Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC năng suất 45 000 tấn trên năm

Polyvinyl clorua (PVC) có lịch sử phát triển hơn 100 năm qua. Năm 1835 lần đầu tiên Henri Regnault đã tổng hợp được vinylclorua, nguyên liệu chính để tạo nên PVC. Polyvinyl clorua được quan sát thấy lần đầu tiên 1872 bởi Baumann khi phơi ống nghiệm chứa vinylclorua dưới ánh sáng mặt trời, sản phẩm tạo ra có dạng bột màu trắng và bản chất hóa học của nó chưa được xác định. Các nghiên cứu về sự tạo thành PVC đầy đủ hơn đã được công bố vào năm 1912 do Iwan Ostromislensky (Nga) và Fritz Klatte (Đức) nghiên cứu độc lập. Tuy nhiên polyme mới này vẫn không được ứng dụng và không được chú ý quan tâm nhiều, bởi tính kém ổn định, cứng và rất khó gia công. Cuối thế kỷ 19, các sản phẩm như axetylen và clo đang trong tình trạng khủng hoảng thừa, việc có thể sản xuất được PVC từ các nguyên liệu này là một giải pháp rất hữu hiệu. Năm 1926, khi tiến sỹ Waldo Semon vô tình phát hiện ra chất hoá dẻo cho PVC, đây mới là một bước đột phá đầu tiên để khắc phục nhược điểm khi gia công cho PVC, sau đó là các nghiên cứu về chất ổn định cho PVC. Đến năm 1933, nhiều dạng PVC đã được tổng hợp ở Mỹ và Đức nhưng phải đến năm 1937, PVC mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp hoàn chỉnh tại Đức và sau đó là ở Mỹ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

2 Đề tài : Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC năng suất 45.000 tấn/năm

3 Nội dung tính toán

- Cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt

- Thiết bị chính

4 Nội dung thuyết minh

- Lời nói đầu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

 Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Vũng Tàu, ngày tháng năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy

cô trong Khoa Hóa học & công nghệ thực phẩm và đặc biệt là sự giúp đỡ tậntình của giảng viên hướng dẫn : Thạc sĩ Tống Thị Minh Thu, nhóm chúng em đãhoàn thành nhiệm vụ được giao đúng thời hạn quy định

Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất nhựa PVC theo phương pháp trùng hợphuyền phù được hoàn thành dựa vào kiến thức tổng hợp thu được trong nhữngnăm học vừa qua ở trường, qua các tài liệu tham khảo trong nước cũng như một

số tài liệu của các nước công nghiệp phát triển trên thế giới

Qua quá trình thiết kế, chúng em càng hiểu thêm về các dầy chuyền côngnghệ sản xuất hiện đại, đồng thời trang bị thêm cho mình kiến thức về thiết kếnhà máy công nghiệp hóa chất Tuy nhiên, việc thiết kế phân xưởng sản xuất đòihỏi người thiết kế phải có một kiến thức tổng hợp về mặt lý thuyết cũng như quátrình công nghệ, kỹ năng tính toán, những kiến thức về xây dựng, đặc biệt lànguyên tắc vận hành dây chuyền công nghệ và am hiểu thực tế Bản thân chúng

em là sinh viên việc tiếp cận thực tế chưa nhiều, kinh nghiệm thực tế hạn hẹpnên bản thiết kế của em không tránh khỏi những thiếu sót và tính khả thi của nóchưa cao, rất mong sự đóng góp của quý thầy cô để bản đồ án của chúng emđược hoàn thiện hơn

Cuối cùng, một lần nữa nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tìnhgiúp đỡ của Th.S Tống Thị Minh Thu cùng quý thầy cô trong khoa đã giúp emhoàn thành bản đồ án này

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thập niên 1930  1940 bắt đầu phát triển nhiều loại nhựa dẻoquan trọng trong đó có nhựa polyvinyl clorua (PVC) Sau Chiến tranh thế giớithứ hai polyme tổng hợp đã làm cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật liệu.Những polyme này có giá thành tương đối rẻ, tính chất có thể điều chỉnh trongmột giới hạn rộng và trong nhiều mục đích sử dụng ưu việt hơn những loại vậtliệu cổ truyền

PVC là một polyme tổng hợp từ vinyl clorua monome (VCM) theophản ứng trùng hợp Số mắt xích trong phân tử PVC khoảng 700  1500monome Các monome này liên kết tạo thành một mạch duy nhất Nhữngmạch này rất mềm dẻo Ngày nay, PVC được sử dụng rất rộng rãi do nó có rấtnhiều công dụng PVC có thể được sử dụng làm màng, tấm chất dẻo, chất dẻođúc bằng áp lực, keo dán, sơn…Tuy nhiên PVC cũng có một số điểm hạn chếnhư kém bền nhiệt, chỉ sử dụng tốt trong phạm vi nhiệt độ khoảng 60700C,khả năng hoà tan trong các dung môi kém, khi gia công có khí HCl thoát ragây ra ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường

Trước như cầu về PVC của thế giới và Việt Nam đang tăng mạnh thìviệc nghiên cứu để có những ứng dụng công nghệ mới trong ngành sản xuất

PVC có một ý nghĩa hết sức quan trọng Đồ án công nghệ: Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC công suất 45.000 tấn/năm góp phần cho chúng em

hiểu rõ về ngành sản xuất còn rất mới này

Đồ án này sẽ đưa ra những khái niệm cơ bản nhất về polyme nói chung

và PVC nói riêng Giới thiệu một số quá trình sản xuất khác nhau và lựa chọnmột quá trình sản xuất phù hợp với điều kiện của Việt Nam đồng thời cũngđưa ra một số thông tin mới cập nhật và một số tiến bộ công nghệ trong lĩnhvực sản xuất

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 8

1.1 Giới thiệu chung về PVC 9

1.1.1 Lịch sử phát triển 9

1.1.2 Tình hình sản xuất và phát triển 10

1.1.3 Cấu tạo 20

1.1.4 Tính chất của PVC 22

1.1.5 Ứng dụng 27

1.2 Nguyên liệu tổng hợp PVC 28

1.2.1 Vinyl clorua (VCM) 28

1.2.2 Chất ổn định huyền phù ( Polyvinyl ancol – PVA) 31

1.2.3 Chất khơi màu 32

1.2.4 Chất kìm hãm ( AD – 3) 35

1.2.5 Chất ổn định nhiệt độ ( AD – 5) 35

1.2.6 Chất bảo quản 37

1.3 Phản ứng tạo nhựa PVC 38

1.3.1 Đặc điểm của phản ứng trùng hợp 38

1.3.2 Cơ chế 40

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp 41

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC 44

2.1 Phân tích và lựa chọn dây chuyền công nghệ 44

2.2 Công nghệ sản xuất PVC bằng phương pháp trùng hợp huyền phù 46

2.2.1 Thành phần nguyên liệu 46

2.2.2 Sơ đồ khối quy trình sản xuát 47

2.2.3 Các giai đoạn sản xuất 48

2.2.3.1 Nạp pha liên tục 48

2.2.3.2 Hút chân không thiết bị phản ứng 48

2.2.3.3 Tiến hành nạp monomer VC 49

2.2.3.4 Đun nóng thiết bị phản ứng 49

2.2.3.5 Ổn định nhiệt độ và áp suất 50

2.2.3.6 Tháo sản phẩm 50

2.2.3.7 Làm sạch nồi phản ứng 50

2.2.4 Quy trình công nghệ 52

2.2.4.1 Thiết kế cụm sản xuất 52

2.2.4.2 Thiết kế sơ đồ công nghệ 56

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 60

3.1 Cân bằng vật chất 61

3.1.1 Thông số ban đầu 61

3.1.2 Tính cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm 63

3.2 Cân bằng nhiệt 72

3.2.1 Giai đoạn nung nóng hỗn hợp 25 ÷ 45 o C 72

3.2.2 Giai đoạn duy trì phản ứng ở 58 o C 89

3.3 Tính toán thiết bị chính 99

3.3.1 Quy cách thiết bị 99

3.3.2 Tính thể tích của nguyên liệu trong một chu kỳ sản xuất 99

3.3.3 Tính thể tích của thiết bị phản ứng (V tb ) 100

3.3.4 Tính chiều cao và đường kính thiết bị phản ứng 101

3.3.5 Tính chiều dày thiết bị phản ứng 102

3.3.6 Tính chiều dày vỏ áo thiết bị 108

3.3.7 Tính bích cho thiết bị chính 110

3.3.8 Tính cánh khuấy của thiết bị phản ứng 111

3.3.9 Tính trọng lượng của thiết bị phản ứng 116

3.3.10 Chọn chân đỡ và tai treo 120

3.3.11 Kích thước hình học của tấm chắn và vị trí lắp đặt 121

3.3.12 Tính đường kính thiết bị ngưng tụ 122

3.3.13 Xác định kích thước nắp và chiều dày thiết bị ngưng tụ 123

3.3.14 Chọn bích và bulong cho thiết bị ngưng tụ 126

KẾT LUẬN 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

Chương 1: TỔNG QUAN LÝ

THUYẾT

1.1 Giới Thiệu Chung Về PVC

Trong công nghiệp chất dẻo, Polyvinyl clorua (PVC) là một trong bachất dẻo chủ lực gồm Polyolefin (PO), PVC và Polystyren (PS) Nó đứnghàng thứ hai sau Polyolefin với tổng công suất toàn thế giới năm 1997 là trên

