Моделирование процесса синтеза поликапроамида

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Моделирование процесса синтеза ПА6 (UNDE)

1.1 Основные физико-химические закономерности технологического процесса

1.1.1 Основные закономерности гидролитической полимеризации капролактама

1.2 Сырье и вспомогательные материалы

1.3 Описание технологического процесса синтеза ПА6

1.3.1 Прием и хранение капролактама

1.3.2 Приготовление добавок

1.3.3 Непрерывная (предварительная и окончательная) полимеризация

1.3.4 Фильтрация и гранулирование

1.3.5 Непрерывная экстракция

1.3.6 Непрерывная сушка

1.3.7 Транспортировка, хранение и затаривание гранулята ПА-6

1.4 Контроль технологического процесса

1.5Описание основного технологического оборудования

1.6 Материальный баланс производства ПКА

1.7 Тепловой баланс стадии полимеризации

1.8 Свойства и области применении готовой продукции

1.9 Свойства и области применения побочной продукции и отходов

1.10 Техника безопасности

1.11 Экологическая безопасность и охрана окружающей среды

2. Математическая модель основного аппарата используемого в производственном процессе

Список использованной литературы

Приложение 1 Технологическая схема производственного процесса

Приложение 2 Разрез основного полимеризатора

Введение

гидролитический полимеризация капролактам гранулят

В настоящее время резко выросли требования к прочности кордных нитей и появилась потребность в производстве кордной ткани марки 30 - 35 КНТС и технических нитей высокой прочности, а спрос на кордную ткань низких марок (низкой прочности) все более сокращается.

Поэтому, при всей сложности экономической ситуации в странах СНГ, наиболее передовые предприятия по выпуску химических волокон направляют свои усилия на техническою реконструкцию существующих или создание новых производств, базирующихся на новых технологиях и оборудовании с целью выпуска конкурентоспособной продукции.

Качество волокна находится в прямой зависимости от качества полимера из которого его получают. Поэтому, процесс подготовки полимера к формованию волокна имеет первостепенное значение. Немаловажная роль при этом отводится процессам полимеризации, экстракции и сушки ПКА и, как следствие этого, их аппаратурному оформлению.

Основными тенденциями в развитии этого оборудования являются:

- повышение производительности и снижение потребления сырьевых и энергетических ресурсов;

- повышение гибкости технологического процесса, обеспечение возможности получения полимера различной вязкости;

- повышение качества полимера за счет улучшения равномерности пребывания полимера в аппарате, повышения точности выдерживания технологических параметров процесса, разработки алгоритмов управления системой автоматического регулирования с применением компьютерной техники;

- “смягчение” технологического режима;

- повышение надежности и долговечности работы оборудования.

Основные тенденции обусловливаются особенностями технологии и различными схемами непрерывной полимеризации, экстракции и сушки ПКА. В то же время, эти тенденции накладывают свой отпечаток на технологические особенности

Основным стратегическим направлением в развитии Филиала «Завод Химволокно» ОАО «Гродно Азот» является повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции за счет улучшения качества и снижения издержек, а также ориентация производства на более глубокую и эффективную переработку сырья. Динамичное развитие Филиала «Завод Химволокно» в плане технического перевооружения, пришедшееся на период с 2000 по 2013 гг. наилучшим образом повлияло на результаты финансово-хозяйственной деятельности предприятия. Именно в этот период были реализованы глобальные инвестиционные проекты, позволившие предприятию заявить о себе как о надежном поставщике продукции на рынки ближнего и дальнего зарубежья, что в свою очередь позволило получить наилучшие показатели финансово-экономической деятельности.

Установка по производству гранулята полиамида 6 ф. «Уде Инвента-Фишер» введена в эксплуатацию в 2011 году для реализации инвестиционного проекта, включенного в Государственную программу инновационного развития Республики Беларусь на 2007 - 2010 г., направленного на реконструкцию производства кордной и капроновой нити с целью производства конкурентоспособной продукции - гранулята полиамида 6, увеличения выпуска продукции и снижения затрат на производство, в том числе энергетических и трудовых. Комплектная установка состоит из двух параллельно эксплуатируемых технологических линий. Мощность установки согласно проекту составляет 260 т/сут по грануляту, в том числе:

- первой комплектной технологической линии по производству гранулята полиамида 6 с относительной вязкостью (3,2 - 3,5) отн. ед. для изготовления нити технического назначения для высокопрочной кордной ткани - 130 т/сут по грануляту;

- второй комплектной технологической линии по производству гранулята полиамида 6 с относительной вязкостью (2,4 - 2,8) отн. ед. для изготовления композиционных материалов и нити текстурированной BCF - 130 т/сут., в том числе для композиционных материалов - 50 т/сут, для нити BCF - 80 т/сут.



1. Моделирование процесса синтеза ПА6 (UNDE)

1.1 Основные физико-химические закономерности технологического процесса

Поликапроамид получается из капролактама (КЛ, LC6) путем проведения ряда реакций, протекающих по полимеризационно-поликонденсационному механизму, приводящих к образованию полиамида-6.

Процесс полиамидирования может происходить только при высоких температурах и в присутствии веществ (активаторов), ускоряющих синтез полимера. Как правило, при нагревании капролактама в отсутствие активаторов поликапроамид не образуется. Это объясняется тем, что энергетические характеристики всех связей в цикле капролактама очень близки и под действием тепловой энергии избирательный разрыв какой-нибудь одной связи маловероятен. Под действием некоторых активаторов (вода, кислоты, основания и некоторые соли) связь углерода с гетероатомом (азотом) расщепляется с раскрытием цикла. Разрывающаяся при раскрытии кольца капролактама амидная связь ?СO?NH? при высоких температурах заменяется такой же связью между мономерными остатками с образованием полимера:

Это характерная особенность полимеризации многих циклических соединений с сохранением той же природы химических связей, отличает ее от поликонденсации и цепной полимеризации.

В отсутствие воды активирующее действие кислот и оснований на процесс полиамидирования капролактама сравнительно невелико. По-видимому, это обусловлено тем, что активирующее действие кислот и оснований проявляется только при их диссоциации.

