Раздел 6. Производство полистирола

Раздел 6 Производство полистирола

Полистирол (ПС) - это продукт полимеризации стирола, который, в свою очередь, представляет собой мономер, синтезируемый из продуктов нефтегазопереработки. Промышленность выпускает полистирол в виде гранул, имеющих размер от 2 до 5 мм. Полистирол - твердый полимер, для которого характерны: термопластичность; низкая теплопроводность; влагоустойчивость; хорошие диэлектрические свойства; прозрачность.

Полистирол имеет большое значение среди современных видов конструкционных пластмасс. Хотя в настоящее время удельный вес полистирола в объеме производства синтетических смол и пластмасс невелик области применения этого вида полимера, обусловленные широким спектром физико-механических свойств, охватывают все сферы промышленности, начиная от производства товаров народного потребления и заканчивая автомобильной промышленностью и строительством.

На практике различают три различных типа полистирола:

- ПС общего назначения (GPPS, ПС) - прозрачный, хрупкий полимер;

- ударопрочный ПС (IPS или HIPS, УПС) - белый, относительно гибкий, модифицированный каучуком полимер;

- вспенивающийся ПС, пенополистирол (EPS, ПСВ, ППС).

ПС общего назначения представляет собой бесцветный, прозрачный материал. Легко подвергается механической обработке: ПС, формуемый при температуре ниже 100 °C, характеризуется схожестью со стеклом, обладает достаточной механической прочностью, хорошими диэлектрическими свойствами и химической устойчивостью; при температуре выше точки размягчения ПС может подвергаться обработке путем литьевого формования или экструзии. В ПС часто добавляют антистатические агенты, УФ стабилизаторы, стекловолокно, красители.

Благодаря своим физическим свойствам и тому, что обычный ПС легко подвергается механической обработке, он используется в различных отраслях народного хозяйства: в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, электротехнической промышленности, строительстве. На рисунке 6.1 приведено строение полимерной цепи ПС.

Рисунок 6.1 - Молекулярная структура ПС

Ударопрочный ПС (УПС) приобретает свои свойства благодаря добавлению в него каучука (полибутадиена). ПС образует непрерывную фазу (матрицу), а полибутадиен - дискретную фазу (каучуковая частица). Каучуковые частицы содержат небольшие включения из полистирола. На рисунке 6.2 показана структура ударопрочного ПС, содержащая полистирольные и полибутадиеновые цепи.

Рисунок 6.2 - Молекулярная структура ударопрочного ПС

Модификация ударопрочного полистирола: трудногорючие марки создаются на основе ударопрочного полистирола. Введение антипиренов (добавок, способствующих затуханию пламени) позволяет увеличить температуру стойкости при испытаниях с 650 °C (стандартные марки) до 960 °C (трудногорючие марки). Это позволяет использовать материал при производстве клавиш выключателей, розеток и других электроизделий в соответствии с мировыми стандартами.

Как и обычный ПС, ударопрочный полистирол не является стойким к УФ излучению. Светостойкость материала повышается путем введения специальных добавок.

УПС легко перерабатывается литьем под давлением, экструзией и соэкструзией с полистиролом общего назначения. Материал хорошо сохраняет форму и совместим с антиадгезионными добавками, что позволяет избежать дополнительных расходов на смазку пресс-форм. Низкая усадка (0,2 % - 0,4 %) позволяет использовать пресс-формы.

Вспенивающийся полистирол представляет собой материал с замкнутой ячеистой структурой, на 95 % объема состоящий из газов, которые используются в процессе вспенивания. Важной характеристикой материала является гранулометрический состав, который определяет его последующее использование.

Отличительные дополнительные особенности:

- низкая теплопроводность, хорошие термо- и звукоизоляционные качества;

- высокая ударопрочность, прочность при растяжении, сжатии и изгибе, вибростойкость, светостойкость, водо- и пыленепроницаемость;

- стойкость к гидролизу, жирам, кислотам, растворам щелочей и кислот.

Применение марок общего назначения:

- для производства изоляционных изделий и блоков высокой плотности;

- для использования при двойном вспенивании;

- для производства изделий стандартного размера;

- для производства пищевой упаковки и одноразовой посуды;

- для производства изделий высокой плотности.

Самозатухающие марки используются:

- для производства изоляционных плит, декоративных изделий низкой плотности и дренажных плит;

- для изготовления изоляционных плит и блоков в процессе непрерывного производства;

- для производства тонкостенных изделий;

- для производства огнестойкой технической упаковки;

- для производства огнестойкого утеплителя.

