Разработка системы защиты атмосферы при производстве поливинилхлорида

Разработка системы защиты атмосферы при производстве поливинилхлорида

Используется также другой способ перемешивания реакционной смеси в горизонтальном цилиндрическом полимеризаторе. Перемешивающее устройство представляет собой набор двух-трех ребристых веретен различного диаметра, которые вращаются внутри автоклава в противоположных направлениях.

Полимеризация винилхлорида в массе инициируется перекисными инициаторами или азотсоединениями, которые обычно применяются и при суспензионной полимеризации этого мономера.

Изучение молекулярного состава и морфологии порошка полученного мономера при полимеризации винилхлорида во вращающемся автоклаве с металлическими шарами показало, что свойства ПВХ в большой мере зависят от глубины превращения мономера в полимер.

В процессе полимеризации винилхлорида температура оказывает решающее влияние на молекулярный вес полимера; с повышением температуры степень полимеризации уменьшается. При 65-70% -ной степени превращения реакционная масса, очевидно, представляет собой сухой порошок и отвод тепла от полимерно-мономерных частиц, в которых еще продолжается полимеризация, практически прекращается, что и приводит к образованию низкомолекулярного полимера.

С увеличением степени конверсии меняются также и физические свойства ПВХ-порошка. Если прервать полимеризацию на начальных стадиях, то полученный полимер характеризуется очень низкой насыпной массой и высокой пористостью. С повышением степени конверсии насыпная масса полимера возрастает, а пористость его частиц уменьшается. После 30-40% -ной степени превращения эти показатели практически уже не меняются [9].

Отличительной особенностью способа полимеризации винилхлорида в массе является то, что он позволяет получать высокопористый ПВХ, способный быстро поглощать пластификатор. Однако слишком низкая насыпная масса этого полимера (не выше 0,3 г/см3) нежелательна, так как это вызывает неудобства при его транспортировке и переработке. Насыпная масса полимера может быть значительно повышена (до 0,46 г/см3), если разделить процесс на две стадии и на первой стадии (примерно до 10% -ной степени конверсии) вести его при интенсивном перемешивании, а на второй - при слабом перемешивании. Для регулирования размеров частиц, образующихся при полимеризации винилхлорида в массе во вращающемся автоклаве, предлагается вводить в полимеризационную среду окислы элементов II, III и IV групп в количествах от 0,1 до 3% от веса мономера. Размеры частиц вводимых окислов не должны превышать 150 мкм.

Вследствие неблагоприятных условий теплосъема, которые к тому же ухудшаются с увеличением глубины превращения, ПВХ, полученный при полимеризации винилхлорида в массе, обладает сравнительно широким молекулярно-весовым распределением. Он имеет также весьма разветвленную структуру, так как в местах перегрева реакционной среды и особенно при высоких степенях конверсии ускоряется реакция передачи цепи через полимер. Местные перегревы могут привести также к частичному дегидрохлорированию образующегося полимера. Выделяющийся при этом хлористый водород замедляет полимеризацию винилхлорида.

Для улучшения условий полимеризации винилхлорида в массе в полимеризационную среду вводят акцепторы хлористого водорода. При добавлении в полимеризационную среду стеаратов кальция, бария, кадмия, свинца или алифатического эпоксисоединения (продукт конденсации эпихлоргидрина и этиленгликоля) заметно сокращается продолжительность полимеризации. Эпоксидная смола, полученная из эпихлоргидрина и дефенилолпропана (ЭД-5), оказалась ингибитором полимеризации, что, вероятно, объясняется наличием в ней фенольных остатков [10].

Полимеризация винилхлорида в присутствии акцепторов хлористого водорода обеспечивает увеличение термической стабильности полимера. ПВХ, полученный при полимеризации винилхлорида в присутствии акцепторов хлористого водорода, менее разветвлен.

Первая стадия полимеризации (примерно до 10% -ной степени конверсии) осуществляется при интенсивном перемешивании в автоклаве. Полученная суспензия полимера в мономере сливается в горизонтальный вращающийся автоклав с металлическими шарами или в горизонтальный автоклав со специальной мешалкой, затем смешивается со свежим мономером, инициатором и акцептором хлористого водорода. В этом автоклаве полимеризацию продолжают вести до 65-70% -ной степени конверсии. Из автоклавов перед их загрузкой тщательно удаляется кислород (осуществляется продувка азотом и ваккумирование). После достижения заданной степени превращения незаполимеризовавшийся мономер сдувается через фильтр на конденсатор. Сконденсировавшийся мономер стекает в резервуар. Полученный полимер выгружается в виде пылевоздушной смеси в бункер-циклон, где от него отделяется воздух, и поступает на рассев. В процессе выгрузки полимера из автоклава в него подается воздух для поддержания нужного соотношения пылевоздушной смеси.

Было предложено также осуществлять полимеризацию винилхлорида в массе непрерывным способом. По этому методу мономер с растворенным в нем инициатором непрерывно подается в горизонтальный вращающийся автоклав с металлическими шарами и далее порции мономера с порошком полимера периодически сдуваются из автоклава путем кратковременного открытия специального канала [7].

Суспензионная полимеризация

Процесс осуществляется в каплях мономера, диспергированного в водной фазе путем интенсивного перемешивания. В мономере растворяется небольшое количество инициатора, а в водную фазу вводятся защитный коллоид, препятствующий слипанию мономер-полимерных частиц. Как и при полимеризации другими способами, процесс проводится при заданной температуре (и соответствующем давлении), обеспечивающей получение полимера с необходимым молекулярным весом.

