Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PVC bằng phương pháp trùng hợp huyền phù năng suất 5000 tấn/năm

olyme vào thành thiết bị làm hỏng vật liệu. Mặc dù không khí được gia nhiệt khoảng 80°C nhưng nhiệt độ của polyme chỉ đạt khoảng 60°C và thường không xảy ra sự phân hủy nhiệt nếu polyme không bị cản trở trong thiết bị sấy. Sự thất thoát polyme trong xyclon vào khoảng dưới 0,2% và có thể hạn chế thêm bằng cách lắp thêm thiết bị lọc túi ở đầu ra của hệ thống sấy. Polyme khô được sàng để loại bỏ hạt thô. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 42 - Những phần tử thô này thường được tạo thành do sự kết tụ hay mảng bám trên thành thiết bị sấy hoặc là các tạp vật rơi vào trong hệ thống. Sàng thường sử dụng là sàng 40 mắt hoặc 60 mắt. Sau đó, nhựa được đóng bao trong bao giấy nhiều lớp. Quy trình trùng hợp có thể được điều khiển bằng hệ thống điều khiển số hóa. Sự trộn hợp và nhiệt độ trùng hợp được điều khiển bằng máy tính làm tăng chất lượng sản phẩm, giảm giá thành và tăng năng suất cho dây chuyền do giảm tối đa thời gian nghỉ của thiết bị phản ứng. Một hệ thống máy tính song song khác có chức năng tính toán khối lượng vật liệu và điều chỉnh dòng phụ gia tương ứng. Lượng vật liệu cho vào máy trộn và thiết bị phản ứng sau khi xả hỗn hợp phản ứng được tính toán và điều khiển. Quá trình trùng hợp được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh lượng hơi và nước lạnh cho vào áo gia nhiệt của thiết bị phản ứng. Hệ thống cũng sẽ báo khi nào quá trình trùng hợp có sự cố hay đang trong trạng thái hoạt động bình thường. Hệ thống điều khiển số hóa cho thấy tốt hơn rất nhiều so với hệ thống điều khiển tương tự[11]. VII.4. Dây chuyền sản xuất PVC huyền phù tại nhà máy TPC Vina: TPC Vina là một nhà máy sản xuất bột nhựa PVC bằng công nghệ hiện đại (công nghệ của Mitsui Tosoh Nhật Bản) với dây chuyền thiết bị tiên tiến, tự động hóa hoàn toàn và có chu trình khép kín, không gây ô nhiễm môi trường. Các công đoạn chính: 1. Chuẩn bị nguyên liệu 2. Chuẩn bị thiết bị phản ứng 3. Nạp liệu 4. Gia nhiệt 5. Phản ứng chính 6. Tháo liệu 7. Xử lý kiềm 8. Tách VCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 43 - 9. Hồi lưu VCM 10. Tách nước 11. Sấy 12. Sàng phân loại 13. Đóng bao 14. Xử lý nước thải Chi tiết: 1. Chuẩn bị nguyên liệu: - Nước khoảng 40 – 50 tấn/mẻ, lường thể tích bằng van đo lưu lượng. Nước dùng là nước ngầm được xử lý bằng than hoạt tính rồi cho qua cột trao đổi ion. Sau đó cho qua thiết bị trao đổi nhiệt rồi đến bể chứa. Ở trong bể chứa nước có nhiệt độ khoảng 40°C - VCM lường thể tích bằng van đo lưu lượng. - Chất khơi mào: Peroxyt ở dạng dung dịch hoặc nhũ tương được bảo quản trong kho lạnh ở nhiệt độ -10°C đến -20°C. Peroxyt được đong bằng can hoặc bình. Lường trọng lượng, đơn vị tính là kg. - Chất ổn định huyền phù PVA, lường trọng lượng. 