Thiet ke day chuyen san xuat nhua polystyren theo 60875

Trần Lệ Sâm Polyme K44

Mục lục
Lời mở đầu..
CHƯƠNG I: TỉNG QUAN
1.1. Giíi thiƯu vỊ nhùa polystyren (PS)………………………………………………
1.1.1. LÞch sử phát triển
1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren. ..
1.1.3. Nguyên liƯu. …………………………………………………………………..
1.1.3.1. TÝnh chÊt vËt lý cđa styren. ………………………………………………….
1.1.3.2. C¸c phơng pháp để thu đợc styren. .
1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp...
1.2.1.Giai đoạn khơi mào.
1.2.2. Giai đoạn phát triển mạch. ...
1.2.3. Giai đoạn đứt mạch
1.3. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình trùng hợp gốc polystyren.
1.3.1. ảnh hởng của oxy và tạp chất..
1.3.2. ảnh hởng của nhiệt độ.
1.3.3. ảnh hởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu.
1.4. Các phơng pháp sản xuất
1.4.1. Trùng hợp khối...
1.4.2. Trùng hợp dung dịch.
1.4.3. Trùng hợp nhũ tơng..
1.4.4. Trùng hợp hun phï………………………………………………………….
1.5. TÝnh chÊt cđa nhùa polystyren…………………………………………………..
1.6. øng dơng………………………………………………………………………..
Ch¬ng 2: tính toán thiết bị
2.1 Tính phối liệu và cân bằng vật chất
2.1.1. Lựa chọn phơng pháp sản xuất.
2.1.2. Cân bằng vật chất
2.2. Tính toán kích thớc thiết bị phản ứng.

2.2.1. Tính toán vỏ thiết bị chính.
2.2.2. Tính cánh khuấy và mô tơ cánh khuấy..
2.2.3. Tính lớp vỏ gia nhiệt..
Đồ án tèt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
2.2.4. Tính chiều dày lớp bảo ôn..
2.2.5. Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng...
2.2.6. Chọn mặt bích, đệm, bu lông.
2.2.7. Tai treo của thiết bị.
2.3. Tính toán thùng chứa styren..
2.4. Tính toán thùng lờng styren
2.5. Tính toán thiết bị ngng tụ...
2.6. Tính toán bơm...
2.7. Tính cân bằng nhiệt lợng.
2.8. Thiết bị ly tâm...
2.9. Thiết bị sấy phun..
2.9.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy phun...
2.9.2. Vòi phun
2.9.3.Buồng sấy phun
Chơng 3: Xây dựng
3.1.Yêu cầu lựa chọn địa điểm xây dựng.
3.1.1.Yêu cầu chung.
3.1.2. Yêu cầu về khu đất
3.1.3.Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp.
3.2.Thiết kế tổng mặt bằng..
3.2.1. Yêu cầu chung
3.2.2. Nguyên tắc phân vùng
3.2.3. Ưu nhợc điểm của nguyên tắc phân vùng.

.
3.3. Những căn cứ để thiết kế phân xởng...
3.4. Giải pháp thông gió...
Chơng 4: kinh tế
4.1. Tóm lợc dự án.
4.2. Thị trờng và kế hoạch sản xuất...
4.2.1. Nhu cầu..
4.2.2. Kế hoạch sản xuất..
4.3. Tính toán kinh tế
4.3.1. Vốn cố định...
4.3.1.1. Vốn xây dựng.
4.3.1.2. Vốn đầu t thiết bị máy móc...
Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
4.3.2. Vốn lu động.
4.3.2.1. Chi phí nguyên liệu (1 năm) ...
4.3.2.2. Chi phí nhu cầu về điện..
4.3.2.3. Chi phí nhu cầu về nớc.
4.3.2.4. Chi phí dầu nóng
4.3.3. Tính nhu cầu lao động
4.3.3.1. Tính quỹ lơng trả cho công nhân trực tiếp
4.3.3.2. Tinh quỹ lơng trả cho công nhân gián tiếp...
4.3.4. Giá thành sản phẩm...
4.3.5. L·i vµ thêi gian thu håi vèn…………………………………………………...
kÕt ln…………………………………………………………………………..
tµi liƯu tham khảo

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp đợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
hớng dẫn TS Nuyễn Thanh Liêm, thầy giáo Nguyễn Mạnh Hậu, thầy giáo Trần
Trọng Phúc đến nay đồ án tốt nghiệp của em đà hoàn thành. Với lòng biết ơn sâu sắc
em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu
polyme, bộ môn xây dựng công nghiệp, khoa kinh tế và quản lý trờng Đại học Bách
Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Khoa Hà Nội đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Thanh Liêm, thầy giáo Nguyễn Mạnh
Hậu, thầy giáo Trần Trọng Phúc đà tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2004.

Sinh viên

Lời mở đầu
Nhân loại đang bớc vào kỷ nguyên bùng nổ của khoa học và công nghệ. Ngành công nghệ
sản xuất chất dẻo và các ngành công nghiệp khác đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới cũng
nh tại Việt Nam, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của các mặt đời sống xà hội và trong công
nghiệp. Nguyên liệu đầu để sản xuất chất dẻo rất đa dạng và dồi dào nh than đá, khí thiên nhiên,
dầu mỏSo với kim loại, chất dỴo cã nhiỊu tÝnh chÊt u viƯt nh: nhĐ, bỊn môi trờng ăn mòn, cách
điệnNgoài ra còn có một số loại có khả năng chịu nhiệt tốt, trong suốt, dễ gia công nên chất
dẻo ngày càng đợc ứng dụng rộng rÃi trong nhiều lĩnh vực và dần dần thay thế kim loại.

