Вход

Разработка технологического регламента на производство СОполимеров на основе молочной кислоты

Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Курсовая работа*
Код 285662
Дата создания 05 октября 2014
Страниц 32
Мы сможем обработать ваш заказ (!) 1 апреля в 12:00 [мск]
Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
1 600руб.
КУПИТЬ

Описание

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе нами были проведены материальные и тепловые расчеты, необходимые для разработки пилотных установок для получения сополимеров молочной кислоты с ПВС, глицерином и стиролом со средней производительностью 100 кг/час и подобрано соответствующее оборудование. Все разработанные установки действуют периодически.
В работе были использованы две методики сополимеризации полимолочной кислоты с поливиниловым спиртом - некаталитическая поликонденсация и поликонденсация с применением в качестве катализатора хлорида олова, SnCl2. Степень этерификации составляет 25-50%.
Методика некаталитической поликонденсации молочной кислоты с глицерином. Олигомерные цепочки полимолочной кислоты «сшиваются» глицерином с образованием разветвленных полимеров.
Способ получения сополимера стирола ...

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДСТВА 5
2 ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ 6
2.1 Молочная кислота 6
2.2 Поливиниловый спирт 7
2.3 Глицерин 8
2.4 Стирол 8
2.5 Сополимеры молочной кислоты 10
3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОЦЕССОВ 11
3.1 Сополимеризация молочной кислоты и ПВС 12
3.1.1 Некаталитическая поликонденсация молочной кислоты 12
3.1.2 Каталитическая сополимеризация 17
3.2 Сополимеризация молочной кислоты с глицерином 22
3.3 Получение сополимеров стирола с молочной кислотой 27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33

Введение

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время растет внимание к экологическим проблемам окружающей среды ввиду увеличения выбросов, главным образом, промышленных отходов производств. Производство и использование альтернативных биоразлагаемых материалов экологическую привлекательность и экологическую безопасность процессов и является объектом изучения «зеленой химии».
Наиболее перспективными биополимерами, сырьем для которых служат микробиологически получаемые мономеры, являются полилактиды (PLA) - полимеры молочной кислоты это термопластичные, легко перерабатываемые в волокна, пленки и другие изделия, материалы с температурами плавления 180-220 oС. Молочная кислота - является распространенным веществом, так как образуется в процессе молочнокислого брожения многих видов растительных материалов, в том числе о вощных культур.
Основным технически приемлемым методом синтеза молочной кислоты для полилактидов в настоящее время является биохимический метод с использованием глюкозы как питательного субстрата и лактобактерий. Исходным сырьем для биохимического процесса служит крахмал (маисовый, кукурузный, картофельный, злаковый) или меласса, получаемая при производстве сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника, а также некоторые другие растительные продуты, содержащие гексозаны.
Молекулярная масса полимера для получения волокон и пленок составляет Mn=57000-60000. Свойства полилактидного полимера, его температурные характеристики сравнительно близки к полипропилену и поликапроамиду (найлон, капрон), соответственно, процессы получения полилактидных волокон и нитей, а также применяемое оборудование для формования, близки к полипропиленовым и поликапроамидным волокнам и нитям. Волокна устойчивы к атмосферным и другим эксплуатационным воздействиям, а в ряде случаев даже превосходят другие синтетические волокна.
Итак, полимеры и сополимеры на основе молочной кислоты и её аналогов являются уникальными материалами, интерес к которым во всем мире чрезвычайно высок. Это связано с такими качествами полимеров, как биосовместимость и биорассасываемость. Биодеградируемые биосовместимые полимеры находят широкое применение, как в медицине, так и в технике. Использование их в медицине связано с тем, что в живых организмах они полностью разлагаются на нетоксичные, участвующие в метаболизме продукты. Ценность биорассасывающихся полимеров заключается в том, что они не вызывают аллергических, воспалительных и других вредных реакций в организме, а при использовании их в качестве опорных элементов для временного остеосинтеза они не требуют повторных операций, как в случае нерассасываемых изделий и обладают широко варьируемыми сроками биодеградации.