2. Chuẩn bị thiết bị phản ứng: - Hút chân không bằng máy hút chân không để loại Oxi không khí. Hạ áp suất xuống còn ~ 0 atm. - Phá chân không bằng VCM (bơm một lượng VCM vào). - Phun chất bám dính lên bề mặt thiết bị. (Khoảng 100 mẻ thì rửa cặn bám trong thành thiết bị một lần. Rửa bằng cách dùng vòi phun nước cao áp để tách rời các mảng bám) 3. Nạp liệu: Vào thiết bị phản ứng chính theo thứ tự sau - Nước. - Chất ổn định huyền phù PVA. - VCM. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 44 - - Chất khơi mào: dùng Cumen peroxyt hoặc các peroxyt khác tùy độ trùng hợp, nhiệt độ phân hủy của peroxyt. (Nhà máy TPC Vina sử dụng 2 thiết bị phản ứng chính với dung tích mỗi thiết bị là 150 m3) 4. Gia nhiệt: Nước nóng được đưa vào vỏ áo của thiết bị phản ứng chính. Gia nhiệt cho đến khi đạt gần nhiệt độ phản ứng. Khuấy trộn. 5. Phản ứng chính: Dùng nước nóng gia nhiệt thiết bị phản ứng chính và duy trì nhiệt độ từ 50 – 70°C tùy độ trùng hợp (của loại PVC sản xuất) Với độ trùng hợp từ 1000 – 1050 thì nhiệt độ phản ứng khoảng 57°C. Thời gian phản ứng: tpư = 3h45’ – 4h Thời gian giảm áp: tga = 1h30’ Tổng thời gian phản ứng: Σ t = 5h15’ Cuối phản ứng sản phẩm có độ chuyển hóa khoảng 85%. Áp suất trong thiết bị phản ứng còn khoảng 6 bar. 6. Tháo liệu: Từ thiết bị phản ứng chính xuống bồn Blow Down qua một bể trung gian nhỏ có gắn bơm áp suất. Lúc đầu hỗn hợp được tháo nhờ chênh lệch độ cao, khi gần hết do khối lượng hỗn hợp trên thiết bị phản ứng nhỏ và độ nhớt của hỗn hợp cao nên hỗn hợp không tự chảy được. Lúc đó, dùng bơm ở bể trung gian (thể tích 1 m3) bơm hỗn hợp xuống bồn Blow Down. Từ bồn Blow Down hỗn hợp được tháo xuống bồn Blend Tank, tại đây khuấy trộn hỗn hợp có thể với vài mẻ khác. 7. Xử lý kiềm: Sau khi huyền phù chảy ra bể Blow Down thì trong huyền phù vẫn còn phản ứng trùng hợp. Do đó cho thêm chất AD3 vào để kìm hãm phản ứng trùng hợp. Huyền phù ở giai đoạn này có độ pH khoảng 3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 45 - Sau đó cho NaOH (dư) + Bis phenol A + Nước (hòa tan) vào để xử lý kiềm. 8. Tách VCM: Hỗn hợp từ Blend Tank được bơm lên tháp VCM Stripper. Trong tháp này huyền phù đi từ trên xuống còn hơi nóng đi từ dưới lên. Trong tháp có các đĩa lỗ, không gian giữa các đĩa đổ đầy đệm để tăng sự tiếp xúc giữa hai pha. VCM thoát ra đi lên đỉnh tháp ra thiết bị xử lý VCM. 9. Hồi lưu VCM: Thu hồi hơi VCM trong bình Blow Down bằng áp suất âm, sau thu hồi VCM còn lại khoảng 1% trong bình Blow Down. VCM dạng hơi thoát ra từ thiết bị phản ứng chính, bể Blow Down, Blend Tank, Tháp VCM Stripper được dẫn về các thiết bị tách bọt. Sau đó cho qua thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ VCM (dùng nước ở nhiệt độ thường) rồi vào bình chứa VCM lỏng. Từ bình chứa, VCM lỏng được bơm qua các tháp xử lý. Gồm 2 tháp xử lý. Tháp thứ nhất là tháp hấp phụ, trong tháp đổ đầy NaOH dạng rắn để hút nước. Tháp thứ hai là tháp chưng cất để tinh chế VCM. Sau đó VCM lỏng được hồi lưu về thùng chứa VCM ban đầu. 10. Tách nước: Hỗn hợp sau khi qua tháp VCM Stripper được đưa qua một thùng khuấy trộn trung gian. Từ thùng này hỗn hợp được bơm vào máy ly tâm. Trong máy ly tâm, PVC ẩm có độ ẩm khoảng 70% được tách nước xuống còn độ ẩm khoảng 20 – 25%. 