Акрилонитрил-бутадиен-стирол-пластик

Размещено на http://www.allbest.ru/

19

МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный технический университет»

Химико-технологический факультет

Кафедра «Технология высокомолекулярных и волокнистых материалов»

Контрольно-семестровая работа по дисциплине: «Общая химическая технология полимеров»

На тему: «Акрилонитрил-бутадиен-стирол-пластик»

Выполнил: ст. гр. ВМС-1н Кусаковский Д.А.

Проверил: доцент, к.х.н. Алейникова Т.П.

Волгоград, 2023

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Анализ рынка стирола

1.2 Области применения стирола пластика

1.3 Физические свойства стирола-пластика

2. Физико-химические основы процесса получения стирола

2.1 Реакции получение стирола

2.2 Катализаторы процесса

2.3 Характеристики исходного сырья

2.4 Схема установки синтеза стирола

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Основным методом получения стирола в мире является технология каталитического дегидрирования этилбензола, что обусловлено относительно небольшой стоимостью производства, простотой исполнения процесса и высоким и стабильным спросом на стирол в качестве промежуточного сырья для переработки его в полистирол и смолы АБС и другие виды полимеров. Полимеры, получаемые из стирола, обладают рядом полезных характеристик и широко используются в индустрии, поэтому производство стирола занимает важное место в промышленном органическом синтезе.

Как уже было сказано, стирол используется для получения АБС-пластиков. Они относятся к блоксополимерам и синтезируются чаще всего при помощи анионной сополимеризации и сополиконденсации. Росту популярности и все более широкому распространению АБС-пластик обязан тому набору технических характеристик, которыми он обладает. Основными свойствами, влияющими на востребованность материала на рынке, являются: высокие показатели износостойкости и прочности в сочетании с эластичностью, долговечность при условии эксплуатации без воздействия ультрафиолетовых лучей, высокая сопротивляемость воздействию моющих средств, щелочных составов, влаги, кислот, масел.

Целью данной работы: является изучение процесса получения стирола из этилбензола, для этого необходимо выполнить ряд задач:

Изучить общую характеристику веществ, их физические и химические свойства;

Изучить процесс получения веществ и механизм реакции, по которой они протекают;

Составить технологическую схему процесса получения вещества.

1. Теоретическая часть

1.1 Анализ рынка стирола

По данным последних исследований рынка крупнотоннажных полимеров, института «Центр развития» объемы потребления стирола в России неуклонно растут и в период с 2012 по 2015 год увеличились с 378 до 536 тысяч тонн в год, вместе с тем количество импортируемого стирола снизилось за тот же период с 238 до 120 тысяч тонн в год, что явно говорит о востребованности данного мономера на рынке и увеличении его производственных мощностей в России.

На сегодняшний день первое место по производительности стирола, методом каталитического дегидрирования этилбензола в России, занимает площадка дегидрирования на заводе ОАО «Нижнекамскнефтехим» и составляет большую часть объема производимого стирола в России, порядка 70% от общего объема Российского рынка. На втором месте находится ОАО «Сибур-Химпром», который выпускает около 130 тысяч тонн стирола в год, а третье место по производству занимает ОАО «АНК», его доля на рынке составляет порядка 10%. 7 Основную долю мирового рынка занимают европейские предприятия и компании США. К примеру, европейский концерн «Dow Chemicla» производит более миллиона тонн стирола ежегодно, доля США от общего мирового рынка составляет порядка 4 миллионов тонн в год. стирол этилбензол радикал

В виду недавнего, так называемого «каучукового кризиса», который случился из-за резкого роста объема производства натурального, более дешевого, каучука, спрос на синтетический стирол в период с 2012 по 2014 года значительно упал, что повлекло за собой закрытие некоторых крупных предприятий в Европе и России. К счастью, на сегодняшний день, искусственному мономеру удалось вновь закрепиться на мировом рынке [1].

