K003897 Дипломная работа Полимеризация

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………….3

Литературный обзор метода производства………………………….……………….…….5

1.2 Химизм процесса……………………………………………………………………….……5

1.3 Механизм процесса…………………………………………………………………………..8

1.4 Термодинамика процесса…………………………………………………………………...8

1.5 Обоснование условий ведения процесса полимеризации………………………………...9

2.1 Блок - схема процесса 11

2.2 Описание технологической схемы процесса полимеризации…………………………...11

3.Характеристика исходного сырья, готовой продукции и вспомогательных материалов 15

3.1 Характеристика производимой продукции……………………………………………….15

3.2 Характеристика  исходного  сырья, материалов,  полупродуктов  и  энергоресурсов...16

4. Материальный баланс. 17

5 Тепловой баланс 23

6 Расчет основного и вспомогательного оборудования……………………………………...31

6.1 Технологический расчет реактора-смесителя АТ 3201………………………………….31

6.2 Технологический расчет предполимеризатора АR 3201………………………………...32

6.3 Технологический расчет полимеризатора АR 3202……………………………………...32

6.4 Расчет центробежного насоса АР 3101…………………………………………………..33

6.5 Расчет дефлегматора АС 3201………………………………………………………….....34

6.6 Расчёт теплообменника AH 3201………………………………………………………...38

7.Конструктивно-механический расчет аппарата поликонденсатора. 39

8.Аналитический контроль....................................................................………………………42

9.Система контроля и управление производством ………………………………….……….43

10. Утилизация отходов и охрана окружающей среды………………………………….…...49

11. Охрана труда и техника безопасности…………………………………………….………53

12. Технико - экономический расчет……………………………………………………….…62

Список литературы 70

Приложение

Введение

    Полиамид 6  (ПА6) является кристаллизующимся полимером, относящимся к группе линейных полиамидов, наряду с полиамидом-66 (ПА6.6), полиамидом-11, полиамидом-12, полиамидом-610 (ПА6.10) и другими. Материал получил широкую известность в связи с применением в текстильной промышленности для производства нитей, волокон, кордной ткани. Это применение дало полиамиду-6 торговую марку нейлон 6.

Использование полиамида-6 в качестве конструкционного термопластичного материала связано, как с его базовыми свойствами, так и с возможностью широкой модификации материала.

Конструкционный полиамид-6 является одним из самых широко применяемых инженерных материалов в таких областях, как автомобильная промышленность, машиностроение, электротехника и электроника, мебельная промышленность, бытовая техника, строительство, спортивный и туристический инвентарь, упаковка. Это обусловлено следующими факторами.

 

Механические свойства: материал сочетает высокую ударопрочность с жесткостью и стойкостью к ползучести.

Химическая и климатическая стойкость: полиамид 6 устойчив к автомобильному топливу, смазкам, углеводородам, нефтяным продуктам. Материал достаточно гигроскопичен (водопоглощение выше, чем у ПА66), что увеличивает эластичность (ударопрочность) материала в условиях эксплуатации.

Температура эксплуатации: температура плавления ненаполненных марок - 215-219°С. Термоформоустойчивость – высокая, температура эксплуатации - до 140°С, временно до 200°С.

Электроизоляционные свойства: электрическая прочность - 20-45 кВ/мм; уд. объемное сопротивление - 1010-1016 Ом*см.

 

Модификация полиамида 6

Модификация ПА6 путем введения различных добавок (стекловолокна, минеральных наполнителей, антипиренов и других) позволяет повысить такие свойства, как теплостойкость, прочность, жесткость, ударную вязкость, снизить водопоглощение, снизить горючесть материалов и т.д.