11. Sấy: Bằng thiết bị sấy tầng sôi (máy sấy 1 tầng). PVC từ máy ly tâm được chuyển xuống thiết bị sấy tầng sôi. Trong thiết bị sấy tầng sôi, không khí nóng thổi từ dưới lên với tác dụng chính là tạo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 46 - lỏng giả cho bột. Nước nóng được bơm qua vỏ áo có tác dụng làm khô vật liệu sấy. Sau khi sấy hàm ẩm của PVC giảm xuống còn khoảng 0,3%. 12. Sàng phân loại: Bằng sàng chấn động Bột PVC từ thiết bị sấy được chuyển qua sàng chấn động. Sau khi sàng lượng hạt thô rất ít, chỉ chiếm khoảng 0,05%. 13. Đóng bao: PVC thành phẩm dạng bột trắng hạt nhỏ (kích thước khoảng 100 – 150 µm) được chuyển qua xilô chứa hoặc đóng bao. 14. Xử lý nước thải: Nước thải từ các công đoạn được tập trung rồi đưa qua tháp xử lý nước thải, hơi từ đỉnh tháp đưa về thiết bị thu hồi VCM. Nước thải chảy ra hệ thống thoát nước. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 47 - PHẦN 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. Năng suất trong một ngày làm việc: Thời gian làm việc được xác định: Tổng số ngày trong năm: 365 ngày Trong đó những ngày thiết bị ngừng sản xuất là: - Số ngày nghỉ sửa chữa lớn: 15 ngày - Số ngày chủ nhật: 52 ngày - Số ngày lễ tết: 8 ngày - Tổng: 75 ngày Vậy số ngày làm việc trong một năm là: 365 – 75 = 290 ngày Năng suất của một ngày làm việc là: 5000 : 290 = 17,241 tấn/ngày Quá trình được chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất gián đoạn, giai đoạn thứ hai liên tục. Thời gian bố trí cho một mẻ sản xuất gồm: - Thời gian nạp liệu và hút chân không: 45 phút - Thời gian gia nhiệt cho nồi phản ứng (40 – 70 °C): 30 phút - Phản ứng chính diễn ra trong thời gian: 6 giờ - Tháo liệu: 45 phút - Xử lý sản phẩm sau trùng hợp: 4 giờ Tổng: 12 giờ Dây chuyền gồm 3 thiết bị phản ứng hoạt động song song. Bố trí một ngày làm việc 3 ca, mỗi ca 24 : 3 = 8 giờ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 48 - II. Tính cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm: Căn cứ theo đơn phối liệu sử dụng[29]: VC 99,96% 100 phần khối lượng Nước 150 phần khối lượng Keo PVA 95% 0,05 phần khối lượng Chất khơi mào POB 96% 0,1 phần khối lượng Chất đệm Na4P2O7.10H2O 95% 0,04 phần khối lượng A. Công đoạn trùng hợp 1. Tính lượng VC và chất khơi mào: Do độ ẩm trong nhựa là 0,3%, lượng PVC khô trong 1 tấn sản phẩm: 1000.99,7 997 kg 100 = Giả thiết rằng hiệu suất quá trình trùng hợp là 98%, do đó hao hụt sản phẩm trong toàn bộ quá trình 2% gồm: Giai đoạn sấy – đóng bao: 0,5% Giai đoạn ly tâm – rửa nhựa: 1% Giai đoạn chuẩn bị – lường: 0,5% Hao hụt của quá trình sấy – đóng bao: 0,5%, vậy lượng PVC trước khi sấy: 997.100,5 1002 kg 100 = Lượng PVC