Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC công suất 1000 tấn/năm

huỷ trong khi trùng hợp VC tạo ra HCl hoặc các phân tử PVC chứa nhóm không no hoặc nhóm cacbonyl và một lượng nhỏ cacbon monoxit, fomandehit . Các sản phẩm này làm giảm PH của môi trường và là nguyên nhân chính gây ăn mòn thiết bị. Các sản phẩm phụ chứa nhóm cacbonyl làm đổi màu sản phẩm giảm độ ổn định nhiệt cũng như các tính chất điện quang. Để tạo độ chân không đúng với yêu cầu ta phải dùng một số lượng rất lớn bơm chân không do vậy nên người ta thường sử dụng các bước hút chân không liên tiếp và giữa các bước đó có quá trình nạp nitơ hoăc cách khác là hút chân không thiết bị phản ứng có chứa nước nóng đến áp suất hơi của nước nhằm tạo ra một môi trường phản ứng hoàn toàn trơ. c. Tiến hành nạp monome VC. Sau khi vào thiết bị phản ứng vinyl clorua ở dạng lỏng phân tán trong nước do sự khuấy trộn. Tiến hành trùng hợp VC trong khoảng nhiệt độ 40- 480C. Tuỳ theo yêu cầu về tính chất của sản phẩm. Tuy nhiên với thể tích 100m3 trở lên ta chọn nhiệt độ trùng hợp khoảng 600C là thích hợp nhất cho tất cả vấn đề truyền nhiệt, trọng lượng phân tử, năng suất thiết bị. d. Đun nóng thiết bị phản ứng. Đun nóng thiết bị phản ứng trùng hợp đến 600C bằng hỗn hợp nước và hơi trong vỏ áo nồi phản ứng và giữ nguyên nhiệt độ đó cho đến hết quá trình phản ứng, nếu có sự điều chỉnh lên xuống ta dùng nước tuần hoàn ở ngoài vỏ thiết bị, tránh hiện tượng nhiệt quá cao hay quá thấp trong qúa trình phản ứng. Do vậy trước khi phản ứng xảy ra ta phải khuấy mạnh để đạt được cân bằng cho hệ huyền phù. e. Ổn định nhiệt độ và áp suất. Khi quá trình phản ứng xảy ra thì nhiệt độ trong thiết bị sẽ tăng, do đó ta phải duy trì nhiệt độ bằng nước lạnh tuần hoàn ở ngoài vỏ áo nồi phản ứng. Áp suất nồi phản ứng duy trì trong khoảng 6,3 atm (ở 400C) đến 8 atm (ở 800C) cho đến khi áp suất trong thiết bị giảm xuống bằng áp suất hơi cân bằng VC/PVC. Lúc này độ chuyển hoá đã đạt đến 80% không còn VC tự do, trong một số trường hợp ngay sau khi kết thúc polyme hoá, tức là áp suất bắt đầu giảm thì người ta đưa vào một lượng nhỏ chất hãm để ngừng polyme hoá trong các giai đoạn tiếp theo. f. Tháo sản phẩm. Loại bỏ VC còn lại trong thiết bị bằng cách giảm áp suất trong nồi phản ứng, VC được tách ngay trong nồi phản ứng hoặc đưa sang thiết bị tách. Tháo sản phẩm: phản ứng kết thúc PVC ở trạng thái bột nhão sau khi đã loại bỏ monome VC cho qua thiết bị trao đổi nhiệt để tiếp liệu và tiếp tục qua máy ly tâm khoảng 20%, sau đó qua thiết bị sấy để loại bỏ các hạt quá to sau đó được đóng bao. g. Làm sạch nồi phản ứng Vấn đề làm sạch nồi phản ứng rất quan trọng vì trong quá trình phản ứng các polyme tạo thành bám vào bề mặt trong của thiết bị phản ứng gây cản trở sự truyền nhiệt, làm giảm chất lượng polyme, làm tắc van…điều đó bắt buộc phải được làm sạch các thiết bị theo định kỳ giữa các mẻ. Hiện nay trong các dây chuyền sản xuất được tự động hoá cao người ta sử dụng vòi phun nước cao áp (khoảng 300 atm) để làm sạch đầu vòi phun được đặt bên trong thiết bị phản ứng, có thể di chuyên