В зависимости от модификации, конструкционный полиамид 6 можно классифицировать следующим образом:

Базовые неармированные марки

Первичный и модифицированный литьевой ПА6 можно использоваться, как в качестве конструкционного материала, так и для последующего армирования. Плотность – 1,12-1,16 г/см3. Предел текучести при растяжении – 60-90 МПа. Материал не разрушается при испытаниях ударной вязкости по Шарпи без надреза до -40°С. Категория стойкости горения для базовых марок - ПВ2, стойкость при испытании раскаленной петлей – 850°С

Ударопрочные марки

Увеличение стойкости к удару достигается введением специальных добавок – модификаторов ударной вязкости. Плотность ударопрочных марок – 1,06-1,10 г/см3. Марки характеризуются стойкостью к знакопеременным нагрузкам (до –60°С) и применяются в автомобильной индустрии (основания замков, кнопки для крепления облицовки салона), а, также, при производстве колес для мебели, деталей спортивного инвентаря, зажимов, хомутов, уплотняющих, прокладочных деталей и т.п. Ударопрочные марки с пониженным водопоглощением предназначены для изготовления деталей технического и бытового назначения, эксплуатирующиеся в условиях повышенных динамических и ударных нагрузок, в узлах трения (без смазки или при ее ограничении).

Стеклонаполненные марки

Марки общетехнического назначения применяются для изготовления изделий повышенной жесткости в автомобильной, авиационной и мебельной промышленности, электротехники. Степень наполнения – 10-50%. Наибольшее распространение получили марки, наполненные 30% стекловолокна.

По мере увеличения содержания стелковолокна/стеклошариков увеличиваются

- плотность – от 1,2 до 1,5 г/см3

- прочность при растяжении – от 110 до 180 МПа

- температура изгиба под нагрузкой – до 180°С-210°С)

- электрическая прочность до 35-45 кВ/мм

уменьшается усадка.

Стеклонаполненные марки с пониженным водопоглощением сохраняют эксплуатационные качества при пониженных температурах и повышенной влажности. Применяются в машиностроении (детали насосов) и приборостроении

Минералонаполненные марки

Полиамид 6, наполненный минералами, характеризуется изотропностью механических свойств, теплостойкостью, стабильностью размеров, низким короблением и усадкой, декоративным внешним видом. В качестве наполнителей, как правило, применяются, тальк, мел, каолин, слюда. Степень наполнения – 10-30%. Из минералонаполненного ПА6 изготавливаются корпусные и другие промышленные детали, требующие повышенной точности размеров литьевых изделий без дополнительной механической обработки и эксплуатируемых при различных температурах и влажности окружающего воздуха. При переработке обеспечивают низкий износ литьевых машин и оснастки.

Марки, наполненные стеклом и минералами (суммарно 30-45%) сохраняют все преимущества минералонаполненных композиций, обладая, по сравнению с        ними, повышенной жесткостью. Предназначены для изготовления деталей, применяемых в машиностроении, автомобильной, электротехнической и мебельной промышленности,  товаров народного потребления и др. изделий.

1.1. Литературный обзор метода производства

Цепная полимеризация лактама:

n(CH2)xCO [-NH(CH2)xСО-]n

NH

В курсовом проекте рассматривается технология гидролитической полимеризации.

Этот процесс обладает следующим рядом преимуществ:

Позволяет производить полиамид (ПА) в широком диапазоне вязкости, причем вязкость можно регулировать;

Получаемый полиамид имеет однородное молекулярно-массовое распределение;

Позволяет оформить непрерывный процесс формования нити из расплава;

Высокая автоматизация процесса;

Возможность модификации свойств ПА на стадии формования нити из расплава. Вместе с тем, процесс не лишен и недостатков, - в ходе полимеризации только 90% капролактама превращается в полиамид, оставшуюся часть капролактама необходимо удалять из полимера. Если эти 10% составляют низкомолекулярные соединения (НМС), то они легко удаляются экстракционной водой. Хуже, если в полимере присутствуют циклические олигомеры, которые трудно экстрагируются и ухудшают физико-механические показателиПА-6.

1.2. Химизм процесса

Основные реакции гидролитической полимеризации.

Фактически рост цепи происходит по схеме:

мономер + мономер→димер

димер + мономер →тример

димер + димер→ тетрамер

димер + тример→ пентамер                                                                  

тетрамер + мономер → пентамер

тетрамер + димер→ гексамер

тетрамер + тример→ гептамер

тетрамер + тетрамер→ октамер и т.д.

Доказательством такой схемы химических реакций служит факт раннего исчезновения мономера задолго до образования полимера достаточно высокого молекулярного веса (более 5000 - 10000). В общем виде эту реакцию можно выразить как п-мер + м-мер —» (п + т) -мер, т.е. после раскрытия цикла реакция полимеризации капролактама становится типичной реакцией поликонденсации.