В производстве в качестве активаторов применяются вода, е-аминокапроновая кислота (АМК) NH₂(CH₂)₅COOH и АГ-соль ? НООС(СН₂)₄СООН•H₂N(CH₂)₆ NH₂.

Активирующее действие АГ-соли основано на отщеплении воды при высокой температуре:

Полиамидирование капролактама в присутствии воды, как активатором, называется гидролитическим полиамидированием.

1.1.1 Основные закономерности гидролитическая полимеризация капролактама

Активирующее действие воды при высокой температуре можно схематически представить следующим образом. В начальной стадии реакции в результате взаимодействия мономера с водой в цикле разрывается связь С?N и образуется е-аминокапроновая кислота:

которая реагирует с молекулой капролактама с образованием димера:



Или

Характер связей в образующихся линейных молекулах, как уже указывалось выше, остается таким же, как в исходном циклическом соединении.

Так начинается зарождение цепей полимера, рост которых продолжается путем полимеризации ? присоединения капролактама к функциональным концевым группам ?NH₂ и ?СООН. С увеличением общего числа функциональных групп, активирующих разрушение цикла, скорость суммарной реакции возрастает, а затем начинает уменьшаться по мере приближения к равновесному состоянию.

Одновременно может протекать поликонденсация путем реакции амидирования с регенерацией воды (активатора):

В то же время под действием воды происходит гидролиз амидных связей в полимере, в результате уменьшается длина макромолекулы поликапроамида и образуются новые аминогруппы и карбоксильные группы:



Процесс уменьшения длины макромолекулярных цепей поликапроамида называется деполиамидированием.

Таким образом, при образовании поликапроамида в присутствии воды устанавливаются два независимых равновесия.

Первым достигается равновесие превращения цикла в звено.линейного полимера, определяющее выход полимера:

С повышением температуры равновесие сдвигается влево и выход полимера уменьшается. Количество активатора, участвующего в процессе полиамидирования капролактама, практически не влияет на равновесный выход полимера.

Несколько медленнее устанавливается равновесие гидролиза амидной связи (“амидное” равновесие), определяющее среднюю молекулярную массу полимера:

Среднее число мономерных звеньев в макромолекулярной цепи поликапроамида является результатом амидного равновесия и зависит от количества активатора, оставшегося при завершении полиамидирования. Чем меньше остается активатора, тем больше средняя степень полимеризации.

На рисунке 1.1 показаны скорости достижения равновесия мономер-полимер и “амидного” равновесия при протекании процесса гидролитического полиамидирования.

Таким образом, полиамидирование капролактама представляет собой сложную систему равновесных реакций, скорость которых в соответствии с общими законами химической кинетики увеличивается с повышением температуры. Реальные системы равновесных реакций более сложны, чем приведенные выше уравнения, иллюстрирующие основные положения процесса.

Начало процесса полиамидирования характеризуется интенсивным образованием е-аминокапроновой кислоты; доля остальных реакций при этом незначительна. После этого наблюдается интенсивное образование олигомеров, которые, как и е-аминокапроновая кислота, обладают способностью ускорять последующий процесс. Поэтому на первых этапах процесса стремятся к достижению максимальной концентрации е-аминокапроновой кислоты и концевых функциональных групп линейных олигомеров.

В дальнейшем протекает полимеризация, которая заканчивается при достижении равновесия мономер-полимер. Скорость достижения равновесия зависит от концентрации участвующих в реакции функциональных групп и температуры и с их повышением равновесие достигается быстрее.



1 - степень полимеризации; 2 - содержание мономера

Рисунок 1.1 Зависимость скорости достижения равновесия “мономер- полимер” и амидного равновесия от продолжительности гидролитического полиамидирования капролактама при 260 °С и содержании воды 2% (масс.)

Параллельно с полимеризацией происходит взаимодействие функциональных групп образовавшихся макромолекул путем поликонденсации. На последней стадии процесса рост макромолекул поликапроамида осуществляется в основном за счет реакции поликонденсации. Удаление воды при поликонденсации сдвигает “амидное” равновесие в сторону образования дополнительных амидных связей и способствует повышению молекулярной массы поликапроамида. Поэтому важное практическое значение имеет соотношение содержания воды на первых и последних стадиях полиамидирования, обеспечивающее проведение всего процесса за минимальное время. Предусматривается своевременное удаление воды из сферы реакции с целью торможения процесса гидролиза амидных связей, и достижения высокой степени полимеризации. Однако это может привести к образованию полимера с увеличенной средней молекулярной массой, который не может быть использован по причине своей технологической неперерабатываемости для формования нитей. Средняя степень полимеризации поликапроамида должна быть в пределах 130ч200; средняя молекулярная масса ?15000ч23000 кг/кмоль.

Для того, чтобы получить полимер такой молекулярной массы, нужно вовремя прервать процесс полиамидирования. Для этого применяются реагенты, ограничивающие (регулирующие) степень полимеризации, и которые называются поэтому регуляторами - стабилизаторами молекулярной массы полимера. Они добавляются в капролактам вместе с активаторами перед загрузкой в аппарат-полимеризатор.

В качестве регуляторов могут быть использованы вещества, способны взаимодействовать с двумя концевыми группами поликапроамида, блокируя их. Для блокировки аминогрупп обычно используются карбоновые кислоты, которые на конце макромолекулы поликапроамида, образуют замещенные амидные группы:

Для блокирования карбоксильных групп полиамида-6 применяются щелочи или амины.

Веществами, регулирующими степень полимеризации, обеспечивается стабильность средней заданной степени полимеризации в процессе получения полимера и при формовании нитей.

В качестве регуляторов (стабилизаторов) могут быть использованы различные вещества: уксусная (CH₃COOH), адипиновая (HOOC(CH₂)₄COOH), пальмитиновая (C₁₅H₃₁COOH), бензойная (С₆Н₅СООН) и стеариновая (C₁₇H₃₅COOH) кислоты, едкий натр (NaOH), уксуснокислый бутиламин (CH₃CONHCH₂CH₂CH₂CH₃) и др. В производстве чаще всего применяется бензойная кислота в количестве 0,2ч0,3% от массы капролактама.

Следовательно, задаваясь минимальным содержанием воды и применяя регуляторы, можно получить поликапроамид с заданной средней молекулярной массой.

