đề tài: thiết kế dây chuyền sản xuất pvc huyền phù năng suất 45000 tấn/năm

SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời đại ngày nay, cùng với nền khoa học hiện đại, công nghệ hóa học
không ngừng phát triển và chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
Công nghệ về hợp chất cao phân tử là một trong những công nghệ điển hình, rất tiêu
biểu về tốc độ phát triển và phạm vi sử dụng. Tuy ra đời có muộn hơn các ngành khác,
nhưng khả năng ứng dụng của nó là vô cùng rộng lớn. Hầu hết các vật liệu trong kỹ
thuật và đời sống ngày nay được thay thế bằng nhiều loại vật liệu mới được chế tạo từ
các hợp chất cao phân tử. Đây là hướng đi mới mà nhiều quốc gia trên thế giới nhận
thấy.Vì vậy các nhà khoa học đã không ngừng đầu tư và nghiên cứu về lĩnh vực quan
trọng này. Có được tầm quan trọng như vậy là vì các hợp chất cao phân tử có nhiều
tính chất rất quý như : Độ bền cơ học, độ đàn hồi, cách âm, cách nhiệt, cách điện, nhẹ và
dễ gia công hơn kim loại…Bên cạnh đó giá thành lại rẽ.
Do đó việc sản xuất các hợp chất cao phân tử tổng hợp cũng như các sản phẩm
từ nó ngày càng gia tăng đáng kể . Một trong những loại nhựa tổng hợp phổ biến được
sản xuất nhiều là nhựa Polyvinyl Clorua (PVC).
Nhựa Polyvinylclorua là một trong những sản phẩm ra đời sớm của nền sản xuất
chất dẻo . Trong công nghệ sản xuất nhựa Polyvinyl clorua , tùy theo phương pháp
sản xuất và thành phần của các cấu tử tham gia mà ta có thể thu được một số loại nhựa
có tỷ trọng khác nhau như : K - 58, K - 66 ,K - 71. Nhựa Polyvinylclorua có nhiều đặc
điểm tốt như ổn định hóa học, bền cơ học, dễ gia công ra nhiều loại sản phẩm thông
dụng ( màng bao gói, áo đi mưa, dép…) và đặc biệt là dùng để sản xuất ống chiếm tới
50% tổng sản lượng. Bên cạnh đó nhựa Polyvinylclorua còn được dùng để bọc dây
điện, lót nền, trần nhà và các chi tiết của thiết bị công nghiệp hóa học… Ngoài ra
Polyvinylclorua đồng trùng hợp với cloruavinilden còn được dùng làm sợi tổng hợp .
Chính vì thế mà việc thiết kế nhà máy sản xuất nhựa Polyvinylclorua rất là cần
thiết. Đặc biệt là nhà máy sản xuất nhựa Polyvinylclorua theo phương pháp huyền phù .
Đó là lý do em chọn đề tài thiết kế nhà máy sản xuất nhựa Polyvinylclorua theo
phương pháp trùng hợp huyền phù với công suất là 45000 tấn/năm.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm

SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
PHẦN I
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
PHẦN MỞ ĐẦU
GIỚI THIỆU VỀ POLYMER VÀ TIỀM NĂNG SỬ DỤNG
1. Tầm quan trọng của các hợp chất cao phân tử
Hóa học các hợp chất cao phân tử là một trong những ngành khoa học phát triển
nhanh nhất. Vào những năm 30 của thế kỷ xx, sau khi tách riêng thành một bộ phận độc
lập của khoa học, ngày nay đã đạt được một trình độ phát triển cao. Các ngành lớn nhất
của công nghiệp như cao su, chất dẻo, sợi hóa học, màng, sơn và keo, vật liệu cách điện,
giấy… hoàn toàn dựa trên sự chế biến các vật liệu cao phân tử.
Vì thế các hợp chất cao phân tử là những thành phần cơ bản của nhiều loại vật liệu
chế tạo mà ứng dụng gắn liền với các tính chất cơ học của chúng. Những vật liệu đó phải
có độ bền, độ đàn hồi, độ rắn cao … và về mặt này chỉ có kim loại là có thể cạnh tranh
được với các hợp chất cao phân tử.
Các hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong kỹ
thuật, từ sản phẩm thông dụng đến các sản phẩm ứng dụng trong công nghệ cao.
- Các hợp chất cao phân tử có nguồn gốc từ thiên nhiên như: xenlulo và các dẫn
xuất của nó, dầu thảo mộc, gelatin, lighin …được sử dụng trong sản xuất giấy, dệt may,
keo dán và sơn.
- Các hợp chất cao phân tử tổng hợp thì được ứng dụng rộng rãi hơn như: ứng
dụng trong kỹ thuật điện tử, trong chế tạo máy, trong sản xuất ô tô, trong xây dựng, sử
dụng trong hàng không vũ trụ, trong công nghiệp hóa chất.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Nguyên nhân mà các hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các
lĩnh vực là nhờ các tính chất ưu việt của nó mà khó có loại vật liệu nào có khả năng sánh
được.