ở nớc ta nguồn nguyên liệu để sản xuất chất dẻo là rất lớn nhng hầu hết các
loại chất dẻo đều phải nhập khẩu do ngành công nghiệp hoá dầu của Việt Nam cha
phát triển, mặt khác ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo cha đợc đầu t đúng mức.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo của nớc ta đà hình

thành nên đồ án:
Thiết kế dây chuyền sản xuất nhựa polystyren theo phơng pháp huyền phù với công suất
1000 tấn /năm. .

Đồ ¸n tèt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44

Chơng 1: tổng quan
1.1. Giíi thiƯu vỊ nhùa polystyren (PS) [ 11,12,13 ]
1.1.1. LÞch sư ph¸t triĨn [ 12 ]
Tõ thÕ kû thø 18 styren lần đầu tiên đợc tìm thấy khi chng cất nhựa cây bồ đề với nớc.Năm1831 lần đầu tiên Bonastre đà chiết tách ra styren.

Năm 1839, E.Simon là ngời đầu tiên xác định đợc tính chất của polystyren và
đặt tên đầu tiên là styren , ông đà quan sát đợc sự chuyển hoá của styren trong dung
dịch lỏng nhớt ở trạng thái tĩnh.
Vào năm 1845, hai nhà bác học ngời anh Hoffman và Btytt đà nhiệt phân
monome styren trong ống thuỷ tinh kín ở 2000C và thu đợc sản phẩm đồng thể.
Berthelot đà chế tạo đợc styren bằng cách nhiệt phân một số hydrocacbon và
phơng pháp này là nền tảng cho sản xuất styren trong công nghiệp sau này.
Năm 1937, C«ng ty Dow Chemical, mét c«ng ty lín cđa Mü đà sản xuất đợc
polystyren dân dụng hay còn gọi là styrol và năm 1938 đà sản xuất đợc 100.000 kg
polystyren.
Công nghệ tổng hợp nhựa polystyren ngày càng đợc hoàn thiện và sản phẩm
thu đợc có tính chất cơ lý hoá học tốt, đồng đều, đáp ứng đợc nhu cầu của xà hội.
1.1.2. Tình hình sản xuất polystyren [ 12 ]
Năm 1930, PS mới bắt đầu đợc sử dụng nh một sản phẩm thơng mại nhng
đến năm 1938 thế giới sản xuất đợc 100 tấn polystyren, cuối chiến tranh thế giới
thứ hai sản xuất đợc 25.000 tấn. Đến cuối năm 1961 đà sản xuất đợc gần 1 triệu tấn

PS. Trên thế giới Mỹ là quốc gia sản xuất polystyren nhiều nhất sau đó đến các nớc
ở Tây Âu. Có thể thống kê tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ trong bảng 1:
Bảng 1: Tình hình sản xuất polystyren ở Mỹ [ 12 ] .
Năm
1938
1946
1961
1966
1969
Đồ án tốt nghiệp

Loại
Tinh thể
Tinh thể
Tinh thể
Tinh thể, ghép
Ghép

Sản lợng (kg)
100.000
25.000.000
50.000.000
1.000.000.000
1.500.000.000


Trần Lệ Sâm Polyme K44

Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 đợc thống kê
trong bảng 2.

Bảng 2: Các công ty sản xuất styren lớn trên thế giới vào năm 1969 [ 1219 ] .

Thứ tự

Công ty

Địa điểm

1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tổng

Amoco
Monanto
Dow Chemical
Cos Mar
Sinclair Kopper
Dow Chemical
Sun Oil
Shell
Foster Grant

Taxas

Taxas
Taxas
Luisiana
Pennsylvania
Michigan
Taxas
California
Luisiana

Công suất
( triệu tấn/năm)
800
750
550
500
470
350
300
240
220
4.700

1.1.3. Nguyên liệu [ 3,4,12 ]
1.1.3.1. Tính chÊt cđa styren [ 3,12 ]
Styren lµ mét chÊt láng không màu, có mùi đặc trng, không hoà tan trong níc mµ hoµ tan theo bÊt cø tû lƯ nµo với rợu, keton, ete, este, cacbuahydro clo hoá,
nitroparafin.
Tính chất vật lý của styren đợc trình bày trong bảng 3.
Bảng 3: TÝnh chÊt vËt lý cña polystyren [ 3 ] .
TØ trọng d25 , g/cm3
Chiết suất

Độ nhớt ở 250C, Cp
Nhiệt độ sôi, 0C
Nhiệt độ nóng chảy, 0C
Nhiệt độ cháy bùng , 0C
Nhiệt độ bắt lửa, 0C
Nhiệt bay hơi, cal/g
Nhiệt cháy ,cal/g
Nhiệt nóng chảy, cal/g
Nhiệt trùng hợp, cal/g
Tỉ nhiệt ở 250C ,cal/g.độ
Giới hạn nổ trong không khí, %V
Độ co sau khi trùng hợp, %V
Đồ án tốt nghiệp

