Технология производства поливинилбензола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Сырьё для получения поливинилбензола

2. Основные закономерности полимеризации винилбензола

3. Технология производства поливинилбензола

3.1 Блочный метод

3.2 Эмульсионный метод

3.3 Суспензионный метод

3.4 Поливинилбензол для вспенивания

4. Структура и свойства поливинилбензола

5. Применение поливинилбензола

6. Техника безопасности

7. Материальный баланс химических реакторов при проведении простых необратимых реакций

8. Расчёт объёмной подачи реагентов

Список использованной литературы



1. Сырьё для получения поливинилбензола

В качестве сырья для получения поливинилбензола (полистирола) является винилбензол (стирол).

Стирол представляет собой бесцветную жидкость-мономер, содержащий альдегиды и кетоны, образующиеся из стирола на воздухе, имеет едкий резкий запах. Температура кипения стирола + 145°С, температура замерзания -31°С, критическая температура + 373°С. Скрытая теплота испарения 365 Дж/г, вязкость 0,78 Пас, плотность 906 кг/м3, молекулярная масса 104. Смесь воздуха со стиролом при содержании последнего 1,1-6,1% (по объему) взрывается. Стирол легко смешивается в любых соотношениях с большинством органических растворителей (неполярных и слабо-полярных): низшими спиртами, алифатическими, ароматическими хлорированными углеводородами, нитропарафинами, сероуглеродом и т. д. Растворимость стирола в высших спиртах, кетонах и эфирах ограничена, в воде он почти нерастворим (0,03%). Стирол является хорошим растворителем органических перекисей. Стирол обладает наркотическим действием -- длительное вдыхание паров вызывает расстройство нервной системы, катары дыхательных путей, изменение состава крови и печени, раздражение кожи. При концентрации паров до 2 мг/л и кратковременном действии их на организм наблюдается легкое раздражение слизистых оболочек. Жидкий стирол вызывает образование трещин и а коже.

В промышленности стирол получают:

1. Дегидрированием этилбензола в присутствии окисных катализаторов следующегосостава: (Fe2O3-18,4%;MgO-72,0%; K2O3-4,6%):



2. Из бензола и этилена жидкофазным методом в присутствии AlCl3 в качестве катализатора:



2. Основные закономерности полимеризации винилбензола

С точки зрения механизма полимеризации стирол является одним из наиболее универсальных мономеров. Он легко полимеризуется под действием инициаторов различного типа, включая свободно-радикальные, анионные, катионные, координационно-ионные, а также под действием различного рода излучений. Остается добавить, что стирол легко полимеризуется спонтанно при нагревании по механизму так называемой термической полимеризации. В результате стирол очень часто используют как модельный мономер при исследовании различных инициирующих систем и физических и физико-химических методов воздействия на полимеризующуюся систему.

Зависимость микроструктуры полистирольной цепи от механизма полимеризации явилась предметом обсуждения в ряде работ. Стереорегулярный полимер удалось получить только используя координационные катализаторы типа Циглера -- Натта. До сих пор удалось синтезировать две структуры: атактическую и изотактическуго. Расчеты на построение объемных моделей позволяют сделать вывод, что синдиотактическая конфигурация полистирольной цени должна быть энергетически более выгодна (приблизительно на 0,5 ккал/моль), чем полностью атактическая.

Процессы ограничения роста полимерной цепи при полимеризации стирола специфичны для каждого конкретного механизма. Для радикального процесса характерна реакция обрыва цени путем взаимодействия двух полимерных радикалов друг с другом. Очевидно, что эта реакция должна протекать с очень высокой скоростью и с небольшим активационным барьером. Однако эта реакция в сильной степени зависит от вязкости реакционной среды и в определенных условиях может замедляться. Для радикальной полимеризации стирола весьма характерна и другая реакция, приводящая к обрыву полимерных цепей, но не влияющая на общую скорость процесса. Это спонтанная реакция передачи цени на мономер. Для анионного механизма полимеризации стирола характерен безобрывный процесс роста цепи до полного исчерпания мономера. На практике такой процесс нельзя вести бесконечно, так как активные центры постепенно погибают вследствие протекания побочных реакций. Это особенно заметно при повышении температуры процесса. Когда активный центр полимеризации имеет природу карбкатиона, то, несмотря на наибольшую активность, цепи большой длины не образуются. Это обусловлено малым временем жизни катионного активного центра, который внутренне неустойчив и погибает из-за спонтанного превращения либо (в случае ионной пары) из-за рекомбинации активного конца с противоионом.

Напишем, как собственно происходит полимеризация стирола. Процесс состоит из трех стадий. Вначале в некоторых из многих молекул, содержащихся в реакционном сосуде, благодаря повышенной температуре и присутствию катализатора расщепляются двойные связи. Иными словами, эти молекулы активируются (первая стадия полимеризации):

Затем активные частицы активируют следующие молекулы стирола II соединяются с ними, образуя цепь (следующая стадия):



Рост цепи прекращается, если соединяются две растущие цепи или если к растущей цепи присоединяется другой остаток, например фрагмент катализатора. Эта стадия называется обрывом цепи:

Упрощенная формула полистирола имеет вид:



3. Технология производства поливинилбензола

поливинилбензол химический стирол

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают три основных метода его получения: блочный, эмульсионный, суспензионный. Кроме того разработан метод получения полистирола для вспенивания.