Скорость реакции образования поликапроамида зависит от температуры процесса, который начинается уже при 130ч140 °С, но протекает очень медленно. С повышением температуры на 10 °С скорость реакции возрастает в два раза, то есть в два раза быстрее достигается состояние равновесия. Однако при температуре, превышающей оптимальную (245ч260 °С), возрастает скорость обратной реакции. Например, содержание водорастворимых низкомолекулярных веществ в продукте при 250 °С составляет 7,5ч8% (масс.), а при 290 °С достигает 12ч12,5% (масс.) при этом водорастворимые низкомолекулярные соединения приблизительно на ²/₃ состоят из мономера и на ¹/₃? из его циклических димеров и тримеров.

При снижении температуры полиамидирования содержание низкомолекулярных соединений (НМС) в полимере также уменьшится, но при этом уменьшится производительность аппаратов. Кроме того, резко возрастает эффективная вязкость расплава поликапроамида, соответственно при этом затруднится не только разгрузка аппаратов, но и перемешивание массы полимера в процессе реакции, а также удаление воды из полимера после окончания полиамидирования.

Зависимость вязкости достигшего равновесия поликапроамида от температуры характеризуется следующими данными (таблица 1.1):

Таблица 1.1

Зависимость вязкости расплава ПКА от температурного режима синтеза

Температура, °С	230	240	250	260
Эффективная вязкость расплава, Па•с	200ч300	70ч80	40ч45	30ч35

Поликапроамид при высоких температурах очень чувствителен к воздействию кислорода и других химических активных реагентов. Так, в присутствии кислорода воздуха при повышенной температуре между макромолекулами поликапроамида образуются поперечные химические связи (“азот-азотные мостики”), то есть происходит “сшивка” полимера (вплоть до лбразования трехмерной сетки макромолекул):

Без воздействия кислорода, но с повышением температуры расплава наблюдается выделение аммиака, и сопровождающееся также возникновением трехмерных структур с образованием “углерод-азотных мостиков:

“Сшитый” полимер, как известно, теряет способность плавиться. Даже незначительное окисление поликапроамида сопровождается некоторым пожелтением продукта и резким ухудшением его волокнообразующих свойств. Предотвращение окисления полимера на всех стадиях технологического процесса производства имеет очень большое значение для получения капроновых нитей высокого качества. Поэтому полиамидирование капролактама, а также расплавление поликапроамида всегда проводятся в среде инертного газа ? азота, причем содержание кислорода в нем не должно превышать 0,0005% (объемн.). Нельзя допускать, чтобы полимер, нагретый до 70 °С и выше, соприкасался с воздухом.

Кроме того, применяются вещества, предохраняющие полимер от окисления при синтезе и последующем его использовании, которые называются антиоксидантами. К числу таких веществ относятся ароматические амины и их производные (“Н-1”, эфиры некоторых органических кислот и др.). При добавлении антиоксидантов в количестве 0,5ч1% (масс.) не только уменьшается окисление поликапроамида на всех стадиях технологического процесса, но и существенно повышается термостойкость готовых капроновых нитей, то есть предотвращается резкое снижение прочности после длительного прогрева их на воздухе.

1.2 Сырье и вспомогательные материалы

Поликапроамид получается из капролактама (КЛ, LC6) в результате процесса полимеризации.

КЛ представляет собой твердое вещество с температурой плавления 68,8°С, температурой кипения 262,5°С. Это вещество по степени воздействия на организм человека относится к умеренно-опасным (3 класс опасности). При вдыхании воздуха, содержащего пары капролактама, наблюдается раздражение слизистых оболочек, а попадание его на кожу вызывает шелушение. Капролактам горючий материал. Горение капролактама происходит с выделением дыма, в котором содержатся токсичные вещества (окислы азота, окись углерода, аммиак).

В технологическом процессе для обогрева технологического оборудования применяется высокотемпературный органический теплоноситель динил (даутерм, дифил) - эвтектическая азеотропная смесь 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилового эфира. Динил - горючая жидкость с резким характерным запахом. По степени воздействия на организм человека относится к умеренно-опасным веществам (3 класс опасности). Пары динила при превышении ПДК вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. При длительном вдыхании паров появляются признаки отравления: головокружение, головные боли, тошнота.

Для нагрева динила в испарителях, обогрева оборудования и трубопроводов в технологическом процессе применяется теплоноситель терминол 66. По степени воздействия на организм человека относится к умеренно-опасным веществам (3 класс опасности).

В качестве стабилизатора молекулярной массы в технологическом процессе применяется уксусная кислота (CH₃COOH). По степени воздействия на организм человека вещество относится к умеренно-опасным (3 класс опасности). При превышении предельно - допустимой концентрации пары уксусной кислоты действуют раздражающе на слизистую оболочку верхних дыхательных путей. Уксусная кислота вызывает также ожоги кожи. При работе с уксусной кислотой следует применять индивидуальные средства защиты (фильтрующие противогазы марок В и БКФ), а также соблюдать правила личной гигиены. Не допускается попадание уксусной кислоты внутрь организма.

1.3 Описание технологического процесса синтеза ПА6

Технологический процесс производства гранулята полиамида-6 непрерывным способом из жидкого капролактама на комплектной установке ф. «Уде Инвента-Фишер» (Рисунок 1.3) состоит из следующих основных стадий:

- прием сырья и подготовка добавок;

- непрерывная полимеризация (предварительная и окончательная);

- фильтрация расплава, формование стренг (жилок) и гранулирование;

- непрерывная экстракция низкомолекулярных соединений (НМС);

- непрерывная сушка/твердофазная постконденсация (ТПК) гранулята;

- транспортировка, хранение и затаривание гранулята;

- концентрирование лактамной воды в вакуум-выпарной установке (ВВУ);

- нагрев высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ) (первичный контур) и обогрев оборудования.