0.9045
1.54389
0.75
145.2
-30.6
31.0
34.0
86.9
10.04
25.4
168
0.407
1.1 6.1
17.0

Trần Lệ Sâm Polyme K44

1.1.3.2. Các phơng pháp ®Ĩ thu ®ỵc styren [ 3 ]
- Styren cã trong bà nhựa.
- Nhận đợc khi chng khô than.
- Cracking dầu mỏ.
- Nhiệt phân một số chất hữu cơ khác.
- Đề hydro hoá của etylbenzen.
Trong các phơng pháp trên thì phơng pháp đề hydro hoá của etylbenzen đợc sử dụng rộng
rÃi nhÊt .
Etylbenzen cã c«ng thøc : C6H5 – CH2 – CH3.
Có hai phơng pháp sản xuất etylbenzen:
a. Đi từ benzen và cloetan ( có tricloua nhôm làm xúc tác).
C6H6 + CH3 – CH 2 – Cl
C6H5 – CH2 – CH3 + HCl
b. Đi từ benzen và etylen.
C6H6 + CH2 = CH2
C6H5 CH2 CH3
Sản phẩm đợc chng tách hết benzen cha tham gia phản ứng sau đó hoàn nguyên xúc tác.
Monome trớc khi tiến hành trùng hợp phải có độ tinh khiết 99,8 100%. Do trong quá
trình bảo quản và vận chuyển monone có thể tự trùng hợp do nhiều nguyên nhân khác nhau: nhiệt
độ, tia phóng xạ, ánh sángnên để ngăn ngừa hiện t ợng đó cần bổ xung vào styren các chất hÃm.
Chất hÃm là chất có khả năng ngăn ngừa hoàn toàn phản ứng trùng hợp sớm của monome. Chất
hÃm thông dụng là hydroquinon. Thực ra, chất hÃm là sản phẩm ôxi hoá của nó benzoquinon.
Benzoquinon tơng tác với gốc khởi đầu hoặc hoặc mạch phân tử đang phát triển tạo ra gốc semi
quinon:
O

OH
oxy hoa

OH

Đồ án tốt nghiệp

O


Trần Lệ Sâm Polyme K44

CH 2

CH

CH 2

CH

.

O

.

O

+

CH

2

CH

CH

CH

+

O

OH

của nhân thơm nên gốc semi Do hiệu ứng liên hợp của điện tử lẻ với điện tử
quinon ít hoạt động và không có khả năng khơi mào trùng hợp styren. Nó chỉ có thể tơng tác với
gốc đang phát triển và ngừng quá trình phát triển mạch:

.

.

O

CH 2 C H

CH 2

CH

O

OH

+
OH

Nguyên liệu chính sản xuất polystyren cần độ tinh khiết cao 99,8 100 %. Thờng sử dụng
phơng pháp chng cất để thu đợc polystyren tinh khiết.

1.2. Cơ chế phản ứng trùng hợp
Phản ứng trùng hợp nhựa PS xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm 3 giai đoạn chính:
+ Giai đoạn khơi mào.
+ Giai đoạn phát triển mạch.
+ Giai đoạn đứt mạch.
Styren có công thức nh sau:

 
ch = ch2

Do cã nhãm vinyl trong ph©n tư nên nhóm này có tính chất đẩy đôi điện tử dùng chung trong
liên kết của liên kết đôi C = C. Nh vậy mật độ điện tích trên các nguyên tử cacbon của nhóm
vinyl cũng bị thay đổi. Mặt khác, nhóm phenyl có tính chất hút điện tử, mật độ điện tích âm tập
trung ở vị trí octo và para. Chính vì sự chênh lệch điện tích nh vậy mà liên kết của liên kết C =

Đồ án tèt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
C trở nên kém bền hơn và thích hợp cho quá trình trùng hợp gốc. Có nhiều phơng pháp trùng hợp
polystyren nh:

+ Trùng hợp gốc tự do.
+ Trùng hợp ion.
+ Trùng hợp xúc tác Zittler- Natta.

Thông thờng phơng pháp phổ biến và hữu hiệu nhất là quá trình trùng hợp theo
cơ chế gốc. Để tạo ra gốc tự do thờng sử dụng các loại chất khơi mào sau:
Peroxit:
C

O

O

C
O

O

O

H

O
Hydropeoxit: HO OH
Peroxit tertbutyl:
CH3
C
CH3

Hợp chất azo:

Pesunphat kali:
K O

O

O

O

O K

O

S

S

O

O

1.2.1. Giai đoạn khơi mào [ 4 ]
Đây là giai đoạn sinh ra trung tâm hoạt động, dới tác dụng của nhiệt độ, chất khởi đầu
peroxit benzoin phân huỷ thành gốc tự do:
O

C6H5

C

O

C

O

C6H5

O

O

T
K1

2C6H5

O

Sau đó:
C6H5

C

.
O

O
R: C6H5
K1: Hằng số phân huỷ chất khởi đầu.

Đồ án tốt nghiệp

T

O

C

.

R

+

CO2

.

O


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Gốc tự do tạo thành tiếp tục phản ứng với monome cho một gốc tự do mới

.

R

CH

CH

R

2

K2

+

.

