Đề Tài Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nhựa PS Theo PP TH Nhũ Tương Năng Suất 5500T năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG
YÊN KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ MƠI
TRƯỜNG


MỤC LỤC.
Trang
LỜI MỞ ĐẦU…............................................................................................................... 3

Lựa chọn phương pháp sản xuất................................................................................33
5.2 Cân bằng vật chất…...................................................................................................33
5.2.1 Tính cân bằng vật chất cho 1 tấn polystyren sản phẩm............................................33
5.2.2 Cân bằng vật chất cho đoạn sấy…...........................................................................38
5.2.3 Cân bằng vật chất cho một mẻ sản xuất...................................................................40
5.2.4 Cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất................................................................41
Cân bằng vật chất cho một năm sản xuất…
41

Trang 2


LỜI MỞ ĐẦU.
Từ xưa đến nay, con người đã biết dùng các vật liệu thiên nhiên để phục vụ cho các
nhu cầu của đời sống. Xã hội ngày càng tiến bộ thì con người càng tìm ra nhiều loại vật liệu
hữu hiệu hơn để thay thế cho các vật liệu truyền thống. Từ nfía sau thế kỉ XX, ngành cơng
nghiệp hóa học có một vị trí quan trọng trong cuộc sống của con người, sản phẩm của nó xâm
nhập hầu hết vào các lĩnh vực của cuộc sống cũng như khoa học- kỹ thuật khác nhờ các tính
năng ưu việt mà các loại vật liệu khác không thể so sánh được như: độ bền cơ học, độ đàn
hồi, khả năng cách âm, cách nhiệt độ, cách điện, giá thành rẻ, nhẹ và dễ gia cơng.
Polystyren lần đầu tiên được tìm thấy qua các dấu vết trong nhựa hổ phách, khi chưng
cất với nước thì tạo thành vật liệu dạng lỏng có mùi khó chịu, tỷ lệ thành phần ngun tfí C

và H giống như trong benzen.
Polystyen thuộc nhóm nhựa nhiệt dẻo. Do có những tính năng đặc biệt của nó
polystyren ngày càng được sfí dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong kỹ thuật.
Polystyren được sản xuất bằng cách trùng hợp styren. Việc sản xuất có tiến hành bằng nhiều


phương pháp khác nhau như: trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù,
trùng hợp nhũ tương.
Hiện nay, polystyren được sản xuất chủ yếu bằng hai phương pháp là: trùng hợp nhũ
tương và trùng hợp huyền phù. Hai phương pháp này có tính dẫn nhiệt tốt, tính cách điện cao,
độ đa phân tán nhỏ, khối lượng phân tfí cao.
Để hiểu rõ hơn về công nghệ và dây chuyền sản xuất nhựa polystyren. Sau đây, em xin
trình bày chi tiết hơn về thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa polystyren nhũ tương với năng
suất 12.000 tấn/năm.

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ NHỰA.
1

Khái niệm.
Polystyren (viết tắt là PS) là một loại nhựa nhiệt dẻo, được tạo thành từ phản fíng

trùng hợp styren.
CH=CH 2

CH

CH2 CH

n
n

2

Phân loại.
Theo cấu trúc thông thường PS được chia làm 3 loại sau:

• PS tinh thể (GPPS).
• PS chịu va đập (HIPS).


• PS xốp (EPS).
1
PS tinh
thể
(GPPS).
PS tinh thể thường được sfí dụng cho các mục đích thơng dụng (GPPS) có khối lượng
phân tfí lớn, mang tính nhiệt dẻo rõ ràng đó là: cfíng, bền, khơng mùi, khơng vị. Là chất dễ
tác động bởi nhiệt, ổn định nhiệt, trọng lượng riêng thấp và có giá thành thấp là do chi phí rất
thấp của phân xưởng có sfí dụng khn đúc, ép, màng mỏng. Ngồi ra vật liệu PS có tính chất
chất nhiệt và tính điện tốt, đây là lý do mà chúng được sfí dụng như vật liệu cách điện rẻ tiền.
Về phương diện thương mại thì PS tinh thể được gia cơng và chế biến bằng một loạt
cơng nghệ, fíng dụng của PS tinh thể được trình bày dưới đây:
PS TINH THỂ (MỤC ĐÍCH THƠNG DỤNG).