6.1 Полистирол, получаемый по эмульсионной технологии, в том числе ударопрочный полистирол

Эмульсионная полимеризация проводится в водных растворах эмульгатора при умеренных температурах и в условиях хорошего теплообмена. В качестве эмульгаторов применяются различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), оптимальная концентрация эмульгатора составляет 0,2 % масс. - 2 % масс. При этом инициаторами процесса полимеризации служат водорастворимые пероксиды, такие как персульфаты аммония и калия, водорода, их концентрации лежат в пределах 0,1 % - 1 % от массы мономера. Соотношение дисперсионной среды и дисперсной фазы определяется условиями проведения процесса и назначением получаемой суспензии и составляет обычно (1,5-3):1.

УПС получают путем добавления каучука в стирол при полимеризации. Благодаря этому повышается ударная прочность ПС, уменьшаются хрупкость и прозрачность материала.

УПС является двухфазной системой, состоящей из непрерывной жесткой полистирольной матрицы и распределенной в ней дискретной каучуковой фазы с привитым сополимером (гель-фракция) на границе раздела фаз. С повышением содержания каучука ударная прочность возрастает, но снижаются разрывная прочность и прочность на изгиб с резким уменьшением твердости материала, поэтому содержание каучука в УПС не превышает 10 %. Материал имеет низкое содержание свободного стирола, хорошие литьевые и экструзионные свойства.

6.1.1 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время

В общем случае технологический процесс состоит из следующих стадий:

- приготовление растворов инициатора, эмульгатора, регулятора и электролита для коагуляции;

- полимеризация стирола;

- коагуляция ПС;

- промывка, центрифугирование полимера;

- сушка, просев и гранулирование, упаковка ПС.

Эмульсионный ПС получают по периодической и непрерывной схемам.

Технологическая схема производства ПС по периодической схеме приведена на рисунке 6.3.

1 - хранилище стирола; 2 - мерник; 3 - полимеризатор; 4 - кожухотрубный холодильник; 5 - промежуточная емкость; 6 - высадитель; 7 - промыватель ПС; 8 - ловушка; 9 - центрифуга; 10 - сушилка с кипящим слоем; 11 - вибросито

Рисунок 6.3 - Периодическая схема получения эмульсионного ПС

Стирол из емкости 1 через мерник 2 поступает в реактор 3, снабженный рубашкой, мешалкой и обратным холодильником 4. В реактор предварительно через дозатор подают деминерализованную воду с температурой около 50 °C и при перемешивании эмульгатор и раствор едкого натра. После перемешивания в реактор подают водный раствор инициатора, смесь нагревают до 65 °C - 70 °C, дальнейший рост температуры обусловлен теплом реакции, выделяющимся при полимеризации.

Полученный продукт представляет собой тонкодисперсную устойчивую суспензию, для выделения полимера проводят коагуляцию суспензии, доводя pH среды до 5,5-6. Для этого реакционную смесь из промежуточной емкости 5 медленно подают в осадитель 6, где находятся квасцы, взмученные в воде. Смесь продувают острым паром, нагревают до 75 °C - 85 °C, перемешивают в течение 1,5-2 ч, добавляют аммиачную воду, выделяют маточный раствор и полимер промывают горячей водой. Маточный раствор после высаживания ПС спускают через ловушку 8 в систему очистки сточных вод. Отжатый на центрифуге 9 полимер осушают с применением инертного теплоносителя или увлажненного воздуха.

По непрерывному методу водно-эмульсионная полимеризация ПС осуществляется в каскаде аппаратов идеального смешения (рисунок 6.4).

1 - емкость-смеситель; 2 - подогреватель; 3, 4 - полимеризаторы; 5 - теплообменник; 6 - коагулятор; 7 - отпарная колонна; 8 - обратный холодильник; 9 - гидрозатвор; 10 - центрифуга; 11 - сушилка с кипящим слоем; 12 - вибросито; 13 - ловушка

Рисунок 6.4 - Непрерывная схема получения эмульсионного ПС

В емкость-смеситель 1 подается деминерализованная вода, эмульгатор, стирол и инициатор. Перемешанную и подогретую до 50 °C смесь направляют в первый реактор каскада полимеризаторов. Полимеризацию проводят с постепенным повышением температуры от первого реактора к последнему, начиная с 50 °C и заканчивая 75 °C. Полученная масса из последнего полимеризатора поступает в осадитель 6, в который также подается раствор алюмокалиевых квасцов для коагуляции и вода для разбавления суспензии.