3.1 Блочный метод

Процесс полимеризации стирола в массе (блочный метод) ведется как периодическими, так и непрерывными способами, обычно в две стадии: сначала получают сиропообразный раствор полимера в стироле, содержащий 30-35% полистирола; затем образуется готовый полимер, в котором присутствует 0,5-1% стирола,

Начальная стадия протекает большими массами при энергичном перемешивании и интенсивном отводе тепла; на конечной стадии образовавшийся форполимер переводится в формы небольшой емкости, о которых в большей степени возможны контроль и регулировка процесса полимеризации.

По одному из периодических методов блочной полимеризации предварительная стадия осуществляется в реакторе емкостью 2м3, изготовленном из нержавеющей стали и снабженном водяной рубашкой и обратным холодильником. Для сокращения индукционного периода процесса полимеризации стирол нагревают подачей пара в рубашку реактора, а затем создают вакуум до 26 кПа. При таком разрежении стирол кипит при 100-110°С, и экзотермическая реакция протекает при этой температуре, причем часть выделяемого тепла расходуется на испарение мономера, а избыток отводится из реактора с помощью холодной воды, подаваемой в рубашку взамен пара с момента кипения стирола. Процесс предварительной полимеризации продолжается около 4 ч, после чего вязкий форполимер, охлажденный до 70°С, переливают в формы емкостью 20 л, изготовленные из чистого олова или луженой жести. Окончательная полимеризация в формах идет по ступенчатому температурному режиму при 100-115°С и, наконец, при 125-140°С. По окончании процесса формы охлаждают и вскрывают. Полученный брусок полистирола дробят в гранулы, которые промывают спиртом и сушат при разрежении.

По другому периодическому способу блочная полимеризация стирола проводится сначала в реакторе из нержавеющей стали емкостью 10 м3 при температуре 80-90°С в присутствии инициаторов. Затем полученный форполимер подают в другой реактор, по конструкции подобный фильтр-прессу и состоящий из алюминиевых рам и нагревательных плит, расположенных между ними. Плиты имеют отверстия для последовательного заполнения всех рам реакционной смесью. Благодаря шлифованным поверхностям плит и рам, а также наличию гидравлического пресса в реакторе создаются герметичные пространства, заполняемые форполимером. Плиты нагреваются горячей водой или паром и охлаждаются холодной водой. Реакция протекает в соответствии с описанным выше ступенчатым режимом, и по окончании полимеризации реактор охлаждают до 40°С. Образовавшиеся блоки полистирола (массой около 80 кг) измельчают в специальных дробилках.

Недостатки, присущие периодическому способу полимеризации стирола в массе, связаны с плохой теплопроводностью и повышенной вязкостью образующегося блока, а также с наличием в блоке трудноудалимого непрореагировавшего мономера. В связи с экзотермичиностью процесса полимеризации стирола внутри блока создаются местные перегревы, приводящие к получению в этих зонах полистирола пониженной молекулярной массы, что увеличивает полидисперсность полимера. При высокой температуре внутри блока происходит деструкция полимера, в результате чего кроме снижения молекулярной массы увеличивается содержание остаточного мономера. Значительное количество последнего заметно ухудшает свойства полистирола, снижая температуру размягчения и устойчивость к старению (особенно при действии солнечного света).

Наличие большого количества непрореагировавшего мономера вызывает помутнение и растрескивание полимера (в результате миграции стирола на поверхность) и его постепенное улетучивание.

Наиболее широкое применение в технике имеет непрерывный метод блочной полимеризации стирола, обеспечивающий получение полимера с высокой молекулярной массой и почти свободного от остаточного мономера. Непрерывная полимеризация осуществляется в башне (башенный способ), построенной но принципу «идеального вытеснения». Действие этого аппарата состоит в непрерывном поступлении исходных веществ, которые перемещаются сверху вниз и в результате взаимодействия образуют полимер. Последний непрерывно вытесняется из башни реакционной смесью, поступающей в ее верхнюю часть. Время нахождения форполимера в башне должно обеспечивать необходимую полноту конверсии мономера.

Блочный полистирол выпускают в виде мелкого или крупнозернистого порошка, а также в виде гранул размером не более 10-- 16 мм. Упаковывают его в четырехслойные бумажные непропитанные мешки с содержимым не более 50 кг.

3.2 Эмульсионный метод

Наряду с получением полистирола непрерывным блочным методом широко распространен промышленный способ водно-эмульсионной полимеризации стирола, который позволяет вести процесс с большой скоростью при умеренной температуре и получать высокомолекулярный полимер.

