Đồ án Công nghệ 2

MỞ ĐẦU dc Ngày nay, cùng với nền khoa học hiện đại, công nghệ hoá học không ngừng phát triển và chiếm vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Khoa học nghiên cứu và sản xuất hợp chất cao phân tử là một trong những công nghệ điển hình, đặc trưng bởi tốc độ phát triển và phạm vi ứng dụng của chúng. Các ngành công nghiệp lớn như cao su, chất dẻo, sợi hóa học, màng, sơn và keo, vật liệu cách điệnLuận Văn - Đề Án - Tiểu Luận Điên Tử và giấy, v.v hoàn toàn có mặt các vật liệu cao phân tử hay Polymer. Có thể nói các vật liệu cao phân tử hầu như được sử dụng trong mọi ngành kinh tếLuận Văn - Đề Án - Tiểu Luận Kinh Tế quốc dân [6]. Sản phẩm Polyme có những tính chất đặc biệt so với các vật liệu khác như tỷ trọng thấp, tính cách điện, cách nhiệtLuận Văn - Đề Án - Tiểu Luận Nhiệt Lạnh, cách âm cao, khả năng chống ăn mòn, dễ gia công, dễ tạo hình và nhuộm màu tốt…Tuy nhiên, vẫn còn nhiều nhược điểm như độ bền nhiệt thấp, hệ số giãn nở nhiệt cao, dễ chảy và phân hủy theo thời gian, v.v. Khoa học công nghệ càng phát triển tương ứng với càng nhiều nghiên cứu mới Luận Văn - Đề Án - Tiểu Luận Đầu Tưcho thấy có thể khắc phục được những nhược điểm trên và tạo ra các sản phẩm có tính chất đặc biệt tốt hơn. Hiện nay, hầu hết các nước phát triển và đang phát triển đều sử dụng phổ biến vật liệu Polymer, các nước công nghiệp hiện đại thường có những ứng dụng tiên tiến và hiện đại hơn rất nhiều trong lĩnh vực vũ trụ, hàng không, hàng hải, quân sự và dân dụng. Một trong những sản phẩm lâu đời của công nghệ Polymer đã rất thông dụng là polyester không no, đó là sản phẩm trùng ngưng từ axit đa chức và rượu đa chức. Các sản phẩm thương mại từ UPE bao gồm: nhựa nhiệt dẻo, nhựa trung gian (để sản xuất các loại nhựa khác), nhựa alkyd (dùng phối sơn) và nhựa UPE (chế tạo composite và ứng dụng khác). Thông thường UPE được trộn trong hỗn hợp với các monomer như styren, methylmethacrylate,... và chất khơi mào (thường là các peroxit) để đóng rắn. Sản phẩm nhựa có độ nhớt trung bình hay thấp tùy thuộc vào các cấu tử nguyên liệu ban đầu hay điều kiện tổng hợp, khi trộn với monomer đồng trùng hợp thì chúng là chất lỏng đồng nhất. Thí nghiệm tổng hợp polyester đầu tiên được thực hiện bởi nhà hoá học Thuỵ Điển Berzelius (1779-1848) vào năm 1847, khi ông cho axit tartaric tác dụng với glycerin để thu được sản phẩm polyester no. Ghi chép sớm nhất về polyester không no – UPE là kết quả nghiên cứu hợp chất glycol maleat của Daniel Vorländer (1867-1941, nhà hoá học người Đức) vào năm 1894 [2]. Ngành hoá học vật liệu polymer đã không thực sự phát triển cho đến nửa đầu thế kỷ XX. Những năm 1920 đã chứng kiến bước đi tiên phong của Wallace Hume Carothers (1896-1937, nhà hoá học Mỹ) cùng nhiều nghiên cứu về hợp chất không no đi từ etylen glycol và axit không no hay các anhydric mà cụ thể như axit fumaric và anhydric maleic. Người ta đã sớm khám phá rằng UPE khá thụ động khi chỉ phản ứng với chính nó hoặc trong phản ứng đơn trùng hợp. Khi có mặt xúc tác peroxit, để có thể đóng rắn hoàn toàn cũng phải cần đến nhiệt độ tương đối cao và thời gian khá dài. Những loại nhựa như vậy hoàn toàn không giống với nhựa UPE ngày nay ở điểm chúng là dạng rắn hoặc chất lỏng có độ nhớt cao, kém linh động [1]. Vấn đề then chốt để có được loại nhựa UPE hiện đại như ngày nay được khám phá vào năm 1937 bởi nhà sáng chế Carleton Ellis (người Mỹ, 1876-1941) khi ông thêm monomer styren vào thành phần nhựa tạo nên hỗn hợp có tốc độ phản ứng đồng trùng hợp nhanh hơn từ 20÷30 lần so với tốc độ phản ứng đơn trùng hợp của UPE với nhau. Hơn nữa, chất lỏng có độ nhớt thấp như styren khi được sử dụng sẽ làm hỗn hợp nhựa trở nên dễ gia công bằng tay, có thể cán, đúc hay đổ khuôn mà không cần áp lực lớn. Tuy nhiên, vào thời điểm bấy giờ styren có giá khá đắt. Tính kinh tế của sản phẩm nhựa hoàn toàn căn cứ vào giá styren, rất có thể điều này đã kìm hãm sự mở rộng các ứng dụng của UPE [1], [2]. Hiện trên thị trường Việt Nam chưa thể chủ động nguồn cung cấp UPE mà dựa hoàn toàn vào nhập khẩu, sản phẩm UPE chủ yếu nhập từ các nước khu vực Đông Bắc Á như Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thái Lan… trong khi đó nhiều lĩnh vực trong nước vẫn đòi hỏi các tính năng sử dụng của UPE nên chúng đã được ứng dụng rất rộng rãi, ví dụ vật liệu đúc khuôn, vật liệu cách điện trong kỹ thuật vô tuyến điện, xi măng hữu cơ, màng phủ, trong công nghiệp chế tạo ô tô, tàu thủy, và đặc biệt là ứng dụng để chế tạo vật liệu Composite. Sự ra đời và hoạt động của cụm công nghiệp lọc hoá dầu Dung Quất có thể sẽ giải quyết phần nào vấn đề này, hy vọng sẽ có hướng đi mới cho việc sản xuất nhựa UPE hoặc cung cấp nguyên liệu sản xuất ngay trong nước. Khi đó, sẽ có nhiều điều kiện sử dụng hơn, nhu cầu sử dụng được áp ứng rộng hơn. Dù vậy, vấn đề khó khăn là sự thiếu hụt các công nghệ sản xuất phù hợp với điều kiện kinh tế và nhân lực của nước ta. Nhựa polyester không no ngoài những đặc tính ưu việt như: độ bền cơ lý và môi trường cao, dễ gia công tạo hình sản phẩm thì nó còn nhược điểm là thiếu tính tự chống chảy gây khó khăn cho bề mặt thẳng đứng, do đó cần phải nghiên cứu biến tính để khắc phục hiện tượng này [5]. Từ những lợi ích và hạn chế của nhựa UPE đã nêu trên, tôi chọn và thực hiện đề tài “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa polyester không no UPE, năng suất 30000 tấn/năm” để góp phần