Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC công suất 40.000 tấn/năm

công và khả năng hấp thụ các chất phụ gia đặc biệt là hoá dẻo. Quá trình phản ứng xảy ra trong thời gian dài, nhiệt độ phản ứng khoảng 600C và được duy trì trong suốt giai đoạn phản ứng, đến khi áp suất bắt đầu giảm do monome đã tham gia phản ứng thì lúc này mức độ chuyển hoá khoảng 80% không còn VC tự do nữa. Sản phẩm polyme tạo thành ở dạng huyền phù trong nước, dễ keo tụ tạo thành dạng bột xốp kích thước khoảng 0,01¸0,3 mm. * So sánh các phương pháp: Phương pháp trùng hợp dung dịch để sản xuất PVC ít được sử dụng do đòi hỏi một lượng dung môi lớn có độ tinh khiết cao với phương pháp trùng hợp khối thì sản phẩm chiếm khoảng 8% so với tổng sản lượng nhựa PVC. Phương pháp này có độ sạch cao, dây chuyền sản xuất đơn giản. Tuy nhiên do sản phẩm tạo ra ở dạng khối, khó gia công, khó tháo khuôn và xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ, làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm vì thế cũng ít được dùng. Hai phương pháp trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù được sử dụng rộng rãi (tuy nhiên phương pháp trung hợp huyền phù vẫn được sử dụng nhiều hơn) do có nhiều ưu điểm đáng kể sau: Sản phẩm tạo ra ở dạng hạt, bột dễ gia công, vận tốc trùng hợp cao, độ trùng hợp cao, nhiệt độ phản ứng thấp và đặc biệt không xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ như trùng hợp khối. Nhưng có một nhược điểm là dây chuyền sản xuất phức tạp hơn so với các phương pháp trùng hợp khác vì phải có thêm các bộ phận như lọc, rửa. IV. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PVC THEO PHƯƠNG PHÁP HUYỀN PHÙ TRONG NƯỚC. Thiết bị trùng hợp có loại bé dung tích 5m3 và cũng có loại lớn dung tích đến 15¸20m3 làm việc dưới áp suất 15¸18 atm, có máy khuấy quay 180¸250 vòng/phút và có vỏ bọc ngoài để đun nóng và làm lạnh. Quá trình trùng hợp tiến hành ở khoảng nhiệt độ 40¸700C và áp suất 5¸8 atm. Phản ứng trùng hợp cũng tiến hành qua 3 giai đoạn: + Nâng cao nhiệt độ lên khoảng 400C để kích động trùng hợp. + Giữ nguyên nhiệt độ và áp suất để phản ứng tiếp tục kéo dài mạch trùng hợp và nâng cao nhiệt độ khi áp suất tụt xuống. + Làm đứt mạch hoàn thành phản ứng trùng hợp. Sơ đồ quá trình sản xuất PVC. Than đá Đá vôi Đất đèn + nước Khí axetylen Điện phân muối ăn Khí Clo Khí HCl Khí hydrô Khí Vinyl clorua (VC) Làm lạnh để hoá lỏng Trùng hợp Ly tâm, rửa Sấy khô PVC dạng bột 1/ Qui cách nguyên liệu trùng hợp huyền phù - Momome vinyl clorua dùng để trùng hợp phải ở thể lỏng nên cần được bảo ôn giữ ở nhiệt độ rất thấp -400C hoặc có thể bảo quản VC ở nhiệt độ thường dưới áp suất khí trơ (35,1¸52,9% Psi) Độ nguyên chất của vinylclorua trên 99,9% hàm lượng axetylen nhỏ hơn 0,02% (trọng lượng). Giới hạn của vinyl clorua trong không khí là 4¸22% giới hạn này khá rộng nên thiết bị chứa, đường ống dẫn phải kín các thiết bị và ống dẫn không được làm bằng đồng hoặc các hợp kim có chứa đồng vì đồng axetilua dễ gây cháy nổ. - Nước: là môi trường phân tán cho VC và hoà tan chất ổn định. Ngoài ra còn đóng vai trò là môi trường truyền nhiệt cho phản ứng trùng hợp. Vì vậy chất lượng và hàm lượng nước phải được chú ý, nước dùng cho phản ứng phải là nước cất, nước tinh khiết. Tỷ lệ của nước/VC = 1,5/1 hay 1,75/1. - Chất khơi mào: sự lựa chọn chất khơi mào cho quá trình trùng hợp huyền phù VC rất quan trọng do ảnh hưởng đến giá cả sản phẩm. - Thường dùng hai chất sau peroxit benzoil (POB) là chất rắn màu vàng nhạt, dễ bắt lửa và có thể nổ khi va chạm mạnh, cọ sát hay hơ nóng, có thể bắt cháy khi lẫn H2SO4, do đó cần bảo quản cẩn thận + Azoizo butylnitri (AIBN): là chất rắn màu trắng hay vàng nhạt có tính chất gần giống (POB). - Chất ổn định (keo bảo vệ) PVA thuộc họ polyme vô định hình có tính kị nước cao chứa đựng trong bao gai. Chất ổn định được đưa vào dạng dung dịch 5% trong nước, dùng nước nóng 700C để pha chế dung dịch (gelatin 5%) và phải dùng ngay, không để lâu quá 4¸5 giờ sẽ bị hỏng. - NaOH: dùng để xử lý hệ huyền phù sau khi đã trùng hợp xong, NaOH có thể dùng ở dạng rắn hay lỏng mục đích là làm phân huỷ các gốc của chất khởi đầu và chất nhũ hóa, tạo thành các loại muối natri dễ hoà tan vào nứơc để keo tụ nhựa và tăng tính ổn định nhiệt của nhựa. Ngoài các thành phần chính trên còn sử dụng: dung dịch đệm, lượng tác nhân chống bọt, lượng tác nhân điều chỉnh khối lượng phân tử. 2/ Quá trình tiến hành trùng hợp. Phản ứng trùng hợp VC theo phương pháp huyền phù thực hiện gián đoạn trong nồi cao áp (nồi hấp) làm bằng thép chống rỉ, bên trong nồi có bọc một lớp vỏ gia nhiệt và làm nguội bằng nước tuần hoàn được trang bị cánh khuấy loại mái chèo, phản ứng được tiến hành theo trình tự sau: a. Nạp pha liên tục: pha liên tục ở đây là môi trường phân tán của các giọt monome, trong đó có chứa chất khởi đầu, keo bảo vệ, muối đệm, chất điều chỉnh và chất chống tạo bọt nếu cần, đầu tiên cho nước từ thùng chứa nước vào lò phản ứng. Nước trong hỗn hợp phản ứng để ở nhiệt độ thường hoặc đã được đun nóng