hao hụt do sấy: 1002 – 997 = 5 kg Hao hụt của quá trình ly tâm – rửa nhựa là 1%, lượng PVC trước khi ly tâm – rửa nhựa: 1002.101 1012,005 kg 100 = Lượng PVC hao hụt do quá trình ly tâm – rửa nhựa là: 1012 – 1002 = 10 kg ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 49 - Coi từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn ly tâm – rửa nhựa không xảy ra sự mất mát, lượng PVC sau trùng hợp sẽ bằng lượng PVC trước ly tâm – rửa nhựa. Lượng PVC sau khi trùng hợp là: 1012 kg + Tính lượng VC cần dùng: Thành phần PVC do các tạp chất tham gia sau phản ứng là: 0,04% Lượng VC tham gia vào quá trình chuyển hoá: 1012.100 1011,600 kg 100,004 = Lượng VC 99,96% tham gia vào quá trình chuyển hoá: 1011,600.100 1012,005 kg 99,96 = Với hiệu suất trùng hợp 85%. Lượng VC ban đầu: 1012,600.100 1190,594 kg 85 = Lượng VC 99,96% không phản ứng (không tham gia chuyển hoá): 1190,594.15 178,589 kg 100 = Hao hụt do quá trình lường 0,5%. Lượng VC thực tế: 1190,594.100,5 1196,547 kg 100 = Vậy lượng VC tổn hao: 1196,547 – 1190,594 = 5,953 kg + Tính lượng chất khởi đầu: Lượng chất khởi đầu POB 96% cần dùng theo đơn phối liệu là: 1190,594.0,1 1,191 kg 100 = Với độ nguyên chất 96% thì lượng POB nguyên chất được đưa vào: 1,191.100 1,240 kg 96 = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 50 - Hao hụt do quá trình lường là 0,5%, vậy lượng POB cần dùng: 1,240.100 1,246 kg 99,5 = Tổn hao do quá trình lường: 1,246 – 1,240 = 0,006 kg Hiệu suất của quá trình trùng hợp (độ chuyển hoá) là 85% vậy lượng chất khởi đầu đã tham gia vào quá trình chuyển hoá: 1,240.85 1,054 kg 100 = Lượng chất khởi đầu không tham gia chuyển hoá: 1,240 – 1,054 = 0,186 kg 2. Tính lượng chất ổn định huyền phù PVA: Lượng chất ổn định bằng 0,05% khối lượng VC: 1190,594.0,05 0,595 kg 100 = Với độ nguyên chất 95%, lượng PVA được đưa vào: 0,595.100 0,627 kg 95 = Hao hụt là 0,5%. Lượng PVA 95% cần dùng: 0,627.100 0,630 kg 95 = Lượng PVA 95% tổn hao: 0,630 – 0,627 = 0,003 kg 3. Tính lượng chất điều chỉnh pH môi trường: Lượng chất điều chỉnh pH môi trường bằng 0,04% khối lượng VC: 1190,594.0,04 0,476 kg 100 = Độ nguyên chất 95% thì lượng Na4P2O7.10H2O được đưa vào: 0,476.100 0,501 kg 95 = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 51 - Hao hụt của quá trình lường là 0,5%. Lượng Na4P2O7.10H2O 95% cần dùng: 0,501.100 0,504 kg 99,5 = Lượng Na4P2O7.10H2O 95% tổn hao do quá trình lường: 0,504 – 0,501 = 0,003 kg 4. Tính lượng nước cất đã phản ứng: Lượng nước cất đã dùng để phản ứng theo tỷ lệ: VC/H2O = 1/1,5 Vậy lượng nước cất cần dùng là: 1190,594.1,5 = 1785,891 kg Hao hụt trong chuẩn bị và lường 0,5%. Lượng nước cất đã dùng là: 1785,891.99,5 1794,866 kg 100 = Lượng nước tổn hao: 1794,866 – 1785,891 = 8,974 kg Lượng nước này bao gồm: - Nước cho trực tiếp vào nồi trùng hợp - Nước pha dung dịch chất khởi đầu - Nước pha dung dịch chất ổn định huyền phù Lượng nước pha chất khởi đầu để tạo dung