Особенности суспензионной полимеризации винилхлорида

Суспензионная полимеризация является одним из самых распространенных промышленных способов производства поливинилхлорида. Это объясняется рядом важных достоинств данного способа. Полимеризация мономера, диспергированного в такой теплоемкой среде, как вода, протекает в условиях эффективного отвода тепла реакции, что позволяет получить полимер со сравнительно узким молекулярно-весовым распределением. кроме того, в отличие от эмульсионной (латексной) полимеризации, при которой образующиеся очень мелкие полимерные частицы нельзя выделить из полученного латекса путем фильтрации, в результате суспензионной полимеризации образуются гранулы размером 50-200 мкм, которые отделяются от водной фазы на центрифугах и легко промываются. Поэтому содержание посторонних примесей в суспензионном поливинилхлориде незначительно [6].

Уже в начальный период развития промышленного производства суспензионного ПВХ процесс полимеризации стремились проводить так, чтобы получить полимер с заданным средним молекулярным весом, узким молекулярно-весовым распределением и однородный по химическому составу. Было ясно, что следует избегать дегидрохлорирования полимера, так как образование двойных связей приводит в появлению окраски и снижению его термостабильности. Однако разные партии ПВХ с одинаковыми показателями среднего молекулярного веса часто различались по своей способности к переработке в изделия. Как правило, полимер трудно совмещался с пластификаторами и стабилизаторами и давал недостаточно гомогенные пленки. Рецептура полимеризационной смеси в этот период была бедна, а технологический процесс и аппаратура несовершенны. Цикл полимеризации был очень длительным.

Впоследствии применение новых синтетических защитных коллоидов, активных инициаторов полимеризации и различных модифицирующих добавок, а также совершенствование аппаратуры, повышение степени чистоты исходных продуктов позволило значительно интенсифицировать процесс и улучшить качество полимера. Появилась возможность перерабатывать суспензионный поливинилхлорид в высококачественные гомогенные пластифицированные материалы, а также в жесткие прозрачные изделия, широко используя для этого высокопроизводительные экструзионные методы. Все это потребовало нового подхода к оценке качества ПВХ.

Стало очевидным, что способность полимера к переработке и качество получаемых изделий определяются не только его молекулярным весом и химическим строением, но также его надмолекулярной структурой и физическими свойствами. Оказалось, что суспензионный метод полимеризации таит в себе большие возможности в отношении воздействия на эти свойства. Изменяя параметры технологического процесса, а также вводя в полимеризационную среду различные добавки (часто в очень незначительных количествах) или, используя защитные коллоиды различной природы, можно заметно влиять на структуру и морфологию получаемого полимера.

К недостаткам суспензионной полимеризации винилхлорида следует отнести трудность осуществления ее непрерывным способом. Попытки создания приемлемого для промышленного производства непрерывного процесса, позволяющего получить полимер высокого качества, до сих пор остаются безуспешными [10].

Суспензионная полимеризация винилхлорида проводится в присутствии растворимого в мономере инициатора (органическая перекись или азотсоединение), воды и защитного коллоида. При перемешивании мономер с водой устанавливается динамическое равновесие между дроблением мономера на капли и обратным процессом их слияния (коалесценция). С введением в среду защитного коллоида на поверхности капли мономера образуется защитный слой, и капля стабилизируется. Молекулы защитного коллоида располагаются на поверхности раздела фаз так, что их гидрофобные части (обычно углеводородная цепь) направлены в сторону мономера, а гидрофильные - в сторону воды. Размеры образующихся капель (дисперсность эмульсии) зависят от интенсивности перемешивания и свойств защитного коллоида. Если в мономере растворен инициатор, то при температуре среды, достаточной для его распада, мономер начинает полимеризоваться. По мере полимеризации вязкость в капле мономера возрастает и увеличивается ее сопротивление деформации. Одновременно растет и склонность диспергированных частиц к слипанию при соударении. При степени превращения в пределах 20-60% частицы отличаются особенно большой липкостью. Здесь в основном и сказывается роль защитного коллоида, призванного защищать частицы от слипания.

Поскольку используемый инициатор растворим в мономере и практически нерастворим в воде, полимеризация винилхлорида протекает в капле мономера, защищенной стабилизатором эмульсии. В ряде работ указывается сходство между полимеризацией в каплях и полимеризацией в массе мономера, в связи с чем полимеризацию в суспензии часто называют микроблочной полимеризацией.

По механизму формирования полимерных частиц и по кинетике процесса суспензионная полимеризация винилхлорида резко отличается от эмульсионной полимеризации, при которой используются водорастворимые инициаторы и эмульгаторы типа мыл. Скорость суспензионной полимеризации практически не зависит от концентрации защитного коллоида, в то время как при эмульсионной полимеризации во многих случаях скорость процесса возрастает с увеличением концентрации эмульгатора [11].

Если используемый инициатор способен растворяться не только в мономере, но и в воде, полимеризация части винилхлорида в суспензионном процессе может протекать в водном растворе. Это показано при помощи исследований полимеризации винилхлорида под действием различных инициаторов в присутствии растворимого в мономере красителя. При этом полимер, образующийся в капле, имеет интенсивную окраску, а в водном растворе - неокрашен. При использовании перекиси бензоила, которая практически нерастворима в воде, полимеризация протекает только в каплях (все частицы полимера окрашены). При использовании же азо-бис-изобутиронитрила часть частиц получается неокрашенной. При этом оказывается, что окрашенный полимер имеет более низкий молекулярный вес по сравнению с неокрашенным, что можно объяснить более высокой концентрацией мономера, а, следовательно, и большей скоростью передачи цепи через мономер в капле. Молекулярный вес полимера, образовавшегося в каплях, равен молекулярному весу полимера, полученному при полимеризации винилхлорида в массе в аналогичных условиях. Весьма интересным является обнаруженное в упомянутой работе различие между морфологией частиц полимера, образовавшегося в капле и частиц, получившихся в водном растворе. Если среди первых содержалось большое количество монолитных стекловидных частиц, то вторые представляют собой только рыхлые непрозрачные агрегаты, состоящие из большого числа мелких частиц. Образование таких пористых частиц также наблюдается при добавлении к водной фазе, содержащей защитный коллоид, незначительных количеств ПАВ. Эти вещества влияют не только на дисперсность получаемого поливинилхлорида, но и на морфологию образующихся гранул [9].