25 triệu tấn, tiêu thụ khoảng 22 triệu tấn

Vinyl clorua được tìm ra lần đầu tiên bởi Regnault năm 1835, polymePolyvinyl clorua (PVC) được quan sát thấy lần đầu tiên năm 1938 Năm 1912,Baumann trình bày phản ứng trùng hợp monome vinilic gồm vinyl clorua sửdụng ánh sáng mặt trời để tạo ra sản phẩm PVC ở dạng bột trắng Từ đó, côngnghệ trùng hợp PVC đã có những bước phát triển mạnh mẽ chủ yếu ở Mỹ vàĐức Sản phẩm thương mại của PVC ra đời lần đầu tiên ở Đức vào đầu nhữngnăm 30 sử dụng quá trình trùng hợp nhũ tương Năm 1932, bước đột phá đầutiên để giải quyết vấn đề quá trình và sự ổn định nhiệt diễn ra khi Semon phátminh ra chất hoá dẻo cho PVC, quá trình sử dụng chất ổn định được phát triểnvào những năm 30 của thế kỉ 20

Hiện nay PVC là một trong những polyme chính của thế giới Do tínhchất cơ lý tốt nên PVC được sản xuất với sản lượng lớn Tuy nhiên tính ổnđịnh nhiệt và tính mềm dẻo của PVC kém hơn một số nhựa thương phẩm khácnhư Polyetylen (PE) và PS PVC được sản xuất chủ yếu bằng trùng hợp gốc.Tuy nhiên, trùng hợp gốc của PVC cho ra nhiều các đồng phân và các khuyếttật cấu trúc Những nhân tố này là quan trọng sống còn đối với người sử dụngPVC, vì chúng tạo ra những vấn đề về màu sắc, độ ổn định nhiệt, độ tinh thể,ứng xử gia công và tính chất cơ học của thành phẩm Nghiên cứu về khuyết tậtcũng đem lại sự hiểu biết sâu sắc về bản chất của phản ứng phụ xảy ra trongquá trình trùng hợp

Ngoài các chất phụ gia như chất hoá dẻo, chất ổn định nhiệt, chất bôitrơn,chất độn và các polyme khác, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm cảithiện những tính chất yếu kém của PVC, ví dụ như đồng trùng hợp với cácmonomer khác và thay đổi hình thái của hạt để tăng cường tính dễ gia công.Polyme ghép đồng trùng hợp của PVC với monome acrylic và vinyl axetat,blend với MBS và acrylonitryl butadien styren (ABS) đã được thử nghiệm đểtăng sức chịu va đập Copolyme của PVC với monome imit và PVC clo hoá

đã được nghiên cứu để tăng tính chống cháy của PVC Tổng hợp polyme khốilượng phân tử cao và một liên kết ngang PVC để tăng modun Tổng hợp PVChoá dẻo nội là một giải pháp cho vấn đề của chất hoá dẻo (DOP) di chuyển từbên trong ra bên ngoài vật liệu

1.1.2 Tình hình sản xuất và phát triển

1.1.2.1 Trên thế giới

Trong phần lớn thời gian của thập niên 1990, sản xuất PVC là một lĩnhvực sản xuất không đạt lợi nhuận cao Điều này đã khiến nhiều công ty đóngcửa nhà máy, rút khỏi sản xuất PVC hoặc sáp nhập với nhau Rất ít nhà máymới được dự kiến xây dựng

Tuy nhiên, nhu cầu PVC đã tăng mạnh vào cuối thập niên, bất chấpnhững

vấn đề môi trường Kết quả là, sau khi ảnh hưởng của cuộc khủnghoảng tài chính châu á giảm dần, nhu cầu PVC đã tăng lên sít sao với mứccung và lợi nhuận đã tăng trở lại trong năm l 999

Sản lượng PVC của thế giới năm 2006 đạt tới hơn 32 triệu tấn và mứctăng trưởng trong giai đoạn 2001 – 2006 là hơn 5 %/năm Dự kiến đến năm

2012, công suất PVC của thế giới sẽ đạt 50 triệu tấn/năm Khu vực châu Á

được dự báo dẫn đầu thế giới với mức tăng trưởng nhu cầu bình quân hàngnăm là khoảng 7 %/năm trong giai đoạn từ nay đến những năm 2010 và đếnnăm 2012 sẽ chiếm 50% tổng công suất của thế giới, trong đó cao nhất làTrung Quốc, tiếp đến Malaysia, Việt Nam và Ấn Độ.