1.2 Области применения стирола

Стирол, один из важнейших продуктов нефтехимии, является сырьем для производства полистирольных пластмасс, термоэластопластов, бутадиенстирольных каучуков, красок, лаков, клеев, пластиков АБС, растворителей смол полиэфирных и самого полиэфира, эластичной пены, высококачественной технической пластмассы. В основном, из стирола производят полистирол, обладающий низкой ценой. Конечной продукцией, получаемой из стирола, является: одноразовая посуда, упаковка для электронного оборудования, элементы салона автомобиля. Основными марками стирола, производимыми в России, являются СДЭБ, СДМФК.

Производство стирола занимает важное место в современном мире, как в России, так и за рубежом. Так как стирол является основным мономером для производства полистирола, полимера, который имеет широкий спектр применения, в промышленности, для получения различных пластмасс на его основе и строительстве (например, пенополистирол активно используется в качестве утеплителя и теплоизоляции).

Впервые стирол был выделен из смолы растения Ликвидамбар в Берлине в результате ряда экспериментов Эдуарда Саймона с экстрактами растений [2].

1.3 Физические свойства стирола

Стирол - бесцветная легко полимеризующаяся жидкость с характерным сладковатым запахом. Пары стирола способны вызывать раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.

Рисунок 1 - Структурная формула стирола

Был выделен в 1839 из стиракса (смола амбрового дерева) Симоном. Производство стирола началось в США после Второй мировой войны.

Стирол горюч и взрывоопасен. Представляет собой бесцветную жидкость. Пределы взрывоопасности в смеси с воздухом при комнатной температуре от 1,1 до 6,1 объемн. %. Допустимая концентрация паров в воздухе не выше 0,5 мг/м систематическое вдыхание паров стирола в концентрации выше допустимой приводит к хроническому заболеванию печени [3].

Важнейшие физические свойства стирола приведены в таблице 1:

Таблица 1 - Физические свойства стирола.

Стирол -- яд общетоксического действия. Примесь стирола в воздухе может оказывать раздражающее действие на слизистые оболочки верхних дыхательных путей, а в высокой концентрации также вызывает раздражение глаз. Наиболее выраженным токсическим эффектом стирола является воздействие на центральную нервную систему. Специфическим проявлением нейротоксичности стирола является нарушение цветного зрения (способности различать цвета). Субъективные жалобы работающих со стиролом на производстве включают головную боль, головокружение, нарушение памяти и опьянение. При повышении концентрации стирола частота субъективных симптомов возрастает, появляются также жалобы на утомляемость и раздражительность. В нескольких исследованиях было отмечено коррелирующее с уровнем стирола в крови и его метаболитов в моче повышение уровня пролактина в сыворотке крови (не выходящее за пределы физиологический нормы). Стирол относят к третьему классу опасности. Для него установлены следующие нормативы согласно ГН 2.1.6.3492-17 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений" - максимальная разовая - 40 мг/м³ [4].

2. Физико-химические основы процесса получения стирола

2.1 Реакции получение стирола

В промышленности стирол получают в основном путем каталитического дегидрирования этилбензола на железооксидных катализаторах (реакция 1), процесс сопровождается побочными реакциями с образованием бензола, этилена (реакция 2), реакций гидродеалкилирования этилбензола и побочных продуктов с образованием толуола, бензола, этана, метана (реакции 3-8). Основным компонентом промышленных катализаторов является Fe2O3, кроме того, в них входят карбонаты калия, оксиды церия и молибдена, а в последних поколениях также оксиды V, W, Li, Mg, Ca, Ti, Zr, Ni и Co. Для увеличения глубины превращения, селективности и подавления реакций деструктивного гидрирования процесс ведут при разбавлении сырья водяным паром, в соотношении пар : газ = (15-20) : 1, при температурах 870- 900 К. Этилбензол (3) и образующийся толуол (5) играют роль акцепторов водорода, смещая термодинамическое равновесие процесса за счет реакций (4, 5, 3). в сторону образования стирола. Реакции дегидрирования (1) и гидродеалкилирования (3- 5) и деструктивного гидрирования (6) протекают одновременно. Реакция деструкции (2) имеет место при повышенных температурах. Повышенные температуры благоприятны для процессов дегидрирования.

Реагенты - акцепторы водорода, вводимые совместно с этилбензолом, будут способствовать увеличению селективности образования стирола, а перераспределение водорода между двумя молекулами рисунок 2.