dịch chất khởi đầu 30%: 1,264.70 2,908 kg 30 = Lượng nước pha chất ổn định huyền phù để tạo dung dịch 5%: 0,630.95 11,966 kg 5 = Lượng nước cất cho trực tiếp vào nồi là: 1794,866 – (2,908 + 11,966) = 1779,991 kg Từ các số liệu đã tính toán ở trên ta lập bảng cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 52 - 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 99,96% 1196,547 178,589 5,953 POB 96% 1,246 1,240 0,006 PVA 95% 0,630 0,627 0,003 Na4P2O7.10H2O 95% 0,504 0,501 0,003 Nước cất 1794,866 1785,891 8,974 PVC 0,000 1012,005 0,000 Tổng 2993,793 2978,853 14,939 B. Công đoạn ly tâm – rửa nhựa Nhựa sau khi trùng hợp được đưa qua các bộ phận tách bọt và tách VC, qua các bộ phận này coi như không có tổn hao. Sau đó huyền phù được đưa vào máy ly tâm. Lượng huyền phù vào máy ly tâm là: 2978,853 – 178,589 = 2800,264 kg Tiến hành rửa hỗn hợp bằng nước nóng 60 – 70 °C ly tâm thật sạch cho đến khi phản ứng trung hoà. Rửa 5 lần, mỗi lần 200 l/400 kg hỗn hợp. Lượng nước cần dùng cho một lần rửa: 2800,264.200 1400,132 kg 400 = Lượng nước cần dùng dể rửa hỗn hợp tương ứng với 1 tấn sản phẩm: 1400,132.5 = 7000,600 kg Sau ly tâm – rửa nhựa độ ẩm của sản phẩm còn 20%, lượng nước còn lại trong nhựa sau khi ly tâm – rửa nhựa là: 1002.20 200,397 kg 100 = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 53 - Bảng 2: 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 1785,891 200,397 1585,494 Nước rửa nhựa 7000,660 0,000 7000,660 PVC 1012,005 1001,985 10,020 Tổng 9798,557 1202,382 8596,175 C. Công đoạn sấy và đóng bao: Tổn hao trong công đoạn này là 0,5%. Sau công đoạn sấy độ ẩm sản phẩm còn 0.3%. Bảng 3: 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 200,397 3,000 197,397 PVC 1001,985 997,000 4,985 Tổng 1202,382 1000,000 202,382 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 54 - III. Tính cân bằng vật chất cho một mẻ sản phẩm: Sử dụng hệ thống 3 nồi trùng hợp nấu song song, thời gian của mỗi mẻ sản phẩm là 8 giờ. Năng suất 1 mẻ sản phẩm của một nồi: 5000 2,874 290.2.3 = tấn A. Công đoạn trùng hợp: Bảng 4: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 99,96% 3438,354 513,187 17,106 POB 96% 3,582 3,564 0,018 PVA 95% 1,810 1,801 0,009 Na4P2O7.10H2O 95% 1,448 1,441 0,007 Nước cất 5157,660 5131,871 25,788 PVC 0,000 2908,060 0,000 Tổng 8602,852 8559,923 42,929 B. Công đoạn ly tâm – rửa nhựa: Bảng 5: 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 5131,871 575,853 4556,018 Nước rửa nhựa 20116,840 0,000 20116,840 PVC 2908,060 2879,267 28,793 Tổng 28156,772 3455,121 24701,651 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 55 - C. Công đoạn sấy và đóng bao: Bảng 6: 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 575,853 8,621 567,233 PVC 2879,267 2864,943 14,325 Tổng 3455,121 2873,563 581,557 IV. Tính cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất: Sử dụng hệ thống 2 nồi trùng hợp nấu lệch pha, thời gian