Фрагмент работы для ознакомления

Так, типовая пилотная установка получения сополимера молочной кислоты состоит из дозатора (при использовании сыпучих продуктов), химического реактора с мешалкой и нагревателем, выносного или строенного в рубашку реактора теплообменника, емкостей для хранения и отстаивания реакционной смеси, а также промышленных фильтров. Все элементы технологической схемы соединены друг с другом техническими трубопроводами и фланцевыми соединениями. Принципиальная технологическая схема представлена на Листе 1 графической части и рис. 1.Рис.1. Технологическая схема сополимеризации молочной кислоты:Н - насос, Д – дозатор сыпучих продуктов, Р – реактор с мешалкой, Н – нагреватель, Т – теплообменник, Ф – фильтр, Е – емкость.1–1 – ПВС, 1-2 – раствор 90% МК, 1-3 – вода, 1-4 - продукты3.1 Сополимеризация молочной кислоты и ПВССополимеризация 90%-го водного раствора молочной кислоты с поливиниловым спиртом можно осуществлять по двум методикам: некаталитической и каталитической поликонденсации.3.1.1 Некаталитическая поликонденсация молочной кислотыСогласно применяемой в работе методике данный процесс является двухстадийным, осуществляемым в реакторе периодического действия.Так, на первой стадии – синтезе основного продукта, согласно приведенной ранее методике, требуется загрузить в реактор 40,0±0,1 кг (40,0 л) дистиллированной воды. Включить перемешивание и загрузить в реактор 8,00±0,01 кг поливинилового спирта. Загружать поливиниловый спирт надо постепенно, чтобы не образовывались комки слипшихся частиц поливинилового спирта. Включить нагрев реактора и нагреть состав до 50 ºС. После полного растворения поливинилового спирта в воде загрузить в реактор через загрузочный люк 18,0±0,1 кг (15,0 л) молочной кислоты. Нагреть состав в реакторе до 100 ºС. Подать охлаждающую воду на теплообменник. Конденсат воды из теплообменника направлять в канализацию промстоков. Выдержать реакционную массу 2 часа при 100 ºС. Нагреть состав до 140 ºС. Вести процесс поликонденсации при 140 °С в течение 4 часов (до прекращения выделения воды). Выключить нагрев реактора и охладить состав до 50 ºС [1 – 4].На второй стадии – при очистке полученного сополимера требуется по достижении температуры раствора полимера 50 ºС загрузить в реактор 16,0±0,1 кг (16,0 л) дистиллированной воды. Охладить состав до 20 ºС и загрузить в реактор (при продолжающемся перемешивании) 20,0±0,1 кг (25,3 л) ацетона. Полученную суспензию выгрузить из реактора на нутч-фильтр. Отфильтровать осадок сополимера на нутч-фильтре. Фильтрат (маточник) направить на утилизацию, осадок собрать с фильтра в подготовленную для продукта тару. Выход сополимера должен быть 30,8÷32,1 кг. Полученный продукт должен быть белым порошком. Выход – 25%.Подведем итог по данной методике: в таблицах 5 – 8.Таблица 1. Время работы реактора№Название стадииЗатраты времени, в часах1Загрузка реактора и первичный нагрев реакционной массы до 50 0С12Нагрев до 100 0С23Ведение реакции поликонденсации при 140 0С44Охлаждение смеси до 50 0С15Охлаждение смеси до 20 0С и загрузка вспомогательных реагентов0,56Перемешивание и выгрузка продуктов0,57Фильтрование субстрата1Таким образом, в нашем случае требуется реактор периодического действия. Стадию фильтрации в фонде рабочего времени реактора не учитываем. Рассчитаем производительность данного реактора при исходных данных методики.где - масса полученного продукта, кг,Т – время одного рабочего цикла реактора, складывающееся из стадий 2 – 6.кг/часОпределим коэффициент увеличения производительности базовой установки по формуле:Следовательно, массы всех реагентов в исходной методике следует увеличить в К = 28,5714 раз. Составим материальный баланс с учетом поправок на производительность.Таблица 2. Материальный баланс реактора, кг/час№ПриходРасходНазвание стадииМасса, кг/часНазвание стадииМасса, кг/час1Вода1600Сополимер1002ПВС228,57Фильтрат2814,283Молочная кислота514,29--4Ацетон571,43--5Итого2914,28Итого2914,28Рассчитаем требуемый объем лабораторной установки с учетом коэффициента заполнения, равного 0,8. По технологии, к моменту добавления ацетона большая часть воды испарится в процессе реакции, поэтому словно можем считать объем реактора равным совокупному объему воды и молочной кислоты.Таблица 3. Расчет объема реактораНаименование веществаОбъем (базовый вариант), лОбъем(проектируемый вариант),лВода561600,00ПВС--Молочная кислота (90%)15428,57Итого712028,57Так как реактор в данном случае представляет собой аппарат периодического действия, то его объем определяется по формуле:где - общий объем смеси, л,К – коэффициент заполнения реактора, равный 0,8.л = 22,82 м3Следовательно, для производства указанного объема сополимера потребуется один реактор с перемешивающим устройством объемом 25 м3, 3 реактора объемом 8 м3 или 4 объемом 6,3 м3.