ПО / Шулаева-ФСА ПВХ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет» Филиал УГНТУ в г. Стерлитамаке

Кафедра автоматизированных технологических и информационных систем

ИНТЕРАКТИВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ПВХ

Учебно-методическое пособие по выполнению практических работ

и самостоятельной работе обучающихся

Стерлитамак 2018

Данное учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся всех форм обучения по специальности 21.05.06 «Нефтегазовые техника и технологии» и по направлениям 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 «Управление в технических системах», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 18.03.01 «Химическая технология», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» в качестве практического руководства при выполнении практических работ и СРО по дисциплинам «Технические измерения и приборы», «Измерения технологических параметров в нефтегазовой промышленности», «Системы управления химикотехнологическими процессами», «Основы автоматизации технологических процессов».

Пособие может быть полезно преподавателям, а так же обучающимся технических направлений и специальностей.

Составитель: Шулаева Е.А., к.т.н., доцент каф. АТИС

Рецензенты: Рахман П.А., к.т.н., доцент каф. АТИС Чариков П.Н., к.т.н., доцент каф. АТИС

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2018

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Самостоятельная работа обучающихся направлена на:

работу с конспектом лекций;

работу с основной и дополнительной литературой;

работу над темами, вынесенными на самостоятельную проработку;

подготовку к итоговой аттестации по дисциплине.

Самостоятельная работа обучающихся предполагает:

изучение учебного материала, вынесенного на самостоятельную проработку;

подготовку к лабораторным и практическим занятиям;

подготовку к тестированию;

подготовку к сдаче экзамена.

При подготовке к занятиям обучающийся должен просмотреть конспекты лекций, рекомендованную литературу по данной теме; подготовиться к ответу на контрольные вопросы. Успешное изучение курса требует от обучающихся посещения лекций, активной работы на практических занятиях, выполнения всех учебных заданий преподавателя, ознакомления основной и дополнительной литературой. Запись лекции – одна из форм активной самостоятельной работы обучающихся, требующая навыков и умения кратко, схематично, последовательно и логично фиксировать основные положения, выводы, обобщения, формулировки. Культура записи лекции – один из важнейших факторов успешного и творческого овладения знаниями. Последующая работа над текстом лекции воскрешает в памяти ее содержание, позволяет развивать аналитическое мышление. В конце лекции преподаватель оставляет время (5-10 минут) для того, чтобы обучающиеся имели возможность задать уточняющие вопросы по изучаемому материалу. Лекции имеют в основном обзорный характер и нацелены на освещение наиболее трудных и дискуссионных вопросов, а также призваны способствовать формированию навыков работы с научной литературой. Предполагается также, что обучающиеся приходят на лекции, предварительно проработав соответствующий учебный материал по источникам, рекомендуемым программой. Работа с конспектом лекций предполагает просмотр конспекта в тот же день после занятий, пометку материала конспекта, который вызывает затруднения для понимания. Попытайтесь найти ответы на затруднительные вопросы, используя рекомендуемую литературу. Если самостоятельно не удалось разобраться в материале, сформулируйте вопросы и обратитесь за помощью к преподавателю на консультации или ближайшей лекции. Регулярно отводите время для повторения пройденного материала, проверяя свои знания, умения и навыки по контрольным вопросам. Для выполнения письменных домашних заданий обучающимся необходимо внимательно прочитать соответствующий раздел учебника и проработать аналогичные задания, рассматриваемые преподавателем на лекционных занятиях. Основным методом

4

обучения является самостоятельная работа обучающихся с учебнометодическими материалами, научной литературой, статистическими данными, в том числе из сети Интернет. Постоянная активность на занятиях, готовность ставить и обсуждать актуальные проблемы курса - залог успешной работы и положительной оценки.

Структура и содержание дисциплины, виды СРО, учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины, перечень лицензионного и свободно распространяемого программного обеспечения, используемого в учебном процессе при освоении дисциплины, перечень оценочных средств для текущего контроля и промежуточной аттестации по дисциплине, критерии оценки уровня освоения дисциплины (степени достижения заданного уровня освоения компетенции) представлено в рабочей программе и фонде оценочных средств по текущей успеваемости и промежуточной аттестации по дисциплине на сайте http://www.rusoil.net/.

5

1 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЦЕССА

На современном этапе производства синтетических материалов остро встала проблема повышения качества готовой продукции, обеспечения безопасности технологического процесса производства полимеров, ресурсо - и энергосбережения. 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 [1].

Поливинилхлорид (ПВХ) является крупнотоннажным продуктом, относящимся по объему выпуска в России и за рубежом к трем основным термопластичным синтетическим смолам (полиолефины, полистирол, ПВХ), занимающим второе место после полиэтилена. Из известных способов получения ПВХ (суспензионный, массовый, эмульсионный) рассмотрен наиболее применяемый суспензионный способ полимеризации винилхлорида, отличающийся наличием разнообразных технологических стадий производства и современного оборудования [6].