Очень пористый ПВХ с развитой поверхностью получается при использовании в качестве инициаторов полимеризации гидроперекисей алифатических или циклических кетонов и их производных. Так как в этих инициаторах присутствуют гидроксильные группы, они обладают определенным гидрофильно-гидрофобным балансом и располагаются на границе раздела фаз вода-мономер, где и происходит инициирование полимеризации. Кроме того, поскольку такие инициаторы растворимы не только в мономере, но и в воде, полимеризация, по-видимому, протекает частично и в водном растворе, что, как уже указывалось, сильно влияет на морфологию образующегося ПВХ.

Свойства поливинилхлорида в большой степени определяются природой и свойствами применяемых защитных коллоидов и различных добавок.

Роль стабилизаторов эмульсии в процессах суспензионной полимеризации винилхлорида заключается в защите диспергированных в полимеризационной среде капель от коалесценции особенно в период, когда частицы имеют большую липкость.

Применяемые для этой цели защитные коллоиды не создают эффекта сопряженной, или мицелярной растворимости, и поэтому их нельзя отнести к эмульгаторам, как, например, вещества типа мыл. Часто применяемое к защитным коллоидам для суспензионной полимеризации название “диспергаторы" не является точным, так как, хотя диспергаторы и влияют на размеры частиц эмульсии, диспергирование осуществляется здесь за счет перемешивания [7].

В качестве стабилизаторов эмульсии при суспензионной полимеризации используются соединения двух классов:

Минеральные нерастворимые в воде соединения, способные образовывать тонкодисперсные взвеси, например гидроокиси металлов, фосфаты, карбонаты, каолин, коллоидная глина (бентонит) и т.п.

Органические водорастворимые высокомолекулярные соединения.

В качестве защитных коллоидов наиболее часто используются гидроокись магния, поливиниловый спирт, метилцеллюлоза, желатин и поливинилпирролидон.

Добавки:

а) Поверхностно-активные вещества типа мыл (ионогенные и неионогенные), которые способствуют лучшему диспергированию винилхлорида, разрыхлению поверхности образующихся частиц, повышению их пористости.

б) Добавки, растворимые в мономере. Они способствуют образованию рыхлых пористых частиц ПВХ.

в) Окислы гидроокиси или соли металлов (бария, кадмия, стронция, кальция, магния, свинца). Оказывают влияние на морфологию образующегося полимера, оседая на границе раздела фаз.

г) Антиоксиданты. Уменьшают количество образующихся полиперекисей и хлористого водорода. Одновременно возрастает термостабильность ПВХ.

д) Регуляторы рН (водорастворимые карбонаты и фосфаты, пирофосфат натрия).

е) Регулятор молекулярного веса [9].

Технология получения суспензионного ПВХ

Для получения полимера с заданными физико-механическими свойствами правильно выбранная рецептура должна сочетаться с оптимальными условиями технологического процесса. Используемая аппаратура и технологические приемы на подготовительной стадии должны обеспечить:

Тщательную очистку полимеризатора от остатков полимера, осевшего на внутренних поверхностях аппарата в ходе предшествующей операции полимеризации;

Практически полное удаление кислорода из полимеризационной среды;

Равномерное распределение в полимеризационной среде всех используемых компонентов.

Важнейшим параметром процесса является температура полимеризации. В зависимости от желаемой степени полимеризации ПВХ температуру поддерживают в пределах 45-75 0С. При этом давление в автоклаве соответствует упругости паров винилхлорида при данной температуре и колеблется в пределах 6-10 атм. Для получения ПВХ с наиболее узким молекулярно-весовым распределением температуру в процессе полимеризации поддерживают в небольших пределах. Отклонения от заданной температуры допускаются не более чем на 0,5 0С. В современном промышленном процессе полимеризации винилхлорида такой режим обеспечивается путем автоматического регулирования температуры в полимеризаторе [5].

Процесс полимеризации проводят в автоклавах-полимеризаторах (объемом от 10 до 25 м3) с охлаждающей рубашкой. Циркуляция охлаждающей воды осуществляется индивидуальным насосом, связанным с системой автоматического регулирования температуры. Полимеризатор рассчитан на рабочее давление 12-16 кГ/см2. Он снабжен импеллерной мешалкой. Привод мешалки может быть расположен в верхней или в нижней части аппарата. Однако нижний привод менее удобен, так как при этой конструкции не обеспечивается полное удаление суспензии из аппарата. Соотношение высоты автоклава, его диаметра чаще всего принимается в пределах 1,5-1,7. После загрузки полимеризатора и подогрева реакционной смеси до заданной температуры начинается собственно полимеризация. При этом автоматически включается водяное охлаждение для снятия тепла реакции.

Одной из проблем промышленного процесса получения суспензионного ПВХ является преодоление коркообразования на внутренних поверхностях полимеризатора. Образующиеся корки затрудняют теплопередачу, ухудшают качество получаемого полимера. Это вынуждает периодически вскрывать полимеризатор для его очистки. На плохо охлаждаемых участках поверхности наблюдается более интенсивное отложение полимера. Полимеризатор чаще всего изготавливают из биметалла. Чтобы уменьшить коркообразование, внутренние поверхности автоклава полируют. Коркообразование уменьшается также при применении эмалированных автоклавов [9].