В силу высокой заданной производительности (100 кг/час) данное оборудование уже нельзя отнести к лабораторному, поэтому при проектировании установки используем оборудование, применяемое в промышленных процессах химического синтеза. Определим тепловой баланс установки, складывающийся из затрат теплоты на нагревание воды, ПВС и молочной кислоты, испарение воды, теплоты химической реакции. Из справочных данных находим теплоемкости реагирующих веществ, теплоту химической реакции, а также теплоту испарения воды. Тепловые эффекты реакции поликонденсации обычно невелики и составляют порядка 33,4—41,8 кДж/моль, или 8—10 ккал/моль. Теплота испарения воды составляет 2256 кДж/кг.Таблица 4. Теплоемкости реагентовНаименование веществакДж/(кг.К)Вода4,183ПВС1,68Молочная кислота (90%)2,34Теплоемкость ацетона не учитываем, так как ацетон загружается в реактор при стандартной температуре и не нагревается в ходе заключительной стадии процесса. В соответствии с приведенными данными рассчитаем энергозатраты на проведение данной химической реакции [10].Нагревание исходной смеси ПВС и воды до 50 0С;Загрузка в реактор молочной кислоты и нагрев смеси до 100 0С;Проведение реакции при 140 0С и полное испарение воды;Охлаждение смеси до 50 0С и комнатной температуры протекает самопроизвольно вместе с отключением нагрева установки.Уравнение теплового баланса имеет вид:В таблицах 5-7 рассчитаем тепловые эффекты реакции.Таблица 5. Тепловой эффект первой стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжВода1142,8564,18330143417,0ПВС228,57121,6530111314,27Итого15471,27В таблице 6. Тепловой эффект второй стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатраты, кДжВода1142,8564,18350239028,33ПВС228,57121,655018857,12Молочная к-та514,28522,348096274,19Итого354159,65В таблице 7. Тепловой эффект третьей стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжПВС228,57121,654015085,70Молочная кислота514,28522,344048137,0963222,79Теплота испарения воды составляет:кДжС паром систему покидает теплота, затраченная на нагрев и испарение воды в реакционной системе.Теплота реакции составляет при условии, что прореагировало 25% молочной кислоты. М(молочной кислоты) = 0,09008 кг/моль.моль кДжНеобходимо подвести и, впоследствии, отвести тепла:кДж3.1.2 Каталитическая сополимеризацияСмесь 4,1 г водной 90%-й L-молочной кислоты и 3 г поливинилового спирта поместили в двугорлую стеклянную круглодонную колбу объемом 50 мл, снабженную насадкой Вюрца для прямой перегонки, и нагревали на этиленгликолевой бане, Тбани 110 °С, в течение 2 ч. После этого к реакционной массе добавили 0,02 г SnCl2*2H2O в качестве катализатора и нагревали с отгонкой воды, Тбани 100 °С, в вакууме 50 мм/Hg в течение 5 ч. В колбу с реакционной смесью добавили 25 мл дистиллированной воды и нагревали на водяной бане, Тбани до 90 °С в течение 8 ч. Выход составляет 50%, т.е. 5,05 г сополимера LA и ПВС [1 – 4]. Рассчитаем выход продукта реакции, применительно к данному периодическому процессу [12, 14].Подведем итог по данной методике: в таблицах 8 – 10.Таблица 8. Время работы реактора№Название стадииЗатраты времени, в часах1Загрузка реактора и первичный нагрев реакционной массы до 110 0С22Нагрев до 100 0С и отгонка воды53Ведение реакции поликонденсации при 90 0С84Выгрузка и фильтрование субстрата1Таким образом, в нашем случае требуется реактор периодического действия. Стадию фильтрации в фонде рабочего времени реактора не учитываем. Рассчитаем производительность данного реактора при исходных данных методики.где - масса полученного продукта, кг,Т – время одного рабочего цикла реактора, складывающееся из стадий 2 – 6.кг/часОпределим коэффициент увеличения производительности базовой установки по формуле:Следовательно, массы всех реагентов в исходной методике следует увеличить в К = 297029,7 раз. Составим материальный баланс с учетом поправок на производительность.Таблица 9. Материальный баланс реактора, кг/час№ПриходРасходНазвание стадииМасса, кг/часНазвание стадииМасса, кг/час1Молочная кислота (100%)73,07Сополимер1002ПВС59,41Фильтрат536,043Катализатор0,404Вода (дист.)495,055Вода (с кислотой)8,126Итого636,04Итого636,04Рассчитаем требуемый объем лабораторной установки с учетом коэффициента заполнения, равного 0,8. По технологии, можем считать объем реактора равным совокупному объему воды и молочной кислоты.Таблица 10. Расчет объема реактораНаименование веществаОбъем (базовый вариант), лОбъем(проектируемый вариант),лВода0,025417547,525ПВС--Молочная кислота (100%)0,00305905,940Итого0,028468453,465Так как реактор в данном случае представляет собой аппарат периодического действия, то его объем определяется по формуле:где - общий объем смеси, л,К – коэффициент заполнения реактора, равный 0,8-0,85.