Chimie industriala - Operator in fabricarea si prelucrarea polimerilor - Fabricarea polietenei de presiune inalta

Grupul Scolar de Chimie Industriala "Terapia"

PROIECT

EXAMEN DE CERTIFICARE A COMPETENTELOR PROFESIONALE

PENTRU OBTINEREA CERTIFICATULUI DE CALIFICARE PROFESIONALA NIVEL 2

Domeniul : Chimie industriala

Calificarea : Operator in fabricarea si prelucrarea

polimerilor

ARGUMENT

Prin elaborarea acestui proiect se urmareste obtinerea certificatului de calificare profesionala nivelul 2, in calificarea operator fabricarea si prelucrarea polimerilor.

Proiectul are ca scop demonstrarea dobandirii unui ansamblu de competente tehnice generale, competente tehnice de specialitate si competente cheie specifice standardului de pregatire profesionala al calificarii.

Tema proiectului  "Fabricarea Polietenei de Presiune Inalta " urmareste atingerea urmatoarelor competente :

- citeste si utilizeaza documente scrise in limbaj de specialitate;

- realizeaza o scurta prezentare utilizand imagini ilustrative;

- comunica prin internet;

- prezinta informatii incluzand text, numere si pagini;

- verifica conformitatea calitatii produselor cu valorile prevazute in standarde;

- caracterizeaza operatiile  de transfer de masa;

- descrie modul de exploatare a utilajelor de transfer de masa;

- aplica normele de tehnica securitatii muncii s PSI specifice utilajelor de transfer;

- descrie proprietatile materialelor plastice;

- identifica utilizarile produselor obtinute din materiale plastice;

- identifica metodele de procesare a materialelor plastice;

- precizeaza rolul parametrilor in instalatiile de procesare a materialelor plastice.

Compusii macromoleculari sau polimerii reprezinta elemente constitutive de baza ale unor materiale de mare importanta in viata omului, cum sunt : hartia, firele si fibrele naturale si sintetice, cauciucurile naturale si sintetice, materialele plastice, lacurile si adezivii.

Acesti compusi au fost industrializai in jurul anului 1930. Tot in aceasta perioada au fost elaborate procesele industriale de obtinere a polistirenului, a policlorurii si poliacetatului de vinil, ca si a altor compusi macromoleculari.

Un salt foarte important a facut in deceniul 1950-1960, prin aparitia polimerilor stereoregulati de tip olefinic (pentru materiale plastice, fibre si fire sintetice) si diolefinic (pentru cauciucuri).

In prezent, ponderea cea mai mare (peste 60%) in cadrul polimerilor pentru materiale plastice o detin polietena, polipropena, polistirenul si policlorura de vinil.

CAP.I. Introducere

Compusii macromoleculari

si importanta lor

Compusii  macromoleculari  sunt  compusii  organici, a caror masa moleculara atinge marimi de la cateva mii pana la cateva milioane, iar in unele cazuri  atinge chiar zeci de milioane. In componenta moleculelor compusilor macromoleculari intra sute si mii de atomi, legati intre ei prin legaturi chimice formand astfel lanturi sau catene.

Compusii  macromoleculari  au gasit o utilizare larga in multe domenii. Datorita  rezistentei mecanice, elasticitatii, proprietatilor electroizolatoare etc., acesti compusi se utilizeaza in industria constructoare de  masini, constructii, industria textila, in electronica si radiotehnica, medicina, industria de lacuri si vopsele, in constructia navala. Principalele tipuri  de  materiale pe baza compusilor macromoleculari sunt cauciucurile, fibrele, masele plastice, peliculele.

Compusii macromoleculari de polimerizare detin cea mai mare pondere in productia de polimeri sintetici. Ei se fabrica in scopul prelucrarii atat sub forma de materiale plastice, cat si sub forma de cauciucuri sau fibre sintetice.