Рисунок 2 - Реакции получение этилбензола.

Ведение процесса дегидрирования этилбензола при низких температурах практически исключает реакцию (6) и предотвращает закоксовывание катализатора

Предполагается, что превращение этилбензола в стирол на разработанном катализаторе (58,3SiO₂+ 41,7CaSO₄) при температуре 300 °С проходит по радикальному механизму. Этилбензол распадается на шесть типов радикалов, в зависимости от условий синтеза рисунок 3.

Рисунок 3 - Распад этилбензола на шесть типов радикалов.

Взаимодействие алкильных радикалов приводит к образованию стирола и ряда побочных продуктов, рекомбинация водородных радикалов обеспечивает присутствие молекулярного водорода в системе, который участвует в реакциях гидродеалкилирования (3-5), описанных ранее. Некоторые пути взаимодействия радикалов описаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Пути взаимодействия радикалов.

Суммарная реакция, полученная на основании анализа материального баланса процесса превращения этилбензола в стирол, при температуре 300 °С может быть представлена на рисунке 5 [5].

Рисунок 5 - Суммарная реакция получение стирола из этилбензола.

После рассмотрения реакция получения стирола можем перейти, к характеристики исходного сырья.

2.2 Катализаторы процесса

Использование катализаторов позволяет достичь высокой скорости реакции при относительно низких температурах. “В виду обратимости реакций дегидрирования и способности любых катализаторов одинаково ускорять как прямой, так и обратный процесс, обе эти реакции в принципе катализируются одними и теми же веществами.

Их можно разделить на три основные группы:металлы VII группы железо, кобальд, никель, палладий, платина и IБ подгруппы периодической системы, медь и серебро, а также смеси этих металлов или иначе сплавы. Оксиды металлов марганца, цинка, меди (III), железа (III) и так далее. Отечественный катализатор К-22 имеет состав, % (масс): оксид железа - 69-73; карбонат калия - 19-20; оксид хрома (III) - 7.5- 8.5; силикат калия - 2.0-2.6. Еще один катализатор “Стирол - контакт”, его состав, % (масс): ZnO - 79.5; MgO - 5; Al2O3 - 5.5; CuO - 5; K2SO4 - 2.5; K2CrO4 - 2.5, и катализатор на основе железа: 87% Fe2O3; 5% Cr2O3; 8% K2O. Катализаторы на основе оксида железа применяются для дегидрирования этилбензола в реакторах адиабатического типа. Сложные оксидные и сульфидные катализаторы, медьхромоксидные и цинкхромоксидные, кобальтмолибденоксидные, никель - и кобальтвольфрамоксидные. Общее для всех катализаторов дегидрирования является содержание небольших количеств солей калия, присутствие которых в катализаторе ускоряет взаимодействие воды и углерода с образованием двуокиси углерода, за счет которой возможна их самостоятельная регенерация. На сегодняшний день основными промышленными катализаторами являются BASF S6-32E, К-28.” [6]

Через 400-600 часов работы катализатор подвергается регенерации для восстановления активности. Регенерация катализатора проводится паровоздушной смесью. Количество водяного пара остается такое же, как при реакции, количество воздуха подается из условия поддержания температуры в слое катализаторе более 600 °С. При регенерации водяной пар из пароперегревательной печи подается в реактор. Переход от цикла -- «реакция» к циклу «регенерация» производится в следующем порядке:

- прекращается подача фракции МФК в колонну;

- выдавливаются углеводороды из емкости, отстойника химически загрязнением водяным конденсатом путем прикрытия регулирующего клапана;

- промывается колонна водным конденсатом от тяжелокипящих углеводородов;

- по месту открывается задвижка на линии подачи пара;

Разогрев катализатора паровоздушной смесью во время регенерации ведется со скоростью 155 градусов/час. Количество подаваемого воздуха регулируется вручную, со щита управления по температуре в слое катализатора 500±100°С. Окончание выжига кокса из катализатора определяется анализом газов на содержание углекислого газа, содержание которого не должно превышать 0,02%. [7]

2.3 Характеристики исходного сырья

Этилбензол - бесцветная жидкость с запахом, напоминающим бензин; почти нерастворим в воде, растворяется в спирте, бензоле, эфире, четыреххлористом углероде. Предельно допустимая концентрация паров этилбензола в атмосферном воздухе ПДКм.р. = 0,02 мг/мі, максимально разовая ПДК в воздухе рабочей зоны производственных помещений ПДКм.р. =150,0 мг/мі; среднесменная ПДКс.см. =50,0 мг/мі. В Таблице 2 привидены физические свойства бутадиена.