Đúc khn kiểu phụt

• Làm vỏ bao bì
• Hộp lọ đựng
•
•

•

•
•
2

mỹ phẩm
Cánh quạt/tán
đèn
Đồ nhựa rắn
Các mặt
hàng văn
phịng
phẩm
Dây quay đĩa máy
tính
Vật dụng y tế

PS chịu va đập (HIPS).

Ép khn

• Làm vỏ bao bì
• Thùng catton
• Khay đựng
thịt gia cầm
• Hộp đựng thực phẩm
ăn nhanh
• Hộp xốp
• Bao bì thực phẩm

Ứng dụng mới

• Lắp kính
• Chiếu sáng
• Vật
trang
trí nhà


Chất đàn hồi được trộn vào polystyren, chủ yếu để làm tăng tính bền cơ học. Kết quả
là tạo ra vật liệu thường được gọi là PS chịu va đập (HIPS) và có giá trị cho nhiều thfí khác


nhau. Chất đàn hồi Polybutadiene có cấu trúc lập thể điều hịa được sfí dụng để điều chỉnh
tính chịu va đập. Độ bền, tính chịu va đập, độ trong, và các cơng nghệ chế biến khác nhau có
ảnh hưởng tới hình dáng sợi và sự phân tán trong pha nền polymer.
Polystyren chịu va đập có thể được xfí lý một cách dễ dàng bởi các công nghệ chế
biến nhiệt dẻo thông thường gồm công nghệ màng, công nghệ tấm và các cơng nghệ: ép
nóng, ép biên, đúc phun, đúc phun áp lực và đúc thổi cấu trúc.
Một số fíng dụng của HIPS:

•
•
•
•
•
•
•
•

•
•
•

3

Bao bì dập nóng.
Đựng thfíc ăn nhanh.
Cốc và nắp đậy.
Hộp đựng nước ép trái cây và các sản phẩm sữa.
Đường ống cho tủ lạnh.
Các bộ phận của máy điều hịa khơng khí.
Cáp nối TV/băng ghi âm.
Đồng hồ treo tường.
Phụ kiện đồ điện.
Đĩa video và băng catset.
Đồ chơi, gót giày...
PS xốp (EPS).
PS xốp là thuật ngữ chung để chỉ PS và copolymer styren được tạo ra như một hợp

chất với các chất tạo khí và các phụ gia khác, nó có thể được chế biến thành các sản phẩm
xốp có tỷ trọng thấp. Các loại vật liệu EPS có thể chế tạo các sản phẩm như cốc cà phê, giảm
sóc cho ơ tơ. Mục đích chính của EPS là chế tạo ly dùng 1 lần, vỏ chống rung và vật liệu cách
nhiệt.
Do có fíng dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng như trong công nghiệp, polystyren đã
trở thành vật liệu quan trọng và thiết yếu đối với cuộc sống con người. Việc nghiên cfíu các
cơng nghệ mới nhằm đẩy mạnh sản xuất polystyren để chế tạo ra các vật phẩm ngày càng
được quan tâm và phát triển.
1.3 Nguyên liệu tổng hợp.
1.3.1 Styren.

Có cơng thfíc phân tfí:

C8H8

Cơng thfíc cấu tạo:
CH=CH2

vinyl benzen
1.3.1.1 Tính chất vật lý.
Styren là một chất lỏng trong suốt, không màu đến hơi vàng có mùi hắc, khúc xạ ánh
sáng mạnh. Khi styren tiếp xúc với người gây ra kích fíng về đường hơ hấp như co thắt cổ
họng và phổi, gây kích fíng mắt và da, gây các biểu hiện chống mặt. Styren có thể trộn lẫn
với các dung môi hữu cơ nhất định với tỷ lệ bất kỳ. Nó là dung mơi tốt cho cao su tổng hợp,
polystyren và các polymer có liên kết ngang khơng lớn khác. Styren ít hịa tan trong các hợp
chất hydroxyl và nước.
Khối lượng riêng ở 25°C: d = 0,9045 g/cm^
Độ nhớt (25°C): PS rất dễ trùng hợp vì có nối đơi và vịng thơm, trong q trình bảo
quản nên hạn chế tiếp xúc với ánh sáng, oxy, nhiệt độ. Thông thường khi bảo quản ta cho 0,5
- 1,5% khối lượng hydroquinon vào làm chất fíc chế trùng hợp.
Nhiệt độ sơi: ts = 145,2 °C
Nhiệt độ nóng chảy: tnc = -30,63 °C
Nhiệt độ bùng cháy: tbc = 34 °C
Nhiệt hóa hơi: 86,9 kcal/mol
Nhiệt trùng hợp: 16,5 kcal/mol
Giới hạn cháy nổ trong khơng khí (%V): 1,1 - 6,1