CH

CH 2

K2: Vận tốc khởi đầu phản ứng.
Vận tốc của phản ứng khơi mào phụ thuộc vào bản chất của chất khởi đầu, ngoài ra nó còn
phụ thuộc nhiết độ, áp suất. Mỗi chất khởi đầu đều có một nhiệt độ và vận tốc phân huỷ khác
nhau. Đặc trng chủ yếu của các chất khởi đầu là nhiệt độ phân huỷ và thời gian bán phân huỷ.

1.2.2. Giai đoạn phát triển mạch [ 4 ]
Đây là giai đoạn cơ bản quyết định tốc độ phản ứng trùng hợp, cấu tạo và kích thớc phân
tử tạo thành.
Gốc tự do R đính vào một monome khác, quá trình diễn ra cho đến khi giai đoạn đứt
mạch xảy ra.
R

CH 2 CH

.

+

n CH

CH

R

2

CH

2

CH

.

CH 2 CH
n

1.2.3. Giai đoạn đứt mạch [ 4 ]
Phản ứng đứt mạch trong quá trình trùng hợp gốc có thể xảy ra theo hai cách:
- Kết hợp.
CH 2 CH

.

+

.

CH

CH

CH

2

CH

2

CH

CH 2

- Phân ly không đối xứng.

2

Đồ án tốt nghiệp

CH 2 CH

.

CH

CH

+

CH2 CH 2


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Nếu đứt mạch theo kiểu kết hợp thì chiều dài mạch tăng gấp đôi, còn theo kiểu phân ly thì
không đổi. Đối với styren thì phản ứng xảy ra theo kiểu kết hợp.

1.3.1. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình trùng hợp gốc PS

[4]

1.3.1. ảnh hởng của oxy và tạp chất [ 4 ]
Oxy không khí hấp thụ trong monome chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong quá trình
trùng hợp gốc. Tuỳ thuộc vào bản chất monome và điều kiện trùng hợp, oxy có thể làm dễ dàng
hay khó khăn cho quá trình trùng hợp.
Tác dụng hai mặt của oxy đợc giải thích bằng khả năng tạo với monome và gốc tự do
polyme các loại peroxit hay hydro peroxit. Nếu peroxit hay hydroperoxit tạo thành ổn định trong
điều kiện phản ứng thì sẽ làm chậm quá trình trùng hợp, ngợc lại nếu chúng dễ bị phân huỷ thành
gốc tự do thì sẽ tăng nhanh quá trình trùng hợp. Đối với monome styren thì dới tác dụng của oxy,
có phản ứng xảy ra nh sau:
CH

2

CH

+

O2

CH 2

CH

O

O

C6H5

Peroxit tạo thành dễ bị phân huỷ thành gốc tự do. Vậy trong trờng hợp này oxy xúc tiến
quá trình trùng hợp.
Các tạp chất trong monome có tác dụng tơng tự nh của oxy. Tác dụng độc của chúng đợc
xác định bởi bản chất hoá học, khả năng phản ứng với nhân hoạt tính trùng hợp. Hàm lợng các tạp
chất này dù chỉ có rất ít nhng có thể ảnh hởng lớn đến quá trình trùng hợp.
Do những ảnh hởng phức tạp của oxy và tạp chất khác, nên trong qúa trình trùng hợp bắt
buộc phải điều chế monome thật tinh khiết và phản ứng cần tiến hành trong môi trờng khí trơ N2.
1.3.2. ảnh hởng của nhiệt độ [ 4 ]
Nhiệt độ tăng thì vận tốc các phản ứng khơi mào, phát triển mạch, chuyển mạch, đứt mạch
đều tăng nhng mức độ tăng khác nhau. Do đó quá trình trùng hợp sẽ kết thúc sớm khi tăng nhiệt
độ. Nhng nhiệt độ cao làm độ trùng hợp giảm, còn có thể nẩy sinh một số phản ứng phụ giữa các
nhóm định chức của polyme và làm cho cấu trúc thiếu trật tự, sản phẩm có trọng lợng tơng đối
thấp, có nhiều mạch nhánh.

1.3.3. ảnh hởng của nồng độ và bản chất của chất khởi đầu [ 4 ]
Các chất khởi đầu khác nhau có tác dụng khác nhau với một monome và một chất khởi đầu
có tác dụng khác nhau với một loại monome khác nhau.

Đồ án tèt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Khi nồng độ chất khởi đầu tăng thì lợng gốc tự do sinh ra tăng. Từ đó làm cho vận tốc phản
ứng khơi mào tăng, đồng nghĩa với nồng độ monome bị giảm nhanh hơn mà vận tốc trùng đợc
tính theo công thức:

th

dt
d [M ] ¿ ¿
¿

=-

ϑ th d [ M ] gi¶m vậy tăng
TH
Vận tốc phản ứng đứt mạch đợc tính nh sau:
2

νd = K [ M o ]
d

Trong ®ã : - Kd: Hằng số tốc độ phản ứng đứt mạch.
o

- [ M ] : Nồng độ gốc tự do các phân tử.
Tóm lại khi tăng nồng độ của chất khởi đầu có tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng nh ng làm
giảm khối lợng phân tử trung bình của polyme.
1.4. Các phơng pháp sản xuất [ 3 ]

