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 20єС, 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 0єС..............................................................-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 С_р° 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:

CH_{3 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.

Выбор пункта строительства - город Кусково Московской области.

1.4ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЯТОГО МЕТОДА

Ацеталирование поливинилового спирта проводят масляным альдегидом на катализаторе соляная кислота.

Процесс получения поливинилбутираля протекает в семь стадий:

1.4.1 Подготовка сырья

а) Растворение поливинилового спирта. Поливиниловый спирт растворяют в аппарате - подогревателе по режиму:

Модуль ванны......................1:10

Температура, °С..................50-60

Продолжительность, ч........5-6

В подогреватель подают сухой поливиниловый спирт и обессоленную воду. В течение 5-6 часов перемешивают и подогревают раствор до температуры 60°С.

б) Приготовление водного раствора щёлочи. В ёмкость для растворения щёлочи центробежным насосом загружают обессоленную воду, а через лаз в крышке шнеком загружают твёрдую щёлочь из расчёта получения раствора 10 - 15% концентрации. Растворение щёлочи производят при перемешивании сжатым воздухом в течение 10-15 минут. По окончанию растворения раствору дают отстояться в течение 8-12 часов и анализируют на содержание щёлочи. Отстоявшийся раствор через боковой штуцер сливается в мерник для загрузки в аппарат.

в) Масляный альдегид поступает в цех, ректифицированный и дополнительной, обработке не подвергается.

г) Соляная кислота. Перед загрузкой в ацеталятор анализируется на содержание хлорида водорода, затем разбавляется обессоленной водой в мернике

до концентрации 10-22% и передавливается сжатым воздухом в ацеталятор.

1.4.2 Ацеталирование поливинилового спирта

Ацеталирование поливинилового спирта проводят в ацеталяторе при модуле ванны 1:10 масляным альдегидом в присутствии НСl, который служит катализатором. Концентрация поливинилового спирта при этом будет 9%. Горячий водный раствор поливинилового спирта центробежным насосом, через фильтр, перекачивается в ацеталятор. Ацеталятор представляет собой эмалированный аппарат, снабжённый рубашкой для обогрева и охлаждения и якорно-лопастной мешалкой. В случае если раствор поливинилового спирта имеет температуру ниже 60°С, его, при перемешивании, подвергают дополнительному подогреву при температуре 60 - 70°С в течение 2 часов. После этого раствор охлаждают до 8 - 10°С. Охлаждение ацеталятора производят сначала холодной водой, подаваемой в рубашку, а затем хладагентом (раствор СаС1₂). Одновременно с началом охлаждения из ацеталятора отбирают пробу раствора спирта для определения сухого остатка и цветности. По результатам анализа проводят расчёт количества загруженного на ацеталирование сухого поливинилового спирта и загружают обессоленную воду. При температуре 8-10°С и непрерывном перемешивании раствора поливинилового спирта в ацеталятор, через фильтр, загружают масляный альдегид. После 20 минутного перемешивания поливинилового спирта с масляным альдегидом в ацеталятор загружают разбавленную обессоленной водой соляную кислоту из мерника. Ниже приведены нормы загрузки компонентов в ацеталятор (в массовых частях):

Поливиниловый спирт............100

Вода обессоленная...................925

Масляный альдегид.................60

Соляная кислота, 37%.............15

С добавлением соляной кислоты температура в аппарате увеличивается до 10 - 12°С. Реакционную смесь охлаждают, а время достижения температуры 10°С, считают началом процесса ацеталирования. Процесс ацеталирования ведут при перемешивании и обогреве реакционной массы горячей водой через рубашку ацеталятора при следующем температурном режиме:

Подъём температуры от 10 до 14°С - 3 часа

от 14 до 25°С - 3 часа

от 25 до 30°С - 2 часа

от 30 до 55°С - 3 - 3,5 часа

выдержка при температуре 55°С - 1 час

всего: 12 - 12,5 часов.

По окончании ацеталирования содержимое аппарата охлаждают до 25 -28°С. Затем отбирают пробу маточного раствора для определения содержания в нём масляного альдегида, которого должно быть в маточнике не более 0,4%.

1.4.3 Выделение продукта операцией центрифугирования:

Полученную суспензию поливинилбутираля вместе с маточником разгружают в центрифугу, отжимают и передают в промыватель.