đáp ứng nhu cầu sử dụng nội địa, xa hơn nữa là tiến đến xây dựng một dây chuyền sản xuất ngay trong nước, từ đó có thể chủ động nguồn cung cấp mà không phụ thuộc vào nhập khẩu. Sinh viên thực hiện LÊ VIẾT VIỆT NHÂN PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Chương 1 LÝ THUYẾT TỒNG HỢP 1.1. Tính chất chung [4], [5] - UPE là sản phẩm trùng ngưng của axit carboxylic đa chức (polyaxit) và ancol đa chức (polyol) hay từ quá trình trùng hợp mở vòng lactone. Trong đó, hoặc polyol hoặc polyaxit hoặc cả hai đều có chứa nối đôi. - Nhựa polyester không no được chia thành nhiều loại tuỳ thuộc vào các nhóm cấu trúc trên mạch chính, thông thường như orthophtalic, isophtalic, terephtalic, clorendic, bisphenol–fumarate và dicyclopentadien. + Nhựa orthophtalic: hay loại nhựa thông thường, trên cơ sở anhydric phtalic (AP), anhydric maleic (AM) và propylen glycol (PG). Hai nhóm axit của AP ở vị trí 2 carbon nằm cạnh nhau trên vòng thơm sẽ rất khó để tổng hợp được sản phẩm có khối lượng phân tử (KLPT) cao, nhựa sản xuất từ AP có tính ổn định nhiệt thấp và kháng hoá chất kém hơn so với khi sử dụng isophtalic hay terephtalic. + Nhựa isophtalic: người ta thay thế AP bằng axit isophtalic để tạo nhựa có KLPT cao hơn, do hai nhóm –COOH ở vị trí được tách riêng bởi C của vòng benzen nên tạo điều kiện hình thành mạch dài hơn. Nhựa tạo thành có độ bền lớn, kháng nhiệt, dẻo dai và độ đàn hồi lớn hơn, cải thiện các tính chất so với nhựa đi từ AP. + Nhựa terephtalic: UPE được tổng hợp từ axit terephtalic với mong muốn cải thiện các tính chất của nhựa giống như việc đã thay thế AP bằng axit isophtalic. Tuy nhiên, trường hợp này không xảy ra, nhựa terephtalic chỉ xuất hiện một ưu điểm nhỏ về nhiệt độ gây biến dạng lớn hơn loại nhựa isophtalic, các tính chất quan trọng khác như modul, độ cứng, độ bền hoá chất thiên về nhựa isophtalic. Axit terephtalic có độ hoà tan và khả năng phản ứng thấp, nó đòi hỏi phải sử dụng xúc tác hoặc áp lực nén khi sản xuất nhựa thương mại. Nếu không đủ các điều kiện trên, thời gian tổng hợp nhựa UPE terephtalic có thể kéo dài hơn đến 3 lần so với thời gian tổng hợp nhựa đi từ isophtalic. Với kết quả như vậy, các nhà nghiên cứu hướng đến terephtalate từ sợi PET đã qua sử dụng hoặc phế thải từ quá trình sản xuất nhựa PET. Nguồn nguyên liệu thải này được đề polymer hoá bởi PG tại nhiệt độ cao. Sản phẩm thuỷ phân sau đó cho phản ứng với AM rồi hoà tan vào styren để sản xuất loại UPE terephtalic có hiệu quả về mặt kinh tế. + Nhựa Bisphenol A–fumarate: là loại UPE cứng sản phẩm của quá trình ngưng tụ propoxylate (do bisphenol A phản ứng với propylenol) với axit fumaric. Cấu trúc bisphenol tạo cho loại nhựa đặc biệt này có độ cứng, tính ổn định nhiệt và bền ứng suất cao. + Nhựa Clorendic: là nhựa UPE độc nhất trên cơ sở axit HET (hexaclorocyclopentadien) hoặc anhydric của nó. Khi axit này tác dụng với polyol như neopentyl glycol sẽ cho sản phẩm có độ cứng vượt trội, đặc biệt với tính ổn định nhiệt và chịu môi trường oxi hoá. Sự có mặt của các nhóm clo sẽ hấp thụ gốc tự do tạo cho nhựa khả năng chống bắt lửa cực tốt. 1.2. Nguyên liệu tổng hợp [4] Nguyên liệu để sản xuất UPE là các polyol và polyacid, nhưng thông thường người ta dùng các diol và diaxit không no. Diol và diaxit có nhiều loại, do đặc tính của chúng khác nhau nên UPE tổng hợp được cũng có tính chất khác nhau. 1.2.1. Nguyên liệu chính 1.2.1.1. Polyaxit (Diaxit) Thường các poliaxit ở dạng anhydric để tổng hợp nhựa vì chúng có hoạt tính cao hơn và không tạo sản phẩm phụ. Anhydric maleic (AM): C2H2(CO)2O Công thức cấu tạo: - Tính chất vật lý: Khối lượng riêng ρ = 1480 kg/m3, nhiệt độ nóng chảy tnc = 350C, nhiệt độ sôi ts = 199,90C; khối lượng phân tử M = 98 đvC - AM là chất ở dạng tinh thể màu trắng hút ẩm mạnh, tan được trong các dung môi nước, rượu, cloroform, benzen. AM có thể tổng hợp từ butadien hoặc oxi hóa Furfurol có khả năng đồng trùng hợp cao và khả năng tương hợp tốt với styren. Ở dạng kết tinh AM là tinh thể hình thoi, dễ thăng hoa. AM là nguyên liệu dễ tìm, tương đối rẻ và tổng hợp được UPE có tính chất cơ lý tốt. Anhydric phtalic (AP) (C8H4O3) Công thức cấu tạo: - Tính chất vật lý: khối lượng riêng ρ = 1530 kg/m3, nhiệt độ nóng chảy tnc = 130°C, nhiệt độ sôi ts = 2810C, khối lượng phân tử M = 148 đvC. - AP là tinh thể màu trắng, tan trong nước, rượu, ete, dễ hút ẩm và thăng hoa. AP là loại nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền. Nhựa UPE sản xuất từ nó tương đối rẻ tiền, bền nhiệt, có độ bay hơi thấp, tính chất điện môi tốt, tương đối bền trong xăng, dầu và các chất dẻo ở nhiệt độ thường. UPE có thể làm chất hóa dẻo cho PVC. Anhydric Adipic (C6H8O3) Công thức cấu tạo: 1.2.1.2. Polyol (diol) a. Etylen glycol (C2H6O2) - Công thức cấu tạo HO-CH2-CH2-OH - Etylen glycol có các tính chất giống như một ancol thông thường nhưng do ảnh hưởng của hai nhóm –OH nên có tính axit mạnh hơn. EG là chất lỏng không màu, rất dễ hút ẩm, rẻ tiền, tan tốt trong nước, rượu. UPE tổng hợp từ EG cho nhựa giòn, độ kết tinh cao, cấu trúc chặt chẽ. Điều chế EG: + Thủy phân dẫn xuất halogen: + Thủy phân etylen oxit: b. Propylen glycol (C3H8O2) Công thức cấu tạo: PG là chất lỏng không màu, hòa tan trong nước theo bất cứ tỷ lệ nào. UPE đi từ PG có độ kết tinh thấp, độ bền uốn cao, độ hòa tan trong styren cao hơn etylen glycol. Tổng hợp 1,2-propylen glycol được tiến hành từ propylen bằng polypropylen clohydrin và propylenol. 