Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
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………………………………………………………….
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
1.5. Tính chất của nhựa polystyren…………………………………………………
1.6. ứng dụng………………………………………………………………………
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…………………………………
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
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…………………………………………………………………………
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
“Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren theo phương pháp huyền phù với công
suất 1000 tấn /năm”.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nhựa polystyren (PS)
[ ]
13,12,11
1.1.1. Lịch sử phát triển
[ ]
12
Từ thế kỷ thứ 18 styren lần đầu tiên được tìm thấy khi chưng cất nhựa cây bồ đề với
nước.Năm1831 lần đầu tiên Bonastre đã chiết tách ra styren.
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 trong
dung dịch lỏng nhớt ở trạng thái tĩnh.
Vào năm 1845, hai nhà bác học người anh Hoffman và Btytt đã nhiệt phân
monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 200
0
C 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
[ ]
12
4 Cos Mar Luisiana 500
5 Sinclair Kopper Pennsylvania 470
6 Dow Chemical Michigan 350
7 Sun Oil Taxas 300
8 Shell California 240
9 Foster Grant Luisiana 220
Tổng 4.700
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
1.1.3. Nguyên liệu
[ ]
12,4,3
1.1.3.1. Tính chất của styren
[ ]
12,3
Styren là một chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, không hoà tan trong
nước mà hoà tan theo bất cứ tỷ lệ nào với rượu, keton, ete, este, cacbuahydro clo
hoá, nitroparafin.
Tính chất vật lý của styren được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3: Tính chất vật lý của polystyren
[ ]
3
.
Tỉ trọng d
25
, g/cm
3
0.9045
Chiết suất 1.54389
Độ nhớt ở 25
- 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:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
a. Đi từ benzen và cloetan ( có tricloua nhôm làm xúc tác).
C
6
H
6
+ CH
3
– CH
2
– Cl C
6
H
5
– CH
2
OH
oxy hoa
O
O
O
O
.
CH
CH
2
CH
.
CH
+
CH
CH
2
CH
CH
2
+
O
O
H
Do hiệu ứng liên hợp của điện tử lẻ với điện tử
π
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:
Đồ án tốt nghiệp
+
Do có nhóm vinyl trong phân tử nên nhóm này có tính chất đẩy đôi điện tử dùng chung trong
liên kết π của liên kết đôi C = C. Như vậy mật độ điện tích trên các nguyên tử cacbon của nhóm
vinyl cũng bị thay đổi. Mặt khác, nhóm phenyl có tính chất hút điện tử, mật độ điện tích âm tập
trung ở vị trí octo và para. Chính vì sự chênh lệch điện tích như vậy mà liên kết π của liên kết C =
C trở nên kém bền hơn và thích hợp cho quá trình trùng hợp gốc. Có nhiều phương pháp trùng
hợp polystyren như:
+ Trùng hợp gốc tự do.
+ Trùng hợp ion.
+ Trùng hợp xúc tác Zittler- Natta.
Thông thường phương pháp phổ biến và hữu hiệu nhất là quá trình trùng hợp
theo cơ chế gốc. Để tạo ra gốc tự do thường sử dụng các loại chất khơi mào sau:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Peroxit:
O
CO
O
O
C
Hydropeoxit: HO – OH
Peroxit tertbutyl:
O
O
C
CH
3
CH
3
H
5
O
O
K
1
T
O
C
6
H
5
O
C
O
.
2
Sau đó:
C
6
H
5
O
C
O
.
T
O
+
CO
: Vận tốc khởi đầu phản ứng.
Vận tốc của phản ứng khơi mào phụ thuộc vào bản chất của chất khởi đầu, ngoài ra nó
còn phụ thuộc nhiết độ, áp suất. Mỗi chất khởi đầu đều có một nhiệt độ và vận tốc phân huỷ khác
nhau. Đặc trưng chủ yếu của các chất khởi đầu là nhiệt độ phân huỷ và thời gian bán phân huỷ.