Отгонка непрореагировавшего стирола и укрупнение частиц суспензии производится в отпарной колонне 7 обработкой острым паром. Пары стирола конденсируются в холодильнике 8. Затем суспензия подается в гидрозатвор 9, где нейтрализуется аммиачной водой. ПС отжимается на центрифуге 10 и многократно промывается деминерализованной водой, после чего влажный ПС осушается на вибросите 12 и поступает на упаковку.

6.1.2 Текущие уровни эмиссии в окружающую среду

Производство полистирола является источником загрязнения окружающей среды. Основные объекты загрязнения - воздушный бассейн и гидросфера. В атмосферу выбрасываются ЗВ в виде непредельных соединений, а также оксидов, щелочей и солей. Из вредных выбросов две трети приходятся на газообразные продукты, а треть - на твердые пылевидные частицы. В водный бассейн поступают сточные воды производства. Удельный расход воды на производство 1 т продукции может существенно колебаться в широком интервале.

К наиболее распространенным причинам загрязнения воздушной среды относятся:

- неполная конверсия мономеров и потери летучих органических веществ;

- выбросы в атмосферу примесей и загрязнений, присутствующих в используемом сырье;

- недостаточная герметичность оборудования;

- испарение летучих продуктов из различных резервуаров и хранилищ.

6.2 Полистирол суспензионный (вспенивающийся)

Суспензионный метод получения полимеров и сополимеров стирола в присутствии инициаторов обеспечивает более низкое содержание свободного стирола в готовом продукте (0,1 % - 0,5 %) и позволяет получать широкий ассортимент материалов. Недостатки этого метода: периодичность и многостадийность процесса, меньшая производительность по сравнению с блочным методом, наличие сточных вод и необходимость их очистки.

Механизм полимеризации мономера или смеси мономеров в суспензии аналогичен процессу в массе (в блоке), поскольку он протекает в каплях, представляющих собой микрореакторы.

6.2.1 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время

Суспензионная (капельная) гранульная полимеризация (для всех мономеров) стирола протекает в двухфазной системе "мономер - вода", однако по механизму процесс является разновидностью блочной полимеризации (в массе). Мономер энергично диспергируется в водной фазе перемешиванием мешалкой до образования капель диаметром 0,1-1,0 мм. В водной фазе необходимо присутствие стабилизаторов - ПАВ. Капельки мономера обволакиваются слабыми эмульгаторами, такими как поливиниловый спирт, крахмал, желатин, метилцеллюлоза, тальк, бентонит, оксиды металлов и т.д. Если мономер растворим в воде, дисперсионной средой могут также являться растворы соли, глицерин, гликоли и другие вязкие, обладающие большой плотностью жидкости. Полимеризация от начала и до конца протекает в капле, как в миниатюрном блоке. Отвод тепла осуществляется с помощью дисперсионной среды. Кинетика реакции аналогична кинетике блочного процесса.

Процесс получения ПС суспензионным способом включает следующие основные стадии:

- подготовка исходного сырья;

- приготовление растворов стабилизаторов в воде, инициатора, растворенного в стироле;

- полимеризация;

- выделение из суспензии ПС и его отмывка;

- сушка ПС;

- грануляция и упаковка ПС.

На рисунке 6.5 представлена технологическая схема получения вспенивающегося ПС по суспензионной технологии.

Рисунок 6.5 - Схема производства суспензионного ПС для вспенивания

Предварительно приготовленные растворы перексиды бензоила в стироле и сольвара в воде поступают в соответствующие мерники, очищенные стирол и изопентан также заливают в мерники, чистый азот поступает по трубопроводу.

Предварительная полимеризация стирола осуществляется в форполимеризаторе, в который загружают стирол из мерника и раствор перекиси бензоила из мерника. Загрузка компонентов и предварительная полимеризация происходят в среде азота. Реакционную смесь нагревают при перемешивании до 80 °C и выдерживают при этой температуре в течение 5 ч до конверсии 35 % - 40 %.

Затем раствор охлаждают до 40 °C, в него добавляют раствор инициатора для окончательной полимеризации и содержимое форполимеризатора сразу выгружают в полимеризатор. При перемешивании содержимое реактора нагревают до 75 °C и сначала в него подают форполимер, затем из мерника изопентан. Нагрев реакционной смеси продолжают до 80 °C, выдерживают ее при этой температуре в течение 10 ч, затем при 85 °C - в течение 2 ч. При этом давление в реакторе повышается до 0,6 МПа.

По окончании процесса полимеризации реакционную смесь охлаждают до 40 °C и выгружают. Выгрузку суспензии полистирола в промежуточную емкость производят центробежным насосом через фильтр, на котором задерживаются корки и комки полимера.