nếu quá trình hút chân không, không dùng nitơ. Lượng nước chiếm khoảng 1/2 thể tích nồi phản ứng. Keo bảo vệ được hoà tan trong nước nóng ở 600C tại thiết bị. Sau đó đi qua bộ phận lọc gelatin được dùng dưới dạng dung dịch 5% trong nước. Lượng nước này khá đáng kể nên ta phải tính tổng lượng nước dùng trong nồi phản ứng. Thời gian nạp keo bảo vệ càng nhanh càng tốt vì nếu chậm thì keo bị lão hoá mất tác dụng. Chất khởi đầu cho vào thiết bị phản ứng dưới dạng trộn lẫn trong nước sau đó đậy kín thiết bị lại. b. Hút chân không thiết bị phản ứng: Trước khi nạp VC phải tạo môi trường trơ (không có oxy) trong hỗn hợp phản ứng vì oxy là chất cản trở quá trình trùng hợp VC. Oxy phản ứng mãnh liệt với VC tạo thành vinyl clorua polyperoxit. CH2 Cl CH O2 O + CH n CH2 O n Cl hợp chất tạo thành tương đối linh động và dễ dàng phân 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 15 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 3 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 I/ GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC MỚI ĐANG ĐƯỢC XÂY DỰNG. 1/ Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù. Sơ đồ sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù Nước qua thiết bị (5),(6),(7) được bơm lên thùng lường dung dịch Gelatin và nước ở thùng (2) được đưa cùng lúc vào nồi phản ứng. VC được đưa từ thùng chứa (4) vào nồi phản ứng. Sản phẩm PVC đi ra được bơm vào thiết bị lắng, VC chưa phản ứng được đưa vào thùng (4). Ở thiết bị lắng người ta cho thêm NaOH vào để xử lý hệ huyền phù sau khi đã trùng hợp xong. PVC sau khi lắng được đưa vào máy ly tâm để tách PVC và phần lớn được đem đi sấy còn một ít PVC có lẫn trong nước được đưa vào thiết bị lắng (13) và tuần hoàn lại để được vào thiết bị lắng (9) còn phần nước và chất thải được đưa vào cống thải. 2/ Thuyết minh dây chuyền công nghệ của hãng Chisso Corp. Quá trình sản xuất gián đoạn, theo phương pháp là trùng hợp huyền phù vinyl clorua. Các thiết bị phản ứng tiêu chuẩn có kích thước là 60, 80, 100 hoặc 130 m2. Thiết bị phản ứng có cánh khuấy (1) chứa nước và chứa các chất phụ gia vàVC. Trong suốt quá trình phản ứng nhiệt độ được điều khiển giữ ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc quá trình làm lạnh bằng nước. Khi phản ứng kết thúc toàn bộ sản phẩm được chuyển xuống thiết bị thổi bay (2). Tại đây VC không phản ứng được tách ra. Thiết bị phản ứng được rửa và phun tác nhân chống tạo cặn bám để chuẩn bị cho quá trình làm việc tiếp theo. Bột nhão PVC chứa VC tiếp tục được cho qua cột rửa (3). Cột rửa có hiệu quả thu hồi VC từ PVC rất lớn mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng của VC sản phẩm. Sau quá trình rửa bột nhão đưa sang quá trình tách nước và sấy khô sau đó bột đựơc chuyển qua các thiết bị xiclo chứa VC thu hồi, sau đó cho qua thiết bị nén và làm lạnh ngưng tụ để tái sử dụng cho chu trình trùng hợp tiếp theo Tổng năng suất của hãng Chisso Cor trên thế giới một triệu tấn/ năm. Ngoài ra công nghệ tách VC cũng được cấp phát cho nhiều nhà sản xuất PVC. 3. Thuyết minh dây chuyền của hãng Inovy B.V. Quá trình sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù trong nứơc. Hỗn hợp nước và phụ gia được đưa vào thiết bị phản ứng có kích thước là 140 m3 sau đó đến VC. Trong suốt qúa trình phản ứng nhiệt độ được điều khiển giữ ở nhiệt độ nhất định và phụ thuộc vào quá trình làm lạnh bằng nước. Phản ứng kết thúc toàn bộ sản phẩm được đưa vào thiết bị thổi bay (3). VC không phản ứng được đưa lên thùng thu hồi (4) còn một phần còn lẫn đi trong sản phẩm được đưa vào tháp rửa (5) để tách triệt để VC chưa phản ứng. PVC có lẫn trong nước cho qua thiết bị ly tâm và sấy để tách nước và khí thải. Sản phẩm cuối cùng là PVC dạng bột khô được đưa vào thiết bị (10) để phân loại. Dây chuyền công nghệ của hãng Chisso Corp PHẦN II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG A. CÂN BẰNG VẬT CHẤT. I. 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: 5 ngày Số ngày nghỉ sửa chữa lớn: 10 ngày Tổng số 23 ngày Vậy số ngày làm việc trong 1 năm là 365 - 23 = 342 ngày Năng suất làm việc trong một ngày là (tấn/ngày) II.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO 1 TẤN SẢN PHẨM Căn cứ vào đơn phối liệu sử dụng ta có tỷ lệ các chất là. Nước/VC = 1,5 Keo PVA 95%/VC = 0,0015 Khơi mào POB 96%/VC = 0,008 Chất đệm H3PO4 89%/VC = 0,004 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 tấn sản phẩm . Với hiệu suất quá trình trùng hợp 95% do đó hao hụt trong toàn bộ quá trình bao gồm: Công đoạn sấy - đóng bao: 0,1% Giai đoạn ly tâm và rửa nhựa: 0,1% Giai đoạn xử lý kiềm: 0,5% Giai đoạn chuẩn bị - lường: 0,1%. - Hao hụt của quá trình sấy - đóng bao. Lượng PVC trước khi sấy là: Vậy lượng PVC hao hụt do sấy là 1001 - 1000 = 1 (kg) - Hao hụt của quá trình ly tâm - rửa nhựa. Lượng PVC trước khi ly tâm là: Lượng PVC hao hụt do ly tâm và rửa nhựa 1002 - 1001 = 1 (kg) - Hao hụt do xử lý kiềm Lượng PVC trước khi xử lý kiềm là: Lượng PVC hao hụt do xử lý kiềm 1007 - 1002 = 5 (kg) 