Процесс полимеризации капролактама по механизму гидролитической полимеризации включает 3 стадии:

Реакция раскрытия цикла - зарождение цепи

NH (СН2)5 + Н2О↔NH2 (СН2)5 СООН                                                    

СО

Реакция конденсации - рост цепи

NH2 (СН2)5СООН + NH2 (СН2)5СООН ↔

↔ NH2(CH2)5CONH(CH2)5COOH + Н2О

Или

NH2(CH2)5COOH + NH (CH2) 5C0 ~ ↔

NH2(CH2 )5 CONH (CH2)5 COOH                          

Обрывцепи

Обрыв цепи осуществляется за счет взаимодействия функциональной группы полимера (-NH2 или -СООН) с монофункциональными соединениями, например, с уксуснойкислотой или алкиламинами

1) реакции с монокарбоновыми кислотами

-Н20

~(CH2)5-NH2 + HOOC-R ↔ ~ (СН2)5NH-OCR

2) реакция с алкиламинами

-Н20

~(СН2)5СООН + NH2-R1 ↔ ~ (СН2)5CONH-R1

Таким образом, как монокарбоновые кислоты, так и алкиламины блокируют активные концевые группы (-NH2 или -СООН), поэтому препятствуют дальнейшей реакции полимеризации.

Побочные реакции.

1. Образование циклических олигомеров капролактама.

-NH-(CH2)5CONH(CH2)5CO-NH(CH2)5CO- ↔

↔-NH-(CH2)5-CONH(CH2)5CO + -NH(CH2)5CO-

Образование циклических олигомеров может происходить как на стадии роста цепи так и на стадии перевода полимера в изделие.

Возможность протекания реакции циклизации определяется термодинамической устойчивостью цикла, которая возрастает при увеличении размера цикла вплоть до 6 членного, затем уменьшается при изменении числа атомов в цикле от 6 до 9-11, а затем вновь возрастает при переходе к ещё большим циклам, т.е. в соответствии с рядом

3,4,8-11 <7,12 и выше < 5 <6.

Образование циклов с числом атомов в цикле более 12 приводит к нарушению линейной структуре полиамида и, следовательно, к ухудшению физико-механических свойств полимера.

Обычно поликонденсацию проводят при высоких концентрациях исходных веществ, что благоприятствует образованию линейного продукта. Циклизация - мономолекулярная (внутримолекулярная) реакция, в то время как линейная поликонденсация - это бимолекулярная (межмолекулярная) реакция. С увеличением концентрации исходных веществ скорость последней возрастает значительно быстрее, чем скорость первой реакции. Именно этим объясняется отсутствие в реальных поликонденсационных системах колец с числом членов > 12; циклизация практически не идёт, когда при поликонденсации возможно образование шести- или семичленных колец. Это облегчает задачу очистки полимера от низкомолекулярных примесей.

2.Реакция дезаминирования.

Поскольку цепь макромолекулы полиамида включает не только атомы углерода, но и атомы азота, не все связи в цепи имеют одинаковый химический характер. Связь атома азота с углеродом карбоксильной группы полярна вследствие поляризующего влияния атома кислорода. Вследствие этого связь N - С может разрываться под влиянием кислот, щелочей, воды и температуры.

-CH2NH2 + H2N - СН2- → CH2-NH-CH2- +NH3 (1.1)

Эта реакция протекает даже в среде сухого азота при Т=250 °С.

3.Реакция декарбоксилирования:

СН2СООН + НООС-СН2-↔ -СН2-С0-СН2- + Н20 + С02 (1.2.)

Протекают реакции (1.1.) и (1.2.) и в какой мере может сказать анализ реакционной мас¬сы на карбоксильную и амидную группу.

Таким образом, в присутствии воды при полимеризации лактамов протекают два равновесных процесса:

а) гидролиз любой амидной связи внутри макромолекулы (так называемое «амидное равновесие»)

-CONH- + Н20 ~↔ -СООН + H2N~ (1.3.)

б) отщепление концевого звена от макромолекулы и превращение его в цикл

[~NH(CH2)5CO]n ~ + Н20 ↔ NH-(CH2)5CO + [ ~ NH(CH2)5CO~]n.1 (1.4.)

Первая реакция (1.13.) определяет среднюю молекулярную массу полимера, а вторая реак¬ции (1.14.) - выход полимера. Поэтому исходная концентрация воды должна быть опти-мальной.

