Тема: Расчет материального баланса производства сополимера

Практическое занятие 12

 

Тема: Расчет материального баланса производства сополимера

Цель занятия: научиться рассчитывать материальный баланс процесса производства сополимера Оснащение занятия:

- калькуляторы;

- описание технологического процесса.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с целью занятия.

2. Повторить теоретические основы процесса.

3. На основании краткого описания процесса составить схему материальных потоков.

4. Записать уравнения основных и побочных реакций.

5. Вычислить недостающие для баланса данные.

6.Составить таблицу материального баланса.

7. Ответить на контрольные вопросы.

                        

Теоретическая часть

Полимерные материалы условно классифицируются на пластические массы (пластмассы), эластомеры (каучуки) и волокна.

Пластическими массами называются материалы, полученные на основе синтетических полимеров и способные под влиянием нагревания и давления формоваться и сохранять приданную им форму при обычных условиях.  Кроме полимеров в состав пластических масс входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, отвердители.

По способу получения пластические массы делятся на две группы:

1) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями полимеризации; сюда относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторэтилен и др.; 

2) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями поликонденсации,      к ним относятся фенолоформальдегидные, карбамидо- и меламиноформальдегидные полимеры, полиэфиры.

В зависимости от поведения при нагревании все пластические массы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, а при обычных условиях снова переходят в твердое состояние без изменения первоначальных свойств. Этот процесс является обратимым. Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании или на холоду превращаются в твердые неплавкие и нерастворимые материалы. Этот процесс также является обратимым.

Пластические массы можно перерабатывать формованием, экструзией, литьем под давлением.

Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Эластомеры, типичными представителями которых является каучук, способны к изменениям формы (деформациям) под действием небольшой нагрузки и быстрому самопроизвольному возвращению в исходное состояние после снятия нагрузки. Эластомеры или каучуки в смеси с вулканизирующими агентами, наполнителями и другими ингредиентами перерабатываются в резину. В зависимости от свойств и области применения каучуки можно разделить на две группы: каучуки общего назначения и каучуки специального назначения.

Волокна можно разделить на два класса: н а тур а л ь н ы е и х и м и ч е с к и е. Химические волокна получают путем химической переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений.- В зависимости от природы исходного полимера химические волокна разделяются на искусственные и синтетические. К искусственным относятся волокна, получаемые химической переработкой природных высокомолекулярных соединений. К этой группе принадлежат волокна, перерабатываемые из целлюлозы я белков. К синтетическим относятся волокна, получаемые из синтетических высокомолекулярных соединений. К ним относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные волокна.

По химическому составу цепи полимеры делятся на три класса. Карбоцепные полимеры, в которых основная цепь состоит только из углеродных атомов, непосредственно соединенных друг с другом.

К карбоцепным полимерам относятся натуральный каучук, полиэтилен, полипропилен и др.

Гетероцепные полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кислорода, азота, серы. К ним относятся полиизоцианаты, полиуретаны, полиэфиры и др.

Элементоорганические полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и других элементов. К ним относятся полисилоксаны, полиалюмоксаты, полититаноксаны.

Полимерные соединения не являются химически индивидуальными веществами. Обычно они представляют собой смеси полимергомологов — соединений с различным числом элементарных звеньев в макромолекуле, т. е. с различной длиной цепи. Поэтому полимер можно характеризовать лишь величиной средней молекулярной массы.

По характеру чередования звеньев в полимерной цепи -сополимеры делятся на регулярные статистические (нерегулярные), блок-сополимеры и привитые сополимеры.

Статистические — это сополимеры, у которых звенья различных мономеров чередуются беспорядочно. Статистическими сополимерами являются различные сополимерные каучуки (бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные, этилен-пропиленовые). Блок-сополимеры состоят из чередующихся блоков, построенных из звеньев какого-либо одного типа.

Привитые сополимеры — сополимеры, основная цепь которых состоит из звеньев какого-либо одного типа, а в боковых ответвлениях находятся звенья другого типа.