л = 9,95 м3Следовательно, для производства указанного объема сополимера потребуется один реактор с перемешивающим устройством объемом 10 м3 или 2 реактора объемом 5 или 6,3 м3.В силу высокой заданной производительности (100 кг/час) данное оборудование уже нельзя отнести к лабораторному, поэтому при проектировании установки используем оборудование, применяемое в промышленных процессах химического синтеза.Определим тепловой баланс установки, складывающийся из затрат теплоты на нагревание воды, ПВС и молочной кислоты, испарение воды, нагревание пара, теплоты химической реакции и теплоты, отводимой от установки по окончанию реакции. Из справочных данных находим теплоемкости реагирующих веществ, теплоту химической реакции, а также теплоту испарения воды.Тепловые эффекты реакции поликонденсации обычно невелики и составляют порядка 33,4—41,8 кДж/моль, или 8—10 ккал/моль.Теплота испарения воды составляет 2256 кДж/кг.Таблица 11. Теплоемкости реагентов и вспомогательных веществНаименование веществакДж/(кг.К)Вода4,183ПВС1,68Молочная кислота2,34SnCl2.2H2O1,10В соответствии с приведенными данными рассчитаем энергозатраты на проведение данной химической реакции.Нагревание исходной смеси ПВС и 90% молочной кислоты до 110 0С;Загрузка в реактор катализатора и воды, охлаждение смеси до 100 0С с отгоном воды;Охлаждение смеси до 900С и проведение реакции.Охлаждение смеси до 20 0С.Уравнение теплового баланса имеет вид:В таблицах 11-13 рассчитаем тепловые эффекты реакции.Таблица 11. Тепловой эффект первой стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжМолочная кислота1096,042,3490,00230826,02ПВС891,091,6590,00132326,87Вода в смеси121,784,1890,0045846,52Итого408999,41Таблица 12. Тепловой эффект второй стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатреты, кДжМолочная кислота1096,042,34-10,00-25647,34ПВС891,091,65-10,00-14702,99Вода в смеси121,784,18-10,00-5094,06Вода (дист)7425,744,18802484950,47Катализатор61,1080,0035,20Итого2439506,09Теплота испарения воды составляет:кДжС паром систему покидает теплота, затраченная на нагрев и испарение воды в реакционной системе.Таблица 13. Тепловой эффект третьей стадииНаименование веществаМасса, кгТеплоемкость кДж/(кг.К)Разность температур, КТеплозатраты, кДжМолочная кислота1096,042,34-10-25647,34ПВС891,091,65-10-14702,99-40350,32Теплота реакции составляет при условии, что прореагировало 50% молочной кислоты. М(молочной кислоты) = 0,09008 кг/моль.моль кДжНеобходимо подвести и, впоследствии, отвести тепла:кДж3.2 Сополимеризация молочной кислоты с глицериномСмесь 50 г водной 90%-й L(+)-молочной кислоты, содержащей 45 г (0,5 моль) безводной LA, и 0,22 г (0,0024 моль) глицерина поместили в двугорлую стеклянную круглодонную колбу объемом 100 мл, снабженную насадкой Вюрца для прямой перегонки. Систему продували азотом в течение 10 мин, после чего нагревали на этиленгликолевой бане, Тбани до 160 °С, в атмосфере азота в течение 8 ч с отгонкой воды. После чего продолжали отгонку воды в вакууме 50 мм/Hg в течение 4 ч при температуре бани 80 °С.Глицерин, являющийся простейших трехатомным спиртом, представляет интерес как реагент, способствующий разветвлению линейных цепей полимолочной кислоты [1 – 4]:\sВыход сополимера по молочной кислоте составляет 50% или 22,75 г. Глицерин реагирует полностью.Подведем итог по данной методике в таблицах 14 – 16.Таблица 14. Время работы реактора№Название стадииЗатраты времени, в часах1Проведение реакции при 140 0С82Проведение реакции и отгонка воды при 80 0С23Фильтрование субстрата1Таким образом, в нашем случае требуется реактор периодического действия. Стадию фильтрации в фонде рабочего времени реактора не учитываем. Рассчитаем производительность данного реактора при исходных данных методики.где - масса полученного продукта, кг,Т – время одного рабочего цикла реактора, складывающееся из стадий 2 – 6.кг/часОпределим коэффициент увеличения производительности базовой установки по формуле:Следовательно, массы всех реагентов в исходной методике следует увеличить в К = 4395,6 раз. Составим материальный баланс с учетом поправок на производительность.Таблица 15. Материальный баланс реактора, кг/час№ПриходРасходНазвание стадииМасса, кг/часНазвание стадииМасса, кг/час1Молочная кислота197,8Сополимер1002Глицерин0,967Фильтрат120,753Вода21,9784Итог220,75Рассчитаем требуемый объем лабораторной установки с учетом коэффициента заполнения, равного 0,8. По технологии, к моменту добавления ацетона большая часть воды испарится в процессе реакции, поэтому словно можем считать объем реактора равным совокупному объему воды (ρ = 1 кг/л), глицерина (ρ=1,26 кг/л) и молочной кислоты (ρ=1,209 кг/л).Таблица 16. Расчет объема реактораНаименование веществаМасса, кгПлотность, кг/лОбъем,л/чОбъем общ.