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
tử tạo thành.
Gốc tù do R
•
đính vào một monome khác, quá trình diễn ra cho đến khi giai đoạn đứt
mạch xảy ra.
CH
CH
2
CH
.
R
CH
CH
2
.
R
CH
CH
2
CH
+
CH
.
CH
CH
2
CH
2
+
2
2
Nếu đứt mạch theo kiểu kết hợp thì chiều dài mạch tăng gấp đôi, còn theo kiểu phân ly thì
không đổi. Đối với styren thì phản ứng xảy ra theo kiểu kết hợp.
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:
CH
CH
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
ϑ
= -
[ ]
dt
Md
th
ϑ
d
[ ]
M
giảm vậy ν
TH
tăng
Vận tốc phản ứng đứt mạch được tính như sau:
d
ν
= K
d
polyme mạch nhánh, ở nhiệt độ thấp hơn 50
0
C 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 đầu
trùng hợp.
- Tốc độ của phản ứng trùng hợp trở nên không đáng kể khi mức độ chuyển
hoá khoảng 90% như vậy ta không thể nhận được polyme trọng lượng phân tử cao
khi 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,
0
C
Tốc độ trùng
hợp ban đầu
Độ nhít của dung
dịch polyme 10%
trong toluen
Trọng lượng
phân tử trung
bình
Áp suất hơi
của styren
độ chậm hơn và polyme tạo thành có trọng lượng phân tử thÊp hơn. Trọng lượng
phân 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 khởi
đầu 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 sử
dụng vào mục đích khác cần cho kết tụ polyme từ dung dịch bằng cách cho thêm
chất kết tụ. Những chất kết tụ hay được sử dụng là cacbuahydro, rượu metylic,
etylic.
Ưu nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm:
+ Trọng lượng phân tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi loại dung môi và
nhiệt độ phản ứng.
+ Quá trình truyền nhiệt tốt, tạo được polyme có độ đồng đều cao.
+ Phương pháp trùng hợp dễ tiến hành.
- Nhược điểm:
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
+ Phương pháp trùng hợp dung dịch Ýt được sử dụng vì dung môi nhiều, dây
chuyền 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 năng
phản 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 khiết
cao.
1.4.3. Trùng hợp nhũ tương.
Styren hoà tan vào nước vì thế không phụ thuộc vào chất khởi đầu , quá
trình trùng hợp trong các mixel xà phòng và sau đó thực hiện trong các phân tử
tan, khi đó các hạt sẽ có xu hướng kết hợp lại với nhau làm giảm số hạt và vận tốc
trùng hợp giảm. Các hạt có xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành giọt polyme
tan 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 đưa
thêm tác nhân trùng hợp khác gọi là chất điều chỉnh khối lượng phân tử, sau khi
trùng hợp polystyren có mầu hơi vàng và nhiệt độ chảy mềm cao hơn so víi trùng
hợp khối.
Tốc độ trùng hợp.
Khi trùng hợp styren trong nhũ tương được ổn định nhờ các chất xà phòng
hoá, quá trình tiến hành với tốc độ không đổi cho đến khi trong hệ thống hết styren.
Do đó các monome chuyển vào các phân tử polyme, nồng độ monome giảm nên
tốc độ chung giảm đi. Độ ổn định của nhũ tương phụ thuộc vào loại và lượng chất
nhũ hoá, pH của môi trường , mức độ phân tán của polyme.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Chất nhũ hoá.
Thường là xà phòng natri hay amon : xà phòng dầu ve, oleic, stearat, abietat,
muối sulfo – axit…
Chất nhũ hoá làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha monome và nước, làm
cho monome dễ phân tán trong môi trường nước. Bản chất và lượng chất nhũ hoá
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 gian
trùng hợp và trọng lượng phân tử polyme tăng. Khi điều chỉnh trọng lượng polyme
trước hết nên thay đổi nồng độ của chất khởi đầu, không nên thay đổi lượng chất
nhũ hoá vì chất nhũ hoá thay đổi trọng lượng được Ýt nhưng lại tăng thời gian
trùng hợp lên nhiều lần.