- Hầu hết các hợp chất cao phân tử đều rất nhẹ, tỷ trọng của chúng đều nằm trong
khoảng từ 0,8 ÷1,5. Độ bền riêng lớn (độ bền tính trên một đơn vị khối lượng)
- Một số hợp chất cao phân tử có khả năng cách âm, cách điện và cách nhiệt tốt
(các polymer xốp)
- Có loại có độ ma sát lớn, ít bị mài mòn nên đựơc dùng làm má phanh xe(poly
xenlulo, các hợp chất cao su). Có loại có độ ma sát bé nên ứng dụng làm bạc đỡ các ổ trục
(terflon, poly etylen).
- Có loại bền với axit, bền với bazơ và các loại dung môi nên được dùng làm các
thiết bị chứa hóa chất. Đặc biệt có loại bền với nước cường tan như: poly tetra flo etylen.
- Một số có độ trong suốt rất cao nên được ứng dụng làm kính ô tô, máy bay (poly
metyl meta acrylat)
- Có loại có độ đàn hồi cao nên được dùng làm các gối đỡ, các vòng đệm hay săm
lốp xe ( các loại cao su)
Bên cạnh các tính chất đó các hợp chất cao phân tử còn có một tính chất không
kém phần quan trọng đó là: dể gia công bằng nhiều phương pháp cho ta các sản phẩm đa
dạng.
Nhược điểm duy nhất của các hợp chất cao phân tử đó là khả năng chịu nhiệt kém
điều này cũng hạn chế phần nào phạm vi ứng dụng của nó. Tuy nhiên điều này cũng dần
được khắc phục khi người ta đang nghiên cứu các chất phụ gia và các chất độn làm tăng
khả năng chịu nhiệt của hợp chất cao phân tử lên rất nhiều.
Các hợp chất cao phân tử tồn tại trong một thời gian dài và có các tính chất đa
dạng. Độ bền của các hợp chất cao phân tử có được là do độ linh động của các phân tử
kém và tốc độ của các quá trình khuyếch tán nhỏ.
Chính từ những lý do trên mà các hợp chất cao phân tử được ứng dụng sâu rộng
trong tất cả các lĩnh vực tạo nên một thời kỳ mới: “ Thời kỳ của chất dẻo”
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
* Một số bảng số liệu cho thấy tầm quan trọng của chất dẻo
Bảng 1: Sản lượng của các ngành nhựa và chỉ số bình quân đầu người trong một số

năm qua của nước ta.
Năm Sản lượng (tấn) Chỉ số bình quân đầu người (kg/người)
1975
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
50000
50000
66000
85000
110000
140000
190000
280000
400000
500000
625000
780000
950000
1,05
0,77

1,00
1,27
1,59
1,97
2,62
3,78
5,60
6,60
8,00
9,80
12,2
Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ chất dẻo tính trên đầu người tại một số nước trong khu vực
và trên thế giới năm 2000.
Quốc gia Chỉ số tiêu thụ bình quân trên đầu người (kg/người)
Indonesia
Philippin
Việt Nam
Thái Lan
Malaysia
Hàn Quốc
Nhật Bản
Singapo
5,2
5,2
12,2
20,3
31,0
79,4
85,0
105,5

Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Mỹ
Đài Loan
108,5
144,0
Bảng 3: Thống kê khả năng sản xuất nguyên liệu nhựa của một số nước năm 2000
(chỉ tính cho 5 loại nhựa chủ yếu: PE, PP, PVC, PS, ABS)
Quốc gia Sản lượng (triệu tấn)
Nhật Bản
Trung Quốc
Hàn Quốc
Ấn Độ
Đài Loan
Thái Lan
Indonesia
Malaysia
Singapo
Philippin
Việt Nam
11,6
10,0
8,8
5,9
5,5
3,8
1,9
1,8
1,5

0,5
0,1
2. Lịch sử phát triển và nhu cầu sử dụng nhựa PVC
Trong tất cả các loại chất dẻo, Polyvinylclorua là một trong những loại phổ biến,
được sử dụng rộng rãi trên thế giới bao giờ cũng chiếm tỷ lệ cao. Tổng sản lượng PVC
trên thế giới vào những năm 1983 đạt 17500000 tấn
Bảng 4: Sản lượng PVC trên thế giới những năm 1983
Khu vực Sản lượng (nghìn tấn)
Tây âu
Tây bán cầu
Đông bán cầu
Trung đông
Khu vực khác
5500
5000
3600
2700
700
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Tổng 17500
Nguyên liệu để sản xuất nhựa Polyvinylclorua là vinylclorua. Năm 1835 Renôl
đã điều chế được vinylclorua từ diclo êtan đun nóng với dung dịch rượu. Nhưng mãi
đến cuối năm 1930 mới sản xuất được vinylclorua và năm 1937 mới bắt đầu sản
xuất Polyvinylclorua trong công nghiệp.
Công nghiệp chất dẻo từ nhựa Polyvinylclorua đang và sẽ phát triển rất mạnh.
Màng từ nhựa Polyvinylclorua được sử dụng rất rộng rải trong đời sống hằng ngày. Với
màng mềm Polyvinylclorua được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực ( xem bảng 5 ):
Bảng 5: Các lĩnh vực ứng dụng của màng mềm Polyvinylclorua

Loại sản phẩm Phạm vi sử dụng Độ dày thông dụng
Màng mềm -Áo đi mưa.
-Khăn trải bàn.
-Màn, cờ trang trí…
0,1 - 0,17 mm
Màng thổi khí -Phao, hồ bơi trẻ em thổi khí.
-Đồ chơi trẻ em thổi khí.
-Các biểu tượng quảng cáo …
0,15 - 0,45 mm
Màng trong suốt -Túi xách, cặp, ba lô, túi tiền.
-Quai giày, dép, bọc thẻ.
-Bao bì các loại từ thông dụng đến
chuyên dùng…
Loại mỏng
0,05 - 0,12 mm
Loại dày
0,13 - 0,5 mm
Bán thành phẩm
cho giả da.
-Lớp mặt cho giả da
-Lớp bóng cho giả da, giầy dép, túi
xách, áo khoác, găng tay…
0,05 mm
Các phạm vi ứng dụng của màng cứng Polyvinylclorua rất đa dạng trong các lĩnh
vực sau:
-Y tế : làm bao bì cho các sản phẩm y dược.
-Thực phẩm: làm hộp, khay đựng bánh, mứt, kẹo, thực phẩm tươi sống
đóng hộp như trái cây, rau, cá…
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H