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 trùng hợp 95%, do đó lượng VC ban đầu là: Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là) 1060 - 1007 = 53 (kg) Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC thực tế cần dùng là: Lượng VC do quá trình lường Lượng VC hao hụt do quá trình lường là 1062,12 - 1061,06 = 1,06 (kg) Lượng chất khởi đầu tham gia vào quá trình chuyển hoá = 0,85 (kg) Hiệu suất trùng hợp 95% do đó lượng chất khởi đầu là: Lượng chất khởi đầu không tham gia chuyển hoá là 0,89 - 0,85 = 0,04 (kg) b. Lượng chất ổn định PVA Lượng chất ổn định bằng 0,15 phần khối lượng VC Độ nguyên chất là 95%. Do đó lượng PVA cần dùng là 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 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: 1061,06 x 1,5 = 1591,59 (kg) Hao hụt do chuẩn bị lường là 0,1% Do đó lượng nước thực tế là: Lượng nước tổn hao là: 1593,18 - 1591,59 = 1,59 (kg) Lượng nước thực tế này bao gồm: Nước cho trực tiếp vào nồi trùng hợp Nước pha dung dịch chất khởi đầu Nứơc pha dung dịch nhũ hoá Lượng nước pha chất khởi đầu để tạo dung dịch chất khởi đầu 30% là: Lượng nước pha chất nhũ hoá để tạo dung dịch nhũ hoá 5% là Lượng nước trực tiếp vào nồi là: Bảng 1: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn trùng hợp Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 1061,12 53 1,06 POB 96% 0,89 0,89 PVA 95% 1,68 1,68 H3PO4 89% 0,43 0,43 Nước 1593,18 1559,19 33,99 PVC 1007 Tổng 2657,73 2622,19 35,05 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 hỗn hợp. Đối với 1 tấn sản phẩm ta phải dùng (kg) Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15% là 1164 kg/m3 = 1,164 kg/dm3 Vậy khối lượng dung dịch NaOH 7866,57 . 1,164 = 9156,68 (kg) Lượng NaOH dùng để xử lý kiềm Lượng nước dùng để pha dung dịch NaOH 15% là 9156,68 - 1373,50 = 7783,18 (kg) 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 hỗn hợp vậy lượng nước cần dùng cho một lần rửa. Lượng nước cần dùng để rửa hỗn hợp tương ứng với 1 sản phẩm. 1503. 4 = 6012 (kg) 4. Công đoạn sấy và đóng bao Sản phẩm sau quá trình sấy có độ ẩm 0,3% III. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO MỘT NỒI 1. Xác định thời gian lưu trong thiết bị phản ứng. a. Giai đoạn 1. Vvc £ 0,72% Uvc: tốc độ chuyển hoá vinylclorua Phương trình động học của phản ứng. Þ dt = Lấy tích phân 2 vế ta được. b. Giai đoạn 2. Uvc ³ 0,72% Theo bài ta có phương trình cân bằng vật chất của phản ứng. Mặt khác ta có (2) Trong đó: r0: Khối lượng riêng của vinylclorua tại thời điểm Uvc = 0,72 r: Khối lượng riêng của vinylclorua tại thời điểm Uvc bất kỳ : Nồng độ của VC tại thời điểm Uvc = 0,72 Vi: Hệ số tỷ lượng của cấu tử i trong phản ứng trùng hợp Vi =-1 Ta có const vì nhiệt độ và áp suất của quá trình không đổi. Do đó: (2) Þ Cvc = (3) Lấy đạo hàm theo thời gian ta được Thay (3) và (4) ta được. Þ Þ dt = Láy tích phân 2 vế ta được. Với phương pháp sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù trong nước thì trong thực tế trùng hợp VC độ chuyển hoá thường không quá 0,9 Ta chọn Uvc = 0,9 = Ui = = 1560(phút) = 26 (h) Vậy thời gian lưu của hỗn hợp trong thiết bị t3 = t2 + t1 = 4 + 26 = 30 (h) Thời gian cần thiết cho một thiết bị phản ứng tiến hành xong và có thể tiếp tục phản ứng là: t = 2tc + t3 = 2.3 +30 = 36 (h) Với năng suất 40000 tấn/năm. Chọn 4 thiết bị phản ứng làm việc song song. Số giờ làm việc của một năm là: 24. 342 = 8208 (h) Số mẻ sản phẩm của một thiết bị trong 1 năm là (mẻ) Do vậy mỗi mẻ 1 thiết bị làm việc đạt năng suất là (tấn) 2. Công đoạn trùng hợp a. VC cần cho 1 nồi phản ứng. Do độ ẩm trong nhựa là 0,3% nên lượng PVC khô là: (tấn) Với hiệu suất quá trình trùng hợp 95% do đó hao hụt sản phẩm trong toàn bộ quá trình bao gồm - Hao hụt cho quá trình sấy đóng bao. Lượng PVC trước khi sấy (tấn) Vậy lượng PVC hao hụt do sấy là 43,89 - 43,85 = 0,04 (tấn) - Hao hụt cho quá trình ly tâm và rửa nhựa Lượng PVC trước khi ly tâm (tấn) Vậy lượng PVC hao hụt do ly tâm và rửa nhựa là: 43,93 - 43,89 = 0,04 (tấn) - Hao hụt cho quá trình xử lý kiềm Lượng PVC trước khi xử lý kiềm (tấn) Vậy lượng PVC hao hụt do xử lý kiềm 44,14 - 43,93 = 0,21 (tấn) Với hiệu suất trùng hợp 95% do đó lượng VC ban đầu là: (tấn) Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là). 46,26 - 44,14 = 2,32 (tấn). Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC thực tế cần dùng là. (tấn) - Hao hụt do quá trình lường (tấn) Vậy lượng VC hao hụt là 46,55 - 46,51 = 0,04 (tấn) b. Lượng chất khởi đầu tham gia vào chuyển hoá. (tấn) Hiệu suất trùng hợp 95% do đó lượng chất khởi đầu là: (tấn) 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 (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 46,55. 1,5 = 69,82 (tấn) Hao hụt do chuẩn bị lường là 0,1% Do đó lượng nước thực tế là (tấn) Lượng nước pha vào chất khởi đầu để tạo dung dịch chất khởi đầu 96% là. (tấn) Lượng nước pha chất nhũ hoá để tạo dung dịch nhũ hoá 5% là (tấn) Lượng nước trực tiếp vào nồi 69,89 - (0,936 + 1,38) = 67,7 (tấn) Bảng 2. Cân bằng vật chất cho 1 nồi phản ứng (ĐV: Tấn) Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 46,55 2,32 POB 96% 0,039 0,039 PVA 95% 0,073 0,073 H3PO4 89% 0,019 0,019 Nước 69,89 67,57 2,32 PVC 44,14 Tổng 116,57 114,161 2,32 B. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG I. CÁC GIẢ THIẾT BAN ĐẦU Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển: p = 1at, t = 200C thì nhiệt độ sôi của VC tS = - 13,80C. Khi trùng hợp VC phải ở trạng thái lỏng Nhiệt độ của nước đưa vào nồi: = 200C Hệ gồm 2 cấu tử là VC và nước Nhiệt độ của VC đưa vào nồi: tvc = - 200C. 1. Tính lượng nhiệt cấp vào để tăng nhiệt đến nhiệt độ trùng hợp Qc = Trong đó: : khối lượng riêng của huyền phù VR: thể tích chứa của thiết bị Chh: nhiệt dung riêng của huyền phù tth: nhiệt độ trùng hợp tđ: nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp - Xác định nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp Giả thiết nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp: tđ = 130C, nhiệt độ trung bình của VC. Nhiệt độ trung bình của nước Theo [6] ta tra được nhiệt dung riêng trung bình của nước. = 4,174 (kJ/kg độ). Nhiệt dung riêng trung bình của VC Cvc = 1,438 (kJ/kg độ) Ta có phương tình cân bằng nhiệt Qvc = mvc. Cvc (t0 - tvc) Ta có nhiệt lượng mà VC nhận vào sẽ bằng lượng nhiệt của nước toả ra. Qvc = = Ta nhận thấy: tđ » t0. Vậy nhiệt độ đầu của hỗn hợp ta chọn là: tđ = 12,50C. Ta có nhiệt độ trùng hợp 400C. Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp ttb = * Khối lượng riêng của hỗn hợp. VC: H2O: Ta có: xvc: nồng độ phần khối lượng của VC : nồng độ phần khối lượng của nước : khối lượng riêng của VC : khối lượng riêng của H2O. Theo bài Þ Þ * Nhiệt dung riêng Theo công thức Ta có Trong đó: xvc: Nồng độ phần khối lượng của VC xvc = 0,4 Cvc: nhiệt dung riêng của VC Cvc = 1,983 : nhiệt dung riêng của nước = 4,174 (kJ/kg độ) : khối lượng riêng của VC : khối lượng riêng của nước = = 3,2 (kg/kg độ) Vậy Qc = = 933,12.153.3,2.(40 - 13) = 12335099,9 = 12,3.106 (KJ) 2. Tính lưu lượng nước cần đun nóng Thiết bị trùng hợp ở đây là thiết bị 2 vỏ, chất tải nhiệt được chọn là hơi nước bão hoà và đi ở phần không gian giữa 2 vỏ. - Chọn điều kiện sôi của nước ở điều kiện thường t = tra = 1000C. - Nhiệt độ vào của nước đun nóng tv = 1380C - Thời gian đun nóng t = 2(h) Suy ra lượng nhiệt cấp để đun nóng là Lượng nhiệt mà nước đun nóng cấp cho hỗn hợp chính bằng lượng nhiệt hỗn hợp nhận vào Lượng nhiệt hỗn hợp nhận vào Qn = Þ Qt = Qn Þ Qt = ® Nhiệt độ trung bình của nước Ứng với nhiệt độ này tra bảng [1.5] của [6] ta có Khối lượng riêng của nước: 943,4 (kg/m3) Nhiệt dung riêng của nước: = 1,014 (Kcal/kg độ) = 4,245 (KJ/kg độ) Þ Qt = Qt = Qn = 40,41 (m3/h) Vậy lưu lượng nước cần đun nóng là: V = 40,41 (m3/h) a. Diện tích bề mặt truyền nhiệt cho giai đoạn 1. Ta có phương trình truyền nhiệt Trong đó: Dttb: hiệu nhiệt độ trung bình của hỗn hợp F: diện tích bề mặt truyền nhiệt K: hệ số truyền nhiệt (W/m2 độ). Trong đó a1: hệ số cấp nhiệt từ nước đến thành thiết bị a2: hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến môi trường khuấy d: chiều dày thành thiết bị l: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm thiết bị + Tính a1: theo công thức (4-54) Trong đó: Cs, f: các hệ số. HT: Chiều cao phần trụ vỏ bọc. lN: hệ số dẫn nhiệt của nước pr: chuẩn số Prandk Gt: chuẩn số Grashoff Ta có chiều cao phần ngập hỗn hợp phản ứng. Hhh = 7,75 (m) Chọn Ht = 8 (m) Tra bản (1.29) của [6] ta có hệ số dẫn nhiệt của nước ở nhiệt độ 1190C. lN = 59,0.10-2 ((Kcal/kg độ) = 68,5 (W/mđộ) Với nhiệt độ t = 1190C tra bảng (I - 249) của [6] ta có Pr = 1,47 Theo công thức Gr = Trong đó: G: gia tốc trọng trường (m/s) bN: hệ số giãn nở nhiệt thể tích của nước Tra bảng (I - 249) của [6] ta có bN = 38,64.10-4 (độ-1) tt: nhiệt độ thành thiết bị chọn tt = 1000C. tNtb = 1140C. VN: độ nhớt động học của nước Ta có: VN = 0,252.10-6 (m/s2) Þ Gr = g. = = 12,9. 1012 Þ Gr. Pr = 12,9 . 1012 . 1,47 = 18,96.1012 > 2.107 Tra bảng (4.3) ta có Cs = 0,135 f = 0,33 Þ = 0,135. 68,5. 10-2 (18,96.1012)0,33. 8-1 = 595 (W/m0K) + Tính a2: Xác định giá trị a2 theo công thức: Trong đó: a2 = 0,2037. a3 = 0,93. a1: hệ số được tính theo công thức a1 = C: nhiệt dung riêng C = 3,34.103(KJ/Kg độ) l: hệ số dẫn nhiệt của huyền phù l = 0,509 Vậy a1 = : khối lượng riêng của nước. = 943,4 (kg/m3) h: độ nhớt động học Trong đó: x: nồng đô pha phân tán tính bằng phần thể tích h0: độ nhớt của môi trường 0,4688.10-3 (NS/m2) hp: độ nhớt của pha phân tán hp = hvc = 2,64.10-6 (NS/m2) = = 2,1.10-3 (Ns/m2+)) 2) Þ a2 = 0,2037. a1. = 0,2037. 9,31. = 2813,62 Þ a3 = 0,93. a1. = 0,93. 9,31. = 447,70 N: Công suất khuấy trộn D: Đường kính trong của thiết bị D = 4,4 (m) Þ = 2813,62. (13,36)0,29 0,29. (4,4)-0,71 + 447,70.(13,36)0,18. (4,4)0,82 = 4489,82 (W/m2K) Vậy: = 487,95 (W/m2K) = 1400,4 (KJ/m2 0K) Hiệu nhiệt độ trung bình của hỗn hợp: tth = 450C Nhiệt độ vào của nước tv = 1380C. Nhiệt độ ra của nước tr = 1000C. Hiệu số nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất của môi trường khuấy và chất mang nhiệt. Þ 138 - 40 = 980C. 100 - 40 = 600C. Vậy F1 = 55,6 (m2) Þ Qtđ1 = K. F. Dttb = 1400,79. 