Đồ án Quy trình sản xuất Polyme Polyvinyclorua (PVC)

PVC hao hụt do sấy: 1000– 997 = 3kg Hao hụt của quá trình ly tâm – rửa nhựa là 0,5%, lượng PVC trước khi ly tâm – rửa nhựa: 1000.100 = 1005,025 kg 99,5 Lượng PVC hao hụt do quá trình ly tâm – rửa nhựa là: 1005,025 – 1000 = 5,025 kg Hao hụt của quá trình xử lý kiềm 0,5% do đó lượng PVC trước khi xử lý kiềm là: 1005,025.100 =1010,075 kg 99,5 Hao hụt của quá trình xử lý kiềm: 1010,075–1005,025 = 5,05 kg Tổng lượng PVC hao hụt: 3+5,025+5,05=13,075 kg Coi từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm không xảy ra sự mất mát, lượng PVC trên do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Lượng PVC sau khi trùng hợp là: 1010,075 kg + Tính lượng VC cần dùng: Từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm không xảy ra sự mất mát, lượng PVC trên là do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Với hiệu suất chuyển hóa 90% do đó lượng VC ban đầu là: (kg) Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là) 1122,305–1010,075= 112,23 (kg) Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC cần dùng là: (kg) Hao hụt trong quá trình lường là 0,2%, do đó Lượng VC thực tế dùng là: (kg) Lượng VC hao hụt do quá trình lường là 1125,679 – 1123,428 =2,251 (kg) Lượng VC thu hồi là 95%, lượng thu hồi sẽ là 112,23.95 = 106,618 100 Lượng VC dùng cho 1 tấn là 1125,679 – 106,618 = 1019,061 Tính lượng chất khởi đầu: Lượng chất khởi đầu POB 96% cần dùng theo đơn phối liệu là: 1125,679. 0,08 = 0,9 kg 100 Với độ nguyên chất 96% thì lượng POB nguyên chất được đưa vào: 0,9 . 100 = 0,937 kg 96 Hao hụt do quá trình lường là 0,2%, vậy lượng POB cần dùng: 0,937. 100 = 0,939kg 99,8 Tổn hao POB 96%: 0,939–0,937= 0,002 kg 2. Tính lượng chất ổn định huyền phù PVA: 1125,679. 0,15 = 1,688 kg 100 Với độ nguyên chất 95%, lượng PVA được đưa vào: 1,688 . 100 = 1,776 kg 95 Hao hụt là 0,2 %. Lượng PVA 95% cần dùng: 1,776. 100 = 1,779 kg 99,8 Lượng PVA 95% tổn hao: 1,779–1,776= 0,003 kg 3. Tính lượng chất điều chỉnh pH môi trường: 1125,679. 0,04 = 0,450 kg 100 Độ nguyên chất 89% thì lượng H3PO4 được đưa vào: 0,450 . 100 = 0,505 kg 89 Hao hụt của quá trình lường là 0,2%. Lượng H3PO4 cần dùng: 0,505 . 100 = 0,506 kg 99,8 Lượng H3PO4 89% tổn hao do quá trình lường: 0,506 – 0,505 = 0,001 kg 4. Tính lượng nước cất đã phản ứng: Lượng nước cất đã dùng để phản ứng theo tỷ lệ: VC/H2O = 1/1,3 Vậy lượng nước cất cần dùng là: 1125,679.1,3 = 1463,382 kg Hao hụt trong chuẩn bị và lường 0,2%. Lượng nước cất đã dùng là: 1463,382 . 100 = 1466,314 kg 99,8 Lượng nước tổn hao: 1466,314 –1463,382 = 2,932 kg Từ các số liệu đã tính toán ở trên ta lập bảng cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm: Bảng 1: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 1019,061 112,23 2,251 POB 96% 0,939 0,937 0,002 PVA 95% 1,779 1,776 0,003 H3PO4 89% 0,506 0,505 0,001 Nước cất 1466,314 1463,382 2,932 PVC 0,000 1010,075 0,000 Tổng 2595,217 2588,905 5,189 B. Công đoạn xử lý kiềm Mục đích của công đoạn xử lý kiềm là làm phân hủy các gốc của chất khơi mào và chất ổn định (tạo thành loại muối natri để hòa tan vào trong nước) để keo tụ nhựa và tăng tính chất ổn định đối với nhiệt của nhựa. Quá trình xử lý kiềm dùng dung dịch NaOH 15% theo tỷ lệ 200 lít/100 kg hỗn hợp. Đối với 1 tấn sản phẩm cần phải dùng là: 1010,075. 