của mỗi mẻ sản phẩm là 8 giờ. Năng suất làm việc của 1 ngày của hệ thống là: 5000 17,241 290 = tấn/ngày Vậy ta có các bảng cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất trong các công đoạn khác nhau. A. Công đoạn trùng hợp: Bảng 7:Cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất trong công đoạn trùng hợp (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,96% 20630,122 3079,123 102,637 POB 96% 21,490 21,383 0,107 PVA 95% 10,858 10,804 0,054 Na4P2O7.10H2O 95% 8,687 8,643 0,043 Nước cất 30945,957 30791,228 154,730 PVC 0,000 17448,359 0,000 Tổng 51617,115 51359,540 257,572 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 56 - B. Công đoạn ly tâm – rửa nhựa: Bảng 8: Cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất trong công đoạn ly tâm – rửa nhựa (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 30791,228 3455,121 27336,107 Nước rửa nhựa 120701,042 0,000 120701,042 PVC 17448,359 17275,603 172,756 Tổng 168940,629 20730,724 148209,905 C. Công đoạn sấy và đóng bao: Bảng 9: Cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất trong công đoạn sấy và đóng bao (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 3455,121 51,724 3403,397 PVC 17275,603 17189,655 85,948 Tổng 20730,724 17241,379 3489,345 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 57 - V. Tính cân bằng vật chất cho một năm sản xuất: Năng suất làm việc trong 1 năm của hệ thống là 5000 tấn. Vậy ta có các bảng cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất trong các công đoạn khác nhau là: A. Công đoạn trùng hợp: Bảng 10: Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất trong công đoạn trùng hợp (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,96% 5982,736 892,946 29,765 POB 96% 6,232 6,201 0,031 PVA 95% 3,149 3,133 0,016 Na4P2O7.10H2O 95% 2,519 2,507 0,013 Nước cất 8974,328 8929,456 44,872 PVC 0,000 5060,024 0,000 Tổng 14968,963 14894,267 74,696 B. Công đoạn ly tâm – rửa nhựa: Bảng 11: Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất trong công đoạn ly tâm – rửa nhựa và rửa nhựa (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 8929,456 1001,985 7927,471 Nước rửa nhựa 35003,302 0,000 35003,302 PVC 5060,024 5009,925 50,099 Tổng 48992,783 6011,910 42980,873 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 58 - C. Công đoạn sấy và đóng bao: Bảng 12: Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất trong công đoạn sấy và đóng bao (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 1001,985 15,000 986,985 PVC 5009,925 4985,000 24,925 Tổng 6011,910 5000,000 1011,910 Bảng 13: Tiêu hao nguyên liệu với năng suất 5000 tấn/năm: Tên nguyên liệu 1 tấn (kg) 1 mẻ (kg) 1 ngày (kg) 1 năm (tấn) VC 99,96% 1196,547 3438,354 20630,122 5982,736 POB 96% 1,246 3,582 21,490 6,232 PVA 95% 0,630 1,810 10,858 3,149 Na4P2O7.10H2O 95% 0,504 1,448 8,687 2,519 Nước cất 1794,866 5157,660 30945,957 8974,328 Nước rửa nhựa 7000,660 20116,840 120701,042 35003,302 Tổng 9994,453 28719,693 172318,157 49972,266 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 59 - PHẦN 3. 