Bảng 1.1 là sản lượng PVC của thế giới trong các năm1991, 2001, 2006

và dự báo cho 2011 Bảng 1.2 là công suất PVC của Châu Á – Thái Bình

Dương giai đoạn 2000-2007, trong đó Trung Quốc với sự nhảy vọt đột biến đãvươn lên vị trí dẫn đầu thế giới

Bảng 1.1 Sản lượng PVC trên thế giới

7 Châu Á-Châu Đại Dương 5.860 10.600 14.600 19.800

Theo: TPC Vina, CMAI và Vinolit

Bảng 1.2 Công suất nhựa PVC của Châu Á-Thái Bình Dương giai đoạn

2000-2007

Đơn vị tính: 1.000 tấn

Nước 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 20071

2.6131.1801.5662.89279526062110080811100324240

2.5401.2401.6793.265795260621100115775100324140

2.5231.2401.6794.623795260621100200775100324140

2.4481.2401.6986.000795271621106200775100394140

2.4481.2401.7178.000795280621110200800100394140

2.4481.2401.71710.0007952806211102001.035100394140

2.4481.2401.71711.2007952806211102001.035100394140

Tổng cộng: 11.18

0

11.58 2

11.95 4

13.38 0

14.78 8

16.84 5

19.080 20.280

Theo: Harriman Report

Ngành xây dựng là lĩnh vực sử dụng chủ yếu đối với các sản phẩm

PVC Trong lĩnh vực hàng tiêu dùng và bao bì đóng gói, các sản phẩm PVC

đang mất dần thị phần vì nó được thay thế bởi các sản phẩm khác thân môi

trường hơn

Những yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất PVC toàn cầu là:

- Sự tăng trưởng kinh tế sẽ kéo theo sự tăng nhu cầu PVC

- Giá năng lượng cao có thể làm giảm tốc độ tăng trưởng kinh tế.

- Các vấn đề về môi trường có thể không kìm hãm sự tăng trưởng sảnxuất

PVC, nhưng có thế hạn chế việc xây dựng các nhà máy PVC mới

Cơ cấu sử dụng 5,3 triệu tấn PVC tại các nước Tây Âu như sau:

Bảng 1.3 Cơ cấu sử dụng PVC ở các nước Tây Âu

Cơ cấu sử dụng PVC tại các nước Tây Âu :

1.1.2.2 Tại Việt Nam

Từ nhưng năm đầu của thập kỷ 60 Việt Nam đã "sản xuất được" PVC

do Nhà máy hóa chất Việt Trì sản xuất Trong phương án sản phẩm của nhàmáy có 150 tấn/năm PVC chủ yếu để giải quyết cân bằng do việc tạo ra HCL,cho kết hợp với axetylen từ đất đèn nhập ngoại, thành VCM và trùng hợp

Những tấn bột trắng ngả hồng đầu tiên ấy đã được Nhà máy Cao su Sao vàngcán thành tấm "nilông" che mưa, nhà máy ăcquy Hải Phòng làm những tấm lácách điện Song vừa không kinh tế, lại sản lượng quá nhỏ, chẳng giải quyếtđược vấn đề gì nên ngành sản xuất này sớm chấm dứt, đặc biệt khi bước vàochiến tranh phá

hoại của Mỹ

Trong những năm của thập kỉ 90 công nghiệp gia công chất dẻo trongnước phát triển mạnh với tốc độ tăng bình quân tới 28%/năm Năm 1990 tiêuthụ chất dẻo trong nước là 0,5 kg/người đến năm 1996 đã lên tới 5,7 kg/người.Toàn bộ nhựa nguyên liệu là nhập khẩu; trong số đó PVC chiếm trung bình1/3 PVC nhập dưới 2 dạng: Bột PVC (PVC resin) và hạt PVC (PVCcompound) chứa sẵn chất hóa dẻo, chất ổn định, chất màu

Năm 2000 cả nước tiêu thụ khoảng 150.000 tấn bột PVC, trong nướcsản xuất đáp ứng được khoảng 40% nhu cầu và phải nhập khẩu 60% từ nhiềunước trên thế giới

Năm 2002, toàn ngành nhựa Việt Nam đã sử dụng 1.260.000 tấnnguyên liệu nhựa, trong đó PP, PE, PVC là các nguyên liệu được sử dụngnhiều nhất chiếm khoảng 71,3% tổng nhu cầu nguyên liệu

Mức tiêu thụ theo từng loại nguyên liệu nhựa năm 2002 như sau:

Bảng 1.4 Thống kê nhập khẩu PVC: đvt triệu USD

Tên nước Năm 1998 Năm 1999 Năm 2000 10tháng/2001

PVC 100.000 200.000 400.000DOP 28.000 28.000 67.000Các dự án sản xuất PVC theo danh mục các dự án nguyên liệu và bánthành phẩm nghành nhựa giai đoạn 2001–2010 (Ban hành kèm theo Quyếtđịnh số 11/2004/QĐ-BCN ngày 17 tháng 02 năm 2004 của Bộ trưởng BộCông nghiệp)

Bảng 1.5 Thống kê các dự án sản xuất PVC

Tên dự án Địa điểm Công suất

(tấn/n)

Tổng vốn(triệu USD)

Công suất(tấn/n)

Tổngvốn(triệuUSD)Nhà máy sản xuất Đồng Nai 120.000 45

PVC1 mở rộng Vũng Tàu 100.000 80

Bộ Công nghiệp đã vạch ra một chiến lược của ngành hóa dầu để đónđầu các bước đi tiếp sau của sự phát triển PVC: tạo ra etylen từ cracking nafta(hoặc khí thiên nhiên), clo hóa rồi gặp nhau ở VCM, đồng thời cung cấp 2-etylhexanol và axit terephtalic Theo dự kiến vào khoảng năm 2010 chúng ta sẽ cókhả năng sản xuất từ đầu đến cuối 500.000 tấn nhựa PVC và 75.000 tấn DOP

Tương lai của nghành sản xuất nhựa PVC tại Việt Nam là khả quan.[6]

Ở Việt Nam, cũng như tất cả các nước Đông Nam Á khác (kể cả ĐàiLoan), công ngiệp sản xuất nguyên liệu cho ngành nhựa đều khởi đầu từ PVC

Sơ đồ sau cho ta khái quát các bước phát triển của quá trình sản xuất PVC từdầu mỏ và sự phát triển của ngành hóa dầu Việt Nam:

Ngành sản xuất nhựa PVC ở Việt Nam bắt đầu vào năm 1998 với sựhiện

diện của liên doanh TPC Vina (tiền thân là Mitsui Vina) Cuối năm

2002, nhà máy sản xuất PVC thứ hai (Liên doanh giữa Petronas Malaysia với

Bà Rịa – Vũng Tàu) có công suất 100.000 tấn/năm cũng bắt đầu tham gia vàothị trường

Bảng 1.6 Lượng tiêu thụ các loại nhựa và PVC ở Việt Nam trong những

năm qua và dự đoán đến năm 2011

Sản xuấttrongnước(tấn)

Nhậpkhẩu(tấn)

Tổngcầu (tấn)

Bìnhquân tiêuthụ

(kg/đầungười)

2010 3850000 42,00 290000 40000 330000 3,74

Tuy nhiên, hiện nay giá sản phẩm PVC trong nước cao hơn rất nhiều sovới giá mặt bằng chung trên thế giới Nguyên nhân của tình trạng trên là do sựhụt giá của đồng tiền các nước cung cấp nguyên liệu cho ngành nhựa ViệtNam Hơn nữa, các nhà máy mới đi vào hoạt động giá thành sản phẩm vẫnmang giá trị khấu hao ban đầu nên giá thành vẫn cao hơn mức bình thường.Khả năng cung-cầu nhựa PVC ở Việt Nam được thể hiện trong biểu đồ hình

1.1:

Hình 1.1 Khả năng cung – cầu PVC của Việt Nam

C H

Cl

n H

Như vậy, cho đến năm 2010 – 2011 và cả các năm sau đó Việt Nam vẫncòn phải nhập khẩu PVC nếu như ngay từ bây giờ không có nhà đầu tư nàoquan tâm đến lĩnh vực này

Công thức cấu tạo dạng tổng quát của nhựa PVC:

Nó luôn tồn tại ở hai dạng cấu tạo là đầu nối đuôi và đầu nối đầu

 Đầu nối đuôi:

 Đầu nối đầu:

Qua sự nghiên cứu các tính chất hoá học của PVC và qua khảo sát bằngquang học thì thấy rằng cấu tạo chủ yếu theo lối kết hợp đầu nối đuôi, vàonăm 1939 Marrel, Sample và Raj làm thí nghiệm tách loại Clo trong PVC

20

CH Cl

CH Cl

CH2

Cl CH2

Cl CH

bằng cách đun nóng dung dịch PVC trong dioxan với bột kẽm đã khẳng định

sự xác định cấu tạo trên là đúng

- Nhóm Cycloprôpan tạo thành, chứng tỏ PVC có cấu tạo theo nối kếthợp đầu nối đuôi

- Do trong PVC có Clo nên cấu trúc rất điều hoà Polyme thu được làhỗn hợp của cả ba loại

- Syndiotactic:

- Izotactic:

- Atactic:

Vào năm 1956, Natto và Carradini kiểm tra vùng kết tinh và thấy rằng

cứ khoảng 5,1 A0 thì chứa một cấu trúc Syndiotactic phổ NMR đã chỉ ra rằngPVC theo quy ước có khoảng 5,5% Syndiotactic và phần còn lại là một lượnglớn Atactic trong cấu trúc ngoài ra còn một số mạch nhánh như:

C H

H

Cl H

H C

H C

1.1.4.1 Tính chất vật lí

PVC là một polyme vô định hình ở dạng bột trắng hay vàng nhạt, cótrọng lượng riêng là 1,41,45 Chỉ số khúc xạ 1,544 PVC là một loại nhựadẻo chịu nhiệt trong khoảng 801600C Trọng lượng phân tử không đồng đều,

độ trùng hợp từ 1002000 Để có vật liệu bền và co giãn thì 70% các phầncủa polyme phải có độ trùng hợp từ 1000 trở lên PVC lão hoá rất nhanh, dẫnđến giảm tính co giãn và tính chất cơ học

Tính chất điện của sản phẩm PVC phụ thuộc vào quá trình hình thành:

- Hằng số điện môi tại 60 Hz và 30 0C là 3,54.

- Hằng số điện môi tại 1000 Hz và 30 0C là 3,41

- Hệ số công suất tại thời điểm trên là3,51% và 2,51%

- Cường độ điện môi: 1080 V/ml

1.1.4.2 Tính chất hóa học

PVC có tính ổn định hoá học tốt ở nhiệt độ thường Còn khi nhiệt độtăng thì PVC có tính chất hoạt động hoá học và trong các quá trình biến đổihoá học đều có các nguyên tử Clo tham gia phản ứng và kéo theo cả nguyên tửHidro ở bên cạnh Cacbon Phản ứng được chú ý nhất của PVC đó là sự Clohoá cuối Quá trình có thể thực hiện trong môi trường hữu cơ như CCl4 tạinhiệt độ vừa phải dưới tác dụng của sự chiếu xạ tử ngoại

CH2 CH

Cl

CH2 CH Cl

- HCl

+ O2

Cl O

(3)

Phản ứng cũng có thể thực hiện trong huyền phù dạng nước với sựcộng hợp của tác nhân gây trương như clorofom, cacbon têtracloxit xúc tácbởi tia tử ngoại

PVC có tính hoạt động hoá học khá lớn: trong các quá trình biến đổihoá học đều có các nguyên tử Clo tham gia phản ứng và thường kéo theo cảnguyên tử Hidro ở Cacbon bên cạnh

Các loại phản ứng chính gồm:

Khi đốt nóng PVC có toả ra HCl và xuất hiện hoá trị tự do Chính nhờ

có hoá trị tự do nên trong mạch sẽ xuất hiện nối đôi ở phản ứng (1), sẽ có liênkết nối các mạch cao phân tử ở phản ứng (2) và nếu có oxy sẽ tạo thành một

số nhóm có chứa oxy ở phản ứng (3)

Nhiệt độ càng cao HCl toả ra càng mạnh và càng có nhiều liên kếtnối các mạch làm giảm tính chất hoà tan của polyme PVC ở trong dungmôi và ngay ở nhiệt độ thường cũng có HCl thoát ra và ở đây chủ yếu

CH

Cl NH

Dung dịch polyme như trên đun nóng với Lytiafumi hydrat ở 1000C

sẽ biến hoàn toàn thành polyetylen (chảy mềm ở nhiệt độ 1201300C)

c Thế các nguyên tử Clo.

Mức độ thay thế không cao lắm và thường trọng lượng phân tử bịgiảm, thay Clo bằng nhóm axêtát Khi đun nóng lâu ở 65 0C dung dịchPVC với hỗn hợp axit axetic và axetat bạc

- Thay Clo bằng nhóm amin

Khi tác dụng dung dịch PVC với amôniac trong bình có áp suất và ởnhiệt độ cao sẽ tạo thành một số nhóm amin và các liên kết amin nối cácmạch, mức độ thay thế không quá 1520%

- Thế Clo bởi nhân thơm

Khi cho tác dụng dung dịch PVC trong têtra hydro furan hay dicloetanvới benzen (hay Alkyl benzen) ở 00C hay ở nhiệt độ thường với xúc tác Cloruanhôm (AlCl3) sẽ tạo thành một số nhóm Aryl

Bên cạnh phản ứng chính trên còn có 2 loại phản ứng phụ sau:

- Thế bởi nhóm sunfua amin bởi phản ứng nhựa trong huyền phù dạngnước với amoni.

