Дипломная работа: Производство поливинилбутираля
Дипломная работа: Производство поливинилбутираля
ВВЕДЕНИЕ
Химическая
промышленность прошла бурный путь развития в период 50-х – 80-х годов. В
отрасли был создан значительный производственный потенциал. Однако он был
ориентирован на цели командно–административной распределительной системы. В
химической индустрии насчитывается около 600 крупных и средних промышленных
предприятий и 100 научных и проектно–конструктивных организаций, опытных и
экспериментальных заводов с общей численностью – 929 тысяч человек, в том числе
промышленно–производственного персонала – 787 тысяч человек. В своём развитии
промышленность органического синтеза разделилась на ряд отраслей (технология
красителей, лекарственных веществ, пластических масс, химических волокон и
т.д.), среди которых важное место занимает промышленность основного
органического и нефтехимического синтеза. Продукты этой отрасли промышленности
отличаются большим многообразием строения, свойств и областей применения.
Первым промышленным пластическим материалом, полученным в 1843 году
вулканизацией натурального каучука серой, был эбонит, который стали применять
для электроизоляции. К 30-м годам относится начало производства полимеров, получаемых
реакцией полимеризации. В настоящее время промышленность пластических масс
стала одной из ведущих отраслей народного хозяйства.
Мощным
источником сырья для производства полимерных синтетических материалов служит
нефтепродукты и природный газ. Основную часть природного газа составляет метан,
из которого получают ацетилен, являющийся, в свою очередь, сырьем для
производства значительного количества полимеров. Основными видами полимерных
материалов в настоящее время являются пластмассы, волокна, каучуки и
лакокрасочные покрытия. Производство полимеров сохраняет свои позиции на
международном рынке благодаря достаточно конкурентоспособным ценам.
Производству синтетических волокон требуется модернизация, без которой оно не
может конкурировать с предприятиями зарубежных стран. Производство
нефтехимической продукции наиболее конкурентоспособно. Химическая
промышленность объединяет множество специализированных отраслей.
Химическая
промышленность в целом – высоко сырьеемкая отрасль. Затраты на сырье из-за высокой
ценности сырья или значительных удельных его расходов составляют от 40% до 90%
в пересчете на производство 1 тонны готовой продукции. Предприятия химической и
нефтехимической промышленности внесли в 1997 году в доходную часть бюджета 20
миллиардов рублей налоговых платежей, что составляет около 3,5% от всех
налоговых поступлений и 5,6 миллиардов рублей отчислений в государственные
внебюджетные фонды.
Производственный
процесс в настоящее время находится в состоянии неустойчивого и хрупкого
равновесия. С учетом сегодняшнего состояния экономики инновационная
составляющая промышленности должна способствовать развитию отечественного
научно-технического потенциала. Определяющей особенностью передачи результатов
научных исследований для их освоения в промышленности является создание и
развитие систем коммерческих форм взаимодействия науки и производства. В
глубоком кризисе находятся научно-исследовательские организации химической
индустрии. Крайне острыми продолжают оставаться для отрасли проблемы экологии. Сбросы
загрязненных стоков химическими предприятиями составляют почти 20% загрязненных
сбросов всех стационарных источников страны.
В 1996 году
выбросы химическими предприятиями в атмосферу составили 413,2 тысячи тонн, в
том числе диоксида серы – 64,8 тысячи тонн, оксидов азота – 33,7 тысячи тонн,
оксида углерода – 106,2 тысячи тонн. В водные бассейны химическими
предприятиями сброшено в 1996 году 1,52 км3 сточных вод, из которых
нормальной обработке подверглось лишь около 11% стоков, требующих очистки. Большое
значение в производстве органического синтеза занимает производство
поливинилбутираля, который отличается высокой эластичностью, стойкостью к
действию солнечного света, кислорода и озона, повышенной адгезией к металлам,
стеклу и пластмассам. Поливинилбутираль наиболее широко применяется в технике
по сравнению с другими поливинилацеталями. Его главное назначение –
изготовление небьющихся стекол для автомобилей, автобусов, самолетов. Из
раствора поливинилбутираля в спирте изготовляют клей. Также используют для
получения покрытий по днищам морских судов, металлическими изделиями и
сооружениями, находящимся в воде, для декоративных и защитных покрытий по
дереву, алюминиевым и магниевым сплавам.