1.1 Общие сведения о поливинилхлориде

Поливинилхлорид (ПВХ) впервые был получен в начале XIX в. в результате химического превращения винилхлорида (ВХ) под действием солнечного света. Самым удивительным в этом превращении оказалось то, что исходный газообразный (при нормальных условиях) винилхлорид и конечный твердый порошкообразный продукт ПВХ имели одинаковый элементный состав: 56,8% хлора, 38,4% углерода и 4,8% водорода. Позднее подобные химические превращения получили название реакции полимеризации.

В настоящее время ПВХ получают тремя способами полимеризации винилхлорида: суспензионным, эмульсионным и блочным (или массовым). На суспензионный способ приходится более 80 % всего объема производства ПВХ. Это обусловлено рядом преимуществ: эффективностью отвода тепла реакции, высокой производительностью, относительной чистотой полимера, хорошей совмещаемостью его с компонентами при переработке в материалы и изделия, широкими возможностями модификации свойств ПВХ путем введения различных добавок и изменения параметров процесса полимеризации ВХ [6].

1.2 Получение поливинилхлорида

Наиболее распространенным способом получения ПВХ является метод суспензионной полимеризации винилхлорида. Вместе с тем этот процесс по механизму формирования полимерных частиц, а также по кинетике очень близок процессу полимеризации винилхлорида в массе. Поэтому способ полимеризации винилхлорида в суспензии можно рассматривать как удобную для практического осуществления разновидность полимеризации в массе.

Технологические основы получения суспензионного ПВХ

Процесс полимеризации ВХ суспензионным способом осуществляется в каплях мономера, диспергированного в водной среде при достаточно

6

интенсивном перемешивании. В мономере растворяется инициатор, и при определенной температуре среды в каплях протекает реакция полимеризации. Таким образом, каждая капля эмульсии представляет собой микрореактор блочной полимеризации, окруженный водной средой, являющейся эффективным посредником для отвода тепла реакции, что способствует получению полимера с узким молекулярно-массовым распределением [6].

Однако при обычном эмульгировании двух несмешивающихся жидкостей в условиях динамического равновесия одновременно протекает сложный взаимосвязанный процесс дробления крупных капель и коалесценции (слияния) мелких, в то время как для формирования в процессе полимеризации ВХ частиц ПВХ требуемой структуры (размеров, формы, пористости) необходимо стабильное состояние диспергированных капель мономера в эмульсии без их слияния и дробления. Стабилизация достигается введением в водную фазу нерастворимых в мономере веществ, молекулы которых располагаются на поверхности капель мономера так, что их гидрофобные части направлены в сторону мономера, а гидрофильные - в сторону воды. Такие вещества называют стабилизаторами эмульсии. Наибольшее применение находят производные целлюлозы и поливиниловых спиртов, образующие с водой коллоидные растворы.

Схема эмульгирования жидкого мономера ВХ в воде показана на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема диспергирования мономера ВХ в водной фазе

Размеры капель и образующихся из них частиц ПВХ зависят от интенсивности перемешивания и свойств стабилизатора эмульсии. По мере полимеризации ВХ и образования твердой фазы полимера вязкость в капле мономера возрастает и увеличивается ее сопротивление к диспергированию. Но в то же время полимер-мономерные частицы (ПМЧ) становятся липкими, и при соударениях возможно их слипание. Поэтому функция стабилизатора эмульсии, кроме стабилизации диспергированных мономерных капель, состоит и в предотвращении слипания ПМЧ между собой. В связи с этим применяемые для стабилизации эмульсии вещества называют также защитными коллоидами.

В каждой изолированной защитным коллоидом капле мономера после создания условий полимеризации ВХ (инициатор, температура) процесс формирования частицы ПВХ протекает по схеме, показанной на рис. 1.2.

7

Рисунок 1.2 – Схема формирования частицы ПВХ

вполимеризующейся капле мономера ВХ

Вначальный момент в капле мономера, стабилизированной защитным коллоидом 1, образуются первичные разрозненные частицы (зародыши) размерами около 0,1 мкм. По мере развития процесса полимеризации число частиц не изменяется, но происходит рост их размеров 2, причем происходит это не за счет агрегирования зародышей, а вследствие полимеризации мономера на их поверхности и адсорбции молекул полимера, выпадающих из жидкой фазы ВХ. При степени конверсии 20-30% полимерные частички (глобулы) набухают в мономере, становятся липкими и при столкновениях между собой начинают агрегироваться 3. В дальнейшем все первичные частички в капле мономера объединяются, образуя пористый микроблок 4, все еще набухающий в жидкой фазе мономера, остающегося в полимермономерной частице, защищенной коллоидом. Положение 5 соответствует моменту исчезновения жидкой фазы мономера и уплотнению частицы ПВХ, т.е. уменьшению ее пористости. Этот процесс активно протекает в диапазоне степеней конверсии от 70 до 90 %. Если процесс при этом не прерывать, то полимеризация ВХ в частице, набухшей в мономере, продолжается до образования монолитной частицы ПВХ 6, на поверхности которой оседает защитный коллоид.