Preponderenta compusilor de polimerizare se datoreaza, in special, catorva tipuri de produse care se obtin astazi in cantitati uriase, de milioane de tone anual. Acestea sunt :

- poliolefinele ( polietenele, polipropena etc.)

- polistirenicele (polistirenul de uz general si cel modificat)

- polivinilicile (policlorura de vinil, poliacetatul de vinil si produsele inrudite).

La aceste trei grupe, intrebuintate aproape exclusiv in industria materialelor plastice, se adauga grupa polimerizatelor si a copolimerizatelor de tip diolefinic intrebuintate, in principal, in industria cauciucurilor sintetice.

Compusii de polimerizare se obtin prin procedeele tehnice de sinteza cunoscute.

ETENA (Caracteristici si obtinere)

ETENA este materia prima necesara obtinerii polietenei, care are formula chimica C₂H₄ cu structura moleculara :

 

Etena este un gaz incolor la temperatura obisnuita, fara miros, nu se dizolva in apa, in schimb e usor solubila in alcool, acetona, benzen, amoniac. In amestec cu aerul in proportie de 3-8% vol., etena este inflamabila si exploziva.

Cea mai uzuala metoda de fabricare a etenei este piroliza fractiunilor petroliere gazoase sau lichide. Piroliza este un proces endotermic de transformare chimica a materiei prime sub actiunea caldurii. In piroliza fractiunilor gazoase, ca materie prima se utilizeaza gaze de sonda ori gaze de rafinarie bogate in etan sau propan, sau care contin ambele hidrocarburi saturate.

Principalele produse care se obtin prin piroliza unei fractiuni gazoase de etan si propan sunt etena si in mai mica masura propena. La piroliza au loc, in principiu, urmatoarele reactii :

CH₃−CH₂−CH₃ → CH₂ = CH₂ + CH₄

CH₃−CH₃ → CH₂ = CH₂ + H₂

CH₃−CH₂−CH₃ → CH₃−CH = CH₂ + H₂

Procesul are loc dupa cum se vede, cu crestere de volum si de aceea este favorizat de reducerea presiunii partiale a materiei prime. Carbunele care se poate forma ca produs de descompunere partiala a materiei prime si a produselor de reactie in elementele constituente, reactioneaza cu vaporii de apa la temperatura inalta, trecand in oxid de carbon si hidrogen :

C + H₂O → CO + H₂

Piroliza etanului se conduce la temperatura de 750-850^oC si presiunea totala in sistem de 0,5-2,5 at. Timpul de contact (sederea gazelor in zona de reactie, la cald) nu depaseste 0,8-1s. Principalele utilaje ale unei instalatii de piroliza sunt cuptoarele tubulare, care au in general, forma paralelipipedica cu baza dreptunghiulara. Elementele de baza ale cuptoarelor sunt tevile de piroliza, confectionate din otel crom-nichel rezistent la foc. In cazul pirolizei unor fractiuni petroliere lichide, se lucreaza la temperaturi mai joase (600-700^oC) si timpi de contact mai lungi (30-60s).

O instalatie de distilare se compune din sapte coloane cu talere, in care se realizeaza separarea amestecului de hidrocarburi condensat in prealabil.

Cele sapte coloane au urmatoarele destinatii:

-coloana de demetanizare (pe la varf se indeparteaza metanul, oxidul de carbon si hidrogenul);

-coloana pentru izolarea fractiei C₂ (pe la varf= de restul hidrocarburilor;

-coloana pentru separarea fractiei C₂ in etan(pe la fund) si etena (pe la varf);

-coloana pentru purificarea avansata a etenei (produs de blaz);

-coloana pentru izolarea fractiunii C₃ (pe la varf) din amestecul ramas de la izolarea fractiei C₂ ;

-coloana pentru purificarea avansata a propenei (produs de blaz).

Daca etena trebuie sa aiba o puritate foarte avansata, cum este cazul polimerizarii la presiune joasa pe catalizatori asa-zisi superactivi, aceasta se supune unei purificari suplimentare pentru indepartarea derivatilor acetilenei. In acest scop, etena este trecuta peste un catalizator special care hidrogeneaza selectiv derivatii acetilenei si la nevoie, este apoi rectificata din nou.