В состав эмульсии кроме стирола обычно входит вода, эмульгатор, инициатор и регулятор поверхностного натяжения. Полимеризация эмульгированного стирола протекает сначала в мицеллах мыла, в которых растворен мономер. Образовавшийся полимер растворяет капельки стирола, распределенные в эмульсии, и таким образом возникают полимерно-мономерные частицы малого размера, в которые переходят мицеллы мыла и где в дальнейшем протекает реакция полимеризации. Переход стирола в полимерные частицы понижает концентрацию мономера, в результате чего скорость процесса полимеризации уменьшается, однако последняя значительно превышает скорость реакции в массе мономера.

Эмульгаторами при полимеризации стирола служат различные натриевые и аммониевые мыла, как касторовое мыло, олеаты и абнетаты, соли сульфокислот высококипящих парафиновых углеводородов, сульфокислоты высших спиртов жирного ряда и др. Применяют эмульгаторы в количестве 1,5--3% от массы стирола. Уменьшение концентрации эмульгатора снижает скорость полимеризации (увеличивается продолжительность), но при этом возрастает молекулярная масса получаемого полистирола. Уменьшение скорости процесса полимеризации с понижением концентрации эмульгатора объясняется сокращением суммарной поверхности полимерно-мономерных частиц в результате увеличения их размеров при уменьшении их количества. Суммарная поверхность, стабилизированная молекулами мыла, ограничивает скорость диффузии мономера из частиц и этим предопределяет продолжительность полимеризации.

Увеличение молекулярной массы полистирола при уменьшении содержания эмульгатора связано с сокращением в полимерно-мономерных частицах количества активных радикалов, дающих начало роста молекул полимера. Однако на практике целесообразнее регулировать величину молекулярной массы изменением концентрации инициатора, поскольку уменьшение количества эмульгатора значительно замедляет процесс полимеризации. Слишком высокая концентрация эмульгатора затрудняет разрушение эмульсии и отмывку полимера в связи с получением очень мелких частиц водной дисперсии полистирола.

Продолжительное и энергичное перемешивание реакционной массы необходимо для равномерного распределения стирола в водной фазе и получения одинаковой дисперсности для поддержания постоянной температуры во всем объеме смеси. Оптимальный режим перемешивания устанавливается для каждой системы во избежание разрушения эмульсии. Некоторое повышение температуры облегчает эмульгирование стирола в результате снижения вязкости среды.

Быстрое получение высококачественной эмульсии обеспечивается медленным введением при перемешивании дисперсной фазы (мономера) в дисперсную среду, залитую в реактор.

Ускорение процесса полимеризации и снижение температуры реакции достигается применением в качестве инициатора систем, состоящих из окислителя (инициатора) и восстановителя (сернистых соединений, солей металлов переменной валентности и др.). В этом случае распад перекисных соединений на свободные радикалы происходит при пониженной температуре, так как требует меньшей затраты энергии.

Регуляторами эмульсионной полимеризации стирола служат вещества, снижающие поверхностное натяжение системы (повышающие дисперсность эмульсии). Это в первую очередь спирты.

В качестве регуляторов применяют также вещества, поддерживающие постоянное значение рН среды, которое изменяется в процессе полимеризации. Повышение кислотности ускоряет разложение инициатора, что приводит к увеличению скорости реакции полимеризации и снижению молекулярной массы полимера, который приобретает пониженные физико-механические свойства и значительную полидисперсность. Соединения, устраняющие разветвленность у растущей макромолекулы полистирола и снижающие таким образом его молекулярную массу (как меркаптаны), являются регуляторами полимеризации.

Эмульсионный метод может осуществляться как периодически, так и непрерывно путем проведения технологического процесса при такой последовательности операций: удаление ингибитора из стирола, полимеризация стирола, коагуляция латекса (осаждение полимера), отделение маточного раствора, промывка полистирола, центрифугирование, сушка, измельчение и просеивание полимера. Эмульсионный метод полимеризации особенно экономичен, если полистирол выделяется из эмульсии путем испарения воды. При этом в полимере остаются все добавки, введенные в эмульсию, в результате чего снижаются величины некоторых показателей и в том числе устойчивость к действию воды и химических реагентов.

Очистка стирола от ингибитора (гидрохинона) производится обработкой его 10%-ным раствором едкой щелочи, 1 масс. ч. которой расходуется на 2 масс. ч. стирола. Обработка ведется в специальном чугунном котле сначала при перемешивании в течение 1 ч, а затем отстаивании в течение 2 ч. Далее раствор щелочи сливают и стирол перекачивают вакуумированием в хранилище, расположенное в цехе.

Периодический метод получения эмульсионного полистирола показан на рисунке 1.

Полимеризатором служит чугунный эмалированный реактор 3 со сферическим днищем, имеющий паровую рубашку, лопастную или рамную мешалку и обратный холодильник 4. Для проведения полимеризации в реактор заливается деминерализованная вода, подвергнутая дистилляции или очистке ионообменными смолами. Затем из меринка в реактор поступает эмульгатор -- 25%-пый водный раствор касторового мыла, полученного обработкой касторового масла 20%-ным раствором едкой щелочи при температуре 80-90°С.

