книги / Химия и технология полимерных материалов. Технология полимерных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Н. Чудинов, С.Е. Уханов, А.С. Ширкунов

ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В 2 частях

Часть 2. Технология полимерных материалов

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2022

1

УДК 678.7.01(075.8) Ч-84

Рецензенты:

канд. хим. наук, доцент Т.А. Роздяловская (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук А.И. Слободинюк (ПФИЦ УрО РАН)

Чудинов, А.Н.

Ч-84 Химия и технология полимерных материалов : учеб. пособие : в 2 ч. / А.Н. Чудинов, С.Е. Уханов, А.С. Ширкунов. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022.

ISBN 978-5-398-02296-4

Ч. 2: Технология полимерных материалов. – 81 с. ISBN 978-5-398-02723-5 (ч. 2)

Данное пособие посвящено вопросам технологии получения и переработки полимеров. Описаны основные виды аппаратов и процессов, которые применяются в производстве полимерных материалов, рассмотрены технологические схемы получения ряда наиболее крупнотоннажных полимеров.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 18.03.01 «Химическая технология», профиль бакалавриата «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

УДК 678.7.01(075.8)

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Ассортимент производимых сегодня полимеров чрезвычайно широк. Это конструкционные материалы, лаки и краски, клеи, покрытия и многое другое. Весьма разнообразны и области применения таких материалов. Композиты на основе полимеров, благодаря своим характеристикам, успешно вытесняют во многих отраслях такие традиционные материалы, как сталь, древесина, керамика.

В данном учебном пособии представлены основные методы промышленного получения и переработки высокомолекулярных соединений.

Понимание принципов работы оборудования, знание рецептур поможет будущим инженерам квалифицированно управлять процессами производства полимерных материалов.

4

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Первые упоминания о промышленном производстве полимерных материалов относятся ко второй половине XIX в. В 1868 г. был получен целлулоид на основе нитратов целлюлозы, в 1897 г. – галалит на основе казеина. Данные материалы использовались при изготовлении галантерейных изделий для замены слоновой кости, черепаховых панцирей и рога. В начале XX в. было организовано получение фенолоальдегидных полимеров. На сегодняшний день промышленные процессы производства полимеров по своим объемам успешно конкурируют с производством традиционных материалов (древесина, металлы, керамика, бумага и др.).

По мере роста и развития технологий синтетических полимерных материалов изменялись структура производства, методы и ассортимент получаемой продукции. Подобные изменения были обусловлены также и эволюцией материальной базы и сырьевых ресурсов. До начала Второй мировой войны основным сырьем для производства полимеров служила продукция каменноугольной промышленности, затем на первое место выдвинулась нефтехимия. К 1960-м гг. сформировалась основная структура производства и потребления синтетических полимерных материалов.

Технологический процесс получения полимеров – комплекс физическихихимическихявлений, которыйвключаетвсебя3 стадии:

1)подвод реагентов;

2)химические реакцииполимеризации илиполиконденсации;

3)отвод образовавшихся продуктов из зоны реакции. Скорость всего технологического процесса лимитируется

скоростью самой медленной из указанных стадий. Если общая скорость ограничена химическими реакциями, то процесс протекает в кинетической области. В этом случае необходимо усилить факторы, определяющие скорость химического процесса: концентрацию мономера и инициатора, температуру, давление. Если общая скорость процесса лимитируется подводом реагентов или

5

отводом продуктов из зоны реакции, то процесс протекает в диффузионной области. В данном случае ускорить процесс можно за перемешиванием, повышением температуры, увеличением исходной концентрации мономера. В случаях, когда скорости химических и диффузионных процессов соизмеримы, необходимо воздействовать такими факторами, которые будут влиять и на диффузию, и на кинетику: температурой и концентрацией исходных веществ. Необходимо помнить, что для процессов полимеризации существует верхний температурный предел, т.е. изменение температуры возможно в ограниченных пределах.

Функционирование процесса будет обусловлено поддержанием технологического режима на оптимальном уровне. Технологический режим – совокупность основных факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество ПМ. Для процессов полимеризации основными параметрами режима являются температура, давление, концентрации исходных веществ

ипродолжительность реакции.

1.1.Основные технологические узлы химических производств

Важной составляющей любого технологического процесса является его аппаратурное оформление. Способ ведения процесса (технологическая схема) – это описание совокупности операций, которые протекают в соответствующих аппаратах. Основные узлы технологической схемы:

•узел подачи жидких реагентов с помощью насосов;

•узел сжатия и транспортировки газообразных компонентов

спомощью компрессоров;

•узел очистки реагентов и продуктов (ректификация, абсорбция, адсорбция);

•узлы осушки и фильтрации;

•узел обвязки реактора.

Комбинация «емкость – насос» является обязательным элементом практически каждой технологической схемы получения

6

высокомолекулярных соединений. Емкости-сборники предназначены для поддержания запаса жидких реагентов между последовательными стадиями переработки. Объем сборников подбирают таким образом, чтобы компенсировать кратковременные перебои в подаче сырья. В зависимости от конкретного производства реагенты в сборниках находятся под атмосферным, пониженным или избыточным давлением.

В промышленности чаще всего применяют следующие типы насосов: центробежные, центробежно-вихревые, лопастные, поршневые. Для перекачивания агрессивных и токсичных жидкостей используют герметичные бессальниковые насосы с электрическим приводом.