Caracterizarea Polietenei

Polietena de presiune inalta

Polietena este unul din cei mai importanti polimeri sintetici datorita resurselor bogate de materii prime, proprietatilor sale deosebite si posibilitatilor de utilizare, ca material plastic. Se obtine prin polimerizarea etenei :

n CH₂ = CH₂ → −(CH₂ − CH₂)_n−

Exista trei procedee industriale de fabricare a polietenei :

- procedeul de polimerizare radicala la presiune inalta (1500-2000 at)(procedeul ICI)

- procedeul de polimerizare in prezenta unor catalizatori complecsi la presiune joasa (1-10 at)(procedeul Ziegler)

- procedeul de polimerizare in prezenta unor catalizatori oxidici la presiune medie (30-70 at)(procedeul Phillips)

Polietena are unele proprietati fizice, mecanice si tehnologice (de prelucrare) deosebite de la un procedeu la altul de polimerizare.

In practica, polietenele se grupeaza si dupa densitate si anume in :

- polietene cu densitate joasa(0,91-0,93 g/cm³) care se obtin fara exceptie prin procedee de tip ICI;

- polietene cu densitate inalta (0,94-0,96 g/cm³) care se obtin prin procedee de tip Phillips sau mai ales Ziegler si este ulitizata pentru obtinerea vaselor de bucatarie, a jucatiilor, tevilor .

Alte prorietati ale polietenei sunt :

-masa moleculara : variaza intre 10000 si 80000 in functie de conditiile de presiune, temperatura si catalizatorul care favorizeaza polimerizarea.

-starea lor de agregare : la temperatura obisnuita sunt substante solide

-gradul lor de polimerizare este de n = 400 - 4000

-culoarea lor este alba, transparenta sau translucida

-intervalul de inmuiere este de 110-150^oC, iar punctul de topire este de 135^oC

-conductibilitatea termica : sunt izolatoare termice si electrice

-solubilitatea : sunt insolubile in apa si solventi obisnuiti, si sunt solubili doar in solventi organici derivati de la hidrocarburi

-are o duritate mare si sunt rezistente la actiunea agentilor chimici(acizi si baze), la temperatura obisnuita

-arderea : arde cu fum alb

CAP.II. Fabricarea polietenei de presiune inalta

Procedeul consta in polimerizarea continua a etenei in masa, in reactoare de tip autoclava, la temperatura de 170-250^oC si presiunea de 1200-2500at, in prezenta oxigenului sau a unor peroxizi organici drept initiatori (peroxid de lauroil, peroxid de di-tert-butil, perbenzonat de tertbutil etc.)Etena trebuie sa aiba o puritate avansata, de minimum 99,85%, continutul de impuritati admise fiind urmatorul: oxigen maximum 10ppm(parti pe milion), sulf - 5ppm, acetilena - 50ppm.

In prezenta peroxidului de di-tert-butil, de exemplu, polimerizarea decurge radicalic: -reactia de initiere(descompunerea initiatorului in radicali liberi tert-butoxic), -reactia de propagare, -reactia de terminare.Etena de puritate mare intra la presiunea de 12,5 at in vasul 1(fig 1-anexa), de unde, prin filtrul 2(fig.7-anexa), este aspirata de compresorul primar 3(fig.3-anexa), cu trei trepte, care o comprima la 250 at. Din ultima treapta a compresorului primar, etena intra in vasul de amestecare 4, unde intalneste etena recirculata, impreuna cu care este aspirata de compresorul secundar 6 prin filtrul 5, care are rolul de a retine urmele de polimeri inferiori din etena recirculata. In compresorul 6, amestecul de etena este comprimat intr-o prima treapta pana la 800 at., iar apoi, in treapta a doua, pana la presiunea de reactie (1500-2200 at.).