Chất khởi đầu.
Ưa nhược điểm của phương pháp:
- Ưa điểm:
+ Quá trình trùng hợp xảy ra nhanh.
+ Nhiệt độ phản ứng thấp.
+ Polyme nhận được có độ đồng đều về khối lượng phân tử (100.000 –
200.000) dễ dàng gia công theo phương pháp đúc Ðp dưới áp suất.
+ Dễ dàng điều chỉnh tốc độ của phản ứng trùng hợp
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
+ Hàm lượng monome còn lại trong sản phẩm thấp , sản phẩm ở dạng bột
nên thuận lợi cho quá trình cán tráng hay đóng bánh.
- Nhược điểm:
+ Tính cách điện của sản phẩm kém.
+ Thiết bị phản ứng phức tạp.
Ứng dụng của sản phẩm.
+ Làm các sản phẩm thông dụng.
+ Làm các sản phẩm kỹ thuật.
1.5.4. Trùng hợp huyền phù
[ ]
3
Đối với quá trình trùng hợp huyền phù hỗn hợp phản ứng bao gồm: styren,
chất khơi mào, môi trường phân tán thông thường là nước. Tỉ lệ monome và nước
từ 25/75 ÷ 50/50, kích thước giọt từ 5 ÷10 mocromet, nhiệt độ phản ứng từ 80 ÷
110
0
C.
Khác với trùng hợp nhũ tương, ở đây quá trình trùng hợp tiến hành trong
những hạt huyền phù tan trong nước. Styren được phân tán trong nước nhờ các chất
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 trong
Sau đây là sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa PS:
Đồ án tốt nghiệp
Trn L Sõm Polyme K44
20
19
9
20
1
18
17
20
15
19
16
14
13
12
11
Khí nóng
Khí nóng
sơ đồ dây chuyền sản xuất polystyren theo ph ơng pháp huyền phù
7
6
5
4
3
2
10
8
.
C. Thiết bị ngưng tụ 7
dùng để ngưng tụ các chất bay hơi trong quá trình phản ứng như nước, chất ổn định
huyền 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 đây
diễn ra quá trình rửa sản phẩm bằng nước, khuấy mạnh để làm tan chất nhũ hoá và
các 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 bộ
sản phẩm, nhờ thiết bị hút chân không sản phẩm lại được tiếp tục đưa sang thiết bị
sấy 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 trong
sản phẩm không quá 5%. Sau khi sấy tiếp tục đưa sản phẩm vào máy Ðp đùn 12 để
tạo hạt. Sản phẩm được vận chuyển bằng thiết bị sấy băng tải 13 sau khi đạt độ khô
cần thiết đưa qua cân đồng hồ 14 sang bộ phận đóng bao15 sau đó nhập kho kết
thúc 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 ngọn
lửa không ổn định.
Tính chất kỹ thuật của PS chủ yếu do điều kiện và phương pháp trùng hợp
quyết định. Điều kiện trùng hợp có ảnh hưởng tới mức độ trùng hợp, lượng
monome còn lại trong polyme, mức độ đồng đều về trọng lượng phân tử và độ
phân nhánh, độ tinh khiết của sản phẩm.
Đồ án tốt nghiệp
Trần Lệ Sâm – Polyme – K44
Khi trọng lượng phân tử khoảng 50.000 thì được sử dụng làm sơn, nếu trọng
lượng 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 80
0
đặc.
PS là loại nhựa dẻo có nhiệt độ gia công 150 ÷ 300
0
C, ở nhiệt độ cao hơn
xẩy ra sự khử hydro và tách ra styren. Độ bền chịu va đập của PS tương đối thấp
nên các sản phẩm đi từ nhựa PS dòn, dễ vỡ.
Đồ án tốt nghiệp
Copyright: Tài liệu đại học ©