1.4.4 Операция промывки:

Промывку поливинилбутираля проводят в промывателях. Промыватель - цилиндрический аппарат с коническим днищем. Аппарат снабжён рубашкой для обогрева и охлаждения, якорно-лопастной мешалкой со специальными люками, расположенными на нижней конической части аппарата с устройством для отсоса промывных вод под вакуумом и загрузки обессоленной воды под давлением. Промыватель, снабжен уровнемером для поддержания уровня промывной воды. Температура подаваемой воды должна быть не выше 40°С, модуль ванны 1:8. После подачи обессоленной воды производится 10 минутное перемешивание и отсос воды. Промывка считается законченной, когда кислотность промывной воды будет не выше кислотности воды, подаваемой в промыватель.

1.4.5Операция стабилизации поливинилбутираля

После промывки поливинилбутираля для устранения кислотности проводят стабилизацию его водным раствором щёлочи. В аппарат при работающей мешалке загружают из мерника раствор щёлочи. Через 10 минут после загрузки щёлочи отбирают пробу для контроля концентрации щёлочи в ванне. Стабилизацию проводят при перемешивании и температуре 55°С в течение 2 часов. По окончанию стабилизации содержимое аппарата охлаждают до 20⁰С в течение 2 часов.

1.4.6Отжим на центрифуге:

Стабилизированный поливинилбутираль, при работающей мешалке промывателя, поступает в центрифугу и отжимается до содержания влаги 30 - 40%.

1.4.7Сушка поливинилбутираля

Отжатый поливинилбутираль поступает в аэрофонтанную сушилку непрерывного действия и при температуре не выше 50°С сушится до остаточного содержания влаги 3%. Высушенный продукт просеивают на вибрационном сите и мелкую фракцию упаковывают в мешки. Воздух уходящий из верхней части сушилки уносит с собой небольшое количество поливинилбутираля, для его улавливания мы ставим циклон. Мелкие частицы мы отправляем обратно в производство.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

2.1ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВЫПОЛНЕННОЙ ГРАФИЧЕСКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЛИ ОТДЕЛЕНИЯ

Ацеталирование поливинилового спирта проводится масляным альдегидом на катализаторе соляная кислота.

Поливиниловый спирт растворяют в аппарате - подогревателе ПД по режиму:

Модуль ванны.....................1:10

Температура, °С..................50-60

Продолжительность, ч........5-6

В подогреватель ПД подают сухой поливиниловый спирт и обессоленную воду. В течение 5-6 часов перемешивают и подогревают раствор до температуры 60°С. В ёмкость Е3 для щёлочи центробежным насосом H2 загружают обессоленную воду, а через лаз в крышке шнеком загружают твёрдую щёлочь из расчёта получения раствора 10 - 15% концентрации. Растворение щёлочи производят в Е3 при перемешивание сжатым воздухом в течение 10-15 минут. По окончанию растворения раствору дают отстояться в течение 8-12 часов и анализируют на содержание щёлочи. Отстоявшийся раствор через боковой штуцер сливается в мерник М2 для загрузки в аппарат. Масляный альдегид поступает в цех, ректифицированный и дополнительной обработке не подвергается. Перед загрузкой HCl в ацеталятор анализируется на содержание хлорида водорода, затем разбавляется обессоленной водой в мернике М1 до концентрации 10-22 % и передавливается сжатым воздухом в ацеталятор.

Ацеталирование поливинилового спирта проводят в ацеталяторе АЦ при модуле ванны 1:10 масляным альдегидом в присутствии НСl, который служит катализатором. Концентрация поливинилового спирта при этом будет 9%. Горячий водный раствор поливинилового спирта центробежным насосом Н3, через фильтр Ф2, перекачивается в ацеталятор АЦ. Ацеталятор АЦ представляет собой эмалированный аппарат, снабжённый рубашкой для обогрева и охлаждения и якорно-лопастной мешалкой. В случае если раствор поливинилового спирта имеет температуру ниже 60°С, его при перемешивании подвергают дополнительному подогреву при температуре 60 - 70°С в течение 2 часов. После этого раствор охлаждают до 8 - 10°С. Охлаждение ацеталятора АЦ производят сначала холодной водой, подаваемой в рубашку, а затем хладагентом (раствор СаС1₂). Одновременно с началом охлаждения, из ацеталятора АЦ отбирают пробу раствора спирта для определения сухого остатка и цветности. По результатам анализа проводят расчёт количества загруженного на ацеталирование сухого поливинилового спирта и загружают обессоленную воду. При температуре 8-10°С и непрерывном перемешивании раствора поливинилового спирта в ацеталятор, через фильтр Ф1, загружают масляный альдегид. После 20 минутного перемешивания поливинилового спирта с масляным альдегидом в ацеталятор АЦ загружают разбавленную обессоленной водой соляную кислоту из мерника М1. Ниже приведены нормы загрузки компонентов в ацеталятор (в массовых частях):