Промывку, обезвоживание, сушку и рассев осуществляют по непрерывной схеме. Предусмотрено улавливание и очистка азота, паров стирола, изопентана, промывных вод и воздуха, выходящего из сушилок.

Описание технологического процесса производства ПС суспензионным способом приведено в таблице 6.1, перечень основного оборудования - в таблице 6.2, перечень природоохранного оборудования - в таблице 6.3.

Таблица 6.1 - Описание технологического процесса получения ПС суспензионным способом

Входной поток	Стадия технологического процесса	Выходной поток		Основное Технологическое оборудование	Природоохранное оборудование
		Продукты и полупродукты	Эмиссии
1	2	3.1	3.2	4	5
Реагенты Деминерализованная вода Пар	Приготовление растворов стабилизаторов в воде, инициатора, растворенного в стироле	Растворы реактивов		Емкостное оборудование
Растворы реактивов Стирол Деминерализованная вода Оборотная вода Пар	Полимеризация	Суспензия полистирола	Отходящие газы	Реакторы
Суспензия полистирола Сушильный воздух Промывочная вода Оборотная вода	Выделение из суспензии ПС и его отмывка	Гранулы полистирола	Сточные воды	Фильтры Холодильники Буферные емкости Центрифуги
Гранулы полистирола Сушильный воздух Антистатик	Сушка ПС	Фракции полистирола Побочные фракции	Отходящие газы	Вибрационные сита Буферные емкости Сушильные бункеры	Скруббер
Фракции полистирола	Грануляция и упаковка ПС	Готовая продукция	Отходящие газы	Буферные емкости Расфасовочные бункеры

Таблица 6.2 - Перечень основного оборудования процесса получения ПС суспензионным способом

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Реакторы	Проведение реакции полимеризации	Вертикальный цилиндрический аппарат с мешалкой, рубашкой. Объем - 10-75 м 3 В аппарате: - расчетное давление - от минус 1 до 13 бар; - рабочее давление - от 0 до 8 бар; - расчетная температура - от 0 до 170 °С; - рабочая температура - 60-135 °С Габариты: - диаметр - 4000 мм; - длина цилиндрической части - 4800 мм
Центрифуги	Отделение воды, загрязнённой остатками аддитивов и содержащей мельчайшие частицы ПСВ от гранул ПСВ.	Рабочее давление - атм. Расчетная температура - до 60 °С Число оборотов - 1800 об/мин Рабочая температура - 40 °С Мощность - 55 кВт
Вибрационное сито	Система рассева	Расчетное давление - атм. Расчетная температура - до 65 °С Габариты - 3000 x 1950 x 3336 мм Мощность - 3,5 кВт
Смеситель поверхностной обработки	Нанесение поверхностной обработки	Лопастной смеситель - 0,5 т/на загрузку Рабочее давление - атм. Расчетная температура - до 60 °С Мешалка - 49 об./мин (49,6 об./мин) Мощность - 8,8 кВт (11 кВт)
Репульпатор		V = 5 м 3 F = 1800 мм Н - 2225 мм Ррасч. - 0,3 МПа Т < 2000 °С
Центрифуга		Q = 1300 кг/ч n = 1000 об/мин (ротор Р = 40 кВт n = 1460 об/мин
Буферная емкость		V = 25 м 3 Д = 2800 мм Н = 7000 мм
Репульпатор		V = 5 м 3 F = 1800 мм Н - 2795 мм Р - 0,3 МПа, Т < 200 °С
Буферная емкость		D = 2800 мм H = 5295 мм V = 25 м 3 n = 110 об/мин (мешалка)
Центрифуга		Q = 5000 кг/ч, n (макс) - 3500 об/мин Т раб. макс - 1000 °С

Таблица 6.3 - Перечень природоохранного оборудования процесса получения ПС суспензионным способом

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Скруббер	Очистка газа	Средняя фактическая степень очистки - 55 % - 62 % (пыль полистирола)

6.2.2 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при производстве полистирола суспензионным способом

Нормы расходов материальных и энергетических ресурсов производства ПС суспензионным способом приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 - Показатели потребления сырья, материалов и энергетических ресурсов при производстве ПС суспензионным способом

Наименование	Единицы измерения	Расход на 1 т продукции
		Минимальный	Максимальный
Стирол	кг/т	953	958
Пентаны	кг/т	58	68
Электроэнергия	/т	89	343
Теплоэнергия	Гкал/т	0,25	2,4
Природный газ	тут/т	0,007	0,008

Характеристика выбросов, сбросов, отходов, образующихся при производстве ПС суспензионным способом, приведена в таблицах 6.5-6.7.