4
-Công nghiệp sản xuất hàng hóa: làm bao bì cho các sản phẩm điện tử văn
phòng phẩm, đồ chơi trẻ em, các mặt hàng gia dụng…
-Các loại ly, chén dĩa…( dùng một lần ).
Đặc biệt Polyvinylclorua được sử dụng trong một số lĩnh vực quan trọng khác như
làm ống dẫn nước, bọc dây điện, sợi tổng hợp…
Bảng 6: Mức tiêu thụ Polyvinylclorua bình quân đầu người năm 2001 của một số
nước trong khu vực như sau:
Đơn vị tính: kg
Quốc gia
Ấn
Độ
Việt
Nam
Trung
Quốc
Malaysia
Thái
Lan
Hàn
Quốc
Mỹ
Đài
Loan
Mức tiêu
thụ PVC
0,8 1.5 2,1 5.5 6,2 17,1 20 43,5
Trong những năm tới nhu cầu sử dụng các sản phẩm từ nhựa tăng lên rất nhanh,
người ta ước tính mức tăng trưởng nhựa Polyvinylclorua ở Việt Nam hàng năm là 15%
( xem bảng 6 ):

Bảng 6: Dự đoán tỷ lệ tăng trưởng trong thời kỳ 2005 - 2010
Nhóm sản
phẩm nhựa
Năm 2005
Tỷ lệ tăng tưởng hàng năm, (%)
2005-2010
Năm 2010
Sản lượng
(tấn/năm)
%
Cho từng loại
sản phẩm nhựa
Tỷ lệ tăng
trưởng bình quân
Sản lượng
(tấn/năm)
%
Bao bì 500000 24 17 1100000 26
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
15
Vật liệu
xây dựng
500000
24 16 1050000 25
Gia dụng 730000 34 10 1200000 28
Phục vụ các
ngành công
nghiệp khác

370000 18 18 850000 21
Tổng cộng 2100000 4200000
Để đáp ứng được yêu cầu đó, thì việc thiết kế một nhà máy sản xuất nhựa PVC là
điều rất cần thiết, như thế sẽ tránh được tình trạng phải nhập nguyên liệu cũng như các
sản phẩm từ nhựa của các nước trong khu vực vào thị trường của nước ta.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT TRÙNG HỢP PVC
1.1 Đặc điểm của phản ứng trùng hợp
Quang trùng hợp vinylclorua dưới ánh sáng mặt trời không có chất khởi đầu xảy
ra chậm nhưng dưới ảnh hưởng của ánh sáng tử ngoại thì nhanh hơn. Nhiệt độ phản ứng
tăng và thêm peroxit thì tăng tốc độ trùng hợp.
Không có O
2
và chất khởi đầu thì nhiệt trùng hợp vinylclorua không xảy ra, nhưng
nếu có O
2
thì polyme tạo ra tương đối nhanh sau một thời gian cảm ứng. Trong thời gian
cảm ứng O
2
kết hợp với vinylclorua tạo ra peroxit, peroxit phân hủy thành các gốc và
trùng hợp.
Phản ứng trùng hợp rất nhạy với tạp chất C
2
H
2
, CH
3

OH và C
2
H
5
OH, HCl làm
chậm nhiều vận tốc quá trình, còn stirol, hydroquinol, phenol, brom và KMnO
4
làm
ngừng phản ứng.
Trùng hợp vinylclorua trong dung môi thường thu được polyme có trọng lượng
phân tử thấp và vận tốc phản ứng giảm. Nhiều trường hợp dung môi ảnh hưởng đến trật tự
sắp xếp của các mắt xích dọc theo mạch phân tử. Nếu tiến hành trùng hợp vinylclorua
trong điều kiện trên 75
o
C thì có khí HCl tách ra từ Polyvinylclorua. Hiện tượng này dễ
xảy ra khi có dung môi.
Nghiên cứu trùng hợp vinylclorua trong khối (tức là trong pha lỏng) có chất khơi
mào thì thấy rằng trùng hợp xãy ra theo cơ chế chuỗi gốc bình thường nhưng có hai nét
đặc biệt:
* Vận tốc trùng hợp tăng từ lúc bắt đầu phản ứng đến khi gần 50%
monome chuyển hóa. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng gel.
* Vận tốc trùng hợp monomer vinylclorua tạo PVC có giá trị lớn hơn rất
nhiều so với trùng hợp các hợp chất vinyl khác.
Cả hai đặc điểm này có ý nghĩa thực tế. Đặc điểm đầu là nguyên nhân không ổn
định của vận tốc trùng hợp nhũ tương và huyền phù. Đặc điểm hai có ảnh hưởng lớn
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
đến trọng lượng phân tử của polyme thu được. Xuất phát từ đấy mà trong công nghiệp,
người ta thường điều chỉnh trọng lượng phân tử của polyme bằng cách thay đổi nhiệt độ

trùng hợp, chứ không phải thay đổi nồng độ chất khơi mào.
Ngoài ra để điều chỉnh trọng lượng phân tử ta có thể thêm vào các hợp chất có khả
năng truyền mạch hoặc dùng phương pháp nồng độ có hiệu lực của monome trong hệ
thống phản ứng. Trường hợp này có thể dùng phương pháp trùng hợp vinylclorua trong
nhũ tương ở áp suất thấp có nghĩa là thấp thua áp suất hơi bảo hòa của vinylclorua trong
điều kiện nhiệt độ nhất định. Làm như vậy tức giảm nồng độ monome trong pha nước,
làm giảm phân tử lượng và vận tốc trùng hợp.
1.2 Cơ chế của quá trình trùng hợp
Cơ chế trùng hợp monomer vinylclorua tạo PVC là trùng hợp gốc xảy ra theo ba
giai đoạn:
* Giai đoạn khơi mào tạo ra các gốc hoạt tính:
Có thể khơi mào bằng các tác nhân khơi mào như dùng nhiệt hoặc ánh sáng, hoặc
dùng chất khơi mào như : - ter-butyl peroxyneodecanoate
- Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate
Hay hợp chất azo, diazo. Ở giai đoạn đầu chất khơi mào phân hủy dưới tác dụng
của nhiệt hay ánh sáng tạo ra các gốc tự do:
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
OCH
3
O
CH
3
(CH
2
)
3
C CH
2
O C O
CH