Reactia are loc cu degajare foarte mare de caldura(850kcal/kg), care e preluata partial prin peretii reactorului si partial de catre monomerul, care se introduce rece in reactor (cu circa 30^oC).Din reactor, amestecul de monomer nereactionat si polimer se evacueaza continuu prin ventilul de detenta 8 si racitorul 9 in vasul de separare 10. In ventilul 8, presiunea in amestec este redusa la 250 at. Etena care se separa in vasul 10 trece prin racitoarele 11/1, 11/2, 11/3 care alterneaza cu separatoarele de polimeri inferiori 12/1, 12/2, 12/3, iar de aici prin filtrul 13, se trimite in vasul 4 de amestecare cu etena proaspata, pentru a fi recirculata de compresorul secundar la polimerizare.

La randul sau, polimerul paraseste separatorul 10 pe la partea inferioara, trecand prin ventilul 14, in care presiunea este redusa de la 250 la 0,3 at. Cu aceasta presiune intra in buncarul 15, unde se separa ultimele resturi de etena, ce sunt recirculate in vasul 1 de alimentare a compresorului primar. Polimerul din buncarul 15 este preluat de transportorul 16 si introdus in granulatorul 17. Granulele obtinute sunt transportate la sita 18, pentru sortarea pe dimensiuni. Granulele cu lungimea de 1-1,5 mm. cad in alimentatorul 19 al transportorului pneumatic care le trimite la ambalare.

Parametrii tehnologici care influenteaza caracteristicile polimerului sunt: presiunea, temperatura si prezenta unor adaosuri.Cand se mareste presiunea creste masa moleculara a polimerului, ceea ce se reflecta in descresterea indicelui de curgere in topitura*(creste viscozitatea in topitura) si de asemenea creste densitatea polimerului.

Daca creste temperatura de reactie scade masa moleculara a polimerului (adica creste indicele de curgere), se micsoreaza densitatea si creste conversia monomerului.Prezenta unor substante straine reduce conversia monomerului si influenteaza in mod diferit proprietatile polimerului. Metanul, etanul si acetilena sunt impuritati nedorite, cu toate ca primele doua pot imbunatati uneori prelucrabilitatea polietenei si aspectul sau in film. Propanul si propena se pot adauga special la polimerizare pentru dirijarea structurii polietenei. Exista sortimente speciale de polietena care contin cantitati mici de propena si se remarca printr-o densitate redusa si o foarte buna prelucrabilitate.

Cap. III. Utilaje specifice : Coloana de distilare

Distilarea

Distilarea este operatia de separare a unui amestec lichid, prin vaporizarea partiala a lichidului si recuperarea separata atat a vaporilor cat si a reziduului.

Datorita volatilitatilor diferite ale componentilor, vaporii vor fi mai bogati in componenti cu volatilitate mai mare (denumiti si componenti usori), iar reziduul va fi mai bogat in componenti cu volatilitate mai mica (denumiti si componenti grei).

In distilarea discontinua, o anumita cantitate de amestec introdusa in instalatie este incalzita pana la o anumita temperatura la care lichidul incepe sa fiarba.

In distilarea continua, amestecul supus separarii este introdus in mod continuu in aparat, vaporii si lichidul sunt evacuati pe masura formarii lor.

Metodele industriale de distilare sunt : distularea simpla, distilarea fractionata, antrenarea cu vapori si distilarea de echilibru (integrala). Dintre acestea, primele trei sunt metode de distilare discontinua.

a.Distilarea simpla

Distilarea simpla se caracterizeaza, prin variatia compozitiei vaporilor si a lichidului in cursul operatiei, ca urmare a indepartarii continue a vaporilor formati. Pentru realizarea distilarii simple, amestecul lichid se introduce in recipientul de fierbere, numit blaz de distilare, si se incalzeste pana la temperatura de fierbere. Lichidul obtinut prin condensarea vaporilor se numeste distilat (fractiune usoara) ; reziduul din blaz se mai numeste si fractiune grea.