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: i i GV = ρ∑ Trong đó: iG : Khối lượng của các cấu tử (kg) iρ : Khối lượng riêng của các cấu tử (kg/m3) ρi (kg/m3) Gi (kg) VC 970 3438,354 H2O 1000 5157,660 POB 973 3,582 PVA 973 1,810 Na4P2O7.10H2O 1836 1,448 3438,354 5157,660 3,582 1,810 1,448V 970 1000 973 973 1836 = + + + + = 3,545 + 5,158 + 0,004 + 0,002 + 0,001 = 8,709 m3 Dùng nồi với hệ số đầy η = 0,7 thì thể tích nồi cần thiết kế là: 3tb 8,709V 12,441 m 0,7 = = Chọn 3tbV 12,5 m= ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 60 - a. Đường kính thiết bị Thể tích thiết bị gồm các phần: tb n d thV V V V= + + Trong đó: nV : Thể tích nắp dV : Thể tích đáy thV : Thể tích thân hình trụ Đáy và nắp để đơn giản có thể coi như 2 chỏm cầu, xem thể tích của chúng bằng nhau: tb th dV V 2V= + Thân nồi là hình trụ: 2thV R h= π [23] R: Bán kính đáy: tDR 2 = 2 t th DV 4h π= Thể tích đáy (thể tích chỏm cầu): 2 2d h ' h 'V h ' (R ) (h ' 3R) 3 6 π= π − = + [23] Thay tDR 2 = vào ta có: 2 2d t h ' 3V (h ' D ) 6 4 π= + Với thiết bị thẳng đứng chọn h 30 D ≤ . Vậy ta chọn tt Dh D , h ' 4= = 2 2 3 t t t t d D D 3D D 1 3V ( ) ( ) 24 16 4 24 16 4 π π= + = + 3 3 3t t tb t D 2 D 1 3V ( ) 0,3175 D 4 24 16 4 π π= + + = π ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 61 - Với 3tbV 10 m= ta có: tb3 3t V 12,5D 2,323 0,3175 0,3175.3,14 = = =π m Quy chuẩn theo [12 – 359] tD 2400 mm= tD 2400h ' 600 mm 4 4 = = = th D 2400 mm= = Thể tích nồi quy theo tiêu chuẩn: 3 3tbV .2,4 .0,3175 13,787 m= π = b. Chiều cao thiết bị H h 2h ' 2,4 2.0,6 3,6 m= + = + = c. Chiều dày thiết bị Sử dụng loại thép không gỉ loại 0X21H6M2T với 6 2600.10 N/mkσ = 6 2300.10 N/mcσ = [12 – 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: tD PS C 2[ ] - P = +σ ϕ , m [12 – 360] Trong đó: Dt: Đường kính trong của nồi (m) φ : Hệ số bền của thành hình trụ heo phương dọc φ = 0,95 [12 - 362] P : Áp suất tính toán trong thiết bị (N/m2) [σ]: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền (hay giới hạn chảy) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 62 - + Tính ứng suất cho phép: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền được xác định theo công thức: kk k [ ] = n σσ η [12 – 355] Với Hệ số an toàn bền nk = 2,6 [12 – 356] Hệ số điều chỉnh η = 0,9 [12 – 356] 6 6 2 k 600.10[ ] = 0,9 207,692.10 N/m 2,6 σ = Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định theo công thức: cc c [ ] = n σσ η [12 – 355] Với cn = 1,5 η = 0,9 Suy ra [σc] = 180.106 N/m2 Trong hai giá trị, lấy giá trị nhỏ hơn để tính toán 6 2c[ ] = [ ] = 180.10 N/mσ σ + 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 = gHρ ) của cột chất lỏng: mP P gH= + ρ N/m2 [12 – 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 = 2,4 m ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3, được tính theo công thức: i i 1 a=ρ ρ∑ [13 – 5] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 63 - 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: VC 3438,354a 0,4 8602,854 = = 2H O 5157,660a 0,6 8602,854 = = POB 3,582a 0,000416 8602,854 = = PVA 1,810a 0,000210 8602,854 = = 4 2 7 2Na P O .10H O 1,448a 0,000168 8602,854 = = 41 10,12.10−=ρ Vậy: 3987,848 kg/mρ = 5 2mP P gH 8,232.10 N/m= + ρ = Do 6 5 [ ] 180.10 0,95 207,71 50 P 8,232.10 σ ϕ = = > Nên bỏ qua P ở mẫu số, ta có chiều dày thân hình trụ: 5 3t 6 D P 2,4.8,232.10S C C 5,78.10 C 2[ ] 2.180.10 .0,95 −= + = + = +σ ϕ C : Hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai âm về chiều dày. Lấy C1 = 0,001 m C2 = 0 C3 = 0,0008 m 3 3 3S 5,78.10 1,8.10 7,58.10 m− − −= + = Quy chuẩn S = 8 mm [12 – 364] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 64 - Kiểm tra lại khả năng chịu áp suất ta kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bởi công thức: t o c[D (S C)]P 2(S C) 1,2 + − σσ = ≤− ϕ , N/m 2 [12 – 365] Áp suất thử tính toán Po được xác định theo công thức: o th 1P P P= + Pth : Áp suất thử thủy lực tính theo [12 – 358] 5 thP 1,5P 12,349.10= = N/m2` P1 : Áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị 1P gH= ρ ρ : Khối lượng riêng của nước ρ = 1000 kg/m3 H : Chiều cao cực đại của cột chất lỏng H = h = 2,4 m P1 = 0,233.105 N/m2 Po = 12,349.105 + 0,233.105 = 12,58.105 N/m2 Cùng với Dt = 2,4 m; S – C = 0,0062 m; φ = 0,95; σc = 300.106 N/m2 Thay vào biểu thức ta có: σ = 257.106 N/m2 6 6 2c 300.10 250.10 N/m 1,2 1,2 σ = = Vì c 1,2 σσ > nên điều kiện không thỏa mãn. Ta chọn lại chiều dày thân thiết bị lấy S = 8 + 2 = 10 mm. Sau đó lại kiểm tra lại khả năng chịu áp suất theo công thức trên: t o c[D (S C)]P 2(S C) 1,2 + − σσ = ≤− ϕ , N/m 2 [12 – 365] Trong đó: Các số liệu khác vẫn giữ nguyên, chỉ có: S – C = 0,01 – 0,0018 = 0,0082 mm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 65 - h hb Dt s Thay vào công thức trên ta tính được: σ = 194,47.106 N/m2 < 6 2c 250.10 N/m 1,2 σ = Vậy ta chọn chiều dày thân thiết bị là 10 mm. + Chiều dày đáy thiết bị: Chiều dày đáy lấy bằng chiều dày thân nếu điều kiện thử sau được thỏa mãn: 2 t b o c h b [D + 2h (S C)]P 7,6k h (S C) 1,2 − σσ = ≤ϕ − 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 = 2,4 m; hb = 0,25Dt = 0,6 m; φh = 0,95; S – C = 0,0082 m; Po = 12,58.105 N/m2; k = 1. Do đó: σ = 204,358.106 N/m2 < 6 2c 250.10 N/m 1,2 σ = Vậy điều kiện thử thoả mãn nên: Sd = S = 10 mm Căn cứ vào các số liệu: Dt = 2400 mm hb = 600 mm h = 40 mm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 66 - Tra bảng XIII.10 trong [12 – 382] ta có: Bề mặt trong của đáy: F = 6,56 m2 Thể tích: V = 1991.10-3 m3 Tra bảng XIII.11 trong [12 – 384] ta được: Khối lượng của đáy elip: m = 519 kg d. Vỏ bọc nồi phản ứng Vỏ bọc nồi phản ứng được chế tạo bằng thép CT3 bằng cách hàn dọc thân. Tra bảng 17.1 tạ