Đồ án tôt nghiệp Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren

Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phân monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 2000C và thu được sản phẩm đồng thể. Berthelot đã chế tạo được styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon và phương pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này. Năm 1937, Công ty Dow Chemical, một công ty lớn của Mỹ đã sản xuất được polystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đã sản xuất được 100.000 kg polystyren. Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩm thu được có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xã hội. 1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren Năm 1930, PS mới bắt đầu được sử dụng như một sản phẩm thương mại nhưng đến năm 1938 thế giới sản xuất được 100 tấn polystyren, cuối chiến tranh thế giới thứ hai sản xuất được 25.000 tấn. Đến cuối năm 1961 đã sản xuất được gần 1 triệu tấn PS. Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đó đến các nước ở Tây Âu. Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trong bảng 1:

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU………

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nhựa polystyren (PS) ………

1.1.1 Lịch sử phát triển………

1.1.2 Tình hình sản xuất polystyren ………

1.1.3 Nguyên liệu ………

1.1.3.1 Tính chất vật lý của styren ………

1.1.3.2 Các phương pháp để thu được styren ………

1.2 Cơ chế phản ứng trùng hợp……….…

1.2.1.Giai đoạn khơi mào………

1.2.2 Giai đoạn phát triển mạch ……….…

1.2.3 Giai đoạn đứt mạch………

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc polystyren………

1.3.1 ảnh hưởng của oxy và tạp chất………

1.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ………

1.3.3 ảnh hưởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu………

1.4 Các phương pháp sản xuất………

1.4.1 Trùng hợp khối………

1.4.2 Trùng hợp dung dịch………

1.4.3 Trùng hợp nhũ tương………

1.4.4 Trùng hợp huyền phù………

1.5 Tính chất của nhựa polystyren………

1.6 ứng dụng………

Chương 2: tính toán thiết bị 2.1 Tính phối liệu và cân bằng vật chất………

2.1.1 Lựa chọn phương pháp sản xuất………

………

2.1.2 Cân bằng vật chất………

2.2 Tính toán kích thước thiết bị phản ứng………

2.2.1 Tính toán vỏ thiết bị chính………

2.2.2 Tính cánh khuấy và mô tơ cánh khuấy……… ………

2.2.3 Tính lớp vỏ gia nhiệt……… ………

2.2.4 Tính chiều dày lớp bảo ôn………

2.2.5 Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng……….………

2.2.6 Chọn mặt bích, đệm, bu lông……….…………

2.2.7 Tai treo của thiết bị……….………

2.3 Tính toán thùng chứa styren………

2.4 Tính toán thùng lường styren………

2.5 Tính toán thiết bị ngưng tụ……….……

2.6 Tính toán bơm………

2.7 Tính cân bằng nhiệt lượng………

2.8 Thiết bị ly tâm………

2.9 Thiết bị sấy phun………

2.9.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy phun……….…

2.9.2 Vòi phun………

2.9.3.Buồng sấy phun………

Chương 3: Xây dựng 3.1.Yêu cầu lựa chọn địa điểm xây dựng……….……

3.1.1.Yêu cầu chung……….………

3.1.2 Yêu cầu về khu đất………

3.1.3.Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp………

3.2.Thiết kế tổng mặt bằng………

3.2.1 Yêu cầu chung………

3.2.2 Nguyên tắc phân vùng………

3.2.3 Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng………

………

3.3 Những căn cứ để thiết kế phân xưởng…….………

3.4 Giải pháp thông gió……….………

Chương 4: kinh tế 4.1 Tóm lược dự án………

4.2 Thị trường và kế hoạch sản xuất……….…

4.2.1 Nhu cầu………

4.2.2 Kế hoạch sản xuất………

4.3 Tính toán kinh tế………

4.3.1 Vốn cố định………

4.3.1.1 Vốn xây dựng………

4.3.1.2 Vốn đầu tư thiết bị máy móc………

4.3.2 Vốn lưu động………

4.3.2.1 Chi phí nguyên liệu (1 năm)……… ……

4.3.2.2 Chi phí nhu cầu về điện………

4.3.2.3 Chi phí nhu cầu về nước………

4.3.2.4 Chi phí dầu nóng………

4.3.3 Tính nhu cầu lao động………

4.3.3.1 Tính quỹ lương trả cho công nhân trực tiếp………

4.3.3.2 Tinh quỹ lương trả cho công nhân gián tiếp………

4.3.4 Giá thành sản phẩm………

4.3.5 Lãi và thời gian thu hồi vốn………

kết luận……… tài liệu tham khảo

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Nuyễn Thanh Liêm, thầy giáo Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu polyme, bộ môn xây dựng công nghiệp, khoa kinh tế và quản lý trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thanh Liêm, thầy giáo

Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành

Ở nước ta nguồn nguyên liệu để sản xuất chất dẻo là rất lớn nhưng hầu hếtcác loại chất dẻo đều phải nhập khẩu do ngành công nghiệp hoá dầu của Việt Namchưa phát triển, mặt khác ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo chưa được đầu tưđúng mức

Xuất phát từ yêu cầu thực tế ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo của nước ta đã hình

“Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren theo phương pháp huyền phù với công suất 1000 tấn /năm”

Năm 1839, E.Simon là người đầu tiên xác định được tính chất của polystyren

và đặt tên đầu tiên là styren , ông đã quan sát được sự chuyển hoá của styren trongdung dịch lỏng nhớt ở trạng thái tĩnh

Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phânmonome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 2000C và thu được sản phẩm đồng thể.Berthelot đã chế tạo được styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon vàphương pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này

Năm 1937, Công ty Dow Chemical, một công ty lớn của Mỹ đã sản xuất đượcpolystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đã sản xuất được 100.000

kg polystyren

Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng được hoàn thiện và sản phẩmthu được có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng được nhu cầu của xãhội

1.1.2 Tình hình sản xuất polystyren  12

Năm 1930, PS mới bắt đầu được sử dụng như một sản phẩm thương mạinhưng đến năm 1938 thế giới sản xuất được 100 tấn polystyren, cuối chiến tranhthế giới thứ hai sản xuất được 25.000 tấn Đến cuối năm 1961 đã sản xuất được gần

1 triệu tấn PS Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đóđến các nước ở Tây Âu Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trongbảng 1:

Bảng 2: Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 12  19

( triệu tấn/năm)

1.1.3 Nguyên liệu 3 , 4 , 12

1.1.3.1 Tính chất của styren 3 , 12

Styren là một chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, không hoà tan trongnước mà hoà tan theo bất cứ tỷ lệ nào với rượu, keton, ete, este, cacbuahydro clohoá, nitroparafin

Tính chất vật lý của styren được trình bày trong bảng 3

Tỉ nhiệt ở 250C ,cal/g.độ 0.407

Giới hạn nổ trong không khí, %V 1.1 6.1

Độ co sau khi trùng hợp, %V 17.0

1.1.3.2 Các phương pháp để thu được styren  3

- Styren có trong bã nhựa

- Nhận được khi chưng khô than

- Cracking dầu mỏ.

- Nhiệt phân một số chất hữu cơ khác

- Đề hydro hoá của etylbenzen

Trong các phương pháp trên thì phương pháp đề hydro hoá của etylbenzen được sử dụng rộng rãi nhất

Etylbenzen có công thức : C 6 H 5 – CH 2 – CH 3.

Có hai phương pháp sản xuất etylbenzen:

a Đi từ benzen và cloetan ( có tricloua nhôm làm xúc tác).

OH

oxy hoa

O O

Do hiệu ứng liên hợp của điện tử lẻ với điện tử  của nhân thơm nên gốc semi - quinon

Ýt hoạt động và không có khả năng khơi mào trùng hợp styren Nó chỉ có thể tương tác với gốc đang phát triển và ngừng quá trình phát triển mạch:

Phản ứng trùng hợp nhựa PS xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm 3 giai đoạn chính:

+ Giai đoạn khơi mào.

+ Giai đoạn phát triển mạch.

C trở nên kém bền hơn và thích hợp cho quá trình trùng hợp gốc Có nhiều phương pháp trùng hợp polystyren như:

Peroxit:

O O

O O

K

O S

O O

O K

1.2.1 Giai đoạn khơi mào 4

Đây là giai đoạn sinh ra trung tâm hoạt động, dưới tác dụng của nhiệt độ, chất khởi đầu peroxit benzoin phân huỷ thành gốc tự do:

K 1 : Hằng số phân huỷ chất khởi đầu.

Gốc tù do tạo thành tiếp tục phản ứng với monome cho một gốc tự do mới

1.2.2 Giai đoạn phát triển mạch  4

Đây là giai đoạn cơ bản quyết định tốc độ phản ứng trùng hợp, cấu tạo và kích thước phân

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp gốc PS  4

1.3.1 Ảnh hưởng của oxy và tạp chất 4

Oxy không khí hấp thụ trong monome chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong quá trình trùng hợp gốc Tuỳ thuộc vào bản chất monome và điều kiện trùng hợp, oxy có thể làm dễ dàng hay khó khăn cho quá trình trùng hợp.

Tác dông hai mặt của oxy được giải thích bằng khả năng tạo với monome và gốc tự do polyme các loại peroxit hay hydro peroxit Nếu peroxit hay hydroperoxit tạo thành ổn định trong điều kiện phản ứng thì sẽ làm chậm quá trình trùng hợp, ngược lại nếu chúng dễ bị phân huỷ thành gốc tự do thì sẽ tăng nhanh quá trình trùng hợp Đối với monome styren thì dưới tác dụng của oxy, có phản ứng xảy ra như sau:

O

C6H5O

Do những ảnh hưởng phức tạp của oxy và tạp chất khác, nên trong qúa trình trùng hợp bắt buộc phải điều chế monome thật tinh khiết và phản ứng cần tiến hành trong môi trường khí trơ

N 2

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ  4

Nhiệt độ tăng thì vận tốc các phản ứng khơi mào, phát triển mạch, chuyển mạch, đứt mạch đều tăng nhưng mức độ tăng khác nhau Do đó quá trình trùng hợp sẽ kết thúc sớm khi tăng nhiệt độ Nhưng nhiệt độ cao làm độ trùng hợp giảm, còn có thể nẩy sinh một số phản ứng phụ giữa các nhóm định chức của polyme và làm cho cấu trúc thiếu trật tự, sản phẩm có trọng lượng tương đối thấp, có nhiều mạch nhánh.