b.Distilarea fractionata

Varianta a distilarii simple, distilarea fractionata consta din fierberea amestecului si culegerea separata, din condensator, a unor fractiuni (portiuni) de distilat ;

c.Antrenarea cu vapori

Daca intr-un lichid nemiscibil cu apa se introduc - continuu - vapori de apa, acestia vor incalzi lichidul si vor condensa, formandu-se un sistem de lichide nemiscibile, care va fierbe la temperatura la care suma presiunilor partiale (egale cu presiunile de vapori ale componentilor) va fi egala cu presiunea sub care are loc antrenarea cu vapori.

d.Distilarea de echilibru (integrala)

Este o distilare continua, in care amestecul supus separarii se alimenteaza in mod continuu, pe masura formarii lor. In timpul operatiei, vaporii formati sunt mentinuti in contact cu faza lichida din care au provenit, gasindu-se continuu in echilibru vaporilor si a lichidului nu se schimbp in cursul operatiei.

Distilarea de echilibru se utilizeaza ca operatie continua in distilarea titeiului.

In coloana cu talere cu clopote, contactul dintre vapori si reflux se realizeaza prin barbotarea vaporilor in lichidul de pe taler; mentinand - cu ajutorul unor preaplinuri - un anumit nivel al lichidului pe taler, vapori ascendenti sunt obligati sa treaca in stare dispersata prin lichidul de pe taler(dispersarea se realizeaza prin trecerea vaporilor prin fantele clopotelor). Prin asta se realizeaza transferul de substanta si de caldura intre cele doua faze.

Amestecul care trebuie separat este introdus pe un anumit taler(talerul de alimentare, determinat prin calcule sau experimental) curge din taler in taler, pierzand treptat componentul volatil si ajunge in fierbator(la baza coloanei), unde este partial vaporizat, restul fiind evacuat ca fractiunea grea. Vaporii rezultati din fierbator vaporizeaza componentii volatili din lichidul (refluxul) care circula in contracurent: compozitia vaporilor variaza de-a lungul coloanei, de la compozitia corespunzatoare fractiunii grele pana la compozitia corespunzatoare fractiunii usoare(la varful coloanei). Vaporii sunt condensati(fara racire) in condensaorul coloanei, o parte din condensat fiind introdus in coloana sub forma de reflux, iar cealalta parte evacuata ca fractiune usoara(numita distilat). Refluxul are rolul de a condensa componentii grei din vapori si aceasta condensare are loc concomitent cu vaporizarea - de catre vapori - a componentilor usori din reflux.

In coloana cu umplutura in care umplutura indeplineste rolul talerelor de la coloanele cu clopote, contactul dintre cele doua faze(lichid si vapori) se realizeaza pe suprafata acesteia. Ca operatie de separare inaintata, rectificarea se aplica amestecurilor binare si amestecurilor multiple, in functie de temperatura de fierbere a amestecurilor, rectificarea se efectueaza la presiune atmosferica, sub vid, sau la presiuni supreaatmosferice. Ea poate decurge continuu, in regim stationar, sau discontinuu, in regim nestationar.

Cap. IV. Norme de protectia muncii si PSI

Pericolele principale intr-o instalatie de poliolefine sunt legate de prezenta hidrocarburilor gazoase.

Etena (ca si propena) este un produs cu actiune narcotica si iritanta asupra cailor respiratorii. Inhalatia in cantitate mare sau vreme indelungata produce cefalee, oboseala. La concentratii peste 10% in aer provoaca asfixiere acuta. Din aceste motive nu se admit scapari de etena in spatiile de lucru, iar in caz de avarii, incaperile trebuie ventilate bine. In caz de intoxicatie sau asfixiere, persoana vatamata trebuie transportata la aer curat.

In instalatiile de polimerizare sunt prezente multe alte materiale, unele in cantitati foarte mari, cu actiune nociva. Printre acestea trebuie mentionati solventii, catalizatorii si initiatorii.