По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные и сетчатые.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные гибкие цепи, образованные из множества отдельных звеньев.

По характеру относительного расположения заместителей в пространстве различают следующие виды полимеров: стереорегулярные (заместители расположены в пространстве в определенном порядке) и нестереорегулярные. Если все заместители расположены по одну сторону воображаемой плоскости, такой полимер называется стереорегулярным изотактическим. Если заместители располагаются попеременно по обеим сторонам плоскости, такой полимер называется стереорегулярным синдиотактическим. Если же все заместители беспорядочно (случайно) размещаются по отношению к плоскости, то это нестереорегулярные атактические полимеры.

Разветвленные полимеры состоят из макромолекул, имеющих боковые ответвления. Число, длина и взаимное расположение боковых ответвлений могут быть разными.

Сетчатые или пространственные, полимеры состоят из макромолекул, связанных между собой поперечными химическими связями. Свойства полимеров зависят от их химического состава и строения, а также от взаимного расположения макромолекул и их агрегатов, т. е. от физической (надмолекулярной) структуры вещества.

Макромолекулы разных полимеров различаются строением, длиной, формой и степенью гибкости. Макромолекулы способны свертываться в клубки — глобулы, каждая из которых состоит из одной макромолекулы, или ориентироваться более или менее параллельно друг другу, образуя первичные простейшие структуры (пачки), являющиеся элементами более сложных надмолекулярных структур.

Синтез полимеров на основе низкомолекулярных соединений осуществляется посредством реакций полимеризации и поликонденсации

Полимеризация — реакция присоединения многих молекул мономера, приводящая к образованию высокомолекулярных веществ (полимеров) без выделения каких-либо побочных продуктов. По химическому составу мономер и полимер не различаются (гомополимеры). Схематически процесс полимеризации изображается так:   

где А — звено мономера, а п — число звеньев в полимерной цепи.

Индекс п называется степенью полимеризации. Произведение степени полимеризации на молекулярную массу звена равно молекулярной массе полимера. На степень полимеризации влияют химическая природа мономера, условия полимеризации и другие факторы.

Сополимеризация- реакция присоединения двух или нескольких разных мономеров с образованием макромолекулы сополимера:

где А— звено одного мономера; В — звено другого мономера; АВ — молекула сополимера.

Поликонденсация — процесс образования высокомолекулярного соединения, протекающий с одновременным выделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов — воды, аммиака, спирта, хлороводорода и др. В отличиё от продуктов полимеризации продукты поликонденсации по химическому составу отличаются от исходных мономеров. Для осуществления поликонденсации необходимо, чтобы в молекулах исходных мономеров содержалось не менее двух функциональных реакционноспособных групп. Поликонденсация — процесс обратимый.

В зависимости от числа функциональных групп в мономере в результате поликонденсации могут образоваться линейные разветвленные или сетчатые полимеры. Если исходные мономеры содержат по две функциональные группы, образуются линейные полимеры; если в поликонденсации участвуют вещества, имеющие более двух функциональных групп, получаются разветвленные, или сетчатые, полимеры.

Существуют два вида поликонденсации — гомополиконденсация, в этом случае в реакцию вступают соединения, содержащие две одинаковые реакционноспособные группы; гетерополиконденсация — процесс поликонденсации разнородных веществ.

В реакции поликонденсации могут участвовать различные функциональные группы и атомы в самых разнообразных сочетаниях , поэтому при проведении этих реакций можно получать различные поликонденсационные полимеры.

На процесс поликонденсации влияют следующие факторы: вид функциональных групп мономеров, количество вступивших в реакцию исходных веществ и их соотношение, скорость и полнота удаления низкомолекулярных продуктов.