В настоящее
время Американская корпорация Solutia Сент–Луис, открыла в китайском городе Сучжоу
новый завод по производству поливинилбутираля, который компания поставляет на
мировой рынок под торговой маркой Saflex поливинилбутираля – аморфный полимер,
находящий широкое применение в производстве безосколочных стёкол «триплекс» в
качестве промежуточного склеивающего слоя. Продукция предприятия, мощность
которого составляет приблизительно 10 млн. м2 поливинилбутираля в
год, будет использоваться в основном в автомобильной промышленности. Компания
рассматривает возможность дальнейшего расширения производства в случае
повышения мирового спроса на поливинилбутираль. Корпорация Solutia – один из мировых
лидеров по производству поливинилбутираля помимо этого, компания выпускает
функциональные химикаты для резинотехнической промышленности, теплоносители и
различные виды полиамидных пластиков.
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА
1.1МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА
ГОТОВОГО ПРОДУКТА И ИХ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ВЫБОР МЕТОДА, ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА
Существует 3 метода производства поливинилбутираля:
в спиртовом растворе, из полвинилацетата с применением не смешивающихся с водой
растворителей, из поливинилового спирта и масляного альдегида. Реакция
образования поливинилацеталей впервые была описана учёными Германом и Генелем в
1927 году. При определённых условиях поливинилацетали образуются почти со всеми
альдегидами – алифатическими, ароматическими, предельными и непредельными.
Однако в промышленности нашли применения не многие: поливинилформаль,
поливенилэтиналь, поливенилбутираль. Основная масса поливинилбутираля
производится конденсацией поливинилового спирта с масляным альдегидом. Этот
метод самый простой и доступный. Метод осуществляется периодически, что
позволяет проводить ремонт оборудования.
1.1.1 Получение поливинилбутираля в спиртовом
растворе
Весь процесс проводится в реакционном котле без
отделений промежуточных продуктов. В качестве сырья применяют винилацетат,
метиловый спирт СН3ОН или этиловый спирт С2Н5ОН,
перекись бензоила (инициатор), концентрированную серную кислоту H2SО4
(катализатор), масляный альдегид, едкий натр NaOH. Конечный продукт
окрашен в жёлтый цвет и имеет ограниченное применение.
Достоинства: доступность сырья.
Недостатки: продукт получается окрашенный,
многостадийный процесс
1.1.2 Получение поливинилбутираля из
поливинилацетата с применением несмешивающихся с водой растворителей
Одновременно осуществляется гидролиз
поливинилацетата и ацеталирование образовавшегося поливинилового спирта.
Удаление несмешивающихся с водой растворителей из реакционной смеси (при
выделении поливинилового спирта) значительно упрощается. В некоторых случаях
процесс одновременного омыления и ацеталирования осуществляется в отсутствии
органических растворителей в водной эмульсии. Применение растворителей,
смешивающихся с водой, влечёт за собой экономически невыгодные операции
осаждения поливинилбутираля и регенерации растворителей.
Достоинства: доступность сырья, образование
поливинилового спирта в одну стадию.
Недостатки:
экономически невыгодная стадия осаждения поливинилбутираля и регенерации
растворителей.
1.1.3 Получение поливинилбутираля из изолированного
поливинилового спирта
Поливинилацетат предварительно гидролизуется и полученный
поливиниловый спирт выделяется. Уже после этого поливиниловый спирт
подвергается обработке масляным альдегидом в присутствии катализатора – НСl. В качестве
растворителя применяется обессоленная вода. Получаемый поливинилбутираль
нерастворим в воде и выпадает из раствора в осадок. Выделение поливинилбутираля
сводится к отфильтровыванию и отмывке кислоты.
Достоинства: получаемый продукт более высокой
степени чистоты. Так как метод периодический, он позволяет проводить ремонт
какого-либо оборудования, не останавливая всего процесса производства,
доступный растворитель.
Недостатки: образуется много побочных веществ.
1.2ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ,
ПОЛУПРОДУКТОВ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ. ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ КАЧЕСТВА СОГЛАСНО
СТАНДАРТАМ
Для производства поливинилбутираля применяют:
10% водный раствор поливинилового спирта, гидроксид натрия, соляная кислота,
масляный альдегид.
1.2.1Поливиниловый спирт
Поливиниловый спирт – порошок от белого до
кремового цвета, растворимый в воде и стойкий к действию жиров и масел,
кетонов, простых и сложных эфиров, алифатических, ароматических и хлорированных
углеводородов. Свойства поливинилового спирта зависят от молекулярной массы и
содержания неомылённых ацетатных групп. Поливиниловый спирт – кристаллический
полимер с изотактической или синдиотактической структурой:
Показатели основных свойств поливинилового
спирта приведены ниже:
Плотность, кг/м3...........................................................1200
– 1300
Разрушающее напряжение, МПа
при
растяжении.......................................................98,1–137,2
при
статическом изгибе..........................................58,9 – 63,8
Относительное удлинение при разрыве,
%.........................3 – 5
Модуль упругости при изгибе,
МПа........................ ...........5300
Теплоёмкость по воде,
°С.............................................150 – 160
Температура стеклования,
°С...................................................85
Растворимость в горячей воде,
%.............................................99
Удельная вязкость, кДж/моль..............................................4
– 6
Наибольшее распространение получил синтез
поливинилового спирта щелочным омылением поливинилацетата в безводном спирте.