Độ co thể tích khi trùng hợp: 17%

1.3.1.2 Tính chất hóa học.

a Phản fíng cộng.
Halogen (Cl2, Br2) và hydro Halogen (HCl, HBr) cộng vào nhóm vinyl ở styren tương
tự như cộng vào ankan:
C 6H 5- C H = C H

2

+ B r2

C6H 5- C H - C H

2

B r Br
C 6H
H

5

- C H = C

+H
C
l

2

C 6H

5

- C H - C
H
2

H

Cl

b Phản fíng oxy
hóa.

Giống như etylen, styren làm mất màu KMnO4 và bị oxy hóa nhóm vinyl có vịng
benzen giữ ngun.
C 6H 5 - C H = C H
+ 2K OH

2

+ 2KM nO

C H =C H

2

4

+ 4 H 2O

+ O

2

3 C 6H 5- C H O H - C H 2O H + 2 M n 2O

C 6 H 5 - C O O H + C O 2 + H 2O

C6H5

c Phản fíng cộng
H2 .

C 6H 5 - C H = C H 2+
H

Ni
to ,3 a t
m

2

C 6 5- C
H H

2-

CH

3

d Phản fíng trùng hợp và đồng trùng hợp.
CH=C
H
2

C
,

x t

to


.
.
.


CC
-C H -C H 2-C H -C H 2-C H -C H 2...C 6H 5 C 6H

5

C6H5

H

6

n


Và phản fíng đồng 2 hay nhiều loại monomer gọi là phản fíng đồng trùng hợp styren.
x t,t
n C H 2= C H -C H = C H 2+ n C H
= CH 2

-C

o

-C H = C H CH

2

2

-C H -C

.H

2

.

.-

H

-C H = C H -C
-CH -C H
C H 2H
2
C 6H 5

Styren rất dễ trùng hợp vì có nối đơi và vịng thơm. Trong q trình bảo quản nên hạn
chế tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nhiệt độ, oxy. Thông thường, người ta bảo quản bằng cho
0.5-1.5 % khối lượng hydroquinon làm chất fíc chế.
1.3.1.3 Ứng dụng.
Sản xuất polymer, polystyren là một chất dẻo trong suốt, dùng chế tạo dụng cụ gia
đình , văn phịng.
Poly (Butadien-Styren) sản phẩm đồng trùng hợp của styren và butadien, chúng dùng
để sản xuất Buna-S có độ bền cơ học cao hơn cao su Buna.
1.3.2 Điều chế.
Từ sản phẩm cracking và chưng cất dầu mỏ, khí hóa than cốc.
Bã nhựa nhận được sau khi chưng khô than ta thu được một lượng styren trong đó. Sau
đó tiếp tục chưng cất bã nhựa ta sẽ thu được ln styren ngun chất, nhưng ít có giá trị về
kinh tế nên ít được sfí dụng.
Tổng hợp:

• Điều chế styren từ cloete và benzen.
• Điều chế styren từ benzen và etylen.
• Đề hydro hóa trực tiếp từ etylbenzen.
1.3.2.1 Điều chế styren từ cloete và benzen.
Trước tiên là phản fíng tạo thành clorua.

2

CH2Cl
+

CH3

AlCl3

CH2

CH3 HCl
+

Xúc tác
sfí dụng
AlCl3
dưới
dạng bột
hay loại
phơi vụn.
Phản fíng
tiến hành trong
3h về cuối nâng
nhiệt độ lên
90oC và ngừng
phản fíng khi
khơng có HCl
thốt ra nữa.
Chuyển
etyl

benzen
thành
styren.
+ Xà
phịng hóa clo
etylbenzen tạo
thành
fenyletylcacbino
l rồi khfí nước
để chuyển thành
styren.


