Процесс получения бутадиен – нитрильного каучука СКН с различным содержанием акрилонитрила

 
 
 

6. Теловой баланс реакционного узла

 

1. Температура компонентов на входе - 25°С
2. Температура рассола в рубашке охлаждения реакторов -15°С
3. Температура в реакторах 5°С..
4. В качестве хладагента используется насыщенный раствор соли (рассол).

 

Общая формула  для расчета теплового баланса:

Q1 + Q2 = Q3+Q4 + Q5 , где

Q1 – теплота полимеризации

Q2 – тепло перемешивания

Q3 – тепло, расходуемое на охлаждение реагентов

Q4–тепло, снимаемое хладагентом

Q5– потери в окружающую среду

1. Рассчитаем приход тепла за счет теплового эффекта реакции полимеризации.

Q1 = G_полим. * ∆Н_реакц , где

   ∆Н_реакц  - тепловой эффект реакции, равный 250ккал/кг (1047,5кДж) [7]

   G_полим. – количество полимера, кг/час

Q1 = 5005,005 * 1047,5 = 5242742,7 кДж*кг/час

2. Рассчитаем тепло перемешивания:

Q2 = Аn^α, где

А – коэффициент  пропорциональности

n – число оборотов мешалки

α ≈ 2 ÷ 3

Q2 = 1 * 350³ = 42875,00 кДж

3. Рассчитаем количество тепла, расходуемое на охлаждение реагентов:

Q _3i = G_i × Cpi × t

где

G – расход вещества, кг/час;

Cp – теплоемкость (кДж/(кг × град); [12], [13]

 t – температура в градусах Цельсия.

 

Для бутадиена:

 

Q _б =  5291,005× 2,197 × (25 - 5) = 232486,74 кДж/час

  Для акрилонитрила:

                      Q _а =  1859,002× 2,09 × 20= 77706,28 кДж/час

Для водной фазы принимаем, что ее теплоемкость равна теплоемкости воды, так как содержание компонентов в водной фазе незначительно влияет на теплоемкость всей фазы:

                      Q _в =  14300× 4,2 × 20= 1201200 кДж/час

Суммарное количество тепла

Q ₃ = Q _б + Q _а + Q _в = 1511392,9 кДж/час

4. Для осуществления процесса полимеризации в соответствии с технологией и требуемым температурным режимом, необходимо часть тепла «снимать».

Найдем количество хладагента, рассола, необходимое для  съема тепла:

 

По литературным данным подаваемое количество хладагента равно 

6000 кг/час при  температуре   -15⁰С. [7]

Q ₄ = Cp _{расcола} × G _{рассола} × (t _конеч – t _нач),

где

Cp _{расcола} – теплоемкость рассола, кДж/(кг градус);

(t _конеч – t _нач) – конечная и начальная температура рассола при прохождении через змеевик.

Q ₄ = 6000 × 28,56× (5 – (-15)) = 3427200 кДж/час

 

5. Найдем  количество теплопотерь в окружающую среду, они не должны превышать 10%:

(Q ₁ + Q ₂ ) – (Q ₃ + Q ₄ ) = 347024,8 кДж

Найдем сколько  это будет в процентах:

(347024,8 / 5285617,7) × 100% = 6,56%

    

Тепловой баланс процесса представлен в таблице 11.

Таблица 11.

Тепловой  баланс процесса полимеризации.

 
 
 

7. Контроль производства. [5], [6].

Аналитический контроль

      Сырье.

      В зависимости от способа полимеризации  бутадиена, к нему предъявляются  определенные требования по его чистоте. При каталитической полимеризации  требования к качеству бутадиена  повышаются, так как указанный  способ полимеризации обладает высокой  чувствительностью к различным  микропримесям.

      Для определения концентрации бутадиена  в настоящее время на заводах  синтетического каучука в основном применяют метод газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ).

     Применение  хроматографического метода позволяет  определять не только концентрацию бутадиена, но и устанавливать количество примесей, как летучих углеводородов, так  и тяжелого остатка.

     Большое различие относительных плотностей бутадиен – ректификата и акрилонитрила  позволяет определять состав углеводородной фазы с точностью до 1% (масс.). Состав фазы контролируется автоматически  с помощью плотномера или ультразвукового  прибора.

     Растворы, из которых приготавливают водную фазу, содержащую систему железо – трилон – ронгалит, также предварительно анализируют.

     Сумма железа в растворе в присутствии  трилона Б может быть определена иодометрически или колориметрически.

     Содержание  ронгалита в водном растворе до введения его в водную фазу определяют титрованием  иодом.

     Раствор канифолевого мыла, являющегося эмульгатором, содержит избыточное количество щелочи, содержание которой определяют титрованием соляной кислотой, как в самом растворе, так и в водной фазе.

     Процесс полимеризации вызывают путем введения раствора инициатора, гидроперекиси  изопропилбензола (гипериза). Активную концентрацию гипериза в растворе определяют его восстановлением иодистым водородом  с последующим титрованием выделившегося  иода серноватистокислым натрием.