1.3. Механизм процесса

Реакция раскрытия цикла приводит к образованию аминокислоты HOOC(CH2)5NH2, которая существует в виде цвиттер-иона вида -02C(CH2)5NH3+ (цвиттер- ион - электронейтральная молекула с разделёнными зарядами).

Ки

NH (СН2 )5 + Н20 ↔-02C(CH2)5NH3+ (1.5.)

СО

Полимеризация капролактама инициируется электрофильной атакой четвертичного азота цвиттер-иона на мономер:

Кр

 ~CO(CH2)5NH3+ +NH(CH2)5 ~CO(CH2)5NH-CO(CH2)5NH3 (1.6.)

СО

Здесь Ки и Кр - константы инициирования и роста цепи.

Такой механизм полимеризации показывает, что лучше взять в качестве катализатора реакции аминокислоту.Константа скорости реакции раскрытия цикла Ки = 0,004 кмоль/л*час, для температуры 260 °С, что значительно меньше Кр = 4,75 кмоль/л*час. Таким образом, именно реакция раскрытия цикла будет определять температуру и продолжительностьреакции полимеризации.

Скорость полимеризации является суммой скоростей реакций между молекулами различных размеров. Кинетика такой системы, включающей бесконечное число отдельных реакций, поддаётся анализу с трудом. Но анализ значительно упростится, если принять, что реакционная способность функциональных групп (-NH2 и -СООН) не зависит от размера молекулы, к которой она присоединена. Справедливость такого допущения была подтверждена на кинетике реакции полиэтерификации.

1.4. Термодинамика процесса

Гидролитическая полимеризация капролактама представляет собой систему равновесных реакций - поликонденсационное и цикл-цепь.

Температурная зависимость константы амидного равновесия описывается уравнением вида:

lgK=(1658.3/T)-0.4575

По данным МизеровскогоJI.H, константа амидного равновесия К=517 при температуре Т=523К.

А степень полимеризации Р:

P=1/(2*[H_(2 ) O])+√((1/(2*[H_(2 ) O]))^2+k/(α*[H_(2 ) O])),

где:

[Н2О] - начальная влажность КПл, моль/моль КПл;

k- константа амидного равновесия;

α - доля аморфной фазы в твердом полиамиде.

Таким образом, и температура полимеризации, и концентрация воды в исходномКПл повлияют и на молекулярную массу и на степень полимеризации.

Избежать присутствия в полимере незаполимеризовавшегося капролактама или низкомолекуляр¬ных фракций - олигомеров невозможно, остаточное содержание капролактама  в полиамиде увели¬чивается с повышением температуры, табл.№1:

Табл. №1

Содержание непрореагировавшего капролактама в полимере

Температура полимеризации,°С 220 230 240 250 260

Содержание непрореагировавшего капролактама в реакционной массе,% масс.

5,74 6,31 6,92 7,58 8,3

1.5. Обоснование условий ведения процесса полимеризации

Скорость полимеризации зависит от температуры, а также от содержания воды. Это объясняется тем, что реакция катализируется карбоксильными группами, концентрация которых растёт при повышении содержания воды.  Для технологического процесса полимеризации  устанавливается температура свыше 2500С для того, чтобы достичь оптимального протекания реакции. Положение равновесия реакции зависит от температуры и концентрации воды.

Превращение капролактама в полиамид происходит не полностью. В состоянии равновесия полимер содержит около 10 %  низкомолекулярных соединений, которые, из – за отличных от полиамида свойств, при дальнейшей переработке полиамида  являются нежелательными и должны быть удалены.

Воздействие температуры и воды на состояние равновесия прямо противоположно скорости реакции. Высокая температура и концентрация воды стимулируют кинетику процесса, но для равновесия реакции они не желательны. Состояние равновесия определяют параметры качества полимера (степень полимеризации, содержание мономеров), в то время как скорость, с которой протекает реакция, определяет производительность реактора.

Параметры , влияющие на процесс полимеризации:

Температура определяет состояние равновесия системы капролактам – полиамид. При повышении температуры равновесие смещается влево, а при понижении температуры- вправо, то есть в сторону образования полимера. С другой стороны, повышение температуры ускоряет достижение равновесия.