55,6. 79 = 6,15.106 (KJ) b. Diện tích bề mặt truyền nhiệt cho giai đoạn 2. Vì phản ứng chia làm 2 giai đoạn nên ở mỗi giai đoạn sẽ có chế độ truyền nhiệt khác nhau nhưng nếu diện tích bề mặt truyền nhiệt ở mỗi giai đoạn mà khác nhau thì kết cấu thiết bị cực kỳ phức tạp do đó chọn cả 2 giai đoạn diện tích bề mặt truyền nhiệt không thay đổi, mà chỉ thay đổi các thông số vật lý. K2 = a1: hệ số cấp nhiệt từ môi trường khuấy đến thành thiết bị a1 = 595 (W/m2K) a2: hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến nước làm mát Nhiệt độ trung bình của nước làm mát: t = 39,050C Nên = 992,5 (kg/m3) CN = 4,18 (KJ/Kg độ) Theo bảng (I. 299) của [6] ta được Pr = 4,31 Hệ số giãn nở thể tích: (độ-1) Độ nhớt động học: V = 0,659.10-6 (m/s22 2) Hệ số dẫn nhiệt l = 68,5. 10-2 (W/m độ) Ta có: Trong đó: Gr = g tT = Þ Gr = 9,81.83. 3,87.10-4(39,525 - 39,05). (0,65.10-6)-2 = 2,12.1012 Þ Gr. Pr = 2,12.1012. 4,31 = 9,10.1012 > 2.107 Chọn Cs = 0,135 f = 0,33 Þ = 218,98 (W/m2K) Þ K = = 156,4 (W/m2K) II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT CHO TỪNG GIAI ĐOẠN 1. Giai đoạn 1. Khi độ chuyển hoá U £ 0,72 Với hệ chỉ gồm một phản ứng hoá học ta có phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn Trong đó: Q = Qtd: lượng nhiệt trao đổi (KJ/m3h) m: hệ số phản ứng m = 1 ri: vận tốc phản ứng (Kmol/m3h) DHR: nhiệt toả ra trong khi phản ứng DHR = -43,125.103 (KJ/Kmol) Ta có ở giai đoạn 1 Trong đó: : nồng độ ban đầu của cấu tử VC : số mol phân tử của VC ban đầu mvc: khối lượng VC đưa vào mvc = 46550 (kg) V = Vr: thể tích của hỗn hợp phản ứng V = 117,20 m3 Þ (Kmol/m3h) Vvc: hệ số tỉ lượng của phân tử VC Vvc = 1 Þ 6,32. 0,18 = 1,138 (K mol) Vậy = 1,138. 43,125.103 = 49.103 (KJ/m3h) 2. Giai đoạn 2 Khi 0,72 £ U £ 0,9 Ta có lượng nhiệt trao đổi ở giai đoạn này QTĐ2 = Kdm. Cvc (-DHR) = Kdm. Cvc Trong đó: Cvc: nồng độ của cấu tử VC ở thời điểm độ chuyển hoá Uvc = 0,72 Cvc = : nồng độ của cấu tử VC ở thời điểm ban đầu = 6,32 (Kmol/m3) Þ Cvc = = 6,32. (Kmol/m3) Kdm = 6,6.10-4 (phút-1) QGĐ2 = 6,6. 10-4 . 1,771 (1 - 0,9). (43,125.103) = 5,040 (KJ/m3 phút) = 302,4 (KJ/m3h) Vậy lượng nhiệt trao đổi ứng với toàn bộ thể tích là - Giai đoạn 1: QTĐ = QGĐ1. Vr = 49,1.103. 117,20 = 5,754.106 (KJ/h) - Giai đoạn 2: QTĐ = QGĐ2. Vr = 302,4. 117,20 = 35,446.103 (KJ/h) III. TÍNH LƯU LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT 1. Giai đoạn 1. Chọn nhiệt độ của nước để làm mát là tv = 200C Nhiệt độ nước lấy ra sau khi làm mát tr = 300C Theo phương tình cân bàng nhiệt lượng lượng nhiệt lấy đi bằng nhiệt lượng trao đổi: QL = QTĐ1 QL = Trong đó: VL: lưu lượng nước làm mát DtL = tr - tv = 30 - 20 = 100C Ứng với nhiệt độ này tra bảng (I.5) của [6] ta có khối lượng riêng của nước là: (kg/m3) theo bảng (I.197) của [6] ta có nhiệt dung riêng CPL = 4,18 (Kj/Kg độ) Ta có QL = QTĐ1 nên Þ QTĐ1 = rN. VL. CPL. Dt Þ VL = (m3/h) Vậy lượng nước làm mát ở giai đoạn 1 là VL = 138,05 (m3/h) 2. Giai đoạn 2. Chọn nhiệt độ của nước để làm mát là tv = 390C Nhiệt độ nước lấy ra sau khi làm mát tr = 39,50C Ta có phương tình cân bằng nhiệt lượng: QL = QTĐ2 Þ QTĐ2 = Þ VL = trong đó DtL == tr - tv = 39,5 - 39 = 0,50C Nhiệt độ này tra bảng (I.5) và (I.147) của [6] ta có: (kg/m3) CPL = 4,18 (Kj/Kg độ) Þ VR = (m3/h) Vậy lượng nước làm mát ở giai đoạn 2 là VL = 17,08 (m3/h) PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ I.TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH. 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. a. Xác định kích thước hình học - Thể tích vùng phản ứng VR = Vvc + Trong đó: VVC: thể tích của VC (m3) : thể tích của nước (m3) VR: thể tích của PVC (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 = 46,51 (tấn) Þ = 1,5 mvc = 69,76 (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 + = 47,94 + 69,88 = 117,80 (m3) Dùng nồi có hệ số điền đầy n = 0,8 thì thể tích nồi cần thiết là. = 147,2 (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 = 2Dt, h’ = nên ta có: Vđ = Do đó Vtb = Vth + 2 Vđ = = 1,8 Þ Quy chuẩn Dt = 4,4 (m) Thể tích nồi theo quy chuẩn Vtb = 1,8. (4,4)3 = 153 (m3) Với Dt = 4,4 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 = 2Dt = 4,4. 2 = 8,8 (m) - Chọn đấy và nắp thiết bị là hình elip, chọn bán trục dài bán trục ngắn h' = 0,25. 4400 = 1100 (mm) Þ Phần thể tích của đáy và nắp thiết bị Vđ = Vn = = 11,15 (m3) Vậy chiều cao thiết bị: H= h + 2h' = 8,8+ 2. 1,1 = 11 (m) Số liệu: Dt = 4400mm H = 11mm h' = 1100mm a = 2200mm Vđ = 11,15 (m3) Vtb = 153 (m3) 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 = 0 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 = = 0,0102 + C3 Ta chọn C3 = 0,0002 (m) Khi đó: S = 0,0102 + 0,0002 = 0,0104 Quy chuẩn S = 0,010 (m) = 10 (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 (m) Pt = 1000. 9,81. 3 = 29430 N/m3 P0 = 12. 105 + 0,29. 105 = 12,29. 