Производство и переработка полистирола в суспензии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра «Технологии пластических масс»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Дополнительные главы по оборудованию заводов по производству и переработке полимеров»

На тему: «Производство и переработка полистирола в суспензии»

Выполнила: Студент 4 курса, ФТППК, очного отделения,

группы 5291-1 Мартемьянова Ольга Николаевана

Проверил: Кандидат химических наук

Доцент кафедры Яруллин Алексей Фердинандович



Содержание

Введение

Химизм процесса

Технологическая схема

Основной аппарат

Переработка

Список использованной литературы



Введение

Полистирол - жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/мі), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до 40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).

Растворяется в ацетоне, толуоле, медленнее в бензине. Не растворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением, высокой влагостойкостью и морозостойкостью.

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:

Эмульсионный (ПСЭ)

Наиболее устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95 °C. Для этого метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации.

Стирол предварительно очищают от ингибиторов. В качестве инициаторов реакции применяют водорастворимые соединения.

В качестве эмульгаторов применяют соли жирных кислот, щелочи (мыло), соли сульфокислот.

Суспензионный (ПСС)

Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Стирол подготавливают, суспендируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии и инициаторов полимеризации.

Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130 °С) под давлением. Результатом является - получение суспензии, из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.

Блочный или получаемый в массе (ПСМ)

Различают две схемы производства полистирола общего назначения: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100-220 °С. Реакция прекращается при степени превращения стирола в полистирол до 80-90 % массы (при методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50-60 %). Непрореагировавший стирол-мономер удаляют из расплава полистирола вакуумированием, понижая содержание остаточного стирола в полистироле до 0,01-0,05 %, непрореагировавший мономер возвращается на полимеризацию. Полистирол, полученный блочным методом отличается высокой чистотой и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.



Химизм процесса

Суспензионный метод получения ПС и сополимеров стирола, включающий проведение реакции в водной фазе при умеренных температурах, в отличие от блочного, характеризуется тем, что упрощается отвод тепла полимеризации. Образование полимера происходит в каплях мономера (в дисперсной фазе), суспензированного в воде (дисперсионной среде), диаметром 0,2-5 мм и не слипающихся друг с другом вследтвие их поверхностной стабилизации с помощью определенных органических или неорганических веществ, добавляемых в количестве 0,1-5% от массы воды.

Органическими стабилизаторами суспензий стирола в воде являются поливиниловый спирт, сополимеры винилового спирта с винилацетатом, содержащие 8-20 % ацетатных групп, желатин, крахмал, а неорганическими -- фосфат и карбонат кальция, тальк, бентонит, гидроксиды магния и алюминия.

Размер капель задают, подбирая количество стабилизатора с учетом его эффективности. Количество воды в суспензии мало влияет на ход полимеризации, но по экономическим соображениям принимают соотношение вода: мономер =1:2. Образование капель стирола в воде достигается механическим перемешиванием системы со скоростью, обеспечивающей сохранение капель (1-3 об/с).

Инициаторами полимеризации являются пероксиды (бензоила, ацетилбензоила и др.) и азосоединения (динитрил азобисизомасляной кислоты и т. п.), растворимые в стироле и нерастворимые в воде. Их вводят в количестве 0,1 -1 % от массы мономера.

Температура реакции определяется природой инициатора и обычно поддерживается в пределах 50-130°С. Ее повышают ступенчато по мере увеличения конверсии стирола в ПС с тем, чтобы предотвратить слипание капель. Конечная температура процесса должна быть не менее чем на 10-15 °С ниже температуры начала размягчения полимера.

Механизм полимеризации мономера или смеси мономеров в суспензии аналогичен процессу в массе (в блоке), поскольку он протекает в каплях, представляющих собой микрореакторы.

При химически инициированной полимеризации стирола применяют инициаторы.

Инициирование полимеризации пероксидом бензоила протекает по схеме

полимеризация стирол полистирол производство

При термическом инициировании полимеризация стирола протекает с образованием бирадикалов, скорость полимеризации зависит от температуры.