Практическая часть

Задача 1

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Загрузка бутадиена, кг                                          Массовое соотношение «бутадиен: акрилонитрил»                          Конверсия бутадиена, %	1300    55:45 97	1700   61:39 96	1400   62:38 98	1800   70:30 95	1900    65:35 97,5	1350   64:36  95,5	1480   69:31 96,5	1500   71:29  98,5	1600   66:34 94,5	1550    68:32 94

Задача 3

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Загрузка бутадиена, кг                                      Массовое соотношение «бутадиен: стирол»                          Конверсия бутадиена, %	2300    71:29 67	1700   64:36 76	2400   63:37                68	1800   70:30 75	1900    65:35 67,5	2350   61:39  75,5	1480   62:38 66,5	1500   72:28  68,5	1600   66:34 74,5	2550    68:32 74

4 Процесс сополимеризации бутадиена-1,3 и α- метилстирола                                                                                                                

Процесс производства сополимера полунепрерывный. Весь исходный бутадиен-1,3 загружают сразу. α-метилстирол дозируют порциями, в 2-а приема при условии сохранения заданного массового соотношения. Сополимер образуется по реакции:

                                                     

                                                 СН3                                                                    СН3

                                                 │                                                                    │

mС Н 2= СН-СН = СН +nС 6Н5- С= СН 2 → (- С Н 2- СН=CН- СН 2-) 0,71m(- С- СН 2-)0,29 n

                                                                                                                             │

                                                                                                                              С 6Н 5

Задача 4

Исходные данные	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Загрузка бутадиена, кг                                      Массовое соотношение «бутадиен: α-метилстирол»                          Конверсия бутадиена, %	1600    71:29 67	1700   64:36 76	2400   63:37                   68	1800   70:30 75	1900    65:35 67,5	2350   61:39  75,5	1480   62:38 66,5	1500   72:28  68,5	1600   66:34 74,5	2550   68:32 74

 

                                   Пример расчета                                                                  

Составить материальный баланс производства сополимера винилацетата и винилхлорида:

 Исходные данные:

Загрузка винилацетата, кг                                                                     1500

Массовое соотношение «винилхлорид: винилацетат»                      77:23

Конверсия винилацетата, %                                                                     95

Сополимер образуется в результате реакции:

 

m С Н 2= СНCI + n CН 3 СОО- СН= СН 2 → (- С Н 2- СНCI-) 0,85m (- СН- СН 2-) 0,15 n

                                                                                                                   │

                                                                                                                  CН 3 СОО

1.Рассчитать количество превращенного винилацетата: 0,95 ∙ 1500=1425 кг, следовательно, непревращенный винилацетат составит 1500-1425=75 кг.

2. Рассчитать количество образовавшегося полимера, зная, что в составе продукта содержится 15% винилацетата (0,15n): 1425/0,15= 9500 кг.

 3. Рассчитать количество винилхлорида в сополимере: 9500-1425=8075 кг.

 4. Рассчитать размер первой порции подачи винилхлорида на основе загрузки винилацетата:

                            1500 кг ВА - 23 м.ч

                            G_ВХ , кг -77 м.ч

G_ВХ = 1500∙ 77/23= 5021,74 кг.

5. Рассчитать количество избыточного ВХ по отношению к остатку ВА. 23 м.ч в загрузке составляет непревращенный винилацетат: 75∙ 77/23= 251,087 кг

6. Рассчитать общую загрузку ВХ: 8075 +251,087= 8326,087 кг.

7.Рассчитать вторую порцию загрузки ВХ: 8326,087-5021,74=3304,347 кг.

8. Составить сводную таблицу материального баланса получения сополимера:

Таблица 1- Сводная таблица материального баланса:

Поступило		Получено
Качественный состав	кг	Качественный состав	кг
Винилацетат	1500	Сополимер	9500
Винилхлорид, в том числе:	8326,087	Винилацетат	75
1-я загрузка	5021,74	Винилхлорид	251,087
2-я загрузка	3304,347
Итого:	9826,087	Итого:	9826,087

 

                                                                         Контрольные вопросы

1. Какие вещества называют ВМС.

2. Какие ВМС называют пластмассами.

3. Какие ВМС называют каучуками.