1(АТ 2201) - многофункциональный реактор; 2.(AR 2201) - реактор предполимеризации; 3.(AR 2202) - реактор полимеризации; 4.(АР 2203А) - выгружной насос; 5.(AS 2206А) - фильтр; 6.(АВ 2201А) - литьевой блок; 7.(AS 2202А) - центрифуга; 8.(AS 2204А) - отделитель непрорубов; 9.(АТ 2301А) - предэкстрактор; 10.(AS 2302А) - отделитель гранулята/вода; 11.(АС 2301) - экстрактор; 12.(АР 2305А) - струйный насос; 13.(AS 2301А) - отделитель гранулят/вода; 14.(AD 2401А) - сушилка ТПК; 15.(АТ 2401А) - промежуточный бункер для гранулята.

Рисунок 1.3 Принципиальная технологическая схема получения гранулята ПА6 на установке ф. «Уде Инвента-Фишер»

1.3.1 Прием и хранение капролактама

Жидкий капролактам из баков для хранения капролактама при помощи центробежных насосов по обогреваемому трубопроводу подается через фильтры и счетчики в промежуточную емкость для капролактама поз.АТ1101.

Обогрев баков для хранения капролактама, обогрев лактамопровода от баков для хранения капролактама до счетчиков осуществляется горячей водой с температурой (90 - 95) ⁰С от автономного контура вакуум-выпарной установки концентрирования лактамной воды. Для обогрева промежуточная емкость для капролактама поз. АТ1101 оснащена змеевиком, в котором циркулирует горячая вода с температурой (105 - 110) ⁰С.

Вода нагревается в нагревателе для горячей воды и циркуляционным насосом для горячей воды подается в:

- змеевик для обогрева промежуточной емкости для капролактама поз. АТ1101;

- рубашки обогрева лактамопроводов, центробежных насосов, двойного фильтра для капролактама;

- змеевик приемной емкости вакуум-выпарной установки;

- рубашки обогрева трубопроводов подачи капролактамной воды с ВВУ в предэкстракторы поз. АТ1301(АТ2301), выгружного насоса поз. АТ1203(АТ2203), трубопроводов концентрированного раствора капролактама, емкости для концентрированного раствора капролактама поз. АТ1505, бака для дегазации поз. АS1302(АS2302).

Из промежуточной емкости поз. АТ1101 капролактам по обогреваемому трубопроводу непрерывно подается центробежным насосом через обогревной двойной фильтр для капролактама, предусмотренный для удаления возможных загрязнений, и далее разделяется на три потока:

- один из потоков предусмотрен для подачи капролактама через регулирующий клапан в приемную емкость поз. АТ1505 вакуум-выпарной установки;

- два потока - к многофункциональным реакторам поз. АТ1201(АТ2201) для проведения процесса непрерывной полимеризации.

Системой управления осуществляется автоматический контроль давления капролактама в трубопроводе перед и после двойного фильтра.



1.3.2 Приготовление добавок

Процесс приготовления регулятора молекулярной массы (обессоленная вода и уксусная кислота) осуществляется в емкости приготовления стабилизатора, которая представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат со сферической крышкой и днищем, вместимостью - 1,7 м³. Для перемешивания раствора емкость оснащена мешалкой. В емкость приготовления стабилизатора подается расчетное количество обессоленной (деминерализованной) воды и уксусной кислоты.

Системой управления осуществляется автоматический контроль уровня в емкости приготовления стабилизатора. Для визуального контроля предусмотрено смотровое стекло с подсветкой. Полученный раствор перемешивается, отбирается проба на анализ для определения массовой доли кислоты и при получении положительных результатов анализа, раствор из емкости приготовления стабилизатора передается центробежным насосом в расходную емкость стабилизатора-вертикальный цилиндрический аппарат вместимостью 3,0 м^3..Далее раствор дозируется насосом для стабилизатора через фильтр в соответствующий лактамопровод непосредственно перед многофункциональными реакторами поз. АТ1201(АТ2201).

Системой управления осуществляется автоматический контроль уровня раствора уксусной кислоты в расходной емкости, давления перед и после насоса для стабилизатора.

Дозировка раствора уксусной кислоты в многофункциональный реактор АТ1201(АТ2201) регулируется автоматически, пропорционально объемному расходу подаваемого капролактама и в зависимости от установленного необходимого соотношения добавок и капролактама, поступающих на полиамидирование.



1.3.3 Непрерывная (предварительная и окончательная) полимеризация

Поликапроамид (полиамид 6) образуется из мономера (е-капролактама) путем проведения ряда реакций, протекающих по механизму полимеризации и поликонденсации (полиамидирование).

При гидролитическом полиамидировании капролактама протекают следующие химические реакции:

- гидролиз (начальная стадия с открытием кольца и полиприсоединением в качестве доминирующих реакций);

- полиприсоединение (главная стадия образования с реакцией полиприсоединения в основном);

- поликонденсация (стадия приведения в равновесие с реакцией поликонденсации).

Процесс может происходить только при высоких температурах и в присутствии веществ, ускоряющих реакцию полиамидирования капролактама. Дозирование компонентов реакции полиамидирования - капролактама, обессоленной воды и раствора уксусной кислоты осуществляется непрерывно в многофункциональный реактор поз. АТ1201(АТ2201).

Для каждой технологической линии предусмотрена техническая возможность работы с вводом регенерированного капролактама и без ввода.

Имеется четыре линии подачи компонентов реакции полиамидирования в многофункциональный реактор поз. АТ1201(АТ2201):

- капролактам из промежуточной емкости для капролактама поз. АТ1101;

- концентрат капролактама (при необходимости) из емкости для концентрированного раствора поз. АТ1506;

- обессоленная вода или конденсат из емкости для конденсата;

- раствор уксусной кислоты из расходной емкости стабилизатора поз. АТ1111.

Раствор уксусной кислоты и обессоленная вода (конденсат) дозируются в заданном соотношении непосредственно в поток капролактама перед входом в многофункциональный реактор.

Соотношение капролактам/добавки регулируется автоматически в зависимости от количества вводимого сырья в многофункциональный реактор. Уровень заполнения реактора регулируется (поддерживается постоянным) автоматической системой управления регулятором массового расхода товарного капролактама.

Ввод концентрата капролактама в многофункциональный реактор вводится в автоматическом режиме в зависимости от уровня в сборнике для концентрированного капролактама поз.АТ1506.