1.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu  4

Các chất khởi đầu khác nhau có tác dụng khác nhau với một monome và một chất khởi đầu

có tác dụng khác nhau với một loại monome khác nhau.

Khi nồng độ chất khởi đầu tăng thì lượng gốc tự do sinh ra tăng Từ đó làm cho vận tốc phản ứng khơi mào tăng, đồng nghĩa với nồng độ monome bị giảm nhanh hơn mà vận tốc trùng được tính theo công thức:

th

 = - dt 

M d

th

 dM giảm vậy  TH tăng

Vận tốc phản ứng đứt mạch được tính như sau:

Nhiều công trình nghiên cứu cơ chế trùng hợp khối styren đã chứng tỏ rằngpolyme thường có Ýt nhánh và đứt mạch xảy ra là do kết hợp hai gốc polyme tù dođang phát triển Chỉ khi nào nhiệt độ trùng hợp cao hơn 1000C thì mới tạo thànhpolyme mạch nhánh, ở nhiệt độ thấp hơn 500C tốc độ trùng hợp rất bé

Điều kiện trùng hợp:

- Chất khởi đầu phải tan trong monome

- Polyme phải tan trong monome

- Khi không có chất khởi đầu thì sau một thời gian cảm ứng styren bắt đầutrùng hợp

- Tốc độ của phản ứng trùng hợp trở nên không đáng kể khi mức độ chuyểnhoá khoảng 90% như vậy ta không thể nhận được polyme trọng lượng phân tử caokhi thời gian kéo dài

Bảng 4: Ănh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ trùng hợp và trọng lượng

phân tử trung bình của PS  3 .

Nhiệt độ

trùng hợp,

0C

Tốc độ trùnghợp ban đầu

Độ nhít của dungdịch polyme 10%

trong toluen

Trọng lượngphân tử trungbình

Áp suất hơicủa styrenmmHg

Phương pháp cho phép nhận được sản phẩm chứa Ýt monome, sản phẩm có

độ tinh khiết cao và trọng lượng phân tử cao, có thể tự động động hoá quá trình sảnxuất, cải thiện điều kiện lao động từ đó hạ giá thành sản phẩm

- Nhược điểm:

Trong quá trình tạo polyme độ nhớt tăng làm cản trở quá trình truyền nhiệt

và khuấy dẫn đến quá nhiệt cục bộ, polyme tạo thành có trọng lượng phân tử thấp

Ứng dụng của sản phẩm.

Polyme trùng hợp khối được dùng để chế tạo các sản phẩm đúc thẳng vàotrong khuôn và Ýt cần gia công lại, sản phẩm thường dùng làm vật cách điện và cácchi tiết thông thường sử dụng trong kỹ thuật do sản phẩm polystyren nhận đượctheo phương pháp trùng hợp khối có thể thay đổi trong diện rộng

1.4.2 Trùng hợp dung dịch  3 .

So với trùng hợp khối, phản ứng trùng hợp trong dung dịch tiến hành với tốc

độ chậm hơn và polyme tạo thành có trọng lượng phân tử thÊp hơn Trọng lượngphân tử trung bình của PS phụ thuộc vào điều kiện trùng hợp và loại dung môi

Dung môi ở đây phải trơ với các chất trong hỗn hợp và monome, chất khởiđầu và polyme phải tan trong dung môi Dung môi thường sử dụng là benzen,xyclohexan, tertbutylbenzen, toluen vì khi đó polyme thu được có trọng lượng phân

tử lớn hơn khi dùng các dung môi khác

Polyme nhận được ở dạng dung dịch cho nên sử dụng làm sơn rất tốt, nếu sửdụng vào mục đích khác cần cho kết tụ polyme từ dung dịch bằng cách cho thêmchất kết tụ Những chất kết tụ hay được sử dụng là cacbuahydro, rượu metylic,etylic

Ưu nhược điểm của phương pháp

+ Phương pháp trùng hợp dung dịch Ýt được sử dụng vì dung môi nhiều, dâychuyền phức tạp, phải có thiết bị tách dung môi ra khái polyme.