При достаточно большом содержании защитного коллоида из каждой капли эмульсии формируется частица ПВХ, близкая по форме к сферической, как показано на (рис. 1.2). Недостаток стабилизатора эмульсии в период максимальной липкости полимерных глобул одновременно с их слипанием между собой вызывает слипание капель полимеризующегося ВХ (полимермономерных частиц) с образованием зерен ПВХ в виде агрегатов (сростков) отдельных формирующихся частиц ПВХ (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Схема формирования частиц ПВХ агрегативного типа

8

При любом варианте формообразования одновременно происходит формирование пористой структуры зерна, образуемой при слипании первичных глобулярных частиц в каплях на ранней стадии процесса. По мере расходования мономерной фазы в полимер-мономерных частицах происходит полная агрегация глобулярных частиц ПВХ, завершающаяся образованием пористой структуры зерна при степени крнверсии до 30% . При дальнейшем повышении степени превращения ВХ происходит увеличение размеров сросшихся глобулярных частиц и площадей их контактов между собой, при этом уменьшается пористость и удельная поверхность зерен ПВХ [1].

Обычно процесс полимеризации ВХ суспензионным способом осуществляют до степени конверсии 85 - 90%. ПВХ, полученный при высоких степенях конверсии, имеет более плотные частицы, а при меньших степенях превращения - более пористые.

Коротко сущность суспензионного способа полимеризации ВХ заключается в следующем. Процесс осуществляют в реакторах-автоклавах периодического действия. Винилхлорид с растворенным в нем инициатором перемешивают в водной среде, содержащей защитный коллоид. Смесь нагревают до температуры 45 - 650С в зависимости от требуемой молекулярной массы ПВХ. Заданную температуру поддерживают с отклонениями не более ± 0,5°С, чтобы получать однородный по молекулярной массе полимер. Процесс заканчивается при степени конверсии ВХ 85 - 90%. Начиная со степени конверсии 75% наблюдается падение давления в автоклаве, что связано с изменением условий равновесия жидкого и парообразного винилхлорида вследствие растворения остаточного мономера в полимерной фазе. По окончании процесса незаполимеризовавшийся мономер ВХ удаляют, поливинилхлорид выделяют из суспензии на центрифуге, осадок сушат горячим воздухом до остаточной влажности 0,3%, порошок просеивают и расфасовывают.

Современное промышленное производство ПВХ состоит из следующих основных технологических стадий:

-полимеризации винилхлорида;

-дегазации поливинилхлорида;

-выделения ПВХ из суспензии;

-сушки и классификации ПВХ;

-складирования и расфасовки ПВХ.

Кроме того, производство включает ряд вспомогательных стадий:

-рекуперация незаполимеризовавшегося ВХ;

-очистка газовых выбросов от ВХ;

-очистка сточных вод.

Всостав крупных производств суспензионного ПВХ входят стадии подготовки обессоленной воды и получения инициатора.

Вданном учебно-методическом пособии будут рассмотрены практические работы для возможности создания интерактивных ФСА основных стадий производства ПВХ в имитационно-моделирующем комплексе (ИМК) «ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА» [7].

9

2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

2.1 Описание технологического процесса производства поливинилхлорида

Промышленная технологическая схема получения ПВХ суспензионным способом [6] в упрощенном варианте и без вспомогательных стадий приведена на рис. 2.1.

1,9 - нагреватели смесительные паровые; 2 - реактор-полимеризатор; 3 - обратный конденсатор-холодильник; 4 - коркоотделитель; 5, 12, 15- насосы; 6-

дегазатор емкостный; 7, 11- сепараторы; (8- теплообменник; 10- колонна дегазации; 13 - конденсатор; _ 14 - сборник суспензии ПВХ; 16 - расширитель; 17 - центрифуга; 18 - сушилка кипящего слоя; 19 - циклон; 20 - классификатор

Рисунок 2.1 – Принципиальная технологическая схема получения поливинилхлорида суспензионным способом

Процесс полимеризации ВХ осуществляют в реакторе-полимеризаторе 2, оборудованном мешалкой и теплообменными устройствами: рубашкой и обратным конденсатором 3. В реактор загружают воду, инициатор, раствор защитного коллоида и жидкий мономер ВХ. После подогрева до заданной температуры начинается процесс полимеризации с выделением реакционного тепла, которое отводится через теплообменную рубашку захоложенной водой. Избыток тепла во время максимального тепловыделения при степени конверсии 6070% отводится в обратном конденсаторе-холодильнике 3 путем конденсации и охлаждения испаряющегося в реакторе винилхлорида. Заданную степень конверсии ВХ (обычно 80 - 85%) определяют по величине падения давления в реакторе. В некоторых случаях конверсию доводят до (90)%, для чего содержимое реактора подогревают выше заданной температуры полимеризации.

По окончании процесса полученную суспензию ПВХ из реактора через коркоотделитель 4 перегружают в емкостный дегазатор 6. Налипший на стенки

10