lên xuống hoặc quay thay thế cho công nhân khỏi chui vào thiết bị phản ứng để cọ sạch. * Giai đoạn làm sạch nhựa PVC: Sản phẩm PVC sau khi trùng hợp có rất nhiều chất bẩn dính lẫn vào như keo bảo vệ, VC không phản ứng và nước do đó cần được làm sạch. - Xử lý kiềm: với sự có mặt của NaOH sẽ làm phân huỷ các gốc của chất khởi đầu và chất ổn định tạo thành các loại muối natri để hoà tan vào nước để keo tụ nhựa và tăng tính ổn định nhiệt của nhựa. Nếu keo bảo vệ là gelatin ta xử lý bằng kiềm khoảng 10% kiềm tác dụng với keo bảo vệ tạo thành các muối tan trong nước. NH2 - R - COOH + NaOH ® NH2 - R - COONa + H2O Chất khởi đầu là peoxit benzoil thì: 2(C6H5COO)2 + 4NaOH 4C6H5COONa + 2H2O + O2 Quá trình xử lý kiềm thực hiện ở nhiệt độ nhỏ hơn 950C trong .2 giờ. - Tách VC: có thể tách VC ngay trong thiết bị phản ứng hoặc đưa sang thiết bị tách để rút ngắn chu kỳ một mẻ phản ứng. VC tách ngay trong thiết bị phản ứng: Đun nóng hơi nước lên 80¸1000C, VC khuyếch tán sang hơi nước, hỗn hợp này được hút ra nhờ chân không và phân ly sau khi ngưng tụ. Phương pháp này tốn kém nên ít được sử dụng, hơn nữa làm tăng thời gian cho quá trình phản ứng. VC đưa sang thiết bị tách: tách qua cột liên tục PVC/VC và nước đi từ trên xuống, hơi nước đi từ dưới lên. Hỗn hợp hơi và VC tách ra, được hút lên bằng bơm, PVC và nước đi xuống phía dưới, hàm lượng VC còn lại khoảng 3%. Nếu tăng nhiệt độ của quá trình thì hàm lượng có thể giảm xuống đến 1%. - Ly tâm và rửa nhựa: dùng nước 60¸700C để rửa nhựa trong thiết bị thân hình trụ, đáy nón làm bằng thép không rỉ phía trong có lắp cánh khuấy. Polyme lẫn trong nước được rửa bằng nước nóng 600C từ thùng lường, sau khi polyme lắng xuống cho nước bẩn chảy vào đường thải. Thực hiện quá trình rửa nhựa như vậy từ 5¸6 lần theo tỉ lệ 0,6¸0,7 hỗn hợp polyme /nước. Đến lần cuối cùng của quá trình rửa ta không phải tách nước nữa mà cho từng phần nhỏ vào máy ly tâm để tách nước. Hàm ẩm của bột PVC sau khi ly tâm khoảng 16¸22%. - Quá trình sấy khô: sấy nhựa PVC trên băng chuyền hay dùng thiết bị kiểu tầng sôi, thiết bị sấy phun, thiết bị sấy thùng quay nhiệt độ không khí sấy 120¸1400C. Hàm ẩm sau khi sấy khô nhỏ hơn 0,3%, PVC sau khi sấy qua hệ thống xyclon thu hồi, tuỳ thuộc vào yêu cầu, kích thước và phân bố kích thước bột PVC ta tiến hành theo các bước như sàng nghiền…rồi sau đó đóng bao và lưu kho. CHƯƠNG V: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC 1. Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù. Nguyên liệu được cho vào như sau: nước cất được bơm lên từ thùng chứa (1) lên thùng lường (2) tai dây lượng nước được lường với khối lượng đã định sẵn. Nước từ thùng lường (2) được đưa vào nồi phản ứng chính (4) . chất nhũ hóa và chất khởi đầu sau khi định lượng cho vào thùng (3) . Chất nhũ hóa và chất khởi đầu cho vào thiết phản ứng chính (4) . Chất ổn định PH được đinh lượng sau đó cho vào thiết bị phản ứng chính (4). Bước tiếp theo ta ding khí N2 đuổi hết không khí trong thiết bị phản ứng chính ra để tạo môi trường khí trơ trong thiết bị. Sau đó VC được bơm từ thùng chứa (5) lên thùng