Автоматизація технологічного процесу полімерізації вінілхлориду

Реферат на тему:

Автоматизація технологічного процесу полімерізації вінілхлориду

1. Аналіз технологічного процесу полімерізації вінілхлориду як об'єкту автоматизації

1.1 Аналіз світового досвіду ведення процесу полімеризації вінілхлориду

Найбільш розповсюдженими промисловими процесами полімеризації вінілхлориду є полімеризація вінілхлориду в масі, суспензії латекса (емульсійна) полімеризація.

При полімеризації в масі рідкого мономера, в якому попередньо розчиняється невелика кількість ініціатора внаслідок нерозчинності полімера в мономері, тверда фаза починає утворюватись на самому початку процесу.

З цим і пов'язані великі труднощі при відводі тепла реакції, так як із збільшенням степені перетворення вінилхлориду поступово зникає рідка фаза.

Довгий час емульсійна полімеризація була єдиним методом отримання полівінілхлориду. Проте після впровадження суспензійного способу, темпи росту виробництва емульсійного полівінілхлориду знизились.

Недоліком емульсійної полімеризації є високий вміст домішок в готовому продукті, порівняно з суспензійною полімеризацією. Проте великою перевагою полімеризації в емульсії є можливість здійснювати її неперервним способом і легко відводити тепло реакції.

1.2 Призначення, суть і хімізм процесу полімеризації

Процес полімеризації вінілхлориду призначений для отримання термопластичного металу - полівінілхлориду, який використовується для виготовлення виробів металів пресування, лиття під тиском.

Суть процесу полягає в змішуванні двох речовин: емульсійної води і рідкого вінілхлориду в реакторі-полімеризаторі, внаслідок чого проходить екзотермічна реакція і утворюється латекс полівінілхлориду, який підлягає дегазації і сушці до утворення готового продукту.

Реакція полімеризації проходить в реакторі в два етапи. В верхній частині реактора змішуються неперервно емульсійна вода, рідкий вінілхлорид і реакційна маса. Тут проходить початок реакції - зародження ланцюгів і ріст радикалів.

R-CH₂-CHCl + CH₂ = CHCl > R-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl;

R-CH₂-CHCl-CH₂-CHCl + nCH₂ = CHCl >

> R-(CH₂-CHCl)_n+1-CH₂-CHCl, (1.1)

де n - степінь полімеризації.

KSO₄ + CH₂ = CHCl-KSO₄-CH₃-CHCl + CH₂ = CHCl-, (1.2)

KSO₄ + CH₂ = CHCl-CH₂-CHCl + CH₂ = CHCl- і т.д.

Продовження реакції - обрив ланцюга.

- диспропорціонування

R-(CH₂-CHCl)_n-CH₃-CHCl + CHCl-CH₂-(CHCl-CH₂)_n-R >

> R-(CH₂-CHCl)_n-CH = CHCl + ClH₂C-CH₂-(CHCl-CH₂)_m-R, (1.3)

- рекомбінація

R-(CH₂-CHCl)_n-CH₂-CHCl + CHCl-CH₂-(CHCl-CH₂-)_m-R >

> R(CH₂-CHCl)_n-1-(CHCl-CH₂-)_m-1-R. (1.4)

В нижній частині проходить полімеризація до більш глибоких степенів перетворення від 84% до 96% в залежності від марки полівінхлориду, яка випускається. Кількість латекса, що виводиться з реактора повинна приблизно відповідати сумарній кількості вінілхлориду і водяної емульсії, які поступають в реактор.

1.3 Характеристика сировини і одержуваних продуктів

Вихідними продуктами для виробництва полівінілхлориду є рідкий вінілхлорид і вода.

Вінілхлорид (CH₂ = CHCl) - білі пластинки, легкорозчинні у воді.

Емульсійна вода - це суміш емульсатора (пероксид водню). За фізичним впливом аналогічна дії слабкого мильного розчину.

В результаті полімеризації ми отримуєм латекс полівінілхлориду - суміш білого кольору. Після дегазації, стабілізації і сушки виходить готовий продукт - полівінілхлорид (-CH₂-CHCL-)_n.

Емульсійний полівінілхлорид - білий порошок без видимих домішок, нерозчинний у воді, без смаку і запаху. Він стійкий до дії кислот, лугів, спиртів, мінеральних масел; набухає і розчиняється в ефірі хлорованих і ароматичних вуглеводнях.