+ Tạo nên polyme có khối lượng phân tử trung bình thấp do có khả năngphản ứng chuyển mạch lên monome và dung môi

Ứng dụng của sản phẩm:

- Sản phẩm ở dạng dung dịch nên được sử dụng làm sơn rất tốt

- Dùng để gia công tạo ra sản phẩm thông dụng không đòi hỏi độ tinh khiếtcao

1.4.3 Trùng hợp nhũ tương

Styren hoà tan vào nước vì thế không phụ thuộc vào chất khởi đầu , quátrình trùng hợp trong các mixel xà phòng và sau đó thực hiện trong các phân tửpolyme – monome tạo thành Mixel có dạng hình cầu hoặc hình tấmvới kích thướckhoảng 0,01 0,3 micromet Chất nhũ hoá được hấp thụ trên bề mặt nhũ tương,một phần nhỏ hoà tan trong nước còn lại kết hợp với nhau tạo thành các mixel Cácmixel dạng tấm hoặc cầu:

Phần lớn các mixel tồn tại ở dạng giọt có kích thước từ 1  10 m, nồng độ

1010  1011 mg/ml

Quá trình phản ứng như sau :

- Monome Ýt tan trong nước, nó tan trong phần hữu cơ của mixen

- Chất khởi đầu phân ly thành các gốc tự do khuyếch tán vào bên trongmonome gọi là các mixen hoạt động.

- Vì kích thước các mixen nhỏ, nồng độ lớn do đó bề mặt riêng của mixenrấtlớn nó khuyếch tán monome vào bên trong bắt đầu quá trình trùng hợp

- Quá trình trùng hợp là quá trình giảm thể tích do đó dư thừa một phần chấtnhũ hoá chúng sẽ thoát ra ngoài và tạo thành các mixen mới

Hỗn hợp phản ứng bao gồm: monome (30  60 % so với nước), chất khởiđầu tan trong nước, môi trường phân tán là nước, chất nhũ hoá chiếm từ 15%khối lượng monome

Khi trùng hợp hết monome do có sự chệnh lệch áp suất giữa bên trong vớibên ngoài mixen do đó monome lại khuyếch tán vào bên trong mixen tiếp tục quátrình trùng hợp Khi đó, để hệ thống cân bằng một phần của giọt monome sẽ tan ra.Đến mét lúc nào đó các phân tử chất nhũ hoá không đủ bao phủ các polyme hoàtan, khi đó các hạt sẽ có xu hướng kết hợp lại với nhau làm giảm số hạt và vận tốctrùng hợp giảm Các hạt có xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành giọt polymetan trong monome gọi là latex

Đến giai đoạn cuối các monome đã phản ứng hết sinh ra phản ứng đứt mạch,chuyển mạch Để hạn chế phản ứng chuyển mạch lên polyme người ta phải đưathêm tác nhân trùng hợp khác gọi là chất điều chỉnh khối lượng phân tử, sau khitrùng hợp polystyren có mầu hơi vàng và nhiệt độ chảy mềm cao hơn so víi trùnghợp khối

có ảnh hưởng quyết định đến quá trình trùng hợp và tính chất polyme

Chất nhũ hóa gồm hai phần là: phần ưa nước và kị nước

Khi nồng độ chất nhũ hoá giảm thì tốc độ phản ứng giảm nhưng thời giantrùng hợp và trọng lượng phân tử polyme tăng Khi điều chỉnh trọng lượng polymetrước hết nên thay đổi nồng độ của chất khởi đầu, không nên thay đổi lượng chấtnhũ hoá vì chất nhũ hoá thay đổi trọng lượng được Ýt nhưng lại tăng thời giantrùng hợp lên nhiều lần

Chất khởi đầu

Các chất khởi đầu cho quá trình trùng hợp nhũ tương là các peroxit vàhydroperoxit tan trong nước, ngoài ra còn có thể thêm vào hỗn hợp phản ứngnhững chất xúc tiến phân giải chất khởi đầu

Kích thước, hình dạng thiết bị và kết cấu cánh khuấy có ảnh hưởng đến sản phẩm của nhũ tương, đặc bịêt là kích thước của giọt nhũ tương Để khuấy trộnđược nhanh hơn và nhận được nhũ tương có phẩm chất tốt nên rót từ từ chất phântán

KÞ n íc

¦a n íc

(monome) vào môi trường phân tán (nước) Nước đã cho sẵn trước vào thiết bịphản ứng và khuấy đều Nhiệt độ và thời gian khuấy trộn có ảnh hưởng đến việcchuẩn bị nhũ tương Nhiệt độ tăng có ảnh hưởng tốt đến sự nhũ hoá vì khi đó độnhớt của môi trường giảm đi Khuấy trộn có tác dụng phân bố đều monome vàonước và duy trì nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ hệ thống phản ứng Trùng hợphuyền phù thường sử dụng chất khởi đầu là persulfat kali.

Chất điều chỉnh

Chất điều chỉnh thường dùng là rượu và các chất khác làm giảm bề mặt của

hệ thống, nghĩa là có khả năng làm tăng độ phân tán của nhũ tương

Ngoài ra còn dùng mercaptan ngăn không cho các đại phân tử đang pháttriển bị phân nhánh, và giảm trọng lượng của polyme, những chất duy trì cho pHmôi trường không đổi trong thời gian trùng hợp Độ axit của hỗn hợp càng cao thìchất khởi đầu phân giải càng mạnh do đó độ trùng hợp càng cao và trọng lượngphân tử polyme càng thấp Nếu như hiện tựơng quan sát thấy trong thời gian trùnghợp thì polyme rất không đồng đều về trọng lượng phân tử và có tính chất cơ - lýkém

So sánh tốc độ trùng hợp theo các phương pháp nhận thấy rằng khi trùng hợpnhũ tương polyme nhận được sau 2  6 ngày đêm có trọng lượng phân tử cao hơn

so với polyme nhận được sau 30 ngày đêm theo phương pháp trùng hợp khối

Ưa nhược điểm của phương pháp:

+ Hàm lượng monome còn lại trong sản phẩm thấp , sản phẩm ở dạng bộtnên thuận lợi cho quá trình cán tráng hay đóng bánh.