1.4.1. Trùng hỵp khèi [ 3 ]
Trïng hỵp khèi cã thĨ tiÕn hành khi đun nóng monome không có hay có chất
khởi đầu, tính chất của polyme chủ yếu phụ thuộc vào mức độ trùng hợp trung bình.
Nhiều công trình nghiên cứu cơ chế trùng hợp khối styren đà chứng tỏ rằng
polyme thờng có ít nhánh và đứt mạch xảy ra là do kết hợp hai gốc polyme tự do
đang phát triển. Chỉ khi nào nhiệt độ trùng hợp cao hơn 100 0C thì mới tạo thành
polyme mạch nhánh, ở nhiệt độ thấp hơn 500C tốc độ trùng hợp rất bé.
Điều kiện trùng hợp:
- Chất khởi đầu phải tan trong monome.
- Polyme phải tan trong monome.
- Khi không có chất khởi đầu thì sau một thời gian cảm ứng styren bắt đầu
trùng hợp.
- Tốc độ của phản ứng trùng hợp trở nên không đáng kể khi mức độ chuyển
hoá khoảng 90% nh vậy ta không thể nhận đợc polyme trọng lợng phân tử cao khi
thời gian kéo dài.
Bảng 4: ănh hởng của nhiệt độ lên tốc độ trùng hợp và trọng lợng phân
tử trung bình của PS [ 3 ] .
Nhiệt độ

Tốc độ trùng

Đồ án tốt nghiệp

Độ nhớt của dung

Trọng lợng

áp suất h¬i


Trần Lệ Sâm Polyme K44
trùng hợp,
0C
60
80
90
100
110
120
130
140
160

hợp ban đầu
0.089
0.452
1.02
2.13
4.23
8.30
16.20
28.40
-

dịch polyme 10%
trong toluen
3000
650
360
200
120
75
48
30
14

phân tử trung
bình
2.230.000
800.000
620.000
420.000
510.000
230.000
175.000
130.000
83.000

của styren
mmHg
40
92
143
192

270
380
490
630
1100

Ưu nhợc điểm của phơng pháp trùng hợp khối.
- u điểm :
Phơng pháp cho phép nhận đợc sản phẩm chứa ít monome, sản phẩm có độ
tinh khiết cao và trọng lợng phân tử cao, có thể tự động động hoá quá trình sản
xuất, cải thiện điều kiện lao động từ đó hạ giá thành sản phẩm.
- Nhợc điểm:
Trong quá trình tạo polyme độ nhớt tăng làm cản trở quá trình truyền nhiệt và
khuấy dẫn đến quá nhiệt cục bộ, polyme tạo thành có trọng lợng phân tử thấp.
ứng dụng của sản phẩm.
Polyme trùng hợp khối đợc dùng để chế tạo các sản phẩm đúc thẳng vào
trong khuôn và ít cần gia công lại, sản phẩm thờng dùng làm vật cách điện và các
chi tiết thông thêng sư dơng trong kü tht do s¶n phÈm polystyren nhận đợc theo
phơng pháp trùng hợp khối có thể thay đổi trong diện rộng.
1.4.2. Trùng hợp dung dịch [ 3 ] .
So với trùng hợp khối, phản ứng trùng hợp trong dung dịch tiến hành với tốc
độ chậm hơn và polyme tạo thành có trọng lợng phân tử thấp hơn. Trọng lợng phân
tử trung bình của PS phụ thuộc vào điều kiện trùng hợp và loại dung môi.
Dung môi ở đây phải trơ với các chất trong hỗn hợp và monome, chất khởi
đầu và polyme phải tan trong dung môi. Dung môi thờng sử dụng là benzen,
xyclohexan, tertbutylbenzen, toluen vì khi đó polyme thu đợc có trọng lợng phân tử
lớn hơn khi dùng các dung môi khác.
Polyme nhận đợc ở dạng dung dịch cho nên sử dụng làm sơn rất tốt, nếu sử
dụng vào mục đích khác cần cho kết tụ polyme từ dung dịch bằng cách cho thêm
chất kết tụ. Những chất kết tụ hay đợc sử dụng là cacbuahydro, rợu metylic, etylic.

Ưu nhợc điểm của phơng pháp
- u điểm:
Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
+ Trọng lợng phân tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi loại dung môi và
nhiệt độ phản ứng.
+ Quá trình truyền nhiệt tốt, tạo đợc polyme có độ đồng đều cao.
+ Phơng pháp trùng hợp dễ tiến hành.
- Nhợc điểm:
+ Phơng pháp trùng hợp dung dịch ít đợc sử dụng vì dung môi nhiều, dây
chuyền phức tạp, phải có thiết bị tách dung môi ra khỏi polyme.
+ Tạo nên polyme có khối lợng phân tử trung bình thấp do có khả năng phản
ứng chuyển mạch lên monome và dung môi.
ứng dụng của sản phẩm:
- Sản phẩm ở dạng dung dịch nên đợc sử dụng làm sơn rất tốt.
- Dùng để gia công tạo ra sản phẩm thông dụng không đòi hỏi độ tinh khiết
cao.
1.4.3. Trùng hợp nhũ tơng.
Styren hoà tan vào nớc vì thế không phụ thuộc vào chất khởi đầu , quá trình
trùng hợp trong các mixel xà phòng và sau đó thực hiện trong các phân tử polyme
monome tạo thành. Mixel có dạng hình cầu hoặc hình tấmvới kích thớc khoảng
0,01 0,3 micromet. Chất nhũ hoá đợc hấp thụ trên bề mặt nhũ tơng, một phần nhỏ
hoà tan trong nớc còn lại kết hợp với nhau tạo thành các mixel. Các mixel dạng tấm
hoặc cầu:

Dạng tấm

Dạng cầu

Phần lớn các mixel tån t¹i ë d¹ng giät cã kÝch thíc tõ 1 10 m, nồng độ
1010 1011 mg/ml.
Quá trình ph¶n øng nh sau :
- Monome Ýt tan trong níc, nó tan trong phần hữu cơ của mixen.
Đồ án tốt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
- Chất khởi đầu phân ly thành các gốc tự do khuyếch tán vào bên trong
monome gọi là các mixen hoạt động.
- Vì kích thớc các mixen nhỏ, nồng độ lớn do đó bề mặt riêng của mixenrất
lớn nó khuyếch tán monome vào bên trong bắt đầu quá trình trùng hợp.
- Quá trình trùng hợp là quá trình giảm thể tích do đó d thừa một phần chất
nhũ hoá chúng sẽ thoát ra ngoài và tạo thành các mixen mới.
Hỗn hợp phản ứng bao gåm: monome (30  60 % so víi níc), chÊt khởi đầu
tan trong nớc, môi trờng phân tán là nớc, chất nhũ hoá chiếm từ 15% khối lợng
monome.
Khi trùng hợp hết monome do có sự chệnh lệch áp suất giữa bên trong với
bên ngoài mixen do đó monome lại khuyếch tán vào bên trong mixen tiếp tục quá
trình trùng hợp. Khi đó, để hệ thống cân bằng một phần của giọt monome sẽ tan ra.
Đến một lúc nào đó các phân tử chất nhũ hoá không đủ bao phủ các polyme hoà
tan, khi đó các hạt sẽ có xu hớng kết hợp lại với nhau làm giảm số hạt và vận tốc
trùng hợp giảm. Các hạt có xu hớng kết hợp lại với nhau tạo thành giọt polyme tan
trong monome gọi là latex.
Đến giai đoạn cuối các monome đà phản ứng hết sinh ra phản ứng đứt mạch,
chuyển mạch. Để hạn chế phản ứng chuyển mạch lên polyme ngời ta phải đa thêm
tác nhân trùng hợp khác gọi là chất điều chỉnh khối lợng phân tử, sau khi trùng hợp
polystyren có mầu hơi vàng và nhiệt độ chảy mềm cao hơn so với trùng hợp khối.
Tốc độ trùng hợp.

Khi trùng hợp styren trong nhũ tơng đợc ổn định nhờ các chất xà phòng hoá,
quá trình tiến hành với tốc độ không đổi cho đến khi trong hệ thống hết styren. Do
đó các monome chuyển vào các phân tử polyme, nồng độ monome giảm nên tốc độ
chung giảm đi. Độ ổn định của nhũ tơng phụ thuộc vào loại và lợng chất nhũ hoá,
pH của môi trờng , mức độ phân tán của polyme.
Chất nhũ hoá.
Thờng là xà phòng natri hay amon : xà phòng dầu ve, oleic, stearat, abietat,
muối sulfo axit
Chất nhũ hoá làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha monome và nớc, làm
cho monome dễ phân tán trong môi trờng nớc. Bản chất và lợng chất nhũ hoá có
ảnh hởng quyết định đến quá trình trùng hợp và tính chất polyme.
Chất nhũ hóa gồm hai phần là: phần a nớc và kị nớc.

Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Kị nớc

Ưa nớc

Khi nồng độ chất nhũ hoá giảm thì tốc độ phản ứng giảm nhng thời gian
trùng hợp và trọng lợng phân tử polyme tăng. Khi điều chỉnh trọng lợng polyme trớc hết nên thay đổi nồng độ của chất khởi đầu, không nên thay đổi lợng chất nhũ
hoá vì chất nhũ hoá thay đổi trọng lợng đợc ít nhng lại tăng thời gian trùng hợp lên
nhiều lần.
Chất khởi đầu.
Các chất khởi đầu cho quá trình trùng hợp nhũ tơng là các peroxit và
hydroperoxit tan trong nớc, ngoài ra còn có thể thêm vào hỗn hợp phản ứng những
chất xúc tiến phân giải chất khởi đầu.
Kích thớc, hình dạng thiết bị và kết cấu cánh khuấy có ảnh hởng đến sản