CH2

CH3

Cl

CHCl

2

CH3

P
Cl
5

D

ư
ớ
i
t
á
c
d
ụ
n
g
c
ủ
a
x
ú
c
t
á
c
P
C
l
5
,

c
l
o
đ
í

n
h


v
à
o
đ
ú
n
g
v
ị
t
r
í
.

d
u
n
g
d
ị
c
h
N
a
C
O

2

+

Ở

X
f
í

7
0

l
í
C
l
o
e
t
y
l
b
e
n
z
e
n
b
ằ

n
g

o

C
1
0
0
o

C
,
4
÷
6
h

c
ó
c
h
ấ
t
n
h
ũ


cacbinol

thêm chất
tách nước
mang tính
axit.

h
ó
a
.
Cl
CH
H
CH
OH
Na
C

2

O3

+
K
h
f
í
n
ư
ớ
c

c
ủ
a
f
e
n
y
l
m
e
t
y
l

OH
CHCH3


OH
CH

CH
CH3

H2O

CH2

Dùng hơi nước trực tiếp chưng
cất styren ra khỏi nồi phản fíng. Sấy

khơ styren thơ rồi lại chưng cất.

Phản fíng ở 150oC-200oC.

Để q trình khfí nước tiến hành
dễ hơn người ta thêm 1% axit
tereclophalic.

1.3.2.2 Điều
chế
styren
từ
benze
n với
etylen.

CH2
CH3

CH

CH2
+ CH2

N
h
i
ệ
t

đ

CH2


ộ

AlCl
làm
tác.

dụng chủ yếu trong sản xuất styren
vì nó mang lại hiệu quả.
CH

p

Sau

h

tách

ả

xúc

n

tiến

CH

fí
chưng
n
tách thì

hành
g
thu
đ
ư
ợ
c
t
etyl
o

benzen
C
khá
:
k
h
i
ế
t
.
Khfí

8
hydro

CH2


5
của
o

benzen.
C
.

Phương
pháp
này


Phương pháp này tỏa nhiệt nên thường tiến hành ở nhiệt độ cao (t oC: 500-650) và áp
suất riêng phần của etyl benzen thấp. Do vậy để giảm áp suất riêng phần trong q trình trùng
hợp có thể dùng chân khơng (P: 0.1-0.3 atm), hoặc pha lỗng etyl benzen bằng khí khơ, hoặc
bằng nước.
1.4 Các ngun liệu khác.
Nước: là mơi trường phân tán cũng là chất tải nhiệt để điều chỉnh nhiệt phản fíng tỏa
ra.
Chất nhũ hóa: để giữ polymer và monomer mãi ở trạng thái phân tán trong pha nước,
chất nhũ hóa thường dùng là các loại xà phịng như: oleat kali, natri, stearat hay các sunfoaxit
của rượu cao béo, xà phịng nhựa thơng, nikan…..
Chất kích động: là các peroxit và hydroperoxit tan trong nước (H2O2, pesulfat amon và

kali…) với hàm lượng 0,1-1% trọng lượng monomer.
Chất điều chỉnh: thường dùng rượu hay các chất làm giảm sfíc căng bề mặt của hệ
thống tfíc có khả năng làm tăng độ khuếch tán của nhũ tương.
Chất ổn định: là các polymer hữu cơ tan trong nước như rượu polyvinilic,
metylxenluylo,…..Chúng phải hoàn tồn khơng tan trong monomer. Vai trị của nó là làm
tăng độ nhớt của nước và do đó ngăn cản các hạt polymer dính vào nhau.


CHƯƠNG 2: Q TRÌNH TỔNG HỢP NHỰA.
2.1 Các phản fíng xảy ra khi tổng hợp nhựa.
2.1.1 Giai đoạn khơi mào.
Các chất khơi mào phân huỷ thành các gốc tự do.


Gọi R. là gốc tự do nói chung, gốc này sẽ tấn cơng vào phân tfí vinyl nói chung bắt
đầu quá trình tạo gốc tự do mới giữa gốc khởi đầu và monomer.

Electron chưa ghép đơi có xu hướng ghép đơi. Nếu nó có thể tìm thấy electron để ghép
đơi nó sẽ tấn cơng ngay, vì vậy liên kết đơi của nhóm vinyl nó dễ dàng tấn cơng để tạo thành
trùng hợp gốc tự do. Electron chưa ghép đôi khi đến gần cặp electron π của nhóm vinyl sẽ tạo
thành liên kết hoá học mới giữa chất khởi đầu và monomer. Tồn bộ q trình phát triển
mạch là sự phân huỷ chất khơi mào tạo thành gốc tự do, theo sau là phản fíng giữa gốc và
phân tfí monomer, quá trình này gọi là sự khơi mào từng bậc.
2.1.2 Giai đoạn phát triển mạch.
Các gốc tự do lần lượt đính liên tiếp các phân tfí monomer vào tiếp tục quá trình phát
triển mạch.