ổn định huyền phù như tinh bét, jelatin, rượu, polyvinylic…với lượng 0,1  10%

so với trọng lượng của pha nước Chất khởi đầu ở đây là các peroxit hoà tan trongmonome theo mức độ khuấy trộn và các điều kiện khác của quá trình Nhiệm vụchủ yếu của chất ổn định là ngăn không cho các hạt polyme dính với nhau

Lượng nước trong huyền phù Ýt ảnh hưởng đến diễn biến quá trình trùnghợp Nước cã vai trò vừa là môi trường phân tán vừa là chất tải nhiệt tránh hiệntượng quá nhiệt nhưng nếu nhiều nước qúa thì sẽ lấy hết nhiệt của phản ứng Nhiệt

độ trùng hợp phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm Ýt nhất là 100C

Trong quá trình trùng hợp pH của môi trường giảm đi trung bình 1  2 đơn

vị, nếu giữ pH ở 7  8 thì nhận được các hạt polyme khá lớn Điều đó chứng tỏrằng rượu polyvinyl ancol chứa 8  20 % nhóm axetat ổn định huyền phù trongmôi trường axit yếu ( pH = 4  6 ) tốt hơn trong môi trường kiềm yếu, pH giảm đi

trong quá trình trùng hợp có liên quan đến việc xà phòng hoá một phần các nhómeste của chất ổn định và tạo thành sản phẩm có tính axit do phân giải peoxitbenzoin Đối với đa số các chất ổn định sử dụng khi trùng hợp huyền phù các hạtpolyme đều nhanh chóng tạo thành ở giá trị pH 4  8,5.

Ưu nhược điểm của phương pháp

Khí nóng Khí nóng

sơ đồ dây chuyền sản xuất polystyren theo ph ơng pháp huyền phù

7 6

5 4

3

10 8

Thuyết minh dõy chuyền:

Styren sạch ở thựng chứa 1 nhờ bơm ly tõm 20 đưa lờn thựng lường 4, nướctheo ống dẫn vào thựng lường 5 Peroxit benzoin nhờ thiết bị hỳt chõn khụng 19đưa thẳng vào thiết bị phản ứng Polyvinyl ankol ở thựng chứa số 17 nhờ bơm ly

Để tiến hành phản ứng, đầu tiên các nguyên liệu từ thùng lường được nạpvào thiết bị phản ứng 9 trong khoảng thời gian 15 phót Trong quá trình phản ứngthường sử dụng cánh khuấy loại khung bản để khuấy trộn hỗn hợp Quá trình trùnghợp tiến hành trong 6 giờ nhiệt độ phản ứng khoảng 70 – 85 0C Thiết bị ngưng tụ 7dùng để ngưng tụ các chất bay hơi trong quá trình phản ứng như nước, chất ổn địnhhuyền phù Khi hàm lượng styren còn khoảng 0.3% thì kết thúc trùng hợp

Hỗn hợp sản phẩm sau khi trùng hợp được đưa vào thiết bị rửa số 10, tại đâydiễn ra quá trình rửa sản phẩm bằng nước, khuấy mạnh để làm tan chất nhũ hoá vàcác chất xúc tác còn lại trong sản phẩm để sản phẩm được tinh khiết Sau khi rửa,sản phẩm được chuyển vào thiết bị ly tâm 16, thiết bị này có tác dụng sấy sơ bộsản phẩm, nhờ thiết bị hút chân không sản phẩm lại được tiếp tục đưa sang thiết bịsấy phun 11 Sản phẩm được đưa vào thiÕt bị từ trên xuống dưới dạng tia nhờ dhiết

bị phun khí động, khí nóng được thổi từ dưới lên và sấy cho đến khi độ Èm trongsản phẩm không quá 5% Sau khi sấy tiếp tục đưa sản phẩm vào máy Ðp đùn 12 đểtạo hạt Sản phẩm được vận chuyển bằng thiết bị sấy băng tải 13 sau khi đạt độ khôcần thiết đưa qua cân đồng hồ 14 sang bộ phận đóng bao15 sau đó nhập kho kếtthúc dây chuyền sản xuất và quá trình lại lặp lại như cũ

1.5 Tính chất của nhựa PS

PS là vật liệu thông dụng đứng thứ tư sau polyetylen, polyvinylclorua,polypropylen Đây là vật liệu cứng, trong suốt, không có mùi, khi cháy cho ngọnlửa không ổn định

Tính chất kỹ thuật của PS chủ yếu do điều kiện và phương pháp trùng hợpquyết định Điều kiện trùng hợp có ảnh hưởng tới mức độ trùng hợp, lượngmonome còn lại trong polyme, mức độ đồng đều về trọng lượng phân tử và độphân nhánh, độ tinh khiết của sản phẩm