phẩm của nhũ tơng, đặc bịêt là kích thớc của giọt nhũ tơng. Để khuấy trộn đợc
nhanh hơn và nhận đợc nhũ tơng có phẩm chất tốt nên rót từ từ chất phân tán
(monome) vào môi trờng phân tán (nớc). Nớc đà cho sẵn trớc vào thiết bị phản ứng
và khuấy đều. Nhiệt độ và thời gian khuấy trộn có ảnh hởng đến việc chuẩn bị nhũ
tơng. Nhiệt độ tăng có ảnh hởng tốt đến sự nhũ hoá vì khi đó độ nhớt của môi trờng
giảm đi. Khuấy trộn có tác dụng phân bố đều monome vào nớc và duy trì nhiệt độ
đồng đều trong toàn bộ hệ thống phản ứng. Trùng hợp huyền phù thờng sử dụng
chất khởi đầu là persulfat kali.
Chất điều chỉnh
Chất điều chỉnh thờng dùng là rợu và các chất khác làm giảm bề mặt của hệ
thống, nghĩa là có khả năng làm tăng độ phân tán của nhũ tơng .
Ngoài ra còn dùng mercaptan ngăn không cho các đại phân tử đang phát triển
bị phân nhánh, và giảm trọng lợng của polyme, những chất duy trì cho pH môi trờng không đổi trong thời gian trùng hợp. Độ axit của hỗn hợp càng cao thì chất
khởi đầu phân giải càng mạnh do đó độ trùng hợp càng cao và trọng lợng phân tử

Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
polyme càng thấp. Nếu nh hiện tựơng quan sát thấy trong thời gian trùng hợp thì
polyme rất không đồng đều về trọng lợng phân tử và có tính chất cơ - lý kém.
So sánh tốc độ trùng hợp theo các phơng pháp nhận thấy rằng khi trùng hợp
nhũ tơng polyme nhận đợc sau 2 6 ngày đêm có trọng lợng phân tử cao hơn so
với polyme nhận đợc sau 30 ngày đêm theo phơng pháp trùng hợp khối.
Ưa nhợc điểm của phơng pháp:
- Ưa điểm:
+ Quá trình trùng hợp xảy ra nhanh.
+ Nhiệt độ phản ứng thấp.
+ Polyme nhận đợc có độ đồng đều về khối lợng phân tử (100.000
200.000) dễ dàng gia công theo phơng pháp đúc ép dới áp suất.

+ Dễ dàng điều chỉnh tốc độ của phản ứng trùng hợp
+ hàm lợng monome còn lại trong sản phẩm thấp , sản phẩm ở dạng bột nên
thuận lợi cho quá trình cán tráng hay đóng bánh.
- Nhợc điểm:
+ Tính cách điện của sản phẩm kém.
+ Thiết bị phản ứng phức tạp.
ứng dụng của sản phẩm.
+ Làm các sản phẩm thông dụng.
+ Làm các sản phẩm kỹ thuật.
1.5.4. Trùng hợp huyền phù [ 3 ]
Đối với quá trình trùng hợp huyền phù hỗn hợp phản ứng bao gồm: styren,
chất khơi mào, môi trờng phân tán thông thờng là nớc. Tỉ lệ monome vµ níc tõ
25/75  50/50, kÝch thíc giät tõ 5 10 mocromet, nhiệt độ phản ứng từ 80
1100C.
Khác với trùng hợp nhũ tơng, ở đây quá trình trùng hợp tiến hành trong
những hạt huyền phù tan trong nớc. Styren đợc phân tán trong nớc nhờ các chất ổn
định hun phï nh tinh bét, jelatin, rỵu, polyvinylic…víi lỵng 0,1  10% so víi
träng lỵng cđa pha níc. ChÊt khëi đầu ở đây là các peroxit hoà tan trong monome
theo mức độ khuấy trộn và các điều kiện khác của quá trình. Nhiệm vụ chủ yếu của
chất ổn định là ngăn không cho các hạt polyme dính với nhau.
Lợng nớc trong huyền phù ít ảnh hởng đến diễn biến quá trình trùng hợp. Nớc có vai trò vừa là môi trờng phân tán vừa là chất tải nhiệt tránh hiện tợng quá
nhiệt nhng nếu nhiều nớc qúa thì sẽ lấy hết nhiệt của phản ứng. Nhiệt độ trùng hợp
phải thấp hơn nhiệt độ chảy mềm ít nhất là 100C.
Đồ án tèt nghiÖp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Trong quá trình trùng hợp pH của môi trờng giảm đi trung bình 1 2 đơn vị,
nếu giữ pH ở 7 8 thì nhận đợc các hạt polyme khá lớn. Điều đó chøng tá r»ng rỵu
polyvinyl ancol chøa 8  20 % nhóm axetat ổn định huyền phù trong môi trờng

axit yếu ( pH = 4  6 ) tèt h¬n trong môi trờng kiềm yếu, pH giảm đi trong quá
trình trùng hợp có liên quan đến việc xà phòng hoá một phần các nhóm este của
chất ổn định và tạo thành sản phẩm có tính axit do phân giải peoxit benzoin. Đối
với đa số các chất ổn định sử dụng khi trùng hợp huyền phù các hạt polyme đều
nhanh chóng tạo thành ở giá trị pH 4 8,5.
Ưu nhợc điểm của phơng pháp
- Ưu điểm:
+ Tránh quá nhiệt cục bộ, nhiệt polyme hoá đợc giải toả trong môi trờng
trùng hợp.
Polyme nhận đợc có mức độ đồng cao, khối lợng phân tử trung bình lớn.
- Nhợc điểm:
+ Phải thêm công đoạn rửa polyme để tách polyme khỏi nớc và chất ổn ®Þnh
hun phï.
+ Polyme dƠ bÞ nhiƠm bÈn bëi chÊt ỉn định.
ứng dụng của sản phẩm:
Sản phẩm trùng hợp theo phơng pháp này có thể gia công ép hay đúc tạo ra
chi tiết, vật dụng thông thờng.