1.2.1.3. Chất đóng rắn - Monomer đùng để đóng rắn UPE phải có khả năng tạo liên kết ngang để khâu mạch polymer. Thường sử dụng nhất là styren vì nó dễ dàng phản ứng đồng trùng hợp với UPE, tăng độ cứng, độ bền cơ học, giảm độ co ngót của nhựa, tạo khả năng chịu thời tiết và cách điện tốt, chỉ số khúc xạ của styren sau khi đóng rắn cao. Hơn nữa, styren không chỉ là tác nhân đóng rắn mà còn mang mục đích hoá dẻo cho nhựa. + Phương pháp chủ yếu điều chế styren là dehydro hóa Etylbenzen + Tổng hợp từ benzen và ethylen có xúc tác AlCl3 - Styren được dùng rộng rãi nhất cho polyester không no. Tuy nhiên styren là chất gây ung thư, vì vậy việc thay thế styren bằng một vinyl monomer khác đã được bàn luận trong nhiều năm qua. Trên thực tế có rất nhiều tác nhân đóng rắn khác có thể sử dụng: p-vinyl toluen α-metyl styren metyl metacrylat diallyl phtalat - Acrylat làm tăng độ bền của nhựa khi sử dụng ở ngoài trời. Metyl metacrylat làm tăng tính quang học. Chỉ số khúc xạ của vật liệu có thể được đa dạng hóa với viêc phối trộn giữa styren với metyl metacrylat, vì vậy có thể sản xuất được vật liệu có tính trong suốt cao. - Các loại vinyl khác và divinyl có thể được thay thế cho styren. Divinyl ete với polyester không no được sử dụng cho các kết cấu trong môi trường bức xạ và sơn phủ. Ngoài ra, trietylen glycol divinyl ete có thể được dùng cho lớp phủ (gel coat).Triallyl cyanurate làm tăng độ bền nhiệt của sản phẩm nhựa, vì nó có 3 nối đôi, nên làm tăng mật độ khâu mạng. 1.2.2. Các nguyên liệu khác - Hydoquinon: là tác nhân được dùng làm chất ổn định trong quá trình tổng hợp UPE. Hỗn hợp polyester không no với monomer không thể bảo quản trong một thời gian dài do chúng có khả năng trùng hợp chậm ngay cả ở nhiệt độ phòng. Để ngăn chặn quá trình đồng trùng hợp có thể dùng các phương pháp khác nhau nhưng chủ yếu là cho chất làm chậm vào phản ứng để kìm hãm quá trình đóng rắn khi cần thiết. Chất ổn định có thể triệt tiêu các gốc tự do nên ngăn chặn được phản ứng trùng hợp. + Hydroquinon là tinh thể không màu hoặc màu sáng. Thăng hoa ở nhiệt độ nóng chảy mà không bị phân huỷ và tạo dạng không bền, hoà tan trong nước và benzen. Tan tốt trong nước nóng, rượu etylic và ete. - Xylen: là chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi tựa như mùi của benzen hoặc toluen. Không tan trong nước, trộn lẫn được với rượu etylic, cloroform, benzen. Dễ bốc cháy và tạo hỗn hợp nổ với không khí. Nó được cho tạo hỗn hợp đẳng phí với nước để lôi cuốn hơi nước tạo ra, tách nước khỏi phản ứng ngưng tụ nhựa nhằm tăng vận tốc phản ứng và tốc độ chuyển hóa tạo polyester không no. 1.3. Tổng hợp nhựa UPE [3], [4] - Trùng ngưng nhựa polyester không no là phản ứng tổng hợp ester xảy ra do sự kết hợp các nhóm chức –OH và –COOH của nguyên liệu diol và diaxit không no với nhau tạo thành nhóm chức ester và liên kết các phần còn lại của các cấu tử tham gia phản ứng đồng thời tách ra sản phẩm phụ (H2O). Monomer tham gia phản ứng trùng ngưng phải chứa ít nhất hai nhóm chức khác nhau như diol, diaxit. Trong trường hợp monomer có chứa ba nhóm chức trở lên thì sản phẩm tạo thành là polyester mạng lưới không gian. - Xét cơ chế trùng ngưng nhựa polyester từ diol và diaxit. Ở dạng tổng quát ta có phương trình phản ứng: Thực chất phản ứng diễn ra như sau: - Đầu tiên là phản ứng ngưng tụ giữa diol và diaxit tạo monoester: - Phản ứng tiếp theo là sự trùng ngưng giữa dime và monomer: - Cuối cùng là đa tụ tạo polyester: Các phản ứng phụ có thể xảy ra: [4] - Phản ứng trùng hợp nối đôi AM: Hoặc trùng hợp với các nối đôi giữa các mạch phân tử với nhau. - Eter hoá dietylen glycol Sản phẩm phụ tạo ra là nước sẽ làm giảm độ trùng ngưng tạo nhựa, hơn nữa, ete dễ bị phân huỷ nhiệt nên không bền. - Thuỷ phân tạo nhóm carboxyl và olefin - Phản ứng đóng vòng nội phân tử và ngoại phân tử: Các phản ứng phụ này xảy ra làm đứt mạch phân tử, gây gel hoá làm KLPT trung bình giảm, do đó tính chất cơ lý cũng giảm theo. Khắc phục: Thay hệ thống sinh hàn ngược bằng sinh hàn chưng cất để tách loại nước và glycol dư. Nâng nhiệt độ lên 200÷2500C, cho chất ổn định vào để nhựa không bị gel hóa. Sục khí CO2 vào thiết bị phản ứng để tạo môi trường khí trơ, tách loại sản phẩm phụ, quá trình trộn hợp được tốt hơn. Để nước được lôi cuốn tách ra nhanh hơn, người ta cho xylen vào nồi phản ứng vì nó tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, như vậy nhựa tạo ra có KLPT trung bình cao. 1.4. Đóng rắn nhựa UPE [3], [5] 1.4.1. Các chất khơi mào - Có tác dụng phân hủy tạo ra gốc tự do khơi mào cho phản ứng đồng trùng hợp UPE và styren. Người ta thường sử dụng các hợp chất sau: - Các hợp chất chứa nitơ (azo và diazo) + Phổ biến nhất là 2,2-azo-bis iso butylonitril (ANBN). + N-nitroso acetanilide. + Tri-phenyl azobenzen (ít sử dụng). - Hợp chất peroxyde và hydroperoxyde. + Peroxyde benzoyl. + Peroxyde diacetyl. + Peroxyde ditertbutyl. + Peroxyde acetic. + Tert-butyl hydroperoxyde. + Hydro cyclohexyl peroxyde. 