Содержание воды в процессе полимеризации капролактама имеет практическое значение, поскольку на определенных стадиях процесса вода удаляется из полимерной массы. В технологической схеме используется получение полимера с заданной степенью полимеризации (Pn) за минимальное время  путем регулирования содержания воды и количества подаваемого стабилизатора.

В курсовой работе принята схема двухступенчатой полимеризации, включающей блок предварительной полимеризации, блок основной полимеризации и блок экстракции непрореагировавшего мономера.

2.1 Блок - схема процесса

 

АТ3201 - реактор-смеситель

AR3201 - предварительный полимеризатор

AR3202 - полимеризатор

АС3301 - экстрактор

2.2 Описание технологической схемы процесса полимеризации.

Капролактам, после предварительной очистки от примесей подается в верхнюю часть мультифункционального реактора-смесителя поз. АТ3201. Аппарат, за исключением крышки, оборудован рубашкой, в которую подается жидкий терминол с температурой 2200С. Внутри аппарата находится перемешивающее устройство которое представляет собой вал с закрепленными на нем четырьмя лопастями, расположенными относительно друг друга под углом 900. Мешалка поз. АМ3201 приводится в движение электродвигателем с редуктором, закрепленными на крышке аппарата, электродвигатель перемешивающего устройства имеет частотный регулятор привода (ЧРП). На охлаждение подшипника редуктора подается охлаждающая оборотная вода. Изнутри аппарат оборудован змеевиком, по которому подается паровой динил с температурой 265-2750С. Реактор снабжен смотровыми стеклами в верхней части, для визуального контроля процесса, прибором для измерения давления поз. PIA 3204, который имеет сигнализацию по максимальному значению параметра, приборами контроля уровня поз. LIСSA3201, LISA3204, имеющими сигнализацию по максимальному и минимальному значениям параметра и блокировку по максимальному значению. При срабатывании блокировки по максимальному значению уровня, перекрывается клапан поз.LCSV3201 на подаче лактама в реактор АТ3201. Для исключения контакта с кислородом воздуха, а также во избежание нароста слоя полимера на рабочей поверхности уровнемеров, в смеситель АТ3201 и реакторы AR3201, AR3202 подается азот с содержанием кислорода не более 3ppm.

Поступающие в реактор поз.АТ3201 капролактам, раствор олигомеров со стадии выпаривания лактамной воды и раствор стабилизатора при температуре около 2200С и под избыточным давлением 2 кгс/см2 перемешиваются, и уже на этой стадии начинается образование молекулярной цепи полимера. Реакционная смесь в аппарате перемешивается мешалкой поз. АМ3201. Расход капролактама в реактор-смеситель поз.АТ3201 регулируется автоматически при помощи регулирующего клапана LCSV3201, установленного на линии подачи капролактама в реактор. Регулировка происходит в зависимости от уровня смеси в аппарате,  расход капролактама фиксируется при помощи прибора FICA3204, установленного на линии подачи капролактама в реактор. Соотношение подачи исходных компонентов на стадию полимеризации регулируется автоматически, в зависимости от количества подаваемого на стадию капролактама. Расход концентрированной лактамной воды со стадии выпаривания лактамной воды регулируется клапаном LCSV9503 и фиксируется при помощи расходомера поз.FICA3205. Расход в реактор-смеситель поз. АТ3201 фиксируется при помощи расходомера поз. FICA3206. Регулируется расход стабилизатора автоматически,  частотой вращения электродвигателя  насоса дозатора поз. АР3102А/В.