Полимеризация считается законченной после того, как давление в автоклаве начинает понижаться. Незаполимеризовавшийся мономер сдувается в газгольдер. Адсорбированный в полимере и растворенный в водной фазе мономер также удаляется. Это необходимо как для исключения возможности полимеризации остаточного мономера при последующих операциях обработки суспензии или сушки полимера, так и из санитарных соображений. В некоторых случаях сразу же после окончания полимеризации в автоклав вводят небольшое количество ингибитора (акцептора свободных радикалов) с тем, чтобы во время сдувки мономера, дегазации суспензии и дальнейшей ее обработки полимеризация не могла продолжаться.

Удаление остаточного мономера из суспензии осуществляется путем ее перемешивания под вакуумом в течение некоторого времени (30-40 мин). Дегазация суспензии может производиться также путем кратковременной ее продувки острым паром или отпаркой мономера в специальных колонках.

Мономер, сдутый после окончания полимеризации из автоклава, а также извлеченный вследствие дегазации суспензии, из газгольдера направляется на ректификацию, после чего возвращается на полимеризацию.

Освобожденная от мономера суспензия, пройдя коркоуловитель, собирается в сборник-усреднитель, где она смешивается с суспензией от нескольких операций, проведенных по одинаковым рецептуре и режиму. Усреднение суспензии улучшает однородность ПВХ.

Дальнейшие стадии процесса осуществляются непрерывно. Выделение полимера из суспензии в промышленности проводится чаще всего на отстойных центрифугах непрерывного действия. Иногда для промывки полимера прибегают к дополнительной репульпации. Фильтрующие центрифуги менее пригодны, так как тонкие фракции полимера не удерживаются фильтровальным полотном, что приводит к потере полимера. Отжатый полимер, содержащий 20-30% воды, сушится горячим воздухом. В современных производствах суспензионного ПВХ часто используются трубы-сушилки, требующие небольших производственных площадей. Их преимущества заключаются в том, что сушка полимера протекает с большой скоростью, время пребывания полимера в зоне сушки измеряется несколькими секундами, что исключает его деструкцию. Используются также камерные сушильные агрегаты, в которых сушка полимера протекает в “кипящем” слое, или вращающиеся барабанные сушилки.

Высушенный полимер просеивается через мельничные сита, и хранятся в “силосах". Из “силосов” полимер поступает на расфасовку. ПВХ перевозится в бумажных мешках. В отдельных случаях полимер отгружается в специальных железнодорожных цистернах [10].

В хорошо организованном производстве суспензионного ПВХ потери исходных компонентов и полимера на отдельных стадиях процесса сведены к минимуму. Расход мономера на 1 т сухого ПВХ не превышает 1050-1070 кг, то есть выход ПВХ составляет около 95%. Расходы на вспомогательные продукты (инициаторы, защитные коллоиды) незначительны (1-2 кг на 1 т ПВХ) [9].

Эмульсионная полимеризация

Долгое время эмульсионная полимеризация была единственным способом получения ПВХ. После внедрения суспензионного метода полимеризации винилхлорида темпы роста производства эмульсионного ПВХ понизились. При этом в некоторых отраслях промышленности эмульсионный ПВХ был практически вытеснен суспензионным. Однако эмульсионный ПВХ широко применяется для получения пластизолей. Суспензионной же полимеризацией без дополнительной обработки полимера до сих пор не удалось получить достаточного ассортимента марок ПВХ, пригодных для приготовления паст. Поэтому вопросы совершенствования технологии и дальнейшего улучшения качества эмульсионного ПВХ по-прежнему являются актуальными.

Эмульсионный ПВХ получается как непрерывным, так и периодическим методами. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Непрерывные метод производства более экономичен и позволяет организовать крупнотоннажное производство полимера с меньшими материальными и энергетическими затратами. Однако при периодическом способе легче регулировать условия полимеризации и получать полимер с заданными свойствами. Латексы ПВХ, синтезированные периодическим методом, как правило, более устойчивы, и для их стабилизации требуются меньшие количества эмульгатора по сравнению с латексами, получаемыми по непрерывной схеме производства. В случае периодического процесса можно очень легко (без потерь продукта) переходить от производства одной марки полимера в другой образуется большое количество промежуточных фракций ПВХ [6].

Производство эмульсионного ПВХ обычно включает следующие стадии:

приготовление эмульсионной воды и раствора инициатора;

полимеризация винилхлорида;

дегазация латекса;

выделение порошка ПВХ из латекса.

Полимеризационные автоклавы изготавливают из стали специальных марок или покрывают эмалью. Автоклав для непрерывной полимеризации представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы, оборудованной в верхней части мешалкой (скорость вращения обычно около 60-70 об/мин). В таком автоклаве процесс полимеризации по существу разделяется на две стадии:

в верхней части автоклава происходит смешение подаваемых исходных компонентов с реакционной средой и начинается реакция полимеризации;

во второй части автоклава процесс полимеризации проходит до более глубоких степеней превращения (без перемешивания).

Полимеризация при непрерывном меоде длится от десяти суотк до месяца, затем процесс прекращают для чистки автоклава, стенки которого покрываются коркой полимера, что ухудшает теплосъем и приводит к нарушению режима полимеризации. Степень конверсии мономера обычно составляет 90-95%. Для повышения степени конверсии мономера полимеризацию проводят ступенчато в двух последовательно установленных автоклавах. При этом процесс регулируется так, что в первом автоклаве полимеризуется лишь около 1/3 от общей загрузки мономера. Полученный в первом автоклаве латекс с добавочным количеством мономера и эмульгатора подается во второй автоклав, где и заканчивается полимеризация. В некоторых случаях для увеличения скорости полимеризации во втором автоклаве поддерживают более высокую температуру по сравнению с первым автоклавом. При ступенчатом ведении процесса полимеризации винилхлорида степень конверсии мономера достигает 95% и выше [8].

Эмульсионную полимеризацию периодическим методом можно проводить в горизонтальных автоклавах цилиндрической формы с перегородками до половины длины автоклава или в вертикальных автоклавах, оборудованных мешалками.