3
OCH
3
O
2 CH
3
(CH
2
)
3
C CH
2
O C O
*
CH
3
OCH
3
2 CH
3
(CH
2
)
3
C CH
2
O
*
+ CO
2

CH
3
t
0
2
t
0
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Gọi R
*
* Giai đoạn phát triển mạch:
Các gốc của chất khơi mào sẽ tác dụng với vinylclorua để tạo các gốc tương ứng.
Các gốc này tiếp tục tác dụng với vinylclorua để thực hiện phản ứng chuyển gốc (truyền
năng lượng) và do đó kéo dài mạch trùng hợp ra.
* Giai đoạn ngắt mạch:
Sự ngắt mạch của phản ứng gắn liền với sự bão hoà điện tử không cặp đôi, nên quá
trình ngắt mạch là kết quả tương tác của hai gốc tự do. Đó là sự kết hợp giữa các gốc
polyme với nhau theo hai cơ chế: - Tái hợp gốc
- Bất tỷ phân
- Tái hợp gốc: nếu quá trình ngắt mạch của các polyme theo cơ chế này thì kết quả
thu được chất polyme có trọng lượng phân tử lớn
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
R
*
+ CH
2
CH R CH
2

CH
*
Cl Cl
H H
R CH
2
C
*
+ CH
2
CH R CH
2
CH CH
2
C
*

Cl Cl Cl Cl
H
R CH
2
CH CH
2
C
*
+ ( n -1 ) CH
2
CH
Cl Cl Cl
H

R CH
2
CH CH
2
C
*
n
Cl Cl
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
- Bất tỷ phân: quá trình ngắt mạch xảy ra theo cơ chế bất tỷ phân thì polyme thu
được không đồng nhất và có trọng lượng phân tử thấp.
1.3 Các phương pháp khơi mào
* Khơi mào bằng tác nhân nhiệt độ: các gốc tự do xuất hiện dưới của nhiệt. Sự tạo
gốc tự do có thể xem như quá trình mở liên kết đôi.
Tiếp theo lưỡng gốc này tương tác với các phân tử monome.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
H H
R CH
2
CH CH
2
C
*
+ R
1
CH
2
CH CH
2

C
*
n m
Cl Cl Cl Cl

R CH
2
CH CH
2
CH R
1
n+m+1
Cl Cl
H H
R CH
2
CH CH
2
C
*
+ R
1
CH
2
CH CH
2
C
*
n m
Cl Cl Cl Cl

R CH
2
CH CH
2
CH
2
+ R
1
CH
2
CH CH
2
C

n m
Cl Cl Cl Cl
CH
2
CH * CH
2
CH *
Cl Cl
đun nóng
* CH
2
CH * + CH
2
CH * CH
2
CH CH

2
CH *
Cl Cl Cl Cl
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Sau đó lưỡng gốc biến thành đơn gốc, polyme.
Trùng hợp nhiệt xảy ra rất chậm và tốc độ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
* Khơi mào bằng tác nhân ánh sáng: các monome hấp thụ lượng tử năng lượng ánh
sáng và chuyển sang trạng thái bị kích thích, rồi chuyển thành lưỡng gốc tự do.
Trong trùng hợp bằng tác nhân khơi mào quang hóa cũng như trong trùng hợp
bằng tác nhân là nhiệt, lưỡng gốc tiếp tục phát triển thành đơn gốc polyme.
Khi khơi mào quang hóa, phản ứng trùng hợp đôi khi vẫn tiếp tục một thời gian
nữa mặc dù dã ngừng chiếu sáng.
* Khơi mào bằng tác nhân bức xạ:dùng bức xạ ion hóa (tia γ, tia rơngen,dòng điện
tử gia tốc) tác dụng lên monome tạo thành các gốc tự do, khơi mào cho phản ứng trùng
hợp.
Ở mức độ chuyển hóa thấp, trùng hợp bằng tác nhân bức xạ tuân theo quy luật của
trung hợp bằng tác nhân ánh sáng.
* Khơi mào bằng tác nhân chất khơi mào: sự tăng tốc độ phản ứng đạt được bằng
cách đưa các gốc tự do từ ngoài hệ. Các gốc có thể đưa vào ở trạng thái tự do, hoặc dưới
dạng hợp chất dễ phân rã trong điều kiện phản ứng để tạo thành các gốc tự do.
Sự phân rã phân tử chất khơi mào thành các gốc tự do tiêu tốn năng lượng nhỏ hơn
so với năng lượng cần để tạo gốc tự do bằng cách hoạt hóa trực tiếp monome. Bởi vậy
đưa chất khơi mào vào để tạo các trung tâm hoạt động và làm tăng tốc độ quá trình trùng
hợp.
Sự tương tác của các monome với gốc (tạo thành do sự phân hủy chất khơi mào) là
giai đoạn phản ứng cơ sở đầu tiên của quá trình phát triển mạch.
Các chất khơi mào được dùng là các peoxyt hữu cơ, hydropeoxyt, ozonit, một số
hợp chất azo và diazo …
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm

CH
2
CH + hγ * CH
2
CH *
Cl Cl
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
1.4 Các phương pháp trùng hợp vinylclorua tạo PVC
Để sản xuất Polyvinylclorua có nhiều phương pháp như phương pháp trùng hợp
khối, trùng hợp trong dung dịch , trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù.
1.4.1 Trùng hợp khối
Là quá trình trùng hợp monome không dùng dung môi. Polyme thu được ở dạng
một khối lớn.
Phương pháp này ít được sử dụng để trùng hợp Polyvinylclorua vì sản phẩm thu
được có trọng lượng phân tử không đồng đều, khó nghiền và xử lý, khó dẫn nhiệt phản
ứng ra do đó gây ra hiện tượng nhiệt cục bộ làm phân hủy Polyme tạo ra khí HCl và làm
biến màu sản phẩm, sản phẩm polime ở dạng khối khó gia công. Tuy nhiên phương pháp
này đem lại sản phẩm có độ sạch cao và tính cách điện cao, có thể dùng để sản xuất vật
phẩm trong suốt. Phương pháp này thường sử dụng để tạo các vật phẩm có hình dáng
phức tạp, sản phẩm tạo thành được sử dụng không qua các quá trình gia công trung gian.
Thành phần của hổn hợp phản ứng là:
- Monome(VC tinh khiết) : 100 phần khối lượng.
- Chất khởi đầu : 0,02 ÷ 0,1% so với monome.
Chất khởi đầu: peroxit benzoyl hoặc azodiazo butylronitril, chất khởi đầu tan trong
monome.
Đầu tiên cho VCM và chất khởi đầu vào, tiến hành khuấy trộn, gia nhiệt. Trùng
hợp ở nhiệt độ 60 – 70
o
C, áp suất 7,5 – 8,5 atm, thời gian phản ứng từ 16 – 20 giờ, vận

tốc cánh khuấy 60 – 70 vòng/phút. Khi áp suất còn lại 4,5 – 5 atm là được. Hiệu suất
chuyển hóa của VCM khoảng 85%. Tách VCM thừa bằng cách gia nhiệt và khuấy trộn
mạnh làm VCM bay hơi.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
1.4.2 Trùng hợp dung dịch
Dung môi sử dụng phải trở với các hợp chất trong phản ứng để hạn chế phản ứng
truyền mạch.
* Phương pháp thứ nhất gọi là phương pháp "vecni" trong đó môi trường phản ứng
là dung môi hòa tan được cả monome lẫn Polyme như dicloetan, disunfuacacbon. Tách
Polyme ra bằng cách dùng nước để kết tủa hoặc chưng cất để tách hết dung môi.
Phương pháp này ít được dùng vì quá trình trùng hợp lâu và tốn nhiều dung môi,
sản phẩm thu được có độ sạch không cao. Tuy nhiên sản phẩm của quá trình này có thể
đem đi sử dụng ngay cho các công đoạn khác như đem đi kéo sợi để tạo các sản phẩm vải
lót máy móc.
* Phương pháp thứ hai là tiến hành trùng hợp trong dung môi hòa tan monome
nhưng không hòa tan Polyme như axeton. Trong trường hợp này polyme dần dần tách ra
ở dạng bột mịn.
Phương pháp này dễ điều khiển nhiệt độ phản ứng nhưng do nồng độ của monome
thấp nên Polyme thu được có trọng lượng phân tử không cao.
Quá trình trùng hợp: dung môi được cho vào trước, sau đó cho vinylclorua lỏng rồi
cho chất khởi đầu vào. Phương pháp này tiến hành ở nhiệt độ thấp (35 ÷ 40
o
C).
Thành phần của hỗn hợp:
- Monome: Vinylclorua dạng lỏng
- Dung môi: không hòa tan polyme (rượu), hoặc hòa tan polyme (dicloetan).
- Chất khởi đầu hoặc chất xúc tác
- Chất ổn định nhiệt, ổn định pH ( nếu có ).

1.4.3 Trùng hợp nhũ tương
Thành phần hỗn hợp phản ứng gồm:
- Monome: VC tinh khiết
- Nước: làm môi trường phân tán để tạo nhũ tương chứa khoảng 30 ÷ 60 %
monome.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
- Chất nhũ hóa: để tăng cường sự tạo nhũ và làm ổn định nhũ tương của hệ
thống, chất nhũ hóa là các loại xà phòng của axit béo hàm lượng 0,1 ÷ 0,2 %.
- Chất ổn định pH
- Chất ổn định nhũ tương (nếu có).
- Chất khơi mào cho phản ứng (hệ oxy hóa khử H
2
O
2
+ persulfat)
Ở đây chất khơi mào tan trong nước vì thế phản ứng trùng hợp xảy ra ở khu vực
tiếp xúc giữa vinylclorua và nước. Polyme tạo thành ở trạng thái nhũ tương trong nước
nên cần phải tách polyme ra khỏi nhũ tương.
Chất khởi đầu thường dùng là hệ oxy hóa khử H
2
O
2
+ persulfat, kim loại kiềm.
Chất nhũ hóa là các loại xà phòng axit béo, trietanol amin dùng với một lượng khoảng 0,1
÷ 0,5% trọng lượng nước. Lượng chất nhũ hóa tăng thì độ phân tán hạt polyme tăng làm
thay đổi vận tốc phản ứng và trọng lượng phân tử của polyme.
Đối với trùng hợp nhũ tương, chất khởi đầu không những dùng hợp chất peroxit
đơn giản mà còn dùng hệ oxy hóa khử bảo đảm vận tốc trùng hợp lớn hơn (như hệ