Cl + (NH4)2SO4  - SO2NH2 + NH4Cl + H2

Thành phần của PVC có đặc thù mà các loại nhựa khác không có: trongphân tử monome VCM có tới gần 60% khối lượng là từ clo, clo được hìnhthành qua quá trình điện phân muối ăn (NaCl) Do đó PVC ít phụ thuộc vàosựbiến đổi giá của dầu mỏ hơn so với những loại polyme được tổng hợp từ100% dầu mỏ Tại mọi thời điểm, giá của PVC bao giờ cũng thấp hơn khoảng

từ 20 - 30% so với các loại chất dẻo cùng được ứng dụng rộng rãi khác như

PE, PP và PS

Ưu điểm thứ hai là do clo đem lại cho PVC Đó là tính kìm hãm sựcháy Cũng chính vì đặc điểm này mà PVC gần như chiếm vị trí độc tôn tronglĩnh vực xây dựng dân dụng

Về mặt ứng dụng, PVC là loại nhựa đa năng nhất Giá thành rẻ, đa dạngtrong ứng dụng, nhiều tính năng vượt trội là những yếu tố giúp cho PVC trởthành vật liệu lý tưởng cho hàng loạt ngành công nghiệp khác nhau: xây dựngdân dụng, kỹ thuật điện, vô tuyến viễn thông, dệt may, nông nghiệp, sản xuấtôtô, xe máy, giao thông vận tải, hàng không, y tế Ở bất kỳ đâu chúng ta đều

bắt gặp sự hiện diện của PVC

 PVC cứng (không có chất hoá dẻo): làm tấm, ống dẫn, vật liệucách điện …

PVC mềm: ống dẫn mềm, bọc dây điện, màng mỏng, thuộc da …

 PVC không độc: thùng chứa thực phẩm, màng bao bì thực phẩm,chai lọ chất dẻo …

+ Nhiệt độ bốc hơi ở 250C 78,5kcal/kg

+ Nhiệt tạo thành -838kcal/kg

+ Nhiệt trùng hợp -3665kcal/kg

+ Nhiệt dung riêng dạng lỏng ở 250C 0,83kcal/kgđộ

+ Nhiệt dung riêng dạng hơi ở 250C 0,207kcal/kgđộ

+ Độ tan trong nước ở 1at là 0,5 % trọng lượng

+ Giới hạn nồng độ của hỗn hợp với không khí từ 3,6226,6% thể tích + Tính chất độc của VC:

VC độc hơn so với etylclorua và ít độc hơn clorofom và tetra cloruacacbon Có khả năng gây mê qua hệ thống hô hấp của con người và cơ thểđộng vật Con người khi tiếp xúc hơi VC ở mức 25% thì chỉ trong 3 phút đãbắt đầu bị choáng váng và mất thăng bằng định hướng Nếu hàm lượng VCtrong không khí là 0,5% thì con người có thể làm việc trong một vài giờ màkhông có tác động sinh lý nào đáng kể cả

Trong phân tử VC có liên kết nối đôi và một nguyên tử Clo linh động,

do đó phản ứng hoá học chủ yếu là phản ứng kết hợp hoặc phản ứng củanguyên tử Clo trong phân tử VC

- Phản ứng nối đôi

+ Phản ứng cộng hợp: tác dụng với halogen cho ta 1,2 diclo etan ởđiều kiện môi trường khô ở 1401500C hoặc ở 800C và có chiếu sáng xúc tácSbCl3

Khi có xúc tác AlCl3, FeCl3 thì VC phản ứng với HCl

Khi đun nóng với kiềm HCl bị tách ra khỏi VC cho ta axetylen

Tác dụng với acolat hay fenolat cho ta este VC:

HCl

Cl Cl

- Tạo hợp chất cơ kim

+ VC trong điều kiện không có không khí ở 4500C có thể bị phân huỷtạo thành axetylen và HCl do phản ứng polyme hoá axetylen và có thể phảnứng tiếp tục tạo ra một lượng nhỏ 2- clo- 1,3- butadien

Còn trong điều kiện có không khí VC bị oxi hoá hoàn toàn

- Bảo quản: Trước đây VC được bảo quản và vận chuyển với sự có mặtcủa một lượng nhỏ phenol để ức chế phản ứng polyme hoá Ngày nay VCđược sản xuất với độ tinh khiết cao và không cần chất ức chế trong bảo quảnđồng thời do được làm sạch nước nên VC không gây ăn mòn có thể được bảoquản trong các thùng thép cacbon thường

Do phản ứng trùng hợp tiến hành trong môi trường huyền phù với môitrường phân tán là nước nên ta sử dụng một số chất ổn định huyền phù như sau:

CH2 CH n OH

Hàm lượng tro 1,0 % khối lượng (tối đa)