Остатки мономера из латекса удаляются путем вакуумирования. Эту операцию проводят в дегазаторах, представляющих собой аппараты, изготовленные из специальных марок и разделенные в середине вогнутым днищем на две половины. В верхней половине дегазатора размещаются полки, по которым латекс стекает вниз. В аппарате создается вакуум (остаточное давление 140-160 мм рт. ст.) и латекс по мере прохождения по полкам освобождается от растворенного в нем винилхлорида. Непрореагировавший винилхлорид улавливают так же, как и в производстве суспензионного ПВХ, и после ректификации возвращают на полимеризацию.

Перед сушкой распылением в латексы вводят соединения, предотвращающие выделение газообразного хлористого водорода из ПВХ. В качестве таких соединений используют карбонат и бикарбонат натрия, двузамещенный фосфорнокислый натрий. При переработке ПВХ, получаемого в промышленности с использованием карбоната натрия (в количестве 0,2-0,4; от веса ПВХ в пересчете на едкий натр), выделяются газы. Поэтому в готовых изделиях могут содержаться пузырьки, вследствие чего эти изделия недостаточно прозрачны. Этот недостаток можно устранить путем использования вместо соды фталатов одно- и двухвалентных металлов, которые рекомендуется добавлять как в готовый латекс, так и в реакционную смесь перед полимеризацией в количестве 1-2% от массы мономера.

Распылительная сушка эмульсионного ПВХ осуществляется непрерывным методом. Применяются распылительные сушилки различных типов: с механическим, пневматическим распылением или с распылением с помощью вращающихся дисков и др. В сушилку одновременно подаются нагретый воздух и капли распыленного латекса ПВХ. Под действием горячего воздуха происходит испарение воды из капель латекса. Отделение сухого полимера от воздуха происходит сначала в циклонах, в которых оседает основная часть полимера (около 80%), и затем в рукавных фильтрах, где отделяется остальная часть ПВХ. Материалом для рукавных фильтров могут служить бельтинг, лавсан или шерсть. Режим сушки (температура воздуха на входе в сушилку и на выходе из нее, концентрация подаваемого на сушку латекса, скорость подачи латекса и теплоносителя) зависит от конструкции форсунок, размера полимерных частиц и заданных свойств ПВХ [11].

Для коагуляции ПВХ из латекса можно применять водные растворы солей (сернокислого алюминия, хлористого натрия, хлористого и сернокислого магния, азотнокислого и хлористого кальция и др.), азотную, соляную, серную, уксусную и другие кислоты.

Выделение ПВХ из латекса методом коагуляции - очень трудоемкая и длительная операция, требующая громоздкого аппаратурного оформления. Особенно трудоемкой является стадия отмывки полимера водой от примесей эмульгатора и солей. Эмульсионный ПВХ, выделенный коагуляцией, отличается низкой насыпной массой, но содержит значительно меньше примесей по сравнению с ПВХ, высушенным распылением, что улучшает некоторые свойства эмульсионного полимера, особенно такие показатели, как влагопоглощение, зольность, диэлектрические характеристики. Однако необходимо отметить, что ПВХ с низким содержанием примесей легче получить суспензионной, чем эмульсионной полимеризацией с последующей коагуляцией полимера из латекса, и поэтому данный способ выделения эмульсионного ПВХ в настоящее время практически не используется в промышленности.

Основными показателями, характеризующими качество эмульсионного ПВХ, являются:

степень полимеризации (оценивается константой Фикентчера);

плотность;

содержание веществ, экстрагируемых метанолом и этанолом;

влагопоглощение;

зольность;

пастообразующие свойства [9].

Важными характеристиками, особенно для пастообразующих марок ПВХ, являются размер и строение полимерных зерен, гранулометрический состав порошка и определяемая ими насыпная масса полимера.

1.1.4 Свойства поливинилхлорида

Физические свойства порошкообразного ПВХ очень сильно зависят от гранулометрического состава порошка.

При суспензионной полимеризации размер частиц и их распределение определяются такими факторами, как природа и концентрация защитного коллоида, условиями перемешивания и т.п., и, в меньшей степени, также последующей обработкой полимера (например, особенностями его выделения из суспензии). В случае эмульсионной полимеризации гранулометрический состав определяется свойствами латекса и условиями сушки, при блочной полимеризации - аппаратурным оформлением процесса и т.п. Однако, несмотря на такое многообразие способов получения полимера, можно отметить определенную тенденцию в получении ПВХ, обладающего таким гранулометрическим составом, который обеспечивает необходимые для того или иного способа переработки физические свойства порошка.

От гранулометрического состава и среднего размера зерна зависят объемные свойства порошка (насыпная масса, масса утряски и т.п.), а также сыпучесть и угол естественного откоса.

Насыпной массой называется масса единицы объема свободно насыпанного порошка.

Массой утряски называется масса единицы объема порошка после встряхивания его до постоянного объема.

Насыпная масса определяется плотностью частиц, агрегативной устойчивостью и “конструкционной” прочностью порошка. Сыпучее тело занимает объем, при котором его механическая прочность, обусловленная зацеплением или переплетением частиц, достаточна для сопротивления нагрузке, вызванной тяжестью частиц. Если “конструктивная" прочность порошка слишком велика, то достаточное количество зацеплений обеспечивается уже при рыхлой укладке и насыпная масса невелика.

Масса утряски характеризует способность порошка уплотняться при встряхивании за счет переупаковки частиц, что также имеет значение при переработке ПВХ [11].

Насыпная масса и масса утряски зависят от следующих факторов:

а) Величина частиц с увеличением диаметра частицы в 10 раз масса ее возрастает в 1000 раз, а опрокидывающие момент - в 10000 раз. Если при этом степень шероховатости не увеличивается, то конструкционная прочность возрастает и насыпная масса уменьшается. Таким образом, чем больше размеры части (меньше дисперсность), тем больше при прочих равных условиях насыпная масса.