Поливиниловый спирт............100

Вода обессоленная..................925

Масляный альдегид.................60

Соляная кислота, 37%.............15

С добавлением соляной кислоты температура в аппарате увеличивается до 10-12°С. Реакционную смесь охлаждают, а время достижения температуры 10°С, считают началом процесса ацеталирования. Процесс ацеталирования ведут при перемешивании и обогреве реакционной массы горячей водой через рубашку ацеталятора АЦ при следующем температурном режиме:

подъём температуры от 10 до 14°С - 3 часа

от 14 до 25°С - 3 часа

от 25 до 30°С - 2 часа

от 30 до 55°С - 3 - 3,5 часа

выдержка при температуре 55°С - 1 час

всего: 12 - 12,5 часов.

По окончании ацеталирования содержимое аппарата охлаждают до 25-28°С. Затем отбирают пробу маточного раствора для определения содержания в нём масляного альдегида, которого должно быть в маточнике не более 0,4%. Полученную суспензию поливинилбутираля вмести с маточником разгружают в центрифугу Ц, отжимают и передают в промыватель ПК.

Промывку поливинилбутираля проводят в промывателях. Промыватель ПК - цилиндрический аппарат с коническим днищем. Аппарат снабжён рубашкой для обогрева и охлаждения, якорно-лопастной мешалкой со специальными люками, расположенными на нижней конической части аппарата с устройством для отсоса промывных вод под вакуумом и загрузки обессоленной воды под давлением. Промыватель ПК, снабжён уровнемером для поддержания уровня промывной воды. Температура подаваемой воды должна быть не выше 40°С, модуль ванны 1:8. После подачи обессоленной воды производится 10 минутное перемешивание и отсос воды. Промывка считается законченной, когда кислотность промывной воды будет не выше кислотности воды, подаваемой в промыватель.

После промывки поливинилбутираля для устранения кислотности проводят стабилизацию его водным раствором щёлочи. В аппарат ПК при работающей мешалке загружают из мерника M2 раствор щёлочи. Через 10 минут после загрузки щёлочи отбирают пробу для контроля концентрации щёлочи в ванне. Стабилизацию проводят при перемешивании и температуре 55°С в течение 2 часов. По окончанию стабилизации содержимое аппарата охлаждают до 20⁰С в течение 2 часов.

Стабилизированный поливинилбутираль, при работающей мешалке промывателя ПК, поступает в центрифугу Ц и отжимается до содержания влаги 30 - 40%. Отжатый поливинилбутираль поступает в аэрофонтанную сушилку СА непрерывного действия и при температуре не выше 50°С сушится до остаточного содержания влаги 3%. Высушенный продукт просеивают на вибрационном сите ВС и мелкую фракцию упаковывают в мешки. Воздух, уходящий из верхней части сушилки, уносит с собой небольшое количество поливинилбутираля, для его улавливания мы ставим циклон ЦК. Мелкие частицы мы отправляем обратно в производство.

2.2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Для достижения наибольшей эффективности процесса необходимо:

1. Получить продукт высокого качества в соответствии с ГОСТом на него;

2. Обезопасить технологическое оборудование и, соответственно, обслуживающий персонал от возможных неполадок;

3. Поддерживать параметры технологического режима и т.д.

По мере осуществления механизации производства сокращается тяжёлый физический труд, уменьшается численность рабочих, непосредственно занятых в производстве, увеличивается производительность труда. Внедрение специальных автоматических устройств способствует: безаварийной работе оборудования (аппаратов), исключая случаи травматизма, предупреждает загрязнения атмосферного воздуха и водоёмов промышленными отходами. Комплексная автоматизация процессов химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение нормального хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств, но и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов для ремонтных работ и в критических ситуациях.