200 = 2020,15 lít 100 Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15%: 1164 kg/m3 = 1,164 kg/dm3 Vậy khối lượng dung dịch NaOH: 2020,15. 1,164 = 2351,4546 (kg) Lượng NaOH cần dùng để xử lý kiềm là: 2351,4546. 15 = 352,718 kg 100 Lượng nước cần dùng để pha dung dịch NaOH 15%: 2351,4546 - 352,718= 1998,736kg Bảng 2: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 1463,382 1456,066 7,316 PVC 1010,075 1005,025 5,050 NaOH 352,718 0,000 352,718 Nước pha dung dịch 1998,736 0,000 1998,736 Tổng 4824,911 2461,091 2363,820 C. Công đoạn ly tâm và rửa nhựa: Tiến hành rửa hốn hợp bằng nước cất nóng 600C – 700C, ly tâm thật sạch cho đến khi phản ứng trung hòa. Rửa 5 lần, mỗi lần 250 l/400 kg hỗn hợp. Lượng nước cần dùng cho 1 lần rửa: 2461,091. 250 =1538,181 lít 400 Lượng nước cần để rửa hỗn hợp tương ứng với 1 tấn sản phẩm là: 1538,181. 5 = 7690,905 lít Sau khi ly tâm và rửa nhựa, độ ẩm của sản phẩm là 20%. Lượng nước còn lại trong nhựa sau khi ly tâm – rửa nhựa là: 1005,025.20 = 201,005 lít 100 Bảng 3: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 1456,066 201,005 1255,061 Nước rửa nhựa 7690,905 0,000 7690,905 PVC 1005,025 1000 5,025 Tổng 10151,996 1201,005 8950,991 D. Công đoạn sấy và đóng bao: Sau quá trình sấy, độ ẩm sản phẩm là 0,3%. Hao hụt 0,3% Bảng 4: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 201,005 3 198,005 PVC 1000 997 3 Tổng 1201,005 1000 201,005 3.3. Tính cân bằng vật chất cho một nồi Sử dụng hệ thống 1 nồi trùng hợp nấu Với năng suất 500 tấn/năm. Chọn 1 thiết bị phản ứng làm việc. Số giờ làm việc của một năm là: 24. 290 = 6960 (h) Số mẻ sản phẩm của một thiết bị trong 1 năm là 6960 : 30 = 232 mẻ Do vậy mỗi mẻ 1 thiết bị làm việc đạt năng suất là (tấn) A. Công đoạn trùng hợp: Bảng 5:Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 2425,951 241,8669 4,85113 POB 96% 2,023639 2,019329 0,00431 PVA 95% 3,833923 3,827458 0,006465 H3PO4 89% 1,090481 1,088326 0,002155 Nước cất 3160,053 3153,735 6,318753 PVC 0 2176,813 0 Tổng 5592,952043 5579,350013 11,182813 Bảng 6: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 3153,735 3137,968 15,76671 PVC 2176,813 2165,929 10,88326 NaOH 760,1426 0 760,1426 Nước pha dung dịch 4307,476 0 4307,476 Tổng 10398,1666 5303,897 5094,26857 Bảng 7: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 3138 433,19 2704,8 Nước rửa nhựa 16575 0 16575 PVC 2165,9 2155,1 10,829 Tổng 21878,9 2588,29 19290,629 Bảng 8: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 433,19 6,4653 426,72 PVC 2155,1 2148,6 6,4653 Tổng 2588,29 2155,0653 433,1853 