б) Форма частиц. Порошки со сферическими гладкими частицами имеют большую насыпную массу и массу утряски, чем шероховатые частицы неправильной формы.

Для порошков одинаковой дисперсности с изменением формы частиц и формы их поверхности изменяется прочность зацепления частиц и, следовательно, меняется насыпная масса. С изменением дисперсности и формы частиц насыпная масса и масса утряски могут изменяться.

в) Гранулометрический состав. Порошки, которые характеризуются широкой кривой распределения по размерам (полидисперсные), имеют большую насыпную массу и массу утряски, чем монодисперсные порошки, так как мелкие частицы располагаются в промежутках между крупными.

г) Строение частиц. Порошки, состоящие из крупнопористых частиц, имеют меньшую насыпную массу и массу утряски, чем порошки, состоящие из сплошных частиц, при прочих равных условиях.

д) Состояние поверхности частиц. Если поверхность частиц порошка загрязнена веществами, действующими как смазка, то насыпная масса увеличивается. Если загрязнения повышают внутреннее трение в порошке, то увеличивается зацепление между частицами и насыпная масса уменьшается.

е) Электрический заряд. Наличие заряда привод к электростатическому взаимодействию между частицами. В зависимости от характера действия этих сил - притяжения или отталкивания - насыпная масса соответственно увеличивается или уменьшается.

ж) Условия испытания. Насыпная масса зависит от емкости сосуда, высоты насыпки порошка и т.д. [9]

Объемные свойства ПВХ, в частности, очень важны и для переработки его в виде пластизолей, где они заметно влияют на реологические свойства материала.

Поглощение пластификатора поливинилхлоридом на холоде является хорошей характеристикой пористости как, собственно, зерен, так и порошка в целом.

Важным технологическим свойством ПВХ является сыпучесть, от которой зависит возможность транспортировки полимера и питания им перерабатывающих машин. Сыпучесть учитывается также при проектировании пресс-форм, бункеров машин, при расчете автоматической засыпке материала и т.д.

Сыпучесть характеризуется способностью порошка сыпаться через отверстие заданного диаметра с определенной скоростью на стандартном приборе. Сыпучесть выражается в г/сек.

Среди химических свойств поливинилхлорида важное значение имеют:

термическое и термоокислительное разложение. Здесь важно отметить разложение при температуре до 250 0С, высокотемпературный распад, особенности термоокислительного распада;

разложение под действием света и ионизирующих излучений;

разложение под влиянием механических воздействий.

Из химических реакций поливинилхлорида необходимо отметить:

хлорирование поливинилхлорида;

восстановление поливинилхлорида;

замещение хлора в ПВХ по реакции Фриделя - Крафтса;

взаимодействие ПВХ с металлоорганическими соединениями;

взаимодействие ПВХ с гидроокисями и алкоголятами щелочных металлов;

взаимодействие ПВХ с аммиаком, аминами и амидами;

взаимодействие ПВХ с кислотами;

взаимодействие ПВХ с металлами;

взаимодействие ПВХ с солями органических и неорганических кислот;

реакции частично дегидрохлорированного ПВХ [7].

Применение поливинилхлорида

В настоящее время поливинилхлорид является самым распространенным полимером, используемым в промышленности и быту.

Материалы на основе поливинилхлорида

В этом разделе приводится описание композиционных материалов на основе ПВХ, а также полуфабрикатов и заготовок изделий, производимых на его основе и способы их изготовления.

Композиционные материалы на основе поливинилхлорида

Некоторые композиционные материалы на основе ПВХ и их применение:

Пластикат ПВХ в гранулах (ТУ 6-01-629-75). Применяется для изготовления различных изделий литьем под давлением и экструзией.

Пластикат пленочный и листовой (ТУ 6-05-1146-75). Композиция на основе ПВХ, пластификаторов и других добавок. Применяется для защитного покрытия поверхностей.

Пластикат кабельный 38-01 (ТУ 6-05-1729-75). Термопластичный материал на основе ПВХ.

Пластикат ПВХ в гранулах для изготовления гибких трубок (ТУ 6-01-630-76). Применяется для изготовления экструзией водо-, бензо- и антифризостойких трубок.

Пластикат ПВХ Ш-62-0 (ТУ 6-01-804-76). Композиция на основе ПВХ, пластификатора и других добавок. Применяется для изготовления шлангов вакуум-проводов.

Пластикат ПВХ гранулированный ПХ-1 и ПХ-2 (ТУ 6-01-1089-76). Характеризуется химической стойкостью, эластичностью, термостабильностью. Применяется для изготовления листов, профилей и других изделий для футеровки гальванических ванн, в которых производится хромирование, никелирование, меднение и т.д., а также как антикоррозийный, герметирующий, прокладочный материал.

Пластикат гранулированный медицинский (ТУ 6-05-1533-76). Применяется для изготовления медицинских трубок. Перерабатывается в изделия экструзией.

Пластикат кабельный гранулированный П-30 (ТУ 6-05-5084-76). Термопластичный материал на основе ПВХ, пластификаторов и других добавок. Применяется для изоляции кабелей.

Пластикат Нева. Термопласт на основе ПВХ-смолы, пластификаторов и добавок. Применяется для изготовления неразъемных вилок, соединительных шнуров машин и приборов.

Винипласт гранулированный вистан-2 (ТУ 6-01-997-75). Композиция на основе ПВХ, стабилизатора, модификатора и др. добавок. Характеризуется повышенной химической стойкостью и прозрачностью. Применяется для изготовления тары, используемой для упаковки бензина, машинного масла, скипидара, растворителей, товаров бытовой химии.

