Выбор и обоснование технологической схемы и аппаратурного оформления фазы производства

     Введение 

     Термопластичный полимер поливинилхлорид (ПВХ) –  твердое вещество белого цвета, являющееся продуктом полимеризации винилхлорида, выпускается в виде сыпучего порошка, готового для дальнейшей переработки. На основе ПВХ получают поливинилхлоридное волокно, мягкие (пластикат) и жесткие (винипласт) пластмассы. Пластикат применяется для изготовления таких конечных материалов как пленки, гибкие шланги и линолеум. Распространенное обозначение поливинилхлорида – ПВХ, хотя могут встречаться и латинские обозначения: PVC или, например, PVC-P (поливинилхлорид пластифицированный), PVC-U (поливинилхлорид непластифицированный), PVC-C (поливинилхлорид хлорированный), HMW PVC (поливинилхлорид высокомолекулярный). Химическая формула поливинилхлорида – [СН₂СНСl]_n.

     Поливинилхлорид устойчив к воздействию влаги, основных кислот, щелочей, растворов солей и промышленных газов, таких как хлор и диоксид азота. Материал также устойчив к воздействию бензина, керосина, жиров и спиртов. Ограниченно растворим в ацетоне и бензоле. Растворяется в дихлорэтане и нитробензоле. Поливинилхлорид безвреден для здоровья и окружающей среды. В чистом виде поливинилхлорид довольно трудно перерабатывается, поэтому для производства изделий из ПВХ его смешивают с различными пластификаторами, доля которых в зависимости от требуемых свойств конечного продукта может достигать 30% от общей массы изделия. Как результат, параметры жесткости конечного изделия могут варьироваться в больших пределах.

     Поливинилхлорид получают радикальной полимеризацией исходного сырья – винилхлорида. Наибольшее применение в промышленности получил суспензионный метод по причинам высокой производительности, относительной чистоты конечного ПВХ, его совместимости с компонентами при переработке и возможностями модификации свойств ПВХ в процессе производства путем изменения параметров режима и введения различных добавок.

     Винипластами называются жесткие продукты на основе ПВХ. Чистый винипласт – это жесткий ПВХ, обладающий сравнительно высокой механической прочностью, водонепроницаемостью, хорошими диэлектрическими характеристиками и устойчивостью ко многим химическим воздействиям. К числу недостатков чистых винипластов, относят их низкую ударную прочность, невысокую морозостойкость и низкий, не выше 80С, температурный порог эксплуатации. Для повышения ударной прочности в состав винипласта вводят так называемые модификаторы ударной вязкости. В общем случае рецептура винипласта включает сам полимер, стабилизаторы, красители изделий от труб и профильных изделий до плит и листов. Перерабатывается в конечный продукт методами экструзии, вальцевания, прессованием, а также литьем под давлением. Винипласт используют как конструкционный материал для производства различных коммуникаций, химической аппаратуры, воздуховодов вентиляционных систем. Из прозрачного винипласта производят тару для пищевых продуктов и пластиковые бутылки. Из этого материала получают покрытия для полов и стен, теплоизоляционные и звукоизоляционные материалы, профили плинтусов и оконных переплетов.

     В моей работе рассмотрена технология изготовления твердого ПВХ, который служит сырьем (в виде сыпучего материала) для производства линолеума.

     Пластикатами называются мягкие продукты на основе ПВХ, обладающие высокой эластичностью в широком диапазоне температур от -60 до +100С, хорошими диэлектрическими характеристиками, водонепроницаемостью, маслостойкостью и стойкостью ко многим органическим растворителям. Недостатком пластикатов является их склонность к потере эластичности и ухудшению морозостойкости в процессе эксплуатации. Чрезвычайно широк ассортимент материалов на основе пластикатов: это и материалы для кабелей и шлангов, всевозможные изоляционные материалы, изделия медицинского назначения, оконные уплотнители. Пластикат используют для изготовления оболочек для электропроводов, линолеума и плиток для полов, материалов для облицовки стен, обивки мебели, упаковки пищевых продуктов, для производства искусственной кожи и обуви. Прозрачные гибкие трубки из пластиката применяют в медицинских системах жизнеобеспечения и переливания крови. 