Раствор эмульгатора перемешивается в реакторе с водой при температуре 50°С в течение 20-30 мин, после чего из мерника подают стирол и по истечении 15 мин вводят через люк инициатор-раствор персульфата калия. Реакционная масса нагревается до 70°С паром через рубашку реактора при включенном обратном холодильнике и энергичном перемешивании в течение 1,5-2,0 ч. Дальнейшее нагревание до температуры 90-95°С происходит за счет тепла, выделяющегося при полимеризации стирола. Реакция продолжается еще 2-3 ч и заканчивается при содержании остаточного мономера не более 0,5%. Из реактора эмульсию передают в промежуточную ёмкость 5, из которого она поступает для коагуляции в осадитель 6. Этот аппарат изготовляют из нержавеющей стали или эмалированного чугуна и снабжают мешалкой, паровым барботером и рубашкой для охлаждения. Осаждение полистирола из высокодисперсной стойкой эмульсии производят понижением рН среды до 6-6,5 путем введения кислоты (соляной, серной) или солей, дающих кислую реакцию в растворах (сернокислый алюминий, алюмокалиевые квасцы).

В осадитель предварительно подают из мерника дистиллированную воду и загружают через люк квасцы из расчета получения раствора 1.%-ной концентрации. Квасцы растворяются при перемешивании в течение 10-15 мин, после чего из промежуточного бака тонкой струей сливается в осадитель эмульсия, и перемешивание продолжается еще 15-20 мин. Затем смесь подогревается через барботер острым паром до 85°С, и процесс осаждения заканчивается через 45-80 мин, когда проба разделяется на два слоя: нижний, содержащий осажденный полистирол, и верхний, состоящий из прозрачного водного раствора.

Из осадителя взмученный в воде полимер переводят в промыватель полистирола 7, куда из мерника 8 поступает дистиллированная вода с температурой 70-80°С. Промыватель полистирола представляет собой цилиндрический аппарат из алюминия или нержавеющей стали, имеющий коническое ложное днище и рамную мешалку. Содержимое осадителя и вода для промывания поступают через верхние штуцера в крышке промывателя: маточный раствор и промывные воды после осаждения полимера сливаются через боковой штуцер и ловушку в канализацию.

Промывание полистирола производится несколько раз. После последней промывки вода не отстаивается, и полученная суспензия полистирола в несколько приемов сливается тонкой струей в центрифугу 9, изготовленную из нержавеющей стали. Отделение полимера от воды продолжается 20--30 мин, после чего он с содержанием 60--70% влаги выгружается из центрифуги и поступает на сушку, которая производится в сушилке с кипящим слоем 10 до содержания влаги не более 0,5%. Производственный цикл заканчивается измельчением полимера в шаровых мельницах или дезинтеграторах, просеиванием его на вибросите 11 и упаковкой в бумажные мешки.

3.3 Суспензионный метод

Суспензионный метод производства полистирола по ряду свойств близок к блочному. Полимеризация стирола в суспензии осуществляется периодическим методом (Рисунок 2).



В аппарате 1 предварительно готовят растворы эмульгатора и инициатора в стироле. В качестве инициаторов применяют перекись бензола, гидроперекись кумола и др. Водные растворы стабилизатора суспензии, как правило, получают непосредственно в реакторе 3. Последний изготовляют из нержавеющей стали или изнутри эмалируют, причем стенки должны иметь гладкую поверхность для предотвращения прилипания полимера, что резко уменьшает их теплопроводность. Реактор емкостью 5-10 м3 снабжен рубашкой для нагревания и охлаждения, мешалкой лопастного типа и контрольно-измерительными приборами для поддержания оптимальных условий полимеризации.

После приготовления водной фазы, для чего используют дистиллированную воду, и введения в реактор стирольных растворов инициатора и пластификатора туда же из ёмкости 2 подают стирол, очищенный от ингибитора. Температура реакционной массы постепенно повышается, а процесс полимеризации продолжается 12-15 ч (при 85-120°С).

В зависимости от марки получаемого полистирола устанавливают режим. Процесс полимеризации проводят при непрерывном интенсивном перемешивании во избежание агломерации гранул недополимеризованного полистирола в реакционной массе, что приводит к получению необратимого брака.

Содержимое реактора по окончании процесса полимеризации охлаждают до температуры 40-50°С, после чего оно поступает на сито 5 для удаления крупных гранул (более 3 мм). Затем шламовый насос передает суспензию в промежуточную емкость 4, откуда она самотеком поступает па отжим и промывку в шнековую центрифугу 6 непрерывного действия. В центрифуге происходит отделение бисера (гранул) от маточного раствора, который направляется па установку для очистки сточных вод. Промытый дистиллированной водой и отжатый полистирол в виде бисера, содержащего около 2% влаги, непрерывно поступает в сушилку 7, где высушивается до остаточной влажности 0,2%.

Сушка производится в сушилках на вибрационных конвейерах со встречным потоком горячего воздуха пли во вращающихся барабанных сушилках. Сухой полистирол транспортируют в отделение переработки, где он смешивается в аппарате из нержавеющей стали с красителями, антиокислителем и необходимым количеством пластификатора, после чего подвергается экструзии и гранулированию и далее упаковывается в многослойные бумажные мешки.