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 = 10 (mm) 3. Tính chiều dầy đáy và nắp thiết bị. Ta có hb ³ 2. S = 20 (mm) Þ chọn hb = 50 (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 = 4,4 (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 = 0,021 (m) Þ Chọn Sđ = 20 (mm) II. 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 - 900. 2. 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. 4,4 = 2,2 (m) = 2200 (mm) - Chiều cao cánh khuấy b = (0,08 ® 0,12). dk chọn b = 176 ® 264 (mm) - Chọn số tầng cánh khuấy: 2 tầng - Số cánh trên một tầng khuấy: 4 cánh - Khoảng cách từ cơ cấu khuấy dưới đến đáy thùng h = (0,1 ® 0,3). Dk = 440 mm ® 1320 mm Khoảng cách giữa 2 cơ cấu khuấy: 2000mm 3. 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) 4. 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. 1,13) = 2,85.10-3 (Ns/m3) Þ S = h. n2. d3k = 2,85.10-3. 0,582. 2,2 = 2,1.10-3 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. = 7,96 (KW) Þ N2 = 0,7N1 = 0,7. 7,96 = 5,6 (KW) N = N1 + N2 = 7,96 + 5,6 = 13,56 (KW) 5. 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 = 13,56 (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 dolớp đệm Chưa xét đến công suất tiêu hao do lớp đệm ta có công suất động cơ. Nđc = (1 +åq). Nic = (1 + 0,1). 13,56 = 14,92 (KW) II. TÍNH CHỌN MÁY LY TÂM 1. Giới thiệu Các máy dùng để tách hỗn hợp lỏng không đồng nhất dưới tác dụng của trường lực ly tâm, gọi là máy ly tâm. Trong công nghiệp hoá chất các máy ly tâm được dùng với mục đích sau: Tách huyền phù thành pha lỏng và pha rắn Tách nhũ tương của hệ thống các chất lỏng không tan vào nhau Tách pha lỏng ra khỏi các vật liệu rời Một trong số các chuẩn số cơ bản để đánh giá hiệu quả làm việc của máy ly tâm là yếu tố phân ly. Nó là tỷ số giữa gia tốc của lực ly tâm với gia tốc của trọng lực. Trong đó: w: tốc độ góc w = R: bán kính trong của thùng n: số vòng quay của roto trong 1 phút g: gia tốc trọng trường Yếu tố phân ly càng lớn thì quá trình ly tâm xảy ra càng mãnh liệt hơn, có hiệu quả hơn. Nhưng hiện nay, yếu tố phân ly bị hạn chế bởi điều kiện bền và độ bền vững động học của máy. Khi lựa chọn máy ly tâm thì cần chủ yếu đến các điều kiện sau đây: Yếu tố phân ly Phương pháp tháo bã Vị trí của trục rôto và cấu tạo của các ổ đỡ Công dụng kỹ thuật Thông thường độ nhớt của pha lỏng có ảnh hưởng nhiều đến quá trình làm việc của máy li tâm. Với các điều kiện khác nhau nếu độ nhớt của pha lỏng tăng thì năng suất của máy li tâm giảm xuống. Do đó trong một số trường hợp (khi cho phép) để làm giảm độ nhớt của pha lỏng, người ta đun nóng sơ bộ huyền phù, khi đó độ bền của huyền phù giảm xuống, công suất của máy tăng lên. 2. Chọn máy ly tâm Yêu cầu độ ẩm bã sau khi ly tâm đạt từ 16 ® 25% (ta chọn độ ẩm w=16%). Kích thước pha rắn trong huyền phù d = 100 ® 150mm (đây là loại huyền phù thô). Với những đặc điểm và yêu cầu trên ta chọn thiết bị để phân riêng là: thiết bị lọc li tâm làm việc gián đoạn nằm ngang cạo bã vít tải Có ưu điểm: Năng suất cao Dùng để phân riêng hệ huyền phù có đường kính hạt bé và nồng độ cao rất tiện lợi Có thể dùng để phân loại các hạt rắn theo kích thước hoặc theo khối lượng riêng Nhược điểm Tiêu hao năng lượng lớn Bã bị nghiền nhỏ Nước lọc hay bị vẩn đục bởi các hạt nhỏ Chọn loại máy AГ-1800-3 Đường kính trong: 1800mm Dung tích: 720 Yếu tố phân ly lớn nhất 520 Công suất động cơ điện 55 Kw III: CHỌN THIẾT BỊ SẤY 1. Giới thiệu thiết bị sấy thùng quay 1. Lò đốt 2. Phễu nạp liệu 3. Thùng sấy 4. Vành đai 5. Con lăn đỡ 6. Con lăn chặn 7. Hộp tháo sản phẩm 8. ống dẫn khói 9. Băng tải 10. Bánh răng vòng Trong công nghiệp hoá chất thường dùng các loại thùng quay và lò quay để thực hiện các quá trình như nung, sấy trộn, sàng vật liệu… loại thiết bị này thường có khối lượng lớn, kích thước lớn và làm việc ở nhiệt độ cao (như nung sấy). Do chúng có khối lượng lớn và kích thước lớn nên không thể dùng trục để truyền động được. Đối với lò quay dài 30 ® 40m, nặng hàng trăm tấn nếu dùng trục để truyền động thì trục phải có đường kính từ 1 ® 2 m. Vì vậy, để truyền động cho lò quay người ta thường dùng bánh răng vòng và các vòng đai đỡ. Thùng được chế tạo với đường kính từ 0,5 đến 5m và có chiều dài từ 6 đến 185m, độ nghiêng đặt thùng từ 1 đến 50, tốc độ thùng quay từ 0,2 đến 8 vòng/phút. Thiết bị sấy thùng quay là thiết bị sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng hạt hoặc dạng bột nhão, cục. Ưu điểm của thiết bị là quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu và tác nhân sấy, cường độ làm việc tính theo lượng ẩm đạt được cao, thiết bị gọn. Tuy nhiên, do vật liệu bị đảo trộn mạnh nên dễ gây gãy, tạo ra bụi. Do đó, trong một số trường hợp sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm. Khi sấy các vật liệu hạt cỡ nhỏ cần chọn tốc độ khí sao cho tránh bay vật liệu theo khí thoát, trong thiết bị sấy thùng quay thường không sử dụng tái tuần hoàn khí vì trong khí thoát có bụi và yêu cầu phải có thiết bị lọc bụi khí ra khỏi thùng do đó làm tăng trở lực hệ thống, tăng vốn đầu tư và chi phí vận hành. Dựa vào đặc tính làm việc và những ưu điểm của thiết