Возмущение - это причина, вызывающая нарушение режима работы объекта. Существуют два вида возмущений: внутренние и внешние. При увеличении соотношения расходов масляного альдегида к поливиниловому спирту (6,6м³/ч:0,9м³/ч) время контактирования уменьшается, что приведёт к увеличению не прореагировавших продуктов реакции. При уменьшении соотношения расходов масляного альдегида к поливиниловому спирту температура, которая должна поддерживаться 60⁰С, в ацеталяторе понижается, и из-за этого перестанет протекать реакция ацеталирования, поэтому необходимо регулировать соотношение расходов. Для подогревателя ставятся тензовесы, на которые приходят сигналы: о расходе горячей воды от ротаметра-преобразователя, установленного в трубопроводе с горячей водой и от тензодатчика, о весе твёрдого поливинилового спирта, установленного под шнеком. В ацеталяторе ставится командное электропневматическое устройство, которое переключает клапаны с горячей, холодной водой и рассолом через определенные промежутки времени. Необходимо сигнализировать уровни в ёмкостях 1, 2 и 3, а также в мерниках 1 и 2. Для готового продукта устанавливаем автоматические дозировочные весы. В промывной колонне необходимо поддерживать температуру 40⁰С, для этого ставим клапан в трубопроводе подачи пара, а также сигнализируем понижение уровня. Температуру в калорифере поддерживаем 50⁰С, для этого в калорифер устанавливаем термоэлектрический преобразователь, а клапан - на трубопровод подачи пара. В трубопроводе, на выходе воздуха из циклона, необходимо измерять, контролировать и сигнализировать превышение концентрации взвешенных частиц. Для сигнализации повышения давления (выше 0,2МПа) в мерник 1 устанавливаем датчик-реле давления.

2.3 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

В соответствии с требованиями охраны окружающей среды, содержание вредных веществ и примесей в атмосферном воздухе и водоёмах не должно вызывать патологических реакций в организме человека или приводить к заметным воздействиям на флору и фауну. Для оценки состояния атмосферного воздуха устанавливаются нормативы предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ. Эти нормативы должны отвечать интересам охраны здоровья людей и охраны окружающей природной среды. В производстве поливинилбутираля ацеталированием поливинилового спирта, образуются газообразные, жидкие и твёрдые отходы. Газообразные отходы образуются на стадиях: подготовка сырья, ацеталирование и промывка готового продукта, так же к ним относятся вентиляционные выбросы цеха, которые могут быть частично загрязнены исходными веществами и продуктами ацеталирования, в случае не герметичности оборудования. Газообразные отходы содержат: поливиниловый спирт, масляный альдегид, соляную кислоту и щёлочь. В газообразных отходах вредные примеси должны содержаться в концентрациях, не превышающих предельно допустимые концентрации: для соляной кислоты ПДК = 0,1 мг/м³, для поливинилового спирта ПДК = 0,5 мг/м³, для щёлочи ПДК = 0,5 мг/м³, для масляного альдегида ПДК = 5 мг/м³. Для очистки газов от вредных органических примесей осуществляется следующие методы: абсорбция, адсорбция, каталитический, термический, конденсация и нейтрализация. Отходящие газы, содержащие органические и неорганические примеси, поступают в коллектор для сбора газов. Далее газы идут в отпарную колонну, которая орошается водой, где под действием температуры (за счёт подогрева змеевика паром) органические примеси уходят из верхней части колонны и поступают на сжигание (рисунок 3). Для обезвреживания воздуха применяют каталитическое сжигание. Если термическое сжигание применяют главным образом при высокой концентрации примесей и при значительном содержании в газах кислорода (при температуре 800 - 1100⁰С), то при каталитическом методе окисления температура не превышает 250 - 300⁰С. Каталитическая очистка дешевле в 2-3 раза высокотемпературного сжигания при высокой эффективности процесса. Из нижней части колонны с водой уходят щёлочь и соляная кислота, которые затем поступают в ёмкость, где смешиваются с другими загрязнёнными водами. Твердые частицы продукта собирают с помощью циклона или акустического смесителя и возвращают в производство (на вибрационное сито). Жидкие отходы включают в себя бытовые сточные воды и загрязнённые производственные воды, содержащие соляную кислоту, щёлочь, поливиниловый спирт, масляный альдегид, метиловый спирт и CH₃COONa. Эта вода собирается в ёмкость и из неё направляется на очистку. Для очистки воды от такого разнообразия примесей мы применяем термический метод очистки. И только после очистки воду можно смешать с бытовыми водами и отправить на заводские очистные сооружения, где они подвергнутся биологической очистке. После очистки вредные примеси, содержащиеся в воде, не должны превышать предельно-допустимых концентраций (ПДК).