persulfat amon với NaHSO
4
và hệ H
2
O
2
-ion Fe
2+
). Ngoài ra cần thêm muối đệm để giử
nguyên độ pH (thường từ 4 đến 9). Muối đệm hay dùng là axetat kim loại nặng phốt phát,
cacbônat kim loại kiềm. Có khi còn dùng thêm cả chất điều chỉnh để điều chỉnh tính chất
và trọng lượng phân tử của polyme.
Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng tiến hành trùng hợp liên tục. Nhờ
khuấy đều và polyme tách ra liên tục nên sản phẩm rất đồng nhất, có trọng lượng phân tử
cao, quá trình tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp và độ đa phân tán thấp. Polyme thu
được ở dạng latex nên phải tách polyme ra khỏi nhũ tương bằng phương pháp sấy hoặc
keo tụ bằng các chất điện ly cloruaamoni. Bên cạnh đó sản phẩm của quá trình này ở
dạng lỏng nên khó vận chuyển, điều kiện bảo quản phù hợp.
* Cơ chế trùng hợp nhũ tương.
Chất nhũ hóa khi tan trong nước ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn của các mixen
thì các phân tử tập hợp tạo thành các mixen.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Các monome hòa tan trong các mixen. Chất khởi đầu tan trong nước sẽ phân hủy
để tạo thành gốc, khi đó gốc tiến tới bề mặt phân chia pha để tương tác với các monome
thì quá trình trùng hợp xảy ra. Trong mixen có một gốc họat động, khi có hai gốc thì xảy
ra phản ứng đứt mạch. Khi có gốc thứ ba xâm nhập vào thì quá trình trùng hợp lại bắt
đầu. Các mixen lớn dần lên tạo thành latex thì quá trình dừng lại. Các latex tích điện
giống nhau nên đẩy nhau rất khó keo tụ, nên phải tiến hành phá các latex bằng cách dùng

chất điện ly mạnh như: muối của kim loại kiềm, axít mạnh …Sau khi keo tụ tiến hành
tách polyme.
* Quá trình trùng hợp.
Thoạt đầu dùng nước nóng đưa nhiệt độ phản ứng lên 40 ÷ 50
o
C, áp suất trong nồi
đạt 5 ÷ 7 at, hỗn hợp phản ứng gồm:
VCM, chất nhũ hóa, nước, chất khởi đầu, chất điều chình sức căng bề mặt, chất
điều chỉnh pH. Thời gian hoạt đông 1 ÷ 2 giờ, sau đó phản ứng trùng hợp tỏa nhiệt làm
cho nhiệt độ và áp suất trong nồi tăng lên, nên dùng nước lạnh để điều chỉnh nhiệt độ và
áp suất trong nồi. Phản ứng kết thúc khi áp suất tụt xuống. Khi đó tăng nhiệt độ để phản
ứng đứt mạch xảy ra nhanh, cuối cùng muốn tách polyme ra khỏi nhũ tương có thể dùng
biện pháp sau:
- Cho nhũ tương PVC liên tục qua thiết bị sấy thùng quay.
- Cho latex liên tục phun qua hệ thống sấy khô polyme.
- Lấy nhũ tương PVC qua thiết bi ly tâm, rồi tiến hành sấy khô polyme.
PVC ở dạng latex có thể dùng ngay để tráng lên bề mặt vải, da, giấy, hoặc dùng
làm nguyên liệu kéo sợi …
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
Mixen dạng bản Mixen dạng cầu
(nhóm kỵ nước nhóm ưa nước)
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
1.4.4 Trùng hợp huyền phù
Để trùng hợp huyền phù ta cho vinylclorua lỏng phân tán trong nước, chất khởi
đầu tan trong monome như:
- Tert – butyl peroxyneodecanoate
- Cumyl peroxyneodecanoate
- Di – 2 – etyl hexyl peroxydecarbonate
- Peoxit benzoyl

Bằng cách chọn chất khơi mào hoặc hỗn hợp chất khơi mào có thể điều chỉnh được
vận tốc trùng hợp và trong nhiều trường hợp nâng cao được độ chịu nhiệt và ánh sáng. Để
tăng độ bền của huyền phù thì sử dụng chất ổn định là các polyme tan trong nước như
polyvinyl alcol. Kích thước hạt polyme thu được trong trùng hợp huyền phù phụ thuộc
vào cường độ khuấy trộn và chất ổn định đem dùng. Bằng phương pháp trùng hợp giọt ta
thu được huyền phù polyme, hạt polyme thu được có kích thước lớn hơn rất nhiều so với
trùng hợp nhũ tương, vì chất khơi mào tan trong giọt monome nên quá trình trùng hợp
xảy ra trong giọt monome (có thể xem trùng hợp huyền phù là trùng hợp khối trong
giọt).
Khác với trùng hợp nhũ tương, trùng hợp huyền phù tiến hành trong giọt monome
được bao bọc bởi lớp keo bảo vệ. Bản chất trùng hợp huyền phù là trùng hợp khối. Người
ta đưa ra cơ chế tạo thành và phát triển hạt polyme như sau:
* Cơ chế tạo thành và phát triển hạt polyme trong trùng hợp huyền phù. Hình (1)
giọt polyme có lớp bao ổn định tạo thành. Trong thời kỳ đầu phản ứng (2), nếu kết thúc
quá trình trùng hợp và tách hết monome ra thì ta thu được polyme có bề mặt rất lớn được
bao phủ bởi lớp keo bảo vệ. Tiến hành trùng hợp tiếp, kích thước hạt polyme tăng lên.
Khi mức độ chuyển hóa 20 ÷ 30% thì chúng dính vào nhau và hợp lại (3) tạo thành khối
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
Hìh vẽ
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
nhỏ rất xốp (4) và được trương lên trong monome (5) phù hợp với thời điểm biến mất của
pha lỏnggiọt monome ban đầu (bắt đầu giảm áp trong nồi trùng hợp).
Ưu điểm của phương pháp này là polyme thu được có kích thước hạt lớn và đồng
đều hơn, độ tinh khiết cao hơn so với polyme thu được từ phương pháp nhũ tương. Do hạt
to nên dễ tách ra khỏi nước bằng ly tâm hoặc lọc.
Từ bốn phương pháp trùng hợp vinylclorua để sản suất nhựa Polyvinylclorua ở
trên. Nhận thấy phương pháp trùng hợp vinylclorua trong huyền phù là ưu việt hơn cả do
phương pháp này tạo ra hạt polyme có kích thước lớn, đồng đều, dễ điều chỉnh kích
thước hạt, nhiệt độ phản ứng trùng hợp thấp (57 ÷ 59