Таблица 6.5 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве ПС суспензионным способом

Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Азота диоксид	-	-	0,051	-
Азота оксид		-	0,01	-
Серы диоксид		-	0,025	-
Углерода оксид		-	0,063
Углеводороды предельные C1-C5 (исключая метан)		-	0,12	-
Этенилбензол (стирол)		-	0,03	-
В периметр технологии не включены источники выбросов от факельных систем.

Таблица 6.6 - Сбросы загрязняющих веществ при производстве ПС суспензионным способом

Наименование загрязняющего вещества	Направление сбросов	Показатели сбросов * загрязняющих веществ в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Взвешенные вещества		1,38	1,79	-
ХПК		2,79	3,63	-
АСПАВ (анионные синтетические поверхностно-активные вещества)		0,009	0,011	-
Показатели сбросов после ЛОС.

Таблица 6.7 - Отходы, образующиеся при производстве ПС суспензионным способом

Наименование	Класс опасности	Источник образования	Способ утилизации, обезвреживания, размещения	Масса образующихся отходов производства в расчете на 1 т продукции, кг/т
				Диапазон		Среднее значение
				Минимальное значение	Максимальное значение
Обтирочный материал, загрязненный нефтью или нефтепродуктами (содержание нефти или нефтепродуктов менее 15 %)	IV	Обслуживание оборудования	Обезвреживание	0,0038	0,0040	0,0039
Тара полиэтиленовая, загрязненная	IV	Использование материалов и реагентов	Утилизация/размещение на полигоне ТБО	0,43	2,5	1,47
Шлам очистки емкостей и трубопроводов от нефти и нефтепродуктов	III	Чистка оборудования	Обезвреживание	0,1	0,5	0,3
Тара деревянная, утратившая потребительские свойства, незагрязненная	V	Транспортировка реагентов и продукции	Утилизация	0,67	0,88	0,78
Вторсырье (картон, макулатура, пластик)	V	Упаковка реагентов и др распечатка документов	Утилизация	0,36	0,37	0,365
Ил стабилизированный биологических очистных сооружений хозяйственно-бытовых и смешанных сточных вод	V	Очистка сточных вод производства ПСВ	Утилизация	3,18	5,24	4,21
Отходы (осадок) механической очистки нейтрализованных стоков производств органического синтеза	IV	Очистка сточных вод в отделении очистки сточных вод	Размещение	64,72	69,3	67,01
Лом и отходы изделий из полистирола незагрязненные	V	Зачистка оборудования	Размещение	3,30	3,53	3,42
Лом и отходы стальных изделий незагрязненные	V	Растаривание катализаторов	Утилизация	-	0,009	-
Лом и отходы стальные несортированные	V	Обслуживание и замена оборудования	Утилизация	0,64	2,44	1,54
Лом и отходы алюминия несортированные	V	Обслуживание и замена оборудования	Утилизация	0,003	0,036	0,02

6.3 Полистирол, получаемый полимеризацией в массе, в том числе ударопрочный полистирол

6.3.1 Описание технологических процессов, используемых в настоящее время

Различают несколько методов получения ПС в массе, к наиболее распространенным и перспективным относится непрерывный метод полимеризации в массе с неполной конверсией стирольных пластиков. Процесс полимеризации протекает в каскаде изотермических реакторов с перемешиванием до максимальной конверсии 85 % - 90 % с последующим перегревом реакционной массы на 20 °C - 30 °C ниже предельной температуры для полистирола, последующего удаления непрореагировавшего мономера и примесей под вакуумом, выделения, очистки и возврата отогнанного мономера.

В общем виде рассматриваемый технологический процесс непрерывной полимеризации (сополимеризации) стирола в массе с неполной конверсией состоит из следующих основных стадий:

- подготовка исходного сырья;

- полимеризация;

- удаление непрореагировавшего мономера и примесей под вакуумом;

- выгрузка, транспортировка и грануляция расплава полимера;

- упаковка полимера;

- улавливание и очистка отогнанного мономера от примесей и возврат его в процесс;

- обогрев основной производственной линии (горячим теплоносителем);

- утилизация и/или термическое обезвреживание жидких отходов.

В оформлении стадии полимеризации существующих высокопроизводительных процессов непрерывной полимеризации стирола в массе условно можно выделить четыре схемы, принципиально различающиеся системой теплосъема (рисунки 6.6-6.9).