На рисунке 1 представлена блок - схема, с указанием всех входящих и выходящих материальных потоков. На рисунке 2 - схема водопотребления и водоотведения производства поливинилбутираля. На рисунке 3 представлена схема очистки отходящих газов.

2.4 ИЗМЕНЕНИЯ, ВНЕСЁННЫЕ В ПРОЕКТ ПО СРАВНЕНИЮ С ДЕЙСТВУЮЩИМ ПРОИЗВОДСТВОМ

Загрузка твёрдой щёлочи и твёрдого поливинилового спирта производим шнековым дозатором, а не в ручную. Так же в проекте вместо распылительной сушилки установили сушилку аэрофонтанного типа. Её достоинствами являются: интенсивная сушка (напряжение объёма сушильной камеры может достичь, несколько сотен кг/м³ * час); высокая степень использования сушильного агента; влажность автоматического регулирования параметров процесса (в том числе пребывание частиц материала в аппарате). Все сточные воды производства очищаются на очистных установках. Пыль, образовавшаяся в результате измельчения, просева и сушки, улавливается в циклон. Достоинствами циклона являются: простота конструкции и низкая стоимость. Газообразные примеси со всех стадий процесса собираются в коллектор и оттуда поступают в отпарную колонну, орошаемую водой. Отпарная колонна обогревается паром, для того чтобы в ней органические примеси отделились от неорганических, и вместе с воздухом ушли на сжигание в печь.

2.5 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ, ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ И ОХРАНА ТРУДА

В технологических процессах органического синтеза используемое сырьё, полупродукты, целевой и побочные продукты обладают в той или иной степени токсичностью и опасны в пожарном отношении. Некоторые из них являются взрывчатыми веществами; газообразные или парообразные органические вещества, как правило, образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Во избежание аварий и несчастных случаев (отравлений, ожогов и тому подобное), а также для предупреждения хронических профессиональных заболеваний обслуживающий персонал должен тщательно изучить и строго выполнять все противопожарные инструкции и нормы по технике безопасности. Наряду с изучением технологического процесса и физико-химических свойств сырья и продуктов, работающие в данном производстве должны хорошо знать физиологическое действие на человеческий организм всех применяемых в цехе материалов, соблюдать правила личной гигиены, уметь пользоваться индивидуальными средствами защиты и средствами гашения пламени, уметь оказывать первую медицинскую помощь пострадавшему, знать и выполнять правила безопасного обращения с электрооборудованием.

Токсичность химических веществ в производстве поливинилбутираля: Характер и степень токсичности химических веществ определяются их строением, физико-химическими свойствами, концентрацией и путями проникновения этих веществ в организм человека:

Поливиниловый спирт. Малотоксичен. При парентеральном поступлении своеобразная пигментация роговой и радужной оболочки, хрусталика и сетчатки. Продукты деструкции поливинилового спирта, нагретого до 170⁰С (непредельные углеводороды, альдегиды, органические кислоты, оксиды углерода), раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей. При длительном вдыхании повышают возбудимость центральной нервной системы и снижают иммунобиологическую реактивность. Патологически: хроническая интерстициальная пневмония и дистрофические изменения в печени. Предельно допустимые концентрации поливинилового спирта ПДК = 0,5 мг/м³. Второй класс опасности: вещества высоко - опасные. Индивидуальная защита и меры предупреждения для поливинилового спирта - защита органов дыхания от пыли и продуктов деструкции, защита глаз.

Гидроксид натрия (стабилизатор). При попадании растворов или пыли на кожу, и в особенности, на слизистые образуется мягкий струп. Проникает и в более глубокие ткани. После «ожогов» остаются рубцы. Растворы действуют тем сильнее, чем выше концентрация и температура. При постоянной работе с ними часто появляются язвы на пальцах рук (после них рубцы, потливость); узелковые дерматиты. У работающих с горячими щелочными растворами - набухание и размягчение рогового слоя кожи рук, затем его постепенное удаление (состояние кожи известное под названием «руки прачек»). На этой почве легко возникают экземы, особенно в суставных складках пальцев. Ногти становятся тусклыми, ломкими, отделяются от ногтевого ложа. У рабочих кожнодубильного производства, соприкасающихся с соединениями Cr, повышена чувствительность к NaOH; эти лица дают 85% нетрудоспособности по заболеваниям кожи. Опасно попадание даже самых малых количеств NaOH в глаза: поражается не только роговица, но вследствие быстрого проникновения NaOH вглубь, страдают и глубокие части глаза. Исходом может быть слепота. Предельно допустимые концентрации едкого натра ПДК = 0,5 мг/м³. Второй класс опасности: вещества высоко-опасные. Индивидуальная защита и меры предупреждения для гидроокиси натрия - спецодежда из плотной ткани, резиновые перчатки, нарукавники, фартуки, обувь. Индифферентные и гидрофобные защитные мази.