lường (6) với lương đã định va tiếp theo cho vào thiết bị phản ứng chính (4). Tại thiết bị phản ứng chính phản ứng trùng hợp qua 3 bước: Trước hết dùng nước nóng 70 – 80 oC đun nóng dần hỗn hợp phản ứng lên đến 40 – 70 o C và đưa áp suất trong nồi lên 5 – 8 at để kích động phản ứng trùng hợp .Tùy theo từng loại nhựa theo yêu cầu sản xuất mà ta cần quy định rõ về nhiệt độ và áp suất thích ứng.Tiếp theo dùng nước lạnh duy trì thật đúng nhiệt độ và áp suất đã quy định để cho phản ứng trùng hợp tiếp tục phát triển mạch cao phân tử. (Nhiệt độ không được sai quá 1 o C , áp suất không sai quá 0,1kg/cm2).Thời gian phát triển mạch 20 h . khi áp suất giảm dưới mức quy định thì tăng dần nhiệt độ lên 60 – 70 o C để làm đứt mạch . Đến khi áp suất còn 2 – 3 at thì coi như phản ứng trùng hợp đã hoàn thành. Trùng hợp xong dùng khí nén chuyển cả khối phản ứng sang thiết bị thổi bay (6). Tại đây dung khí nén thổi tập trung VC không tham gia phản ứng vào thiết bị thu hồi VC (7), phần còn lại được đưa vào thiết bị xử lý kiềm(8). ở đây dùng dd kiềm loãng 15%. Sau khi xử lý kiềm xong chuyển sang thiết bị ly tâm (9) , đây là giai đoạn ly tâm và rửa nhựa.Dùng nước nóng 60 -70 oC để rửa , ly tâm thật sạch cho đến phản ứng trung hòa. Hàm ẩm của PVC sau khi ly tâm rửa nhựa vào khoảng 16 – 22%. Bước tiếp theo PVC được chuyển sang thiết bị sấy tầng sôi (10) . PVC được sấy đến độ ẩm xác định thì được chuyển qua thiết bị đóng bao (11) và lưu kho. 2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù. Sơ đồ sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù PHẦN II TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1. TÍNH NĂNG SUẤT TRONG MỘT NGÀY LÀM VIỆC. Thời gian làm việc được xác định dựa trên số ngày trong năm trừ đi số ngày được nghỉ. Số ngày nghỉ lễ tết: 8 ngày Số ngày nghỉ sửa chữa nhỏ: 15 ngày Số ngày nghỉ sửa chữa lớn: 20 ngày Số ngày nghỉ chủ nhật: 52 ngày Tổng số 95 ngày Vậy số ngày làm việc trong 1 năm là 365 - 95 = 270 ngày Năng suất làm việc trong một ngày là (tấn/ngày) 2.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO 1 NĂM SẢN XUẤT TƯƠNG ỨNG 1000 TẤN SẢN PHẨM Căn cứ vào đơn phối liệu sử dụng ta có tỷ lệ các chất là. Tên VC Nước Phần khối lượng = 100 = 150 Keo PVA 95% = 0,15 Khơi mào POB 96% = 0,08 Chất đệm H3PO4 89%/VC = 0,4 1.1. Công đoạn trùng hợp a. Tính lượng VC và chất khơi mào Do độ ẩm trong nhựa là 0,3% nên lượng PVC khô trong một nghìn tấn sản phẩm . (tấn) Hao hụt trong toàn bộ quá trình bao gồm: Công đoạn sấy - đóng bao: 0,1% Giai đoạn ly tâm và rửa nhựa: 0,3% Giai đoạn xử lý kiềm: 0,5% Giai đoạn trùng hợp: 0,3% Giai đoạn chuẩn bị - lường: 0,1%. - Hao hụt của quá trình sấy - đóng bao. Lượng PVC trước khi sấy là: (tấn) Vậy lượng PVC hao hụt do sấy là 0,1%.997 = 0,997 (tấn) - Hao hụt của quá trình ly tâm - rửa nhựa. Lượng PVC trước khi ly tâm là: (tấn) Lượng PVC hao hụt do ly tâm và rửa nhựa 0,3%. 