Процесс протекает по схеме:
Кислотное омыление полвинилацетата водят
в среде этанола, где кислота является только катализатором:
Растворимость поливинилового спирта зависит от
содержания ацетатных групп. При 5 – 10% содержание ацетатных групп
поливиниловый спирт хорошо растворяется в воде.
Технические требования на раствор
поливинилового спирта: содержание ацетатных групп не более 3%
сухой остаток для поливинилбутираля
лакового «А», не менее 8%
для остальных, не менее 10%
содержание летучих, не более 2%
Поливиниловый спирт не токсичен.
1.2.2Гидроксид натрия. Физические свойства
Гидроксид натрия, формула – NaOH (м = 40,00 г/моль) – белое
непрозрачное очень гигроскопичное вещество. Температура плавления 320°С;
температура кипения 1378°С; плотность 2,13 г/см; растворимость в воде 107 г/100
г (20°С). Не горюч. При соприкосновение с водой выделяется большое количество
тепла.
Химические свойства:
Гидроксид натрия поглощает диоксид углерода из
воздуха с образованием карбоната натрия:
2NaOH + C02 Na2C03 + H20
Хорошо растворяет жиры, превращая их в глицерин
и мыла - соли органических кислот. Гидроксид натрия является сильным основанием,
взаимодействует с кислотами, с кислотными и аморфными оксидами:
NaOH + НС1 NaCl + Н20
2NaOH + ZnO + Н20 Na2[Zn(OH)4]
Ввиду сильного разъедающего действия на ткани,
кожу, бумагу и другие органические вещества гидроксид натрия называют едким
натром:
СН3ОН + NaOH CH3ONa + Н2О
1.2.3Соляная кислота. Физические свойства:
Соляная кислота, формула НСl (м = 36,5 г/моль) – в
чистом виде соляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким
запахом. Техническая кислота окрашена примесями (солями железа) в жёлтый цвет.
Соляная кислота хорошо растворима в воде. Кислота химически активная, плотность
1,19 г/см и содержит около 37% НСl.
Химические свойства: Хлорид водорода
соединение прочное, начинает разлагаться на водород Н2 и С12
лишь при температуре выше 1000°С. При реакции нейтрализации из кислоты и щёлочи
получается соль и вода:
NaOH + НС1 NaCl + Н2О
2NaOH + H2S04 Na2SО4 + H2О
2NaOH + Cl2 NaClO + NaCl + H2O
Взаимодействует с металлами:
2HCl+Zn ZnCl2 + H2
1.2.4Масляный альдегид:
Встречается в воздухе цехов химических,
резиновых, лакокрасочных пластмассовых, текстильных и других производств; содержится
в прогорклом масле, в масле зеленого чайного листа, эвкалипта, табака.
Применяется в производстве поливинилбутираля (бутвара) и масло–спирто–растворимых
смол.
Получается каталитическим окислением бутилового
спирта; гидрированием кротонового альдегида в присутствии платиновой черни или
никеля.
Масляный альдегид. Физические свойства:
Масляный альдегид, формула СН3СН2СН2СНО
(м = 72,1 г/моль) – бесцветная жидкость с острым запахом. Температура кипения
74,8 – 75,7 °С; температура плавления – (–97,1 °С); плотность – 0,817 г/см3.
Масляный альдегид ГОСТ ТУ 6–09–3828–74 утерян.
1.2.5Деминерализованная вода. Физические
свойства
Деминерализованная вода, формула – Н20
(м = 18 г/моль) – простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом,
жидкость без запаха, вкуса и цвета. Некоторые параметры, характеризующие
свойства воды при атмосферном давлении:
Температура кипения, °С
...................................................100
Температура плавления,
°С.................................................0
Температура критическая,
°С.............................................374,15
Давление критическое,
МПа..............................................22,06
Плотность жидкости при 20ºС, г/см3................................0,998
Теплопроводность, МВт/(м•К):
жидкости при 273
К.............................................................561
жидкости при 318
К.............................................................645
Диэлектрическая проницаемость:
жидкости при
25°С.............................................................78,3
Показатель преломления:
жидкости при 20°С.............................................................1,3333
пара при 0°С и 0,1
МПа......................................................1,000252
Температурный коэффициент объёмного расширения,
°С:
жидкости при 0ºС..............................................................–3,4
• 10–5
жидкости при 10°С............................................................9
• 10–5
жидкости при
20°С............................................................2,0 • 10–5
Плавление
льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%.