     Действительно, поливинилхлорид является одним  из наиболее распространённых материалов среди пластиков. Мировое производство поливинилхлорида составляет порядка 17% от общего выпуска пластмасс и занимает третье место среди полимерных материалов. Изделия из ПВХ находят свое применение практически во всех отраслях хозяйства, в электротехнической, пищевой и легкой промышленности, судостроении и тяжёлом машиностроении, медицине и сельском хозяйстве, в производстве строительных и отделочных материалов, в оконном производстве. [1] 
 

      1. Выбор и обоснование технологической схемы и аппаратурного оформления фазы производства 

     Поливинилхлорид получают тремя методами полимеризации  винилхлорида: суспензионным – 80% от всего объема производства, эмульсионным (только для производства пластиката – мягкого ПВХ) и блочным (или массовым) – приблизительно по 10%. Кроме того, сравнительно недавно получил распространение ПВХ, разработанный для переработки по пластизольной технологии. Его получают микросуспензионным методом, являющимся в зависимости от рецептуры и технологии разновидностью суспензионного либо эмульсионного способов полимеризации ВХ. [2]

     Суспензионный метод основан на проведении процесса полимеризации в каплях мономера, диспергированного в водной фазе путем интенсивного перемешивания. В мономере растворяется небольшое количество инициатора, а в водную фазу вводится защитный коллоид, препятствующий слипанию мономер-полимерных частиц. Как и при полимеризации другими способами, процесс проводится при заданной температуре (и соответствующем давлении), обеспечивающей получение полимера с необходимым молекулярным весом.

     Суспензионный ПВХ перерабатывается в изделия  вальцеванием (каландрованием), экструзией, литьем под давлением и прессованием ПВХ, полученный в массе или суспензии, используется для производства жестких, а также полумягких и мягких, так называемых пластифицированных, пластических масс. Из него изготавливают специальные виды кабельного пластиката, пленки, искусственные кожи, линолеум.

     В данной работе будет описан суспензионный метод производства ПВХ, так как суспензионный (твердый) ПВХ удовлетворяет требованиям сырья для производства линолеума. Кроме этого, данный метод наиболее распространен в химической промышленности по производству ПВХ. Это объясняется рядом важных достоинств данного способа. Полимеризация мономера, диспергированного в такой теплоемкой среде, как вода, протекает в условиях эффективного отвода тепла реакции, что позволяет получить полимер со сравнительно узким молекулярно-весовым распределением. Кроме того, в отличие от эмульсионной (латексной) полимеризации, при которой образующиеся очень мелкие полимерные частицы нельзя отделить из полученного латекса путем фильтрации, в результате суспензионной полимеризации образуются гранулы размером 50–200 мк, которые отделяются от водной фазы на центрифугах и легко промываются. Поэтому содержание посторонних примесей в суспензионном поливинилхлориде незначительно.

     К недостаткам суспензионной полимеризации  винилхлорида следует отнести трудность  осуществления ее непрерывным способом. [3].

     Блочная полимеризация предполагает проводить процесс в среде мономера. Этот факт имеет свои достоинства:

     – получение очень чистого полимера за счет того, что в полимеризационной среде отсутствуют такие вспомогательные продукты, как вода, эмульгатор или защитный коллоид и другие компоненты, обычно используемые для полимеризации винилхлорида эмульсионным или суспензионным методом.

     – при полимеризации винилхлорида в массе отпадает необходимость в стадиях фильтрации и сушки, связанных с выделением полимера из водной суспензии или латекса, что значительно упрощает и удешевляет технологический процесс.

     Главным существенным недостатком этого  способа производства является трудность  отвода тепла реакции, вследствие чего ПВХ обладает сравнительно широким молекулярно-весовым распределением. Условия теплосъема особенно ухудшаются ввиду того, что с увеличением степени превращения винилхлорида постепенно исчезает жидкая фаза и образуются крупные агрегаты полимера.

     Для проведения полимеризации в эмульсии готовят реакционную смесь, состоящую из дистиллированной воды, содержащий эмульгатор, водорастворимый инициатор и стабилизатор. В готовую смесь вводят нужное количество мономера.

     Эмульсионная  полимеризация винилхлорида имеет  ряд преимуществ:

     – легкость отвода тепла реакции и поддержание постоянной температуры во всем объеме реакционной смеси, что позволяет получать весьма однородные по молекулярным весам полимеры.