3.4 Поливинилбензол для вспенивания

Впервые беспрессовый метод получения поливинилбензола для вспенивания был разработан в 1951г. фирмой «BASF» (ФРГ). За сравнительно короткое время этот метод широко распространился почти во всех промышленно развитых странах благодаря простоте аппаратурного оформления технологической схемы. Кроме того, вспенивание отдельных гранул имеет ряд преимуществ перед вспениванием большого блока: из гранул можно изготовлять изделия очень сложной конфигурации, что невозможно сделать из блока; ввиду плохой теплопроводности полистирола отдельные гранулы можно вспенивать в 5-10 раз быстрее; при вспенивании блока поверхностные слои пенопласта подвергаются воздействию тепла более длительное время, чем внутренние, что ведет к разрывам стенок элементарных ячеек поверхностных слоев и нарушению структуры материала.

Сырьем для производства пенополистирола беспрессовым методом, является суспензионный (бисерный) полистирол который получают суспензионной полимеризацией стирола в присутствии изопентана.

В настоящее время выпускается суспензионный полистирол с пониженной горючестью (самозатухающий). Горючесть полистирола, а следовательно, и пенопласта на его основе снижается при введении в стирол 4-5% антиперена (тетрабромпараксилола).

Сущность процесса получения пенополистирола беспрессовым методом (ПСБ) заключается в том, что под влиянием нагрева выше 80°С полистирол переходит из стеклообразного состояния в вязкотекучее, а изопентан при температуре выше 28°С вскипает и давлением паров вспенивает гранулу полистирола.

Основным фактором, позволяющим получить пенополистирол беспрессеовым методом, является способность гранул такого гидрофобного материала, как полистирол, свариваться друг с другом в присутствии воды, при сравнительно низких температурах - 90-100°С.

Технологический процесс производства пенопласта состоит из следующих операций:

1) предварительное вспенивание гранул (первичное вспенивание);

2) сушка вспененных гранул (при необходимости);

3) выдержка гранул;

4) спекание или формование изделий (вторичное вспенивание);

5) охлаждение отформованных изделий или блоков;

6) резка блоков на плиты или изделия требуемых размеров.

Характерной особенностью технологии производства пенопласта беспрессовым методом является двухстадийный процесс вспенивания.

При первичном вспенивании в гранулах образуются равномерно распределенные ячейки, заполненные парами изопентана, имеющие форму многогранников. Размер ячеек 50-150 мкм. Толщина стенок ячеек не превышает нескольких микрон, что сравнимо с размерами молекулы полистирола, которые в стенках ячеек находятся в ориентированном состоянии, образуя анизотропные плевки, что повышает агрегативную устойчивость вспененной гранулы.

Исходные гранулы суспензионного полистирола имеют насыпной вес 450--550 кг/м3. а после предварительного вспенивания 15-100 кг/м3. Более длительное время вспенивания ведет к разрушению гранул, образованию пористой структуры и повышению объемного веса. Гранулы расширяются при нагревании за счет давления паров изопентана только в начальный период, а затем на вспенивание большое влияние оказывает диффузия паров воды в образовавшиеся ячейки.

Цель предварительного вспенивания заключается и том, чтобы снизить количество вводимого в полистирол изопентана. Исследования показали, что для создания нужного давления газа и получения вполне оформившегося изделия с объемным весом 20-30 кг/м3 необходимо 10- 12% изопентана. Предварительное вспенивание ведут при помощи горячей воды, пара, воздуха или токов высокой частоты, нагревая бисерный полистирол до температуры 90-120 С. При этом объем гранул увеличивается в 30-50 раз в зависимости от свойств исходного суспензионного полистирола.

Для этой операции используют различные виды вспенивателей периодического и непрерывного действия с различными теплоносителями.

При значительных объемах производства пенополистирола наиболее выгодно применять водяной пар, который позволяет автоматизировать процесс предварительного вспенивания. При этом гранулы увлажняются незначительно и необходимость их сушки отпадает. Этот метод получил наибольшее распространение. Процесс предварительного вспенивания ускоряется в поле токов высокой частоты. Недостатком этого метода является низкое значение тангенса угла потерь сухих гранул полистирола. Поэтому необходимость увлажнения гранул и их последующей сушки делает этот метод нецелесообразным.

Гранулы выдерживают при температурах не выше 22-28°С, так как диффузия изопентана из ячеек гранулы интенсифицируется с повышением температуры. Продолжительность выдержки зависит от объемного насыпного веса гранул и составляет при 20-30 кг/мг примерно 6-24 ч. Снижение насыпного веса вызывает увеличение срока выдержки. Максимальный срок выдержки вспененных гранул -- не более 14 суток: при большем времени выдерживания изопентан улетучивается и способность гранул к вспениванию снижается.

Для формования изделия вспененные гранулы помешают в форму, где они занимают 60-70% ее объема. Остальной объем приходится на меж гранульное пространство. При вторичном нагревании полистирол опять размягчается и переходит в вязкотекучее состояние В ячейках гранул создается парциальное давление паров изопентана, воды и воздуха, результате чего гранулы увеличиваются в объеме. Увеличение объема гранул ведет к полному заполнению объема формы. Гранулы, уплотняясь, деформируются и превращаются в многогранники. В местах контакта отдельные гранулы свариваются (сплавляются), в результате чего образуется монолитное изделие.