Реакция полимеризации включает в себя три стадии:

1. Инициирование

2. Рост цепи

3. Обрыв цепи



Б) рост цепи



Технологический процесс

Принципиально технологический процесс производства ПС и сополимеров стирола в суспензии периодическим методом в реакторах с мешалкой состоит из следующих основных стадий: подготовка мономерной и водной фаз, смешение компонентов и полимеризация стирола или смеси стирола с другими мономерами, отделение и промывка гранул, сушка гранул и окончательная обработка ПС или сополимеров стирола.

В аппарат 1 для приготовления мономерной фазы загружают стирол при получении ПС или стирол вместе с другими мономерами (акрилонитрилом, метилметакрилатом и т. п.) при получении сополимеров и другие вещества, растворимые в мономерах (инициатор, пластификатор, смазки, регулятор молекулярной массы и др.) и тщательно перемешивают. В аппарате 3 готовят раствор органического стабилизатора или суспензию неорганического стабилизатора в воде.

В реактор 2 загружают водную фазу, а затем при перемешивании вводят мономерную фазу. Степень заполнения реактора 85-90 %. Полимеризацию проводят в зависимости от получаемого продукта и природы инициатора при 50-130°С в течение 9-12ч.

Реактор объемом 10-30 м3, изготовленный из нержавеющей стали или биметалический, снабжен трехъярусной двухлопастной мешалкой с регулируемой скоростью ращения от 0 до 3 об/с и рубашкой для обогрева и охлаждения. После окончания процесса содержимое реактора охлаждают до 40-50°С, сливают через сито 4 (задерживают комки диаметром более 5 мм) и собирают в промежуточный сборник 5. После разбавления деминерализованной водой до соотношения гранулы: вода =1:2-1:3 (улучшение ее подвижности) суспензию обезвоживают и промывают водой в ленточном вакуум-фильтре или в непрерывно действующей центрифуге 6 отстойного типа со шнековой выгрузкой осадка. Из центрифуги фильтрат (сточные воды) направляют на очистку, а гранулы с влажностью 2-3 % поступают в сушилку 7 для сушки горячим воздухом до остаточной влажности 0,1 -0,2 %.

Схема производства суспензионного полистирола и сополимеров стирола периодическим методом в реакторе с мешалкой: 1 -- аппарат для приготовления мономерной фазы; 2 -- реактор; 3 -- аппарат для приготовления водной фазы; 4 -- сито; 5 -- промежуточный сборник; 6 -- центрифуга; 7 -- сушилка

Ленточные вакуум-фильтры относятся к фильтрам непрерывного действия с постоянным перепадом давления. Они предназначены для фильтрования агрессивных и неагрессивных быстроосаждающихся суспензий с неоднородной крупностью твердой фазы. Эти фильтры проектируются различных типов и могут, в частности, использоваться для обезвоживания осадков сточных вод, предварительно обработанных флокулянтами, а также суспензий с многократной промывкой осадка.



Центрифуга непрерывно действующей отстойного типа со шнековой выгрузкой осадка. Принцип работы данной центрифуги состоит в том, что суспензия подается по трубе во внутренний барабан, а затем сквозь окна выводится в отстойный барабан. На этом этапе происходит разделение суспензии. Осветленная жидкость поступает в кожух и выводится через патрубок. Шнек перемещает осадок и выводит его через патрубок.

Ленточные сушилки предназначены для непрерывной сушки горячим воздухом конкретных сыпучих материалов (зернистых, гранулированных, волокнистых) взрывопожаробезопасных нетоксичных продуктов с начальной влажностью до 75%.

Типовая конструкция сушилок этого вида представляет собой прямоугольный короб, разделенный по длине на секции (от 3 до 10), а по ширине на два коридора.

В правом (по ходу продукта) коридоре размещен непрерывный транспортный конвейер (лента), на котором перемещается продукт, подлежащий сушке. В левом коридоре расположены паровые калориферы, циркуляционные вентиляторы и газоходы.