Таблица 2 - Физико-химические свойства этилбензола.

Таблица 3- Физико-химические свойства веществ

Исходные данные для расчета материального баланса реакции сополимеризации глицидилметакрилата и тетрадецилметакрилата представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Исходные данные для материального баланса

Таблица 5 - Загрузки реагентов на первой стадии [8].

К сырью предъявляются высокие требования по чистоте, т.к. слишком высокое содержания диэтилбензола или изопропилбензола может привести к нежелательным побочным реакциям. По этим же причинам недопустимо присутствие как в сырье, так и в системе, кислорода, в виду возможности протекания реакций полимеризации и реакций окисления, что приведет к ухудшению качества выпускаемой продукции и нарушению процесса.

При получении стирола в одном адиабатическом реакторе обычная степень конверсии этилбензола составляет около 40%. Основным недостатком такого исполнения - высокие потери тепла, смещение равновесия в сторону образования побочных продуктов и понижение скорости реакции с потерей селективности. Степень конверсии нельзя довести до приемлемой величины, потому, что это повышает удельный расход пара. [ 9]

Промышленное получение стирола каталитическим дегидрированием этилбензола относится к взрыво-огнеопасным производственным процессам, 1 по классу опасности производства. В штатном режиме установка не производит выбросов углеводородов в окружающую среду, сточные воды производства подвергаются очистке.

2.4 Схема установки синтеза стирола

Процесс производства стирола разделен на две стадии:

1. Дегидрирование этилбензола

2. Выделение стирола-ректификата

Свежий и возвратный этилбензол нагревается в теплообменнике 11. и нагревается до 160 єC, затем поступает в теплообменник 3. где перегреваются до 500-550 єC за счет теплоты продуктов выходящих из реактора 2. Реактор 2 имеет три кольцевых слоя катализатора, причем в первый слой поступает весь этилбензол, но лишь часть водяного пара. В пространство между слоями катализатора подают дополнительное количество перегретого пара, нагретого до 700єC , из трубчатой печи 1. С его помощью повышается температура смеси и происходит ступенчатое разбавление смеси с удалением ее от равновесного состояния, что способствует росту скорости и селективности реакции [10].

Трубы в реакторе 2 покрыты медно-марганцевым сплавом изнутри для предотвращения контакта этилбензола с железом. [11]

Температура реакции около 620 єC, пароэтилбензольная смесь на выходе из реактора, имеет температуру 570 єC. Пароэтилбензольная смесь поступает на закалку. Закалка осуществляется в конденсаторах 16 и 17 в них смесь охлаждается за счет минерального масла и рассола, соответственно. Полученный конденсат стекает в отстойник 5, где происходит расслаивание на водный и органический слой. Водный слой направляется в сборник 4 после чего направляется на очистку. Несконденсировавшийся газ направляется, поступает на линию в качестве топливного газа. Печное масло - на ректификацию. В конечном продукте реакции содержится до 0,8% бензола, 1,1% толуола, 58- 60% непрореагировавшего этилбензола, 38-40% стирола и около 0,9% тяжелых веществ.

Перейдем ко второй стадии. При работе по четырехколонной схеме кубовая жидкость колонны 24 направляется в колонну 22 для выделения этилбензола-рецикла и возврата его в колонну 24. Печное масло, полученное при дегидрировании этилбензола, поступает в колонну 22 для отгонки бензол-толуольной фракции (бентола). Обогрев колонны осуществляется через пленочный кипятильник 12, обогреваемый паром (0,5 МПа). Дистиллят колонны 22 -- бензол-толуольная фракция забирается насосом 26; часть его возвращается в колонну в виде флегмы, остальное количество откачивается на склад.