bị sấy thùng quay và đặc tính của vật liệu đem sấy ta thấy thiết bị sấy thùng quay có thể đáp ứng được. Căn cứ vào tính chất vật liệu và chế độ sấy với yêu cầu chặt chẽ, tính chất sản xuất liên tục với số lượng lớn. Để đảm bảo bột PVC thành phẩm có chất lượng cao chọn máy sấy thùng quay để sấy bột PVC là hợp lý. Quá trình sấy là xuôi chiều, tác nhân sấy cho thiết bị là tác nhân nóng qua thiết bị trao đổi nhiệt nhờ calorifer khí hơi, dùng tác nhân sấy kiểu này vì các thiết bị dễ chế tạo. Nguồn nguyên liệu sẵn có, vận hành đơngiản, năng suất cao, còn dùng tác nhân sấy là khí nóng từ buồng đốt bằng dầu FO thì thiết bị phức tạp, nguồn nguyên liệu đắt mà khí ra khỏi buồng đốt có bụi phải thiết kế thiết bị lọc trước khi đưa vào thùng sấy rất phức tạp do đó không kinh tế. Nguyên lý làm việc của máy sấy thùng quay: vật liệu sấy được đưa vào thùng nhờ cơ cấu tiếp liệu, tại đây vật liệu đi cùng chiều với không khí nóng ra khỏi thùng sấy vào bộ phận tách bụi và ra ngoài môi trường. Vật liệu khô ra khỏi thùng sấy nhờ có cơ cấu vận chuyển băng tải đưa vào kho. PHẦN IV: AN TOÀN LAO ĐỘNG TRONG PHÂN XƯỞNG I. MỤC ĐÍCH Trong lao động sản xuất con người là vốn quý nhất cho nên việc đảm bảo tính mạng và sức khỏe cho người lao động phải đặt lên hàng đầu. II. CÔNG TÁC ĐẢM BẢO AN TOÀN LAO ĐỘNG 1. Công tác giáo dục tư tưởng Công tác bảo hộ lao động mang tính chất quần chúng vì vậy công tác này phần lớn phải do công nhân lao động phải tự giác thực hiện. Phải thường xuyên giáo dục để mọi người thực hiện đúng nội quy của nhà máy về công tác bảo hộ lao động, đồng thời thường xuyên kiểm tra thực hiện quy định, an toàn khi thao tác, kịp thời giải quyết các sự cố khi xảy ra. 2. Trang bị phòng hộ lao động. Phải đầy đủ các trang thiết bị về an toàn lao động như quần áo, giầy, mũ, găng tay, khẩu trang, để ngăn ngừa xảy ra các tai nạn lao động và các bệnh nghề nghiệp. 3. Các biện pháp kỹ thuật để đảm bảo an toàn Thực hiện nghiêm chỉnh chế độ bảo dưỡng máy móc đúng định kỳ Trang thiết bị đầy đủ, các công cụ sản xuất đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. Các dụng cụ thiết bị điện phải che chắn đúng kỹ thuật, đảm bảo an toàn. Các hệ thống chuyển động phải được che chắn Kiểm tra thường xuyên vật liệu trước khi đưa vào sản xuất Thường xuyên kiểm tra ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm Tuyệt đối tuân theo các yêu cầu công nghệ Sử dụng các hóa chất dễ cháy nổ gây bỏng phải tuyệt đối cẩn thận 4. Công tác vệ sinh Cần làm tốt vệ sinh lao động để tránh những bệnh nghề nghiệp a. Hệ thống thông gió Trong quá trình vận hành máy móc có quá trình gia nhiệt, phát sinh nhiệt và có các khí độc hại do đó phải có biện pháp thông gió cho từng công đoạn, ngoài thông gió tự nhiên cần bố trí hệ thống hút gió. b. Hệ thống chiếu sáng Cần đảm bảo yếu tố sáng tự nhiên và nhân tạo để tạo điều kiện cho công nhân làm việc được thoải mái và năng suất cao chính xác. Nhận xét. Để nâng cao năng suất lao động đem lại hiệu quả kinh tế cho xã hội cần phải chăm lo đến cuộc sống sức khỏe và nhu cầu của người lao động. Điều kiện làm việc thoải mái sức khỏe đảm bảo sẽ giúp cho mọi người hăng hái trong lao động sản xuất. PHẦN V: THIẾT KẾ XÂY DỰNG I. CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG 1. Yêu cầu chung a. Địa điểm phải phù hợp quy hoạch của nhà máy để đảm bảo sự phát triển của nhà máy tạo điều kiện sản xuất với các phân xưởng khác. b. Yêu cầu nơi cung cấp năng lượng để quá trình sản xuất được thuận tiện kinh tế. c. Gần nơi cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm tránh được vận chuyển xa tạo điều kiện cho sản xuất được thuận lợi, giảm bớt chi phí chuyên chở góp phần hạ giá thành sản phẩm để cạnh tranh. d. Việc thoát nước được dễ dàng, không ảnh hưởng đến nguồn nước sạch của các khu dân cư xung quanh. e. Đảm bảo gần đường giao thông chính để việc vận tải chuyên chở thuận tiện đảm bảo sự hoạt động của phân xưởng. f. Đảm bảo nguồn nhân lực trong sản xuất II. YÊU CẦU VỀ KỸ THUẬT XÂY DỰNG 1. Địa hình. Khu đất phải có kích thứơc và hình dạng thuận lợi cho việc xây dựng trước mắt cũng như việc mở rộng nhà máy trong tương lai. Khu đất được lựa chọn phải đáp ứng những nhu cầu sau: Khu đất phải cao ráo, tránh ngập lụt trong mùa mưa. Khu đất phải tương đối bằng phẳng để hạn chế tối đa kinh phí cho việc san lấp mặt bằng 2. Địa chất - Không được nằm trên các vùng có mỏ khoáng sản hoặc địa chất không ổn định. - Cường độ khu đất xây dựng là 1,5 - 2,5 kg/cm2. Nên xây dựng trên nền đất sét, sét pha cát, đất đá ong… để giảm tối đa chi phí gia cố nền móng của các hạng mục công trình nhất là các hạng mục công tình có tải trọng bản thân và tải trọng động lớn. 3. Các yêu cầu về môi trường và vệ sinh công nghiệp Khi địa điểm xây dựng nhà máy được chọn cần xét đến mối quan hệ mật thiết giữa khu dân cư đô thị và khu công nghiệp. Địa điểm xây dựng phải đảm bảo các yêu cầu quy định về bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp. Khoảng cách bảo vệ, vệ sinh công nghiệp tuyệt đối không được xây dựng các