В многофункциональном реакторе осуществляется непрерывное перемешивание компонентов реакционной смеси, их гомогенизация и предварительный нагрев за счет циркулирующих в змеевиках паров ВОТ. Для исключения возможности окисления реакционной смеси кислородом воздуха в верхнюю часть многофункционального реактора подается азот.

Системой управления осуществляется автоматический контроль и регулирование температуры паров в колонне с дефлегматором. Нагретая реакционная смесь из многофункционального реактора по обогреваемому жидким теплоносителем трубопроводу самотеком передается через регулирующий клапан в реактор предполимеризации поз. АR1201(АR2201). Перетекание происходит за счет разности уровня.

Полиамидировании капролактама протекает в две стадии:

- предварительное полиамидирование в реакторе предполимеризации поз. АR1201(АR2201), в котором начинается реакция полимеризации;

- окончательное полиамидирование в реакторе полимеризации поз. АR1202(АR2202), в котором полимер доводится до требуемой вязкости.

Процесс предварительного полиамидирования проводится непрерывно при высокой температуре, которая обеспечивается за счет обогрева парами динила от испарителя и под давлением в реакторе предполимеризации поз. АR1201(АR2201).

Поступающая в первую зону реактора предполимеризации реакционная смесь стекает ровным слоем по конусообразной направляющей во вторую зону, где дополнительно подогревается. При этом происходит частичное испарение воды и мономерного лактама в первую зону аппарата, из которой пары отводятся по трубопроводу в колонну с дефлегматором поз. АС1201 и далее в конденсатор поз. АН1201 (АН2201), где конденсируются за счет подачи воды речной техпотребителей. Часть паров воды и лактама конденсируется в колонне и возвращается обратно в реактор. Для исключения возможности окисления реакционной смеси кислородом воздуха в первую зону реактора подается азот. Автоматической системой управления осуществляется контроль и регулирование уровня в реакторе, контроль температуры расплава в пяти температурных зонах аппарата. Регулирование температуры расплава (тем самым регулирование массовой доли влаги) осуществляется в первой зоне.

Из реактора предполимеризации поз. АR1201(АR2201) расплав полимера за счет разности давлений передается по трубопроводу, обогреваемому жидким ВОТ, через клапан регулирующий, в реактор полимеризации поз. АR1202(АR2202), для проведения второй стадии полиамидирования. Полимер постепенно доводится до необходимого качества в процессе окончательного полиамидирования при разряжении и высокой температуре.

При нормальном режиме работы средняя лопасть мешалки поз. АМ1202 должна касаться уровня расплава. Вход расплава полимера осуществляется через кольцевой зазор, расположенный по диаметру всего корпуса аппарата, что способствует образованию большой активной поверхности и быстрому испарению воды.

За счет дополнительного удаления воды из расплава происходит сдвиг равновесия в сторону образования дополнительных амидных связей, что способствует повышению молекулярной массы поликапроамида. Процесс протекает по механизму реакции поликонденсации. Испаряющиеся пары воды и мономера из верхней зоны реактора полимеризации поз. АR1202(АR2202), отводятся через колонну с дефлегматором поз. АС1202 (АС2202) в конденсатор поз. АН1202 (АН2202). В колонне с дефлегматором пары конденсируются и возвращаются обратно в реактор. Разряжение в верхней зоне реактора полимеризации создается с помощью вакуумного насоса с компенсационной емкостью (гидрозатвором) поз. АР1510А/АР1510В. Разрежение в реакторе полимеризации поддерживается постоянным с помощью клапана регулирующего PCV1205 (PCV2205), установленного на вакуумной линии VAC-120009-50-Н13 (VAC-220009-40-Н13). Автоматической системой управления осуществляется контроль и регулирование заданного параметра с сигнализацией при его отклонении.

При необходимости наработки на одной из линий полиамида 6 с относительной вязкостью (2,40 - 2,80) реактор полимеризации поз. AR1202 (AR2202) работает под давлением, для чего в аппарат предусмотрена подача азота, а вакуумная линия перекрывается. Вакуум и высокая температура в верхней зоне аппарата способствуют более интенсивной отгонке паров воды и НМС из расплава, что приводит к повышению его вязкости.

Реактор полимеризации условно разделен на четыре зоны обогрева. Верхняя зона реактора снабжена рубашкой обогрева и внутренним теплообменником специальной конструкции, который представляет собой решетку с обогревающими элементами в форме «галстука». В рубашку обогрева и в обогревающие элементы теплообменника подается парообразный ВОТ из испарителя динила. Нижняя зона реактора снабжена рубашкой обогрева жидким ВОТ и имеет три отдельных контура циркуляции с помощью:

- циркуляционного насоса ВОТ поз. АР1804 (АР2804) - поступает на обогрев средней части реактора;

- циркуляционного насоса ВОТ поз. АР1803 (АР2803) - поступает в рубашку обогрева трубопровода между реактором полимеризации и стренговым гранулятором, в рубашку обогрева нижней части полимеризатора;

- циркуляционного насоса ВОТ поз. АР1802 (АР2802) - поступает во встроенный теплообменник нижней части реактора.

Из верхней зоны аппарата расплав полимера поступает через теплообменник специальной конструкции, который обеспечивает нагрев и гомогенность потока расплава, в нижнюю зону аппарата.

В нижней части реактора расположен теплообменник, который способствует мягкому температурному переходу расплава из высокотемпературной зоны в низкотемпературную.

Отвод тепловой энергии осуществляется за счет передачи тепла жидкому ВОТ, который подается в рубашку обогрева многофункционального реактора поз. АТ1201 (АТ2201) на обогрев. При постоянном содержании воды и пониженной температуре повышается степень полиамидирования (вязкость) поликапроамида. Для обеспечения ламинарного потока расплава полимера при последовательном возрастании его вязкости в средней части аппарата установлено 9 штук и в нижней - 6 штук конусообразных с различной перфорацией металлических пластин. Заканчивается нижняя часть реактора конусом, переходящим в штуцер для слива расплава полимера.

Перфорированные металлические пластины предотвращают образование сетчатого полимера, способствуют образованию полимера линейной структуры требуемой вязкости. Температура расплава поддерживается в необходимых пределах за счет обогрева парообразным и жидким теплоносителями ВОТ.