Дегазация реактора-смесителя позАТ3201осуществляется через дефлегматор поз.АС3201. Испарившаяся вода с примесью лактама, его производных поступает в нижнюю часть дефлегматора поз.АС3201. Вертикально установленный цилиндрической формы дефлегматор предназначен для отделения примесей лактама от водной фракции и возвращения продукта в процесс. В верхнюю часть дефлегматора через распределительное устройство в виде лучей с отверстиями диаметром 2мм, обеспечивающего максимальную поверхность контакта сред, подается деминерализованная вода. В мелкодисперсном состоянии деминерализованная вода улавливает примеси лактама и уксусной кислоты. На линии сброса газовой фазы с дефлегматора поз АС3201 установлен прибор контроля давления поз.PICA3202  который имеет сигнализацию по максимальному и минимальному значениям параметра. Регулировка давления процесса осуществляется автоматически клапаном поз. PCV3202 в зависимости от показаний прибора поз. PICA3202. На линии сброса газовой фазы от дефлегматора поз.АС3201 установлен теплообменник поз. АН3201, который предназначен для конденсации паров воды от дефлегматора. Конденсатор поз.АН3201 представляет собой двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 10,5 м2 по межтрубному пространству которого подаются пары воды, а по трубному охлаждающая оборотная вода с температурой не более 280 С.Сконденсировавшись, пары воды от охладителя поз.АН3201 поступают в гидрозатвор поз.АТ3202 из которого впоследствии по линии перелива конденсат паров поступает к сборнику лактамной воды АТ9505, на установку выпаривания лактамных вод. Линия перелива гидрозатвора АТ3202 оборудована дренажным вентилем при открытии которого перелив направляется в сточный коллектор.

По обогреваемому жидким терминолом  трубопроводу реакционная смесь из мультифункционального реактора поз.АТ3201 поступает в верхнюю часть предполимеризатора поз.AR3201.

 Реактор предполимеризации поз.AR3201 представляет собой вертикально установленный цилиндрической формы аппарат, имеющий сферическую крышку и конусное днище, внутри которого в верхней части  находится специальный нагреваемый паровым динилом регистр с нагревательными элементами по форме напоминающими галстуки. Также аппарат внутри оборудован специальными конусными тарелками в количестве 14 штук, которые расположены по всей его длине от нагревательного регистра в верхней части, до конуса в нижней части. Эти тарелки расположены конусом вверх и по всей площади перфорированы отверстиями. За счет этих конструктивных особенностей поток реакционной смеси проходит через реактор в так называемом «пробковом режиме», обеспечивающем оптимальное перемешивание и равномерное движение расплава в реакторе.  Снаружи аппарат снабжен змеевиком обогрева, выполненным в форме полутрубы. Так же реактор снабжен смотровым фонарем, установленным на крышке, для возможности визуального контроля процесса.  Контроль уровня расплава в предполимеризаторе поз.AR3201 ведется посредством уровнемеров поз.LSA3205 и LICSA3202. Уровнемер поз.LSA3205 имеет блокировку по максимальному значению параметра при срабатывании которой перекрывается клапан поз.LCSV3202, на подаче расплава в предполимеризатор. Уровнемер поз. LICSA3202 имеет сигнализацию по минимальному и максимальному значениям параметра, а также блокировку по максимальному значению при срабатывании которой перекрывается клапан LCSV3201, установленный на линии подачи лактама в реактор-смеситель АТ3201. Температура реакции в аппарате контролируется по датчикам температуры, установленным по всей длине предполимеризатора. Давление в аппарате контролируется прибором поз.PIA3204, который имеет сигнализацию по максимальному значению параметра.

В присутствии воды (активатора реакции), происходит реакция гидролиза и образование аминокапроновой кислоты. Очень важным фактором, влияющим на качество товарного полимера на этой стадии процесса, является степень смешения исходных компонентов реакции. Чем она выше, тем полнее и качественней протекает реакция с нужной степенью линейности полимера. Также очень важным фактором является равномерность истечения потока через аппарат: т.е. время пребывания расплава в зоне реакции. Для достижения однородности полимера, в идеале, время нахождения в зоне реакции должно быть одинаковым для каждой отдельно взятой его молекулы.

Предполимеризатор поз.AR3201 обогревается по наружному змеевику жидким терминолом 66, который поступает от насоса поз.АР3801 и циркулирует по контуру: насос терминола АР3801 – рубашка трубопровода выдачи из AR3201 - змеевик обогрева AR3201 – насос терминола АР3801. Температура в верхней зоне реакции поддерживается 230-2600 С в автоматическом режиме при помощи регулирования температуры в контурах обогрева. Во внутренний нагревательный регистр предполимеризатора подаются пары динила от испарителя поз.АН3802 с температурой 2700 С. Трубопровод дегазации предполимеризатора поз.AR3201 смонтирован в боковой отвод дефлегматора поз.АС3201. Таким образом аппарат имеет объединенную систему дегазации с мультифункциональным реактором – смесителем  поз. АТ3201. Избыточное давление в аппаратах поз.АТ3201 и AR3201 поддерживается  автоматически  при помощи регулирующего клапана поз.PCV3202, в зависимости от показаний прибора поз.PICA3202 и заданного значения регулировки.  Для исключения контакта с кислородом воздуха, над уровнем реакционной смеси в предполимеризатор постоянным расходом 0,5м3/час подается очищенный азот (NА1) с содержанием кислорода не более 3ppm.