     – при этом методе полимеризации расширяются возможности регулирования скорости реакции, степени полимеризации.

     – в отличие от суспензионного метода при эмульсионной полимеризации продукт реакции представляет собой мелкую стабильную водную дисперсию полимера, которая легко транспортируется.

     Недостатком эмульсионного метода полимеризации винилхлорида является высокое содержание в полимере примесей: остатков эмульгатора, электролитов и других веществ. Кроме того, наличие примесей в эмульсионном ПВХ затрудняет подбор стабилизаторов при его переработке.

     Эмульсионный  ПВХ перерабатывается в изделия прессованием, литьем под давлением, вальцеванием, экструзией, а также в мягкие изделия через пасты (пластизоли). Он является материалом для высокопрочной искусственной кожи, пленок, плиток, пенопластов.

     В работе будет более подробно рассмотрена стадия полимеризации, так как на этой фазе производства происходит главный процесс – полимеризация винилхлорида: 

     nCH₂=CHCl [–CH₂–CHCl–]_n 

     Процесс суспензионной полимеризации осуществляется в каплях эмульсии, полученных диспергированием ВХ в воде в присутствии высокомолекулярных стабилизаторов эмульсии (СЭ) и растворимого в мономере инициатора. В качестве реактора-полимеризатора я выбрал аппарат с мешалкой, оснащенный теплопередающей рубашкой, в котором обеспечивается равномерное распределение реагентов по объему и отвод тепла реакции. Технологическая схема полимеризации с данным реактором приведена на рис. 1. 

     Преимуществом такого реактора является возможность  равномерного распределения компонентов  и тепла в реакционной зоне, простота конструкции. Также стенки данного реактора проще удаляются от неизбежно образующейся корки полимера. Существенным же недостатком такой конструкции является то, что процесс полимеризации проходит в реакторе по периодической технологии, стадии загрузки, выгрузки, промывки и разогрева отнимают до 50% времени от всего цикла полимеризации.

     Основой всех разработок непрерывного процесса суспензионной полимеризации являлось создание аппаратурного оформления непрерывного процесса, обеспечивающего  узкое распределение по времени  пребывания частиц в реакционной зоне. Это достигалось в основном двумя путями: использованием аппарата трубчатого типа, структура потока реагирующих компонентов в котором близка к режиму идеального вытеснения; использованием ряда последовательно соединённых реакционных зон или аппаратов, структура потока реагирующих компонентов в которых близка к режиму идеального смешения.

     На рис. 2, а изображено устройство для непрерывной полимеризации, которое состоит из вертикальной цилиндрической емкости, разделенной с помощью вращающихся горизонтальных дисков на отдельные зоны, причем зоны связаны друг с другом отверстиями, и поток реакционной массы возможен только в одну сторону. Диски укреплены на вращающемся валу с увеличивающимися в направлении потока расстояниями между ними, причем соотношение длины и диаметра разделенных дисками зон составляет 0,1–0,6. В качестве перегородок, укрепленных на общем валу, используют перфорированные диски или сетки, а вал совершает не вращательное, а возвратно-поступательное пульсирующее движение. К общим недостаткам описанных систем относится необходимость разработки и изготовления специальной аппаратуры, сложность разборки и чистки аппаратов при забивке полимером реакционного пространства.

     Существует  также способ полимеризации, согласно которому полимеризацию проводят в 5–10 последовательно соединенных аппаратах с мешалками, расположенных вниз по вертикали. Каждый последующий реактор находится на 1/3 высоты ниже предыдущего и реакционная масса перетекает из одного аппарата в расположенный ниже него ближайший аппарат (см. рис. 2, б). Для предотвращения забивания переливных труб через систему реакторов пропускают инертный газ под давлением, превышающим давление насыщенных паров винилхлорида при температуре полимеризации. К достоинствам этого способа можно отнести возможность использования обычных аппаратов с мешалками, применяющихся при периодическом способе полимеризации ВХ, к недостаткам – громоздкость схемы и повышенную металлоемкость, высокую стоимость большого числа аппаратов, увеличение эксплуатационных расходов, трудность равномерного распределения тепловой нагрузки на реакторы, усложнение системы автоматизации для поддержания одинаковых условий полимеризации во всех реакторах.