Кубовая жидкость колонны 22 насосом 7 подается в колонну 23 для выделения возвратного этилбензола. Пары этилбензола из верхней части колонны конденсируются в конденсаторах 19. Часть конденсата насосом 27 подается на орошение колонны в виде флегмы, остальное количество возвращается на рецикл. Кубовая жидкость колонны 23 проходит и насосом 8 подается в колонну 24 для выделения стирола в колонну 22. Кубовая часть колонны 24 с помощью насоса 9 подаются в колонну 25. Кубовая часть колонны 25 состоит из высококипящих фракций диэтилбензола и ксилола.

Стирол ректификат, с помощью насоса 28, подается в хранилище, где смешивается с ингибиторами во избежание полимеризации, ректификацию проводят в вакууме для снижения температуры процесса. Схема получения стирола представлена в приложение 1.

Заключение

В итоге нашего рассмотрения стирола можно сделать следующие выводы: Стирол является ароматичным углеводородом, что делает его ключевым строительным блоком для синтеза различных органических соединений. В данном исследовании был проведен анализ процесса получения стирола с использованием метода дегидратации. В ходе исследования были проанализированы различные параметры, такие как температура, давление и состав исходного сырья, с целью оптимизации процесса. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности дегидратации этилбензола в получении стирола, что подтверждается количественными данными.

Изучение различных областей применения стирола показало его важную роль в производстве пластмасс, резиновых изделий, синтетических волокон и других химических продуктов. Стирол также используется в роли регулятора роста растений и газообразного топлива. Эта работа не только предоставляет важные сведения о механизме дегидратации для получения этилена, но и предлагает перспективы для дальнейших исследований в области оптимизации процесса, а также расширения его промышленного применения. Обобщенный анализ стирола в данной работе предоставляет полную картину его химических свойств, производства, применений и перспектив развития, что может служить основой для дальнейших исследований и промышленного применения этого важного соединения.

Список использованной литературы

1. Костин А.А. Популярная нефтехимия. Увлекательный мир химических процессов, Москва - Ломоносовъ, 2012 - 64 с

2. Paulo Jardel P. Araъjo, Manuela Souza Leite, and Teresa M. Kakuta Ravagnani. Evaluation of the Parameters and Conditions of Process in the Ethylbenzene Dehydrogenation with Application of Permselective Membranes to Enhance Styrene Yield, The Scientific World Journal Volume 2016

3. Лебедев Н.Н., Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов. Четвертое издание, переработано и дополнено - М. Химия, 1988. - 592 с.: ил. ISBN 5-7245- 0008-6, Москва - Химия, 1988. - 438 с.

4. Егорова Е.И., Таркова Е.М., АБС-ПЛАСТИКИ, ОСОБЕННОСТИ

5. статья известия

6. http://www.ngpedia.ru/index.html

7. [https://cyberleninka.ru/article/n/regeneratsiya-katalizatora-reaktsii-degidratatsii-metilfenilkarbinola/viewer]

8. ГОСТ 9385-2013

9. П.А. Кирпичников, В.В. Береснев, Л.М. Попова, Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука, 2-е издание, переработанное, Ленинград - Химия, 1986 - 98 с.

10. Кирпичников П.А., Л.А. Аверко-Антонович, Ю.О. Аверко-Антонович, Химия и технология синтетического каучука, Ленинград - Химия, 1970 - 402 с

11. Paulo Jardel P. Araъjo, Manuela Souza Leite, and Teresa M. Kakuta Ravagnani. Evaluation of the Parameters and Conditions of Process in the Ethylbenzene Dehydrogenation with Application of Permselective Membranes to Enhance Styrene Yield, The Scientific World Journal Volume 2016

Приложение

Рисунок - Схема дегидрирования и выделение стирола. 1-трубчатая печь; 2-реактор; 3,11,12,13,14,15-нагреватель; 4-сборник; 5-отстойник; 6,7,8,9,10,26,27,28,29-насосы; 16,17,18,19,20,21-холодильники, 22,23,24,25-ретефекационная колонна. Красная линия- перегретый пар. Синяя линия этилбензол.

Размещено на Allbest.ru