По обогреваемому жидким терминолом трубопроводу расплав полиамида подается в верхнюю часть поликонденсатора (колонны VK) поз.AR3202. Выдача происходит за счет избыточного давления 2кгс/см2  в предполимеризаторе поз.AR3201. Трубопровод выдачи в нижней его точке оборудован трехходовым вентилем, через который имеется возможность опорожнения трубопровода и аппарата AR3201 от продукта, а также отбора пробы продукта.

Поликонденсатор поз.AR3202 представляет собойвертикально установленный цилиндрической формы аппарат, имеющий сферическую крышку и коническое днище. Аппарат имеет встроенный в верхней части нагреваемый  динилом регистр, конструкция которого аналогична встроенному в AR3201. Внутри аппарата в средней его части встроен теплообменник по трубному пространству которого протекает реакционная смесь (расплав), а по межтрубному подается. За счет подачи в межтрубное пространство из этой зоны аппарата производится отвод тепла, выделяющегося при экзотермической реакции поликонденсации. Теплоноситель из межтрубного пространства этого теплообменника используется для обогрева мультифункционального реактора-смесителя АТ3201. Так же реактор AR3202 по всей длине оборудован специальными конусными тарелками в количестве 17 штук с отверстиями, для равномерного истечения расплава. В верхней части аппарата смонтирована мешалка с электроприводом. Четыре лопасти мешалки  выполнены с наконечниками в виде мягких металлических пластин.

 Через распределительное устройство расплав полиамида подается в верхнюю часть поликонденсатораAR3202. Поступая через трубопроводы продукта расположенные по всей окружности аппарата поток перемешивается лопастями, вращающимися на том же уровне , где расположен ввод расплава. Контроль и регистрация уровня в реакторе производится при помощи приборов поз.LICSA3203 и LISA3206, имеющими сигнализацию по минимальному и максимальному уровню, а также блокировку по максимальному уровню расплава при срабатывании  которой автоматически перекрывается клапан LCSV3203, установленный на линии подачи расплава в реактор. Пройдя поликонденсатор расплав с относительной вязкостью 2,5±0,1 делится на два потока и по трубопроводам, поступает на всас шестеренчатых насосов АР3203А/В стадии.

3.Характеристика исходного сырья, готовой продукции и вспомогательных материалов

3.1 Характеристика производимой продукции.

Техническое наименование продукта: полиамид-6 (ПА – 6), нейлон – 6.

 Полиамид 6, (ПА – 6) нейлон – 6 должен соответствовать требованиям, определённых контрактом № 643/205311/04250 и Российского отраслевого стандарта «Полиамид 6»  ОСТ 6 – 06– 09 – 93. Требования изложены в нижеприведенной таблице  №2.

Таблица №2

Наименование регламентируемого показателя Норма ГОСТ, ТУ или методика определения

Относительная вязкость

Массовая доля экстрагируемых веществ

Массовая доля влаги

Размер гранул

Температура плавления

Степень окисления

Содержание концевых аминогрупп

Содержание концевых карбоксильных групп 2,4-2,8

 0,03 для вязкости 2,8

не более 0,5 %

Не более 0,05 %

2,2 – 2,5 мм

не менее 2150С

Факультативно

Факультативно

Факультативно Капиллярная вискозиметрия

( методикаNVPA004;

методикаPA6-0492001).

Гравиметрический

(ТУ 224-027-002005311-040);

Интерферометрический (ГОСТ 17824-81); Спектрофотометрический

PA-0492008A.

Кулонометрическое титрование;

Измерение штангенциркулем

(ОСТ 6-06-09-93)

Визуальный (ГОСТ 189954-73)

Качественный

Потенциометрическое титрование

Потенциометрическое титрование

 Основные физико-химические свойства продукта:

Полиамид 6 (ПА – 6) неусиленный

Форма – гранулят

Цвет – бесцветный

Запах – без запаха

Удельный вес – 1,1 г / см3 при 20 0С

Насыпной вес – 650 кг/м3

Нерастворим в воде, при низких температурах поликапроамид поглощает  до

 5% воды от массы полимера, неустойчив к действию кислот и щелочей.