997,997 = 2,994 (tấn) - Hao hụt do xử lý kiềm Lượng PVC trước khi xử lý kiềm là: (tấn) Lượng PVC hao hụt do xử lý kiềm 0,5%.1000,99 = 5,005 (tấn) -Hao hụt do trùng hợp Lượng PVC trước khi chuyển sang giai đoạn sử lý kiềm là: (tấn) Từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm mất mát là: 0,3%.1005,99 = 3,01 (tấn) Lượng PVC trên là do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Với độ hao hụt trong quá trình trùng hợp là 1%( lượng VC hao hụt 1% ), do đó Lượng VC đã tham gia phản ứng là: (tấn) Do độ chuyển hoá là 90% vậy lượng VC ta ban đầu là: (tấn) Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là) 1132 - 1019 = 113 (tấn) Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC thực tế cần dùng là: (tấn) Lượng VC do quá trình lường (tấn) Lượng VC hao hụt do quá trình lường là 1134,26 - 1133,1 = 1,16 (tấn) Do lượng VC tham gia chuyển hoá là 90% và tiêu hao trong quá trinh hồi lưu là 0,5 % .Vậy lượng VC hồi lưu lại là 9,5% khối lượng tham gia phản ứng cho nên lượng VC cần dùng cho 1 năm sản xuất là: 1133,1 – 9,5%.1133,1 = 1025,4555 (tấn) Lượng chất khởi đầu tham gia vào quá trình chuyển hoá = 0,906 (tấn) Hiệu suất trùng hợp 90% do đó lượng chất khởi đầu đã chuyển hoá là: (tấn) Lượng chất khởi đầu không tham gia chuyển hoá là 0,906 - 0,8154 = 0,0906 (tấn) b. Lượng chất ổn định PVA Lượng chất ổn định bằng 0,15 phần khối lượng VC (tấn) Độ nguyên chất là 95%. Do đó lượng PVA cần dùng là (tấn) c. Lượng chất hiệu chỉnh pH môi trường Lượng chất điều chỉnh pH môi trường bằng 0,04 phần khối lượng VC, do đó lượng chất hiệu chỉnh pH là (tấn) d. Tính lượng nước cần dùng Lượng nước cần dùng để phản ứng theo tỷ lệ VC:H2O =1 : 1,5 Vậy lượng nước cần dùng là: 1133,1 x 1,5 = 1699,65 (tấn) Hao hụt do chuẩn bị lường là 0,1% Do đó lượng nước thực tế là: (tấn) Lượng nước tổn hao là: - 1699,65 = 1,69 (tấn) Lượng nước trực tiếp vào nồi là: (tấn) 1.2. Công đoạn xử lý kiềm Mục đích của công đoạn xử lý kiềm chủ yếu làm phân huỷ các gốc của chất khơi mào và chất ổn định (tạo thành các loại muối natri dễ hoà tan trong nước) để keo tụ nhựa và tăng tính ổn định nhiệt của nhựa Quá trình xử lý kiềm dùng dung dịch NaOH 15% theo tỷ lệ 300 (l)/100kg sản phẩm. Đối với 1 nghìn tấn sản phẩm ta phải dùng (tấn) Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15% là 1164 kg/m3 = 1,164 kg/dm3 Vậy khối lượng dung dịch NaOH 300. 1,164 = 3492(tấn) Lượng NaOH dùng để xử lý kiềm (tấn) Lượng nước dùng để pha dung dịch NaOH 15% là 3492-523,8 = 2968,2(tấn) 1.3.Công đoạn ly tâm và rửa nhựa Chúng ta tiến hành rửa hỗn hợp bằng nước nóng 60 - 700C ly tâm thật sạch cho đến khi phản ứng trung hoà. Tiến hành rửa nhựa 4 lần mỗi lần là 300l/200 kg sản phẩm vậy lượng nước cần dùng cho một lần rửa. (tấn) Lượng nước cần dùng để rửa hỗn hợp tương ứng với 1 tấn sản phẩm. 1503. 4 = 6012 (tấn) 1.4. Công đoạn sấy và đóng bao PVC khô trứơc quá trình sấy có độ ẩm 0,3% (tấn) 1.5. Tổng hợp các số liệu: Tổng lượng nước sử dụng cho cả quá trinh là: lượng nước phản ứng + lượng nước rửa: 1699,65 (tấn)+ 6012 (tấn) = 7711,65 (tấn) Bảng 1: Cân bằng vật chất cho 1 nghìn tấn phẩm (ĐV: tấn) Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 1025,4555 113 1,16 POB 96% 0,906 0,0906 0,00906 PVA 95% 1,789 1,77111 0,01789 H3PO4 89% 0,4532 0,448668 0,004532 Nước 7711,65 7634,5335 7,71165 NaOH 15% 3492 3457,08 3,492 PVC 1000 13 Tổng 12314,433 12206,92388 25,395132 3.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO 1 TẤN SẢN PHẨM Do 1 tấn = 1 nghìn kg cho lên phần tính cân bằng cho 1 tấn sẩn phẩm tương tự như tính cho 1000 tấn nhưng khác về đơn vị tính . Vậy ta có bảng cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm. Bảng 2: Cân bằng vật chất cho 1 tấn phẩm (ĐV: kg) Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 1024,5505 113 1,16 POB 96% 0,906 0,0906 0,00906 PVA 95% 1,789 1,77111 0,01789 H3PO4 89% 0,4532 0,448668 0,004532 Nước 7711,65 7634,5335 7,71165 NaOH 15% 3492 3457,08 3,492 PVC 1000 9 Tổng 12314,433 12206,92388 26,935132 4. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO MỘT MẺ SẢN XUẤT Với năng suất 1000 tấn/năm. Chọn 1 thiết bị phản ứng làm việc . Số giờ làm việc của một năm là: 24. 270 = 6480 (h) Phân bố thời gian cho sản xuất một mẻ là: Thời gian vệ sinh thiết bị : 0,5 giờ Thời gian nạp liệu là: 0,5 giờ Thời gian phản ứng chính là: 22 giờ Thời gian thu hồi VC là: 1 giờ Thời gian rửa nhựa là : 1 giờ Thời gian sấy là: 2 giờ Thời gian đóng bao : 1 giờ Tổng thời gian 1 mẻ là : 28 giờ Số mẻ sản suất của một thiết bị trong 1 năm là: 6480 : 28 » 231 mẻ Do vậy mỗi mẻ 1 thiết bị làm việc đạt năng suất là: (tấn) 4.1. Công đoạn trùng hợp a. Tính lượng VC và chất khơi mào Do độ ẩm trong nhựa là 0,3% nên lượng PVC khô trong một mẻ sản phẩm . (tấn) Hao hụt trong toàn bộ quá trình bao gồm: Công đoạn sấy - đóng bao: 0,1% Giai đoạn ly tâm và rửa nhựa: 0,3% Giai đoạn xử lý kiềm: 0,5% Giai đoạn trùng hợp: 0,3% Giai đoạn chuẩn bị - lường: 0,1%. - Hao hụt của quá trình sấy - đóng bao. Lượng PVC trước khi sấy là: (tấn) Vậy lượng PVC hao hụt do sấy là 0,1%.= 0,.10-2 (tấn) - Hao hụt của quá trình ly tâm - rửa nhựa. Lượng PVC trước khi ly tâm là: (tấn) Lượng PVC hao hụt do ly tâm và rửa nhựa 0,3%.= 1,29828.10-2(tấn) - Hao hụt do xử lý kiềm Lượng PVC trước khi xử lý kiềm là: (tấn) Lượng PVC hao hụt do xử lý kiềm: 0,5%. = 2,174619.10-2 (tấn) Tổng lượng PVC hao hụt 0,9%.=3,87931032.10-2(tấn) -Hao hụt do trùng hợp Lượng PVC trước khi chuyển sang giai đoạn sử lý kiềm là: (tấn) Từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm mất mát là: 0,3%. = 1,3086.10-2 (tấn) Lượng PVC trên là do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Với độ hao hụt trong quá trình trùng hợp là 1%( lượng VC hao hụt 1% ), do đó Lượng VC đã tham gia phản ứng là: (tấn) Lượng VC ta cần ban đầu là: (tấn) Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là) 10%. = 0, (tấn) Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC thực tế cần dùng là: (tấn) Lượng VC do trước quá trình lường (tấn) Lượng VC hao hụt do quá trình lường là 0,1%.