Хлорид водорода (катализатор). При высоких концентрациях НС1 раздражает слизистые, в особенности носа. Вызывает конъюнктивит, помутнение роговицы, охриплость, чувство удушения, покалывание в груди, насморк, кашель, иногда кровь в мокроте. Концентрации 0,05 - 0,075 мг/л переносятся с трудом, хотя «привычные» люди выносят в течение нескольких минут даже концентрации 1-2 мг/л. Хроническое отравление вызывает катары дыхательных путей, разрушение зубов, изъязвление слизистой носа и даже прободение носовой перегородки, желудочно-кишечные расстройства, возможны воспалительные заболевания кожи. Опасен случай тяжёлого отравления: сильное исхудание, слабость; горячая, сухая, землистая кожа; кашель, учащённое дыхание, мелкопузырчатые хрипы; мокрота отхаркивается с большим трудом; сердечная деятельность нормальная, но по несколько раз в день сильные сердцебиения. Пульс - 70-80 ударов в минуту. Острые боли в области желудка, рвота желтоватой слизью. Предельная безвредная при постоянной работе концентрация - 0,015 мг/л. Наблюдается якобы привыкание к хлористому водороду, причина которого пока неясна. Предельно допустимая концентрация соляной кислоты ПДК = 5 мг/м³. Третий класс опасности: вещества умеренно-опасные. Индивидуальная защита и меры предупреждения - фильтрующий промышленный противогаз марки В, защитные герметичные очки, спецодежда из кислотостойкой ткани (винитроновая ткань; ткань ШХВ-30-КП; шерсть с 30% хлорного волокна; нитрон; ШЛ; лавсан или ткань, обработанная латексами). Фартуки из неопрена, текстовинита. Рукавицы, перчатки из стойкой резины. Сапоги из противокислотной резины. Герметизация ёмкостей для хранения и транспортировки. Механизация дозировки, слива, заполнения тары. Вентиляция производственных помещений. Оборудование фонтанчиков и гидрантов для возможности немедленного смывания брызг кислоты, попавшей в глаза и на кожу. Предварительные и периодические (1 раз в 24 месяца) медицинские осмотры и осмотры стоматологом (1 раз в 6 месяцев) работающих в производстве и при систематическом применении НС1.

Масляный альдегид. Уже при небольших концентрациях (0,013 - 0,76 мг/л) масляный альдегид раздражает глаза и вызывает конъюнктивит. Концентрация 0,55 мг/л непереносима (работа в противогазах). Ощущение запаха при 0,004 мг/л. При местном действии на кожу после 10 минут на месте воспалительная реакция: покраснение, повышение температуры на 5 - 7°С по сравнению с контрольным участком. Предельно допустимая концентрация масляного альдегида ПДК = 5 мг/м³. Третий класс опасности: вещества умеренно-опасные. Индивидуальная защита и меры предупреждения - фильтрующий промышленный противогаз марки А; герметичные защитные очки. В условиях очень высоких концентраций - изолирующие шланговые или другие противогазы. При работе с масляным альдегидом для защиты кожи рук рекомендуют мази: вазелин - 50, ланолин - 35, буровская жидкость (2%) - 13, витамина А - 2 массовых части. Втирать в кожу после удаления масляного альдегида. Герметизация процессов, связанная с выделением масляного альдегида, работа аппаратуры под вакуумом, вентиляция помещения. Предварительные и периодические медицинские осмотры имеющих контакт с масляным альдегидом (1 раз в 24 месяца) и осмотр дерматологом (1 раз в 6 месяцев).

Поливинилацетат. Обладает очень слабой биологической активностью, что объясняется действием остатков мономера и пластификаторов. Токсичность клеев, лаков и красок на основе поливинилацетата определяется свойствами растворителей и добавок.