1 - форполимеризатор; 2 - полимеризатор; 3 - перегреватель расплава; 4 - двухступенчатая испарительная камера; 5 - выгрузное устройство; 6 - фильтр расплава; 7 - гранулятор; 8, 9 - вакуум-насосы

Рисунок 6.6 - Получение ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией

1 - форполимеризатор; 2, 3 - полимеризатор; 4 - перегреватель расплава 1-ой ступени; 5 - испарительная камера 1-ой ступени; 6-10 - выгрузные устройства; 11 - перегреватель расплава 2-ой ступени; 12 - испарительная камера 2-ой ступени; 13 - фильтр расплава; 14 - гранулятор; 15-18 - конденсаторы отогнанного мономера; 19 - емкость регенированного мономера; 20-22 - вакуум-насосы; 23 - печь нагрева

Рисунок 6.7 - Получение ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок

1 - форполимеризатор; 2 - теплообменник; 3 - полимеризатор; 4 - испарительный контур; 5-7 - транспортирующие насосы; 8 - перегреватель; 9 - испарительная камера; 10 - выгрузное устройство; 11 - фильтр расплава; 12 - гранулятор; 13, 14 - конденсаторы отогнанного мономера; 15 - емкость регенерированного мономера; 16, 17 - вакуум-насосы

Рисунок 6.8 - Получение ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией в каскаде реакторов смешения

1 - теплообменник; 2 - полимеризатор; 3 - перегреватель испарительной камеры 1-ой ступени; 4 - испарительная камера; 5, 6 - выгрузные устройства; 7 - перегреватель испарительной камеры 2-ой ступени; 8 - испарительная камера 2-ой ступени; 9 - фильтр расплава; 10 - гранулятор; 11-13 - конденсаторы отогнанного мономера; 14 - емкость регенерированного мономера; 15, 16 - вакуум-насосы

Рисунок 6.9 - Получение ПС методом полимеризации в массе

Сопоставление рассмотренных вариантов технологических схем процессов получения стирольных пластиков методом непрерывной полимеризации в массе с неполной конверсией позволяет сделать следующие выводы:

Для производства, предусматривающего выпуск только полистирола общего назначения наиболее подходящей является схема при существенно неполной конверсии (рисунок 6.9).

При планировании периодического выпуска на линии полистирола общего назначения и ударопрочного полистирола оптимальным можно считать использование схемы с теплосъемом на стадии форполимеризации путем испарения с последующей полимеризацией в горизонтальных реакторах малого объема (рисунок 6.7).

При получении УПС перед стадией полимеризации добавляется стадия растворения каучука в стироле.

Описание технологического процесса производства ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения приведено в таблице 6.8, перечень основного оборудования - в таблице 6.9.

Таблица 6.8 - Описание технологического процесса получения ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения

Входной поток	Стадия технологического процесса	Выходной поток		Основное Технологическое оборудование	Природоохранное оборудование
		Продукты и полупродукты	Эмиссии
1	2	3.1	3.2	4	5
Стирол Минеральное масло Этилбензол Стирол-рецикл	Прием сырья	Стирол, минеральное масло, этилбензол	Отходящие газы	Резервуары Насосы
Стирол Минеральное масло Каучук	Приготовление шихты	Шихта ПСОН, шихта УППС	Отходящие газы	Аппараты с мешалкой Резервуары Насосы
Шихта ПСОН Шихта УППС Этилбензол	Полимеризация стирола	Расплав полистирола, стирол-рецикл	Отходящие газы Сточные воды	Реакторное оборудование Дегазаторы Теплообменное оборудование Насосы
Расплав полистирола	Выделение полистирола	Полистирол (чистота 99,95 %)	Отходящие газы	Фильерная плита ситополимера Ванны охлаждения Воздуходувки Эжекторы Гранулятор Сортировальное устройство
Маслотеплоноситель	Прием и нагрев маслотеплоносителя	Маслотеплоноситель	Отходящие газы	Печь нагрева Аппараты воздушного охлаждения Аппараты Насосы
Вода Биоциды водообработки	Водоподготовка	Вода	-	Градирня Насосная станция
Топливный газ	Факел	Топливный газ	Отходящие газы	Факел, сепараторы