1.4.2. Cơ chế đóng rắn UPE Nhựa UPE có thể đóng rắn bằng phản ứng đồng trùng hợp với các monomer khi có mặt các chất khơi mào. Quá trình đóng rắn diễn ra theo ba giai đoạn: - Giai đoạn khơi mào: tạo ra các gốc tự do. Khi có mặt chất xúc tiến là muối Cobalt thì: Hay: Sau đó các gốc tự do này tấn công vào monomer styren và mạch polyester để tạo ra trung tâm hoạt động. R-O* + M1 → R- O-M1* R-O* + M2 → R- O-M2* Với M1: Monomer Styren, M2: Polyester không no chưa đóng rắn. - Giai đoạn phát triển mạch: các gốc tự do tấn công vào các phân tử M1, M2 để kéo dài mạch. R-O-M1* + M1 → R-O-M1M1* R-O-M1* + M2 → R-O-M1M2* R-O-M2* + M1 → R-O-M2M1* R- O-M2* + M2 → R- O-M2M2* - Giai đoạn ngắt mạch: Giai đoạn này xảy ra chủ yếu theo cơ chế tái hợp gốc, là sự kết hợp giữa hai gốc tự do hoạt động tạo ra những phần tử không có khả năng tham gia phản ứng với quá trình trùng hợp. M1* + M1* → M1M1 M1* + M2* → M1M2 M2* + M1* → M2M1 M2* + M2* → M2M2 Sau khi đóng rắn thì nhựa thu được có tính chất cơ lý khá cao. Yêu cầu của monomer khâu mạch: - Khả năng tương hợp với UPE cao. - Khả năng tự trùng hợp thấp và đồng trùng hợp với nối đôi của UPE cao. - Phổ biến, ít độc hại, mùi nhẹ. - Độ bay hơi thấp, khả năng bắt cháy thấp. - Giá thành phù hợp. 1.5. Các phương pháp biến tính [6], [7] 1.5.1. Khái niệm - Tính chất của một polyme bất kỳ không thể thoả mãn đồng thời tất cả các tính chất, các yêu cầu sử dụng. Do đó phải khắc phục những nhược điểm của nó bằng cách biến tính nó với nhiều tác nhân khác nhau, việc biến tính này sẽ tạo cho polyme có những tính chất đáp ứng được những yêu cầu sử dụng mà sản phẩm ban đầu không có được, đồng thời nó làm giảm giá thành sản phẩm. 1.5.2. Biến tính nhựa UPE bằng dầu thầu dầu - Việc biến tính này dựa vào cấu tạo hoá học của dầu thầu dầu như sau: · Dầu thầu dầu: là một loại dầu không khô, axit béo tạo thành dầu thầu có nhóm –OH, trong đó axit ricinoleic có chứa nhóm –OH đóng vai trò như một polyol. · Monoglycerit của dầu thầu dầu: có chứa đồng thời 3 nhóm –OH, trong đó 2 nhóm của monoglycerit và một nhóm –OH của axit ricinoleic, do đó nó được xem là một polyol 3 chức. - Dầu thầu dầu có tính đa chức nên nhựa tạo thành có độ nhớt cao làm tăng khả năng thấm ướt của nhựa lên sợi thuỷ tinh. Ngoài ra do độ chức cao nên tỉ lệ đưa vào cũng hạn chế, tránh sự gia tăng độ nhớt, việc tổng hợp monoglyceric và làm sạch chúng rất tốn kém nên giá thành cao. - Axit béo của dầu thầu dầu có độ chức bằng 2, do đó không làm tăng độ phân nhánh, dẫn đến làm tăng độ nhớt của nhựa, hoạt tính của nó cao hơn và tỉ lệ sử dụng đưa vào nhiều hơn, vì nó có thể cải thiện một số tính chất của nhựa. Vì những lý do trên mà người ta chỉ biến tính nhựa polyeste không no bằng axit béo của dầu thầu dầu mà không dùng ở dạng ban đầu hay như ở dạng monoglycerit của nó. 1.5.3. Biến tính nhựa UPE bằng dầu thực vật. - Ta có thể biến tính UPE bằng dầu thực vật theo những phương pháp sau: · Biến tính UPE trực tiếp từ dầu thực vật có chứa nhóm -OH như các polyol. · Biến tính với axit béo dầu thực vật, các axit này đóng vai trò chất hoá dẻo nội. · Biến tính từ các monoglycerit dầu thực vật, nó được xem là một glycol có mạch cacbon dài, được sử dụng thay thế một EG. - Ở đây tuỳ theo mục đích sử dụng mà người ta chọn phương pháp biến tính UPE thích hợp. Ngoài việc biến tính UPE từ dầu thực vật, dầu thầu dầu, người ta còn có thể biến tính UPE bằng nhiều loại dầu khác, cũng như các chất biến tính khác để thu được nhựa có những tính chất mong muốn. Chương 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHỰA UPE Chọn quy trình sản xuất UPE theo phương pháp hai giai đoạn bởi vì những đặc điểm sau: · Ưu điểm: - Hàm lượng các nguyên liệu thất thoát ít. - Hiệu suất cao. - Vận hành, khống chế phản ứng dễ dàng. - Nâng cao chất lượng sản phẩm. · Nhược điểm: - Vốn đầu tư ban đầu lớn. - Thời gian vận hành kéo dài. 2.1. Phương pháp trùng ngưng 2 giai đoạn [6], [7] 2.1.1. Giai đoạn 1: Tiền ngưng tụ tạo monoester. - Monoester được tạo ra bằng cách trộn các diol và anhydric ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp (180÷1900C). Quá trình được thực hiện như sau: Cho nguyên liệu vào thiết bị phản ứng, gia nhiệt ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhằm cho anhydric tác dụng hết với các diol tạo sự đồng đều của mạch và hạn chế sự thăng hoa, bốc hơi của nguyên liệu. Nhiệt độ sôi ban đầu khoảng 180 ¸ 1900C tùy thuộc vào độ ẩm của nguyên liệu. Theo thời gian thì lượng glycol phản ứng với AP, AM, AA tăng lên đồng nghĩa với hàm lượng EG tự do giảm dần, như vậy tỷ lệ nước sẽ tăng lên, làm nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng giảm xuống. Giữ phản ứng ở nhiệt độ sôi đến khi nhiệt độ không thay đổi (khoảng 1700C), tương ứng lúc đó chỉ số axit không thay đổi nữa thì dừng phản ứng. KLPT trung bình Mn = 100÷2000 2.1.2. Giai đoạn 2: Nâng nhiệt độ tạo polyester - Tiếp tục nâng nhiệt độ để các monoester đa tụ tạo thành polyester Nhựa có dạng HO–Y–O(OC–X–COO–Y–O)x–H, x ≥ 100, Mn > 10000 (X, Y phụ thuộc vào nguyên liệu sử dụng) - Quá trình phản ứng không được có sự hiện diện của oxi, vì nó oxi hóa nối đôi làm cho sản phẩm cuối có thể có màu, ngoài ra làm giảm mật độ nối đôi ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của nhựa. Vì vậy, việc thổi khí N2 vào thiết bị phản ứng để ngăn chặn sự hiện diện O2, đồng thời tách nước dễ dàng để cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận. n n Xt, t0 2n 2n H2O - Hệ phản ứng được theo dõi bằng cách theo dõi và đánh giá chỉ số axit, nó được xác định bằng cách chuẩn độ hỗn hợp với dung dịch KOH. Chỉ số axit là số miligam KOH trên một gam nhựa. Thông thường chỉ số axit của nhựa khoảng 50 mg/g nhựa, tương đương với phân tử lượng của nhựa là khoảng 1000 Dalton là đạt yêu cầu. Sau khi đạt được chỉ số axit như