 
 

     Контроль  процесса полимеризации.

     Для контроля работы полимеризационной  батареи из каждого полимеризатора через каждые 4ч берут пробы  латекса с целью определения  степени превращения мономеров. Контролируют методом «сухого остатка» только первые аппараты полимеризационной батареи до степени превращения 35%, а дальше контроль степени превращения осуществляется автоматически с помощью ультразвуковых приборов.

     Скорость  процесса полимеризации зависит  не только от эмульгатора, но и от содержания в мономерах примесей. Помимо методов, определения конкретных примесей в мономерах, существуют также методы определения общей полимеризационной чистоты.

 
 

     Анализ  товарного каучука.

     Определение суммарного содержания летучих веществ  и сухого остатка заключается  в высушивании каучука в сушильном  шкафу или под инфракрасной лампой до постоянной массы или в течение условно определенного периода  при температуре 105±3ºС.

     Определение различных антиоксидантов основано на их извлечении экстракцией и последующем  определении количественно содержания. Выбор метода количественного определения  индивидуален для каждого антиоксиданта  и зависит от проявляемых химических и физико-химических свойств. Как  правило, используют оптические методы.

     Определение примесей металлов в каучуках проводят методом спектрального эмиссионного анализа. В основе – способность  каждого химического элемента в  определенных условиях давать свое излучение, закономерности которого объясняются  строением атомов. Сущность метода определения металлов в каучуках заключается в испарении золы каучука из кратера угольного  электрода в дуге переменного  тока, и получении спектограмм  на кварцевом спектографе средней  дисперсии.

 

Технологический контроль

     Процесс полимеризации проводится при строгом  соблюдении температурного режима. Водная фаза строго контролируется по рН. О последствиях отклонения параметров процесса от оптимальных значений было неоднократно сказано в предыдущих разделах данной курсовой работы.

     Для поддержания функциональности производства необходимо качественно отслеживать  технологические параметры. В частности  температуру каждой стадии процесса, скорость подачи сырья, инициатора, эмульгатора, активатора. Как правило, технологические параметры отслеживаются с применением контрольно-измерительных приборов (КИП).

     Ниже, в таблице 12 представлены основные химические и технологические точки контроля процесса полимеризации СКН.

     Таблица 12

     Позиции и параметры контроля процесса полимеризации СКН

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. Безопасность и экологичность. [8]

 

   Известно, что используемое сырье  и продукты, получающиеся  в производстве синтетических каучуков,  являются пожароопасными  и токсичными.  Газообразные вещества с воздухом образуют взрывоопасные смеси. Также к взрыву может привести неправильное смешение и дозировка компонентов, недостаточно эффективный отвод тепла, превышение температуры реакции сверх установленной  и т.д.

    Основными факторами, определяющими степень  пожарной опасности химических производств, являются температура вспышки и  пределы взрываемости  газообразных (или парообразных) применяемых веществ. Кроме того, учитываются, наличие  в производстве пыли, могущей дать с воздухом взрывчатые смеси, а так  же параметры технологического процесса и масштабы производства. Все производства по степени пожарной опасности делятся  на 5 категорий: А, Б, В, Г и Д:

А - Применение веществ, воспламенение и взрыв которых могут последовать в результате действия воды или кислорода воздуха (жидкостей с температурой вспышки паров 28 ⁰С и ниже, горючих газов, нижний предел взрываемости которых в смеси с воздухом 10 % об. и менее).

Б - Применение жидкостей с температурой вспышки паров от 28 до 120 ⁰С и горючих газов, нижний предел взрываемости которых в смеси с воздухом более 10 % об.; выделение во взвешенном состоянии горючих волокон или пыли.

В - Применение твёрдых горючих веществ и материалов, а так же жидкостей с температурой вспышки паров выше 120 ⁰С

Г - Применение негорючих веществ и материалов в горячем, раскалённом или расплавленном состоянии; выделение тепла; систематическое возникновение искр и пламени; сжигание твёрдого, жидкого и газообразного топлива.

Д - Применение негорючих веществ и материалов в холодном состоянии.

По степени  взрыво – и пожароопасности производство CКН относится к категории  «А», так как в технологии применяются компоненты, температура вспышки которых ниже 28⁰С и нижний предел взрываемости ниже 10% об. В зависимости от категорий производства по степени пожарной  опасности определяют огнестойкость и конструкцию здания и его элементов. Планировку подсобных и производственных цехов и сооружений, величину разрывов между зданиями и т.д.

В  производстве CКН применяется гидроперекись изопропилбензола. Так при ее нагревании в замкнутом пространстве может произойти взрыв в результате быстрого самоускоряющегося распада гидроперекиси с образованием газообразных продуктов и выделением тепла. Температура распада гидроперекиси  зависит от концентрации, чистоты и характера примесей. Чтобы предотвратить распад нужно охлаждать гидроперекись. Ниже в таблице 13  приведены температуры начала распада различных образцов гидроперекиси изопропилбензола.