Зведена технічна характеристика сировини, проміжного і готового продуктів приведена в таблиці А.1.1 (додаток А.1).

В залежності від призначення полівінілхлориду встановлені такі марки: ПВХ_Е74П, ПВХ_Е70П, ПВХ_Е66, ПВХ_Е66П, ПВХ_Е62, ПВХ_Е58, ПВХ_Е54, “Вологовініл Е_62П”, “Вологовініл Е_66П”.

1.4 Аналіз технологічної схеми процесу і технічна характеристика обладнання

Процес латексної полімеризації вінілхлориду включає в себе такі стадії:

- полімеризація вінілхлориду;

- дегазація латексу полівінілхлориду;

- стабілізація.

Розглянемо детальніше ці стадії.

Рідкий вінілхлорид з температурою 15...25 °С поступає на полімеризацію, попередньо підігріваючись в теплообміннику Т_1 гарячою парою до температури 40 °С. Полімеризація проводиться в реакторі-полімеризаторі Р_1, в який безперервно подаються емульсійна вода (88.8•10^-6 ... 105.5•10^-6 м³/с) і рідкий вінілхлорид (80.5•10^-6 ... 105.5•10^-6 м³/с), залежно від марки полівінілхлориду.

Полімеризація відбувається при перемішуванні лопасною мішалкою. Число обертів мішалки 28...174 об/хв.

Відвід тепла реакції полімеризації здійснюється циркуляційною водою з температурою 6 °С, яка подається в кожух охолодження реактора. Залишки води із системи охолодження реактора повертаються через перелив в проміжну ємність П/Е_1 і насосом Н_1 перекачуються на холодильну установку.

Латекс полівінілхлориду після реактора підлягає дегазації для виділення незаполімеризованого вінілхлориду в вертикальних циліндричних апаратах - дегазаторах. Верхня частина колони (дегазатор Д_1) має пластмасові пластини для збільшення площі дотику. Завдяки вакууму 53.2 ... 66.5 кПа, який створює парожектор Е_1, із латекса виділяється незаполімеризований вінілхлорид і через нижню частину дегазатора подається на рекуперацію.

Дегазований латекс із дегазатора стікає в горизонтальну ємність П/Е_2 для стабілізації, обладнану хрестовидною мішалкою. Стабілізація проводиться неперервно п'ятипроцентним розчином калцінованої соди. При заповненні ємності стабілізований латекс з центробіжним насосом Н_2 подається на сушку з подальшою сепарацією готового продукту.

Технологічна схема установки полімеризації вінілхлориду наведена на рисунку А.2.1 (додаток А.2), а технічна характеристика технологічного обладнання - в таблиці А.3.1 (додаток А.3).

1.5 Вибір параметрів контролю і регулювання

Оптимальний процес полімеризації в реакторі протікає при дотриманні певних параметрів в межах норми. Основними параметрами регулювання, які забезпечують вихід полівінілхлориду заданої якості є температура в реакторі (від 40 °С до 60 °С), кількість емульсійної води і вінілхлориду, які поступають в реактор.

Пониження температури сприяє протіканню енергетично більш вигідної лінійної полімеризації вінілхлориду, що пояснюється меншою енергією активації реакції росту ланцюга, порівняно з реакцією передачі ланцюга (згідно [9]). При цьому степінь розгалуженості зменшується. Оптимальна температура в реакторі регулюється кількістю холодної води, яка поступає в кожух охолодження реактора.

Для прискорення початку реакції в реактор подається вінілхлорид з температурою 40 °С, попередньо підігрітий в теплообміннику Т_1, де температура регулюється кількістю гарячої пари.

В залежності від витрати емульсійної води і рідкого вінілхлориду змінюється концентрація реакційної маси, а отже понижується або підвищуються показники якості готової продукції. Тому співвідношення між цими компонентами підтримується зміною кількості емульсійної води.

Для прискорення швидкості реакції, згідно [13], збільшують тиск в реакторі до 0.9 МПа. Регулювання відбувається зміною степені відкриття клапана на виході газового компоненту реакції.

