклования 100--110 °С, что обусловлено значительным межмолекулярным взаимодействием. В нормальных условиях это жесткий прозрачный полимер. Температура деструкции превышает 280--300 °С. Являясь полярным полимером, ПММА хорошо растворяется в сложных эфирах, кетонах, хлорированных и ароматических углеводородах, плохо растворяется в алифатических углеводородах и низших спиртах. Хорошо совмещается с большинством пластификаторов. Растворимость с увеличением молекулярной массы (у органических стекол) значительно снижается. При нормальных условиях ПММА стоек к кислотам и щелочам, масло- и водостоек.

1.2 Физико-химические основы процесса производства

Полиметилметакрилат легко полимеризуется при нагревании в присутствии перекиси бензоила или других инициаторов радикального типа. Техническое значение нашла полимеризация метилметакрилата в формах. [1]

В формы можно заливать как мономер, смешанный с инициатором (а иногда и с пластификатором, красителем или пигментом), так и сироп, представляющий собой раствор полиметилметакрилата в метилметакрилате. Количество инициатора берется в пределах 0,02--1,0% от веса мономера. Температура полимеризации поднимается постепенно от 60 до 120° С. Продолжительность нагревания зависит от толщины и формы изделия (лист, труба, стержень и др.), типа инициатора и чистоты мономера. При полимеризации метилметакрилата скорость полимеризации зависит не только от температуры реакции, но и от типа применяемого инициатора. Сравнение относительного влияния перекиси бензоила и динитрилаазоизомасляной кислоты на процесс блочной полимеризации показывает, что скорость реакции при 50 и 65° С выше в присутствии азосоединения. Установлено, что при 40--50° С полимеризацию легко инициирует перекись ацетилена, при 65--70° С -- перекись лаурила, при 70-90° С - перекись бензоила. Значительное повышение давления, например до 5000 кг/см2, способствует ускорению процесса полимеризации в 10--15 раз и увеличению молекулярного веса полимера в 4--5 раз. При одинаковом молекулярном весе полимеров скорость реакции при высоком давлении в 9 раз больше скорости полимеризации при обычном давлении. При блочной полимеризации, вследствие большой ее скорости, низкой теплопроводности мономера и полимера и высокой вязкости сиропа (раствора образующегося полимера в мономере), трудно контролировать молекулярный вес полимера и отводить теплоту полимеризации, которая выделяется в количестве 13,6 ккал/моль. При недостаточном отводе тепла в реакционной смеси резко повышается температура, что приводит к ускорению реакции и образованию полимера с низким молекулярным весом (и худшими механическими свойствами) и возникновению пузырей в изделиях.

1.3 Технологическая схема

Эмульсионную (латексную) полимеризацию эфиров акриловой и метакриловой кислот проводят в водной среде в присутствии инициаторов, растворимых в воде, но нерастворимых в мономере. Реакция протекает с высокой скоростью, образующийся полимер имеет молекулярную массу большую, чем при полимеризации в блоке, суспензии и в растворе.

Полимер образуется в виде латекса, из которого можно выделять твердый продукт в виде тонкодиоперсного порошка.

При эмульсионной полимеризации в качестве эмульгаторов применяют различные мыла (олеиновые), соли органических сульфокислот, сульфированные масла и т. п., а также различные поверхностно-активные вещества неионогенного типа. Инициаторами служат персульфат аммония, пероксид водорода и другие пероксиды, растворимые в воде.

Полимеризацию проводят в нейтральной или слегка кислой среде. Соотношение мономера, воды, эмульгатора и инициатора такое же, как и при полимеризации в суспензии. Реакцию проводят в условиях, аналогичных условиям полимеризации в суспензии при 60--90 °С. Контроль процесса осуществляют по содержанию мономера в полимере, которое по завершении реакции не должно превышать 1--2%. Порошок полимера выделяют из эмульсии путем разрушения ее серной кислотой или испарения воды. Полученный тонкодисперсный порошок фильтруют на центрифуге, отмывают от эмульгатора водой или спиртом, сушат при 40--70 °С и направляют на дальнейшую переработку.

Метод эмульсионной полимеризации широко применяется для получения полиметилакрилата, полибутилметакрилата и других полиакрилатов.

