Стирол (фенилэтилен, венилбензол, этинилбензол, циннамин)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Изделия, изготовленные из пенополистирола или пенопласта, - одноразовые кофейные чашки, упаковочный материал, бакены и причальные брусы судов, дешевые ящики для хранения льда. И действительно, пенопласт является настолько важным материалом, что ему посвящен специальный раздел в конце этой главы.

Однако на долю пенопласта приходится меньше половины от общего объема производства полистирола. Прочие продукты на основе полистирола имеют совершенно другие свойства. Полистирол является превосходной пластмассой для изготовления литых деталей автомобилей и холодильников. Он так хорошо окрашивается, что его часто используют для изготовления формованных изделий, имитирующих деревянные. Не исключено, что деревянная приборная панель вашего нового «BMW» изготовлена из поливинилхлорида.

Во многих областях применение ПС конкурирует с пятью другими наиболее важными термопластами- полиэтиленом, полипропиленом, поливинилхлоридом, причем в этом соревновании он постепенно проигрывает, теряя некоторые позиции на рынке. Однако у полистирола существуют и собственные области применения, где он незаменим: прежде всего, из пенополистирола изготавливается такие литьевые изделия, как, например, контейнеры для перевозки пищевых продуктов, и некоторые экструзионные, листовые и пленочные изделия. Приблизительно половина от общего количества полистирола используется для изготовления упаковочных материалов, 17% - в электротехнической или электронной промышленности, 13% - в строительстве и изготовлении мебели и 7% - в медицине.

1.1 Стирол (фенилэтилен, венилбензол, этинилбензол, циннамин) С₆Н₅СН=СН₂ , мол. в. 104,14 - бесцветная жидкость со своеобразным сладковатым запахом; т.пл. - 30,628⁰ ; теплота плавления 2645 ккал/моль; т.кип. 145,2 ⁰; теплота испарения 10,500 ккал/моль (25); p_крит. 40,0 атм; теплоемкость при 25⁰ 0,416 ккал/г; теплота сгорания жидкого С. До СО₂ и воды 1050,51 ккал/моль; вязкость 0,781 спуаз (20 ⁰);пределы взрываемости: нижний 1,1 об. % (29,3 ⁰), верхний 6,1 об. % (65,2 ⁰); т. воспл. 490 ⁰; т. всп. 34 ⁰ .Стирол смешивается с метанолом, этанолом, ацетоном, эфирами, углеводородами, их галогенопроизводными, нитропарафинами, уксусной кислотой, ограниченно растворим в гликолях. Сам стирол хорошо растворяет многие органические вещества, в том числе полистирол и другие полимеры. При 40 вода растворяет 0,05% стирола, а последний растворяет 0,1% воды. Стирол содержится в растительной смоле стиракс и во многих продуктах термической деструкции органических веществ, продуктах пиролиза натурального газа и других углеводородных газах, продуктах крекинга и пиролиза нефтепродуктов, кам.-угольном и буроугольных смолах, сланцевом масле и т. д. В лаборатории стирол синтезируют дегидратацией фенилэтанолов. Он образуется также при дегидрировании венилциклогексадиена, получающегося при термической димеризации бутадиена, а также каталитической конденсацией бензола с ацетиленом. В промышленности стирол производят в основном каталитическим дегидрированием этилбензола при 500 в токе водяного пара на железо-магниевых или хромо-цинковых катализаторах с различными промоторами. Этилбензол для этого синтезируют алкилированием бензола этиленом или выделяют ректификацией из продуктов нефтепереработки. По другому промышленному способу стирол получают, окисляя этилбензол в присутствии марганцевого катализатора до ацетофенона. Последний гидрируют под давлением на медно-хромово-железном катализаторе до 1-фенилэтанола-1, который дегидратируют на окиси алюминия или титана:



Стирол очень реакционноспособен. Наиболее интересна для промышленности способность стирол к полимеризации. При этом объем стирола уменьшается на 17%; теплота полимеризации - 16,68 ккал/моль. Чистый стирол полимеризуется при комнатной температуре, образуя твердый метастирол - смесь полимеров разного молекулярного веса. При хранении больших объемов стирола полимеризация может принять взрывной характер. Поэтому к стиролу при хранении прибавляют стабилизаторы (антиоксиданты): гидрохинон, 4-трет-бутилпирокатехол и др., периодически проверяя их концентрацию в стироле. В присутствии инициаторов радикальной полимеризации получаются полистиролы с молекулярным весом до 300 000, обладающие хорошими механическими и диэлектрическими свойствами. Стирол способен также к ионной полимеризации. Так, в присутствии которых образуются жидкие и твердые низкомолекулярные продукты. Полимеризация стирола может идти по анионному механизму, направленный при действии амида калия в жидком аммиаке. Широко используют в промышленности сополимеризацию стирола с другими мономерами, направленных с бутадиеном, с акрилонитрилом стирол в присутствии катализаторов присоединяет Н₂, С1₂, Вr₂, но не иодируют. С пероксибензойной кислотой получается окись стирола:

Слабый щелочной р-р перманганата окисляет стирол до фенилглиоксалевой кислоты: С₆Н₅СН(ОН)СООН, хромовая кислота - до бензойной кислоты. Реакция с N ₂O ₃ лежит в основе весового метода анализа стирола. При гидроборировании стирол (В₂Н₆ в тетрагидрофуране) образуется в основном (80%) изомер с бором в в-положении. Стирол может вступать в реакции диенового синтеза, направленных с бутадиеном:

Стирол применяется почти исключительно для производства полистирола. Сульфированные сополимеры стирола и дивинилбензола идут на приготовление ионообменных смол. Полистирольные латексы служат основой для водорастворимых красок; из стирола приготовляют также лаки.

Полистирол (-СН₂ -СН - )_n это карбоцепной термопластичный амфорный полимер с

C₆H₅

молекулярной массой от 50 до 300 тыс. ед. Макромолекулы полистирола (ПС) имеют преимущественно линейное строение «голова к хвосту» с небольшим количеством боковых ответвлений. ПС- бесцветное твердое вещество с температурой стеклования 93⁰С, полностью 1,05 т/м³, каучукоподобное при температуре 80-150⁰. Водостоек, растворяется в стироле, ароматических углеводородах, хлорпроизводных углеводородов, сложных эфирах, нерастворим в алифатических углеводородах, низших спиртах, диэтиловом эфире. ПС устойчив к действию разбавленных кислот, щелочей и растворов солей. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами, не зависящими от температуры.

1.2 Полистирол, который выпускается в промышленности, - это обычно атактический аморфный полимер (низкая степень кристалличности обеспечивает хорошие оптические свойства). С помощью катализаторов Циглера можно получить изотактический полимер, однако не достигается значительное улучшение свойств, которое повысило бы его рыночную ценность, и поэтому в большинстве случаев производят более дешевую атактическую форму.

Для производства полистирола пригодны все четыре варианта проведения процесса полимеризации. Все способы получения полистирола основаны на реакции полиприсоединения в присутствии инициатора свободно радикальных процессов. Чаще используют суспензионную полимеризацию и полимеризацию в массе.

Для полимеризации в массе требуется мономеры стирола,способные растворять полимеры, образованные на их собственной основе ,так как поскольку ни воды, ни другого растворителя, который мог бы удержать полимер в объеме, в реакторе нет. Полистирол и некоторые сополимеры на основе стирола удовлетворяют данному критерию, и при этом полимеризация в массе обычно оказывается дешевле.

Процесс начинается с получения форполимера. Эту стадию осуществляют в реакторе форполимеризации, снабженном водяной рубашкой и мешалкой. Частичная полимеризация стирола происходит в присутствии пероксидного инициатора при температуре 240 - 250 ⁰F (115 - 120 ⁰C) в течение приблизительно 4 ч. Около 30% стирола полимеризуется, и содержимое реактора превращается в сиропообразную массу; это максимальную степень превращения стирола, допустимая на данной стадии, так как при увеличении вязкости «сиропа» процессы перемешивания и теплопередачи становятся малоэффективными и реакция плохо поддается контролю. пенополистирол химический кожухотрубчатый полимеризация

Полученную массу перекачивают в верхнюю часть башенного реактора, снабженного рубашкой для охлаждения и змеевиками для регулирования температуры. Реактор целиком заполняют смесью стирола с полистиролом, в нем поддерживают перепад температуры: 135⁰С наверху и 200⁰C внизу. Температуру подбирают так, чтобы не допустить переход процесса в контролируемый режим, но при этом обеспечить степень превращения стирола в ПС, равную 95%. По мере роста молекулы ПС опускаются на дно сосуда и могут быть удалены из нижней части колонны. Продолжительность пребывания реакционной смеси в этом реакторе составляет 3-4 ч. Образовавшийся расплавленный полимер экструдируют, крошат для получения гранул и упаковывают.

При проведении процесса наиболее важным фактором является температурный режим во втором реакторе. Вязкость смеси меняется по высоте реактора в результате изменения температуры, а также концентрации полистирола. Если в системе появляются горячие участки вследствие выделения тепла при полимеризации, то реакция может выйти из-под контроля. Чтобы избежать этого, реакцию следует немедленно остановить и уничтожить смесь. Дополнительные усовершенствования технологии позволяют использовать перемешивающие устройства, растворители и системы для удаления растворителя.

Вспененные полимеры представляют собой ячеистые материалы с низкой плотностью, в которых имеются пузырьки газа. Их можно получать различными способами как из термопластичных, так и из термореактивных полимеров. Они могут быть жесткими и гибкими. Первые хорошо известны как изолирующие материалы (к примеру, ящики для хранения льда), а вторые широко используются для сидений и матрацев.

В упрощенном виде различие между жесткими пенопластами и гибкими вспененными полимерами обусловлено природой образующихся в этих материалах ячеек. Пенопласты состоят из закрытых ячеек - газ, находящийся в ячейках, изолирован от остального пространства, в то время как эластичные пенополимеры содержат открытые ячейки. Когда гибкий вспененный материал сжимают, воздух из ячеек выдавливается наружу, а если сжать жесткий пенопласт, газ не может выйти, и поэтому ничего не меняется.

Своими замечательными изолирующими свойствами пенопласты также обязаны закрытым ячейкам. Всем известно, что газы плохо проводят тепло; именно в этом смысл двойных окон - между рамами находится слой воздуха. Точно также работает пенопласт - внутри него заперт воздух. Гибкие вспененные материалы не пригодны для теплоизоляции именно потому, что воздух не может из них выйти.

Промышленное производство вспененных полимеров осуществляется несколькими способами. В некоторых случаях вспененный материал образуется сам по себе в ходе полимеризации. Например, при получении полиуретанов в присутствии небольшого количества воды в качестве побочного продукта выделяется СО₂ . поэтому в процессе формирования полимера образуется пенопласт с закрытыми порами. В других случаях вспенивающий агент специально добавляют в расплав полимера. При последующим нагревании полимера эта добавка разлагается и образуется газ. Такую технологию применяют для вспенивания эпоксидных смол. Широко используется аналогичная технология, основанная на введении какого-либо летучего вещества в свежеполученный расплав полимера, вследствие чего он сразу же вспенивается. Например, для производства по этой технологии пенополиуретана, пригодного в качестве изолирующего материала, применяют фторуглероды, которые обладают лучшими изолирующими свойствами по сравнению с воздухом. Для вспенивания полистирола применяют фторуглероды, либо воздух. Газ вводят в тот момент, когда расплав полимера продавливается через фильеру. После этого вспененный полимер сразу направляют в литьевую форму для изготовления, например, лоточков для мяса, полуфабрикатов и фаст-фуда, коробок для яиц и т.п.

Для того чтобы избавится от неудобства транспортировки вспененных материалов, были разработаны вспениваемые полистирольные гранулы. Действительно, пенопласты занимают много места, но мало весят, что не позволяют эффективно использовать грузовики и товарные вагоны. Вспениваемые полистирольные гранулы можно легко превратить в пенопласт после транспортировки к месту назначения. Гранулы пропитывают летучей жидкостью, такой как пентан, в процессе экструзии, измельчения и охлаждения. Затем - уже на месте - их нагревают небольшими партиями с помощью перегретого пара. Температура испарения пентана несколько ниже температуры плавления полистирола. При размягчении гранул пентан испаряется и вспенивают полистирол, который сразу же готов к формованию. Кофейные чашки, коробки для хранения льда, спасательные жилеты, бакены и поплавки часто изготавливают именно таким образом.

Большинство термопластов и термореактивных полимеров пригодны для получения на их основе пеноматериалов. Многие из них можно превратить как в гибкие, так и в жесткие вспененные материалы в зависимости от выбранного вспенивающего агента, используемых добавок, поверхностно-активных вещств и от механической обработки. Некоторые полимеры могут увеличить свой объем в 40 раз и при этом в значительной степени сохранить прочность. Большая часть товарных пенопластов имеет плотность 0,003 - 0,08 г/см³ (напомним, что плотность воды равна 1 г/см³).

1.3 Примерно 25%полимеров на основе стирола - это сополимеры. Наиболее широкое распространение получил бутадиенстирольный каучук (полимер, содержащий 25% стирола и 75% бутадиена), из которого изготавливают шины, шланги, приводные ремни, сапоги, изделия из пенорезины, прорезиненные ткани и клеи.

Другой известный сополимер - АБС-пластик - это полимер состоящий из 30% акрилонитрила, 20% бутадиена и 50% стирола - прочный материал с замечательными механическими свойствами. Это один из немногих пластмасс, сочетающих в себе твердость и ударную прочность, поэтому он применяется при изготовлении корпусов для шариковых ручек, колодцев для кабеля, прессованных труб, а также механических деталей летательных аппаратов. В легковой машине имеются около 20 фунтов литьевых деталей из АБС-пластика.

САН - стиролакрилонитрильный сополимер, состоящий из 70% стирола и 30% акрилонитрила превосходит полистирол по теплостойкости, химической стабильности, а также по жесткости, хотя уступает ему по светопропусканию. Этот материал применяется для разнообразных целей в быту, особенно для изготовления изделий, которые контактируют с пищевыми продуктами и могут быть оказаться в посудомоечной машине. Хорошими примерами являются одноразовая посуда и кофейники.

1.4 При блочной полимеризации достижение полной (до 0,99) конверсии стирола в одном реакторе экономически нерентабельно вследствие длительности процесса и необходимости поддерживать высокую температуру в конце полимеризации. Это приводит к снижению молекулярной массы полимера. Поэтому, в промышленности в настоящее время применяется метод блочной полимеризации с неполной конверсией стирола в каскаде аппаратов или в аппаратах смещения и вытеснения (интенсифицированный способ). Этот способ производства является наиболее распространенным в отечественной промышленности, им получается до 80% ПС от всего объема его, производимого в стране.

В интенсифицированном способе производства блочного ПС полимеризация мономера осуществляется сначала до степени конверсии 0,7 - 0,8 в двух полимеризаторах смещения, а затем завершается до степени конверсии 0,95 в реакторе вытеснения колонного типа.

Технологический процесс производства блочного ПС интенсифицированным способом включает следующие стадии: предварительная полимеризация, окончательная полимеризация, вакуум-экструзия полимера, гранулирование и складирование готового продукта.

Технологическая схема интенсифицированного способа производства блочного ПС представлена на схеме.

Смесь свежего и возвратного регенерированного стирола из емкости 1 подается в напорный бак 2, откуда, пройдя фильтр 3, поступает последовательно в форполимеризаторы (реакторы предварительной полимеризации) 4 и 5. В первом форполимеризаторе при температуре 120⁰С достигается степень конверсии 0,5, во втором при температуре 125⁰С 0,7-0,8.

Реакционное тепло из форполимеризаторов отводится за счет испарения части стирола, пары которого конденсируются в холодильниках-конденсаторах 6 и 7 и возвращаются в полимеризаторы. Из форполимеризатора 5 частично заполимеризовавшийся стирол подается в полимеризационную колонну 8, где при температуре 125-200⁰С завершается полимеризация до степени конверсии 0,95. Отвод тепла из колонны осуществляется с помощью холодильника-конденсатора 9. Во избежание окисления стирола кислородом воздуха в колонну 8 подается азот. Расплав ПС шнеком 10 перемещается в вакуум-экструдер 11, где из него удаляются пары стирола, которые конденсируются в холодильнике-конденсаторе 12. Конденсат стирола из него направляется в систему регенерации 13 и оттуда в емкость 1 на смешение со свежим мономером, Отвакуумированный расплав ПС происходит охлаждающую ванну 14 и поступает в грануляционное устройство 15, после чего подвергается классификации на вибросите 16.