Автоматической системой управления осуществляется контроль и регулирование уровня в реакторе, контроль температуры расплава в шести температурных зонах аппарата. Регулирование температуры расплава осуществляется в верхней зоне. Регулирование уровня расплава в аппарате осуществляется с помощью клапана регулирующего LCSV1203 (LCSV2203). Расплав полимера выгружается через выходной штуцер нижней части реактора полимеризации, разделяясь на две технологические линии А и В, и с помощью выгружных насосов для полимера поз. АР1203А,В (АР2203А, В) подается на фильтрацию с последующим гранулированием.

Производительность регулируется настройкой скорости работы выгружных насосов для полимера поз. АР1203А,В (АР2203А, В). Изменение производительности влечет изменение времени пребывания, эффекта испарения вверху реактора, теплового баланса и, следовательно, температуры в большинстве зон реактора, что ведет к изменению относительной вязкости и содержания НМС в расплаве полимера. Более высокая производительность вызывает снижение относительной вязкости и увеличение содержания НМС, более низкая производительность приводит к обратному эффекту. Производительность не должна варьировать более чем (70 - 110) % номинальной мощности.

1.3.4 Фильтрация и гранулирование

Фильтрация расплава осуществляется на фильтре для плава поз. AS1206A,В (AS2206A,В), в котором в качестве фильтрующего материала применяется комплект стальных сит диаметром 270 мм. Комплект представляет собой 6-х слойный пакет сит с различным размером стороны ячейки (опорное сито 1250мкм, опорное сито 315 мкм, опорное сито 125 мк, фильтровальное сито 20 мкм, опорное сито 630 мкм).

Фильтр оснащен рубашкой обогрева жидким ВОТ, поступающим от циркуляционного насоса ВОТ поз. АР1803 (АР2803).

Автоматической системой управления осуществляется контроль давления расплава после выгружных насосов, перед и после фильтра для расплава. В случае превышения давления перед фильтром для расплава выгружной насос автоматически отключается.

Отфильтрованный расплав полимера поступает в литьевой блок линии стренговой грануляции поз. АВ1201А,В (АВ2201А,В) с устройством резки гранулята. Литьевой блок обогревается жидким ВОТ от циркуляционного насоса ВОТ поз. АР1803 (АР2803). В состав блока входят: литьевая головка, фильерный комплект с фильерой. В фильерном комплекте поступающий полимерный расплав равномерно распределяется по поверхности, гомогенизируется и при выходе из отверстий фильеры формируется в полимерные жилки (стренги). На участке расплавопровода между фильтром и литьевым блоком линии стренговой грануляции предусмотрен пробоотборник GSA12015А,В (GSA22015А,В), который также используется для опорожнения участка расплавопровода от полимера при замене фильерного комплекта.

Для предварительного нагрева литьевых фильер и фильтра расплава предусмотрено устройство подогрева сменных элементов поз. АН 1208.

Диаметр гранул и соответственно их геометрическая форма могут изменяться в пределах устанавливаемых характеристиками материала и конструкцией привода:

-при использовании фильеры с различной геометрией и количеством отверстий;

-при постоянном расходе потока полимера через фильеру литьевой головки диаметр стренг может быть уменьшен или увеличен путем изменения скорости подачи, при этом полимерные стренги на пути к режущей головке вытягиваются в большей или меньшей степени.

После резки, охлажденный лишь в поверхностной зоне гранулят, из устройства резки подается транспортирующей водой в устройство дополнительного охлаждения водой, а затем смесь гранулята и воды поступает в центрифугу (сушилку) поз. AS1202A,В (AS2202A,В).

Принцип работы центрифуги (сушилки) заключается в следующем: в предварительном сепараторе, до достижения гранулятом ротора, за счет силы тяжести вода (около 95 %) отделяется от гранулята и самотеком возвращается в емкость воды для резки поз. АТ1205 (АТ2205). На роторе гранулят подается вверх наклонно установленным лопаткам за счет центробежной силы, создаваемой вращающимся ротором. Оставшаяся на гранулах вода отделяется за счет ударов о лопатки ротора, роторного сита и встречного потока воздуха. Вытяжной вентилятор всасывает воздух через центрифугу, создавая тем самым противоток воздуха грануляту и небольшое разряжение на выходе гранулята из центрифуги. Для оптимальной работы центрифуги должен быть отрегулирован встречный поток воздуха. При идеальных условиях осушки (если гранулят имеет гладкую поверхность, температура внутри гранул составляет минимум 60 ⁰С и не содержатся мелкие частицы, агломерат и добавки) за счет центробежной силы, встречного потока воздуха и остаточного тепла внутри гранулята поверхностная влажность гранул в зависимости от полимера и гигроскопичности, снижается примерно до 2,0 %. Температура гранулята и расход воды на гидротранспортирование при этом решающим образом влияет на достигаемую остаточную влажность. Из центрифуги (сушилки) гранулят через отделитель непрорубов поз. AS1204А,В (AS2204А,В) подается в предэкстактор поз. АТ1301А,В (АТ2301А,В). Отделитель непрорубов представляет собой качающееся сито, назначение которого - отделить гранулы несоответствующего размера при нормальном ведении технологического процесса.

В процессе литья жилок и гранулирования выделяются пары НМС (мономеры), которые могут оседать на поверхности фильеры и влиять на процесс выхода стренг из отверстий фильеры, а также к образованию включений в грануляте. Вытяжка паров НМС из-под отверстий фильеры осуществляется через специальную воронку системой отсоса, за счет разряжения создаваемого водоструйным насосом поз. АР1208 (АР2208).

Для обогрева зоны отсоса паров НМС, с целью исключения кристаллизации мономера, подается пар.

В струе воды происходит растворение НМС. Отсасываемая смесь по трубопроводу сливается в сепаратор поз.AS1207/2207, где происходит разделение газовой фракции и насыщенной капролактамом воды, которая затем сливается самотеком в емкость воды для резки поз.АТ1205 (2205), а пары капролактама выбрасываются в атмосферу.