Во время вторичного вспенивания стенки формы испытывают давление, величина которого в основном зависит от объемного веса пенопласта.

При охлаждении пенопласта после окончательного вспенивания в ячейках гранул, так же как и при охлаждении после предварительного вспенивания, создается вакуум. Остов пенопласта должен сопротивляться разнице давлений в ячейках до тех пор, пока воздух не заполнит ячейки. Поэтому полученные изделия из пенополистирола постепенно охлаждают в формах до температуры 40-50 С, после чего их извлекают.

Полученные изделия желательно подсушивать, так как затянутая вакуумом в ячейки гранул влага будет повышать вес и снижать коэффициент теплопроводности материала.



4. Структура и свойства поливинилбензола

Молекулярная цепь поливинилбензола имеет преимущественно линейное строение с небольшим количеством разветвлений, возникающих в результате реакций передачи цепи между образовавшимися молекулами гомополимера и растущими радикалами; число и размер разветвлений изменяется в зависимости от условий и степени полимеризации. Период идентичности по оси включает три мономерных звена.

Поливинилбензол имеет химическую формулу вида:

[-СН2-СН(С6Н5)-]n

Полистирол, применяемый в технике, имеет аморфное строение. Фенольные группы расположены беспорядочно относительно основной цепи, что препятствует возникновению кристаллических участков в связи со значительно большим размером фенильной группы (по сравнению с атомом водорода).

Стереорегулярный полистирол можно получить при анионной полимеризации растворенного в бензоле стирола в присутствии катализатора TiCl3 при температуре 60-75°С. Получаемый изотактический полимер содержит до 50% кристаллической фазы.

Структуру аморфного полистирола можно упорядочить растяжением его при повышенной температуре, что способствует увеличению прочности и повышению упругости полимера, причем последнее объясняется уменьшением внутренних напряжений.

Полистирол при обычной температуре представляет собой твердый прозрачный материал, похожий на стекло, пропускающий до 90% лучей видимой части спектра. Он бесцветен, лишен запаха и вкуса, физиологически безвреден и легок в сравнении с другими пластмассами. Горит полистирол коптящим пламенем.

Полистирол, как неполярное соединение, легко растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, кетонах и других неполярных органических растворителях. Лучшими растворителями, кроме стирола, являются тетрахлорэтан, изопропилбензол, хлороформ, ксилол, толуол, бензол, четыреххлористый углерод, диоксан, пиридин, сероуглерод, метилэтилкетон, циклогексанон, бутилацетат. Некоторое отрицательное воздействие (ухудшение поверхности) оказывают на полистирол бензин, керосин, скипидар, высшие спирты, эфирные масла, в которых он нерастворим, как иь в низших спиртах, эфире, феноле, уксусной кислоте и воде; полистирол непроницаем для паров воды. Изотактический полимер обладает меньшей растворимостью в сравнении с аморфным полистиролом.

Эмульсионный полистирол в отличие от блочного и от полимера, полученного в растворе, обладает более высокой теплостойкостью и рядом повышенных физико-механических свойств, указанных в таблице 1.



На физико-механические свойства полистирола в значительной мере влияет метод его получения, молекулярная масса, полидисперсность и ряд других факторов. При большом содержании низкомолекулярной фракции снижается прочность на разрыв, удар, изгиб, а также температура размягчения полимера; наличие высокомолекулярных фракций затрудняет переработку полистирола. Нагревание полимера, особенно выше температуры стеклования, приводит к снижению почти всех его прочностных характеристик, в том числе предела прочности при растяжении, как показано на 47 для блочного полистирола.

До температуры стеклования для полистирола характерна небольшая величина удлинения при разрыве (3-4%); при более высокой температуре полистирол становится эластичнее, а затем мягким и липким, постепенно превращаясь в вязкую жидкость (около 185°С). Максимальной рабочей температурой, при которой можно применять полистирол, является температура 70-75°С.

Теплостойкость полистирола при достижении определенной степени полимеризации не зависит от молекулярной массы, но значительно снижается при увеличении содержания мономера. Эта закономерность объясняется тем, что температура размягчения полимера связана не с подвижностью цепей в целом, а лишь с подвижностью отдельных звеньев макромолекул и поэтому зависит от характера связи между звеньями. При высоких температурах (250-300°С) происходит деполимеризация полистирола с выделением мономера и других веществ, как, например, ди- и трифенилбензола. Полистирол, как и большинство пластиков, обладает ползучестью - способностью деформироваться при длительном воздействии нагрузки.

Кроме высоких физико-механических показателей и почти абсолютной водостойкости, а также превосходных изоляционных и оптических свойств одним из достоинств полистирола является его высокая устойчивость к действию агрессивных сред. Атмосферостойкость и химическая стойкость полистирола объясняются насыщенностью углеродной цепи и присутствием фенильных групп.