Độ trong suốt của dung dịch 4% tối thiểu 90 %

Thành phần dễ bay hơi 5,0 % khối lượng (tối đa)

Hàm lượng tro 1,0 % khối lượng (tối đa)

Chất khơi mào được sử dụng với mục đích tạo ra các gốc tự do, các gốc

tự do này sẽ khơi mào cho quá trình chuyền mạc

C2H5 O

Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước

Sự phân hủy: khí CO2, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C - 19 ở nhiệt

độ phòng Phản ứng oxy hóa khử xãy ra khi có tiếp xúc với kim loại như làsắt

Khả năng cháy: không cháy

Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước

Khả năng cháy : không cháy

Sự phân hủy: khí CO2, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C - 29 ở nhiệt độphòng Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi có tiếp xúc với các kim loại có hóa trịnhư là sắt, mangan, đồng…

Chống cháy: các loại bọt, bột để dập lửa, và làm lạnh với nhiều nước.Điều kiện sử dụng:

Trạng thái nhũ tương

Nồng độ 50%

1.2.4 Chất kìm hãm ( AD-3 )

Mục đích của nó cho vào nhằm ngăn chặn không cho phản ứng xảy ra Tên gọi: 2,2-Diphenyl propane

hoặc 2,2-Di-p-hydroxyphenyl propane

hoặc Diphenyl propane

hoặc 4,4-Isopropylidene diphenyl

Công thức phân tử: HOC6H4 - CH3 - C6H4OH

Nhiệt dung riêng : 0,35 cal/g/oC

Độ tan: không tan trong nước, tan trong rượu với tỷ lệ 150,5 g/100 getanol và dung dịch kiềm pha loãng

Điều kiện sử dụng:

Dung dịch 10 % trong NaOH

Thuộc nhóm có độc tính thấp, gây dị ứng da, kích thích đối với mắt

Độ tan của bột không tan trong nước.

Chất rắn phân tán: tan 26% khối lượng (KL) trong axeton

tan 57% KL trong benzen

tan 57% KL trong CHCl3

tan 42% KL trong etyl acetate ( C2H5OCO-CH3 ) tan 31% KL trong hexane

tan 0,6% KL trong metanol

Chất này được sử dụng với mục đích ngăn ngừa không cho phản ứng tựtrùng hợp xãy ra trong quá trình thu hồi và làm tinh vinylclorua Thường sửdụng các chất sau:

Độ tan: tan trong metanol, hydro carbon clo hóa

1.2.6.2. -metyl styren ( INH-3 )

Chất này được sử dụng với mục đích ngăn không cho phản ứng tiếp tụcxảy ra trong trường hợp có sự cố như điện cúp, áp suất bên trong thiết bị phảnứng tăng lên đột ngột mà ta không kiểm soát được quá trình thì cho chất nàyvào

CH3 C CH2

t0 t0

C CH3

CH3 CN

CH3

CH3

2 C CH3

+ Peoxit benzoil (POB) có công thức là (C6H5COO)2 do tác dụng nhiệt

nó bị phân huỷ ra các gốc hoạt động

(C6H5COO)2 2 C6H5COO

C6H5COO C6H5 + CO2+ Azodi Izobutyl nitril (AIBN) cũng bị phân huỷ thành các gốc hoạtđộng

Các gốc vừa sinh ra gọi là gốc hoạt động và được ký hiệu là R.Tuy nhiên các gốc này không phải đều tham gia khơi mào quá trình trùng hợp

mà một số kết hợp với nhau tạo thành phân tử trung hoà (khoảng 20 – 40%)

C6H5 + C6H5 C6H5 C6H5

C6H5 + C6H5COO C6H5COOC6H5

Quá trình trùng hợp VC để tạo thành PVC qua 4 giai đoạn chính:

 Giai đoạn khơi mào: gốc hoạt đông R của chất khởi đầu kíchthích VC thành gốc đầu tiên:

R˙ + CH2 CH R CH 2 CH +

 Giai đoạn phát triển mạch: gốc đầu tiên trên tiếp tục tác dụng vớimonome khác và tiếp tục kéo dài mạch

39

CH2 Cl

 Giai đoạn chuyển mạch

- Chuyển mạch lên monomer

- Chuyển mạch lên polyme

- Nếu chất khơi mào dùng là POB thì có chuyển mạch lên chấtkhơi mào nếu là AIBN thì không xảy ra quá trình này

+ Chuyển mạch lên monomer

+ Chuyển mạch lên chất khơi mào

 Giai đoạn đứt mạch: Tạo thành cao phân tử và có 2 cơ chế đứtmạch là phân ly và kết hợp

+ Đứt mạch phân ly

40