XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

АННОТАЦИЯ

В данном курсовом проекте рассмотрена технология производства полиамидных мембран.

В первом разделе произведён выбор исходного сырья и метода переработки, представлены физико-химические основы процесса, нормы технологического режима и их контроль, виды брака и способы его устранения.

Во втором разделе представлены расчеты основного оборудования и выбор вспомогательного оборудования.

В третьем разделе представлено обоснование безопасности и экологичности данного производства.

ВВЕДЕНИЕ

Насущной задачей ряда отраслей промышленности является обеспечение высокого качества получаемых изделий. Решение поставленной задачи базируется на технологиях, содержащие в своей основе особо чистые технологические среды. Для этой цели в последние годы широко применяются баромембранные процессы – обратный осмос (ОО), ультрафильтрация (УФ) и микрофильтрация (МФ). Главной особенностью этих методов является наличие полупроницаемой мембраны, обладающей преимущественной проницаемостью по определённым компонентам разделяемой смеси.

Баромембранные процессы осуществляются под действием перепада давлений. Под влиянием движущей силы, т.е. приложенного давления, растворитель и молекулы некоторых растворенных веществ проникают через мембрану, тогда как другие молекулы или частицы в различной мере задерживаются мембраной (точнее не проходят через нее) [1].

Микрофильтрация — наиболее изученный процесс, при котором используются мембраны с диаметрами пор от 0,1 до 10 мкм. В промышленности этот процесс используется для стерилизации, т.е. для удаления жизнеспособных микроорганизмов (например, бактерий и дрожжевых клеток) из водных растворов.

Микрофильтрация также используется для выделения неживых частиц из водных и неводных суспензий. Поскольку мембраны для микрофильтрации имеют большие поры, они оказывают относительно малое сопротивление потоку, и для создания движущей силы достаточно низкого давления (≈ 0,22 МПа). Высокая пористость микрофильтрационных мембран обусловливает также необходимость применения низкого давления, поскольку такие мембраны подвержены растяжению под действием давления [2].

Характеристика готовой продукции

Полимерные микрофильтрационные мембраны ММК на основе полиамида ПА-6 представляют собой гидрофильные пористые пленки белого цвета, имеющие однородную структуру, без видимых дефектов и повреждений.

По химическому составу полимерный материал соответствует формуле элементарного звена: [- HN (CH₂)₅CO-]_n , где n– степень полимеризации.

Мембрана ММК предназначена для осветляющей и стерилизующей фильтрации жидких сред в пищевой, фармацевтической, медицинской и электронной промышленности.

Мембрана выпускается в виде рулонов шириной от 0,26 до 0,35 м. В рулон наматывается не менее 20 м мембраны сплошной лентой.

Таблица 1 – Ассортимент продукции

Изделие	Сырье	Размеры пор, мкм	Масса одного погонного метра, г
ММК – 010	Полиамид ПА-6	0,10	12-15
ММК – 020		0,20
ММК – 045		0,45
ММК – 065		0,65
ММК – 080		0,80
ММК – 100		1,00
ММК – 120		1,20
ММК – 200		2,00
ММК – 300		3,00

Марка мембраны, отражающая микронный рейтинг, определяется по значению точки пузырька и удельной производительности.

Основные свойства выпускаемых мембран приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Основные свойства мембран марок ММК

Наимено-вание показа-телей	Значение по маркам
	ММК-010	ММК-020		ММК-045		ММК-065			ММК-080		ММК-100		ММК-120		ММК-200		ММК-300
1. Произ-водитель-ность по дист. воде при 0,1 МПа (1 атм), см3/см2∙мин, не менее	10	18		35		80			120		160		200		250		300
2. Точка проскока пузырька воздуха, МПа (атм), не менее	0,480 (4,80)	0,370 (3,70)		0,240 (2,40)		0,160 (1,60)			0,120 (1,20)		0,100 (1,00)		0,080 (0,80)		0,065 (0,65)		0,058 (0,58)
3. Потен-циал течения, мВ, не менее	10,0						Не регламентируется
4. Внеш-ний вид	Пористая пленка белого цвета без видимых дефектов: отверстий, царапин, складок. Допускаются оптические неоднородности, не влияющие на характеристики мембраны (точку пузырька и производительность).
5. Толщи-на, мкм	80÷150
6. Размер пор, мкм	0,10	0,20	0,45		0,65			0,80		1,00		1,20		2,00		3,00

Обоснование выбора сырья и композиций

Для получения мембран могут быть использованы все виды природных, искусственных и синтетических материалов –от неорганических (керамика, стекла или металлы) до органических (все виды полимеров). Основным принципом структурного модифицирования этих материалов является получение требуемой структуры мембраны, соответствующей данному процессу разделения. Для пористых ультра-фильтрационных и микрофильтрационных мембран выбор материала, как правило, не определяет напрямую характеристики разделения, потому что главным фактором для частиц молекулярного размера является размер пор или распределение пор по размерам.

В промышленных масштабах в качестве полимеров для получения микро-и ультрафильтрационных мембран широко используются триацетат целлюлозы, полисульфон и полиэфирсульфон, полиамид-6, поливинилиденфторид, характеристики которых приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнительная характеристика полимерных материалов

Полимер	Рабочий диапазон рН	Максимальная температура эксплуатации, ℃	Химическая стойкость	Возможность стерилизации паром	Отноше-ние к воде
Триацетат целлюлозы	2-8	30	Низкая	Нет	Гидро-фильный
Полисуль-фон	1-12	170	Высокая	Есть	Гидро-фобный
Полиэфир-сульфон	1-14	200	Высокая	Есть	Гидро-фобный
Полиамид-6	2-11	120	Средняя	Есть	Гидро-фильный
Поливинил-денфторид	1-13	160	Средняя	Есть	Гидро-фобный

Основными требованиями, применяемыми к микрофильтрационным мембранам, являются достаточно широкий рабочий диапазон рН, достаточно высокая температура эксплуатации, возможность стерилизации и химическая стойкость. Кроме того, немаловажным показателям является отношение полимера к воде, так как гидрофобные мембраны подвержены более сильному загрязнению органическими веществами и бактериями, по сравнению с гидрофильными мембранами.

По результатам сравнения свойств полимеров по таблице 3, в качестве материала для создания мембран решено было использовать полиамид-6. Этот полимер обладает ценным комплексом свойств, присущего классу найлонов, – прочностью и эластичностью, термостабильностью, стойкостью к действию большинства органических растворителей, смачиваемостью и устойчивостью к щелочному гидролизу, благодаря чему занимает лидирующую позицию в производстве мембран с высокой производительностью фильтрации и хорошими механическими характеристиками. Кроме тогополиамид-6 является достаточно дешевым сырьем.

Хорошими растворителями алифатических полиамидов являются жидкие алифатические кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая), фенолы, крезолы и их галогенизированные производные, неорганические кислоты (соляная, серная, фосфорная), насыщенные водные или спиртовые растворы растворимых в спирте солей, таких как хлорид кальция, хлорид магния и лития, гидроксильные растворители, включая галогенизированные спирты [4].

Полиамид-6 хорошо растворяется в крезолах, фенолах, муравьиной, уксусной и пропионовой кислотах.

Таблица 4 – Сравнительная характеристика растворителей

Растворитель	Формула	Вязкость, сП (25 ℃)	Массовая доля воды, %, не более	Темпера-тура кипения, ℃	Темпера-тура вспышки, ℃	Класс опасности
м-крезол	ОН-(С6Н4)-СН3	12,9	0,5	202	82	2 класс; 0,5-1,5 мг/м³
Фенол	С6Н5-ОН	8,8	0,03	181,84	79	2 класс; 0,3 мг/м3
Пропионовая кислота	СН3СН2СООН	1,02	0,3	141	54	3 класс; 20 мг/м³
Муравьиная кислота	НСООН	1,16	0,05	100,7	60	2 класс; 0,2 мг/м3
Уксусная кислота	СН3СООН	1,125	0,05	118,1	39	3 класс; 5 мг/м3

Из представленного выше перечня выберем растворитель для приготовления формовочного раствора, ориентируясь на следующие показатели: температуры кипения и вспышки, класс опасности, ограничение по массовому содержанию воды, вязкость при 25 ℃.

По вязкости наиболее подходящими являются органические кислоты, так как их вязкость не превышает 1,16 сП, из них наибольшей температурой вспышки обладает муравьиная кислота, а значит, она представляет наименьшую опасность взрыва при нагревании, на этом основании выберем её в качестве растворителя.

Характеристика сырья

Полиамид-6 – один из наиболее известных полиамидов; характеризуется высокой износостойкостью и механической прочностью, например прочность при изгибе ~ 90 МН/м², или ~ 900 кгс/см², ударная вязкость 150-170 кДж/м², химически стоек, устойчив к действию большинства растворителей, растворяется только в концентрированной серной и муравьиной кислотах, фторированных спиртах; физиологически безвреден, в организме человека рассасывается медленно. При комнатной температуре и нормальной влажности воздуха поликапроамид поглощает 2-3 % влаги (максимально до 12 %) [5].

Муравьиная кислота доступна в различных концентрациях и с различной степенью чистоты. Обычно содержит около 88% кислоты. Чаще всего встречаются препараты с более низким содержанием кислоты, а именно от 25 до 50%.

Муравьиную кислоту, чистота которой превышает 99%, можно получить из разбавленного водного раствора путем двухступенчатой перегонки с применением масляной кислоты. При первой перегонке удаляется основная масса воды; остаток содержит приблизительно 77% кислоты. Его перегоняют с 3 - 6-кратным количеством масляной кислоты в виде азеотропной смеси.

При вскрытии контейнеров с муравьиной кислотой следует соблюдать осторожность. Если кислота хранится в течение длительного времени, то в результате разложения в сосуде может образоваться значительное давление.

При комнатной температуре муравьиная кислота медленно разлагается на воду и окись углерода [6].

Данные, характеризующие исходное сырьё, материалы, полупродукты и энергоресурсы, используемые при получении микрофильтрационных мембран, приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Характеристика сырья, материалов и полупродуктов

№ п/п	Наименование сырья, материалов, полупродуктов	ГОСТ, ОСТ, ТУ или методика на подготовку сырья	Показатели по стандарту, обязательные для проверки	Регламентируемые показатели с допустимыми отклонениями
1	Полиамид ПА-6	ТУ 2297-020-00204688-2002	Относительная вязкость, в пределах	3,2 – 3,6
2	Муравьиная кислота	ГОСТ 1706-78	Массовая доля осн. вещества, %, не менее	99,0
3	Глицерин дистил.	ГОСТ 6824-96	Не регламентируется	Не регламентируется
4	Вода дистиллированная	ГОСТ 52501-2005	Не регламентируется	Не регламентируется
5	Пленка полиэтиленовая, толщина 80-140 мкм	ГОСТ 10354-82	Внешний вид	Отсутствие грязи, механических повреждений
6	Катушка для намотки мембран	ТУ 81-04-353-75	-	Не регламентируется
7	Мешки полиэтиленовые	ОСТ 6-19-56-75	-	Не регламентируется

Обоснование метода переработки

Для получения мембран разработан ряд методов, из которых можно выделить следующие основные: формование из расплава, формование из раствора (инверсия фаз).

Для частично кристаллических полимеров используется метод экструзии (продавливания) расплава полимера через специальное
формовочное устройство (фильеру) и дальнейшего вытяжения. Принцип действия экструдеров основан на текучести расплавов полимеров под давлением и сохранении формы без давления. Для получения мембран используют физические свойства расплавов – текучесть под давлением и сохранение формы без давления.

Выдавливаемый через плоскую щель раствор полимера в виде непрерывного плоского полотна попадает на поверхность вращающегося охлаждаемого барабана, огибает его, протягивается через тянущие валки, проходит через устройство для обрезки кромок и сматывается в рулон.

Качество полупроницаемой мембраны для диффузионных процессов определяется степенью кристалличности пленки, которая регулируется температурой нагрева расплава, скоростью охлаждения, введением в расплав зародышей кристаллитов, добавлением пластификаторов. Пористую структуру мембран формируют добавлением в расплав порообразователей и их последующим вымыванием.

Данный способ не подходит для полиамидных мембран в связи с высокой вероятностью деструкции расплава полимера в процессе формования мембраны.

В ряде методов в ходе формования осуществляется инверсия фаз – процесс фазового разделения, с помощью которого происходит переход полимера из раствора в твердое состояние. В зависимости от того, под действием какого агента происходит коагуляция полимера, различают мокрое, сухое формование и комбинацию этих двух методов.

Сухое формование или коагуляция с помощью испарения растворителя – наиболее простая методика получения фазоинверсионных мембран, в ходе которой растворитель испаряется из раствора полимера в воздушной среде или среде инертного газа, специально созданная во избежание контакта волокна с парами воды. Профильтрованный, обезвоздушенный формовочный раствор подогревают в формующей головке и с помощью насоса продавливают через щелевую фильеру, после чего с помощью термостатирующего устройства испаряют растворитель. Готовая мембрана сматывается в рулон.

Большинство промышленных мембран получаются методом коагуляции при погружении раствора полимера в ванну с нерастворителем, то есть мокрым формованием. Сначала на поверхности контакта полимера и осадителя формируется тонкая оболочка из полимерной сетки, а затем по диффузионному механизму осадитель замещает растворитель в толще мембраны.

На стадии коагуляции основными технологическими параметрами являются температура осадительной ванны, её состав и скорость движения формуемой пленки. В осадительной ванне образуется студнеобразная гелевая структура, являющаяся смесью растворителя и осадителя. Поскольку из формовочного раствора в осадительную ванну постоянно выделяется растворитель, состав ванны необходимо обновлять или корректировать.

После завершения коагуляции иногда необходимо провести отмывку остаточного растворителя, а иногда и осадителя.

Исходя из того, какую по свойствам мембрану необходимо получить, подбирается полимер, пара растворитель-осадитель и условия проведения процесса (концентрация полимера, температура и т.д.). Варьируя эти параметры, можно получать мембраны как пористые, так и непористые, а также ассиметричные.

Для получения мембран с ярко выраженной асимметричностью используется метод сухо-мокрого формования. Техника формования по сухо-мокрому способу заключается в общих чертах в том, что формовочный раствор экструдируют через фильеру в среду сжатого газа, которая не является осаждающей для данного раствора, причем в случае применения фильеры образуются струйки раствора, вытягиваемые в данной среде и направляемые затем в жидкость осадительной ванны, где они коагулируют. Принципиальным отличием от мокрого метода является наличие шахты, где происходит частичное испарение струек-нитей растворителя на пути из среды сжатого газа в осадительную ванну.

В качестве базового способа получения мембран используется мокрый способ формования. Такой процесс практически всегда приводит к образованию пористых полимерных структур. Использование мокрого способа имеет ряд преимуществ по сравнению с сухим и сухо-мокрым. В основном, структура и фильтрационные характеристики мембран определяются составом формовочных растворов и коагуляционной ванны, поэтому отпадает необходимость в создании и поддержании строго детерминированных условий проведения процесса, таких как температура и состав газовой фазы в зоне предформования, продолжительность предформования и т.д. Мокрый способ обеспечивает, как правило, более высокую производительность процесса формования плёнки. Это позволяет существенно упростить технологию получения мембран, также добиться более высокой воспроизводимости результатов, вследствие зависимости характеристик мембран от небольшого количества легко поддающихся контролю параметров [7].

Физико-химические основы технологического процесса

С уть метода мокрого формования, используемого для производства полиамидных мембран, заключается в том, что после полива пленки полимера пленку переводят в осадительную ванну. Действие осадителя заключается в быстрой коагуляции полимера, т.е. в формировании сначала на поверхности контакта тонкой оболочки из полимерной сетки. Далее через эту оболочку уже по механизму диффузии растворитель проникает из объема пленки в осадительную ванну, а осадитель — внутрь раствора полимера, как это представлено на рисунке 1.

J₁ — поток нерастворителя; J₂ — поток растворителя.

Рисунок 1. Схема границы раздела пленка/ванна.

Регулируя процесс диффузии, можно получать первичные полимерные структуры с любыми заданными свойствами.

В нашем случае гранулы полиамида растворяются в смеси муравьиной кислоты и воды, а осаждение происходит благодаря подаче в осадительную ванну дистиллированной воды.

Проникновение осадителя в пленку происходит по поперечному сечению мембраны в виде фронта — фронта диффузии. Вслед за ним движется фронт осаждения (коагуляции) полимера. Скорости движения этих фронтов различны, но они поддаются управлению засчет изменения температуры, состава осадительной ванны и других параметров.

Повышение температуры приводит к возникновению большого числа центров структурообразования, в результате чего образуется больше пор, но меньшего размера. Составом осадительной ванны также можно изменять размеры пор и степень анизотропии мембраны.

Формование пленки осуществляют на барабанных или ленточных машинах.

Ленточные и барабанные машины для осуществления мокрого способа имеют ряд особенностей. Ленточные машины применяют при использовании труднолетучих растворителей, когда велико время первичного испарения или низка вязкость раствора. Кроме того, на ленточных машинах проще регулировать температурный режим в различных зонах.

Барабанные машины стараются изготовить универсальными для получения широкого спектра различных мембран. Сложная схема подготовки раствора, каскад промывных и отделочных ванн. Время испарения и коагуляции регулируется скоростью вращения барабана, его диаметром и глубиной погружения. После формирования первичной структуры мембрана легко отделяется от металлической поверхности барабана.

Большое значение имеет форма и конструкция фильеры, при выборе которой надо учесть вязкость раствора, летучесть его компонентов, форму мембраны, скорость полива. Регулирование толщины слоя раствора, из которого будет формироваться мембрана, осуществляется не только изменением величины зазора между ножом и движущейся подложкой, но и изменением скорости ее движения [8].

Гидролиз высокомолекулярных соединений – это деструкция гетероцепных высокомолкулярных соединений под действием воды, водных растворов кислот, щелочей и солей. Гидролитическая деструкция полиамида заключается в разрыве гетероцепной связи под влиянием гидролизующего агента и может быть представлена следующей схемой [9]:

В процессе переработки в готовые изделия полиамид подвергается воздействию высоких температур и значительных сдвиговых усилий. Переработка происходит в расплаве полимера. При температуре выше 100 °С инициирование в основном происходит в результате действия гидропероксидов, а не нагрузок.

Окислительную деструкцию полиамида можно представить следующими реакциями:

При термодеструкции в отсутствие кислорода цепь разрывается по связи -NH-CH₂- в результате чего образуется фрагмент макромолекулы, содержащий на конце амидную группу, тогда как другая часть молекулы представляет собой ненасыщенный углеводород [10].

Фотолитическая деструкция полиамидов как в присутствии кислорода и влаги, так и в отсутствие этих факторов протекает по цепному радикальному механизму с гомолитическим разрывом связи С-N и с отщеплением одного атома водорода обычно в α-положении к группе N-H пептидной цепи. Присутствие влаги и в этом случае инициирует гидролитические процессы, которые тормозят цепные реакции фоторасщепления.

При термической и фотолитичексой деструкциях происходит главным образом разрыв амидных связей, что установлено путем определения числа концевых аминных или карбоксильных групп. В общем отмечается увеличение числа аминных и уменьшение числа карбоксильных групп, которое объясняется образованиями радикалов типа -N^•H и -C^•=O в результате разрыва пептидных групп -СО-NH, причем радикалы первого типа стабилизируются как группы NH₂, а радикалы второго типа – вследствие декарбонирования. Образование углеводородов в результате этих процессов показывает, что наряду с разрывом связи -СО-NH имеет место и разрыв энергетически более прочных связей С-С.

Обращаясь к механохимической деструкции полиамидов, отметим, что этот процесс осуществляется главным образом путем разрыва связи С-С на радикалы только во влажной среде; следы воды инициируют гидролитические процессы, активированные механически, которые развиваются одновременно с гомолитическими [11].

Описание технологической схемы производства

Технологический процесс получения микрофильтрационных полиамидных мембран состоит из следующих этапов:

1. Прием и подготовка сырья;

2. Приготовление формовочного раствора:

2.1 Загрузка компонентов и растворение при постоянном перемешивании;

2.2 Фильтрация;

2.3 Деаэрация;

3. Формование мембраны:

3.1 Осаждение мембраны в коагуляционной ванне;

3.2 Промывка;

3.3 Термообработка и инклюдирование мембраны;

3.4 Сушка;

3.5 Намотка мембранного полотна в виде рулона;

4. Контроль качества:

4.1 Измерение точки пузырька;

4.2 Измерение производительности;

4.3 Измерение толщины мембраны;

4.4 Дефектоскопия;

5. Маркировка, упаковка и подготовка сопроводительной технической документации.

6. Отгрузка готовой продукции.

1. Приёмка и подготовка сырья.Поступающее сырье должно иметь паспорт с указанием характеристик.

Основные технологические параметры этапа приемки и подготовки сырья приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Приёмка и подготовка сырья. Основные технологические параметры

№ п/п	Наименова-ние операции и потоков реагентов	Наименова-ние технологи-ческих показателей	Значение контроли-руемого показателя	ГОСТ, ОСТ, ТУ или методика на подготовку сырья
1.1	Полиамид 6	Относитель-ная вязкость	3,2÷3,6	ГОСТ 11034-2018 Полиамиды. Метод определения числа вязкости разбавленных растворов
1.2	Муравьиная кислота	Плотность, г/см3	ρ20 = 1,220÷1,221	ГОСТ 5848-73. Реактивы. Кислота муравьиная. Технические условия
1.3	Вода дистиллиро-ванная	Удельная электропрово-дность, Ом/м	≤ 5∙10-4	ГОСТ 6709-72. Вода дистиллированная. Технические условия
1.4	Глицерин	Плотность, г/см3	ρ20 = 1,244÷1,255	ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Технические условия

Муравьиная кислота поступает со склада сырья СС в количестве до 8,0 кг на каждую установку и хранится в боксе в полиэтиленовых канистрах.

Вода дистиллированная подается по трубопроводу с участка водоподготовки.

Глицерин хранится в канистрах объемом 20 л или в банках – 1 л.

Полиамид, упакованный в бумажные и пленочные мешки, находится на стеллажах, расположенных на участке получения мембран.

Поступающее сырье хранится согласно правилам совместного хранения огне- и взрывоопасных веществ.

2. Приготовление формовочного раствора. Приготовление формовочного раствора осуществляется в реакторе Р, оснащенном мешалкой якорного типа и рубашкой для термостатирования.

Узел приготовления формовочного раствора предназначен для растворения гранул полиамида в смеси муравьиной кислоты и воды и включает в себя:

- эмалированный реактор или реактор из нержавеющей стали (позиция Р на ТС);

- фильтродержатель, снабженный фильтрующим элементом (позиция Ф1 на ТС);

- расходную емкость объёмом 25 л (позиция Е1 на ТС), изготовленную из нержавеющей стали. Емкость используется для деаэрации, хранения и дозирования формовочного раствора при формовании мембраны.

2.1 Загрузка компонентов и растворение при постоянном перемешивании. Для приготовления раствора в реактор при выключенном оборудовании заливается заданное количество муравьиной кислоты и воды. Затем при включенной мешалке загружается полиамид, предварительно взвешенный на весах ВТ.

Приготовление формовочного раствора проводится при различной температуре, в зависимости от марки выпускаемой мембраны и в 2 этапа в соответствии с таблицей 7. Термостатирование формовочного раствора проводится с помощью термокриостата (позиция Т1 на ТС).

Таблица 7 – Температура приготовления формовочного раствора

Марка мембраны	ТI этап, ℃	ТII этап, ℃
ММК – 010	5÷7	18÷25
ММК – 020	7÷10	18÷25
ММК – 045	13÷15	18÷25
ММК – 065	16÷19	18÷25
ММК – 080	19÷22	18÷25
ММК – 100	19÷22	18÷25
ММК – 120	19÷22	18÷25
ММК – 200	19÷22	18÷25
ММК – 300	19÷22	18÷25

По окончании процесса растворения перемешивание прекращают, формовочный раствор подается на стадию фильтрации.

2.2 Фильтрация. Фильтрация формовочного раствора проводится с целью удаления нерастворенных частиц полимера и механических включений. Формовочный раствор поступает из реактора на фильтр Ф1 под давлением не выше 0,3 МПа (3 кгс/см²). Фильтрующий материал должен иметь рейтинг фильтрации 5 мкм. Фильтрацию проводят при температуре 18÷25 ℃.

Отфильтрованный раствор стекает в сборник Е1 вместимостью 25 дм³. По окончании операции фильтрации необходимо стравить избыточное давление и герметично закрыть все краны во избежание высаждения полимера на внутренних поверхностях реактора.

2.3 Деаэрация. Операция деаэрации проводится для удаления пузырьков воздуха, находящихся в формовочном растворе. На данном этапе в сборнике (позиция Е1 в ТС) с помощью вакуумного насоса ВН создают давление 0,04 МПа (абс.), затем перекрывают кран и в таких условиях раствор выдерживается не менее 4 ч при температуре окружающей среды 18÷25 ℃.

Степень обезвоздушивания формовочного раствора оценивается визуально на отсутствие пузырьков воздуха перед началом формования.

Готовый формовочный раствор хранят в расходной емкости Е1 не более 3 суток при температуре 18÷25 ℃.

3. Формование мембраны. Микрофильтрационные полиамидные мембраны формуются мокрым способом на установке барабанного типа.

Установка формования состоит из:

- барабана, с установленной на нём фильерой,

- осадительной ванны,

- промывных ванн,

- ванны отжига и инклюдирования,

- узла сушки,

- узла намотки.

3.1 Осаждение мембраны в коагуляционной ванне. Перед началом формования на барабан 4 устанавливается фильера 1, которая крепится на корпус осадительной ванны 5 с помощью кронштейнов.

Необходимо установить зазор 100-200 мкм между барабаном 4 и фильерой 1 методом вращения двух регулировочных винтов. Затем установить скорость всех приводных валков и приемной бобины 12 узла намотки 10 в пределах 0,3÷0,5 м/мин.

Далее готовый формовочный раствор подается из емкости самотеком через трубку из ПВХ в фильеру 1. По заполнению фильеры 1 наполовину включается привод барабана 11. При вращении барабана 4 формовочный раствор наносится на поверхность барабана в виде жидкой пленки. Затем формовочный раствор погружается в осадительную ванну 5, состоящую из водного раствора муравьиной кислоты (40 мас. % НСООН, 60 мас. % Н₂О) и осаждается в виде твердой пористой пленки. Сформованная мембрана принимается на отрывной валок и направляется на промывку.

Концентрация муравьиной кислоты в осадительной ванне определяется с помощью ареометра (1,08÷1,11 г/см³). Температура осадительной ванны поддерживается в пределах 18÷25℃.

Очистка и термостатирование раствора осадителя проводится по специальной схеме: раствор при помощи дозировочного насоса (ДН на ТС) подается на фильтр (позиция Ф2 на ТС) с рейтингом фильтрации 1 мкм, где происходит очистка осадительного раствора от низкомолекулярных фракций полимера, вымывающихся из мембраны при формовании механических примесей и всевозможных загрязнений.

Очищенный раствор подается в темплообменник, находящийся в термостате (позиция Т2 на ТС) для термостатирования и возвращается в осадительную ванну 4.

3.2 Отмывка мембраны. Для отмывки мембраны используется обратноосмотическая вода.

Каждая промывная ванна 6 оборудована автономной подачей воды, а также сливом промывных вод в канализацию.

Мембрана последовательно проходит через серию промывных ванн 6 для отмывки от муравьиной кислоты.

3.3 Термообработка и инклюдирование мембраны. Из промывных ванн мембрана поступает в ванну для термообработки 7. Термообработка проводится пропусканием мембраны через систему валков в ванне с горячим водным раствором глицерина с массовой долей 3÷5% при температуре 60÷90 ℃.

Обогрев ванны осуществляется автономно при помощи электронагревателей.

Контроль и регулирование температуры осуществляется прибором «Термодат» или «Дельта», находящимся на пульте управления с оформлением данных в журнале.

3.4 Сушка мембраны. Сушка осуществляется на двух барабанах 9, расположенных в узле сушки 8.

Обогрев барабанов электрический. Контроль температуры поверхности барабанов осуществляется по приборам «Термодат» или «Дельта» с оформлением данных в журнале.

3.5 Намотка мембранного полотна в виде рулона. Сухая мембрана наматывается на бобину 12 при помощи механизма намотки. Мембрана должна быть намотана с равномерной натяжкой по ширине и по всему сечению рулона. Допускается увод краев мембраны в рулоне ±5 мм. Края мембраны должны быть равноудалены относительно торцов бобины.

4. Контроль качества. Контроль качества осуществляется для каждой партии (рулона) мембраны в начале и в конце операции намотки.

Дефектоскопирование мембраны проводится на специальном устройстве (Д на ТС) согласно рабочей инструкции ТФ.ИНС.ОМ 07.015 «Процесс визитажного контроля мембранных материалов (дефектоскопия)».

5. Маркировка, упаковка и подготовка сопроводительной документации. Идентификация партии мембраны осуществляется методом нанесения номера партии чернилами или несмываемой краской на рабочую поверхность каждого рулона. Данная операция проводится на столе упаковки СУ.

Рулон с мембраной помещается в плёнку из полипропилена. В пакет с мембраной вкладывается этикетка с указанием марки продукции, номера партии, количества мембраны, даты изготовления.

6. Отгрузка готовой продукции. Упакованная мембрана укладывается в транспортную коробку и направляется внутреннему потребителю с оформлением «Накладной на передачу готовой продукции».

Для отгрузки готовой продукции внешнему потребителю упакованная мембрана передается в ГО ОМС с сопроводительной документацией (паспорт, сертификат). Далее отгрузка готовой продукции выполняется специалистами ГО ОМС в соответствии с рабочей инструкцией ТФ.ИНС.ОМС 07.004.

Нормы технологического режима и контроль производства

Данные контроля производства и управления по всем стадиям технологического процесса получения микрофильтрационных полиамидных мембран, обеспечивающих соблюдение нормативных показателей, показателей готовой продукции, а также выбросов в окружающую среду представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Контроль производства и управление технологическим процессом

Наименование стадии процесса

Контро-лируемый параметр

Частота и способ контроля

Нормы и техноло-гические показатели

Методы испытания и средства контроля

Требуемая точность измерения параметров

Кто конт-ролирует

1. Контроль сырья

1.1 Полиамид-6

Относи-тельная вязкость

По паспорту

3,2÷3,6

ГОСТ 18249-72

Δдоп. = ±0,1

Инженер-технолог, техник-технолог

1.2 Муравьи-ная кислота

Массовая доля основного вещества

По паспорту

Не менее 99%

ГОСТ 1706-78

Δдоп. = ±0,5%

-//-

2. Приготовление формовочного раствора

2.1 Загрузка исходных компонентов и перемешивание

Масса муравьи-ной кислоты

Запись в журнале

В соот-ветствии с таблицей 6

Весы, предел взвеши-вания 0÷60 кг

Δдоп. = ±1 г

-//-

Масса полиамида

-//-

В соот-ветствии с таблицей 6

Весы, предел взвеши-вания 0÷6,2 кг

Δдоп. = ±0,1 г

-//-

Масса воды дистилли-рованной

-//-

В соот-ветствии с таблицей 6

Δдоп. = ±0,1 г

-//-

2.1 Загрузка исходных компонентов и перемешива-ние

Темпера-тура

Термоста-тированиесогласно таблице 5, запись в журнале

5÷25 ℃

Прибор «Термо-дат»

Δдоп. = ±5 ℃

Инженер-технолог, техник-технолог

Время

3,0÷5,0 ч

2.2 Фильтра-ция

Давление

Постоян-но в процессе фильтра-ции

Не более 0,3 МПа

Мановаку-уметр

Δдоп. = ±0,01 МПа

Инженер-технолог, техник-технолог

2.3 Деаэрация

Вакуум

Постоян-но в процессе деаэрации

Не менее 4 часов

Секундо-мер ТУ 25-1894.003-90

Δдоп. = 1 мин

Инженер-технолог, техник-технолог

3. Формование мембраны

3.1 Осаждение мембраны

Скорость движения мембраны

В начале операции формова-ния запись в журнале

0,3÷0,5 м/мин

Регулятор скорости, счётчик метража

Δдоп. = ± 0,001м/мин

Инженер-технолог, техник-технолог

Толщина

-//-

80÷150 мкм

Микро-метр по ГОСТ 6307-78

Δдоп. = ± 0,01 мм

-//-

3.2 Подача очищенной воды в промывные ванны

Объем-ный расход воды

Постоян-но

300÷500 дм3/ч

Расходо-мер

Δдоп. = 10 л

-//-

3.3 Термообра-ботка и инклю-дирование мембраны

Темпера-тура ванны

Перед началом операции формова-ния запись в журнале

60÷90 ℃

Прибор «Термо-дат»

Δдоп. = ± 5 ℃

Инженер-технолог, техник-технолог

Концент-рация глицерина

Один раз в смену, запись в журнале

Коэффици-ент пре-ломления

Рефракто-метр ИРФ-454Б2М № 120558

Δдоп. = ± 0,1

-//-

3.4 Сушка мембраны

Темпера-тура барабанов

В начале и в конце смены

Прибор «Термо-дат»

Δдоп. = ± 5 ℃

-//-

3.5 Намотка мембранного полотна в виде рулона

Толщина мембраны

При снятии рулона запись в журнале

80÷150 мкм

Микрометр по ГОСТ 6307-78, ц.д. 0,01 мм, шкала 0÷25 мм

Δдоп. = ± 0,01 мм

Инженер-технолог, техник-технолог

Равномер-ность намотки

Постоян-но

Отсутст-вие заломов, смещения

Визуально

Δдоп. = ± 5 мм

-//-

Наличие дефектов в мембране

Постоян-но

Визуально

Согла-сно требо-ваниям

-//-

Ширина пленки

Постоян-но

260÷350 мм

Линейка измери-тельная, ГОСТ 427-97, ц.д. 1 мм, предел измерения 0÷1000мм

Δдоп. = ± 1 мм

-//-

4. Контроль качества

4.1 Производи-тельность по дистиллиро-ванной воде при Р = 0,1 МПа, см3/(см2∙мин)

Каждая партия запись в журнале

См. табл. 2

См. табл. 2

-//-

Δдоп. = ± 5%

-//-

4.2 Точка пузырька, МПа

Каждая партия запись в журнале

См. табл. 2

См. табл. 2

-//-

Δдоп. = ± 5%

-//-

4.3 Дефектос-копия

Количес-тво мемб-раны в рулоне

Каждая партия запись в журнале

Согласно показате-лям оценки результа-тивности, установле-нным для процесса

По счетчику метров

Δдоп. = ± 5%

-//-

Количес-тво дефектов на 100 м.пог.

Визуально

5. Маркировка, упаковка и подготовка сопроводи-тельной документации

Иденти-фикация продук-ции

Каждый рулон

-//-

По счетчику метров

Δдоп. = ± 5%

Инженер-технолог, техник-технолог

Оформле-ние этикетки

Каждый рулон

-//-

Визуально

-

Оформле-ние наклад-ной на переме-щение

Партия

-//-

Визуально

-

Оформле-ние паспорта

Партия

-//-

Визуально

-

6. Отгрузка готовой продукции

Отправка внутрен-нему пот-ребителю продук-ции

Партия

-//-

Визуально

-

Инженер-технолог, техник-технолог

Отправка внешнему потреби-телю про-дукции

Партия

-//-

Визуально

-

Виды брака и способы его устранения

Часть плёнки, на которой был замечен брак, обрезается, обрезанный конец прикрепляется скотчем к поступающей с формующей машины мембране и продолжается её намотка на бобину до заданной толщины.

Сведения о возможных видах брака, причинах и способах его устранения приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Виды брака и способы его устранения

Брак	Возможные причины возникновения брака	Способ устранения брака
Мембрана имеет отклонение от заданной толщины	Неточно выставлен зазор между «ножом» фильеры и барабаном	Выставить зазор
Продольные разрезы на мембране	Забилась часть зазора между барабаном и «ножом» фильеры	Прочистить зазор
Большая разнотолщинность мембраны	«Нож» фильеры выставлен под углом к барабану	Отрегулировать зазор между барабаном и фильерой

Расчёт, выбор и описание основного оборудования

Проведём расчёт производительности оборудования и выберем наиболее подходящий реактор для обеспечения нужного количества раствора. Для расчета производительности установки по получению полиамидных фильтрационных мембран необходимо знать ширину поливочного барабана и скорость его вращения.

Максимальная ширина полотна равна ширине поливочного барабана, а это 0,6 м.

Скорость движения мембраны составляет 0,5 м/мин.

Таблица 10 – Производительность установки формования

Наименование продукции	Производитель-ность в год (250 дней)	Производитель-ность в месяц (21 день)	Производитель-ность в смену (8 часов)	Производитель-ность в час
Полиамидная мембрана, м2	36000	3024	144	18

Количество раствора на 1 м² = 0,25 кг.

Таблица 11 – Расчёт необходимого количества раствора

Наименование продукции	Производитель-ность в год (250 дней)	Производитель-ность в месяц (21 день)	Производитель-ность в смену (8 часов)	Производитель-ность в час
Формовочный раствор, кг/м2	9000	756	36	4,5

Таким образом, для обеспечения необходимого количества раствора для работы смены необходимо использование вакуумного реактора с загрузочной камерой минимум на 52 кг (так как коэффициент заполнения аппарата не более 0,7).

Выберем эмалированный реактор с якорной мешалкой марки АСЕонв 0,063-5-02, основные характеристики которого представлены ниже [12].

Таблица 12 – Техническая характеристика аппарата АСЕонв 0,063-5-02

Рабочий объем, м3	0,063
Объем рубашки, м3	0,033
Тип привода	В112-0,75-50-2П
n, об/мин	50
Давление в корпусе, МПа	0,6
Давление в рубашке, МПа	0,6

Выбор вспомогательного оборудования

Выбор термокриостата. Термокриостат предназначен для нагрева или охлаждения жидкости, подаваемой в рубашку реактора с целью поддержания в нём заданной температуры.

Циркуляционные термостаты серии GDH в первую очередь предназначены для аналитических применений, в которых требуется очень точное поддержание заданной температуры.

Точность поддержания температуры прецизионными циркуляционными термостатами серии GDH составляет ±0,005…0,02 °С, а разрешение дисплея 0,001 °С.

Выберем циркуляционный термостат марки GDH-0530, характеристики которого представлены ниже [13].

Таблица 13 – Техническая характеристика циркуляционного термостата марки GDH-0530

Диапазон температур, ℃	-5…+100
Мощность нагрева, Вт	2000
Холодопроизводительность, Вт	750
Размер бака, мм	400х325х230
Объем бака, л	30
Подача насоса, л/мин	6
Размер крышки бака, мм	310х280

Выбор фильтрующих элементов. Фильтрующие элементы марки ЭПВ.П являются элементами патронного типа на основе непрерывного полипропиленового волокна, связанного термическим способом.

При производстве фильтрующих элементов применяется технология упаковки волокон с различной плотностью и высоким коэффициентом пористости, что обеспечивает глубинную фильтрацию по всему объему картриджа.

Многослойная градиентная структура с различной плотностью упаковки волокон обеспечивает повышенную грязеемкость и ресурс при

низком гидравлическом сопротивлении. Диапазон номинальной тонкости фильтрации от 0,5 до 20 мкм. Перфорированный полипропиленовый внешний корпус увеличивает прочность и стойкость элемента к механическим нагрузкам. Невысокая стоимость обеспечивает рентабельность использования для широкого круга применений в различных отраслях. Максимальный перепад давления при 20 °C 0,4 МПа, при 60 °C – 0,17 МПа. Максимальная температура эксплуатации составляет 60 °C.

Для реактора выберем фильтр марки ЭПВ.П-500-В-250 с рейтингом фильтрации 5 мкм а для осадительной ванны фильтр марки ЭПВ.П-100-В-250 с рейтингом фильтрации 1 мкм [14].

Выбор вакуумного насоса. ВК-6М2Н — простой, мощный, неприхотливый в обслуживании вакуумный насос для отсоса взрывоопасных смесей, образуемых испарением веществ 3-го класса опасности [15].

Таблица 14 – Техническая характеристика вакуумного насоса ВК-6М2Н

Начальное давление в режиме насоса, МПа	0,04
Давление конечное, номинальное, абс. В режиме насоса, МПа	0,1
Производительность при начальном давлении, м3/мин	4±10%
Производительность при конечном давлении, м3/мин	4,5±10%
Мощность, потребляемая в режиме насоса, не более, кВт	15±10%

БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

Газообразные выбросы, образующиеся при выпуске микрофильтрационных полиамидных мембран представлены в таблице 12.

Таблица 12 – Выбросы в атмосферу

Наименова-ние выброса, отделение, аппарат, диаметр и высота выброса	Коли-чество источ-ников выбро-сов	Сум-мар- ный объем отхо-дящих газов, м3/час	Пери-одич-ность	Характеристика выбросов
				Тем-пе-рату-ра, ℃	Состав выброса	ПДК атм.в. вред-ных веществ	Допустимое количество муравьиной кислоты, выбрасы-ваемое в атмосферу, г/с
Муравьиная кислота: 1. Установка формования мембран 2. Реактор V = 25 дм3	2	1500	В рабо-чие дни по 7 ч в сутки	30 ±5	Муравь-иная кислота, не более 0,2 мг/м3	0,2 мг/м3	1∙10-5
Пыль полиамида: 1. Реактор V = 25 дм3	1	1500	При загруз-ке в реак-тор	Ком-нат-ная	Пыль полиа-мида, не более 0,5 мг/м3	ОБУВ 0,5 мг/м3	0,7∙10-6

Количество и характеристики твёрдых и жидких отходов, образующихся при выпуске микрофильтрационных полиамидных мембран, представлены в таблице 13.

Таблица 13 – Твердые и жидкие отходы

Наимено-вание отхода, отделение, аппарат	Место складиро-вания, транспорт, тара	Коли-чествоотхо-дов, кг/сут.	Перио-дич-ностьобра-зова-ния	Хими-ческий состав, влаж-ность, %	Физи-ческие показа-тели, плот-ность, кг/м3	Класс опас-ностиотхо-дов	При-меча-ние
1.Твердые отходы: 1.1 Некондиционная мембрана	Помещается в полиэти-леновые мешки	0,171	1 раз в неделю	Полиамид – 95,4, глицерин – 0,2, вода – 4,4	1100	4	Пере-дается сто-рон-ней орга-низа-ции

Продолжение Таблицы 13

Наимено-вание отхода, отделение, аппарат	Место складиро-вания, транспорт, тара	Коли-чествоотхо-дов, кг/сут.	Перио-дич-ностьобра-зова-ния	Хими-ческий состав, влаж-ность, %	Физи-ческие показа-тели, плот-ность, кг/м3	Класс опас-ностиотхо-дов	При-меча-ние
1.2 Фильт-ровальный материал с остатками токсичных веществ	То же	0,104	1 раз в месяц	Полиамид – 42, вода – 58	1050	4	То же
1.3 Отходы бумаги и картона	То же	0,052	По мере накопления	Картон – 50, бумага – 50	-	4	То же
1.4 Отходы полиэтиле-на (мешки из-под сырья)	То же	0,032	То же	Полиэтилен – 100	920	4	То же
1.5 Мусор от бытовых помещений	То же	0,0018	То же	-	-	4	То же
2. Жидкие отходы: 2.1 40% водный раствор муравьи-ной кислоты (машина формова-ния)	Помещается в полиэтиле-новые канистры вмести-мостью 35 л	8,2	Посто-янно при работе уста-новки	Муравьи-ная кислота – 40%, вода – 60%	1,12	2	Пере-дается сто-рон-ней орга-низа-ции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была изучена технология производства полиамидных мембран.

Технологическая часть в нём состоит из выбора исходного сырья и метода переработки, физико-химических основ технологического процесса, норм технологического режима и их контроля, видов брака и способов его устранения.

Расчетная часть данной работы представляет собой расчеты основного оборудования, то есть вакуумного реактора с якорной мешалкой и рубашкой для термостатирования, а также выбор вспомогательного оборудования, а именно термокриостата, вакуумного и дозирующего насосов.

В «Безопасности и экологичности производства» представлены газообразные выбросы, образующиеся при выпуске микрофильтрационных полиамидных мембран, класс их опасности и ПДК, а также твёрдые и жидкие отходы, образующиеся при выпуске микрофильтрационных полиамидных мембран, и способы их утилизации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Ультра- и микрофильтрация: учебное пособие / Н.С. Орлов. – М. РХТУ им. Менделеева, 2014 – 117с.

Кестинг Р.Е. Синтетические полимерные мембраны. / Р.Е. Кестинг. – М.: Химия, 1991. – 336 с.

Документация предприятия ООО НПП «Технофильтр»

https://studylib.ru/doc/197766/tehnologiya-polimernyh-membran--12-5-mb-

Кларе Г., Фрицше Э., Синтетические полиамидные волокна. - М.: Мир, 1966. - 684 с.

Органические растворители: физические свойства и методы очистки / А. Вайсбергер, Э. Проскауэр, Дж. Риддик, Э. Тупс. – М.: изд-во Иностранной литературы, 1958. – 519 с.

Современные технологии изготовления половолоконных мембран / И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, Н.Р. Муратов, Р.Т. Галлямов // Вестник технологического университета. 2015. Т.18, № 9 – С. 205-210

http://me-system.ru/membrany/tehnologiya-izgotovleniya-membran/metody-polucheniya-polimernyh-membran/

Химия высокомолекулярных соединений [Текст] / В. В. Коршак ; Акад. наук СССР. Ин-т орган. химии. - Москва ; Ленинград : Изд-во и 2-я тип. Изд-ва Акад. наук СССР, 1950 (Москва). - 528 с.

Старение полимеров и полимерных материалов под действием окружающей среды и способы стабилизации их свойств. Часть 1. Старение полимеров и полимерных материалов под действием окружающей среды - Черезова Е.Н.

Симионеску К.N. Механохимия высокомолекулярных соединений, 1970, 360 с/

Код для цитирования: Скопировать