Khi trọng lượng phân tử khoảng 50.000 thì được sử dụng làm sơn, nếu trọnglượng phân tử vào khoảng 200.000  300.000 thì được sử dụng để Ðp tÊm và đúc

Ðp dưới áp suất

Tính chất chịu nhiệt

Độ chịu nhiệt của PS theo Mac tanh là 800C, theoVie từ 105 1100C nhiệt

độ hoá thuỷ tinh là 80  820C Cao hơn nhiệt độ hoá thuỷ tinh thì PS chuyển sangtrạng thái mềm cao và trạng thái đó bảo tồn trong mét giới hạn nhiệt độ rộng 80 

1500C Sử dụng PS đôi khi gặp khó khăn do độ chịu nhiệt không cao Khi giữ PS ở

800C thì trọng lượng phân tử giảm đi nhiều, nếu duy trì ở 1500C trong 5 giê,polyme phân giải rất nhiều do đứt mạch trở lại monome và oxy hoá bởi oxy khôngkhí Độ ổn định nhiệt của PS có thể tăng lên bằng cách đồng trùng hợp styren vớimonome chứa nhân thơm

tụ điện cao tần ổn định và chính xác với tính chất cách điện cao

PS hoà tan tốt trong cacbua hydro thơm, este, xeton, không hoà tan trongnước, phenol, cacbuahydro mạch thẳng no

PS bền hoá học tốt đặc biệt với kiềm, axit sulfuric, axit photphoric, axitboric với bất kỳ nhiệt độ nào nhưng bị phân huỷ dưới tác dụng của axit nitric đậmđặc

PS là loại nhựa dẻo có nhiệt độ gia công 150  3000C, ở nhiệt độ cao hơnxẩy ra sự khử hydro và tách ra styren Độ bền chịu va đập của PS tương đối thấpnên các sản phẩm đi từ nhựa PS dòn, dễ vỡ

PS tương đối bền với tia tử ngoại và notron, PS có khả năng gia công tuyệtvời chủ yếu bằng phương pháp đúc Ðp dưới áp suất và Ðp đùn.

Tính chất hoá học và lưu biến học của PS chủ yếu phụ thuộc vào khối lượngpolyme ( thông thường là 150.000  400.000 )

Sản phẩm đúc Ðp dưới áp suất: PS khi trộn hợp với hoá chất dẻo thì làmthay đổi nhiều tính chất của polyme như độ bền chịu va đập, độ bền nhiệt, độ dãndài tương đối nên được sử dụng làm các sản phẩm cách điện PS còn được áp dụngrộng rãi trong sản xuất các sản phẩm dân dụng, văn phòng phẩm

PS cán thành màng mỏng được sử dụng làm bao bì bảo quản thực phẩm:trứng, bánh, đường, hoa quả…PS còn được sử dụng làm giá để trứng hoặc làmvách ngăn hoa quả

PS làm bao bì đựng dược phẩm rất tốt vì nó không hút Èm, PS còn được sửdụng làm cán dao keó, làm vỏ hộp, thùng rác, bát đũa, cốc uống nước một lần, lọ

mỹ phẩm, vỏ đĩa CD

Các sản phẩm Ðp đùn, Ðp ống được dùng để bọc dây điện, PS bột đi vàomáy trục vít được đun nóng chảy và nhờ trục vít đẩy ra khỏi đầu khuôn, tuỳ theođầu khuôn mà sản phẩm có hình dạng khác nhau

PS còn dùng để biến tính cao su làm tăng tính chịu và độ dãn dài của cao su

PS ghép với các chất khác như acrynitril hay butadien thì làm tăng tính chấtvật liệu lên đáng kể và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Thống kê tình hình sử dụng PS ở Mỹ và Châu âu vào năm 1989 đựoc trìnhbày trong bảng 5:

Bảng 5: Tình hình sử dụng PS ở Mỹ và Châu Âu vào năm 1989.

CHƯƠNG 2: PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

2.1 Tính phối liệu và cân bằng vật chất

2.1.1 Lựa chọn phương pháp sản xuất

Để sản xuất nhựa polystyren có thể tiến hành theo bốn phương pháp khác nhau

Ở đồ án này chọn phương pháp huyền phù với đơn phối liệu như sau:

+ Styren 99,8% 100 PTL

+ Nước 200 PTL

+ Peoxit benzoin 1 PTL

+ Polyvinylalcol 1,5 PTL

2.1.2 Cân bằng vật chất

Sơ đồ biểu diễn các giai đoạn trong toàn bộ quá trình sản xuất như sau:

Sự tổn hao qua các giai đoạn:

- Giai đoạn nạp liệu: 0.3%

- Giai đoạn trùng hợp: 0.2%

- Giai đoạn rửa: 0.5%

- Giai đoạn nghiền và sấy: 0.5%

- Giai đoạn đóng gói sản phẩm: 0.5%

a Cân bằng vật chất cho một năm sản xuất.

