Cân bằng vật chất phanngoclai 1 nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm

CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT1.1 Các số liệu ban đầu

- Năng suất 30.000 tấn/năm

+ Mất mát glycol (do bay hơi): 10% so với khối lượng của chúng  Số ngày trong năm là: 365 ngày

 Số ngày nghỉ lễ, tết là 10 ngày.

 Số ngày nghỉ bảo dưỡng máy móc, cúp điện là 15 ngày Vậy, số ngày làm việc trong năm là: 365 – (10 + 15) = 340 (ngày)

Quá trình sản xuất gián đoạn nên thời gian sản xuất tính theo mẻ Thời gian sản xuất gồm:

 Nạp liệu ở 250C trong vòng 15 phút

 Gia nhiệt hỗn hợp glycol từ 25 - 70oC trong 15 phút.

 Nạp AM, AP và đun hỗn hợp lên đến nhiệt độ sôi (200oC) trong 30 phút  Nhiệt độ hỗn hợp giảm xuống 170oC trong 90 phút.

 Duy trì nhiệt độ 170oC trong 20 phút.

 Tăng nhiệt độ lên đến nhiệt độ đa tụ ở 205oC trong 30 phút  Thực hiện phản ứng đa tụ trong 4 giờ

 Tháo sản phẩm, vệ sinh thiết bị 40 phút

Thời gian tổng cộng là 480 phút, khoảng 8h Do đó mỗi ngày sản xuất được 3 mẻ và năng suất mỗi mẻ là:

340×3 = 29,4118 (tấn/mẻ)

1.2 Tính cân bằng cho một tấn sản phẩm

Hiệu suất của quá trình: Theo phương trình Carother:

 DPn= 2−fP2

Mà f = fCHO∗NCHO+fOH∗NCHO

NCHO+NOH (Trong đó: f là số nhóm chức, N số mol của nhóm chức đó)

= 2(1,2+0,8 )+2(1,3+0,7)2+2 (Số mol lấy theo tỷ lệ các cấu tử) = 2.

Suy ra: DPn = 1−P1

Mà DPn=n là độ trùng ngưng của quá trình tổng hợp.

UPE có công thức phân tử (C17H16O8)n Nên UPE có khối lượng mol = 284n Khối lượng mol của UPE = 2000 (Tài liệu tham khảo)

Suy ra 284n = 2000 → n = 7,04 (=DPn)

→P = 0,858 (= 85,7%).

1.2.1 Lượng nguyên liệu cần dùng

Để đơn giản, ta tính toán cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm, từ đó suy ra cân bằng cho 1 mẻ và 1 năm sản xuất.

Theo yêu cầu đề tài, tỉ lệ giữa các cấu tử thành phần tham gia phản ứng là: AM : AP : EG : PG = 1,2 : 0,8 : 1,3 : 0,7

Giả sử nguyên liệu là tinh khiết và hiệu suất tạo nhựa là 85,7% Gọi số mol trong 1 tấn sản phẩm là n, ta có tỉ lệ như sau:

Tổn hao trong quá trình đóng thùng sản phẩm là 0,1% nên lượng dung dịch nhựa trước đóng gói là: mnhựa = 1000×

100 =1 001 (kg)

Lượng nhựa bị tổn hao ở quá trình này là: mtổn hao 1 = 1001 – 1000 = 1 (kg)

Tổn hao trong quá trình lọc là 0,05% nên lượng dung dịch nhựa trước khi lọc là:

Tổn hao trong quá trình tương hợp với styren là 0,15% nên lượng dung dịch nhựa trước tương hợp là: mnhựa = 1001,5005×

Do đó, lượng nhựa UPE là: mnhựa UPE= 1003,0028 – 351,0510 = 651,9518 (kg)

Vì hàm lượng hydroquinon cho vào ở quá trình tương hợp là 0,01% khối lượng nhựa, nên trong 651,9518 (kg) nhựa thì lượng hydroquinon (HQ2) chiếm:

mHQ2 =

100 ×651,9518 =0,0652 (kg)

Do đó, lượng nhựa UPE + HQ1 là: mnhựa = 651,9518 – 0,0652 = 651,8866 (kg)

Tổn hao trong quá trình tổng hợp là 0,25% nên lượng nhựa thực sự được tạo ra ở quá trình này là: mnhựa = 651,8866×

100+0 ,25

100 =653,5163 (kg) Lượng nhựa bị tổn hao ở quá trình này là:

mtổn hao 4 = 653,5163 – 651,8866 = 1,6297 (kg)