3.4. Tính cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm: Bảng 9: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 509,53 56,115 1,1255 POB 96% 0,4695 0,4685 0,001 PVA 95% 0,8895 0,888 0,0015 H3PO4 89% 0,253 0,2525 0,0005 Nước cất 733,157 731,691 1,466 PVC 0 505,0375 0 Tổng 12442,99 1294,453 2,5945 Bảng 10: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 731,691 728,033 3,658 PVC 505,0375 502,5125 2,525 NaOH 176,359 0 176,359 Nước pha dung dịch 999,368 0 999,368 Tổng 2412,456 1230,546 1181,91 Bảng 11: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 728,033 100,5 627,53 Nước rửa nhựa 3845,4525 0 3845,5 PVC 502,5125 500 2,5125 Tổng 5075,998 600,5 4475,5 Bảng 12: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (tấn) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 100,5 1,5 99,003 PVC 500 498,5 1,5 Tổng 600,5 500 100,5 Bảng 13: Tiêu hao nguyên liệu với năng suất 500 tấn/năm: Tên nguyên liệu 1 tấn (kg) 1 mẻ (kg) 1 năm (tấn) VC 99,9% 1125,679 2425,951 509,53 POB 96% 0,939 2,023639 0,4695 PVA 95% 1,779 3,833923 0,8895 H3PO4 89% 0,506 1,090481 0,253 Nước cất 1466,314 3160,053 733,157 PVC 0,000 0 0 Tổng 2595,217 5592,952043 12442,99 PHẦN THỨ TƯ: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 1. Thiết bị chính Thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất PVC là thiết bị trùng hợp. Cấu tạo từ thân hình trụ, đáy và nắp hình elip, có vỏ bọc để gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa hoặc làm lạnh bằng nước lạnh. Nồi được trang bị cánh khuấy chân vịt để khuấy trộn hỗn hợp phản ứng với vận tốc 500 vòng/phút. Trên nắp có cửa làm vệ sinh, các đầu ống dẫn, kính quan sát, đầu ống lắp nhiệt kế và áp kế. Dưới đáy nồi có lắp van tháo sản phẩm. Bền ngoài cùng của nồi có lớp vỏ bọc cách nhiệt (bảo ôn) bằng bông thủy tinh. Nồi được đỡ bằng 4 tai hàn vào thân nồi. Vật liệu chế tạo thân nồi và các chi tiết bằng thép không gỉ loại 0X21H6M2T. Thể tích nguyên liệu vào nồi trong 1 mẻ: Trong đó: : Khối lượng của các cấu tử (kg) : Khối lượng riêng của các cấu tử (kg/m3)  Nguyên liệu ρi (kg/m3) Gi (kg)  VC 970 2425.951  H2O 1000 3160.053  POB 973 2.023639  PVA 973 3.833923  H3PO4 1836 1.090481 Tổng 5752 5592.952043 = 2,5+3,16+0,002079+0,00393+0,000593 = 5,667 m3 Dùng nồi với hệ số đầy η = 0,7 thì thể tích nồi cần thiết kế là: a. Đường kính thiết bị Thể tích nồi gồm các phần Vtb = Vn + Vđ + Vth Trong đó Vn: thể tích nắp Vđ: thể tích đáy Vth: thể tích hình trụ Đáy và nắp ta có thể tính như hai elíp xem thể tích của chúng bằng nhau. Vtb = Vth + 2 Vđ + Thân nồi là hình trụ nên Vth = (Với R là bán kính, R = ) suy ra Thể tích đáy Vđ = Thay R = Với thiết bị thẳng đứng ta chọn h = 2Dt, h’ = nên ta có: Vđ = Do đó Vtb = Vth + 2 Vđ = = 1,8 Þ Quy chuẩn Dt = 1,8(m) Thể tích nồi theo quy chuẩn Vtb = 1,8. (1,8)3 = 10,497(m3) - Chiều cao phần thân thiết bị h = 2Dt = 2.1,8 = 3,6 (m) h' = 0,25. 1,8= 450(mm) Vậy chiều cao thiết bị: H= h + 2h' = 3,6 + 2. 