ĆWICZENIE 5A Ćwiczenie 5A składa się z dwóch części. CZĘŚĆ I. POLIMERYZACJA EMULSYJNA STYRENU Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodą polimeryzacji emulsyjnej styrenu Polimeryzację styrenu przeprowadza się wykonując kolejno czynności wymienione w punktach 1-5. 1) Uruchomić termostat, włączyć obieg wody chłodzącej i sprawdzić, czy zawory reaktora są zamknięte. 2) W osobnych zlewkach sporządzić roztwory: nadsiarczanu potasu, wodorotlenku sodowego oraz palmitynianu potasu. Objętości roztworów oraz ich stężenie podane zostaną przez prowadzącego ćwiczenie. 3) Przy włączonym intensywnie obracającym się mieszadle wprowadzić do reaktora monomer oraz wodny roztwór emulgatora za pomocą pompy perystaltycznej. 4) Po ustaleniu się temperatury wewnątrz reaktora zainicjować polimeryzację dodając roztwór inicjatora. Obserwować temperaturę mieszaniny reakcyjnej po zainicjowaniu procesu. 5) Po 3 godzinach rozpocząć dozowanie spolimeryzowanej mieszanimy emulsyjnej do roztworu koagulacyjnego (5% roztwór HCl) intensywnie mieszając. 6) Wytrącony polimer odsączyć na zestawie do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem (skoagulowany produkt dzielimy na2-3 frakcje). Osad na sączku przemyć wodą destylowaną. 7) Odsączony biały osad polimeru przenieść na zważoną uprzednio bibułę filtracyjną i zważyć masę mokrego osadu. Pozostawić do wyschnięcia. 8) Sporządzić bilans materiałowy procesu (w arkuszu wyników): 1
Arkusz Wyników ĆWICZENIE 5A data:... CZĘŚĆ I: POLIMERYZACJA EMULSYJNA STYRENU bilans materiałowy procesu: Lp. Substancja Przychód [g] Rozchód [g] 1 styren 2 emulgator: woda palmitynian potasu 3 inicjator: roztwór NaOH inicjator: roztwór Na 2 S 2 O 8 4 koagulant (r-r HCl) 5 polimer 7 przesącz Σ= Σ= Opis do ćwiczenia powinien zawierać: Podpis asystenta 1. Cel ćwiczenia 2. Opis eksperymentu zawierający a. schemat aparatury (wg zasad wykonania zamieszczonych na stronie www) b. wykonywane czynności. c. wyniki pomiarów (arkusz wyników). 3. Opracowanie wyników - w tym: a. równania reakcji, b. rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników, c. wykres Sankey'a (wg zasad zamieszczonych na stronie www) d. wykres Gantta (wg zasad zamieszczonych na końcu) 4. Dyskusję otrzymanych wyników. a. źródła błędów, b. wydajność, 5. Wnioski. W szczególności należy skomentować a. wady i zalety tej metody polimeryzacji, b. stronę ekonomiczną procesu (zaproponować sposób regeneracji niezużytych reagentów) c. stronę toksykologiczną (patrz: karty charakterystyk) d. wpływ sposobu prowadzenia tego procesu przemysłowego na środowisko + sugestie poprawy e. czy cel ćwiczenia został osiągnięty 2
lp. SPIS CZYNNOŚCI DO ĆWICZENIA NR 5A (polimeryzacja emulsyjna) 1 Uruchomienie termostatu. 2 Sprawdzenie kranów. 3 Odkręcenie wody chłodzącej. 4 Włączenie mieszadła. Czynności do wykonania 5 Odmierzenie i dozowanie emulgatora. 6 Odmierzenie i dozowanie styrenu. 7 Przygotowanie roztworu inicjatora. 8 Dozowanie roztworu inicjatora do reaktora. 9 Rozruch procesu (1.5 do 2 godzin). 10 Przygotowanie rozcieńczonego roztworu kwasu solnego. 11 Sprawdzenie kompletności polimeryzacji. 12 Odbiór dwóch frakcji. 13 Wykrojenie sączka i skompletowanie zestawu do sączenia. 14 Mycie reaktora. 15 Sączenie frakcji. 16 Suszenie. 17 Mycie szkła. 18 Wyłączenie termostatu. 19 Wyłączenie wody chłodzącej. 20 Wypełnienie arkusza wyników. 21 Wstępne wykonanie opisu do ćwiczenia. 22 Rozliczenie szkła i sprzętu. 23 Sprawdzenie pokoju wagowego. Start CZAS Stop 3
CZĘŚĆ II. KOPOLIMERYZACJA STYRENU Z BEZWODNIKIEM MALEINOWYM (polimeryzacja w roztworze) Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodą polimeryzacji w roztworze oraz badaniem składu powstałego kopolimeru. Kopolimeryzację styrenu z bezwodnikiem maleinowym przeprowadza się wykonując kolejno czynności wymienione w punktach 1-11. 1) Przygotować roztwór styrenu, bezwodnika maleinowego i nadtlenku benzoilu w acetonie (ilości substancji i stężenia poda asystent). 2) Przy pomocy pompy perystaltycznej przepompować roztwory monomerów do szklanego reaktora zaopatrzonego w wymienną pokrywę, mieszadło, chłodnicę zwrotną i łaźnię wodną. 3) Włączyć mieszadło oraz ogrzewanie. Ogrzać do temperatury 60 o C. 4) Polimeryzację prowadzić w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika. Podczas polimeryzacji musi być zapewnione równomierne mieszanie. 5) Po 2 godzinach wyłączyć i odstawić łaźnię wodną. Jeżeli mieszanina reakcyjna jest gęsta, dodać aceton (zanotować objętość dodanego acetonu) 6) Po ostygnięciu mieszaniny reakcyjnej zatrzymać mieszadło i wprowadzić szklaną końcówkę węża od pompy perystaltycznej. 7) Rozpocząć pompowanie mieszaniny reakcyjnej do zlewki zaopatrzonej w mieszadło, zawierającej 500 ml metanolu (wytrącalnik powstałego kopolimeru). Pompować w tempie umożliwiającym powolne wkraplanie mieszaniny reakcyjnej. 8) Po zakończeniu wkraplania (wytrąceniu się kopolimeru) kontynuować mieszanie wytrąconego kopolimeru w metanolu przez następne 10 minut. 9) Wytrącony kopolimer odsączyć na lejku w zestawie pracującym pod zmniejszonym ciśnieniem, przepłukując osad na sączku metanolem. W razie konieczności podzielić mieszaninę na 2-3 frakcje. 10) Odsączony produkt (kopolimer) umieścić na zważonym uprzednio arkuszu bibuły filtracyjnej, podpisać nazwiskami osób wykonujących ćwiczenie, zważyć i pozostawić do wysuszenia. Po wysuszeniu zważyć ponownie. Obliczyć wydajność polimeryzacji w % (w oparciu o zsumowane masy monomerów oraz masę suchego produktu). Sporządzić (na papierze milimetrowym) wykres Sankey a dla 1 kg produktu, uwzględniając proces suszenia. Sporządzić bilans materiałowy procesu wg arkusza wyników. 4
11) Około 3 gramy produktu umieścić na szalce Petriego lub szkiełku zegarkowym i wysuszyć w suszarce w temp. 50 o C. 12) Odważyć na wadze analitycznej dwie naważki wysuszonego kopolimeru (po ok. 0,5 g z dokładnością do 1 mg), umieścić w kolbkach stożkowych, dodać po 20.00 ml 0,5 M NaOH i ogrzewać na łaźni wodnej aż do rozpuszczenia polimeru. Ostudzić. Zmiareczkować roztwory 0,5 M kwasem solnym wobec fenoloftaleiny. Obliczyć zawartość bezwodnika maleinowego (w % wagowych i molowych) w kopolimerze na podstawie objętości NaOH i HCl zużytych podczas miareczkowań, zakładając, że cały bezwodnik maleinowy w polimerze uległ hydrolizie do kwasu maleinowego podczas ogrzewania z roztworem NaOH. n BM = 0,5*( n NaOH - n HCl ) gdzie: n BM - liczba moli bezwodnika maleinowego w miareczkowanej próbce n NaOH liczba moli NaOH zawarta w dwudziestu mililitrach dodanych do próbki n HCl - liczba moli HCl zużyta na odmiareczkowanie nadmiaru NaOH m BM = n BM *M BM =0,5*(n NaOH -n HCl )*M BM gdzie: m BM - masa bezwodnika maleinowego w odważonej próbce M BM masa molowa bezwodnika maleinowego gdzie: m naważki - masa naważki kopolimeru % wag BM= m BM /m naważki * 100 % 5
Arkusz Wyników ĆWICZENIE 5A data:... KOPOLIMERYZACJA STYRENU Z BEZWODNIKIEM MALEINOWYM (polimeryzacja w roztworze) bilans materiałowy procesu: Lp. Substancja Przychód [g] Rozchód [g] 1 bezwodnik maleinowy 2 styren 3 inicjator 4 rozpuszczalnik 5 wytrącalnik (MeOH) 6 kopolimer 7 przesącz Σ= Σ= 13) nastawianie miana NaOH : objętość wzięta do miareczkowania: objętość zużytego 0.500 M HCl: 1....mL 2....mL obliczenie miana: 14) masa naważek kopolimeru 1.... 2.... 15) objętość HCl zużyta na zmiareczkowanie nadmiaru NaOH w roztworach naważek: 1.... 2.... 16) Obliczyć zawartość bezwodnika maleinowego (w % wagowych i molowych) w kopolimerze na podstawie objętości NaOH i HCl zużytych podczas miareczkowań, zakładając, że cały bezwodnik maleinowy w polimerze uległ hydrolizie do kwasu maleinowego podczas ogrzewania z roztworem NaOH. n BM = 0,5*( n NaOH - n HCl ) gdzie: n BM - liczba moli bezwodnika maleinowego w miareczkowanej próbce, n NaOH liczba moli NaOH zawarta w dwudziestu mililitrach dodanych do próbki, n HCl - liczba moli HCl zużyta na odmiareczkowanie nadmiaru NaOH m BM = n BM *M BM =0,5*(n NaOH -n HCl )*M BM gdzie m BM - masa bezwodnika maleinowego w odważonej próbce, M BM masa molowa bezwodnika maleinowego 6
gdzie m naważki - masa naważki kopolimeru % wag BM= m BM /m naważki * 100 % ZAPROPONOWANA STRUKTURA KOPOLIMERU: Podpis asystenta Opis do ćwiczenia powinien zawierać: 1. Cel ćwiczenia 2. Opis eksperymentu zawierający a. schemat aparatury (wg zasad wykonania zamieszczonych na stronie www) b. wykonywane czynności. c. wyniki pomiarów (arkusz wyników). 3. Opracowanie wyników - w tym: a. równania reakcji, b. rachunkowe opracowanie otrzymanych wyników, c. wykres Sankey'a (wg zasad zamieszczonych na stronie www) d. wykres Gantta (wg zasad zamieszczonych poniżej) 4. Dyskusję otrzymanych wyników. a. źródła błędów, b. wydajność, 5. Wnioski. W szczególności należy skomentować a. wady i zalety tej metody polimeryzacji, b. stronę ekonomiczną procesu (zaproponować sposób regeneracji niezużytych reagentów) c. stronę toksykologiczną (patrz: karty charakterystyk) d. wpływ sposobu prowadzenia tego procesu przemysłowego na środowisko + sugestie poprawy e. czy cel ćwiczenia został osiągnięty 7
SPIS CZYNNOŚCI DO ĆWICZENIA NR 5A (kopolimeryzacja) lp. Czynności do wykonania 1 Przygotowanie roztworu monomerów i inicjatora w acetonie. 2 Uruchomienie łaźni wodnej (temp 70ºC). 3 Sprawdzenie zamknięć. 4 Odkręcenie wody chłodzącej. 5 Włączenie mieszadła. 6 Dozowanie roztworu reakcyjnego do reaktora. 7 Przepłukanie węża pompy perystaltycznej acetonem. 8 Rozruch procesu (1-2 godziny). 9 Wyłączenie ogrzewania, odstawienie łaźni wodnej. 10 Zmontowanie układu do wytrącania. 11 Przygotowanie wytrącalnika, włączenie mieszadła. 12 Odbiór pierwszej frakcji polimeru. 13 Wykrojenie sączka i skompletowanie zestawu do sączenia. 14 Sączenie pierwszej frakcji. 15 Odbiór drugiej frakcji polimeru. 16 Mycie reaktora. 17 Suszenie polimeru. 18 Przygotowanie zestawu do miareczkowania. 19 Nastawianie miana roztworu NaOH na 0.500 M kwas solny. 20 Pobranie dwóch frakcji kopolimeru po 0.500 g. 21 Hydroliza w roztworze NaOH na gorąco. 22 Miareczkowanie polimeru. 23 Wyłączenie termostatu. 24 Wyłączenie wody chłodzącej. 25 Mycie szkła. 26 Obliczenie zawartości BM w kopolimerze. 27 Rozliczenie szkła i sprzętu. 28 Wypełnienie arkusza wyników. 29 Wstępne wykonanie opisu do ćwiczenia. 30 Sprawdzenie pokoju wagowego. Start CZAS Stop 8
SYMBOLE STOSOWANE DO WYKONANIA SCHEMATU APARATURY zawory zawór probierczy zbiornik otwarty (pionowy i poziomy) wytrącalnik v nucza filtracyjna mieszadła wymiennik ciepła chłodnica zwrotna reaktor z płaszczem grzejnym i mieszadłem pompa szuszarka komorowa suszarka 9
Wykres Gantta jest diagramem dwuwymiarowym stanowiącym metodę wizualnego opisu projektu. Na prawidłowo wykonanym wykresie można szynko odczytać podział projektu na zadania oraz ich rozplanowanie w czasie (czasy rozpoczęcia i zakończenia działań, ich czas trwania, kolejność, następstwo) Wykres Gantta może być wykonany odręcznie (na papierze milimetrowym) lub komputerowo. Zawsze konieczne jest jednoznaczne określenie przedziałów czasowych. Wykres wykonywany jest na podstawie arkusza, w którym zanotowano początek i koniec każdej czynności: początek koniec Odmierzenie i dozowanie emulgatora. 13:30 13:45 Odmierzenie i dozowanie styrenu. 13:35 13:45 Przygotowanie roztworu inicjatora. 13:45 14:00 Dozowanie roztworu inicjatora 14:00 14:05 Rozruch procesu 14:15 15:30 Przygotowanie roztworu HCl 15:20 15:40 Sprawdzenie kompletności polimeryzacji. 15:40 15:42 Odbiór dwóch frakcji 15:45 15:55 Sączenie frakcji. 16:00 16:30 Mycie reaktora. 16:00 16:20 Suszenie. 16:45 17:30 Mycie szkła. 16:50 17:15 Wyłączenie termostatu i wody. 16:25 16:30 Wypełnienie arkusza wyników. 17:25 17:50 Rozliczenie szkła i sprzętu. 17:50 18:00 10
Na osi rzędnych proszę umieścić nazwy czynności a na osi odcietych skalę czasu (np. godziny z podzialem na minuty, kwadranse itp): Odmierzenie i dozowanie emulgatora. Odmierzenie i dozowanie styrenu. Przygotowanie roztworu inicjatora. Dozowanie roztworu inicjatora Rozruch procesu Przygotowanie roztworu HCl Sprawdzenie kompletności polimeryzacji. Odbiór dwóch frakcji Sączenie frakcji. Mycie reaktora. Suszenie. Mycie szkła. Wyłączenie termostatu i wody. Wypełnienie arkusza wyników. Rozliczenie szkła i sprzętu. 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 11
Excel Wykres Gantta W excelu można narysować wykres Gantta wykorzystywany w planowaniu projektów. Za jego pomocą można stworzyć harmonogram projektu, składającego się z wielu zadań, rozciągniętych w czasie. Za WIEM: "Diagram Gantta, graficzna ilustracja czynności technologicznych, zaopatrzeniowych itp. wykorzystywana w planowaniu działania zakładów produkcyjnych, a także w analizie algorytmów planowania w systemach operacyjnych." Przykładowe dane do jego narysowania są przedstawione w tabelce poniżej (kolumna B to data początku zadania, kolumna C to data końca zadania): A B C 1 Początek Koniec 2 Zadanie 10 2003-05-28 2003-05-31 3 Zadanie 9 2003-05-26 2003-05-29 4 Zadanie 8 2003-05-23 2003-05-27 5 Zadanie 7 2003-05-15 2003-05-25 6 Zadanie 6 2003-05-12 2003-05-22 7 Zadanie 5 2003-05-11 2003-05-20 8 Zadanie 4 2003-05-6 2003-05-17 9 Zadanie 3 2003-05-4 2003-05-10 10 Zadanie 2 2003-05-1 2003-05-5 11 Zadanie 1 2003-05-1 2003-05-3 Na podstawie tych danych tworzymy wykres skumulowany słupkowy. Konieczne są dwie modyfikacje wykresu: Klikamy serie "Początek", z menu podręcznego (prawy klawisz myszy) wybieramy "formatuj serie danych", na zakładce "desenie" ustawiamy "obramowanie" na "brak", zaś kolor obszaru na taki jaki ma być kolor wypełnienia obszaru kreślenia wykresu. Na zakładce "oś" zaznaczamy "oś dodatkowa". Jeżeli na wykresie sa narysowane linie siatki dla osi x, to musimy ich kolor ustawić na taki jaki jest kolor wypełnienia obszaru kreślenia wykresu, w przeciwnym razie linie siatki będą poprzerywane. Końcowy efekt powinien być podobny to pokazanego poniżej: 12