Таблица 6.9 - Перечень основного оборудования процесса получения ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Резервуары	Прием, хранение, приготовление, подача сырья и (или) полупродуктов, и (или) продуктов	Объем - 50-300 м 3
Аппарат с мешалкой	Приготовление шихты ПСОН/УППС	Объем - 90,8 м 3
Реактор	Форполимеризация	Объем - 42,94 м 3 Давление (рас.) - 0,5 МПа/полный вакуум Температура (рас.) - 149 °С
Реакторы	Полимеризация	Объем - 7,3-8,75 м 3 Давление (рас.) - 0,46-0,7 МПа Температура (рас.) - 316-343 °С
Блок дегазации стирола	Дегазация паров стирола	Объем - 1,55-17 м 3 Давление (рас.) - 0,48 МПа/полный вакуум Температура (рас.) - 315-343 °С
Конденсатор	Конденсация стирол-рецикла	Объем - 6,6 м 3 Давление (рас.) - 0,53 МПа/полный вакуум Давление (рас.) - 343 град. Поверхность теплообмена - 277,25 м 2
Емкости	Сбор, хранение и подача сырья, материалов, полупродуктов	Объем - 2-10 м 3
Вакуумный насос	Откачка паров стирола с дегазации	Производительность - 1200-3853 м 3/час Давление всаса - 2-30 мм. рт. ст. Давление нагнетания - 28-80 мм. рт. ст.
Струйный эжектор	Создание и поддержание первичного вакуума	Производительность - 20 м 3/час
Испаритель	Дегазация паров стирола	Объем - 16,3 м 3 Давление (рас.) - 0,52 МПа/полный вакуум Температура (рас.) - 343 °С
Устройство переключения фильтров	Очистка от мех. включений	Габаритные размеры - 3170 x 700 мм Размер сеток - 0,297 мм/0,149 мм
Экструдер	Создание формы гранул	Диаметр отверстия - 3,8 мм Количество отверстий - 125
Воздуходувка	Осушка нитей полистирола	Производительность - 2200-9800 м 3/час Напор - 0,013-0,01 МПа
Гранулятор	Гранулирование	Производительность - 4200 кг/час
Сепаратор гранул	Сортировальное устройство	Производительность - 4764 кг/час
Инжектор	Транспортировка гранул	Размеры - 1422,4 x 406,4 мм
Бункер	Промежуточное хранение гранул	Объем - 7,45 м 3
Аппарат воздушного охлаждения	Охлаждение маслотеплоносителя	Поверхность теплообмена - 830 м 3
Печь	Нагрев маслотеплоносителя	Выделяемая энергия - 2324 кВт
Факел	Аварийный факел	Высота - 35000 мм
Бассейн	Хранение промышленной воды	Объем - 420 м 3
Градирня	Охлаждение воды	Производительность - 1400 м 3/час Температура воды на выходе - не ниже 15 °С Температура воды на входе - не выше 35 °С

Описание технологического процесса производства ПС методом полимеризации в массе при существенно неполной конверсии приведено в таблице 6.10, перечень основного оборудования - в таблице 6.11.

Таблица 6.10 - Описание технологического процесса получения ПС методом полимеризации при существенно неполной конверсии

Входной поток	Стадия технологического процесса	Выходной поток		Основное Технологическое оборудование	Природоохранное оборудование
		Продукты и полупродукты	Эмиссии
1	2	3.1	3.2	4	5
Стирол Этилбензол Стирол рецикл	Подготовка сырья	Смешанный мономер		Емкостное оборудование
Смешанный мономер	Полимеризация стирола	Расплав полистирола		Реактор с мешалкой
Расплав полистирола	Дегазация, конденсация, вакуумная система, ре#	Полистирол (гранулы) Олигомеры стирола Непрореагировавший мономер		Дегазатор
Полистирол (гранулы)	Гранулирование и транспортировка гранул	Гранулы полистирола		Линия гранулирования
Непрореагировавший мономер	Регенерация мономеров	Стирол-рецикл		Емкостное оборудование

Таблица 6.11 - Перечень основного оборудования процесса получения ПС методом методом полимеризации в массе при существенно неполной конверсии

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Трубчатая печь	Нагрев маслотеплоносителя	Мощность - 3838 кВт КПД - 84,5 %
Реактор	Полимеризация стирола	Объем - 67,4 м 3 Температура - 131 °С Давление - 0,31 МПа
Стренговый подводный гранулятор	Гранулирование полистирола	Производительность - 4500 кг/ч
Холодильная машина	Охлаждение антифриза	Мощность - 334 кВт

6.3.2 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при производстве полистирола методом полимеризации в массе

Нормы расходов материальных и энергетических ресурсов производства ПС методом полимеризацией в массе приведены в таблицах 6.12-6.13.