Предел текучести при растяжении, МПа, не менее 65

Температура плавления не менее 2150С

Твердость не менее 100 Мпа

3.2 Характеристика  исходного  сырья, материалов,  полупродуктов  и  энергоресурсов

Таблица №3

Наименование сырья, материалов, полупродуктов. ГОСТ, СТП ,ТУ , регламент или методика на подготовку сырья Показатели по стандарту, обязательные для проверки

Регламентируемые показатели

1.Капролактам Технологический регламент цеха капролактама           №24, Технологический регламент цеха капролактама           №37 Температура кристаллизации

Перманганатный индекс

Содержание летучих оснований

рН 20%-го раствора

Цветность 50%-го водного раствора

н/м 68,80С

н/б 4,0

н/б 0,35 ммоль/кг

7,0-7,3

н/б 3,0 ед. Хазена

2.Деминерализован-ная вода Технологические карты установки химводоподготовки

( цех № 40)  Соответствие технологическим картам цеха 40 Соответствие технологическим картам цеха 40

3. Азот  Технологический регламент цеха 10

Соответствие технологическому регламенту цеха 10 Соответствие технологическому регламенту цеха 10

5.Органический теплоноситель - динил Согласно сертификата качества продавца Содержание дифенилоксида

Содержание дифенила Не менее 73.5 % вес.

Не более 26.5 % вес.

Материальный баланс

Исходные данные для расчета

Годовая производительность ПА-6: 49950 т/год

Температура процесса полимеризации: 264-275℃

Продукт: товарные ПА-6 содержит 0,6% капролактама

Потери: 〖0,5%〗_масс от свежего капролактама

Конверсия (согласно регламенту завода):

30% - мультифункциональный реактор-смеситель ап.AT2201

82% - предполимеризатор ап.AR2201

89% - поликонденсатор ап. AR2202

Схема материальных потоков на стадии полимеризации

G10

                                    G3

G1        

G2                                                            G5                                                G9

G6                                          G7

G4

G8

Описание потоков

G1 – Свежий капролактам

G2 – Деминерализованная вода

G3 – Капролактам + деминерализованная вода

G4 – Реакционная смесь (капролактам + ПА)

G5 - Капролактам + деминерализованная вода

G6 - Реакционная смесь (капролактам + ПА)

G7 – Непрореагировавший капролактам

G8 – ПА

G9 - Капролактам + деминерализованная вода

G10 – Стоки в гидрозатвор

Часовая производительность

G8=(49950∙1000)/8000=6243,75  кг⁄ч

Так как товарный полиамид содержит 0,6% капролактама, то количество чистого полиамида:

G_(ПА 100%)=6243,75 -6243,75*0,006=6206,29 кг⁄ч

Степень полимеризации 89%, следовательно количество необходимого капролактама равно:

G1=G_(ПА 100%)/0,89=6206,29/0,89=6973,36 кг⁄ч

Количество непрореагировавшего капролактама:

G_непрореаг^кп=6973,36-6206,29=767,07 кг⁄ч

Количество воды, необходимое для реакции берется в соотношении с капролактам – вода 1:0,015:

G2=6973,36*0,015=104,60 кг⁄ч

Потери капролактама с потоком, уходящим в гидрозатвор, составляют 〖0,5%〗_масс от свежего капролактама

G_потери^кп=6973,36*0,005=34,87 кг⁄ч

Поток непрореагировавшего капролактама, уходящего из поликонденсатора:

G7=767,07-6243,75*0,006-34,87=694,74 кг⁄ч

В гидрозатвор уходят стоки капролактама и вода, взятая для полимеризации:

G10=34,87+104,60=139,47 кг⁄ч

Общий материальный баланс

Таблица 3.1

 

Материальный баланс реактора-смесителя поз. AT2201

Материальные характеристики потоков

Капролактам свежий = 6973,36кг/ч

Степень полимеризации 30%

0,0167% капролактама уходит как потери через дефлегматор AC2201. Остальное поступает в следующий аппарат AR2201.