Оскільки в реакторі реакція проходить в два етапи, причому в нижній частині полімеризація відбувається до більш високих рівнів, то рівень реакційної маси повинен бути в межах від 6.35 м до 6.55 м. Цю величину підтримують шляхом зміни відкриття клапана на виході з реактора латексу полівінілхлориду.

Так як в реакторній масі міститься певна кількість незаполімеризованого вінілхлориду, то для його видалення створюють розрідження від 53.2 кПа до 66.5 кПа в дегазаторі Д_1. Підвищення тиску приводить до погіршення якості латексу за рахунок вмісту незаполімеризованого вінілхлориду. Розрідження в дегазаторі регулюється зміною степені відкриття клапана на лінії відбору газової суміші пароежектором Е_1.

Ще одним параметром, який впливає на якість готового продукту є кількість содового розчину, який поступає в стабілізаційну ємність П/Е_2. В залежності від марки полівінілхлориду ця величина становить від 30.5•10^-6 м³/с до 38.8•10^-6 м³/с. Витрата содового розчину регулюється шляхом зміни степені закриття регулюючого органу на трубопроводі подачі содового розчину в залежності від кількості латексу, що поступає на стабілізацію.

Крім цього в стабілізаційній ємності передбаченно регулювання рівня латексу. При заповненні ємності насосом Н_2 продукт подається на сушку.

Регулювання рівня води використовується і в ємності П/Е_1 шляхом включення (виключення) насосу Н_1.

В дегазаторі Д_1 рівень регулюється за допомогою регулюючого органу, встановленого на лінії виходу латексу з апарату.

Системою автоматизації передбачено також контроль таких параметрів, як тиск пари, що поступає в теплообмінник; температура вінілхлориду на вході і виході теплообмінника; температура емульсійної води на вході в реактор; температура охолоджуючої води в кожусі охолодження. Крім цих величин контролюється тиск латексу в трубопроводі після реактора, температура в дегазаторі, витрата латексу в трубопроводі після ємності П/Е_2.

Системою сигналізації передбачена сигналізація температури і тиску в реакторі, а також рівнів в усіх апаратах.

Значення параметрів контролю і регулювання приведені в таблиці А.4.1 (додаток А.4).

1.6 Розрахунок реактора полімеризаці

1.6.1 Наближений розрахунок

Розрахунок полімеризатора проведемо, використовуючи методику, наведену в [16].

Попередній розрахунок.

Визначимо робочий об'єм реактора:

,

де - продуктивність лінії полімеризаторів, кг/с;

- час полімеризації, с;

- густина реакційного середовища, кг/м³;

- концентрація мономеру в вихідному продукті, мас. частки;

- степінь перетворення мономеру на виході з полімеризатора.

м³;

Потік тепла, яке виділяється при проведенні реакції визначається:

,

де - питома теплота реакції, Дж/кг;

- степінь перетворення мономера на вході в полімеризатор.

Вт.

Визначимо тепловий потік, який витрачається на нагрів вихідних продуктів.

,

де - питома масова ізобарна теплоємність реакційного середовища, Дж/(кг•°С);

- температура середовища, °С;

- температура компонентів, які поступають в реактор, °С.

Вт.

Визначимо потужність, яка втрачається на перемішування (орієнтовно).

;

Вт.

Тепловий потік, який відводиться через теплопередаючі поверхні орієнтовно визначається:

;

Вт.

Обчислимо умовний коефіцієнт :

,

де - середня температура холодоагенту, °С,

Вт/(м•с).

В залежності від продуктивності часу полімеризації, питомої теплоти реакції, теплофізичних властивостей реакційного середовища, температурного напору, на теплопередаючих поверхнях полімеризатора.

По конструктивному виконанню тип реактора може бути орієнтовно визначений за допомогою умовного коефіцієнта .

1.6.2 Уточнений розрахунок

Приймемо динамічну в'язкість і густину реакційного середовища по кінцевій концентрації полімера в апараті.

При заданому часі гомогенізації частота обертання перемішуючого пристрою визначається з умови отримання необхідного коефіцієнту теплопередачі.

Визначаємо об'єм полімеризатора.

,

де - кількість полімеризаторів в каскаді.

м.

Внутрішній діаметр апарату:

;

м.

Вибираємо внутрішній діаметр апарату 1.6 м. Діаметр мішалки () знаходимо по РТМ 37-68 “Перемешивающие устройства механические. Выбор мешалок для перемешивания высоковязких и неньютоновских сред”. Таким чином  м.