Sau đây là sơ đồ dây chuyền sản xuất nhựa PS:

Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
sơ đồ dây chuyền sản xuất polystyren theo ph ơng pháp huyền phù
3
2

4

7

5
6

8

10

9

11

Khí nóng
20

Khí nóng

12
13

19

20

1234567.
8-

1

19

18

Thùng chứa styren.
Đờng dầu.
Đờng nớc cấp.
Thùng lờng styre
Thùng lờng nớc.
Thùng lờng polyvinyl ancol.
Thiết bị ngng tụ.
Thiết bị phân ly.

9- Thiết bị phản ứng.

17

20

16

14

15

10-Thiết bị rửa.
11- Thiết bị sấy phun.
12-Thiết bị tạo hạt.
13-Thiết bi sấy băng tải.
14-Cân đồng hồ.

15-Thiết bị đóng bao.
16-Thiết bị ly tâm.
17-Thùng chứa polyvinylancol.
18 - Thùng chứa peroxit benzoin.

Thuyết minh dây chuyền:
Styren sạch ở thùng chứa 1 nhờ bơm ly tâm 20 đa lên thùng lờng 4, nớc theo
èng dÉn vµo thïng lêng 5. Peroxit benzoin nhê thiÕt bị hút chân không 19 đa thẳng
vào thiết bị phản øng. Polyvinyl ankol ë thïng chøa sè 17 nhê b¬m ly tâm đa vào
thùng lờng 6.

Đồ án tốt nghiệp


Trần Lệ Sâm Polyme K44
Để tiến hành phản ứng, đầu tiên các nguyên liệu từ thùng lờng đợc nạp vào
thiết bị phản ứng 9 trong khoảng thời gian 15 phút. Trong quá trình phản ứng thờng
sử dụng cánh khuấy loại khung bản để khuấy trộn hỗn hợp. Quá trình trùng hợp tiến
hành trong 6 giờ nhiệt độ phản ứng khoảng 70 85 0C. Thiết bị ngng tụ 7 dùng để
ngng tụ các chất bay hơi trong quá trình phản ứng nh nớc, chất ổn định huyền phù...
Khi hàm lợng styren còn khoảng 0.3% thì kết thúc trùng hợp.
hỗn hợp sản phẩm sau khi trùng hợp đợc đa vào thiết bị rửa số 10, tại đây
diễn ra quá trình rửa sản phẩm bằng nớc, khuấy mạnh để làm tan chất nhũ hoá và
các chất xúc tác còn lại trong sản phẩm để sản phẩm đợc tinh khiết. Sau khi rửa,
sản phẩm đợc chuyển vào thiết bị ly tâm 16, thiết bị này có tác dụng sấy sơ bộ sản
phẩm, nhờ thiết bị hút chân không sản phẩm lại đợc tiếp tục đa sang thiết bị sấy
phun 11. Sản phẩm đợc đa vào thiết bị từ trên xuống dới dạng tia nhờ dhiết bị phun
khí động, khí nóng đợc thổi từ dới lên và sấy cho đến khi độ ẩm trong sản phẩm
không quá 5%. Sau khi sấy tiếp tục đa sản phẩm vào máy ép đùn 12 để tạo hạt. Sản
phẩm đợc vận chuyển bằng thiết bị sấy băng tải 13 sau khi đạt độ khô cần thiết ®a

qua c©n ®ång hå 14 sang bé phËn ®ãng bao15 sau đó nhập kho kết thúc dây chuyền
sản xuất và quá trình lại lặp lại nh cũ.
1.5. Tính chất của nhựa PS.
PS là vật liệu thông dụng đứng thứ t sau polyetylen, polyvinylclorua,
polypropylen. Đây là vật liệu cứng, trong suốt, không có mùi, khi cháy cho ngọn
lửa không ổn định.
Tính chÊt kü tht cđa PS chđ u do ®iỊu kiƯn và phơng pháp trùng hợp
quyết định. Điều kiện trùng hợp có ảnh hởng tới mức độ trùng hợp, lợng monome
còn lại trong polyme, mức độ đồng đều về trọng lợng phân tử và độ phân nhánh, độ
tinh khiết của sản phẩm.
Khi trọng lợng phân tử khoảng 50.000 thì đợc sử dụng làm sơn, nếu trọng lợng phân tử vào khoảng 200.000 300.000 thì đợc sử dụng để ép tấm và đúc ép dới áp suất.
Tính chất chịu nhiệt.
Độ chịu nhiƯt cđa PS theo Mac tanh lµ 80 0C, theoVie từ 105 1100C nhiệt độ
hoá thuỷ tinh là 80 820C. Cao hơn nhiệt độ hoá thuỷ tinh thì PS chuyển sang
trạng thái mềm cao và trạng thái đó bảo tồn trong một giới hạn nhiệt độ rộng 80
1500C. Sử dụng PS đôi khi gặp khó khăn do độ chịu nhiệt không cao. Khi giữ PS ở
800C thì trọng lợng phân tử giảm đi nhiều, nếu duy trì ở 150 0C trong 5 giờ, polyme
Đồ án tốt nghiệp