Производство ПС блочно-суспензионным методом.

Основным недостатком полимеризации в массе являются затруднения с отводом реакционного тепла. Этот недостаток устранен в методе суспензионной полимеризации, в котором отвод тепла облегчен через водную дисперсионную фазу. Это позволяет в широких пределах изменять условия полимеризации и получать ПС различного качества.

Суспензионная полимеризация стирола протекает в водной среде в присутствии инициаторов полимеризации, растворимых в мономере и нерастворимых в воде. Поэтому, реакция осуществляется как бы в объеме маленького блока (капли). Инициаторами реакции являются органические перекиси: пероксид бензоила, трет-бутилпербензоат и др. Для повышения устойчивости суспензии стирола в воду добавляют стабилизаторы, например, гидроксид магния, поливиниловый спирт и др. Полученный ПС легко отделяется от водной фазы и осаждается на дне реактора.

Разновидностью суспензионного метода полимеризации является блочно-суспензионная полимеризация, в которой совмещены преимущества блочной и суспензионной полимеризации. Он широко применяется для производства ударопрочного ПС и полимера, предназначенного для получения пенополистирола. Технологический процесс блочно-суспензионной полимеризации включает следующие стадии: предварительная полимеризация стирола в массе (получение форполимера), окончательная полимеризация форполимера в суспензии, отделение, промывка и сушка гранул ПС.

Технологическая схема производства ПС блочно-суспензионным способом представлена на схеме.

В реактор предварительной полимеризации 1 загружается стирол и раствор инициатора в стироле и при температуре 80⁰С проводится полимеризация до степени конверсии стирола 0,3 - 0,4. Затем образовавшийся форполимер и водный раствор стабилизатора из аппарата 2 подаются в автоклав-плоимеризатор 3, диспергируются в водной фазе и нагреваются при температуре 90⁰С до образования гранул. В автоклав вводятся также дополнительно часть инициатора и изопентан, служащий газообразователем при переработке гранул полимера. Полученная суспензия сливается через сито 4 в сборник 5 и после разбавления водой подается в центрифугу 6. Отжатые и промытые водой гранулы ПС сушатся в барабанной сушилке 7 воздухом, после чего поступают в бункер 8 и на сито 9 для классификации.

ПС перерабатывается в изделия всеми способами, используемыми для переработки термопластичных полимеров и окрашивается органическими красителями. Основным методом формования изделий из ПС является литье под давлением, реже используется экструзия, позволяющая получать пленки и нити. Для повышения теплостойкости и механической прочности в ПС вводятся минеральные наполнители и стекловолокно.

Основными областями применения ПС являются следующие отрасли промышленности: приборостроительная (комплектующие детали, конденсаторная пленка), кабельная (изоляция, нити), строительная (облицовочная плитка, фурнитура), производство упаковочных материалов, тары и изделий бытового назначения.

Повышенной ударной прочностью обладают так называемый ударопрочный полистирол, представляющий сополимеры стирола и бутадиен-стирольного каучука, получаемые методом привитой сополимеризации, и сополимеры стирола, акрилонитрил-бутадиенового каучука, получаемые механохимическим методом (АБС-сополимеры, пластик СНП).

Широкое применение в качестве тепло- и звукоизолирующего и упаковочного материала получил газонаполненный полистирол - пенополистирол. Он получается прессованием смеси тонкодисперсного ПС с твердым порофором - карбонатом алюминия, или беспрессовым методом путем введения в стирол на завершающей стадии полимеризации всп Вследствие низкой теплостойкости(75 ^оС по Мартенсу) ПС может эксплуатироваться при температуре не выше 60 С. В отличие от полиолефинов он имеет высокую твердость, но весьма хрупок. При этом, хрупкость увеличивается в процессе эксплуатации вследствие старения металла. Этого недостатка лишен ударопрочный полистирол (УПС) и сополимеры стирола с акрилонитрилом и бутадиеном. При нагревании до температуры 300 - 400 ^оС ПС деполимеризуется с образованием мономера.