Поверхня теплообміну полімеризатора приймається конструктивно:

м².

Визначимо тепловий потік, який відводиться через теплопередаючі поверхі:

;

 Вт.

Коефіцієнт теплопередачі необхідний для відводу тепла реакції визначається:

;

Вт/(м•°С).

Обчислимо частоту обертання перемішуючого пристрою:

,

де - швидкість гомогенізації, , с. Тоді

об/с.

Визначаєм критерій Рейнольдса за формулою:

,

де - динамічна в'язкість реакційного середовища, Па•с.

.

Обчислюємо критерій Прандтля:

,

де - коефіцієнт теплопровідності реакційного середовища, Вт/(м•°С)

.

Обчислюємо критерій Нусельта. Оскільки 2•10³ < < 10⁴,

,

де =2.2 при .

.

Тепер визначимо коефіцієнт тепловіддачі від холодоагента до експлуатаційної поверхні

,

де - коефіцієнт теплопровідності холодоагенту при  °С.

.

Визначаєм потужність, яка витрачається на перемішування:

,

де - критерій Ейлера, визначаємо по РТМ 37-68 в залежності від 

.

Вт.

По отриманих результатах розрахунків вибираємо:

- полімеризатор об'ємом 12 м³;

- внутрішній діаметр - 1.6 м;

- зовнішній діаметр - 1.9 м;

- поверхня теплообміну - 32 м²;

- лопасна мішалка діаметром 1.12 м;

- число обертів - 28 об/с;

- двигун потужністю - 4.4 кВт з числом обертів 1440 об/хв.

Розрахунок реактора зроблено також на ЕОМ. Програма розрахунку приведена в додатку А.5.

Висновки до розділу

В даному розділі проведено аналіз і дано порівняльну характеристику методам і способам полімерізації вінілхлориду, описано технологічний процес виробництва ПВХ в умовах ЗАТ “Лукор” м. Калуша. Подано хімізм процесу полімеризації і характеристику сировини, проміжного та готового продуктів.

Зроблено опис технологічного обладнання, яке використовується в процесі полімеризації і технічні характеристики зведено в таблицю А.3.1. Також вибрано параметри контролю та регулювання виробництва з обгрунтуванням впливу їх зміни на хід процесу і значення параметрів зведено в таблицю А.4.1. Це полегшить створення функціональної схеми автоматизації процесу і вибір приладів контролю і регулювання.

Розраховано реактор полімеризації. Для розрахунку розроблено програму наведену в додатку А.5.

Додаток А.1

Таблиця А.1.1 - Характеристика сировини проміжного і готового продуктів

Речовина	Показники обовяз'кові для перевірки перед використанням в промисловості
Рідкий вінілхлорид	Вміст вінілхлориду, не менше	99,97%
	Вміст ацетилену, не більше	0.0002%
	пропілена	0,0004%
	етилену	0,0002%
	ізобутану	0,0002%
	1.3-бутадієна	0,001%
	хлорметила	0,008%
	хлоретилена	0,0003%
	моновінілацетилена	0,0005%
	соляної кислоти	0,0001%
	заліза	0,0001%
	води	0,012%
	Густина при 25 °С - 901,4 кг/м3
	Тиск парів при 46 °С - 722,7 кПа
	Температура замерзання мінус 153,7 °С
	Питома теплоємність при 25 °С - 0,38 ккал/град.
	Критична температура - 150,4 °С
	Критичний тиск - 5,5 МПа
Емульсійна вода	Прозорість не менше 0,7 м Вміст ініціатора 1,5 кг/м3 Емульгатора від 2,5 кг/м3 до 3,2 кг/м3 K2S2O2 від 0,3 кг/м3 до 0,6 кг/м3 PH становить від 10 до 11
Латекс полівінілхлориду	Густина при 20 °С від 0,1120 кг/м3 до 0,1160 кг/м3 Вміст сухої речовини від 36% об. до 50% об.
	Соди не більше	0,4%
	Вологи	0,1%
	Їдкого натру	0,1%
	Заліза	0,05%
	PH становить від 8 до 9
Полівінілхлорид	Густина від 1000 кг/м3 до 1500 кг/м3 Константа Фікентгера - від 50 до 78 Молекулярна маса від 50000 до 140000