vậy, hệ được làm nguội và đồng thời bắt đầu khuấy trộn với styren. Trong bất kỳ trường hợp nào, nhiệt độ khuấy trộn styren cũng chỉ nên nhỏ hơn nhiệt độ bay hơi của vinyl monome một chút, bởi vì nếu nhiệt độ cao quá thì sẽ làm bay hơi styren và nhựa sẽ mau gel hoá, bên cạnh đó nếu nhiệt độ hạ thấp quá thì UPE sẽ có độ nhớt rất cao và rất khó khuấy trộn với styren. - Sau khi nhựa đã hình thành, hỗn hợp phản ứng được làm nguội tới nhiệt độ phòng nhanh nhất có thể. Cuối cùng, chất xúc tiến Cobalt được thêm vào nhựa để hoàn tất quá trình tổng hợp nhựa UPE. Một nhựa polyester không no không bao giờ trộn hợp được hoàn toàn với tất cả các tỷ lệ styren. Nếu một lượng lớn styren được thêm vào thì 2 pha sẽ tách riêng ra thành 2 lớp. Nhựa sẽ có màu vàng nhẹ. Trong quy trình này ta chọn hỗn hợp diphenyl để gia nhiệt cho thiết bị phản ứng, vì diphenyl không những đáp ứng được khoảng nhiệt độ của phản ứng mà còn phù hợp với tính năng kinh tế cũng như ít ảnh hưởng đến môi trường. 2.2. Quy trình công nghệ sản xuất UPE 2.2.1. Gia nhiệt hỗn hợp glycol Nguyên liệu EG và PG có sẵn trong thùng chứa (1), (2) được bơm ly tâm (27) bơm lên thùng lường (5)(6), qua thiết bị lọc nguyên liệu (9) với lượng vừa đủ để sản xuất cho một mẻ nhựa. Sau đó mở van cho nguyên liệu chảy vào thiết bị phản ứng (14). Cho hỗn hợp tải nhiệt Diphenyl ở thùng chứa (20) được đun nóng ở nồi điện trở (21) nhờ bơm pittong (19) đưa vào thiết bị phản ứng (14) với lưu lượng đủ để đun nóng hỗn hợp lên 700C, thời gian đun nóng là 30 phút. 2.2.2. Nạp AM, AP, AA và gia nhiệt Cho lượng (AM + AP + AA) ở dạng rắn với khối lượng nhất định nhờ máy nâng (10) đưa lên cao, theo băng tải (11) vào silo chứa (12), nhờ trục vít (13) đưa vào thiết bị phản ứng (14). Tiến hành khuấy đều và tăng nhiệt độ lên dần cho (AM + AP + AA) tan hết. Nhiệt độ cuối của giai đoạn này là 2000C( nhiệt độ sôi của hỗn hợp), thời gian duy trì nhiệt độ này là 50 phút. Ngừng tăng nhiệt độ để phản ứng tạo monoeste xảy ra và nhiệt độ có xu hướng giảm xuống. Sau 2 giờ, nhiệt độ của hỗn hợp còn khoảng 1700C và duy trì ở nhiệt độ này khoảng 30 phút để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Trong giai đoạn này glycol sẽ bốc hơi do đó ta cần phải hồi lưu lượng glycol bốc hơi này bằng thiết bị ngưng tụ (17) rồi cho trở lại thiết bị phản ứng. Lúc này nước vẫn chưa tách ra nên ta tiếp tục hồi lưu glycol trở lại thiết bị phản ứng. 2.2.3. Đa tụ sâu Tăng lưu lượng Difenyl đã đun nóng để tăng nhiệt độ của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng lên 2050C trong 30 phút để thực hiện phản ứng đa tụ các monoeste. Trong giai đoạn này sản phẩm và nước bắt đầu xuất hiện. Vì phản ứng là thuận nghịch nên việc tách nước là cần thiết để phản ứng xảy ra theo chiều tạo thành polyeste, để tách nước người ta dùng xylen. Xylen từ thùng chứa (3) được bơm lên thùng lường (7), qua thiết bị lọc (9), sau đó mở van cho xuống thiết bị phản ứng (14) để tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, hỗn hợp hơi bay lên ngưng tụ ở thiết bị (17) và qua thiết bị tách (16) mà nước và Xylen được tách riêng ra. Xylen được thu hồi và cho hồi lưu trở lại thiết bị (14). Thời gian thực hiện trong giai đoạn này khoảng 4 giờ, khi chỉ số axit còn khoảng 40 thì kết thúc giai đoạn phản ứng tạo polyeste không no. Sau đó tháo sản phẩm và làm vệ sinh thiết bị. 2.2.4. Tương hợp với Styren Nhựa sau khi điều chế xong được cho xuống thiết bị (18), tại đây dùng nước lạnh để làm lạnh hỗn hợp xuống còn 800C trong khoảng thời gian 1 giờ. Bắt đầu trộn hợp với Styren, ở đây dùng thêm lượng chất ổn định Hydroquinon để làm chậm quá trình trùng hợp tạo nhựa đóng rắn khi chưa gia công. Styren ở thùng chứa (4) được bơm lên thùng lường (8), sau đó mở van xuống thiết bị tương hợp (24) tiến hành trộn hợp nhựa UPE với Styren trong thời gian 1 giờ. 2.2.5. Lọc: Quá trình tương hợp xong, sau đó tiến hành lọc nhựa ở thiết bị (25) để tách các tạp chất rắn còn dư. Qua quá trình kiểm tra, sản phẩm được chứa ở thiết bị (26). 2.2.6. Đóng thùng: Sau quá trình lọc, từ thiết bị (26), nhựa được cho vào chứa trong các thùng phuy bên trong có mạ kẽm. Sau đó nhập kho và đưa đi sử dụng. Kết thúc 1 mẻ sản xuất, thời gian tổng cộng khoảng 8 giờ. Chương 3 ỨNG DỤNG CỦA NHỰA UPE Polyester không no được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật đúc, cách điện ở trong công nghiệp điện và vô tuyến điện, hoặc làm chất kết dính ximăng, màng phủ. Nhưng chủ yếu phần lớn chất dẻo dùng trong chế tạo ôtô, tàu thuỷ, máy bay, ngoài ra nó còn dùng để sản xuất vật liệu ép và dẻo thuỷ tinh. Đặc biệt nó được dùng làm vật liệu nền cho vật liệu composite với sợi độn là sợi thuỷ tinh, do có tính năng và giá thành thích hợp. Hiện nay loại vật liệu này được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực như: hàng không, hàng hải, xây dựng, đồ mỹ nghệ, đồ gia dụng,… a) Năm 2007 b) Năm 2011 Hình 3.1. Biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân bố nhu cầu tiêu thụ UPE trên thế giới 3.1. Keo dán - Nhựa polyester không no thông dụng để làm keo là nhựa đi từ axit maleic và poly(etylen glycol) với các monomer styrene, vinylacetate, metylmetacrylate. Sự có mặt các nhóm alkyl và hydroxit trên mạch phân tử làm cho nhựa có tính chất kết dính tốt. Hình 3.2. Phối trộn nhựa UPE với chất phối hợp thành keo dán - Để tiến hành điều chế keo UPE, người ta đa tụ anhydric maleic và glycol (tỉ lệ 1/2) ở