ПС получается радикальной полимеризацией стирола в присутствии инициаторов (пероксиды, динитрил азо-бис-изомасляной кислоты) или без них (термическая полимеризация):

nCH₂ = CH (- CH₂ - CH)n

При инициаторе - пероксиде бензола реакция протекает через стадию образования бензоатного радикала, присоединяющегося к группе CH молекулы стирола с образованием более стабильного первичного радикала, начинающего цепь:

(C₆H₅COO)₂ 2C ₆H ₅COO.

C₆H₅COO+ CH₂= CHC₆H₅- COO - CH₂- CH.

По технологическому оформлению процесса различают полимеризацию в в массе, в эмульсии, в суспензии или в растворе. Промышленное значение имеют следующие методы производства ПС:

· Блочная полимеризация с неполной конверсией стирола (непрерывный способ);

· Суспензионная полимеризация;

· Блочно-суспензионная полимеризация.

ПОЛИСТИРОЛ ВСПЕНИВАЮЩИЙСЯ

Назначение процесса. Получение вспенивающегося полистирола (EPS) суспензионной полимеризацией по технологии ВР Chemicals/ABB Lummus Global.

Описание процесса. Технология ВР/ Lummus получения обычных и антипиреновых марок EPS - это одноступенчатая суспензионная полимеризация в периодическом режиме, сопровождаемая непрерывным обезвоживанием, сушкой и классификацией по размеру.

В реактор вводят стирол-мономер, инициаторы, суспендирующие агенты, вещества, образующие зародыши, и другие ингредиенты, дозируемые в небольших количествах. Затем содержимое реактора перемешивают, выдерживая определенный график изменения температуры во времени. Перемешивание и присутствие суспендирующего агента вызывает диспергирование мономера в виде капель. В заданный момент в реактор вводят отмеренное количество пентана. Затем полимеризацию продолжают до достижения 100%-ного превращения. После охлаждения суспензию выгружают в накопительный сборник.

С этого момента начинаются непрерывные стадии процесса. Суспензию полимера в воде направляют в центрифугу, где удаляется большая часть маточного раствора. Шарики полимера подают конвейером в пневматическую сушилку, в которой удаляют остатки влаги.

Сухие шарики далее рассевают, получая до четырех фракций. На последующей стадии компаундирования вводят смазывающие добавки, и готовый продукт упаковывают в транспортные контейнеры.

Экономические показатели. Процесс ВР/ Lummus - одна из самых современных технологий получения EPS. Для обеспечения однородности продукта при минимизации энергозатрат используется компьютерное управление. Фирма ВР предоставляет дальнейшие исследования процесса для совершенствования продукта и раскрытия его новых возможностей.

Удельные расходы сырья и энергоресурсов на 1 т EPS:

Стирол + пентан, кг 1000-1015

Химреагенты, кг 25-49

Деминерализованная вода 1000

Электроэнергия, кВт*ч 150

Пар, т 0,42

Охлаждающая вода, м 3 120

Промышленные установки. Работают три промышленные установки (во Франции, Германии и Китае) суммарной мощностью 200 тыс. т/год.

ПОЛИСТИРОЛ ВЫСОКОУДАРОПРОЧНЫЙ

Назначение процесса. Получение широкого набора марок полистирола - общего назначения и высокоударопрочного (высокопрочного) - путем полимеризации в массе в непрерывном режиме с использованием технологии ВР Chemicals/ABB Lummus Global.

Описание процесса. Технология получения полистирола общего назначения и высокопрочного практически одна и та же, с тем исключением, что во втором случае процесс начинают со стадии растворения каучука.

Получение высокопрочного полистирола начинают с грануляции и растворения каучука и других добавок в стироле-мономере (1), после чего раствор переводят в емкость для хранения (2). При получении продукта общего назначения контролируемое количество ингредиентов вводят непосредственно в подогреватель сырья (3). С этого места схема получения полистирола общего назначения и высокопрочного одна и та же. Исходную смесь подогревают (3) и непрерывно подают в предполимеризатор (4), где устанавливается морфология каучука.