Додаток А.3

Таблиця А.3.1 - Технічна характеристика технологічного обладнання

Назва обладнання	Матеріал	Технічна характеристика	Основні габарити
Реактор полімеризації	Сталь, емаль	Вертикальний циліндричний апарат з привареним сферичним днищем і сферичною кришкою, емальований з середини. Поверхня теплообміну кожуха охолодження 32 м2. Обладнаний лопасною мішалкою з приводом від електродвигуна типу КР132.2/4, потужнісю 4,4 кВт і числом обертів 1440 об/хв. Робочий тиск в апараті від 0,55 МПа до 0,9 МПа, в кожусі охолодження 0,3 МПа. Робоча температура в апараті від 40 °С до 60 °С, в кожусі охолодження від 6 °С до 90 °С.	D=1,8 м H=9,8 м Vап=12 м3 Vкож=2,6 м3
Дегазатор Д_1	Сталь, емаль	Вертикальний циліндричний апарат з привареним сферичним днищем, емальований зсередини, має ПВХ-каскад. Маса - 6,9 т. Робочий тиск - вакуум. Робоча температура - 30 °С.	D=2 м H=5,95 м V=12,5 м3
Проміжна ємність П/Е_1	Сталь	Горизонтальна циліндрична ємність з привареними кришками. Маса 4,6 т. Робоча температура від 6 °С до 90 °С.	D=2,8 м І=5,1 м V=25 м3
Проміжна ємність П/Е_2	Сталь	Горизонтальний циліндричний апарат з привареними сферичними кришками, гумований зсередини. Маса - 2,6 т. Робоча температура - 25 °С. Обладнана хрестовидною мішалкою з приводом від електродвигуна типу КРА 132,3, потужність 6,0 кВт, з числом обертів 1445 об/хв, масою 6,05 т.	D=2 м І=3,95 м V=10 м3
Парожектор Е_1	Латунь Л-68	Марка ХЗ-11-90. Тиск всмоктування 90,6 кПа. Витрата охолоджуючої води 50 м3/год. Витрата пари 90 кг/год. Маса апарату без води 428 кг; при заповненні водою і парогазовою сумішшю 600 кг
Теплообмінник Т_1	Сталь	Горизонтальний апарат здвоєний з плаваючою головкою. Ємність міжтрубного простору 3,8 м3, ємність трубного простору 1,69 м. Максимальна температура в міжтрубному просторі 140 °С	D=0,724 м І=6,9 м
Центробіжний насос Н_1	Сірий чавун, сталь	Марки КРЦ200/450.3. Продуктивність 400 м3/год, напір 45 м, маса 1,71 т. Електродвигун типу КР-280.2/4 потужністю 80 кВт, з числом обертів 1465 об/хв
Центробіжний насос Н_1	Сталь, епоксидна смола	Марки КРД1-40/180. Продуктивність 10 м3/год. Напір 20 м, маса 0,2 т. Робоча температура 20 °С. Електродвигун типу КРАО1232/4, потужністю 6 кВт, з числом обертів 2910 об/хв

Додаток А.4

Таблиця А.4.1 - Значення параметрів контролю і регулювання

Назва параметру	Номер позиції на ФСА	Межі коливання	Середовище
Температура ВХ на вході в теплообмінник	2	15 °С - 25 °С	Лужне
Температура ВХ на виході з теплообмінника	1	35 °С - 45 °С	Лужне
Тиск водяної пари в трубопроводі на вході в теплообмінник	8	0,2 МПа - 0,3 МПа	Нейтральне
Витрата водяної пари в трубопроводі на вході в теплообмінник	15	0,4 м3/с - 0,6 м3/с	Нейтральне
Витрата емульсійної води на вході в реактор	11	від 88,8Е-6 м3/с до 10,5Е-6 м3/с	Лужне
Витрата ВХ на вході в реактор	12	від 88,8Е-6 м3/с до 105,5Е-6 м3/с
Температура емульсіної води на вході в реактор	6	40 °С - 50 °С	Лужне
Температура в реакторі	4	40 °С - 60 °С	Лужне
Температура в кожусі охолодження	3-а	6 °С - 60 °С	Нейтральне
Тиск в реакторі Рівень в реакторі	8 17	0,55 МПа - 0,9 МПа 6,35 м - 6,55 м	Лужне Лужне