Полистирол обладает удовлетворительной светостойкостью, за исключением длительного воздействия солнечного света или ультрафиолетовых лучей. Старение полимера обусловлено фотохимическим катализом присоединения кислорода к остаточным ненасыщенным группам, что всегда сопровождается окрашиванием полимера; стабилизируют его добавлением сильных органических аминов.

Недостатками полистирола, ограничивающими его применение в строительной технике, являются следующие свойства: недостаточная теплостойкость, хрупкость (невысокая прочность при воздействии ударных нагрузок, причем на ударную вязкость до температуры стеклования мало влияет нагревание), плохая устойчивость к действию органических растворителей и возникновение внутренних напряжений, приводящих к разрушению материала в изделиях.



5. Применение поливинилбензола

Полистирол и пенополистирол применяются в качестве конструкционного материала, а также широко используется для изготовления корпусов различных бытовых изделий, холодильников, утюгов, пылесосов.

Обладая низким объемным весом, исключительными тепло-, звукоизоляционными и амортизационными свойствами для поливинилбензола традиционными сферами применения являются строительство и упаковка различных товаров (радиотехнических изделий, инструментов, детских игрушек, стеклянной и фарфоровой посуды, стекла, медицинских товаров, а также пищевых продуктов).

Из полистиролов производят широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности человека (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сандвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная декоративная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты), медицинское направление (части систем переливания крови, чашки Петри, вспомогательные одноразовые инструменты).

Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала (фильтрующей насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве: диэлектрических антенн, опор коаксиальных кабелей. Могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с со-полимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и кондитерской индустрии, а также производстве конденсаторов.

Полистирол занимает четвертое место в мировой табели о рангах полимеров - 7,5% мирового рынка. Он относится к термопластам общетехнического назначения. Обладая хорошими прочностными свойствами, прозрачностью и прекрасным внешним видом, полистирол широко используется в производстве товаров бытового и культурно-бытового назначения, светотехнике, медицинской технике, рекламе. Поскольку полистирол является прекрасным диэлектриком, хорошо работающим при низких и высоких частотах, он эффективно применяется в электротехнике, в том числе для изготовления тонких ориентированных конденсаторных пленок.

Полистирол используют как конструкционный материал вместо дерева и металлов для изготовления корпусов приборов и аппаратов, объемных деталей бытовых и промышленных холодильников, контейнеров, емкостей, бутылей, посуды разового пользования, мебели, канцтоваров, осветительных приборов и арматуры к ним, светофильтров, чемоданов, авторучек, упаковки для косметики, визитных карточек, кабельной изоляции.

Ориентированный полистирол толщиной менее 75 мкм используют для «окошек» в картонных упаковочных коробках. Более толстые пленки используются для получения стаканчиков для торговых автоматов, упаковки в виде подносов для фасованного свежего мяса, с тем, чтобы видеть при покупке обе стороны упаковываемого продукта.

В современной строительной индустрии, а также других отраслях все чаще используют экструзионный полистирол. Для изготовления прозрачных листов используется полистирол с меньшим процентным содержанием добавок. При этом получают полистирол общего назначения (GPPS), который обладает относительной хрупкостью и меньшей пластичностью. Полистирол экструзионный общего назначения применяется в изготовлении оконных стекол, вывесок, перегородок, душевых кабин, рассеивателей света, оранжерей, теплиц, подставок, ценников, дверей, фурнитуры, плёнки.

6. Техника безопасности

Продукты разложения полистирола, полученного любым способом, токсичны. При переработке полистирола в результате частичной деструкции материала могут выделяться пары стирола и другие продукты разложения.

Стирол является взрыво- и пожароопасным веществом. Стирол образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации 1,1-6,2 объемных %, кроме того, он токсичен. Его пары вызывают раздражение, а также ведут к заболеваниям пищеварительной системы и особенно печени. При попадании стирола в рот, необходимо срочно принять рвотное средство и обратиться к врачу. Предельно допустимая концентрация паров стирола в воздухе равна 0,5 мг/ м3. Производственные помещения должны быть оснащены эффективной вентиляцией. Стирол следует хранить в композиции с ингибитором и при низкой температуре, так как самопроизвольная полимеризация не только осложняет его дальнейшее использование, но и может привести к перегреву и как следствие к взрыву.

Гранулированный полистирол является горючим продуктом. Температура воспламенения расплава - 210 °С. При загорании полистирол тушить распыленной водой со смачивателями.

Аэровзвесь эмульсионного полистирола взрывоопасна. Пыль фракции 20-250 мкм имеет нижний предел воспламенения 25-29 г/м. Температура самовоспламенения аэрогеля - 444 °С.

Полистирол, не содержащий физиологически активных примесей, безвреден. Маточный раствор и промывные воды, получаемые при синтезе эмульсионного и суспензионного полистирола, необходимо направлять на нейтрализацию в очистные установки.

Пыль полистирола может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом. Электрические устройства и двигатели, эксплуатируемые в цехах, должны быть изготовлены во взрывобезопасном исполнении, а все трубопроводы заземлены.