Массы ПВХ мягкие (ТУ 6-05-1241-75). Композиции на основе ПВХ, пластификаторов и др. добавок. Применяется для изготовления форм для отливки лепных деталей, а также формы для отливки скульптур, восковых моделей и т.д. - формоплат А; для заполнения полостей металлорежущих станков - формопласт Б; для заполнения полостей различных зажимов, способных перемещаться под давлением по узком каналам - гидропласт.

Комплекс. Самозатухающий ударопрочный материал на основе ПВХ, полиметилметакрилата и различных добавок (антипрены, стабилизаторы, красители). Характеризуется высокой химической атмосферостойкостью, самозатухающими свойствами. Применяется для изготовления различных изделий литьем под давлением, экструзией, пневмо - и вакуумформированием [7].

Полуфабрикаты и заготовки

Поливинилхлорид является одним из лучших материалов, используемых для изготовления труб, листов и пленок.

Трубы и листы

Трубы из непластифицированного ПВХ (ТУ 6-19-99-78). Изготавливают экструзией из композиционного материала на основе непластифицированного ПВХ. Применяют для трубопроводов, транспортирующих воду, а также жидкостей, к которым ПВХ химически стоек.

Пластикат листовой (ТУ 6-05-1114-75). Термопласт на основе ПВХ. Применяется в качестве прокладочного материала и для других целей.

Винипласт светотехнический (ТУ 6-01-282-76). Жесткий термопласт на основе ПВХ, выпускается в виде листов. Применяется для изготовления осветительной арматуры.

Винипласт листовой (ТУ 6-051808-77). Композиция на основе модифицированного ПВХ, пластификаторов и других добавок. Применяется для изготовления деталей логарифмических линеек [10].

Пленка ПВХ

Пленка ПВХ (ТУ 6-01-1009-75). Слабопластифицированный термопластичный материал на основе ПВХ. Применяется для изготовления тары под растительное масло, пищевые продукты, упаковки лекарственных средств.

Пленка ПВХ (ТУ 6-05-1067-75). Термопласт на основе ПВХ, пластификаторов и др. добавок. Применяется для изготовления различных изделий, для защиты металлической оболочки кабеля, для изготовления металлопласта.

Пленка радиационная жесткая. Слабопластифицированный термопласт на основе ПВХ. Применяется для упаковки кетгута в консервирующем растворе с последующей радиационной стерилизацией 30 кДж/кг [10].

1.2 Обоснование и выбор технологической схемы производства поливинилхлорида

Анализ литературных данных [4-9] показывает, что суспензионный способ производства поливинилхлорида является наиболее перспективным. Выбор технологической схемы был обусловлен наличием на территории республики Башкортостан крупного производства поливинилхлорида (ЗАО “Каустик” г. Стерлитамак). Спрос на поливинилхлорид на рынке очень велик, поэтому необходимо постоянно наращивать мощность его производства. К примеру, в Японии летом 2003 года была усовершенствована технологическая схема производства суспензионного ПВХ таким образом, что теперь проектная мощность цеха полимеризации винилхлорида составляет 1 млн. тонн ПВХ в год [12]. Следует отметить, что в настоящее время преобладающим является метод производства поливинилхлорида путем суспензионной полимеризации, но он имеет ряд существенных недостатков, среди которых:

практически все синтетические полимеры получают из нефтепродуктов. Рост дефицита на нефтяное сырье создает положительную конъюнктуру для развития производства поливинилхлорида, который уже сейчас является самым дешевым термопластом.

необходимо избегать дегидрохлорирования полимера, так как образование двойных связей приводит к появлению окраски и снижению его термостабильности;

невозможность полимеризации непрерывным способом;

жесткий температурный режим процесса полимеризации винилхлорида;

коркообразование на внутренних поверхностях реактора полимеризатора.

Исходя из химизма процесса, фазового состояния исходных компонентов, данных литературного обзора, разрабатываемая технологическая схема производства поливинилхлорида должна содержать следующие стадии:

1) полимеризация винилхлорида;

2) дегазация суспензии;

3) сушка и рассев поливинилхлорида.

2. Разработка принципиальной технологической схемы процесса получения поливинилхлорида

Технологическая схема процесса полимеризации винилхлорида приведена на рис.2.1

Спецификация основного технологического оборудования приведена в табл.2.1

2.1 Описание технологического процесса производства поливинилхлорида

Процесс суспензионной полимеризации осуществляется в каплях эмульсии, полученных диспергированием винилхлорида в обессоленной воде в присутствии высокомолекулярных стабилизаторов эмульсии и растворимого в мономере инициатора.

В качестве стабилизатора эмульсии используется метоцел (метилоксипропилцеллюлоза). Однако, использование только одного метоцела позволяет получать ограниченный марочный ассортимент поливинилхлорида.

Эмульгирующие системы, состоящие из нескольких эмульгаторов (метоцела, клуцела, шпана или различных поливиниловых спиртов) позволяют стабильно проводить процесс полимеризации до высоких конверсий (до 90%) с получением полимера достаточно высокой пористости и морфологической однородности, получать полимеры широкого марочного ассортимента без изменения условий перемешивания в реакторе.

В качестве инициаторов используются дицетилпероксидикарбонат (лиладокс) и перекись лауроила. Инициирующие системы на основе этих двух инициаторов позволяют получать поливинилхлорид всех планируемых к выпуску марок при продолжительности полимеризации 5-7 часов в зависимости от марки полимера и условий теплосъема.

Инициирование процесса полимеризации винилхлорида осуществляется свободными радикалами, которые образуются при термическом распаде перекиси лауроила и лиладокса при нагревании реакционной массы:

R -R 2R*

где R-R - молекула инициатора;

R* - свободный радикал.