2.1.3 Giai đoạn đứt mạch.
Đfít mạch theo cơ chế kết hợp.

2.1.4 Giai đoạn chuyển mạch.
Xảy ra do gốc đang phát triển tác dụng với các chất chfía các liên kết có khả năng bị
phá vỡ và tạo gốc tự do mới.
Có 3 loại phản fíng chuyển mạch:
2.1.4.1 Chuyển mạch lên monomer.

2.1.4.2 Chuyển mạch lên dung môi.


Nếu các loại peroxyt, hydroperoxyt tạo thành ổn định trong điều kiện phản fíng thì sẽ
làm chậm q trình trùng hợp, ngược lại nếu chúng đã bị phân huỷ thành gốc tự do thì sẽ tăng
nhanh quá trình trùng hợp.
Trong nhiều trường hợp oxy kéo dài thời gian phản fíng (ví dụ: clorua vinyl,
metylmetacrylat, styren...) nhưng sau đó lại xúc tiến quá trình trùng hợp do sự phân huỷ các
peroxyt tạo thành trong giai đoạn hãm.

Các tạp chất trong monomer có tác dụng tương tự của oxy. Tác dụng của chúng được
xác định bởi bản chất hoá học, khả năng phản fíng với nhân hoạt tính trùng hợp. Tuy nhiên dù
hàm lượng chỉ có rất ít nhưng đóng vai trị quyết định trong quá trình trùng hợp.
Do những ảnh hưởng phfíc tạp của oxy và tạp chất như đã nói ở trên nên trong quá
trình trùng hợp bắt buộc phải điều chế monomer thật tinh khiết và phản fíng cần tiến hành
trong mơi trường khí trơ.
2.2 Các phương pháp tổng hợp nhựa.
2.2.1 Lý thuyết về trùng hợp styren.


Trong sản xuất, styren chỉ trùng hợp theo cơ chế trùng hợp gốc và thu được polymer
có cấu tạo chủ yếu là liên kết đầu - đuôi và ở dạng vơ định hình. Trong nghiên cfíu, người ta
có sfí dụng trùng hợp ion tạo PS tinh thể hầu hết ở dạng Izotactic, một phần ở dạng

syndiotactic, rất ít ở dạng atactic.
Styren dễ trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền
phù. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm của nó.
2.2.1.1 Trùng hợp khối.
Thành phần trùng hợp khối gồm có: monomer, chất khởi đầu.

➢ Đặc điểm:
Trùng hợp Styren thành khối có thể tiến hành khi đun nóng có chất khởi đầu hoặc
khơng có chất khởi đầu.
Chất khởi đầu thường là các peroxit hữu cơ. Benzoyl peroxit là chất khởi đầu rất phổ
biến nhưng khơng thích hợp khi trùng hợp styren vì nó làm vàng sản phẩm. Hiện tượng này
cũng xuất hiện khi có peroxit tạo thành do styren bị oxy hóa.
Khi khơng có chất khởi đầu thì sau một thời gian cảm fíng thì styren bắt đầu trùng hợp.
Tốc độ trùng hợp tăng theo nhiệt độ ở nhiệt độ dưới 50 oC vận tốc trùng hợp rất chậm
(có khi đến hàng năm), ở 150oC phản fíng kết thúc trong vài giờ. Nhưng khi chuyển hóa được
khoảng 90% thì phản fíng hầu như khơng xảy ra nữa. Điều đó có nghĩa là polymer có trọng
lượng phân tfí cao khơng thu được với hiệu suất cao. Nếu cịn lại nhiều monomer thì nhiệt độ
chảy mềm của PS sẽ giảm xuống, vật phẩm trở nên đục do monomer chuyển lên bề mặt và
bốc hơi từ từ đơi khi làm vàng sản phẩm.
Để thu được polymer có trọng lượng phân tfí trung bình cao tương đối và chfía
monomer cịn lại ít nhất ta dùng chế độ trùng hợp hai giai đoạn: