工艺技术_工程塑料-聚甲醛工艺诠释

工程塑料 聚甲醛工艺简介 性能与用途生产与市场存在问题与发展对策共聚甲醛生产主要工艺 性能与用途 聚甲醛树脂 又称聚氧甲撑树脂 polyoxymethyleneResins POM 于50年代由杜邦公司研制开发 是目前世界三大通用工程塑料之一 聚甲醛作为性能优异的工程塑料 可分为两大类 一是三聚甲醛或甲醛的均聚体 称为均聚甲醛 均聚甲醛具有优异的刚性 拉伸强度高 单位质量的拉伸强度高于锌和黄铜 接近钢材 而且耐磨性能好 摩擦系数小 但是热稳定性差 不耐酸碱 二是三聚甲醛与少量戊环的共聚体 称为共聚甲醛 共聚甲醛加工成型的条件不象均聚甲醛那样苛刻 加工过程热分解释放出来的甲醛气体少 可回收再利用 因此 今后均聚甲醛发展势头将逐渐减弱 而共聚甲醛将成为今后的发展方向 目前共聚甲醛生产能力约占聚甲醛生产能力的80 性能 用途 1 POM性能 POM具有类似金属的硬度 强度和钢性 良好的耐疲劳性 并富于弹性 此外它还有较好的耐化学品性 POM以低于其他许多工程塑料的成本 正在替代一些传统上被金属所占领的市场 如替代锌 黄铜 铝和钢制作许多部件 2 POM用途 自问世以来 POM已经广泛应用于电子电气 机械 仪表 日用轻工 汽车 建材 农业等领域 在很多新领域的应用 如医疗技术 运动器械等方面 POM也表现出较好的增长态势 2 生产与市场 二是亚洲发展迅速 消费增加较快 1995年以前世界聚甲醛生产装置90 左右位于美国 西欧 日本等工业发达国家和地区 1995年至2001年亚洲尤其是马来西亚 新加坡 韩国和中国台湾新建装置能力达到16 3万吨 加上日本的增加量 亚洲新增能力占全球新增加能力的65 左右 一是生产更趋集中和垄断 其中赫斯特 塞拉尼斯公司 杜邦公司 巴斯夫公司和三菱瓦斯四家公司生产能力占全球聚甲醛生产总能力的83 这几大公司控制着世界聚甲醛的生产与市场 主宰着世界聚甲醛的命运 2 我国聚甲醛生产情况 1998年以前 我国只有两家生产企业 生产能力分别为1700吨 年和1000吨 年 由于三聚甲醛单程转化率低和甲醛回收提纯技术不过关 原材料及公用工程消耗高 产品质量不稳定 20世纪70年代末期 由我国自行开发建设了第一套聚甲醛生产装置 经过20多年开发 进展缓慢 2000年云南天然气化工集团公司从波兰ZAT公司引进1 0万吨 年聚甲醛生产技术及装置 于2001年7月建成并投产 2002年国内聚甲醛的生产能力达到1 27万吨 年 实际产量1万吨 年 3 我国聚甲醛消费情况 近年来我国聚甲醛消费量迅速增加 2000年国内消费量达到8 84万吨 年 消费比例为电子电气55 汽车工业15 消费品20 工业器械8 其他2 我国聚甲醛主要用于电子电气行业 近年来国内电子电气工业发展迅速 而汽车工业也逐步成为我国的支柱产业 因此对聚甲醛的需求量将进一步增加 有关资料预计2002年我国聚甲醛的需求量达到10万吨 实际消费量达到12 1万吨 预计2005年需求量将超过12万吨 而2002年实际消费量已超过13万吨 实际生产与需求相去甚远 3 存在问题与发展对策 我国聚甲醛市场潜力巨大 聚甲醛主要用于汽车和电子电气等行业 均是关系国计民生的战略性行业 国外公司非常注重中国这一潜在的巨大市场 我国聚甲醛工业将面临激烈的竞争 因此国内企业应抓住机遇 快速发展 否则在将来日益激烈的全球竞争中将有被淘汰的危险 因此发展我国聚甲醛工业非常紧迫和重要 作为一种性能优异的工程塑料 开发万吨聚甲醛技术非常必要和重要 我国的能源结构以煤为主 聚甲醛的起始原料甲醇是目前国内可以大规模进行工业化生产的煤化工产品之一 汽车工业作为我国的支柱产业 因此国内应加大聚甲醛在汽车工业中的应用 一方面促进我国聚甲醛工业的发展 另一方面利于促进汽车国产化进程 随着我国汽车工业的国产化进程日益加快 汽车工业将是未来聚甲醛消费增长最快的领域之一 国家有关部门应组织专家对引进技术进行消化和吸收 尤其是共聚甲醛的技术攻关 即使短时间内国内万吨级聚甲醛生产技术难以突破 根据目前市场需求规模和未来的需求增长趋势 近期也要采取各种措施 如独资 引进国外较为先进的共聚甲醛技术建设几套万吨级的聚甲醛生产装置 因为我国聚甲醛工业的发展迫在眉睫 刻不容缓 共聚甲醛生产主要工艺步骤 一 甲醛浓缩 二 三聚甲醛 TOX 生产 四 聚甲醛 POM 生产 三 二氧五 戊 环 DOX 生产 五 POM脱气造粒 1 甲醛合成车间煤或天然气 合成气 CO H2 甲醇 CH3OH 甲醛 CH2O g 甲醛水溶液 40 wt Formalin 1 浓缩目的 将40 wt工业甲醛浓缩至60 左右 用作TOX和DOX生产的原料 2 原料来源 生产浓甲醛 60 的原料来自两方面 2 三聚甲醛 TOX 和聚甲醛 POM 生产中回收的含甲醛溶液 一 甲醛浓缩 3 工艺理论基础 1 在水溶液中 几乎所有甲醛都以单水合物和聚合水合物形式存在 60 时 甲醛水溶液中游离HCHO占总量的0 1 wt 100 时 甲醛水溶液中游离HCHO占总量的1 wt 2 甲醛和水易形成共沸物 100 1atm时 共沸组成为HCHO含量21 wt 该组成随温度升高和压力增大而增加 温度降低 压力降低 共沸物中HCHO含量减少 当压力低于26 6kpa A 绝压 温度大约为65 共沸现象消失 3 自身氧化 还原反应溶液中发生下列反应 Cannizzaro反应 生成的产物严重影响产品质量 加速设备腐蚀 4 浓缩主要工序 甲醛的浓缩主要由下列三个工段组成 工艺流程方框图如下 40 wtHCHO 60 wtHCHO 14 wtHCHO 36 40 wtHCHO 减压目的 降低共沸物中HCHO含量 减少水分蒸发带走HCHO 14 wtHCHO馏出液送往加压浓缩 60 wtHCHO釜液送往甲醇精馏塔 1 甲醛真空浓缩 加压目的 提高共沸物中HCHO含量 14 wtHCHO提浓后达到36 40 wtHCHO 返回真空浓缩 2 甲醛加压浓缩 从塔顶脱除溶液中的甲醇 馏出液为90 15 wt甲醇溶液 釜液送TOX DOX生产 3 甲醇精馏塔 1 三聚甲醛合成 2 挥发分分离和TOX浓缩 3 TOX结晶 离心分离和熔融 4 TOX萃取和精馏 二 三聚甲醛 TOX 生产 1 多步反应 三聚甲醛水合物 1 三聚甲醛合成 2 三聚甲醛水合物向两个方向反应 生成四聚甲醛 生成TOX 熔点63 3 副反应 生成以下低沸点副产物 4 操作方式 在生成TOX的复杂平衡混合体系中 TOX平衡浓度较低 不超过4 wt 为了使生成TOX的平衡向右移动 反应产物连续从反应场所移走 催化剂50 wtH2SO4间歇由计量槽加入 保证反应液中硫酸浓度为6 10 60 wt浓缩HCHO TOX17 wt 去浓缩 连续进料 连续出料 主要杂质 甲缩醛 甲醇 甲酸 甲酸甲酯 水分和低沸点副产物 含TOX32 wt的甲醛溶液 65 wtTOX溶液 稀HCHO溶液送往 甲醛浓缩 2 挥发分分离和TOX浓缩 理论基础 TOX和水形成共沸组成为69 8 TOX 30 2 H2O的共沸物 不能通过精馏制得高纯TOX 结晶分离 TOXm p 62 63 可溶于水 溶解度随温度升高而增大 采用结晶分离方法 得到90 95 wtTOX 9 乙二醇水溶液 冷冻结晶 离心分离 过程 65 wtTOX溶液 冷却结晶 离心过滤 