nhiệt độ 180÷2000C trong môi trường khí trơ từ 2 – 8 giờ. - Để thu được keo đóng rắn nóng, trùng hợp sơ bộ styren ở 1500C sau đó thêm khối chất lỏng nhớt này vào nhựa trên. Để ngăn sự đóng rắn khi bảo quản có thể thêm 0,001÷0,01% Hydroquinon làm chất ổn định. - Ứng dụng keo UPE dùng để dán kim loại với thuỷ tinh, amiăng với đồng, chất dẻo cốt thuỷ tinh. Hình 3.3. Ứng dụng keo UPE cho sản phẩm dân dụng 3.2. Sơn - Lớp phủ - Trong công nghiệp sơn phủ, người ta thường sử dụng nhựa polyester không no để làm màng sơn, vì nhựa UPE có những tính chất đặc biệt cần thiết cho màng sơn như: có cường độ cơ lý cao, cách điện tốt, khi khô tạo bề mặt bóng láng, cứng. Tuy nhiên độ bám dính thấp, để khắc phục nhược điểm này cũng như tăng cường những tính năng của màng sơn, đồng thời giảm giá thành sản phẩm thì người ta sẽ thêm vào hỗn hợp một số chất khác, cụ thể như sau: + Nitroxenlulo 10%: tạo màng sơn với chức năng đóng rắn nhanh, bền, chịu ánh sáng, chống thấm ướt và ăn mòn hoá học. + Bột màu 5%: có tác dụng che phủ bề mặt chống xuyên thấu của tia tử ngoại, làm màng sơn chịu nước, nâng cao tính thẩm mỹ và kéo dài tuổi thọ của màng sơn. + Chất hoá dẻo 5%: làm tăng tính đàn hồi của màng sơn, chịu lạnh, tăng độ bám chắc và giảm khả năng bắt cháy. + Dung môi 38%: có tác dụng hoà tan màng sơn sau khi đóng rắn nên dung môi bay hơi hoàn toàn không lưu lại trên màng. + Chất pha loãng 32%: do giá thành rẻ nên nó được đưa vào sơn để hạ giá thành nhưng nó phải đảm bảo được các yêu cầu như: tốc độ bay hơi phải nhanh hơn dung môi và đảm bảo được độ nhớt của màng sơn. Ngoài ra còn có chất làm khô, chất đóng rắn và một số chất khác. Hình 3.4. Sản phẩm ma-tít polyester dùng phủ lót cho xe hơi Cách tiến hành phối trộn sơn: Hoà tan Nitroxenlulo vào chất pha loãng và dung môi, khuấy đều, lọc, khử tạp chất, sau đó pha loãng bằng chất pha loãng theo tỉ lệ 1 : 1 ở thiết bị khác. Tiếp theo trộn nhựa với dung dịch trên theo tỉ lệ xác định, khuấy đều, lọc, khử tạp chất và thu sơn. Nếu cần sơn có màu thì cho bột màu vào sau khi đã nghiền mịn, khuấy đều cho hệ đồng nhất, lọc qua máy ly tâm và thu sản phẩm sơn màu. Hình 3.5. Sàn nhà công nghiệp phủ UPE 3.3. Tấm và các sản phẩm đúc Hình 3.6. Các loại ống dẫn, ống bọc - Chế tạo bằng cách cho chất đóng rắn vào nhựa polyester không no đã có sẵn styren làm dung môi, đồng thời là chất tạo liên kết ngang giữa các mạch nhựa, khuấy đều tạo hỗn hợp nhựa đồng nhất có độ nhớt quy định. Sau đó tiến hành gia công theo các phương pháp khác nhau, khuôn có thể có nhiều hình dạng khác nhau, tuỳ theo mục đích sử dụng và yêu cầu sản phẩm như: khuôn tạo tấm phẳng, khuôn đúc các vật liệu gia dụng,… Hình 3.7. Tấm pallet Hình 3.8. Sản phẩm đúc mỹ nghệ - Sau thời gian nhựa đóng rắn trong khuôn hoàn toàn, tiến hành tháo khuôn rồi đem đi xử lý bề mặt, ta được sản phẩm hoàn chỉnh. Nhưng thực tế người ta ít sử dụng chỉ riêng UPE làm sản phẩm đúc vì nó đắt tiền và khó khống chế thời gian đóng rắn, thông thường người ta sử dụng chất độn thêm vào để tăng tính chất cơ lý, đồng thời hạ giá thành sản phẩm. Hình 3.9. Tấm lợp composite trên nền nhựa UPE và độn gia cường Hình 3.10. Khối UPE đúc gia cường cho sàn bê tông nhẹ 3.4. Vật liệu composite trên cơ sở UPE Composite đi từ UPE đã được sử dụng rất lâu, ngay từ đầu thế kỷ XX. UPE làm chất nền tạo sản phẩm có những tính chất cơ lý khá cao và dễ dàng gia công ở nhiệt độ thường. Vật liệu gia cường có thể ở hai dạng: dạng sợi và dạng hạt. + Gia cường dạng hạt: thường sử dụng silica, cao lanh, đất sét, graphit, cacbon,…khả năng gia cường cơ tính của dạng hạt cao nhưng không bằng dạng sợi. Tuy nhiên giá thành giảm đáng kể. + Gia cường dạng sợi: thường sử dụng sợi thuỷ tinh, sợi cacbon, sợi amid, sợi đay,… dạng sợi có tính năng cơ lý, hoá lý cao hơn. Vì vậy người ta thường dùng để chế tạo các vật liệu cao cấp hoặc các sản phẩm làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Hình 3.11. Các loại nguyên liệu sợi gia cường - Ngành đóng tàu ở Việt Nam hiện nay sử dụng lượng khá lớn composite nền UPE (chỉ sau kim loại). Việc sử dụng vật liệu Composite chế tạo tàu thuyền sẽ góp phần đáng kể trong việc bảo vệ môi trường, ngoài ra nó còn chịu nắng, mưa, tia bức xạ, chịu mặn, trọng lượng nhẹ, dễ tạo hình dạng, gia công đơn giản, có thể gia công hàng loạt. Hình 3.12. Minh hoạ quá trình gia công Hình 3.13. Xuồng Composite UPE Hình 3.14. Ván lướt sóng - Do vật liệu có độ bền cao, nhẹ, không bị ăn mòn, ít tốn kém trong quá trình bảo quản, đặc biệt là dễ gia công. Do đó nó được ứng dụng vào việc chế tạo bồn chứa có dung tích lớn, mặt khác có thể lắp ghép bằng tay các phần của sản phẩm lại với nhau, nên tiện lợi trong việc vận chuyển lên trong các nhà cao tầng. Hình 3.15. Bồn composite UPE – sợi thuỷ tinh (Chứa hoá chất, xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt…) Ngoài ra do dễ tạo dáng, có độ bóng cao, tính mỹ thuật cũng như độ bền cao nên còn được sử dụng để sản xuất và chế tạo hàng loạt các vật liệu gia dụng như: + Chế tạo bồn tắm, bàn ghế, sản phẩm nhựa gia dụng… + Chế tạo tấm nền, làm bể nuôi thuỷ hải sản. + Vỏ bọc thuyền gỗ. + Làm vật liệu chống thấm cho nhà cao tầng. PHẦN II TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1.1. Số liệu cho trước - Năng suất tính toán của phân xưởng: 30000 tấn/năm - Số ngày trong năm là: 365 ngày . - Số ngày nghỉ lễ tết trong năm là: 10 ngày. - Số ngày sửa chữa, bảo trì máy móc