Из предполимеризатора полимерную смесь закачивают в реактор полимеризации (5), имеющий особую конструкцию. В реакторе полимеризация практически заканчивается. Вышедшую из него смесь подогревают (6), готовя ее к отгонке летучих компонентов.

Аппарат для удаления летучих компонентов (7) работает в глубоком вакууме, который необходим для отгонки не прореагировавшего стирола и растворителя из расплавленного полимера. Отогнанные компоненты конденсируют (8) и возвращают в процесс. После этого расплавленный полимер подают насосом через фильеру (9), в которой формируются нити, в водяную баню (10) и гранулятор (11). Гранулы рассевают для удаления крупных частиц и мелочи. На этой стадии гранулы могут быть отработаны смазывающей добавкой. Готовый продукт подают пневмотранспортом на хранение и упаковку.

Экономические показатели. Процесс ВР/ Lummus - одна из самых современных технологий получения полистирола общего назначения и высокопрочного. Возможна выработка широкой гаммы продуктов стабильного высокого качества. Фирма ВР предлагает дальнейшее исследование процесса для совершенствования продукта и раскрытия его новых возможностей.

Удельные расходы сырья и энергоресурсов на 1 т полистирола:

 Полистирол

Общего

назначения высокопрочный

Стирол +

Минеральное масло, кг 1011 937

Каучук, кг - 73

Добавки, кг 1 2

Электроэнергия, кВт*ч 97 110

Топливо, мдж 529 529

Охлаждающая вода, м 3 46 26

Пар низкого давления, кг 6 6

Промышленные установки работают во Франции, Германии и Швеции суммарной мощностью около 450 тыс. т/год обоих видов полистирола. Еще одна установка (300 тыс. т/год обоих видов полистирола) будет пущена в Китае в 2005 г.

2.1 Материальный баланс

Установки производства полистирола производительностью 400 000 т. в год.

Мощность установки 400 000 т. в год.

1. Эффективный фонд рабочего времени 320 дней.

2. Расчет производительности установки т/сутки, кг/час, кг/сек.

Расчет по продукту (полистиролу).

;

Выход полистирола составляет 92%, что составляет:

400000--100%

Х--92%

2.2 Расчеты. Последовательность расчета реактора полимеризации.

1. составляют материальный баланс процесса полимеризации. Расчет ведется по следующей схеме: а) по известному часовому количеству и массовому составу исходного сырья, рассчитывают мольный состав сырья, массовые и мольные часовые количества его компонентов;

б) по разгонке полимер бензина находят его среднюю температуру кипения, а затем среднюю молекулярную массу и плотность;

в) по глубине превращения олефинов находят абсолютное количество полимер бензина;

г) рассчитывают массовый и мольный составы продуктов реакций и их массовые и мольный часовые количества.

2. Составляют тепловой баланс реактора. Из теплового баланса реактора определяют количества тепла, отводимого в течение 1 часа из зоны реакции. Расчет проводят по следующей схеме:

а) определяют энтальпий сырья (на входе в реактор) и продуктов сгорания реакции с учетом давления в реакционной зоне;

б) принимают по опытным данным или рассчитывают по правилам термодинамики тепловой эффект полимеризации, а затем определяют часовое количество тепла, выделяющегося при образовании полимер бензина;

в) из уравнения теплового баланса реактора находят количества тепла, отводимого из зоны реакции при помощи хладагента. Все расчеты сводят в таблицу теплового баланса.

3. определяют размеры реактора и количество реакторов. Расчет проводят в таком порядке:

а) находят часовой объем сырья, поступающего в реактор;

б) определяют объем реакционного пространства;

в) принимая диаметр и длину трубок реактора и зная объем реакционного пространства, находят необходимое количество трубок;

г) принимая число трубок в одном реакторе и зная общее число трубок, находят реакторов (ближайшее большее целое число);

д) рассчитывают внутренний диаметр реактора;

е) конструктивно принимают высоту корпуса реактора.