Hexanul si alte hidrocarburi, parafinice sau aromatice, folosite ca solventi sunt cu atat mai daunatoare cu cat volatilitatea lor, adica pericolul de a fi inhalate sub forma de vapori, este mai mare. Actiunea lor fiziologica este similara cu cea a etenei. O mentiune speciala trebuie facuta pentru hidrocarburile aromatice, care pot produce intoxicatii cronice deosebit de grave, cu implicatii asupra unor organe interne.

La fel de toxici chiar mai puternici, sunt catalizatorii sau initiatorii, care pot fi inhalati sub forma de vapori (daca sunt lichizi) sau pulbere (daca sunt solizi). Din aceasta cauza, este interzisa manipularea acestora de catre persoanele neechipate cu echipament de protectie (manusi, ochelari, la nevoie masca de gaze, sau de praf).

Majoritatea materialelor, in primul rand etena, propena, solventii si catalizatorii organometalici, prezinta un pericol de aprindere si de explozie deosebit de ridicat.

Bibliografie

- I. Diaconescu , M. Lefter , M.O. Sebe. Tehnologia polimerilor - manual pentru clasa a 11-a , licee de chimie industriala si scoli profesionale Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1990

- A.A.Strepiheev, V.A.Derevitkaia- Chimia compusilor macromoleculari, Editura: Tehnica Bucuresti, 1962

- Ana Francisca Mihailescu, Ion Luputiu, Ion Banateanu - Exploatarea si Intretinerea utilajelor si instalatiilor din industria chimica- manual pentru clasele aXI-a si a XII-a , licee de chimie industriala si scoli profesionale, editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1993

- Ing. Ilie Craciun, Ing. Zoltan Hascsi, Ing. Constantin Stan - Operatii si utilaje in industria chimica - manual pentru clasa a X-a, licee cu profil de chimie industriala, petrochimie, chimie-biologie si fizica-chimie, Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1989.

-C.Cincu, Gh. Manea., ,,Cartea operatorului din Industria de prelucrare a materialelor plastice'' ,Editura tehnica.Bucuresti,1986

Fig.1 Transportor cu banda

1-cap actionare-antrenare, 2-cap intoarcere, 3-role metalice si cauciucate, 4-suporti de role, 5-banda de cauciuc, 6-lonjeroane, 7-picioare de sustinere, 8-jgheaburi metalice de acoperire

Fig.2 Transportor cu racleta

Fig.3 Compresor vertical

1-cilindri, 2-piston, 3-tija, 4-cap de cruce, 5-biela'manivela, 6-lagar

Fig.4 Compresor cu cilindri in opozitie

1-arbore, 2-cap de cruce, 3-piston, 4-biela, 5-cilindru, 6-lagar palier, M-motor

Fig.5 Extruder cu melc

1-cilindru, 2-melc, 3-placa cu gauri, 4-filiera, 5-pilnie de alimentare, 6-elemente de incalzire, 7-racire in zona de alimentare, I-V - zone te temperatura, zone functionale, a-alimentare, b-zona de tranzitie in stare plastica, c-zona de pompare

Fig.6 Separator centrifugal (ciclon)

1-tronson cilindric, 2-tronson conic, 3-gura de evacuare a gazului purificat, 4-evacuarea particulelor solide, 5-intrarea amestecului gaz-solid

Fig.7 Schema filtrului cu saci

1-carcasa, 2-saci filtranti, 3-cadru pentru fixarea sacilor, 4-placa tubulara, 5-dispozitiv de scuturare,   6-dozator

Fig.8 Schema de rectificare

1-coloana de rectificare, 2-serpentina de incalzire, 3-condensator, 4-racitor

Fig.9 Schema coloanei cu talere si clopotei

1-corp, 2-taler, 3-teava pentru introducerea vaporilor, 4-clopot, 5-teava deversare.

Fig.10 Schema instalatiei de rectificare continua