=0,.10-2 (tấn) Lượng chất khởi đầu tham gia vào quá trình chuyển hoá = 3,91285.10-3 (tấn) Hiệu suất trùng hợp 90% do đó lượng chất khởi đầu đã chuyển hoá là: (tấn) Lượng chất khởi đầu không tham gia chuyển hoá là 10%.3,91285.10-3 = 0,391285.10-3 (tấn) b. Lượng chất ổn định PVA Lượng chất ổn định bằng 0,15 phần khối lượng VC (tấn) Độ nguyên chất là 95%. Do đó lượng PVA cần dùng là (tấn) c. Lượng chất hiệu chỉnh pH môi trường Lượng chất điều chỉnh pH môi trường bằng 0,04 phần khối lượng VC, do đó lượng chất hiệu chỉnh pH là (tấn) d. Tính lượng nước cần dùng Lượng nước cần dùng để phản ứng theo tỷ lệ VC:H2O =1 : 1,5 Vậy lượng nước cần dùng là: x 1,5 =7,336599 (tấn) Hao hụt do chuẩn bị lường là 0,1% Do đó lượng nước thực tế là: (tấn) Lượng nước tổn hao là: 0.1%. = .10-3 (tấn) Lượng nước trực tiếp vào nồi là: (tấn) 4.2. Công đoạn xử lý kiềm Mục đích của công đoạn xử lý kiềm chủ yếu làm phân huỷ các gốc của chất khơi mào và chất ổn định (tạo thành các loại muối natri dễ hoà tan trong nước) để keo tụ nhựa và tăng tính ổn định nhiệt của nhựa Quá trình xử lý kiềm dùng dung dịch NaOH 15% theo tỷ lệ 300 (l)/100kg sản phẩm. Đối với 1 mẻ sản phẩm ta phải dùng (tấn) Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15% là 1164 kg/m3 = 1,164 kg/dm3 Vậy khối lượng dung dịch NaOH . 1,164 = 15,051724(tấn) Lượng NaOH dùng để xử lý kiềm (tấn) Lượng nước dùng để pha dung dịch NaOH 15% là 15,051724- = 12,793965(tấn) 4.3.Công đoạn ly tâm và rửa nhựa Chúng ta tiến hành rửa hỗn hợp bằng nước nóng 60 - 700C ly tâm thật sạch cho đến khi phản ứng trung hoà. Tiến hành rửa nhựa 4 lần mỗi lần là 300l/200 kg sản phẩm vậy lượng nước cần dùng cho một lần rửa. (tấn) Lượng nước cần dùng để rửa hỗn hợp tương ứng với mẻ sản phẩm. 6,4914. 4 = 25,9656 (tấn) 4.4. Công đoạn sấy và đóng bao PVC khô trước quá trình sấy có độ ẩm 0,3% (tấn) 4.5. Tổng hợp các số liệu: Tổng lượng nước sử dụng cho cả quá trinh là: lượng nước phản ứng + lượng nước rửa: (tấn)+ 25,9656 (tấn) = 33,3095356 (tấn). Bảng 3: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm (ĐV: tấn) Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 0,.10-2 POB 96% 3,91285.10-3 0,391285.10-3 0,0391285.10-3 PVA 95% 7,6455086.10-3 0, H3PO4 89% 1,93686210-3 0,0 Nước 33,3095356 32,976440 0,0333095356 NaOH 15% 15,051724 14,901206 0,015051724 PVC 4,3103448 0.038793 Tổng 53,2659116 52,687070 0,92866825.10-3 PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CÂN BẰNG NHIỆT 1.TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH. 1.1. Chọn thiết bị Có rất nhiều thiết bị được dùng trong dây chuyền sản xuất các hợp chất hữu cơ. Thiết bị trùng hợp VC thường được chọn là thiết bị dạng thùng được dùng để thực hiện các phản ứng trong pha lỏng và có cánh khuấy để tăng cường sự khuếch tán trộn lẫn, tiếp xúc pha, tăng khả năng truyền nhiệt. Ta chọn thiết bị loại 2 vỏ để trùng hợp VC vì khi trùng hợp sản phẩm PVC có thể bám lên thành thiết bị nên khi sử dụng thiết bị này việc lấy, cấp nhiệt thuận lợi hơn. Xác định kích thước hình học - Thể tích vùng phản ứng VR = Vvc + (Do lượng chât khổi đầu , chất đệm , chất ổn định rất nhỏ so với nước và VC lên có thể bỏ qua phần thể tích này) Trong đó: VVC: thể tích của VC (m3) : thể tích của nước (m3) VR: thể tích của hỗn hợp (m3) Þ VR = VVC + = Ta có tỷ lệ: Þ = 1,5mvc Giả thiết khối lượng các chất khởi đầu, chất nhũ hoá rất nhỏ so với khối lượng của vinylclorua. mvc = 4,891066 (tấn) Þ = 1,5 mvc = 7,336599 (tấn) Thể tích VC trong thiết bị (m3) ở nhiệt độ phản ứng tra bảng [4] ta được khối lượng riêng của nước. (kg/m3) Þ Thể tích nước trong thiết bị Vậy thể tích chứa của thiết bị khi chưa kể đến chất khởi đầu, chất nhũ hoá. VR = Vvc + = 5,04234 + 7,34946 = 12,3918 (m3) Dùng nồi có hệ số điền đầy n = 0,7 thì thể tích nồi cần thiết là. = 5,23375 (m3) - 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 = Dt, h’ = nên ta có: Vđ = Do đó Vtb = Vth + 2 Vđ = = 1,01265 Þ Quy chuẩn Dt = 2,6 (m) Thể tích nồi theo quy chuẩn Vtb = 1,01265. (2,6)3 = 17,973 (m3) Với Dt = 2,6 ta có diện tích mặt cắt ngang của phần hình trụ - Chiều cao phần hỗn hợp phản ứng trong thiết bị Hhh = - Chiều cao phần thân thiết bị h = Dt = 2,6 (m) - Chọn đấy và nắp thiết bị là hình elip, chọn bán trục dài bán trục ngắn h' = 0,25. 2600 = 650 (mm) Þ Phần thể tích của đáy và nắp thiết bị Vđ = Vn = = 2,299 (m3) Vậy chiều cao thiết bị: H= h + 2h' = 2,6 + 2. 0,65 = 3,9 (m) Số liệu: Dt = 2600 mm H = 3900 mm h' = 650 mm a = 1300 mm Vđ = 2,299 (m3) Vtb =17,973 (m3) 1.2. Tính chiều dày thiết bị Chọn vật liệu làm thiết bị: OX21H6M2T Nhiệt độ phản ứng t = 400C, áp suất p = 8 at Nhiệt độ nước gia nhiệt tn = 1320C, áp suất p = 2,5at Chiều dày thân thiết bị được xác định theo công thức (XIII.9) của [7] Trong đó: Dt: đường kính trong của nồi j: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C: đại lượng bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai âm về chiều dày C = C1 + C2 + C3 C1: bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu C1 = 1mm C2: bổ sung do bào mòn C2 = 1mm(0,001m) C3: đại lượng bổ sung do dung sai âm của chiều dày P: áp suất trong thiết bị P = 8at = 8.105N/m2 [s] : ứng suất cho phép theo giới hạn bền - Thiết bị sử dụng loại thép không gỉ OX21H6M2T. Nên ứng suất cho phép giới hạn chảy của thép không gỉ xác định theo công thức. Tra bảng [XII.4] của (7) ta có: (N/m2) (N/m2) nK = 2,6 nc = 1,5 = 1 Ứng suất cho phép khi kéo = 230,77.106 (N/m2) Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy = 200.106 (N/m2) Ta chọn ứng suất cho phép theo giới hạn chảy để tính toán. (N/m2) Tra bảng (XI) của [7] ta có Vì Do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở dưới mẫu số Þ = = 0,007473 + C3 Ta chọn C3 = 0,0002 (m) Khi đó: S = 0,007473 + 0,0002 = 0,007673 (m) Quy chuẩn S = 0,0080 (m) = 8 (mm) - Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thuỷ lực. P0 = Pth + Pt Trong đó: Pth: áp suất thuỷ lực Pth = 1,5. P = 1,5. 8. 105 = 12. 105 (N/m2) Pt: áp suất thuỷ tĩnh của nước, xác định theo công thức Pt = = 1000 kg/m3 g = 9,81 H = 3,9 (m) Pt = 1000. 9,81. 3,9 = 38259 N/m3 P0 = 12. 105 + 38259 =12,38259. 