7. Материальный баланс химических реакторов при проведении простых необратимых реакций

Наиболее важным показателем, отражающим совершенство химического реактора, является интенсивность протекающего в нем процесса. Но интенсивность тем выше, чем меньше время, затрачиваемое на получение единицы заданного продукта, поэтому главной задачей при изучении химических процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов. Эту зависимость можно выразить в виде уравнения:

ф = f(C0, x, r), (1)

где ф - время пребывания реагентов в реакторе;

С0 - начальная концентрация исходного реагента;

x - степень превращения исходного реагента;

r - скорость химической реакции.

Уравнение (1), связывающее четыре указанных параметра, является математическим описанием модели реактора и называется характеристическим уравнением реактора.

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из компонентов реакционной смеси. Уравнение материального баланса по компоненту A при проведении простой необратимой реакции будет выглядеть следующим образом:

(2)

где CA ? концентрация реагента А в реакционной смеси;

ф ? время пребывания любого элемента объема в реакторе;

Wx, Wy, Wz ? скорости потоков вдоль осей x, y, z соответственно;

Д ? коэффициент молекулярной и турбулентной диффузии;

rА? скорость химической реакции (скорость расходования вещества А);

? общее изменение концентрации реагента А во времени;

? произведения составляющих скорости потока вдоль осей координат на градиенты концентраций - изменение концентрации реагента А в элементарном объеме вследствие переноса его реакционной средой (вместе с самой средой) в направлении, совпадающем с направлением общего потока (конвективный перенос);

? изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии (диффузионный перенос).

Используя уравнение материального баланса (2), нетрудно вывести расчетные математические модели (характеристические и расчетные уравнения) для реакторов идеального смешения периодического действия (РИС-П), идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н) и идеального вытеснения непрерывного действия (РИВ).



8. Расчёт объемной подачи реагентов

Установить объемную подачу реагентов А и В в РИС-Н, при которой ХВ составит 0,75. Известно, сто реакция протекает в жидкой фазе по уравнению:

A + В - D + Е

Объем реактора 0, 12 м3

Константа скорости прямой реакции 0,18 м3/кмоль*сек

Константа скорости обратной реакции 0,05 м3 / кмоль*сек

Концентрация вещества А в первом потоке 2,8 кмоль/м3

Концентрация вещества В во втором потоке 1,6 кмоль/м3

Степень превращения вещества В 0,75

Объем реакционной смеси в течение процесса не изменяются. Объемные скорости потоков с веществами А и В одинаковые.

Определяем??начальные?концентрации?реагентов?в?точке?их?смешения:??

C?A,o?=??C?A,o?(пот)?*?VA?/??VA+?VB?=?2,8??*??0,18??/??0,18??+?0,05?=??2,19?кмоль/?м3

C?B,o?=??C?B,o?(пот)?*?VB?/??VA+?VB?=??1,6?*?0,05?/?0,18??+?0,05?=?0,35?кмоль/?м3

C?-?концетрация,?кмоль/?м3

VA?,?VB?-?скорости?вешеств

Рассчитываем??рабочие??концентрации??реагентов,?которые??в??условиях?

?РИС-Н?равны?их?конечным?концентрациям:??

C?B?=?C?B,o?-?C?B,o?*?XB?=?0,35(1-0,75)?=??0,0875?кмоль/?м3

C?A?=?C?A,o?-?C?B,o?*?XB?=?2,19?-??0,35?*0,75?=??1,93?кмоль/?м3

XB?-?степень?превращения?вещества?В?

?Уравнение?скорости?обратимой?реакции:?

r?B?=?r?пр?-?r?обр?=?K1*?C?A*?C?B?-?K2*CD*CE=??0,18*?2,8*?1,6?-??0,05?*?2,8*?

1,6?=???0,0224?кмоль/?м3

K1,?K2?-?константы?скоростей

По??характеристическому??уравнению??РИС-Н??рассчитываем??время??

пребывания?реагентов?в?реакторе:

?ф?=?C?B,o?*?XB?/?r?B?=?0,35*0,75?/??0,0224?=?11,72?с

?Объемную?подачу?реагентов?А?и?В?рассчитаем?через?объем?реактора:

Vp?=?(VA?+?VB)?*?ф

(VA?+?VB)?=?Vp?/?ф?=?0,12?/?11,72=?0,0102?м3/?с

Vp?-?объем?реактора

Ответ:?объемная?подача?реагентов?А?и?В?составила?0,0102?м3/?с



Список использованной литературы

1. Малкин А.Я. Полистирол. Физико-химические основы получения и переработки/А.Я. Малкин [и др.] - М.: Химия, 1975. - 288 с.

2. Павлов В. А. Пенополистирол. - М.: Химия, 1973. - 233 с.

3. Щербина Л.А. Общая химическая технология. Раздел: «Теория химических реакторов. Изотермический режим». - Могилев: МГУП, 2004. - 30 с.

4. Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учебное пособие для вузов/А.М. Кутепов [и др.] - М.: Высшая школа, 1990. - 520 с.

5. Расчеты химико-технологических процессов: Учебное пособие для вузов/под ред. И.П. Мухленова. - Л.: Химия, 1982. - 248 с.

Размещено на Allbest.ru

...