1.3.5 Непрерывная экстракция

Сущность процесса экстрагирования заключается в удалении из гранулята водорастворимых низкомолекулярных соединений (мономеров и циклических димеров, тримеров и др.) методом обработки его горячей вод. Процесс экстракции НМС осуществляется в два этапа: предэкстракция гранулята и экстракция.

Предварительная экстракция (удаление) НМС из гранулята ПА6, поступившего от отделителя непрорубов поз. AS1204А,В (AS2204А,В), проводится в предэкстракторе поз. АТ1301А,В (АТ2301А,В).

Водогранулятная смесь от отделителя непрорубов подается через входной штуцер, расположенный сбоку верхней части уравнительной трубы, в предэкстрактор поз. АТ1301А,В (АТ2301А,В). Противотоком грануляту снизу-вверх движется горячая лактамная вода с температурой 90-100 ⁰С, растворяя олигомеры, в том числе циклические из гранулята.

Лактамная вода питающим насосом поз. АР1501А/АР1501В подается по обогревному трубопроводу FNW-130007А,В-50-НН01 (FNW-230007А,В-50-НН01) из приемной емкости поз. АТ1505 вакуум-выпарной установки, нагревается в теплообменнике поз. АН1302А,В (АН2302А,В) за счет пара и через клапан регулирующий FCSV1305А,В (FCSV2305А,В) подается в распределительное кольцо вокруг нижней части предэкстрактора. Из распределительного кольца лактамная вода подается в форсунки для равномерного распределения по всему диаметру аппарата, снизу-вверх проходит предэкстактор, промывая гранулят, и выходит через решетчатый переливной патрубок в верхней части аппарата, создавая, таким образом, противоток.

Из предэкстрактора лактамная вода через перелив и водяной пар через воздушник отводятся в приемную емкость поз. АТ1505 вакуум-выпарной установки. Уровень воды в предэкстракторе остается постоянным за счет S-образного колена трубы после перелива из предэкстрактора.

Предэкстактор работает непрерывно: водогранулятная смесь постоянно поступает через штуцер в верхней части уравнительной трубы и через нижний штуцер постоянно выгружается с помощью струйного насоса гранулят/вода поз. АР1304А,В (АР2304А,В) в линию гидротранспорта для передачи в отделитель гранулят/вода поз. AS1302А,В (AS2302А,В). Передача смеси, поступающей по трубопроводу FNV-130008А,В-100-Н07 (FNV-230008А,В-100-Н07), осуществляется потоком воды из бака для дегазации поз. АТ1302 (АТ2302) с помощью подающего насоса предэкстракции поз. АР1301А,В (АР2301А,В).

Отделитель гранулят/вода поз. AS1302А,В (AS2302А,В) установлен непосредственно над экстрактором поз. АС1301 (АС2301). Водогранулятная смесь из предэкстрактора непрерывно подается в отделитель гранулят/вода, в котором установлен перфорированный лист (дугообразное сито) для удержания гранулята и отделения воды. Отработанная вода собирается в нижней части отделителя и непрерывно самотеком передается в бак для дегазации поз. АТ1302 (АТ2302), откуда снова с помощью подающего насоса предэкстракции поз. АР1301А,В (АР2301А,В) подается на гидротранспортирование смеси из предэкстрактора в отделитель гранулят/вода.

Процесс экстракции - удаления низкомолекулярных соединений из полимера, осуществляется в экстракторе поз. АС1301 (АС2301) за счет подачи горячей дегазированной воды.

Гранулят ПА6 из отделителя гранулят/вода непрерывно поступает через два штуцера, расположенные на крышке аппарата, в экстрактор. Дегазированная экстракционная вода, поступая снизу аппарата, движется навстречу потоку гранулята снизу вверх (противотоком), вымывая низкомолекулярные соединения из гранулята. Нагрев воды осуществляется в теплообменнике поз. АН1301 (АН2301) за счет пара. Циркуляция экстракционной воды обеспечивается насосом для экстракционной воды поз. АР1303 (АР2303)/АР3303. С целью исключения окисления гранулята кислородом воздуха при экстрагировании экстракционная вода проходит через установку удаления воздуха поз. АТ1304. Выделяемый кислород выходит в атмосферу. Подпитка контура экстракционной воды осуществляется обессоленной водой или конденсатом (из емкости для конденсата поз. АТ1508 вакуум-выпарной установки). Нагрев воды осуществляется в теплообменнике поз. АН1303 за счет пара. Нагретая в теплообменнике вода поступает в установку удаления воздуха поз. АТ1304 и далее насосом для экстракционной воды поз. АР1303 (АР2303)/АР3303 через теплообменник поз. АН1301 (АН2301) подается в нижнюю часть экстрактора. Перелив воды из установки удаления воздуха поз. АТ1304 передается в приемную емкость поз. АТ1505 вакуум-выпарной установки.

Соотношение эффективного (рабочего) объема к общему объему экстрактора составляет около 80 %. Для достижения оптимального времени экстракции (высокого коэффициента диффузии), гранулят ПА6 нагревается до возможно высокой температуры за счет горячей дегазированной экстракционной воды, а также вследствие гидростатического давления внизу экстрактора (высота аппарата 24,5 м), что приводит к повышению температуры экстракционной воды. Уровень воды в экстракторе остается постоянным за счет S-образного колена трубы после перелива из экстрактора. Отработанная экстракционная вода выходит через решетчатый переливной патрубок экстрактора, соединяется с водой с отделителя гранулят/вода поз. AS1302А,В (AS2302А,В) и поступает в бак для дегазации поз. АТ1302, из которого снова с помощью подающего насоса предэкстракции поз. АР1301А,В (АР2301А,В) подается на гидротранспортирование смеси из предэкстрактора в отделитель гранулят/вода.

Гранулят ПА6 поступает в экстрактор, проходит внутренние полые желоба специальной конструкции, которые обеспечивают движение гранулята только сверху вниз, а воды снизу вверх и через два конуса, расположенные в днище экстрактора, постоянно выгружается с помощью струйного насоса гранулят/ вода поз. АР1305А,В (АР2305А,В) в линию гидротранспорта для передачи в отделитель гранулят/вода поз. AS1301А,В (AS2301А,В).