o
C) cũng như thời gian tiến hành
trùng hợp không lâu, hiệu suất trùng hợp tương đối cao (86 ÷ 89%).
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
CHƯƠNG 2
NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP PVC
Nguyên liệu chính để sản xuất Polyvinylclorua là vinylclorua và một số nguyên liệu
phụ khác như chất khơi mào, chất ổn định huyền phù, chất ổn định nhiệt chất kìm hãm …
Tùy theo loại và hàm lượng của các nguyên liệu phụ này mà ta có thể tạo ra được nhiều loại
Polyvinylclorua khác nhau ( có độ trùng hợp trùng hợp khác nhau) ví dụ như:
K-58 ( độ trùng hợp n = 700 ).
K-66 ( độ trùng hợp n = 1020 ).
K-71 ( độ trùng hợp n = 1270 ).
Trong ba loại trên thì loại K - 66 được sử dụng nhiều nhất (chiếm khoảng 90 % ).
Như vậy nhà máy này sẽ sản xuất loại K–66. Các nguyên liệu chính để sản xuất loại nhựa
này gồm có:
2.1 Monome vinylclorua (VCM)
Vinyl clorua là nguyên liệu chính để sản xuất Polyvinylclorua.
Công thức cấu tạo:
Khối lượng phân tử: 62,5
Nhiệt độ sôi t
o
s
= - 13,8
o
C
Nhiệt độ nóng chảy t
o

nc
= - 153,7
o
C
Tỷ trọng ở 58
o
C: d = 0,899 g/cm
3

Độ nhớt ở 35
o
C: 0,18 cp
Nhiệt hoa hơi ở 35
o
C: 75,2 kcal/kg.
o
C
Chiếc suất n
20
D
= 1,4046
n
40
D
= 1,398
Nhiệt dung riêng: 0,4 kcal/kg.độ
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
CH
2
= CH

Cl
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Độ dẫn nhiệt: 0,116 kcal/m.độ
Độ tan trong nước: 25,7 mg/100ml ở 20
o
C
VCM tạo hỗn hợp nổ với không khí ở giới hạn 3,6 ÷ 26,4% về thể tích.
Vinyl clorua ở nhiệt độ và áp suất thường là khí không màu, có mùi giống mùi của
clorofoc. Vinyl clorua tan trong các dung môi như axeton, C
2
H
5
OH, các hydrocacbon thẳng
và thơm. Vinyl clorua có tính độc, khi tiếp xúc nhiều có thể gây ung thư gan. Nồng độ cho
phép của nó khi tiếp xúc làm việc là 1 ppm trong thời gian 8h một ngày sản xuất. Khi tiếp
xúc với vinyl clorua nồng độ cao thì nó gây choáng, mất ổn định gây hôn mê có thể gây
bỏng da nếu tiếp xúc trực tiếp với VCM.
Có thể bảo quản và chuyên chở vinyl clorua ở trong bình thép chịu áp suất. Vinyl
lorua cũng có thể bảo quản ở nhiệt độ thấp (-20
o
C và thấp hơn) trong trường hợp không có
chất ổn định nếu không có O
2
và dưới áp suất khí N
2
thì có thể bảo quản ở nhiệt độ thường.
Thường thêm vào một lượng khoảng 5 ppm (so với vinylclorua) các chất như hydro quinon,
tert- bytil pirôkatêsin khi bảo quản và chuyên chở.
* Các phương pháp sản xuất vinylclorua

Khử hydro và clo của dicloetan bằng dung dịch rượu kiềm.
ClCH
2
- CH
2
Cl + NaOH/CH
3
OH CH
2
= CHCl + NaCl + H
2
O
Phương pháp này không kinh tế, tốn nhiều NaOH, rượu, thiết bị phải to nên rất ít
được sử dụng trong công nghiệp.
Clo hóa êtylen ở nhiệt độ cao.
CH
2
= CH
2
+ Cl
2
CH
2
= CHCl + HCl
Hydro hóa và clo hóa C
2
H
2

Xúc tác sử dụng là Ni hay HgCl

2
ở nhiệt độ cao. Phương pháp này có hạn chế là giá
thành C
2
H
2
cao hơn giá thành của etylen, nên ít được sử dụng trong công nghiệp.
CH CH + H
2
+Cl
2
CH
2
= CHCl + HCl
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Nhiệt phân dicloetan
Với xúc tác Al
2
O
3
ở nhiệt độ 500 ÷ 550
o
C
ClCH
2
– CH
2
Cl CH