Высушиваемый материал подается на горизонтальную перфорированную ленту 1, которая изготавливается из металлической плетеной сетки или перфорированных пластин. Лента может быть и сплошной, выполненной из полотна или прорезиненной ткани.

Для перемещения и натяжения ленты сушилка оснащается приводной и натяжной станциями, между которыми установлены промежуточные секции с вентиляторами 3 и калориферами 5. Для выравнивания влажности материала по высоте слоя установлены ворошители 2, выполненные в виде валков с пальцами.

В ленточных сушилках воздух, нагреваемый калориферами промежуточных секций и циркуляционными вентиляторами через воздухораспределительную решетку 4, расположенную над лентой, подается сверху вниз на слой продукта, продувает его и затем частично поступает через калорифер на вентилятор, а частично выводится из аппарата. При помощи заслонок, установленных на каналах подачи свежего и отвода отработанного воздуха, легко осуществляется прямоточная, противоточная или смешанная схема движения воздуха и продукта.

Привод ленты, состоящий из мониторавариатора, редуктора и цепной передачи, размещен в приводной станции; здесь же установлено разгрузочное устройство шнекового типа 6. Скорость движения ленты выбирается с таким расчетом, чтобы за время пребывания в сушилке материал успел высохнуть.

Ленточная сушилка: 1-ленточный конвейер; 2ворошители; 3-циркуляционный вентилятор; 4воздухораспределительная решетка; 5паровой калорифер; 6шнек для выгрузки сухого материала

Основной аппарат

Сусленаионный полистирол получают в полимеризатора периодического действия, который изготовлен из нержавеющей стали.

Стенка полимеризатора во избежание налипания полимера должна быть тщательно отполирована. Особое внимание уделяют тщательному перемешиванию массы. Отклонения от режима перемешивания приводят к необратимому браку. Перемешивание осуществляют двухлопастной трехъярусной мешалкой, скорость вращения которой можно плавно регулировать в пределах 0-60 об/мин. Лопасти мешалки расположены в трех плоскостях по высоте вала. Две верхние лопасти повернуты к горизонтальной плоскости таким образом, чтобы масса двигалась к днищу полимеризатора, нижние - чтобы создавалось движение массы вверх полимеризатора.

Вал перемешивающего устройства консольного тапа и имеет сальниковое уплотнение. Набивка уплотнения выполнена из фторопластового материала марки ФУМ или АСТ.

Полимеризатор имеет рубашку для охлаждения и нагрева массы. Обечайка имеет пятисекционную рубашку, выполненную из полутруб радиусом 50 мм, приваренных в обечайке. Каждая секция имеет индивидуальный подвод охлаждающего агента, что позволяет регулировать температуру массы по высоте полимеризатора. В верхней части обечайки, на разделе фаз газ-жидкость, установлена дополнительная гладкая рубашка. Крышка полимеризатора снабжена охлаждающей рубашкой для предотвращения возможного налипания полимера и для безопасного обслуживания полимеризатора. Днище полимеризатора имеет рубашку с вмятинами. Внутренняя поверхность полимеризатора тщательно отполирована.

Крышка полимеризатора служит опорной поверхностью для крепления стойки привода и уплотнения переманивающего устройства. Вал мешалки пустотелый, консольного типа, выполнен в виде термобаллона, охлаждаемого водой. Диаметр термобаллона равен 540 мм, что позволило увеличить окружную скорость массы в центре полимеризатора и создать необходимую поверхность теплообмена. Вал мешалки выполнен разъемным для облегчения его сборки и разборки. Привод мешалки состоит из двух гидромоторов мощностью по 20 квт. Гидромоторы работают параллельно на один вал, что повышает надежность и долговечность привода. Уплотнение вала-торцевое. Корпус уплотнения имеет рубашку для охлаждения водой. На крышке установлены две отбойные лопасти для устранения появляющихся воронок в перемешиваемой массе.