+ Giai đoạn đóng gói sản phẩm

Giai doạn này tổn hao 0.5 % nên để thu được 1000 tấn sản phẩm thì lượng nhựatrước khi đóng gói phải là :

5 , 99

100

1000x

= 1005 kg+ Giai đoạn nghiền , sấy, tạo hạt

Công đoạn này tổn hao 0.5 % nên sản lượng trước khi đưa vào công đoạn này là:

5 , 99

100

1005x

= 1010 kg+ Giai đoạn rửa, lọc tách nước

Công đoạn này tổn hao 0.5 % nên lượng nguyên liệu trước khi đưa vào công đoạnnày là:

5 , 99

100

1010x

= 1015 kg+ Giai đoạn trùng hợp

Nguyªn liÖu Trïng hîp Läc, röa NghiÒn , sÊy

§ãng bao

Công đoạn này tổn hao 0.2% nên lượng nguyên liệu trước khi đưa vào công đoạnnày là:

8 , 99

100

1015x

=1017,1 kg+ Giai đoạn nạp liệu

Công đoạn này tổn hao 0.3% nên lượng nguyên liệu đầu cho vào là:

7 , 99

100 1

1017 x

= 1020,15 kgVậy tổng tổn hao cho cả quá trình sản xuất là:

- Thời gian làm việc:

+ Nghỉ chủ nhật : 52 ngày

+ Nghỉ lễ tết :7 ngày

+ Nghỉ bảo dưỡng : 14 ngày

Vậy số ngày làm việc trong năm là : 365 – 73 = 292 ngày

Với năng suất 1.000.000 kg năm nên một ngày sản xuất là:

292

000 000

.

1

= 3424,66 kgBảng cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất

Bảng 7 : Cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất.

c Cân bằng vật chất cho một mẻ sản xuất.

Vì sản xuất theo phương pháp gián đoạn nên phải làm theo từng mẻ:

+ Thời gian nạp liệu : 15 phót

+ Thời gian phản ứng : 360 phót

+ Thời gian tháo sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng là :30 phót

Thời gian cho một mẻ là kể từ lúc nạp liệu đến khi tháo sản phẩm đến khi tháo sảnphẩm ra khỏi thiết bị phản ứng:

15 + 360 + 30 = 405 phót

Tiến hành làm 3 ca một ngày và mỗi ca làm một mẻ vậy mỗi mẻ sản xuất được:

3

66 , 3424

= 1141,533 kg Vậy có bảng sau:

Bảng 8: Cân bằng vật chất cho một mẻ sản xuất.

Gi: Khối lượng của cấu tử thứ i trong thiết bị phản ứng có:

66 , 11

= 3,63 m3

Chọn hệ số điền đầy là 0,7 nên thể tích thực của thiết bị phản ứng là :

7 , 0

63 ,

Quan hệ giữa chiều cao và đường kính trong phải thoả mãn : H/Dt<30  2

Các thông số của thiết bị như sau  2 :

Vt : thể tích hình trụ, Vt = 4,344 m3

Dt : Đường kính trong , Dt = 1,6 m

H : Chiều cao phần hình trụ, H = 2,2 m

S : Diện tích phần elip, S = 2.9 m2

hb : Chiều cao phần lồi của đáy: hb = 0,4 m

v: Thể tích phần lồi của đáy: v = 0.578 m3

2.1.2 Tính chiều dày của thân thiết bị

Vì styren và các chất xúc tác không có tác dụng ăn mòn thiết bị nên ta chọnvật liệu làm thiết bị là loại thép cacbon CT3 có các thông số như sau  3 :

 : hệ số bền mối hàn theo phương dọc thiết bị bằng 0,95  2

C: đại lượng bổ xung

P : áp suất làm việc của thân thiết bị

  : ứng suất cho phép của thép theo giới hạn bé nhất

Môi trường làm việc là lỏng và áp suất của thân P tính tại nơi thân chịu áp suất lớnnhất chính bằng:

H : Chiều cao của cột chất lỏng.

Thể tích khối chất lỏng trong thân hình trụ là :

602 , 3 4





= 1,52 mKhối lượng riêng của hỗn hợp được tính theo công thứ sau:

3



a

+ 4

n

+ k, c : Giới hạn bền khi kéo và khi chảy và bằng 380.106, 240.106  2

+ nk: Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo bằng 2,6  2

+ nc: Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi chảy bằng 1,5  2

+  : Hệ số hiệu chỉnh chọn  bằng 0,9 2

Vậy ứng suất của thân thiết bị là:

k = 0 , 9

6 , 2

So sánh hai giá trị trên ta chọn   = 144 x 106 N/m2

Bề dày của thân thiết bị là:

6

10 24478 , 0 9 , 0 10 144 2

6 , 1 10 24478 , 0

C S

P C S

10 51187 , 0 0018 , 0 004

10 240









Vậy với chiều dày 4mm thì thân thiết bị đủ bền

2.2.1.3 Tính chiều dày đáy, nắp thiết bị

Chiều dày của đáy thiết bị.