冷冻脱盐水洗涤 晶体熔融器熔融 螺杆泵输送 去萃取 特殊设备 三聚甲醛结晶器 三聚甲醛晶体熔融器 TOX结晶悬浮液输送泵 螺杆泵 离心机 3 TOX结晶 离心分离和熔融 精馏 90 95 wtTOX的进料已跨过TOX共沸组成 使精馏得以进行 理论基础 TOX和水形成共沸组成为69 8 TOX 30 2 H2O的共沸物 不能通过精馏制得高纯TOX 结晶分离 TOX浓缩后的65 wtTOX溶液 结晶得到90 95 wtTOX 90 95 wtTOX 萃取 三塔精馏 精制三聚甲醛99 99 wt 萃取目的 采用37 NaOH溶液萃取 脱除残余HCHO HCOOH特殊设备 高效混合乳化萃取器 杂质含量 H2O 50ppm HCHO 10 20ppm 4 TOX萃取和精馏 1 半缩醛合成 1 工艺理论基础 由60 wtHCHO和乙二醇生产DOX 反应分两个阶段进行 2 DOX合成 70 80 中性 2hr 间歇釜 100 105 间歇釜 对甲基苯磺酸 三 二氧五环 DOX 的生产 半缩醛合成 贮槽 DOX合成 提浓 精馏 萃取 双塔精馏 精制二氧五环 DOX 99 99 wt 2 主要生产工序 1 聚合反应原理 2 三聚甲醛共聚过程 3 引发剂处理 钝化 与单体清除 4 聚甲醛稳定化处理 四 聚甲醛 POM 的生产 1 聚合反应原理 形成三价氧阳离子 氧鎓离子 形成碳阳离子活性中心 1 链引发 BF3 H2O引发体系 2 链增长 形成长链碳阳离子 二氧五环链增长 d d d 3 链终止 痕量水 或甲醇等杂质 链转移终止 丁缩醛终止 链转移控制分子量 并且形成热稳定的丁氧基而封端 2 三聚甲醛共聚过程 1 四组分重量计量系统 典型配方 TOX800 7kg hDOX24 7kg h引发剂0 28kg h丁缩醛可调 丁缩醛消耗量 MFI9g 10min0 8 1 3kg hMFI13g 10min1 3 1 8kg h MeltingFlowIndex 熔融指数MI 2 三聚甲醛共聚 反应过程 采用两级反应机 预反应机 主反应机串联反应 在预反应机内主要完成原料混合 反应引发 在主反应机内完成链增长 温度控制 反应机 器 为双螺杆输送机 采用外部夹套冷却和内部螺杆内流道冷却相结合 通过预先设计软件对循环水换热量 流量等进行计量控制 达到控制反应机温度的目的 聚合反应稳态运行条件 原料质量稳定 加料系统工作平稳 两级反应机温控系统无故障 3 引发剂处理 钝化 与单体清除 通过加入三乙醇胺和醋酸镁的水溶液 与BF3形成高度稳定的配位化合物 抵消引发剂的活性 引发剂水溶液通过喷嘴引入串联在反应机后的螺杆输送机内 单体清除 通过板式干燥器脱除聚合物粗料中的未反应三聚甲醛单体和来自钝化剂溶液的水 残存引发剂的危害 活性阳离子的存在会导致聚合物链发生降解 引发剂的钝化 4 聚甲醛稳定化处理 1 目的 提高POM树脂加工稳定性 必须能长时间承受190 230 温度 抗氧化剂 商品名 Irganox245 三聚氰胺 润滑剂 N N 次乙基 二硬脂酰胺 增白剂 二芳基咪唑 2 稳定化处理组分 阻止加工中聚合物降解 提高热稳定性 游离甲醛吸收剂 促进不稳定部分降解 降低模具与聚合物的粘附 增加制品光滑性 改善聚合物外观质量 五 POM脱气 造粒 1 脱气 1 脱气目的 2 脱气操作 减压 升温至200 250 在三聚氰胺存在下降解 分解除去半缩醛端基 O CH2 O H 使链端剩下热稳定基团 O CH2 CH2 OH 2 造粒 聚合物稳定化处理 脱气和造粒均在螺杆挤出机中进行 粒料最后经干燥 离心分离 振动筛分级 褪火 包装得到成品 螺杆挤出机 螺杆输送机 单螺杆挤出机