Список литературы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. D.H. Lewis. Controlled release of bioactive agents from lactide/glycolide polymers // Biodegradable Polymers As Drug Delivery Systems / Ed. by M. Chasin, R. Langer. – N.-Y.: Marcel Dekker. 1990. P. 1-41.
2. G. Ruan, S.-S. Feng. Preparation and characterisation of poly(lactic) –poly(ethylene glycol) – poly(lactic acid) (PLA-PEG-PLA) microspheres for controlled release of paclitaxel // Biomaterials. 2003. V. 24. P. 5037-5044.
3. Kyle Clinton Bentz. SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF LINEAR AND BRANCHED POLYLACTIC ACID FOR USE IN FOOD PACKAGING APPLICATIONS // The Requirements for the Degree of Master of Science in Polymers and Coatings Science. June 2011. Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo.
4. S. Herman, G. Hooftman, E. Schacht. PEG with reactive end groups: I. Modification of proteins // J. of Bioactive and Compatible Polymers. 1995. V. 10. P. 145-187.
5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Химия,1995. - 400с.
6. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие - Виноградов О.С., Виноградов С.Н., Таранцев К.В. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие. - Пенза: ПГУ, 2003. - 114 с.
7. Коптева В.Б. Опоры колонных аппаратов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 24 с.
8. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.
9. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. - корр. АН России П. Г. Романкова. − 13-е изд., М.: ООО ТИД «Альянс», 2006.− 576 с..
10. Патент RU 2404198. Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотой. Кирюхин Юрий Иванович, Чвалун Сергей Николаевич, Мотов Сергей Александрович, Кузьмина Марина Михайловна, Поляков Дмитрий Константинович, Быкова Ирина Витальевна, Антипов Евгений Михайлович, Полякова Галина Резвановна
11. Плановский А.Н, Николаев И.П. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. 5-изд. - М.:Химия, 1987 г. - 847 с.
12. Плотность растворителей при различной температуре. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fptl.ru/spravo4nik/plotnost-rastvoritelej-ot-temperaturi.html
13. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование ректификационных колонн. Часть 2. Технологический, конструктивный и гидравлический расчеты. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического и заочного энерго-механического факультетов. - Томск: Изд. ТПУ, 1997, - 32 с.
14. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Изд. 2-е пер. и доп. Том 1.: Калуга, 2002. – 846 с.
Очень похожие работы
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
bmt: 0.00532
© Рефератбанк, 2002 - 2024