В днище полимеризатора установлен грибковый запорный выгрузной клапан с пневматическим приводом. Пневматический привод дублирован ручным приводом. Закрытие и открытие клапана производит сжатым воздухом, который подают в ту или иную полость пневмоцилиндра 1. Поршень пневмоцилиндра 2 связан с грибковым клапаном 3. Грибковый клапан плотно прижат к седлу 4, установленному в днище 5 полимеризатора. Закрытый клапан находится под давлением массы в полимеризаторе (4,5 кг /см²). Калапан открывая для выгрузки массы. В этом случая давление в полимеризаторе должно быть снижено до атмосферного. При сжатого воздуха в системе пневматического привода или по какой-либо другой причине грибковый клапан можно открыв ручным приводом, состоящим из маховичка 6 и винтовой пары 7. При нормальной работе пневматического привода ручной привод устанавливают в нейтральное положение. Пневмоцилиндр имеет два сальниккоывх уплотнения 8.

Рис. Запорный клапан

В днище корпуса установлены два штуцера для аварийного сброса массы.



Рис. Полимеризатор

Переработка

Отходы полистирола не разлагаются в естественных природных условиях. Окружающая среда не в силах разобраться с продуктами жизнедеятельности человека. Поэтому, граждане обязаны самостоятельно перерабатывать и утилизировать подобные отходы без вреда для экологии.

Блочный и суспензионный полистиролы легко перерабатываются в изделия методом прессования в горячих формах с последующим охлаждением дает изделия более тонкого рисунка, но этот метод дорогой и медленный, а также литьем под давлением и экструзией.

Источники образования

При производстве полимерных изделий появляется большое количество отходов. Сюда входит:

· полистирольная мука;

· дробленка;

· неликвидная продукция.

В процессе эксплуатации готовых изделий также появляются отходы. Под воздействием внешних природных факторов, полистирол теряет свои прежние физические свойства и отправляется на свалку. К таким материалам относятся:

· полимерные плёнки;

· рулонные и плиточные настилы;

· отделочные и теплозвукоизоляционные материалы;

· кабели;

· трубы;

· емкости;

· профильные изделия.

Класс опасности

Отходы полистирола (вид пластика) относятся к 5 классу опасности по ФККО. Это означает, что для здоровья человека и баланса окружающей среды данный материал практически безопасен и для утилизации полистирола не требуется специальный паспорт.

Полистирол может нанести необратимый вред экологии в случае утилизации больших объёмов продукции на несанкционированные свалки. В природе вещество не разлагается самостоятельно, а при сжигании выделяет большое количеством вредных веществ в атмосферу.

Необходимо правильно утилизировать или перерабатывать отходы полистирола, следуя всем правилам транспортировки и хранения материала.

Важность переработки

Отслуживший свой срок полимерный материал отправляется на свалку и копится там в большом количестве. Такое отношение влечёт за собой экологические проблемы, поскольку скопление полистирола загрязняет окружающую среду. Проблема утилизации полистирола актуальна.

Отходы полимера широко используют для получения вторичного продукта. Переработанный материал является ценным сырьём на рынке. Всё больше компаний-производителей начинают скупать некондиционный полистирол для дальнейшей переработки, а затем продают переработанное вторсырьё. Эта тенденция становится очень выгодным бизнесом для компаний и приносит им неплохой доход.

Способы утилизации и переработки

На данный момент предприятия имеют три варианта утилизации полистирола.

· Первый способ - механическое измельчение. Он наиболее распространенный и простой. Масса вещества, получаемого после такой обработки, смешивается с исходным материалом и используется для изготовления новых изделий.

· Второй способ утилизации ПС отходов - сжигание. Если в составе уничтожаемого изделия содержатся красители либо другие вредные компоненты, в атмосферу выделяются токсичные соединения. Наряду с этим, при сжигании обычного полистирола, без примесей, воздух загрязняется диоксидом углерода и угарным газом.

· Та же самая проблема с выбросом вредных веществ присутствует и в третьем способе утилизации полистирола - термодеструкции.

Поэтому, для термической переработки отходов следует пользоваться специальными печами, которые поддерживают нужную температуру и не выбрасывают в атмосферу вредные химические вещества.