Vì hàm lượng hydroquinon HQ1 cho vào ở quá trình tổng hợp là 0,01% khối lượng nhựa, nên trong 653,5163 (kg) nhựa thì lượng hydroquinon HQ1 chiếm:

Ta khống chế điều kiện để thu được nhựa có chỉ số acid là 32 (nghĩa là 1 gam nhựa cần 32mg KOH để trung hòa hết lượng acid còn lại) Tức là 1kg nhựa cần 32.10-3 kg Ta có phản ứng trung hoà xảy ra như sau:

Do trong quá trình tạo nhựa các nhóm COOH không tham gia phản ứng hoàn toàn nên lượng nước tương ứng với các nhóm chức chưa phản ứng trong một tấn nhựa là:

mnước còn lại = 18 ¿ 0,3734 = 6,7212 (kg)

Vì phản ứng tạo nhựa ở giai đoạn đầu chưa có sự tách nước Nước chỉ thoát ra ở giai đoạn đa tụ sâu, các monoester và lượng nước này phụ thuộc vào phản ứng ester hóa giữa các anhydric với các diol tức là phụ thuộc vào tỉ lệ của các cấu tử anhydric thành phần Như vậy, ta có: mnước tách = 18 ¿ (1,2n + 0,8n) – 6,7212 → mnước tách = 36n – 6,7212

Từ (1) ta có: mnhựa = mng.l – mnước → mnhựa = 369,8n – (36n – 6,7212) (4) Từ (3) & (4) ta có biểu thức đồng nhất về khối lượng nhựa là:

Theo đề tài thì lượng glycol mất mát (do bay hơi) là 10% nên ta lấy dư glycol 10% so với khối lượng của chúng.

Do đó, lượng glycol lấy dư là:

1.2.2 Tính lượng xylen cần dùng để tách 63,0288 (kg) nước

Xylen tạo với nước hỗn hợp đẳng phí ở 89,4oC Trong đó, nước chiếm 19,6%, hỗn hợp xylen chiếm 80,4% Do đó, để tách hết 63,0288 (kg) nước trong 1 tấn nhựa sản

phẩm thì lượng xylen cần dùng là: mxylen =(63,0288 x 80,4)/19,6= 258,5467 (kg)

1.3 Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình

1.3.1 Cân bằng vật chất cho quá trình chuẩn bị nguyên liệu với tổn hao 0,05%

Vì tổn hao ở quá trình chuẩn bị nguyên liệu là 0,05% nên lượng nguyên liệu cần

chuẩn bị là:

Ta có bảng cân bằng vật chất cho quá trình chuẩn bị nguyên liệu để sản xuất 1 tấn nhựa UPE 35% styren như sau:

Bảng 1.1 Cân bằng vật chất cho 1 tấn nhựa của quá trình chuẩn bị nguyên liệu

1.3.2 Cân bằng vật chất cho quá trình tổng hợp với tổn hao 0,25%

Bảng 1.2 Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm của quá trình tổng hợp

1.3.3 Cân bằng vật chất cho quá trình tương hợp với tổn hao 0,15%

Bảng 1.3 Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm của quá trình tương hợp

1.3.4 Cân bằng vật chất cho quá trình lọc với tổn hao 0,05%

Bảng 1.4 Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm của quá trình lọc

1.3.5 Cân bằng vật chất cho quá trình đóng thùng với tổn hao 0,1%

Bảng 1.5 Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm của quá trình đóng gói

Cân bằng vật chất cho 1 tấn nhựa

Bảng 1.6 Cân bằng vật chất cho 1 tấn nhựa

Cân bằng vật chất cho 1 mẻ nhựa

Vì mỗi mẻ nhựa ta sản xuất được 29,4118 tấn Do đó, để tính cân bằng vật chất cho một mẻ nhựa, ta nhân bảng 1.6 với 29,4118 Ta được bảng 1.7

Bảng 1.7 Cân bằng vật chất cho 1 mẻ nhựa

1.6 Cân bằng vật chất cho 1 ngày sản xuất nhựa

Vì một ngày sản xuất được 3 mẻ Do đó, để tính cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất, ta nhân bảng 1.7 với 3 Ta được bảng 1.8

1.7 Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất nhựa

Vì một năm làm việc 340 ngày Do đó, để tính cân bằng vật chất cho một năm sản xuất, ta nhân bảng 1.8 với 340 Ta được bảng 1.9

