166480 (Производство поливинилбутираля)

ВВЕДЕНИЕ

Химическая промышленность прошла бурный путь развития в период 50-х – 80-х годов. В отрасли был создан значительный производственный потенциал. Однако он был ориентирован на цели командно–административной распределительной системы. В химической индустрии насчитывается около 600 крупных и средних промышленных предприятий и 100 научных и проектно–конструктивных организаций, опытных и экспериментальных заводов с общей численностью – 929 тысяч человек, в том числе промышленно–производственного персонала – 787 тысяч человек. В своём развитии промышленность органического синтеза разделилась на ряд отраслей (технология красителей, лекарственных веществ, пластических масс, химических волокон и т.д.), среди которых важное место занимает промышленность основного органического и нефтехимического синтеза. Продукты этой отрасли промышленности отличаются большим многообразием строения, свойств и областей применения. Первым промышленным пластическим материалом, полученным в 1843 году вулканизацией натурального каучука серой, был эбонит, который стали применять для электроизоляции. К 30-м годам относится начало производства полимеров, получаемых реакцией полимеризации. В настоящее время промышленность пластических масс стала одной из ведущих отраслей народного хозяйства.

Мощным источником сырья для производства полимерных синтетических материалов служит нефтепродукты и природный газ. Основную часть природного газа составляет метан, из которого получают ацетилен, являющийся, в свою очередь, сырьем для производства значительного количества полимеров. Основными видами полимерных материалов в настоящее время являются пластмассы, волокна, каучуки и лакокрасочные покрытия. Производство полимеров сохраняет свои позиции на международном рынке благодаря достаточно конкурентоспособным ценам. Производству синтетических волокон требуется модернизация, без которой оно не может конкурировать с предприятиями зарубежных стран. Производство нефтехимической продукции наиболее конкурентоспособно. Химическая промышленность объединяет множество специализированных отраслей.

Химическая промышленность в целом – высоко сырьеемкая отрасль. Затраты на сырье из-за высокой ценности сырья или значительных удельных его расходов составляют от 40% до 90% в пересчете на производство 1 тонны готовой продукции. Предприятия химической и нефтехимической промышленности внесли в 1997 году в доходную часть бюджета 20 миллиардов рублей налоговых платежей, что составляет около 3,5% от всех налоговых поступлений и 5,6 миллиардов рублей отчислений в государственные внебюджетные фонды.

Производственный процесс в настоящее время находится в состоянии неустойчивого и хрупкого равновесия. С учетом сегодняшнего состояния экономики инновационная составляющая промышленности должна способствовать развитию отечественного научно-технического потенциала. Определяющей особенностью передачи результатов научных исследований для их освоения в промышленности является создание и развитие систем коммерческих форм взаимодействия науки и производства. В глубоком кризисе находятся научно-исследовательские организации химической индустрии. Крайне острыми продолжают оставаться для отрасли проблемы экологии. Сбросы загрязненных стоков химическими предприятиями составляют почти 20% загрязненных сбросов всех стационарных источников страны.

В 1996 году выбросы химическими предприятиями в атмосферу составили 413,2 тысячи тонн, в том числе диоксида серы – 64,8 тысячи тонн, оксидов азота – 33,7 тысячи тонн, оксида углерода – 106,2 тысячи тонн. В водные бассейны химическими предприятиями сброшено в 1996 году 1,52 км³ сточных вод, из которых нормальной обработке подверглось лишь около 11% стоков, требующих очистки. Большое значение в производстве органического синтеза занимает производство поливинилбутираля, который отличается высокой эластичностью, стойкостью к действию солнечного света, кислорода и озона, повышенной адгезией к металлам, стеклу и пластмассам. Поливинилбутираль наиболее широко применяется в технике по сравнению с другими поливинилацеталями. Его главное назначение – изготовление небьющихся стекол для автомобилей, автобусов, самолетов. Из раствора поливинилбутираля в спирте изготовляют клей. Также используют для получения покрытий по днищам морских судов, металлическими изделиями и сооружениями, находящимся в воде, для декоративных и защитных покрытий по дереву, алюминиевым и магниевым сплавам.

В настоящее время Американская корпорация Solutia Сент–Луис, открыла в китайском городе Сучжоу новый завод по производству поливинилбутираля, который компания поставляет на мировой рынок под торговой маркой Saflex поливинилбутираля – аморфный полимер, находящий широкое применение в производстве безосколочных стёкол «триплекс» в качестве промежуточного склеивающего слоя. Продукция предприятия, мощность которого составляет приблизительно 10 млн. м² поливинилбутираля в год, будет использоваться в основном в автомобильной промышленности. Компания рассматривает возможность дальнейшего расширения производства в случае повышения мирового спроса на поливинилбутираль. Корпорация Solutia – один из мировых лидеров по производству поливинилбутираля помимо этого, компания выпускает функциональные химикаты для резинотехнической промышленности, теплоносители и различные виды полиамидных пластиков.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

1.1МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ГОТОВОГО ПРОДУКТА И ИХ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ВЫБОР МЕТОДА, ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА

Существует 3 метода производства поливинилбутираля: в спиртовом растворе, из полвинилацетата с применением не смешивающихся с водой растворителей, из поливинилового спирта и масляного альдегида. Реакция образования поливинилацеталей впервые была описана учёными Германом и Генелем в 1927 году. При определённых условиях поливинилацетали образуются почти со всеми альдегидами – алифатическими, ароматическими, предельными и непредельными. Однако в промышленности нашли применения не многие: поливинилформаль, поливенилэтиналь, поливенилбутираль. Основная масса поливинилбутираля производится конденсацией поливинилового спирта с масляным альдегидом. Этот метод самый простой и доступный. Метод осуществляется периодически, что позволяет проводить ремонт оборудования.