Свободные радикалы инициируют полимеризацию путем присоединения к молекуле мономера и образования с мономером активных центров. Таким образом происходит зарождение цепи:

R* + CH2=CHCl R-CH2-CH*Cl

Под действием активных центров происходит рост цепи с образованием макромолекулы полимера:

R-CH2-CH*Cl + CH2=CHCl R-CH2-CHCl-CH2-CH*Cl

Процесс образования макромолекулы идет с выделением тепла и с большой скоростью и продолжается до тех пор, пока макромолекула-радикал не вступит во взаимодействие с каким-либо реагентом или другим свободным радикалом. В результате происходит обрыв цепи и образование неактивной макромолекулы.

Реакцию полимеризации винилхлорида в общем виде можно представить следующим образом:

CH2=CHCl + J (CH2-CHCl-) n + Q Ккал,

где n - степень полимеризации, которая колеблется для промышленных

марок поливинилхлорида в пределах от 640 до 2800;

J - инициатор полимеризации;

Q - теплота реакции полимеризации, которая составляет 360-400

Ккал на 1 кг винилхлорида, вступившего в реакцию.

Регулирование скорости реакции полимеризации осуществляется введением в реакционную смесь агидола-1 (2,6-дитретбутилпаракрезола), повышающего также термостабильность поливинилхлорида.

Для снижения коркообразования внутренняя поверхность реактора покрывается нигрозином и процесс полимеризации проводится в целочной среде, создаваемой за счет добавления в реакционную массу едкого натра.

Важную роль при полимеризации винилхлорида играют качество загружаемых компонентов, температура полимеризации, точность дозировки, способ и порядок загрузки компонентов и наличие примесей в исходном сырье.

Наличие кислорода ведет к снижению водородного показателя (рН) реакции, что, в свою очередь, обуславливает нестабильное протекание процесса и получение нестандартного полимера. Кислород обуславливает индукционный период процесса, изменение скорости реакции, уменьшает среднюю молекулярную массу поливинилхлорида. Кислород воздуха легко окисляет винилхлорид, образующиеся при этом перекисные соединения легко гидролизуются с образованием альдегидов, которые являются хорошими передатчиками цепи, а также хлористого водорода, замедляющего процесс полимеризации.

Наличие примесей изопрена, винилиденхлорида в техническом винилхлориде значительно влияет на степень полимеризации поливинилхлорида, а также на его термостабильность. Бутадиен и винилацетилен оказывают ингибирующее действие и вызывают повышенное коркообразование.

Ацетилен и ацетальдегид являются сильными ингибиторами процесса полимеризации, в их присутствии уменьшается длина цепей поливинилхлорида, они вызывают автоокисление винилхлорида. Дихлорэтан является передатчиком цепи, а также уменьшает молекулярный вес полимера.

Хлористый водород в присутствии воды вызывает коррозию аппаратуры с образованием ионов железа, которые инициируют окисление винилхлорида. Получаемые перекисные соединения в присутствии влаги гидролизуются, образуя хлористый водород и карбонильные соединения, которые также вызывают окисление мономера. Ионы железа резко снижают стабилизирующее действие эмульгаторов.

Важнейшим параметром процесса, определяющим молекулярную массу поливинилхлорида и степень разветвленности его макромолекулы, является температура полимеризации. Для получения поливинилхлорида с узким молекулярно-массовым распределением отклонение от режимной температуры не должно превышать 0,5 0С.

Способ и порядок загрузки компонентов должен обеспечивать наилучшее распределение их в реакционной смеси. При нарушении порядка, то есть при предварительном смешении мономера с водной фазой, капли мономера обволакиваются защитной пленкой коллоида, которая препятствует растворению в мономере инициатора и других компонентов. Соотношение используемых количеств воды и мономера оказывает существенное влияние на отвод тепла в ходе реакции полимеризации и однородность поливинилхлорида. Недостаточное количество воды в реакционной смеси может привести к перегревам внутри частиц, к усиленному дегидрохлорированию полимера и получению продукта с повышенной разветвленностью цепей и низкой термостабильностью.

2.2 Описание технологической схемы производства поливинилхлорида

Технологический процесс получения суспензионного поливинилхлорида состоит из трех стадий.

2.2.1 Стадия 1. Полимеризация винилхлорида

В состав стадии входят следующие узлы:

полимеризация винилхлорида;

гидроочистка реакторов полимеризации.

Полимеризация винилхлорида

Процесс полимеризации винилхлорида осуществляется периодическим способом в реакторах Р-11/1-4 вместимостью 65 м3 каждый. Реактор снабжен рубашкой для подогрева или охлаждения, импеллерной мешалкой. Привод мешалки - нижний от электродвигателя через редуктор. Реактора Р-11/3,4 снабжены редукторами с переменным числом оборотов, реактора Р-11/1,2 - редукторами с постоянным числом оборотов. Уплотнение вала мешалки - двойное торцевое.

Прокачиваемая жидкость, в качестве которой используется обессоленная вода, подается в торцевое уплотнение с целью предотвращения попадания в него рабочей среды - суспензии ПВХ.

В качестве запирающей жидкости используется масло.

При достижении на линии нагнетания насосов давления более 2,0 МПа насосы останавливаются.

Реактора полимеризации кроме перечисленных выше устройств снабжены также следующими устройствами и сопутствующим оборудованием, обеспечивающими их нормальную работу и безопасность проведения процесса полимеризации:

Устройством гидроочистки стенок реактора водой высокого давления, смонтированным на штуцере в крышке реактора;

Узлом для нанесения покрытия на стенки реактора, состоящим из мерника Е-15 для приема и нагрева раствора нигрозина и форсунки для распыления раствора внутри реактора, установленной на штуцере в крышке реактора;

Узлом для впрыска в реактор раствора прерывателя реакции полимеризации, состоящим из мерника Е-14 для хранения раствора третбутилпирокатехина, сборника Е-13 для хранения азота Р=1,4 МПа с целью обеспечения впрыска раствора в реактор и донного клапана, вмонтированного в днище реактора, через который раствор поступает в реактор;

Страницы: 1, 2, 3