thiết bị, sự cố mất điện là: 10 ngày. - Như vậy, số ngày sản xuất còn lại trong một năm là: 365 - ( 10 + 10) = 345 ngày. - Do đó, để đạt được năng suất theo yêu cầu thì năng suất mỗi ngày phân xưởng phải đạt là: tấn/ngày. - Quá trình sản xuất là gián đoạn cho mỗi mẻ, thời gian sản xuất mỗi mẻ là 8 giờ. Do đó, mỗi ngày sản xuất được 3 mẻ và năng suất mỗi mẻ là: tấn/mẻ. Hay 28986 kg/mẻ 1.2. Lượng nguyên vật liệu để sản xuất 1 tấn sản phẩm 1.2.1.Lượng nguyên liệu tổng hợp nhựa Để đơn giản, ta tính toán cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm, từ đó suy ra cân bằng cho 1 mẻ và 1 năm sản xuất. - Tỷ lệ của các cấu tử tham gia phản ứng là: AM : AP : AA : EG : PG = 1 : 0,95 : 0,1 : 1,3 : 0,85 - Giả sử tất cả các nguyên liệu là tinh khiết. Lượng glycol lấy dư 10% (do bay hơi) - Gọi số mol trong 1 tấn sản phẩm là n, ta có tỉ lệ như sau: AM : AP : AA : EG : PG = 1n : 0,95n : 0,1n : 1,3n : 0,85n - Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có : mng.l = mnước + mnhựa. (1) Trong đó: mng.l = mAM + mAP + mAA + mEG + mPG. mng.l = 98n + 148.0,95n + 128.0,1 + 62.1,3n + 76.0,85n. Þ mng.l = 396,6n. (2) Vì phản ứng tạo nhựa ở giai đoạn đầu chưa có sự thoát hơi nước, hơi nước chỉ thoát ra ở giai đoạn đa tụ sâu các monoeste và lượng nước này phụ thuộc vào liên kết este giữa các anhydric với các diol, tức là phụ thuộc vào tỉ lệ giữa các cấu tử anhydric thành phần. Như vậy, ta có: mnước = 18.(1n + 0,95n + 0,1n) = 36,9n Từ (1) Þ mnhựa = mng.l - mnước. mnhựa = 396,6n - 36,9n = 359,7n. (3) - Khối lượng Styren chiếm 35% so với nhựa sản phẩm . Nên lượng Styren có trong 1 tấn nhựa sản phẩm là: mStyren = 1000.350 kg. - Do đó, trong 1 tấn dung dịch sản phẩm thì có 650 kg nhựa. - Theo yêu cầu, quá trình sản xuất cần khống chế điều kiện tổng hợp để thu được nhựa có chỉ số axit bằng 27. Nghĩa là 1(g) nhựa sản phẩm cần 27(mg) KOH để trung hoà hết lượng axit còn lại trong đó. Vậy 1(kg) nhựa thì cần 27.10-3 (kg KOH) Suy ra 650(kg) nhựa cần 17,55 (kg KOH) Số mol KOH cần cho 1 tấn sản phẩm là: nKOH = (kmol). Ta có phản ứng trung hoà xảy ra như sau: RCOOH + KOH RCOOK + H2O. 0,313 0,313 (kmol) - Trong quá trình tạo nhựa, các phản ứng xảy ra với hiệu suất chuyển hoá không hoàn toàn, nên lượng axit còn lại trong 1 tấn nhựa là: Tỉ lệ axit : AM : AP : AA = 1 : 0,95 : 0,1 mAM dư = = 14,963 (kg) mAP dư = = 21,467 (kg) mAA dư = = 1,954 (kg) maxit dư = 14,963 + 21,467 + 1,954 = 38,384 (kg) - Vậy lượng nhựa tinh khiết trong 1 tấn nhựa sản phẩm là : mnhựa tinh khiết = 1000 – (350 + 38,384) = 611,616 (kg) (4) - Từ (3) và (4) ta có biểu thức đồng nhất về khối lượng nhựa là: 359,7n = 611,616 n = 1,7 (mol) - Vậy khối lượng các cấu tử nguyên liệu tham gia sản xuất 1 tấn nhựa sản phẩm là: mAM = 98.1n = 98 . 1 . 1,7 = 166,634 (kg) mAP = 148 . 0,95 . n = 148 . 0,95 . 1,7 = 239, 069 (kg) mAA = 128 . 0,1 . n = 128 . 0,1 . 1,7 = 21,764 (kg) mEG = 62 . 1,3 . n = 62 . 1,3 . 1,7 = 137,048 (kg) mPG = 76 . 0,85 . n = 76 . 0,85 . 1,7 = 109,843 (kg) Vì glycol tổn hao 10% do bay hơi nên lượng lấy dư là : mEG dư = = 13,705 (kg) mPG dư = = 10,984 (kg) - Lượng glycol cần phải lấy là : mEG = 137,048 + 13,705 = 150,753 (kg) mPG = 109,843 + 10,984 = 120,827 (kg) - Do hiệu suất chuyển hoá tạo nhựa của tất cả nguyên liệu chỉ đạt 90%, do đó, ta cần lấy dư khoảng 10% nguyên liệu để đạt được năng suất theo yêu cầu đặt ra, khi đó lượng nguyên liệu cần lấy ban đầu cho 1 tấn nhựa sản phẩm là: mAM = 166,634 . = 185,149 (kg) mAP = 239,069 . = 265,632 (kg) mAA = 21,764 . = 24,182 (kg) mEG = 150,753 . = 167,503 (kg) mPG = 120,827 . = 134,252 (kg) Vậy, tổng lượng nguyên liệu cần dùng thực tế là: mng.l = mAM + mAP + mAA + mEG + mPG mng.l = 185,149 + 265,632 + 24,182 + 167,503 + 134,252 = 776,718 (kg) - Lượng nước sản phẩm của phản ứng trùng ngưng là: mnước= 36,9.n = 36,9 . 1,7 = 62,73 (kg) 1.2.2. Lượng xylen cần dùng để tách nước : - Xylen tạo với nước hỗn hợp đẳng phí ở 89,40C. Trong đó, nước chiếm 19,6%, hỗn hợp xylen chiếm 80,4%. Do đó để tách hết 62,73 (kg) nước trong 1 tấn nhựa sản phẩm thì lượng Xylen cần dùng là: mxylen = = 257,321 (kg) 1.3. Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình 1.3.1 Cân bằng vật chất cho quá trình để tổng hợp 1 tấn nhựa sản phẩm : Bảng 1: Khối lượng nguyên liệu cần dùng cho 1 tấn sản phẩm Nguyên liệu m (kg) AM 185,149 AP 265,632 AA 24,182 EG 167,503 PG 134,252 Xylen 257,321 Styren 350 1.3.2. Cân bằng vật chất ở công đoạn đóng gói có tổn thất 0,05% Bảng 2: Khối lượng nguyên liệu - sản phẩm ở khâu đóng gói Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) Styren 350,175 350 0,175 Nhựa 650,325 650 0,325 Tổng cộng 1000,5 1000 0,5 1.3.3. Cân bằng vật chất ở công đoạn lọc nhựa có tổn thất 0,1% Bảng 3: Khối lượng nguyên liệu - sản phẩm ở khâu lọc nhựa Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) Styren 350,525 350,175 0,35 Nhựa 650,975 650,325 0,65 Tổng cộng 1001,5 1000,5 1 1.3.4. Cân bằng vật chất ở quá trình chuẩn bị nguyên liệu với tổn thất 0,05% Bảng 4: Khối lượng nguyên liệu vào - ra ở khâu chuẩn bị Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) AM 185,242 185,149 0,093 AP 265,765 265,632 0,133 AA 24,194 24,182 0,012 EG 167,587 167,503 0,084 PG 134,319 134,252 0,067 Xylen 257,45 257,321 0,129 Styren 350,7 350,525 0,175 Tổng cộng 1385,257 1384,564 0,693 1.3.5. Cân bằng vật chất cho 1 tấn nhựa : Bảng 5: Khối lượng vật chất vào - ra khi sản xuất 1 tấn sản phẩm Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổng tổn thất (kg) AM 185,149 18,515 0,093 AP 265,632 26,563 0,133 AA 24,182 2,418 0,012 EG 167,503 13,705 0,084 PG 134,252 10,948 0,067 Xylen 257,321 257,192 0,129 Styren 350,525 - 0,7 Nước tách - 62,73 - Nhựa (35% styren) - 1000 0,975 Tổng cộng 1384,564 1382,371 2,193 1.3.6. Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản xuất - Một mẻ sản xuất được 28,986 tấn. Lấy số liệu Bảng 5 nhân với 28,986 ta được Bảng 6: Khối lượng vật chất vào - ra khi sản xuất 1 mẻ sản phẩm Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổng tổn thất (kg) AM 5366,729 536,676 2,696 AP 7699,609 769,955 3,855 AA 700,939 70,088 0,348 EG 4855,242 397,253 2,435 PG 3891,428 317,339 1,942 Xylen 7458,707 7454,967 3,739 Styren 10160,318 - 20,29 Nước tách - 1818,292 - Nhựa (35% styren) - 28986 28,261 Tổng cộng 40132,972 40069,406 63,566 1.3.7. Cân bằng vật chất cho 1 nồi phản ứng - Với khối lượng nhựa trong 1 mẻ là 29,986 tấn thì ta sử dụng 2 nồi phản ứng. Như vậy khối lượng trong mỗi nồi là 28,986/2 = 14,493 tấn/nồi. Lấy số liệu ở Bảng 5 nhân với 14,493, ta được Bảng 7 Bảng 7: Khối lượng vật chất vào - ra trong 1 nồi phản ứng Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổng tổn thất (kg) AM 2683,364 268,338 1,348 AP 3849,805 384,978 1,928 AA 350,470 35,044 0,174 EG 2427,621 198,627 1,217 PG 1945,714 158,669 0,971 Xylen 3729,353 3727,484 1,87 Styren 5080,159 - 10,145 Nước tách - 909,146 - Nhựa (35% styren) - 14493 14,131 Tổng cộng 20066,486 20034,703 31,783 1.3.8. Cân bằng vật chất cho 1 ngày đêm sản xuất : - Một ngày đêm sản xuất được 3 mẻ, lấy số liệu từ Bảng 6 nhân với 3 ta được Bảng 8: Khối lượng vật chất vào - ra trong 1 ngày sản xuất Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổng tổn thất (kg) AM 16100,187 1610,027 8,087 AP 23098,827 2309,865 11,565 AA 2102,818 210,264 1,043 EG 14565,726 1191,759 7,304 PG 11674,285 952,016 5,826 Xylen 22376,120 22364,902 11,218 Styren 30480,953 - 60,871 Nước tách - 5454,875 - Nhựa (35% styren) - 86958 84,784 Tổng cộng 120398,916 120208,217 190,699 1.3.9. Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất : - Một năm sản xuất có 345 ngày, từ số liệu Bảng 9 nhân với 345, sau đó chia 1000 ta có: Bảng 9: Khối lượng vật chất vào - ra trong 1 năm sản xuất Nguyên liệu Lượng vào (tấn) Lượng ra (tấn) Tổng tổn thất (tấn) AM 5554,564 555,459 2,79 AP 7969,095 796,904 3,99 AA 725,472 72,541 0,36 EG 5025,175 411,157 2,52 PG 4027,628 328,446 2,01 Xylen 7719,761 7715,891 3,87 Styren 10515,929 - 21 Nước tách - 1881,932 - Nhựa (35% styren) - 30000,51 29,25 Tổng cộng 41537,626 41471,835 65,791 1.4. Lượng Xylen cần dùng để tách nước trong 1 năm - Từ bảng cân bằng vật chất ta có lượng nước cần tách ra trong 1 mẻ là : mnước = 1818,292 (kg). - Lượng Xylen cần dùng để tách nước trong mẻ sản xuất đầu tiên là : mXylen = (kg). - Do lượng Xylen thường được tinh chế và cho hồi lưu lại quá trình khoảng 80% nên lượng Xylen dùng trong mỗi mẻ sau sẽ là : mXylen = 0,2 . 7458,708 = 1491,74 (kg) - Số mẻ sản xuất được trong 1 năm là : 3.345 = 1035 (mẻ). Vậy tổng lượng Xylen dùng trong 1 năm sản xuất (trừ mẻ đầu tiên) là: mXylen = 1034 . 1491,74 = 1 542 460,814 (kg) Vậy lượng Xylen cần dùng cho 1 năm là : mxylen = 7458,708 + 1 542 460,814 = 1 549 919,522 (kg). - Lượng Xylen mất mát (0,05% do chuẩn bị nguyên liệu) trong mẻ đầu tiên là : mxylen = (kg). - Lượng Xylen mất mát trong mỗi mẻ sau là : Tổng lượng Xylen mất mát trong 1 năm là : mmất mát = 3,729 + 1034 . 0,746 = 775,093 (kg) Vậy tổng lượng Xylen cần lấy để dùng trong 1 năm sản xuất là: mxylen = 1 549 919,522 + 775,093 = 1 550 694,615 (kg) ó mxylen = 1,55 (tấn) KẾT LUẬN Qua quá trình tìm hiểu lý thuyết và tính toán trong đồ án này ta nhận thấy rằng việc thiết kế nhà máy hóa chất nói chung và phân xưởng sản xuất UPE nói riêng là phức tạp vì cần phải thỏa mãn các yêu cầu công nghệ, thực tế sản xuất, hiệu quả kinh tế và an toàn lao động… Để có được đồ án thiết kế này, ngoài việc nỗ lực của bản thân, trước hết là nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn cùng việc tìm hiểu thông qua các đồ án tham khảo của anh, chị sinh viên khoá trước. Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế, khả năng tìm hiểu chưa sâu sát vấn đề nên trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi sai sót trong tính toán cũng như lý thuyết về nhựa UPE, kính mong được thầy giáo hướng dẫn góp ý kiến để em hoàn thiện các đồ án sau này được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện LÊ VIẾT VIỆT NHÂN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Sydney H.Goodman, Handbook of Thermoset Plastics (2nd Edition), Raytheon Systems Co., El Segundo, California. [2]. Ken L.Forsdyke and Trevor F.Starr, Thermoset Resin (2002), Rapra Technology Limited, UK. [3]. PGS.TS Thái Doãn Tĩnh, Hoá học các hợp chất cao phân tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [4]. Phan Thế Anh, Giáo trình Kỹ thuật sản xuất nhựa (2012), Khoa Hóa, Đại học Bách Khoa, ĐHĐN. [5]. TS. Đoàn Thị Thu Loan, Giáo trình vật liệu composite (2010), Đại học Bách Khoa, ĐHĐN. [6]. Hồ Trí Dũng, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa UPE, năng suất 50.000 tấn/năm” (2007), 02H4, Đại học Bách Khoa, ĐHĐN. [7]. Lê Thanh Hải, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa UPE, năng suất 10.000 tấn/năm” (2006), 01H4, Đại học Bách Khoa, ĐHĐN.