4. Какие ВМС называют волокнами.

5. Классификации полимеров.

6. Способы получения полимеров.

7. Какой процесс называется полимеризацией.

8. Какой процесс называется поликонденсацией.

9. Какими способами можно осуществит процессы полимеризации и поликонденсации.

 

Практическое занятие 12

 

Тема: Расчет материального баланса производства сополимера

Цель занятия: научиться рассчитывать материальный баланс процесса производства сополимера Оснащение занятия:

- калькуляторы;

- описание технологического процесса.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с целью занятия.

2. Повторить теоретические основы процесса.

3. На основании краткого описания процесса составить схему материальных потоков.

4. Записать уравнения основных и побочных реакций.

5. Вычислить недостающие для баланса данные.

6.Составить таблицу материального баланса.

7. Ответить на контрольные вопросы.

                        

Теоретическая часть

Полимерные материалы условно классифицируются на пластические массы (пластмассы), эластомеры (каучуки) и волокна.

Пластическими массами называются материалы, полученные на основе синтетических полимеров и способные под влиянием нагревания и давления формоваться и сохранять приданную им форму при обычных условиях.  Кроме полимеров в состав пластических масс входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, отвердители.

По способу получения пластические массы делятся на две группы:

1) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями полимеризации; сюда относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторэтилен и др.; 

2) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями поликонденсации,      к ним относятся фенолоформальдегидные, карбамидо- и меламиноформальдегидные полимеры, полиэфиры.

В зависимости от поведения при нагревании все пластические массы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, а при обычных условиях снова переходят в твердое состояние без изменения первоначальных свойств. Этот процесс является обратимым. Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании или на холоду превращаются в твердые неплавкие и нерастворимые материалы. Этот процесс также является обратимым.

Пластические массы можно перерабатывать формованием, экструзией, литьем под давлением.

Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Эластомеры, типичными представителями которых является каучук, способны к изменениям формы (деформациям) под действием небольшой нагрузки и быстрому самопроизвольному возвращению в исходное состояние после снятия нагрузки. Эластомеры или каучуки в смеси с вулканизирующими агентами, наполнителями и другими ингредиентами перерабатываются в резину. В зависимости от свойств и области применения каучуки можно разделить на две группы: каучуки общего назначения и каучуки специального назначения.

Волокна можно разделить на два класса: н а тур а л ь н ы е и х и м и ч е с к и е. Химические волокна получают путем химической переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений.- В зависимости от природы исходного полимера химические волокна разделяются на искусственные и синтетические. К искусственным относятся волокна, получаемые химической переработкой природных высокомолекулярных соединений. К этой группе принадлежат волокна, перерабатываемые из целлюлозы я белков. К синтетическим относятся волокна, получаемые из синтетических высокомолекулярных соединений. К ним относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные волокна.

По химическому составу цепи полимеры делятся на три класса. Карбоцепные полимеры, в которых основная цепь состоит только из углеродных атомов, непосредственно соединенных друг с другом.

К карбоцепным полимерам относятся натуральный каучук, полиэтилен, полипропилен и др.

Гетероцепные полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кислорода, азота, серы. К ним относятся полиизоцианаты, полиуретаны, полиэфиры и др.

Элементоорганические полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и других элементов. К ним относятся полисилоксаны, полиалюмоксаты, полититаноксаны.

Полимерные соединения не являются химически индивидуальными веществами. Обычно они представляют собой смеси полимергомологов — соединений с различным числом элементарных звеньев в макромолекуле, т. е. с различной длиной цепи. Поэтому полимер можно характеризовать лишь величиной средней молекулярной массы.

По характеру чередования звеньев в полимерной цепи -сополимеры делятся на регулярные статистические (нерегулярные), блок-сополимеры и привитые сополимеры.

Статистические — это сополимеры, у которых звенья различных мономеров чередуются беспорядочно. Статистическими сополимерами являются различные сополимерные каучуки (бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные, этилен-пропиленовые). Блок-сополимеры состоят из чередующихся блоков, построенных из звеньев какого-либо одного типа.