105 N/m3 Ta có công thức kiểm tra ứng suất của thành = So sánh Ta thấy thiết bị thoả mãn điều kiện kiểm tra đảm bảo cho thiết kế. Vậy thân thiết bị có chiều dày S = 8 (mm) 1.3. Tính chiều dầy đáy và nắp thiết bị. Ta có hb ³ 2. S = 12 (mm) Þ chọn hb = 30 (mm) Chiều dày St của đáy thoả mãn điều kiện bền sau: (XIII. 47) của [7] Trong đó: Dt: đường kính trong thiết bị, Dt = 2,6 (m) K: hệ số không thứ nguyên K = : hệ số mối hàn hướng tâm lấy = 1 P: áp suất làm việc của thiết bị P = 8.105 (N/m2) Þ = 0,0087421 (m) Þ Chọn Sđ = 10 (mm) 1.4. Chọn cơ cấu khuấy Quá trình khuấy trộn cơ học các chất lỏng được thực hiện nhờ cơ cấu khuấy. Trong công nghiệp có rất nhiều dạng cánh khuấy thường gặp các dạng cánh khuấy như cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy kiểu chong chóng, tua bin kín, tua bin hơi. Hầu hết các chất keo được sử dụng để làm tăng cường sự ổn định cho giọt VC rất có hiệu quả. Các chất này làm cho VC rất khó kết hợp với nhau. Do khối lượng riêng của PVC khác khối lượng riêng của VC nên giọt VC kém ổn định. Khuấy trộn dễ điều khiển được sự kết hợp tạo PVC, tăng cường truyền nhiệt. Trong sản xuất PVC người ta thường dùng cánh khuấy kiểu mái chèo, nghiêng 45. 1.4.1. Tính chọn các kích thước cánh khuấy. - Sơ đồ cấu tạo cánh khuấy. - Đường kính cánh khuấy thường ở khoảng. dk = (0,5 ® 0,7). D chọn dk = 0,5. 2,6 = 1,3 (m) = 1300 (mm) - Chiều cao cánh khuấy b = (0,08 ® 0,12). dk chọn b = 100 (mm) - Chọn số tầng cánh khuấy: 3 tầng - Số cánh trên một tầng khuấy: 4 cánh - Khoảng cách từ cơ cấu khuấy dưới đến đáy thùng h = 0,2. Dk = 440 mm Khoảng cách giữa 2 cơ cấu khuấy: 600mm 1.4.2. Tính số vòng quay của cánh khuấy Theo bảng (IV - 6) ta có số vòng quay thích hợp của cơ cấu khấy là: n = 0,58 (v/s) 1.4.3. Tính công suất cơ cấu khuấy N = N1 + N2 Ta có hệ số công suất khuấy S = Trong đó: h: độ nhớt của hệ huyền phù h = hhp = h0 (1 + 4,5x) x: phần thể tích của pha rắn trong huyền phù x = h0: độ nhớt của của môi trường (pha liên tục) h0 = = 0,4688.10-3 (Ns/m2) Þ hhp = h0 (1 + 4,5x) = 0,4688.10-3 (1 + 4,5.0,0818) = 0,64.10-3 (Ns/m3) Þ S = h. n2. d3k =0,64.10-3. 0,582. 1,30 =0,284.10-3 Q: hệ số không thứ nguyên Q = 2,1. 10-2 : chuẩn số reynold của hệ huyền phù theo công thức (1-2) của [6] xP: nồng độ khối lượng của VC xL: nồng độ khối lượng của H2O Ta tính được xp = 1/3 và xL = 2/3 rp: khối lượng riêng của pha rắn rp = rpvc = 1450 (kg/m3) rl: khối lượng riêng của nước rl = = 983,24 (kg/m3) Þ rhp = 1101,42 (kg/m3) Þ Þ Q = 2,1.10-2. = 2,1. Þ N1 = 0,736. S. = 1,62 (KW) Þ N2 = 0,7N1 = 0,7. 1,61 = 1,134 (KW) N = N1 + N2 = 1,62 + 1,134 = 2,754 (KW) 1.4.4. Công suất cơ cấu khuấy Đề duy trì được hệ huyền phù thì công suất khuấy của động cơ phải lớn hơn công suất duy trì hệ huyền phù. N = 2,754, (KW) Theo công thức: Trong đó: åq: tổng các hệ số tăng công suất trong thiết bị có đặt cánh tăng khuấy nên ta có åq = (10 ® 15)%. Chọn åq = 10% h: hệ số truyền động Nđ: công suất tiêu hao do lớp đệm Chưa xét đến công suất tiêu hao do lớp đệm ta có công suất động cơ. NĐC = (1 +åQ). NIC = (1 + 0,1). 2,754 = 3,0294 (KW) 1.5. Vỏ nồi phản ứng Vỏ bọc nồi phản ứng được chế tạo bằng thép CT3 bằng cách hàn dọc thân. Tra bảng 17.1 tại [12 – 486] ta có các thông số sau về vỏ bọc: Dt Dp D H h h1 a s S1 mm 2600 2800 220 2895 80 160 40 8 10 Dt: Đường kính trong nồi phản ứng. Dp: Đường kính trong của vỏ. H: Chiều cao phần vỏ. h: Khoảng cách từ vỏ tới bích. s: Chiều dày của vỏ thân hình trụ. S1: Chiều dày của vỏ ở đáy. 1.6.Chiều dầy lớp bảo ôn. Lớp bả