0,45 = 4,5 (m) c. Chiều dày thiết bị Sử dụng loại thép không gỉ loại 0X21H6M2T với [10 – 310] để làm vật liệu gia công nồi. Chiều dày thân hình trụ chịu áp suất làm việc bên trong là 8 at (~ 8.105 N/m2)(áp suất làm việc lớn nhất trong quá trình trùng hợp PVC) Áp dụng công thức: , m [10 – 360] Trong đó: Dt: Đường kính trong của nồi (m) φ : Hệ số bền của thành hình trụ heo phương dọc φ = 0,95 [10 - 362] P : Áp suất tính toán trong thiết bị (N/m2) [σ]: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền (hay giới hạn chảy) + Tính ứng suất cho phép: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền được xác định theo công thức: [10 – 355] Với Hệ số an toàn bền nk = 2,6 [10 – 356] Hệ số điều chỉnh η = 1 [10 – 356] Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định theo công thức: [10 – 355] Với nt = 1,5 Suy ra [σc] = 200.106 N/m2 Trong hai giá trị, lấy giá trị nhỏ hơn để tính toán [σ] = [σc] = 200.106 N/m2 + Tính P: Vì môi trường làm việc trong thiết bị là hỗn hợp hơi – lỏng nên áp suất làm việc bằng tổng áp suất Pm và áp suất thủy tĩnh (PH = ) của cột chất lỏng: N/m2 [10 – 360] Trong đó: Pm : Áp suất môi trường làm việc lớn nhất trong quá trình làm việc, N/m2 Pm = 8 at = 8.105 N/m2 g : Gia tốc trọng trường H : Chiều cao lớn nhất của cột chất lỏng, H = 4,5 m ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3, được tính theo công thức: [11 – 5] với ai : Nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp; ρi : Khối lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp. Ta tính được: Vậy: = 987,25 kg/m3 P = Pm + gH = 8,097.105 N/m2 Do Nên bỏ qua P ở mẫu số, ta có chiều dày thân hình trụ: + C C : Hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai âm về chiều dày. Lấy C1 = 0,001 m C2 = 0 C3 = 0,001 m S = 3,84.10-3 + 2.10-3 = 5,84.10-3 m Quy chuẩn S = 6 mm [10 – 364] Kiểm tra lại khả năng chịu áp suất ta kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bởi công thức: , N/m2 [10 – 365] Áp suất thử tính toán Po được xác định theo công thức: Pth : Áp suất thử thủy lực tính theo [10 – 358]  Pth = 1,5P = 12,146.105 N/m2 P1 : Áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị ρ : Khối lượng riêng của nước ρ = 1000 kg/m3 H : Chiều cao cực đại của cột chất lỏng P1 = 0,218.105 N/m2 Po = 12,146.105 + 0,225.105 = 12,37.105 N/m2 Cùng với Dt = 1,8 m; S – C = 0,006 m; φ = 0,95; σc = 300.106 N/m2 Thay vào biểu thức ta có: σ = 195,96.106 N/m2 Vì nên điều kiện không thỏa mãn. Ta chọn lại chiều dày thân thiết bị lấy S = 6 + 2 = 8 mm. Sau đó lại kiểm tra lại khả năng chịu áp suất theo công thức trên: , N/m2 [10 – 365] Trong đó: Các số liệu khác vẫn giữ nguyên, chỉ có: S – C = 0,006 mm Thay vào công thức trên ta tính được: σ = 192,41.106 N/m2 < Vậy ta chọn chiều dày thân thiết bị là 8 mm. + Chiều dày đáy thiết bị: Chiều dày đáy lấy bằng chiều dày thân nếu điều kiện thử sau được thỏa mãn: Trong đó: hb : Chiều cao phần lồi của đáy, m; φh : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm; k : Hệ số không thứ nguyên; Với Dt = 1,8 m; hb = 0,45; φh = 0,95; S – C = 0,006 m; Po = 12,37.105 N/m2; k = 1. Do đó: σ = 205,6.105 N/m2 < Vậy điều kiện thử thoả mãn nên: Sd = S = 8 mm Căn cứ vào các số liệu: Dt = 1800 mm hb = 450 mm h = 25 mm Tra bảng XIII.10 trong [10 – 382] ta có: Bề mặt trong của đáy: F = 3,65 m2 Thể tích: V = 827.10-3 m3 Tra bảng XIII.11 trong [10 – 384] ta được: Khối lượng của đáy elip: m = 283 kg d. Vỏ bọc nồi phản ứng Vỏ bọc nồi phản ứng được chế tạo bằng thép CT3 bằng cách hàn dọc thân. e. Chiều dày lớp bảo ôn Lớp bảo ôn có tác dụng làm giảm bớt sự truyền nhiệt ra ngoài môi trường từ bề mặt thiết bị phản ứng. Do vậy, nó có tác dụng làm giảm nhiệt mất mát ra ngoài và làm giảm lượng hơi nước cần thiết để đun nóng thiết bị. Ở đây, ta sử dụng bông thủy tinh làm lớp vỏ bảo ôn với thông số ρ = 200 kg/m3; λc = 0,125 W/m.độ [11 – 148] Trong đó: t1 : Nhiệt độ của chất tải nhiệt. : Nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn giáp với không khí. St : Chiều dày của tấm thép. Sbo : Chiều dày lớp bảo ôn. : Hệ số truyền nhiệt của thép. : Hệ số truyền nhiệt của lớp bảo ôn. Ta coi quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt ra môi trường là truyền nhiệt đẳng nhiệt và ổn định. Như vậy nhiệt tải riêng đến thành thiết bị (q1), nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành (q3), và nhiệt tải riêng do bức xạ từ thành thiết bị vào không khí (q3) sẽ bằng nhau: q1 = q2 = q3 [13 – 214] Quốc Tuấn – Tạp chí Ta có: q1 = α1.Δt1 [13 – 214] Với α1 : Hệ số cấp nhiệt của hơi nước đun nóng (W/m2.độ). Δt1: Hiệu số giữa nhiệt độ của hơi nước và thành trong thiết bị (°C). Δt2: Chênh lệch nhiệt giữa thành trong và thành ngoài. Σr : Tổng nhiệt trở thành. Ta có: (W/m2) [13 – 212] Trong đó: rc: Nhiệt trở cặn. Sbo, St : Chiều dày lớp bảo ôn, lớp thép. Nhiệt tải riêng về phía không khí: Trong đó: αk: Hệ số cấp nhiệt về phía không khí. [10] Do Vậy chiều dày lớp bảo ôn: Chọn vật liệu bảo ôn là bông thuỷ tinh bên ngoài bọc lớp vải thuỷ tinh có: W/m.độ Hệ số dẫn nhiệt của thép làm vỏ áo CT3 là: λt = 50,2 W/m.độ Ở đây, ta dùng hơi nước bão hoà ở 2 at. Do đó = 119,6°C [11– 378] Nhiệt độ môi trường: t2 = 25 °C. Giả thiết nhiệt độ mặt ngoài của lớp bảo ôn là: °C Bề dày của vỏ áo: Tính α1 : Tra các thông số của hơi nước bão hoà: Khối lượng riêng: ρ = 1,107 kg/m3 [11 – 377] Hệ số dẫn nhiệt: λ = 2,59.10-2W/m.độ [11 – 133] Nhiệt dung riêng: Cp = 2,1.103 kJ/kg.độ [11 – 196] Độ nhớt: μ = 133.10-7 Ns/m2 [11 – 140] Khi đun nóng hơi nước chuyển động trong khoảng không gian giữa vỏ áo và thân thiết bị (thiết diện của khoảng không gian hình vành khăn) Chuẩn số Nu được xác định theo công thức Nu = 0,23 Re0,8Pr0,4(dtn/dnt)0,45 [14 – 223] dtn: đường kính trong của ống ngoài. dtn: đường kính ngoài của ống trong. dtn = 1,861 m; dnt = 2,0m [14 – 35] : vận tốc hơi nước ( lấy = 25 m/s) Re = 3,512.105 [14 – 218] Thay số (W/m2.độ) Chiều dầy lớp bảo ôn g. Mặt bích, bu lông và chọn đệm Bích liền được chế tạo bằng thép CT3 có khối lượng riêng ρ = 7850 kg/m3 Từ đường kính ngoài nồi tra bảng số liệu tại [10 – 424] ta có bảng sau: Dt Kích thước nối Kiểu bích D Db D1 D0 Bu lông 1 db Z h mm cái mm 1800 2010 1940 1890 1845 M36 48 56 Trong đó: D: Đường kính ngoài của bích. Db: Đường kính đến tâm bulông. Dn: Đường kính ngoài thiết bị. Dt: Đường kính trong thiết bị. Dl: Đường kính tính đến giữa mép gờ. M30: Đường kính bulông. Z: Số bulông. + Chọn đệm: Đệm được chọn theo bảng XIII.31 [10 – 433] dựa theo đường kính trong của thiết bị. Dy D1 D2 D3 D4 D5 h Mm 1800 2010 1854 1856 1830 1828 43 h. Công suất của mô tơ - cánh khuấy Chọn cánh khuấy chân vịt số vòng quay 500 v/p, đường kính cánh khuấy bằng 0,25 đường kính thiết bị. Khi mở máy cần có công suất để thắng lực ma sát của cánh khuấy với chất lỏng, lực quán tính (lực ỳ của chất lỏng từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động). Do đó công suất của động cơ để mở máy là: NM = NY + NS [11 – 198] Trong đó: NM – công suất mở máy, W NY – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ, W NS – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát, W NY = K.ρ.n3.d5 Ns = Np = K.ξ.ρ.n3.d5 [11 – 198] Trong đó: K = 3,87.a a – tỉ số của chiều cao và đường kính mái chèo. n – số vòng quay của cánh khuấy, vòng/phút d – đường kính cánh khuấy, m Np – công suất làm việc, W ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 μ – độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2) Từ hai công thức trên ta rút ra được: NM = Np.(K + ξM )/ξM , W ξM – là hằng số tìm bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào hình dáng cánh khuấy, thùng khuấy và chuẩn số ReM. Trong đó chuẩn số ReM trong trường hợp khuấy tính bằng: ReM = ρ.n.d2/μ Tính Np: Np = K.ξ.ρ.n3.d5 , W n = 500 v/p = 8,33 v/s d = 0,566 m ρ = 984,20 kg/m3 K.ξ = ξM = f(ReM) Tính μ: Áp dụng công thức: lg(μ) = ∑xi.lgμi [11 – 93] Trong đó: μi – Độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần, xi – Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp, xi = ai – Nồng độ phần khối lượng của từng cấu tử, Mi – Khối lượng phân tử của từng cấu tử, Do khối lượng chất nhũ hoá, chất khởi đầu có khối lượng không đáng kể có thể bỏ qua. Do đó: xVC = xH2O = 1 – 0,181 = 0,82 lg(μ) = 0,18.lg(0,432.10-3) + 0,84.lg(1,005.10-3) = – 3,064 μ = 0,860.10-3 Ns/m Tính ReM: ReM = ρ.n.d2/μ = 984,20.8,33.0,62/0,8611.10-3 = 3,424.106 > 104 Do đó chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy là chế độ chảy xoáy, khi ReM > 50 thì ξM = 0,845.ReM-0,05 = 0,398. Vậy EU = f(ReM) = 0,403 Nm = 17,87 kW. Công suất tiêu tốn cho quá trình làm việc (công suất mô tơ cánh khuấy: 17,87 kW). Công suất mở máy Nc = Ng + Nm = 3 Nm = 51,61 kW. Công suất động cơ điện Nđc = Nc / : hiệu suất (khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy) chọn = 0,65 N®c = 82,5 kW i. Chọn cánh khuấy Ta chọn cánh khuấy chân vịt có d = 0,25¸0,33D Chọn d = 0,33D, tra bảng 31.12 trong [14 – 719] ta có các thông số của cánh khuấy như sau: dm d dc h bx d + t1 s0 s10 m mm kg 600 100 155 130 28 110,4 13,5 5,5 25 k. Chọn tai treo Tai treo được chọn theo khối lượng của thiết bị chính do đó để chọn được tai treo ta cần phải tính được khối lượng của thiết bị chính. Tải trọng cực đại là tải trọng khi thử thuỷ lực (tải trọng khi đổ đầy nước). Gtbcmax = Gthân + Gđáy + Gnắp + Gbích + Gvỏ + Gbảo ôn + GH2O + Gkhác + Tính khối lượng thân thiết bị: Gthân = Vthân.ρthân = π.H/4.(Dn2 – Dt2).7850 = 3,14.4,5/4.( 1,8082 – 1,82 ). 7850 = 800 kg + Tính khối lượng đáy và nắp. Gđáy + Gnắp = 2.283= 566 kg + Tính khối lượng bích. Gbích = Vbích.ρbích Trong đó Vbích = h.π.(D2 – D02)/4 = 0,056.3,14.(2,0102 – 1,8452)/4 = 0,0028m3 ρbích = 7850 kg/m3 Do đó Gbích = 7850.0,028 = 220 kg + Tính khối lượng nước thử: GH2O = Vtb.ρH2O =10,497.1000 = 10497 kg + Tính khối lượng bông thuỷ tinh. Gbo = Vbo.ρbo = 21.0,057.200 = 239,4 kg + Tính khối lượng vỏ áo thiết bị. Gv = Vv.ρv = 15.0.006.7850 = 706,5 kg Khối lượng mô tơ cánh khuấy, khối lượng bulông, khối lượng tai treo... lấy gần đúng là Gkhác = 100 kg Vậy khối lượng của toàn thiết bị phản ứng là: Gmax = 10413,7 kg = 13110,9 N Dùng 4 tai treo chế tạo bằng thép CT3 khi đó tải trọng trên mỗi tai treo: 3,277.104N Dựa vào bảng XIII – 36, [12 – 438] ta có các thông số về tai treo như sau: Tải trọng cho phép trên một tai treo .104N Bề mặt đỡ 10-4 m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ 106N/m2 L B B1 H S l a d Khối lượng một tai treo, kg mm 4,0 297 1,34 190 160 170 280 10 80 25 34 7,35 2. Thiết bị phụ 2.1. Bơm a. Bơm nước cất Dùng một bơm ly tâm để bơm nước cất từ bể chứa lên thùng lường dùng vào việc pha dung dịch chất ổn định huyền phù, dung dịch chất khơi mào và cho trực tiếp vào thiết bị phản ứng. Lượng nước cần bơm trong một mẻ là: 3160,053 kg = 3,16 m3 Thời gian bơm tiến hành trong 30 phút. Chiều cao hút của bơm: Hh = 0 m Chiều dài ống hút của bơm: Lh = 5 m Chiều cao ống đẩy: Hd = 16 m Áp suất ở đầu ống hút bằng áp suất đầu ống đẩy và bằng áp suất khí quyển, 1at. Đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy, bằng 0,1 m. Ống được thiết kế gồm: 2 van tiêu chuẩn, 4 khuỷu 90°. Ta có khối lượng riêng của nước và độ nhớt của nước lấy ở 250C là: ρ = 1000 kg μ = 0,76.10-3 Ns/m2 Lưu lượng chất lỏng chảy trong ống: Q = V/τ V – Thể tích cần bơm, m3 τ – Thời gian bơm, s Q = 3,16/30.60 = 1,756.10-3 m3/s Tốc độ chảy trong ống: ω = Q/S , m/s S – Thiết diện ống, m2 m/s Công suất của bơm được tính theo công thức: N = kW [11 – 17] Trong đó: V – Lưu lượng thể tích, m3/s ∆P – Áp suất do bơm tạo ra, N/m2 η – Hiệu suất bơm g – Gia tốc trọng trường, m/s2 Áp suất ∆P được tính theo công thức: ΔP = ∆Pw + ∆Pm + ∆Ptr + ∆Ph + ∆Pp N/m2 Trong đó: ∆Pw – Áp suất tạo ra vận tốc dòng chảy. ∆Pm – Áp suất để thắng trở lực ma sát. ∆Ptr – Áp suất để thắng trở lực cụ bộ. ∆Ph – Áp suất thắng chênh lệch chiều cao H. ∆Pp – Áp suất chênh lệch giữa đầu hút và đầu đẩy, trong trường hợp này ∆Pp = 0 + Tính ∆Pw: (N/m2) ρ – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 ω – Vận tốc của lưu thể, m/s ∆Pw = 0,2242.1000/2 = 25,088 N/m2 + Tính ∆Pm: ∆Pm = N/m2 λ – Hệ số ma sát l – Chiều dài ống, m d – Đường kính tương đương của ống, m Hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chế độ chảy của chất lỏng và vào độ nhám của thành ống. muốn xác định chế độ chảy ta phải xác định chuẩn số Re: μ – Độ nhớt của chất lỏng, N.s/m2 > 104 do đó chế độ chảy của dòng thuộc khu vực 3 của khu vực chảy xoáy. Theo công thức Ixaep: (1/λ)1/2 = – 1,8.lg[6,8/Re + e] [11 – 68] Trong đó: e =(n/3,7.d)1,11 n = ε/r độ nhám tương đối r – bán kính đường ống, lấy bằng 0,05 m ε - chiều sâu rãnh, lấy bằng 0,1 mm Thay vào công thức trên ta có: (1/λ)1/2 = – 1,8.lg[6,8/2,9.104 + (0,1/7,4.502)1,11] = 6,554 Suy ra λ = 0,023 ∆Pm = (0,023.21/0,1).(25,088) = 120,75 N/m2 + Tính ∆Ptr: Trở lực cục bộ gồm có 2 van tiêu chuẩn, 4 khuỷu 90°: ∆Ptr = ∑ξ.ω2.ρ/2 (N/m2) ∑ξ – Tổng trở lực cục bộ ∑ξ = ξkhuỷu + ξvan + ξvào + ξra Tra bảng : ξkhuỷu = 1,26 [15 – 70] ξvan = 4,5 [15 – 72] ξvào = 0,06 , ξra = 1 [15 – 69] ∑ξ = 1,26 .4 + 4,5.2 + 0,06 + 1 = 15,1 Do đó ∆Ptr = 15,1.25,088 = 378,828 (N/m2) + Tính ∆Ph: ∆Ph = ρ.g.H = 1000.9,81.16 = 156960 N/m2 Vậy tổng trở lực mà bơm phải đạt được trên đường ống là: ∆P = 25,088 + 120,75 + 378,828+ 156960 = 157484,66 N/m2 η – Hiệu suất chung của bơm ly tâm η = ηo.ηtl.ηck Tra bảng II – 32 [11 – 536] ηo – Hiệu suất thể tích của bơm, lấy ηo = 0,9 ηtl – Hiệu suất thuỷ lực của bơm, lấy ηtl = 0,85 ηck – Hiệu suất cơ khi của bơm, lấy ηck = 0,95 η = 0,9.0,95.0,85 = 0,727 Thay vào công thức tính công suất bơm ta được: N = Công suất động cơ điện: Ndc = N/ηtd.ηdc ηtd – Hiệu suất truyền động khớp nối, lấy bằng 1 ηdc – hiệu suất động cơ điện, lấy bằng 0,75 Ndc = 0,4/0,75 = 0,53 kW Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải). Ndcc = β.Ndc β – Hệ số dự trữ công suất tra bảng II – 33 Ta có β =2,89 [11 – 537] Ndcc = 2,89.0,53 = 1,54 kW b. Bơm vinyl clorua VC là chất dễ cháy nổ, do đó ta dùng một bơm pittông để bơm VC lên thùng lường và thêm một bơm dự trữ. Lượng VC cần bơm là lượng VC cần cho một mẻ sản xuất. MVC =2425,951kg Khối lượng riêng của VC lỏng ở – 12,96 °C là 969,2 kg/m3, độ nhớt là μ = 0,26.10-3 Ns/m2. Thể tích VC là: V = 2425,951/969,2 = 2,5 m3 Chiều cao hút hh = 0 m Chiều cao đẩy hd = 16 m Chiều dài ống hút lh = 5m Áp suất cửa hút bằng áp suất cửa đẩy bằng 1at, Đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy bằng 0,1 m, Thời gian bơm VC được tiến hành trong 20 phút, Lưu lượng chất lỏng trong ống Q = V/τ = 2,5/60.20 = 0,00208 m3/s Tốc độ chảy trong ống ω = Q/S = 4.Q/π.d2 = 4. 0,00208 /3,14.0,12 = 0,265m/s Tính áp suất toàn phần để khắc phục tất cả các trở lực trên đường ống. Tính tương tự như với bơm nước cất: ∆Pw = ω2.ρ/2 = 0,2652.969,2/2=34,03 N/m2 ∆Pm = N/m2 = 184,56N/m2 ∆Ptr = ∑ξ.ω2.ρ/2,