Температурный коэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен
при температурах соответственно ниже –210°С и 3,98°С. Теплоёмкость Ср°
при плавлении возрастает почти в двое и в интервале 0 – 100°С почти не зависит
от температуры (имеется минимум при температуре 35°С). Минимум изотермической
сжимаемости 144,9 • 10–11 Па–1, наблюдаемый при 46°С,
выражен довольно чётко. При низких давлениях и температурах до 30°С вязкость
воды с ростом давления падает. Высокая диэлектрическая проницаемость и
дипольный момент воды определяют её хорошую растворяющую способность по
отношению к полярным и ионогенным веществам.
Химические свойства:
При обычных условиях с водой взаимодействует до
половины растворённого в ней хлора и значительно меньше количества брома и
йода. При повышенных температурах хлор и бром разлагают воду с образованием
водорода и кислорода. При проникновении паров воды через раскалённый уголь она
разлагается и образуется так называемый водяной газ:
Н2О + С СО + Н2
При повышенной температуре в присутствии
катализатора вода реагирует с СО, СН4 другими углеводородами,
например:
Н2О + СН4СО + 3Н2 (катализатор
Ni или Сo)
Эти реакции используют для промышленного
получения водорода. Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии
катализатора окисляется в метафосфорную кислоту.
Вода взаимодействует со многими металлами с образованием
водорода и соответствующего гидроксида, со щелочными и щелочноземельными
металлами (кроме магния). Эта реакция протекает уже при комнатной температуре:
2Na + 2H2О2NaOH + H2
1.2.6Поливинилбутираль. Физические свойства
Поливинилбутираль, формула СНзСН2СН2СНО
(М = 72,10 г/моль) – является продуктом ацеталирования поливинилового спирта.
Поливинилбутираль представляет собой ацеталь, содержащий бутиральные,
гидроксильные и ацетатные группы. Имеет следующую эмпирическую формулу:
CH3 X У Z
где:
1)
х:
71,0–77,45 массовых %;
у: до 4,35 массовых %;
z: 100 – (х + у) массовых %;
2)
для
лакового поливинилбутираля марки «А»:
х: 64,54–72,61 массовых %;
у: до 4,35
массовых %;
z: 100 – (x + у) массовых %
Поливинилбутираль – белый горючий порошок.
Хорошо растворим в сложных эфирах, в метиловом, этиловом, пропиловом спиртах,
циклогексаноне и хлорированных углеводородах. Нерастворим в углеводородах
парафинового ряда. Поливинилбутираль обладает хорошей стойкостью к испарению,
высокой атмосферостойкостью, стойкостью к действию солнечных лучей. Имеет
высокую термостойкость – разлагается при нагревании до 160°С и выше.
Поливинилбутираль содержит 78% бутиральных и 2 – 3 ацетатных групп. Обладает
хорошими адгезионными свойствами.
1.3 КРАТКОЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТОЧКИ
СТРОИТЕЛЬСТВА
Правильное размещение производственных сил – необходимое
условие ускоренного хозяйства. Оно обеспечивается экономией капитальных
вложений, снижением транспортных затрат, снижением себестоимости продукции,
повышением рентабельности производства и в конечном итоге экономией
общественного труда.
При размещении промышленности учитываются
технико–экономические особенности различных отраслей производства, зависящие от
их материальных, энергетических и водных ресурсов, от транспортабельности сырья
для данного производства. При вариантах размещения следует учитывать
технологические возможности комбинирования данной отрасли с другими отраслями
промышленности в целях комплексного, более полного использования сырья и
отходов производства. Основной принцип размещения промышленности – приближение
предприятий к источникам сырья, топлива и рынкам потребления, а также
населённым пунктам.
Следующий принцип размещения предприятия,
обеспечивающее освоение новых районов – эффективное использование природных
богатств, а также использование трудовых ресурсов страны.
Открытие новых методов производства и новых
источников сырья и топлива, внедрение передовой технологии на основе новейших
достижений науки и техники оказывает большое влияние на рациональное размещение
промышленности, в том числе и химической. При решении задач по размещению
химических предприятий наряду с рассмотренными примерами необходимо учитывать
также и факторы, отражающие экономические особенности различных химических
производств. Факторы: сырьевой, энергетический, трудовой, водный, транспортный.
Кроме перечисленных выше факторов важно учитывать и фактор времени с тем, чтобы
выбираемые варианты размещения химических предприятий осуществляется быстрей, с
этой точки зрения преимущества отдаются тем вариантам, в которых предполагаются
использование имеющих мощные строительства, наличие производственных и
монтажных организаций.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|