Bảng 1.9 Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất nhựa

1.8 Tính lượng xylen cần dùng để tách nước trong 1 năm

Xylen tạo với nước hỗn hợp đẳng phí ở 89,4oC, trong đó nước chiếm 19,6% hỗn hợp Từ bảng cân bằng vật chất ta có lượng nước cần tách ra trong 1 mẻ là:

mnước = 1853,8000 (kg)

Lượng xylen cần dùng để tách nước trong 1 mẻ sản xuất là:

CHƯƠNG 2: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

Thiết bị chính của phân xưởng sản xuất nhựa UPE là thiết bị phản ứng hay là nồi

đa tụ Ta chọn vật liệu làm nồi là thép không gỉ, chịu nhiệt, loại X18H10T có hàm lượng

các chất trong thép như sau: cacbon 0,1%, crôm 18%, niken 10% Cấu tạo của nồi đatụ: Thân hình trụ, làm bằng thép tấm Đáy và nắp hình elip có gờ Cánh khuấy mỏ neochữ U Bích của thân là bích hàn, bích ở nắp là loại đúc sẵn Ghép nắp với thân bằngbulông Bên ngoài có lớp vỏ bọc bằng thép để chứa chất tải nhiệt là hỗn hợp diphenyl.

Ngoài ra, còn có lớp cách nhiệt bằng bông thuỷ tinh, áp kế, đồng hồ, bulong, bích …

2.1 Kích thước thiết bị phản ứng

Từ bảng cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm ta có khối lượng các nguyên liệu

AM, AP, EG, PG trong 1 mẻ lần lượt là (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Khối lượng nguyên liệu trong 1 mẻ

Thể tích nồi được tính khi lượng hỗn hợp phản ứng trong nồi là lớn nhất, lúc đó nguyên liệu được cho tất cả vào nồi phản ứng Vì khối lượng nguyên liệu lớn nên thể

tích nồi sẽ lớn Ta chia làm 2 nồi, khối lượng nguyên liệu mỗi nồi là (bảng 2.2)Bảng 2.2 Thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng

Nguyên liệu Lượng vào (kg) ρ (kg/m3) Thể tích (m3)

Trước khi tính thể tích nồi đa tụ ta phải tính thể tích nguyên liệu, thể tích nguyên

liệu được tính theo công thức sau: Vi =

Giρi

Trong đó: Gi là khối lượng cấu tử thứ i và ρi là khối lượng riêng cấu tử thứ i Tra khối lượng riêng của nguyên liệu trong sổ tay QT&TB tập1, ta có:

• Vnl: Thể tích nguyên liệu cho vào 1 nồi.

2.2 Kích thước nồi đa tụ

Vì nồi đa tụ có cấu tạo gồm thân hình trụ, đáy và nắp dạng elip có gờ nên thể tích được tính theo công thức:

H: Chiều cao của phần hình trụ (chọn nồi có H = 1,2Dt)

Vì đáy và nắp của nồi có dạng elip có gờ nên ta chọn phần gờ là 50 (mm) và phần lồi được tra theo bảng XIII.10 trang 382_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

• Chiều cao phần lồi: hb = 600 (mm)

• Thể tích đáy: Vđáy = 2,037 (m3)

• Diện tích đáy: Fđáy = 6,63 (m2)

2.3 Chiều dày thiết bị

Ta chọn thiết bị làm nồi phải có khả năng chịu nhiệt tốt và không bị ăn mòn Dựa vào bảng XIII.9 trang 364_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta chọn thép X18H10T và được gia công theo phương pháp hàn.

2.3.1 Chiều dày thân hình trụ của nồi phản ứng

Chiều dày thân hình trụ được tính theo công thức XIII.8 trang 360_Sổ tay

QT&TB_Tập 2, ta có: S =

2 [σ ]×ϕ−P + C (m) Trong đó:

• P: Áp suất làm việc của nồi phản ứng.

• [ σ ]: Ứng suất cho phép của thép X18H10T.

• ϕ : Hệ số bền hàn của thanh hình trụ theo phương dọc (dựa vào bảng XIII.8trang 360_Sổ tay QT&TB_Tập 2), chọn ϕ = 0,9.

2.3.1.1 Áp suất làm việc của nồi phản ứng

Áp dụng công thức XIII.10 trang 382_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có: P = Pm + ρ1gH1

2.3.1.2 Ứng suất cho phép của thép X18H10T

Áp dụng công thức XIII.1 trang 355_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

• nk: Hệ số an toàn theo giới hạn kéo • nc: Hệ số an toàn theo giới hạn chảy.