1.3.6 Непрерывная сушка

Сущность процесса заключается в осушке гранулята ПА6 до низкого и равномерного содержания влаги и для увеличения относительной вязкости путем обработки гранулята нагретым азотом и частичной твердофазной постконденсации. Водогранулятная смесь из экстрактора непрерывно подается в отделитель гранулят/вода (центрифуга) поз. AS1301А,В (AS2301А,В) типа TURBO CASCADE C522 G, установленный над сушилкой и представляющий собой цилиндрический аппарат, оснащенный ситами, ротором и имеет выходные каналы для гранулята и отделенной воды (фильтрата). Предназначен для отделения воды от гранулята за счет центробежной силы. Метод отделения гранулята от воды TURBO CASCADE заключается в том, что гранулят проходит через сита расположенные в центрифуге ступенями «каскадами».

Освободившийся от транспортирующей воды, гранулят из отделителя гранулят/вода (центрифуга) самотеком непрерывно подается в сушилку/ТПК.

Аппарат условно разделен на три зоны: две зоны предварительной и окончательной (глубокой) сушки и зона охлаждения гранулята в теплообменнике. Каждая зона имеет индивидуальную подачу азота. В зону предварительной сушки азот вводится двумя потоками: через внутреннюю распределительную трубу и через карман в корпусе сушилки. Поступающий через верхний штуцер сушилки влажный гранулят проходит аппарат сверху вниз, сушится встречным потоком горячего азота и доводится до конечной вязкости, путем регулирования температуры азота и за счет дополиконденсации гранулята. В зоне предварительной сушки гранулят освобождается от поверхностной влаги, в зоне окончательной сушки- от внутренней (капиллярной) влаги за счет раздельной подачи горячего азота с заданной температурой.

В поток осушенного азота после азотного газоочистителя поз. АС1401А,В (АС2401А,В) вводится водород. Далее осушенный и охлажденный азот поступает в экономайзер поз. АН1406А,В (АН2406А,В), где, в свою очередь является хладоагентом для влажного азота поступающего из сушилки на осушку в азотный газоочиститель. В экономайзере азот нагревается и азотной газодувкой поз. АР1402А,В (АР2402А,В) подается в реактор очистки азота поз. AR1401А,В (AR2401А,В).

Процесс каталитической очистки азота представляет собой каталитическое окисление (сжигание) кислорода на поверхности платино-палладиевого катализатора.

Узел очистки азота состоит из реактора очистки, автоматического дозатора водорода, устройства измерения объемной доли кислорода в потоке азота и устройства измерения объемной доли водорода. Способ очистки азота заключается в добавлении к нему водорода. Азотно-водородная смесь подается в реактор, заполненный катализатором. На поверхности катализатора происходит окисление водорода. Эта реакция экзотермическая: температура очищаемого газа поднимается в зависимости от концентрации в нем кислорода. Измерение объемной доли водорода в очищенном азоте осуществляется измерительным прибором (анализатором).

Осушенный гранулят охлаждается во встроенном в нижнюю зону сушилки теплообменнике специальной конструкции за счет подачи воды охлаждающей и непрерывно выгружается через нижний штуцер шлюзовым питателем поз. СА1401А,В (СА2401А,В), который обеспечивает равномерную подачу гранулята в промежуточный бункер для гранулята поз. АТ1401А,В (АТ2401А,В).

Отбор проб гранулята для проведения анализа осуществляется через пробоотборник расположенный в нижней части промежуточного бункера. В рабочем состоянии корпус сушилки/ТПК полностью заполнен. Системой управления осуществляется автоматический контроль температуры в сушилке, уровня и давления в промежуточном бункере для гранулята. Предусмотрен останов шлюзового питателя при минимальном расходе охлаждающей воды в теплообменник зоны охлаждения и при максимальной температуре в зоне охлаждения.

1.3.7 Транспортировка, хранение и затаривание гранулята ПА-6

Транспортирование гранулята осуществляется роторно-конвейерной установкой с тактовой подачей, обеспечивающей минимальное образование пыли, в потоке охлажденного азота. Пневмотранспорт представляет собой замкнутую систему, в которой осуществляется циркуляция азота за счет компрессорной станции поз. АХ9610.

Пневмотранспортирование и хранение гранулята ПА6 осуществляется в среде азота с целью исключения возможности окисления гранулята кислородом воздуха. Освободившийся от гранулята азот из устройств подачи гранулята и бункеров для гранулята по возвратному трубопроводу сначала поступает на фильтр рукавный поз. AS9610, затем проходит фильтр патронный поз. AS9611.

Фильтры предназначены для удаления пыли из пылегазовых смесей. Из бункеров для гранулята поз. АТ3601, АТ1601, АТ2601А,В гранулят ПА6 самотеком через установленные на трубопроводах соответствующие задвижки с пневмоприводом в заданном массовом количестве передается на установки затаривания гранулята поз. АХ9611, АХ9612.1, АХ9612.2, где упаковывается в мешки или мягкие специализированные контейнеры для сыпучих грузов типа BIG-BAG в соответствии с требованиями ТНПА и контрактов.



1.4 Контроль технологического процесса

Скорость процесса полимеризации капролактама и свойства получаемого поликапроамида, определяемые его молекулярной массой, в значительной мере зависят от содержания стабилизатора и активатора в реакционной массе, длительности пребывания ее в полимеризационном аппарате, а также от температуры массы в ходе процесса полимеризации. Поэтому для получения полимера со стабильными свойствами и осуществления полимеризации в наиболее благоприятных условиях решающее значение имеет точное соблюдение режима процесса.

С увеличением продолжительности пребывания реакционной массы в полимеризационном аппарате увеличивается выход полимера (до достижения равновесия) и повышается его молекулярная масса. При непрерывном способе получения поликапроамида полимеризационный аппарат рассчитывается таким образом, чтобы при максимальной производительности продолжительность пребывания реакционной массы в нем была достаточна для достижения равновесного состояния процесса. В этом случае увеличение расхода реакционной массы через аппарат полимеризации приведет к уменьшению молекулярной массы получаемого полимера, если остальные параметры процесса останутся постоянными.

При изменении температуры реакционной массы в течение процесса полимеризации изменяется как скорость процесса, так и состав и молекулярная масса получаемого полимера.

...