1.1.1 Получение поливинилбутираля в спиртовом растворе

Весь процесс проводится в реакционном котле без отделений промежуточных продуктов. В качестве сырья применяют винилацетат, метиловый спирт СН₃ОН или этиловый спирт С₂Н₅ОН, перекись бензоила (инициатор), концентрированную серную кислоту H₂SО₄ (катализатор), масляный альдегид, едкий натр NaOH. Конечный продукт окрашен в жёлтый цвет и имеет ограниченное применение.

Достоинства: доступность сырья.

Недостатки: продукт получается окрашенный, многостадийный процесс

1.1.2 Получение поливинилбутираля из поливинилацетата с применением несмешивающихся с водой растворителей

Одновременно осуществляется гидролиз поливинилацетата и ацеталирование образовавшегося поливинилового спирта. Удаление несмешивающихся с водой растворителей из реакционной смеси (при выделении поливинилового спирта) значительно упрощается. В некоторых случаях процесс одновременного омыления и ацеталирования осуществляется в отсутствии органических растворителей в водной эмульсии. Применение растворителей, смешивающихся с водой, влечёт за собой экономически невыгодные операции осаждения поливинилбутираля и регенерации растворителей.

Достоинства: доступность сырья, образование поливинилового спирта в одну стадию.

Недостатки: экономически невыгодная стадия осаждения поливинилбутираля и регенерации растворителей.

1.1.3 Получение поливинилбутираля из изолированного поливинилового спирта

Поливинилацетат предварительно гидролизуется и полученный поливиниловый спирт выделяется. Уже после этого поливиниловый спирт подвергается обработке масляным альдегидом в присутствии катализатора – НСl. В качестве растворителя применяется обессоленная вода. Получаемый поливинилбутираль нерастворим в воде и выпадает из раствора в осадок. Выделение поливинилбутираля сводится к отфильтровыванию и отмывке кислоты.

Достоинства: получаемый продукт более высокой степени чистоты. Так как метод периодический, он позволяет проводить ремонт какого-либо оборудования, не останавливая всего процесса производства, доступный растворитель.

Недостатки: образуется много побочных веществ.

1.2ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ, ПОЛУПРОДУКТОВ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ. ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ КАЧЕСТВА СОГЛАСНО СТАНДАРТАМ

Для производства поливинилбутираля применяют: 10% водный раствор поливинилового спирта, гидроксид натрия, соляная кислота, масляный альдегид.

1.2.1Поливиниловый спирт

Поливиниловый спирт – порошок от белого до кремового цвета, растворимый в воде и стойкий к действию жиров и масел, кетонов, простых и сложных эфиров, алифатических, ароматических и хлорированных углеводородов. Свойства поливинилового спирта зависят от молекулярной массы и содержания неомылённых ацетатных групп. Поливиниловый спирт – кристаллический полимер с изотактической или синдиотактической структурой:

Показатели основных свойств поливинилового спирта приведены ниже:

Плотность, кг/м³...........................................................1200 – 1300

Разрушающее напряжение, МПа

при растяжении.......................................................98,1–137,2

при статическом изгибе..........................................58,9 – 63,8

Относительное удлинение при разрыве, %.........................3 – 5

Модуль упругости при изгибе, МПа........................ ...........5300

Теплоёмкость по воде, °С.............................................150 – 160

Температура стеклования, °С...................................................85

Растворимость в горячей воде, %.............................................99

Удельная вязкость, кДж/моль..............................................4 – 6

Наибольшее распространение получил синтез поливинилового спирта щелочным омылением поливинилацетата в безводном спирте. Процесс протекает по схеме:

К ислотное омыление полвинилацетата водят в среде этанола, где кислота является только катализатором:

Растворимость поливинилового спирта зависит от содержания ацетатных групп. При 5 – 10% содержание ацетатных групп поливиниловый спирт хорошо растворяется в воде.

Технические требования на раствор поливинилового спирта: содержание ацетатных групп не более 3%

сухой остаток для поливинилбутираля

лакового «А», не менее 8%

для остальных, не менее 10%

содержание летучих, не более 2%

Поливиниловый спирт не токсичен.

1.2.2Гидроксид натрия. Физические свойства

Гидроксид натрия, формула – NaOH (м = 40,00 г/моль) – белое непрозрачное очень гигроскопичное вещество. Температура плавления 320°С; температура кипения 1378°С; плотность 2,13 г/см; растворимость в воде 107 г/100 г (20°С). Не горюч. При соприкосновение с водой выделяется большое количество тепла.

Химические свойства:

Гидроксид натрия поглощает диоксид углерода из воздуха с образованием карбоната натрия:

2NaOH + C0₂ Na₂C0₃ + H₂0

Хорошо растворяет жиры, превращая их в глицерин и мыла - соли органических кислот. Гидроксид натрия является сильным основанием, взаимодействует с кислотами, с кислотными и аморфными оксидами:

NaOH + НС1 NaCl + Н₂0

2NaOH + ZnO + Н₂0 Na₂[Zn(OH)₄]

Ввиду сильного разъедающего действия на ткани, кожу, бумагу и другие органические вещества гидроксид натрия называют едким натром:

СН₃ОН + NaOH CH₃ONa + Н₂О

1.2.3Соляная кислота. Физические свойства:

Соляная кислота, формула НСl (м = 36,5 г/моль) – в чистом виде соляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом. Техническая кислота окрашена примесями (солями железа) в жёлтый цвет. Соляная кислота хорошо растворима в воде. Кислота химически активная, плотность 1,19 г/см и содержит около 37% НСl.