Узлы компримирования. В промышленности используют следующие типы компрессоров: поршневые, ротационные, центробежные. В компрессорный агрегат, предназначенный для сжатия газа до высоких давлений, входит следующее оборудование: компрессор, холодильники газа, маслоотделители, гасители вибрации, масляные насосы, сборники масла.

Вакуумные установки. Ряд процессов производства ПМ включают в себя стадии под вакуумом (например, для удаления НМП). Вакуумная установка обычно состоит из вакуум-насоса, вакуумных аппаратов коммуникаций, арматуры и вспомогательных приспособлений. В качестве вакуум-насосов используются компрессоры: поршневые, ротационные со скользящими пластинами (при откачивании сухих газов), ротационные с жидкостным поршнем (при откачивании больших количеств влажных паров, которые затем необходимо конденсировать). Также широко применяются пароэжекционные вакуум-насосы.

Узлы ректификации и абсорбции. Процессы и абсорбции рек-

тификации применяются для подготовки и очистки сырья полимеризационных процессов, разделения продуктов полимеризации и выделения целевых продуктов. Основным аппаратом обоих узлов является колонна, снабженная контактными устройствами (тарелки или насадка). Ректификационные колонны могут работать как

7

при атмосферном давлении, так и под вакуумом, поскольку сырье и продукты процессов синтеза полимерных материалов не всегда отличаются термической стойкостью, а снижение давления в системе позволяет снизить температуры кипения компонентов. Ректификационные колонны снабжаются теплообменной аппаратурой: кипятильниками, холодильниками, конденсаторами.

Абсорбционные колонны работают под атмосферным или повышенным давлением, которое позволяет увеличить эффективность абсорбционного процесса. Абсорбционная колонна обычно работает в паре в десорбером, который необходим для выделения поглощенных компонентов и очистки абсорбента.

Узел фильтрации. Процессы фильтрации применяются для выделения полимеров из суспензий и коллоидов, очистки полимерных расплавов от механических примесей. Фильтрование проводят при постоянной скорости или при постоянном перепаде давления. Процессы фильтрации могут протекать как непрерывно, так и периодически. Оборудование фильтрования – это центрифуги и фильтры различных конструкций.

В непрерывных схемах необходимо устанавливать не менее двух параллельных фильтров, чтобы обеспечить возможность попеременной очистки каждого из них.

Узел реактора. Реактор – это ключевой аппарат схемы получения ВМС. Выбор конструкции реакторногооборудования напрямую зависит от того, какой конкретно полимерный материал необходимо получить. Кроме того, важным фактором является и способ получения полимера: в блоке, в суспензии, вгазовойфазеит.д.

1.2.Основные типы реакторов для синтеза полимеров

Реакционные котлы. Реактор с мешалкой представляет собой цилиндрический сосуд со съемными крышками (рис. 1.1). Также котлы снабжаются перемешивающими устройствами – мешалками. Вязкие системы перемешивают с помощью якорных и скребковых мешалок, маловязкие– спомощью турбинных мешалок.

8

Для обогрева и охлаждения такие аппараты снабжаются рубашкой или змеевиком, помещенным внутрь реактора. Отношение высоты к диаметру обычно составляет 1–1,6. В более высоких аппаратах будет неудовлетворительное перемешивание по высоте. При работе с вязкими системами применяют аппараты с коническими днищами.

9

Автоклавы. Автоклав (рис. 1.2) – емкостной аппарат высокого давления. Изготавливаются автоклавы из стали литыми, коваными или сварными. Автоклавы используют при получении полиэтилена высокого давления (250 МПа).

Для перемешивания реакционной массы используется лопастные мешалки, установленные на общий вал. Монтаж перегородки 13 (см. рис. 1.2) позволяет разделить автоклав на две зоны, отличающиеся температурой полимеризации.

Реакционную массу перемешивают четыре лопастные мешалки 12. Мешалки съемные, они обеспечивают работу автоклава по однозонному или двухзонному вариантам. На валу мешалки, которую используют для двухзонного процесса полимеризации, установлена перегородка 13. Сравнительно небольшой зазор между перегородкой и корпусом автоклава позволяет вести полимеризацию в верхней и нижней зонах при различной температуре.

Горизонтальные реакторы. Для непрерывного синтеза полиэтилентерефталата (ПЭТФ) используется горизонтальный реактор, представляющий собой цилиндрический сосуд, снабженный обогревающей рубашкой (рис. 1.3). В реакторе установлен вал с сетчатыми наклонными дисками, эта конструкция обеспечивает перемешивание и продвижение реакционной массы вдоль реактора. С целью эффективного удаления низкомолекулярного продукта поликонденсации (НМП) реактор подключают к вакуумсоздающей системе. Заполнение массой не выше оси вала обеспечивает большую поверхность зеркала испарения для интенсификации отвода НМП.

Реакция поликонденсации протекает в тонком слое на дисках. Масса полимера сдисковудаляется скребкамикорпуса аппарата.

Реакторы пленочного типа. Такие реакторы могут иметь вид цилиндра в цилиндре (рис. 1.4, а). Внутренний цилиндр винтообразный путем вращения обеспечивает перемешивание реакционного слоя и его перемещение вдоль оси реактора. Скорость вращения внутреннего цилиндра определяет время пребывания смеси в реакторе исоответственно характеристикиполучаемогополимера.

10