Процесс получения бутадиен – нитрильного каучука СКН с различным содержанием акрилонитрила

Ингибиторы широко применяются для предотвращения полимеризации мономеров при  хранении. Количество ингибитора, достаточное  для предохранения мономера в  течение длительного времени, колеблется в пределах 0,1 – 1 % от массы мономера.

На процесс  радикальной полимеризации оказывают  влияние температура, концентрация инициаторов и мономеров, давление. С повышением температуры процесса и концентрации инициатора суммарная скорость полимеризации увеличивается, а молекулярная масса образующегося полимера уменьшается. При проведении полимеризации в среде растворителя суммарная скорость полимеризации и молекулярная масса образующегося полимера увеличиваются с повышением концентрации мономера. При полимеризации в инертном растворителе зависимости более сложные. Низкое и среднее давление практически не влияет на процесс полимеризации. Высокое и сверхвысокое (300МПа и выше) значительно ускоряет полимеризацию. При этом возрастание скорости полимеризации не сопровождается уменьшением молекулярной массы образующегося полимера.

 
 
 
 

3. Характеристика  сырья и готовой  продукции.[7],[9].

Бутадиен.

     Для полимеризации требуется бутадиен высокой степени чистоты. Примеси  кислорода, оксида и диоксида углерода, аминов, эфиров, непредельных соединений отрицательно отражаются на процессе полимеризации, структуре полимера и качестве получаемого каучука.

Таблица 5. Технические требования к бутадиену марки А и с Государственным знаком качества (ГЗК).

Акрилонитрил.

Акрилонитрил дополнительный мономер в производстве синтетического каучука. Обладает раздражающим действием, легко всасывается через неповрежденную кожу. Токсичен. Действие подобно цианидам. Для предотвращения самопроизвольной полимеризации акрилонитрил при хранении ингибируют NH₃, гидрохиноном.

 

Таблица 6. Свойства и требования к акрилонитрилу.

 
 
 
 
 
 

Таблица 7. Состав акрилонитрила:

 

 
 

Бутадиен  – нитрильный каучук.

  СКН являются самыми распространенными из каучуков специального назначения.  Имеют высокую масло- и бензостойкость. Хорошо совмещаются с другими полярными и неполярными полимерами (хлоропреновым, изопреновым, бутадиен – стирольным и др.). Структура и физико-химические свойства СКН приведены в таблице 7. Также в таблице 8 приведены свойства резин на основе СКН с различным содержанием акрилонитрильных звеньев.

 

Структура и свойства СКН

 

Таблица 8. Структура и свойства бутадиен – нитрильному каучуку.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 9 . Свойства резин на основе СКН с различным содержанием акрилонитрильных звеньев.

 
 
 
 
 
 

4. Описание  технологической  схемы. [3],[7].

 
 

Сополимеризация бутадиена с акрилонитрилом проводится по непрерывной схеме в батарее полимеризаторов, состоящей из 12 аппаратов, не менее 10 из которых должны находится в работе. Каждый аппарат батареи представляет собой стандартный полимеризатор емкостью 12 м³, снабженный рамной мешалкой, рубашкой и змеевиком. Поверхность рубашки аппарата составляет 20 м³, а поверхность змеевика 26 м³.

Приготовление углеводородной фазы заключается в  смешении бутадиена  с акрилонитрилом в нужном соотношении. На приготовление  фазы используются только свежий бутадиен и акрилонитрил (освобожденный от гидрохинона путем перегонки). Также используются возвратные мономеры.

Поступающие бутадиен и акрилонитрил принимаются в специальные емкости 1 и 5, а затем смешиваются в заданном соотношении насосами подаются на приготовление углеводородной фазы в аппараты 3 и 6. Из емкости 6 углеводородная фаза насосом 8 подается на отмывку в последовательно расположенные колонны 11 и 12.  Отмывка проводится циркулирующим щелочным раствором. Щелочь разбавляется в аппарате 7 и подается в верхнюю часть колонны 11 противотоком к углеводородной фазе. Отмывка углеводородов от щелочи производится умягченной водой по циркуляционной схеме. Загрязненная вода направляется на отпарку.