• C1: Hệ số bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Chọn C1 = 1 (mm).

• C2: Hệ số bổ sung do ăn mòn C2 = 0.

• C3: Hệ số bổ sung do dung sai âm phụ thuộc vào bề dày vật liệu Chọn dung sai âm C3 = 0,8 (mm) (Tra bảng XIII.9 trang 364_Sổ tay QT&TB_Tập 2).

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử:

Áp dụng công thức XIII.26 trang 365_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

2.3.2 Chiều dày của đáy và nắp thiết bị

Đáy và nắp làm cùng loại vật liệu và cùng dạng elip có gờ Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách hàn liền với thân nên cùng được tính theo công thức XIII.47 trang

• hb: Chiều cao phần lồi của đáy, hb = 600 (mm).

• φh: Hệ số bền của mối hàn hướng tâm Chọn φh= 0,9 (Tra bảng XIII.8 trang

Do đó, ta có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu của công thức tính chiều dày.

Kiểm tra ứng suất của đáy và nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực: Áp dụng công thức XIII.49 trang 386_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

2.4 Vỏ bọc gia nhiệt thiết bị phản ứng

Quá trình đa tụ nhựa UPE xảy ra ở nhiệt độ cao Do đó, cần phải đun nóng bằng chất tải nhiệt hữu cơ diphenyl có nhiệt độ cao nên phải dùng vỏ bọc để chứa chất tải nhiệt, tránh hiện tượng tổn thất nhiệt ra môi trường Thông thường vỏ bọc là thép không gỉ loại X18H10T Chiều dày vỏ bọc cũng được tính giống như nồi phản ứng.

Vậy đường kính trong của vỏ bọc: Dt = 2400 + 100 ¿ 2 + 2 ¿ 14 = 2628 (mm) • P: Áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp diphenyl.

Vì nhiệt độ cung cấp cho nồi 180 ¸ 230oC Ở nhiệt độ 230oC thì áp suất hơi bão hoà của hỗn hợp diphenyl là 0,052.106 (N/m2) (Tra bảng I.271 trang 330_Sổ tay QT&TB_Tập 1) Chọn Pmt= 9,81.105

→ P = Pmt + 0,052.106 = 9,81.105 + 0,052.106 = 1,033.106 (N/m2) • φ: Hệ số bền hàn của vỏ hình trụ theo phương dọc, φ= 0,95 • [σ]: Ứng suất cho phép của thép X18H10T.

Tương tự như trên, ta chọn [s]s] = 132.106 (N/m2).

• C3: Hệ số bổ sung do dung sai âm phụ thuộc vào bề dày vật liệu Chọn dung sai âm C3 = 0,8 (mm), theo bảng XIII.9 trang 364_Sổ tay QT&TB_Tập 2)

Kiểm tra ứng suất của thành theo ứng suất thử:

Áp dụng công thức XIII.26 trang 365_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có: Trong đó: Áp suất thử Po được xác định: Po = Pth + Pl

Với: Pth là áp suất thử thuỷ lực.

Mà:1,25P = 1,25 ¿ 1,033 ¿ 106 = 1,291.106 (N/m2)

• k = 1 do lỗ được tăng cứng hoàn toàn

• Dt: Đường kính trong của vỏ bọc, ta thiết kế vỏ bọc ngoài cách thân thiết bị là 100

Quy chuẩn: Sd = 16 mm = 0,016 m.

Kiểm tra ứng suất vỏ bọc thiết bị theo áp suất thử thủy lực:

Áp dụng công thức XIII.49 trang 386_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

Để tăng vận tốc phản ứng, giúp nước bay hơi nhanh chóng và tăng khả năng đồng nhất các cấu tử, ta phải khuấy trộn liên tục hỗn hợp Do nhựa UPE có độ nhớt lớn nên phải dùng cánh khuấy mỏ neo, vật liệu làm cánh khuấy là thép cùng loại với nồi X18H10T Cánh khuấy mỏ neo có ưu điểm là khuấy trộn đều chất lỏng nhớt, tăng cường quá trình truyền nhiệt, ngăn cản quá trình kết tủa và lắng cặn trên thành, đáy thiết bị Tạo trạng thái lơ lửng, hoà tan của chất rắn trong môi trường lỏng nhớt.

Ta chọn khoảng cách từ đáy hoặc từ thành thiết bị đến cánh khuấy càng bé càng tốt để tăng cường khả năng đảo trộn phần chất lỏng ở sát thành thiết bị.