Переработка полимеров - достаточно простая задача при условии сохранения структуры и физических свойств продукта. Если же оболочка и состав вещества нарушен, свойства полимера ухудшаются.

Существует метод деполимеризации отходов полистирола. Происходит он следующим образом: отходы ПС измельчаются, попадают в герметичный сосуд. После этого вещество нагревается до температуры разложения. Выделяющийся в процессе реакции вторичный стирол охлаждается в холодильнике. Полученный мономер концентрируется в герметичном сосуде.

Такой метод переработки требует значительных энергозатрат и полной герметизации процесса. Однако, в будущем, такой процесс может оказаться экономически выгоднее, чем обычная переплавка полистирола. Дело в том, что при переплавке и измельчении получается сырье, из которого изготавливаются товары более низкого качества. Деполимеризация позволит получать материал для изделия более высокого качества.

Оборудование для переработки

Агрегат для переработки полистирола представляет собой короб, внутри которого располагаются дробильные молоточки. Совершая вращательные горизонтальные движения вокруг своей оси, они измельчают полистирол в крошку на отдельные гранулы.

Гранулы, накрошенные из полистирольных плит, транспортером доставляются в специальный накопительный бункер. Из него они попадают в форму, которая впоследствии прессуется.

Дробилки для переработки оснащены:

· измельчителем;

· решёткой для просеивания гранул;

· смесителем с исходным материалом.

Производственная мощность таких дробилок зависит от плотности исходного сырья.

Пять основных правил переработки:

1. Ограничить воздействие кислорода на материал при плавлении. Эксперименты показали, что самое губительных действие на стирольные звенья макромолекулы оказывает кислород при высоких температурах.

2. Максимально подсушивать вторичную гранулу полистирола перед работой.

3. Идеальный температурный режим переработки - это плавный подъем нагрева до 180°С в зоне расплава и сохранение ее до выхода из машины. Сдвиговые усилия при этом должны быть невысокими или средними. Интенсивное вращение шнека приведет к валовому разложению полимера.

4. Глубокий вакуум при экструзии. Он должен обеспечивать удаление низкомолекулярных продуктов из расплава.

5. Следует помнить, что при многократном нагреве молекулярная масса неизменно уменьшается, при этом прочность и удлинение остаются на прежнем уровне. Вязкость становится меньше, следовательно увеличивается текучесть. Этот фактор необходимо учитывать при настройках режимов литья и экструзии.

Технологический процесс и оборудование:

· Сортировка отходов. На этой стадии полистирол разделяют по внешнему виду (прозрачный, вспененный и т.д.).

· Измельчение на дробилках роторного типа. Для крупных слитков и изделий может потребоваться шредер.

· По необходимости особо загрязнённые полимеры подаются на мойку в моечных комплексах. Как правило, используется двухстадийная очистка сначала в интенсивной, а затем в флотационной ванне. Особенно нужно уделять внимание мойке упаковки и посуды, чтобы удалить остатки пищи и этикеток.

· Сушка. Предварительно дробленка полистирола сушиться в центрифуге до остаточной влаги 10-15 %. Далее осушение проводится в сушилках бункерного типа. Некоторые виды АБС (акрилбутадиенстирольных) пластиков очень чувствительны к влаге. Поэтому сырье нужно просушивать до остаточной влажности 0,5 %.

· Грануляция. Экструдер для полистирола в идеале одношнековый, в нем можно поддерживать стабильный процесс плавления без существенного перегрева. Более дорогостоящий вариант - гранулятор с коническим шнеком, он обеспечивает более щадящую переработку.



Список использованной литературы

1. https://studfile.net/preview/2181076/page:32/

2. https://studfile.net/preview/9505578/page:79/

3. https://oil-filters.ru/centrifuges_and_centrifuge_process/

4. https://studfile.net/preview/1359506/page:2/

5. https://ecologia.life/russian/othody/polimery/polistirol.html

6. https://www.chem21.info/info/668242/

Размещено на Allbest.ru