2
= CHCl + HCl
Quá trình nhiệt phân dicloetan có thể kết hợp với quá trình hidro và clo hóa, nếu HCl
tạo ra khi nhiệt phân cho vào nồi phản ứng khác để kết hợp với C
2
H
2
.
Phương pháp này rất kinh tế, dây chuyền sản xuất đơn giản, nhưng xúc tác không
bền không tái sinh được và ở nhiệt độ cao tạo ra sản phẩm phụ như C
2
H
2
, dien…
Gần đây có khuynh hướng dùng phương pháp này là chủ yếu vì có nhiều etylen kỹ
thuật trong dầu mỏ. Trong kỹ thuật hiện đại, người ta có thể sản xuất được vinylclorua
nguyên chất đến 99,5 ÷ 99,99 %. Về tạp chất có thể có một ít axetylen, nhưng không được
có xút vì nó làm cho C
2
H
2
dễ tạo thành hỗn hợp nổ ở giới hạn 4,0 ÷ 21,7 % thể tích.
Vinylclorua có tác dụng kích thích, nồng độ cho phép trong không khí của phân xưởng là 1
mg/l.
2.2 Chất ổn định huyền phù (polyvinyl ancol)
Do phản ứng trùng hợp tiến hành trong môi trường huyền phù với môi trường phân
tán là nước nên ta sử dụng một số chất ổn định huyền phù như sau:

Loại 1 (Agent - 1 )
Công thức cấu tạo của nó như sau :

Độ trùng hợp n = 700.
Chất lượng:
Độ nhớt dung dịch Agent-1: 4 % là 5,4 ± 0,4 cp (ở 20
o
C).
Chỉ số xà phòng hóa 71,0 ± 1,5 mol.(% nhóm OH).
Thành phần dễ bay hơi 3,0 % khối lượng (tối đa).
Hàm lượng tro 1,0 % khối lượng (tối đa).
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
CH
2
CH
n
OH
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
Điều kiện sử dụng:
Áp suất nạp : 10 kG/cm
2
Nhiệt độ : nhiệt độ phòng.
Agent-1 được sử dụng ở dạng dung dịch có nồng độ là 7,0 %.
Loại 2 ( Agent - 2 )
Công thức cấu tạo của nó như sau :
Độ trùng hợp : n = 2000
Chất lượng:
Độ nhớt dung dịch 4% là 32,0 ÷ 38,0 cp (ở 20
o
C).
Chỉ số phòng hóa 78,5 ÷ 81,5 % mol.
Độ trong suốt của dung dịch 4% tối thiểu 90 %.

Thành phần dễ bay hơi 5,0 % khối lượng (tối đa).
Hàm lượng tro 1,0 % khối lượng (tối đa).
Điều kiện sử dụng:
Áp suất nạp : 10 kG/cm
2
Nhiệt độ : nhiệt độ phòng.
Agent-2 được sử dụng ở dạng dung dịch có nồng độ là 5 %.
2.3 Chất khơi mào (khởi đầu)
Chất khơi mào được sử dụng với mục đích tạo ra các gốc tự do, các gốc tự do này sẽ
khơi mào cho quá trình chuyền mạch của monome từ đó làm tăng vận tốc của quá trình
phản ứng. Ở đây ta sử dụng hai loại chất khơi mào có nhiệt độ, thời gian phân hủy khác
nhau, như thế nó có tác dụng phân hủy từ từ và đều trong quá trình phản ứng. Như vậy quá
trình phản ứng xảy ra được ổn định, êm dịu và dể kiểm soát quá trình phản ứng.

Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
CH
2
CH
n
OH
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
2.3.1 Chất khơi mào 1 ( C-19 )
Tên gọi: Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate.
Công thức phân tử:
Tính chất vật lý:
Màu sắc: trắng
Trọng lượng riêng 0,928 kg/l ở 10
o
C.

Độ nhớt 1,3 poa ở 10
o
C.
1,7 poa ở -15
o
C.
Ăn mòn: không.
Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước.
Sự phân hủy: khí CO
2
, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C - 19 ở nhiệt độ
phòng. Phản ứng oxy hóa khử xãy ra khi có tiếp xúc với kim loại như là sắt.
Khả năng cháy: không cháy.
Nổ : không.
Điểm cháy: 72
o
C.
Chống cháy: các loại bọt, bột để dập lửa và làm lạnh với nhiều nước.
Điều kiện sử dụng:
Trạng thái nhũ tương.
Nồng độ 60 %.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
C
2
H
5
O
CH
3
CH

2
CH CH
2
O C O

3
2
SVTH: Nguyễn Tấn Thông-00H
4
2.3.2 Chất khơi mào 2 ( C-29 )
Tên gọi: Cumyl peroxyneodecanoate
Công thức phân tử :
Tính chất vật lý:
Màu sắc: trắng
Trọng lượng riêng 0,963 kg/m
3
ở -15
o
C.
0,927 kg/m
3
ở 20
o
C.
Độ nhớt 5,6 poa ở 0
o
C.
18 poa ở -15
o
C.

Ăn mòn: không.
Nổ: không.
Điểm cháy: 49
o
C
Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước.
Khả năng cháy : không cháy.
Sự phân hủy: khí CO
2
, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C - 29 ở nhiệt độ
phòng. Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi có tiếp xúc với các kim loại có hóa trị như là sắt,
mangan, đồng…
Chống cháy: các loại bọt, bột để dập lửa, và làm lạnh với nhiều nước.
Điều kiện sử dụng:
Trạng thái nhũ tương.
Nồng độ 50%.
2.4 Chất kìm hãm (AD-3)
Mục đích của nó cho vào nhằm ngăn chặn không cho phản ứng xảy ra.
Tên gọi: 2,2-Diphenyl propane.
Đề tài: Thiết kế dây chuyền sản xuất PVC huyền phù năng suất 45000 tấn/năm
CH
3
O CH
3
C O O C C C
6
H
13

CH

3
CH
3