 Dt: Đường kính trong nồi phản ứng, Dt = 2,4 (m).

Với cánh khuấy mỏ neo, ta có các tỉ lệ:

Tra bảng IV.1 trang 618_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

Tra theo hình IV.13-7 trang 619_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

Khoảng cách từ đáy đến cánh khuấy: S = 0,11d = 0,11 ¿ 2,162 = 0,238 (m) Chiều cao cánh khuấy: hck = 0,44d = 0,44 ¿ 2,162 = 0,951 (m)

Dựa vào bảng IV.6 trang 625_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta chọn n = 0,58 vòng/s.

2.5.1 Công suất làm việc của cánh khuấy (Nlv)

Để vượt qua trở lực của chất lỏng, công suất tiêu tốn được tính như sau: Áp dụng công thức IV.2 trang 616_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

Nlv = xk ¿ n3 ¿ d5 ¿

r Trong đó:

• xk: Hệ số không thứ nguyên, có dạng của chuẩn số Eu.

Áp dụng công thức IV.2a trang 616_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

Với: A, m, và p là những hằng số và được xác định bằng thực nghiệm Tra bảng IV.1 trang 618_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

Do chọn cánh khuấy có tỉ số hình học khác nhau nên công suất làm việc phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh f.

Dựa vào bảng IV.6 trang 625 _Sổ tay QT&TB _Tập 1 ta chọn n= 0,58 vòng/s Áp dụng công thức IV.9 trang 619_Sổ tay QT&TB_Tập 1, ta có:

2.5.2 Công suất mở máy

Khi mở máy thì phải có công để thắng lực quán tính và lực ma sát Vì vậy người ta biểu thị công suất khi mở máy:

Nc = Ng +Nm (Sổ tay QT&TB_Tập 1 trang 622)

Để giảm bớt nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, người ta dùng một lớp bảo ôn bằng bông thuỷ tinh để bọc toàn thân và đáy vỏ bọc Giả thiết xem quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt diphenyl ra môi trường là đẳng nhiệt.

Ta có: Nhiệt độ vào của chất lỏng diphenyl: t1 = 235oC Chọn: Nhiệt độ của không khí là: t2 = 25oC.

Nhiệt độ mặt trong của lớp vỏ bọc: tT1 Nhiệt độ mặt ngoài của lớp vỏ bọc: tT2.

Nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt: t3 = 40oC.

Chênh lệch nhiệt độ giữa diphenyl và thành ngoài của vỏ bọc: Dt1 = 5oC Nhiệt tải của quá trình cấp nhiệt từ chất lỏng diphenyl đến tường vỏ bọc là:

q1 = a1 ¿ Dt1 (W/m2) (1)

Nhiệt tải của quá trình dẫn nhiệt qua tường: q2 =

ΔttTR (2)

Nhiệt tải của quá trình cấp nhiệt từ tường ra môi trường: q3 = a2 ¿ Dt2 (W/m2) Vì quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt nên: q1 = q2 = q3

R: Nhiệt trở của tường.

Áp dụng công thức V.3 trang 3_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

• l2: Hệ số dẫn nhiệt của bông thuỷ tinh l2 = 0,0372 (W/m.độ) (Tra bảng I.126 trang 128_Sổ tay QT&TB_Tập 1).

• r1: Nhiệt trở lớp cặn bám trên thành vỏ bọc r1 = 0,116.10-3 (m2.độ/W) (Tra bảng V.1 trang 4_Sổ tay QT&TB_Tập 2).

Hệ số cấp nhiệt từ tường ra không khí:

Áp dụng công thức V.136 trang 41_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

Vậy bề dày của lớp bảo ôn bằng bông thuỷ tinh là 42 mm

2.7 Tính và chọn bích, bulông của thiết bị

Chọn bích liền làm bằng thép kiểu 1 để nối thân thiết bị với vỏ bọc và nắp Từ Dt = 2400 (mm) và áp suất làm việc của nồi P = 1,011.106 (N/m2) Ta qui chuẩn P = 1,6.106.

Dựa vào bảng XIII.27 trang 424_Sổ tay QT&TB_Tập 2, ta có:

Bảng 2.3 Chọn bích và bulong cho thiết bị chính

2.8.1 Khối lượng của thép làm thiết bị

2.8.1.1 Khối lượng phần hình trụ thân thiết bị

Thân thiết bị có đường kính trong: Dt = 2,4 (m)