Классификация производств по степени пожарной опасности и взрывоопасности:

Основными факторами, определяющими степень пожарной опасности химических производств, являются температура вспышки и пределы взрываемости газообразных (или парообразных) применяемых веществ. Кроме того, учитывается наличие в производстве пыли, могущей дать с воздухом взрывчатые смеси, а также параметры технологического процесса и масштабы производства. Все производства по степени пожарной опасности делятся на пять категорий: А, Б, В, Г и Д. В зависимости от категории производства по степени пожарной опасности определяют огнестойкость и конструкцию здания и его элементов, планировку подсобных и производственных цехов и сооружений, величину разрывов между зданиями. Производство поливинилбутираля относится к категории А. Применение химических веществ в данной категории, в таких количествах, чтобы могли образоваться с воздухом взрывчатые смеси, воспламенение и взрыв которых могут последовать в результате действия воды или кислорода воздуха (жидкостей с температурой вспышки паров 28°С и ниже; горючих газов, нижней предел взрываемости которых в смеси с воздухом 10 объёмных % и менее). Под огнеопасностью зданий и сооружений понимают способность их конструктивных элементов выдерживать расчётные нагрузки при действии высоких температур в условиях пожара, а также при действии резких температурных колебаний, возникающих при тушении пожара водой. Здания и сооружения по огнестойкости подразделяются на пять степеней. К 1 степени относятся здания, конструкции которых выполнены из несгораемых материалов (все естественные и искусственные неорганические материалы, а также металлы), к 5 степени относятся здания, конструкции которых выполнены в основном из сгораемых материалов. Требуемая степень огнестойкости зданий определяется категорией пожарной опасности производств этажностью зданий и допустимой площадью пола между противопожарными стенами на одном этаже. Здание для производства поливинилбутираля строится по 2 степени огнестойкости. В цехе должны быть обеспечены все меры согласно инструкции по технике безопасности и пожарной опасности.

Санитарная классификация производств:

В зависимости от выделяемых вредных веществ и условий технического процесса, а также от способов и эффективности очистки, выбрасываемых в атмосферу токсичных газов, паров и пыли все промышленные предприятия делятся на пять классов. Большинство производств основного органического синтеза относятся к первому, второму и третьему классам. Производство поливинилбутираля относится к 1 классу. В зависимости от того, к какому классу относятся предприятие, устанавливают санитарно защитные зоны - разрывы, отделяющие данное предприятие от ближайшего жилого района (для предприятия 1 класса разрыв должен быть 1000 метров).

Санитарно-техническое оборудование химических предприятий:

Среди мероприятий, направленных на уменьшение травматизма, заболеваний и профессиональных отравлений, большую роль играет эффективная вентиляция производственных цехов. В зависимости от способа организации воздухообмена вентиляция разделяется на местную, общеобменную и приточно-вытяжную (смешанную), из различных вентиляционных систем во вредных или взрывоопасных производствах наиболее широко используют приточно-вытяжную вентиляцию. Эффективность приточно-вытяжной вентиляции определяется количеством воздуха, удаляемого из рабочего помещения и подаваемого в него, и измеряется кратностью воздухообмена, то есть отношение количества воздуха, нагреваемого в помещении и удаляемого из него в час, к объёму помещения. Кратность обмена устанавливают в зависимости от количества и характера вредных выделений (токсичность, физико - химические свойства), а также от количества выделяющегося тепла.

3. РАСЧЁТЫ

3.1МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЁТ И ТАБЛИЦЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ ОСНОВНЫХ СТАДИЙ И В ЦЕЛОМ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА

Исходные данные:

Производительность цеха: 7300 т/год

Текущий ремонт: 720 / 64 [27, с. 271]

Капитальный ремонт: 8640 / 208 [27, с. 271]

Продолжительность работы оборудования в году, ч/год:

366 - (Х₁ + Х₂) = 366 - (32,53 + 8,81) = 324,66

где: Х₁ = (366 * 64) / 720 = 32,53 сут/год

Х₂ = (366 * 208) / 8640 = 8,81 сут/год

Суточная производительность цеха без учёта потерь, кг/сут:

7300000 / 324,66 = 22485,06

Суточная производительность цеха с учётом потерь, кг/сут:

22485,06 / (1 - 0,02) = 22943,95

Общие потери влажного продукта, кг/сут:

22943,95 - 22485,06 = 458,89

Влажность продукта 2%. Общие потери абсолютно сухого продукта, кг/сут:

458,89 * 0,98 = 449,71