Đáy thiết bị chịu áp suất trong, chiều dày thiết bị tính theo công thức sau:

D P K

xP D S

b

t n

,

  : Ứng suất cho phép của thép

K : Hệ số không thứ nguyên

n : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm

hb : Chiều cao phần lồi của đáy

C : Đại lượng bổ xung do ăn mòn, chọn C = 0,0018m

Đáy và nắp có gờ, sử dụng vật liệu đồng nhất với thân tháp là thép cacbon CT3 Ởtâm đáy có ống tháo sản phẩm

6

10 12 , 1 4 , 0 2

6 , 1 10

24478 , 0 95 , 0 1 10 144 8 , 3

10 24478 , 0 6 ,

 

  1 , 2 6

h

o b

t

C S h K

P C S h

Vậy ta chọn chiều dày đáy là 5mm là thoả mãn

Đáy thiết bị có cấu tạo như sau:

Dt: Đường kính trong của thiết bị, Dt = 1.6 m

S: Chiều dày của thân thiết bị, S = 5 mm

hb: Chiều cao phần lồi của đáy, hb = 0.4 m

Tính chiều dày của nắp :

Ta chọn vật liệu làm nắp giống thân và đáy là thép CT3 có chiÒu dày bằngchiều dày của thân vì nắp không chịu áp suất thuỷ lực Vậy chọn chiều dày của nắp

là 4 mm

2.2 Tính cánh khuấy, mô tơ cánh khuấy  1

- Cánh khuấy trong môi trường lỏng thường được sử dụng rộng rãi trong cácngành công nghệ hoá chất để tạo dung dịch huyền phù, để tăng cường cho quá trìnhtruyền nhiệt, chuyển khối và phản ứng hoá học

- Hiệu quả khuấy trộn là chỉ tiêu cơ bản để đánh gía sự làm việc và tính hoànthiện của thiết bị khuấy trộn đồng thời là chỉ tiêu chủ yếu dùng khi chịu trạng tháilàm việc tối ưu của máy khuấy trộn

- Trong thực tế khi đánh giá một máy khuấy người ta thường chú ý đếnnhững yếu tố sau:

+ Chọn cánh khuấy

+ Thời gian khuấy

+ Công suất tiêu tốn

+ Số vòng quay

+ Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt

Có các loại cánh khuấy sau:

+ Cánh khuấy mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ, thường dùng để hoà tan chất rắn có khối lượng riêng không lớn lắm.

+ Cánh khuấy hình khung: Dùng để điều chế huyền phù, nhũ tương Loại cánh khuấy này dùng không thích hợp đối với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp, trong đó pha rắn có khối lượng riêng lớn.

+ Cánh khuấy tuốc bin: Loại này dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao

(μ = 5.10 5 C p ) để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan nhanh nhất chất rắn hoặc để khuấy trộn chất lỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80%.

+ Cánh khuấy đặc biệt: Dùng trong trường hợp không thể dùng các loại cánhkhuấy trên Loại này dùng để khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ nhớt rất cao

Vì trong đồ án này hỗn hợp ở dạng huyền phù độ nhớt không cao có nước làmmôi trường phân tán, để tránh hiện tượng sản phẩm bị vón cục, các hạt sản phẩmdính và nhau ta chọn cánh khuấy hình khung :

d - đường kính trục cánh khuấy, m

b – chiều rộng cánh khuấy, m.

H kh - chiều cao của cánh khuấy, m.

d M - đường kính của cánh khuấy, m.

d c - đường kính ngoài của trục cánh khuấy trên thanh cánh khuấy, m.

Khoảng cách cánh khuấy đến đáy thiết bị chọn bằng 0,1 m.

Chiều cao cánh khuấy: Hkh = ( 0,9 1)D

N ng : Công suất làm quay các cánh nằm ngang, kW.

N đ : Công suất làm quay các cánh thẳng đứng, kW.

N n : Công suất làm quay phần mỏ neo, kW.

 Tính công suất N ng :

Bề mặt chính diện của cánh khuấy:

10

N ng  ch



: hệ số phụ thuộc vào cánh khuấy máy chèo.

z: Số đôi mái chèo, z = 1.

: Hiệu suất cơ học của cơ cấu chuyển động.

n: Số vòng quay của máy khuấy trong 1 phót, n = 50 vòng/phút.

: Khối lượng riêng của hỗn hợp,  = 971 kg/m 3

kW

N ng 0 , 0225 1 50 971 0 25

75 , 0

1 18 , 1 10

1 4 2

N d   

D 1 : Đường kính vòng tròn quét bởi cạnh trong cùng của cánh khuấy, m

D 2 : Đường kính vòng tròn quét bởi cạnh ngoài cùng của cánh khuấy,m.

Chọn : D 2 = D = 1,2 m

D 1 = D 2 – 2 h = 1,2 – 2.0,05 = 1,1 m

1 2 , 1

05 , 0

2 , 1 1 1 , 1 10

1 5 2

1 28 , 1 10 3 ,





Công suất cần thiết dùng cho toàn bộ cánh khuấy chuyển động là :

N (kW)

Công suất của động cơ:



c dc

69 , 17

27 , 25 10 3