công tình công cộng hoặc công viên, phải trồng cây xanh để hạn chế tác hại của khu công nghiệp gây nên. Vị trí xây dựng nhà máy thường cuối hướng gió chủ đạo. III. NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG NHÀ MÁY 1. Vùng trước nhà máy Nơi bố trí các nhà hành chính quản lý, nhà phục vụ sinh hoạt, cổng ra vào gara ô tô, nhà gửi xe đạp. Diện tích vùng này có thể chiếm từ 4 đến 20% diện tích toàn nhà máy. 2. Vùng sản xuất Nơi bố trí các nhà và dây chuyền sản xuất chính của nhà máy như các xưởng sản xuất chính, phụ, sản xuất phụ trợ… tuỳ theo đặc điểm sản xuất của nhà máy và quy mô diện tích của nhà máy mà khu này có thể chiếm từ 22¸25% diện tích của nhà máy. Đây là vùng quan trọng nhất của nhà máy nên khi bố trí cần lưu ý đến một số điểm như: - Khu đất được ưu tiên về điều kiện địa hình, địa chất cũng như về hướng. - Phải bố trí gần phía cổng hoặc trục giao thông chính của nhà máy. 3. Các công trình phụ Nơi đặt các nhà và công trình cung cấp điện, nước, xử lý nước thải và các công trình bảo quản kỹ thuật khác. Tuỳ theo mức độ của công nghệ yêu cầu vùng ngày có diện tích bằng 14 ¸ 28% diện tích nhà máy. 4. Vùng kho tàng phục vụ giao thông Bố trí các hệ thống kho tàng, bến bãi, các cầu bốc dỡ hàng hoá, sân ga, nhà máy…Tuỳ theo đặc điểm sản xuất và quy mô vùng này thường chiếm từ 23 ¸ 37% diện tích toàn nhà máy. Khi bố trí cần chú ý sao cho thuận lợi cho việc đi lại, xuất, nhập nguyên liệu và sản phẩm. Đồng thời hệ thống kho tàng gắn liền với các bộ phận sản xuất. Bảng: Các hạng mục công trình của nhà máy. TT Tên các hạng mục công trình Số lượng Dài x rộng Diện tích Nhà hành chính 1 24 x 8 192 Nhà ăn 1 24 x 12 288 Nhà để ôtô 1 12 x 9 108 Nhà để xe đạp + xe máy 1 24 x 9 216 Phòng thường trực 2 6 x 6 36 Nhà vệ sinh 1 18 x 6 108 Buồng chứa nguyên liệu 8 24 x 12 228 Nhà sản xuất chính 1 48 x 27 1296 Nhà sản xuất phụ trợ 1 24 x 12 288 Phòng thí nghiệm + điều khiển trung tâm 1 18 x 9 162 Xưởng cơ khí 1 24 x 12 288 Nhà để xe tải lớn 1 18 x 9 162 Trạm cứu hoả 1 12 x 9 108 Khu đất dự trữ 1 36 x 18 648 Nhà chứa sản phẩm 1 36 x 18 648 Trạm cung cấp nước sạch 1 12 x 9 108 Trạm xử lý nước thải 1 12 x 9 108 Trạm điện 1 9 x 6 72 Tổng diện tích 5124 Diện tích tổng mặt bằng nhà máy 5124 x 4 = 20496 (m2) Hệ số xây dựng Hệ số sử dụng = 65% KẾT LUẬN Sau một thời gian học tập tại trường em đã cố gắng học tập và trau dồi kiến thức. Em đã được giao nhiệm vụ thiết kế phân xưởng sản xuất PVC năng suất 40.000tấn/năm. Vận dụng những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn tận tình của thầy ThS. Đào Quốc Tuỳ em đã hoàn thành được các nhiệm vụ chính: - Tổng quan của quá trình sản xuất PVC. - Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng. - Tính toán thiết bị phản ứng chính D = 4,4 (m) ; H = 11 (m) - An toàn lao động. - Thiết kế xây dựng: Tổng diện tích 19704m2. Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều song do còn thiếu những kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án không tránh khỏi những sai sót nhất định. Em rất mong được sự góp ý chỉ bảo của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ Đào Quốc Tuỳ và các thầy cô trong toàn khoa và bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành quyển đồ án này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật sản xuất chất dẻo - Tập 1 - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi, 1970. Hoá học Polyme - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi, 1982. Vương Đình Nhân (dịch). Sổ tay kỹ sư hoá chất 1987, Nhà xuất bản giáo dục. Bộ môn Công nghệ Hữu Cơ Hoá dầu - Hoá học Dầu mỏ - Đinh Thị Ngọ. Kỹ thuật sản xuất chất dẻo. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi - 1974. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập I. Bộ môn Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hoá chất. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi -1999. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hoá chất tập II. Bộ Môn Quá trình Và thiết bị công nghệ hoá chất. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi -1999. Tạp chí Công nghiệp hoá chất - "PVC đón đầu công nghiệp hoá dầu". Tổng công ty hoá chất Việt Nam - Số7 - 1997 Tạp chí công nghiệp hoá chất -"PVC - vẫn là chất dẻo của thế kỷ 21". Tổng công ty hoá chất Việt Nam. Số 8 - 1998. 10. Tạp chí công nghiệp hoá chất 5 -2002. 11. Trần Công Khanh. Thiết bị phản ứng trong sản xuất các hợp chất hữu cơ. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội(1982). 12. Ngô Bình. Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp Bộ Xây dựng cộng nghiệp. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (1975) 13. Hồ Lê Viên. Thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị máy hoá chất. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (1976) 14. Ullma's Encyclo pedia of Industrial chemistry. Vol A21 VCH Publishers, Inc 1992 15. GS.TSKH Nguyễn Bin . Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học (tập 2). Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - 1999. MỤC LỤC Trang