Отдельно приготавливается водная фаза в аппаратах с покрытием  из полиэбонита, снабженных мешалками. В аппарат 14 подается половина  всего  требуемого количества воды, пирофосфата  натрия, необходимое количество растворов  эмульгатора, активатора и щелочи. После  тщательного перемешивания смеси  добавляется оставшееся количество воды, и водная фаза анализируется. Щелочной водный раствор инициатора  - персульфата калия готовится  в аппарате из нержавеющей стали. Отдельно в таком же аппарате с мешалкой приготавливают раствор дипроксида в акрилонитриле.

Водная и мономерная фазы смешиваются в соотношении 200:100(вес.) смешиваются в насосе 15, образовавшаяся эмульсия подается в  первый полимеризатор 16, куда одновременны непрерывным потоком поступает раствор персульфата калия и требуемое количество дипроксида в акрилонитриле. Полимеризаторы охлаждаются промышленной водой. После полимеризации латекс подается на дегазацию в дегазатор 28, работающий в вакууме, там производится основная отгонка мономеров за счет тепла, приносимого  парами из дегазатора 30. Пульпа из дегазатора 28 насосом 29 подается в дегазатор второй ступени 30, куда для окончательной дегазации вводится острый пар с давлением 6атм. После дегазации пульпа насосом 31 выводится на вибросито 32. Вода после вибросита возвращается в рецикл для разбавления коагулюма, а каучук далее поступает на стадию выделения. Выделение каучука может осуществляться как в виде ленты, так и в виде крошки. Пульпа каучука поступает в приемный ящик 35, а оттуда – на движущееся сито лентоотливочной  машины 36, где происходит отделение серума от крошки каучука, формирование и промывка ленты каучука, а также частичной удаление влаги отжимными валками 37 под вакуумом. Лента каучука надрезается на две равные части и подается в сушилку 38. После которой лента проходит через пудровочную и намоточную машины 43 и 44, затем готовые рулоны идут на упаковку. А серум и промывные воды с лентоотливочной машины поступают в отстойники 39 и 40, где улавливается крошка каучука. Крошка передается затем на переработку в отделение крошки каучука, а промывные воды направляются в канализацию хим.загрязненных стоков, а оттуда  - очистные сооружения.

 
 
 
 
 
 
 
 

5. Материальный  баланс реакционного узла.

 

Исходные  данные для составления  материального баланса:

1. Производительность по СКН 40 тыс.тонн/год. Для расчета был выбран CКН – 26.

На основе литературных данных были выбраны следующие  показатели:

2. Конверсия мономеров 70%.
3. Концентрация акрилонитрила в каучуке 26% масс.
4. Концентрация бутадиена в каучуке 76% масс
5. Массовое соотношение мономерной и углеводородной фаз 100:200

 

Произведем перерасчет годовой производственной мощности в кг/час:

    Примем, что календарная продолжительность года 365 суток;

    Простои оборудования по графику планового  производственного ремонта  32 суток;

    Отсюда  эффективное время работы оборудования, сут:

    365 - 32= 333

        Эффективное время работы оборудования, час:

    333 × 24 = 7992

    Часовая производительность оборудования, кг/час:

    40000 × 1000 / 7992 = 5005,005.

    По  конверсии мономеров находим  их исходное количество:

    5005,005 / 0,70 = 7150,007 кг/час.

    Пересчитаем на каждый:

    - бутадиен:    7150,007 / 0,74 = 5291,005 кг/час

    - акрилонитрил: 7150,007 / 0,26 = 1859,002 кг/час

    Найдем  количество возвратных мономеров, так  как мы не знаем, какая степень  превращения каждого, то находим  общее количество:

    7150,007 – 5005,005 = 2145,002 кг/час.

    Найдем  количество водной фазы по соотношению:

    7150,007 кг/час * 2 = 14300,014 кг/час.

 

  Сведем  данные материального баланса в  таблицу 10.

Таблица 10. Материальный баланс реакционного узла.