Таблица 6.12 - Показатели потребления сырья, материалов и энергетических ресурсов при производстве ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения

Наименование	Единицы измерения	Расход на 1 т продукции
		Минимальный	Максимальный
Стирол + каучук + минеральное масло (для УППС)	кг/т	953,8	1050,14
Стирол + минеральное масло (для ПСОН)	кг/т	976	1058,14
Электроэнергия	/т	76	229,2
Топливный газ	т.у.т./т	0,013	0,049

Таблица 6.13 - Показатели потребления сырья, материалов и энергетических ресурсов при производстве ПС методом полимеризации в массе при существенно неполной конверсии

Наименование	Единицы измерения	Расход на 1 т продукции
		Минимальный	Максимальный
Стирол	кг/т	1018	1029
Электроэнергия	/т	182	218,4
Топливный газ	т.у.т./т	0,035	0,042

Характеристика выбросов, сбросов, отходов, образующихся при производстве ПС методом полимеризации в массе, приведена в таблицах 6.14-6.20. При производстве ПС методом полимеризации в массе при существенно неполной конверсии сточные воды не образуются.

Таблица 6.14 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве ПС методом полимеризации в массе

Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Азота диоксид	-	-	0,04	-
Азота оксид		-	0,27	-
Серы диоксид		-	0,001	-
Углерода оксид		-	0,08
Этенилбензол (стирол)		-	0,007	-
В периметр технологии не включены источники выбросов от парков хранения исходного сырья, готовой продукции, эстакад и факельных систем.

Таблица 6.15 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок.

Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Азота диоксид	-	-	0,242	-
Азота оксид		-	0,27	-
Серы диоксид		-	0,2	-
Углерода оксид		-	0,194
Этенилбензол (стирол)		-	0,216	-
Взвешенные вещества		-	0,033
В периметр технологии не включены источники выбросов от парков хранения исходного сырья, готовой продукции, эстакад и факельных систем.

Таблица 6.16 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве ПС методом полимеризации в массе при существенно неполной конверсии с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок

Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Азота диоксид	-	-	0,242	-
Азота оксид		-	0,27	-
Серы диоксид		-	0,22	-
Углерода оксид		-	0,194	-
Этенилбензол (стирол)		-	0,216	-
В периметр технологии не включены источники выбросов от парков хранения исходного сырья, готовой продукции, эстакад и факельных систем.

Таблица 6.17 - Сбросы загрязняющих веществ при производстве ПС методом полимеризации в массе

Наименование загрязняющего вещества	Направление сбросов	Показатели сбросов загрязняющих веществ в расчете на 1 т продукции после очистки на локальных очистных сооружениях, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Нефтепродукты (нефть)	Технологические сточные воды отводятся на очистку на биологические очистные сооружения	-	0,00000112	-

Таблица 6.18 - Сбросы загрязняющих веществ при производстве ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок

Наименование загрязняющего вещества	Направление сбросов	Показатели сбросов загрязняющих веществ в расчете на 1 т продукции, кг/т
		Диапазон		Среднее значение
		Минимальное значение	Максимальное значение
Нефтепродукты (нефть)	Технологические сточные воды отводятся на очистку на биологические очистные сооружения	0,005	0,006	-

Таблица 6.19 - Отходы, образующиеся при производстве ПС методом полимеризации в массе с неполной конверсией при съеме теплоты реакции на стадии форполимеризации методом испарения с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок

Наименование	Класс опасности	Источник образования	Способ утилизации, обезвреживания, размещения	Масса образующихся отходов производства в расчете на 1 т продукции, кг/т
				Диапазон		Среднее значение
				Минимальное значение	Максимальное значение
Адсорбент на основе оксида алюминия, отработанный при очистке стирола от пара-третбутилпирокатехина в производстве полистирола	III	Адсорбер по очистке стирола	Захоронение		0,035
Керамические изделия прочие, утратившие потребительские свойства незагрязненные	V	Адсорбер по очистке стирола	Утилизация		0,007
Цеолит, отработанный при осушке газов, в том числе углеводородных	IV		Утилизация		0,007
Ткань фильтровальная из натуральных волокон, загрязненная негалогенированными полимерами	V	Фильтр воды узла выделения Riter	Утилизация или Обезвреживание		0,103
Отходы зачистки реакторов полимеризации стирола в производстве полистирола	III	Зачистка оборудования в период капремонта, ППР	Захоронение		0,07
Бумага фильтровальная, загрязненная нефтепродуктами (содержание менее 15 %)	IV		Обезвреживание		0,103

Таблица 6.20 - Отходы, образующиеся при производстве ПС методом полимеризации при существенно неполной конверсии с генерацией теплоносителя и утилизацией технологических сдувок

Наименование	Класс опасности	Источник образования	Способ утилизации, обезвреживания, размещения	Масса образующихся отходов производства в расчете на 1 т продукции, кг/т
				Диапазон		Среднее значение
				Минимальное значение	Максимальное значение
Ткань фильтровальная из натуральных волокон, загрязненная негалогенированными полимерами	V	Отходы фильтрующих элементов	Обезвреживание		0,03