1,2 - мерники; 3 - смеситель; 4 - реактор; 5 - дозреватель; 6,8 - холодильники; 7 - сборник продукта

1. Приготовление исходных компонентов.

Воду и ММА берут в отношении 2:1. В случае если требуется жесткий упругий материал, то рационально применять «бисерный» метод суспензионной полимеризации, получая гранулированный полимер. Инициатором служит персульфат натрия, которую растворяют в мономере (от 0,5 до 1%). В качестве эмульгатора применяют олеиновую кислоту и другие водорастворимые полимеры. Величина гранул зависит от концентрации эмульгатора и скорости перемешивания.

2.Полимеризация.

После перемешивания в течение 10--20 мин в реактор вводят пластификатор, краситель и инициатор, растворимый в мономере. Подачей в рубашку реактора пара поднимают температуру до 70-- 75°С. Через 40--60 мин за счет тепла, выделяющегося в результате полимеризации, температура в реакторе повышается до 80--85°С. Температуру можно регулировать подачей воды или пара в рубашку реактора. Контролем процесса служит определение содержания мономера. Полимеризация продолжается 2--4 ч;

2.Центрифугирование и промывка.

Гранулы полимера легко отделяются и многократно промываются водой для очистки от эмульгатора.

3. Сушка и просеивание

Отмытый порошок загружают на алюминиевые противни тонким слоем и сушат в термошкафах при медленном подъеме температуры в пределах 40--70°С в течение 8--12 ч. После сушки порошок просеивают и укладывают в тару.

Молекулярная масса полиметилметакрилата? получаемого суспензионной полимеризацией составляет 20 000 - 30 000

Материальный баланс

Материальный баланс основывается на законе сохранения массы, который гласит, что масса компонентов, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Gприх = Gрасх.

Производительность 115000 т/год.

Пересчитываем производительность в кг/ч при смене в 4 часа:

Т.к. степень конверсии = 99,5%, то норма загрузки ММАравна:

Исходя из нормы загрузки ММА, рассчитаем 1 масс.ч.:

Исходя из масс.ч. рассчитаем норму загрузки всех компонентов:

ММА кг/ч

Вода кг/ч

Олейновая кислота кг/ч

Персульфат натрия mNa2S2O8 кг/ч

Полученные данные сводим в таблицу:

Таблица 1

((239 475 - 239 080)/ 239 475)*100 % = 0,16 %, что является допустимым

Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса:

Количество теплоты рассчитывается по формуле:

Qмма = 298·79162·0,85 = 20051734,6кДж

QH2O = 298·158334·4,183 = 194 867 987,16кДж

Qэм = 298·1583,2·1,3 = 613 331, 68кДж

QNa2S2O8 = 298·395,9·231,1 = 27 264 762,02кДж

Q?мма = 363·79162·0,85 =24 425 235,1 кДж

Q?Н2О = 363·158334·4,183 =240 246 511, 56 кДж

Q?эм= 363·1583,2·1,3 = 747 112, 08кДж

Q?Na2S2O8 = 363·395,9·231,1 = 33 211 773, 87кДж

Qприх = 20051734,6+ 194 867 987,16 + 613 331, 68 + 27 264 762,02 =

242 797 815 кДж

Qрасх = 24 425 235,1+ 240 246 511, 56 + 747 112, 08+ 33 211 773, 87 =

298 630 633 кДж

Qнагр = Qрасх - Qприх = 298 630 633 - 242 797 815 = 55 832 818кДж

Таблица 2

((298 630 633- 298 630 631)/ 298 630 633)*100 % = 0% что является допустимым

Заключение

В данной курсовой работе были описаны физико-химические свойства сырья и продукции при получении ПММА эмульсионным методом. Рассчитаны материальный и тепловой балансы для производства ПММА эмульсионным методом производительностью 115 000 т/год со сменой 4 часа.

полиметилметакрилат полимеризация метакриловый кислота

Список использованной литературы

Лосев И.П., Тростянская Е.Б. «Химия синтетических полимеров». -изд. 3-е.- М.: Химия. 1971

Николаев А. Ф. Технология пластических масс. Ленинград: Химия, 1977

Данюшин Л. М., Игнатенко Н. Л. Альбом технологических схем получения полимеров по реакциям полимеризации пластических масс на их основе, Новочеркасск, 2009

Размещено на Allbest.ru