Привитые сополимеры — сополимеры, основная цепь которых состоит из звеньев какого-либо одного типа, а в боковых ответвлениях находятся звенья другого типа.

По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные и сетчатые.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные гибкие цепи, образованные из множества отдельных звеньев.

По характеру относительного расположения заместителей в пространстве различают следующие виды полимеров: стереорегулярные (заместители расположены в пространстве в определенном порядке) и нестереорегулярные. Если все заместители расположены по одну сторону воображаемой плоскости, такой полимер называется стереорегулярным изотактическим. Если заместители располагаются попеременно по обеим сторонам плоскости, такой полимер называется стереорегулярным синдиотактическим. Если же все заместители беспорядочно (случайно) размещаются по отношению к плоскости, то это нестереорегулярные атактические полимеры.

Разветвленные полимеры состоят из макромолекул, имеющих боковые ответвления. Число, длина и взаимное расположение боковых ответвлений могут быть разными.

Сетчатые или пространственные, полимеры состоят из макромолекул, связанных между собой поперечными химическими связями. Свойства полимеров зависят от их химического состава и строения, а также от взаимного расположения макромолекул и их агрегатов, т. е. от физической (надмолекулярной) структуры вещества.

Макромолекулы разных полимеров различаются строением, длиной, формой и степенью гибкости. Макромолекулы способны свертываться в клубки — глобулы, каждая из которых состоит из одной макромолекулы, или ориентироваться более или менее параллельно друг другу, образуя первичные простейшие структуры (пачки), являющиеся элементами более сложных надмолекулярных структур.

Синтез полимеров на основе низкомолекулярных соединений осуществляется посредством реакций полимеризации и поликонденсации

Полимеризация — реакция присоединения многих молекул мономера, приводящая к образованию высокомолекулярных веществ (полимеров) без выделения каких-либо побочных продуктов. По химическому составу мономер и полимер не различаются (гомополимеры). Схематически процесс полимеризации изображается так:   

где А — звено мономера, а п — число звеньев в полимерной цепи.

Индекс п называется степенью полимеризации. Произведение степени полимеризации на молекулярную массу звена равно молекулярной массе полимера. На степень полимеризации влияют химическая природа мономера, условия полимеризации и другие факторы.

Сополимеризация- реакция присоединения двух или нескольких разных мономеров с образованием макромолекулы сополимера:

где А— звено одного мономера; В — звено другого мономера; АВ — молекула сополимера.

Поликонденсация — процесс образования высокомолекулярного соединения, протекающий с одновременным выделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов — воды, аммиака, спирта, хлороводорода и др. В отличиё от продуктов полимеризации продукты поликонденсации по химическому составу отличаются от исходных мономеров. Для осуществления поликонденсации необходимо, чтобы в молекулах исходных мономеров содержалось не менее двух функциональных реакционноспособных групп. Поликонденсация — процесс обратимый.

В зависимости от числа функциональных групп в мономере в результате поликонденсации могут образоваться линейные разветвленные или сетчатые полимеры. Если исходные мономеры содержат по две функциональные группы, образуются линейные полимеры; если в поликонденсации участвуют вещества, имеющие более двух функциональных групп, получаются разветвленные, или сетчатые, полимеры.

Существуют два вида поликонденсации — гомополиконденсация, в этом случае в реакцию вступают соединения, содержащие две одинаковые реакционноспособные группы; гетерополиконденсация — процесс поликонденсации разнородных веществ.

В реакции поликонденсации могут участвовать различные функциональные группы и атомы в самых разнообразных сочетаниях , поэтому при проведении этих реакций можно получать различные поликонденсационные полимеры.

На процесс поликонденсации влияют следующие факторы: вид функциональных групп мономеров, количество вступивших в реакцию исходных веществ и их соотношение, скорость и полнота удаления низкомолекулярных продуктов.