4. определяют количество хладагента. Для этого:

а) рассчитывают поверхность теплообмена одного реактора, зная размеры трубок и их число;

б) рассчитывают коэффициент теплопередачи от газов, движущихся в трубах, заполненных гранулированным катализатором, к кипящей воде, проходящей в межтрубном пространстве аппарата;

в) зная тепловую нагрузку поверхности теплообмена всех реакторов, величину их поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи, из уравнения теплопередачи находят температурный напор в аппарате; по температурному напору и температуре газов в трубках определяют температуру хладагента, т.е. температуру кипящей воды; по температуре кипящей воды находят давление ее насыщенного пара и теплоту испарения (по таблицам);

г) по количеству отводимого из реакционной зоны тепла и теплоте испарения воды находят количество насыщенного водяного пара, образующегося в одном реакторе;

д) принимая по практическим данным доли воды, испаряющейся в корпусе (межтрубном пространстве) реактора, находят количество конденсата, которое следует подавать в один реактор за 1 час.

5. определяют диаметры штуцеров для ввода сырья, вывода продуктов реакции, ввода и вывода конденсата водяного пара и по существующим нормалям принимают их окончательные размеры.

РАСЧЕТ.

1. Материальный баланс полимеризации.

Результаты разгонки промышленного БТК, полученного при давлении 3,43*10⁶ Па, возьмем из температурных данных [138, с.303] и сведем с таблицей 3.60.

Выкипает объем %.......	Н.К.	10	30	50	70	90	К.К
Температура, К……….	305	334	366	378	398	457	488

Найдем среднюю температуру кипения БТК:

Тср = Тн.к.+ Т10+Т30+Т50+Т70+Т90+Тк.к.=305+334+366+378+398+457+488=391К.

По формуле Войнова определим молекулярную массу БТК:

М п.б.=52,63-0,246*Тср i+0.0017²*ср i=52,63-0,246*391+0,001*391²=103.

На основе данных табл. 3.59. можно рассчитать количество и состав сырья, поступающего в реактор. Для определения количеств и составов продуктов, выходящих из реактора, необходимо знать глубину превращения олефинов. При расчете промышленных реакторов следует пользоваться опытными данными. По литературным данным при полимеризации смеси требуют пояснении. Однако перепад давления в реакторе аксиального типа примерно в 2-2,5 раза больше, чем в реакторах с радиальным вводом сырья. Покажем особенность определения диаметра реактора аксиального типа. Величину [?П са.а] примем для реактора установки риформинга равной.

Далее



Приняв величины Дрз=4,6 м, Дтр=0,35 м вычислим площадь поперечного сечения реактора, через которую проходит газ.

Тогда,

Допустимая скорость потока в аксиальных реакторах составляет 0,4-0,6 м/с. Как видно, скорость движения газового потока в реакторе находится в допустимых пределах. Определим



?П са.з =7100*Н са.з = 7100*4,68 = 33200 Па (<72500 Па) высота реактора. Полная высота аппарата равна (см.)

Нпз = Дрз - 0,4+Н сл.з +0,2+Дрз+0,1 = 4,6-0,4+4,68+0,2+4,6+0,1 = 13,78 м.

Далее определяют диаметры штуцеров и по соответствующим нормалям выбирают их размеры.

Кожухотрубчатый реактор полимеризаций.

Рассчитать реактор полимеризации бутан-бутиленовой фракции в присутствии катализатора (НРО ) на кизельгуре при следующих исходных данных: производительность реактора по сырью Gc=25000 кг/ч; состав сырья приведен в таблице температура на входе в реактор Т1` = 463К; давление в реакторе П=3,43*10⁶ Па (35 ат). Применение процесса полимеризации, его теория, технология и аппаратурное оформление достаточно подробно рассмотрены в литературе. Ниже приводится технологический расчет кожухотрубчатого реактора для каталитической полимеризации бутан-бутиленовой фракции с целью получения полимербензина.

Исходными данными для расчета являются следующие: производительность реактора по сырью, состав сырья, рабочие условие - температура и давление в реакторе по сырью, фракционный состав полимербензина (по промышленным или лабораторным данным), глубина превращения (конверсий) олефинов при полимеризации (по опытным данным), производительность реакционного объема по сырью (объемная скорость питания), выбираемая по промышленным данным.

Размещено на Allbest.ru

...