bài tập môn quá trình và khống chế điều khiển

nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn

MỤC LỤC

PHẦN I: MỞ ĐẦU 4

PHẦN II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6

1.1 Nguyên liệu tổng hợp nhựa PVC 6

1.1.1.Vinyl clorua monomer [1] 6

1.1.2 Chất khơi mào [4] 9

1.1.3 Nước khử khoáng 12

1.1.4 Chất ổn định huyền phù 13

1.1.5 Dung dịch đệm 14

1.1.6 Chất ổn định nhiệt (AD-5) 15

1.1.7 Chất ngắt mạch phản ứng (AD-3) 15

1.1.8 Chất bảo quản 16

1.1.9 Chất dập tắt phản ứng khẩn cấp 17

1.1.10 Chất chống đông 18

1.1.11 Chất chống bám dính RCS 18

1.2 Lý thuyết trùng hợp PVC huyền phù 18

1.2.1 Cơ chế trùng hợp PVC [5] 18

1.2.2 Động học của quá trình trùng hợp gốc 22

1.2.3 Các phương pháp sản xuất PVC [4] 28

1.3 Cấu tạo và tính chất của PVC 34

1.3.2 Tính chất của PVC [6] 34

1.4 Ứng dụng của PVC 35

1.4.1 PVC cứng 36

1.4.2 PVC dẻo 37

1.4.3 Biến tính nhựa PVC 39

1.5 Quy trình công nghệ sản xuất PVC huyền phù [7] 40

1.5.1 Lựa chọn công nghệ sản xuất 40

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 43

Chương 1: TÍNH TOÀN VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT 43

2.1.1.Tính toán và cân bằng vật chất 43

2.1.2 Những thông số ban đầu 43

2.1.3 Tính cân bằng vật liệu cho 1 tấn nhựa PVC thành phẩm 44

2.1.3.1.Tính toán các thành phần nguyên liệu: 45

2.1.3.2 Tính thời gian phản ứng 49

2.1.3.3 Tính cân bằng vật chất trong các quá trình sản xuất 53

2.1.4 Tính cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản xuất nhựa PVC thành phẩm: 56

2.1.5 Tính cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất nhựa PVC thành phẩm: 56

2.1.6 Cân bằng cho 1 ngày sản xuất nhựa PVC thành phẩm: 57

Chương 2: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 59

2.2.1 Tính thể tích thiết bị phản ứng 59

2.2.1.1 Tính thể tích nguyên liệu 59

2.2.1.2 Thể tích của thiết bị phản ứng 61

2.2.2 Tính chiều cao và đường kính thiết bị 61

2.2.3 Tính chiều dày thiết bị 62

2.2.3.1 Tính chiều dày của thân thiết bị hình trụ 62

2.2.3.2 Tính chiều dày của đáy và nắp elip có gờ 66

2.2.4 Tính kết cấu vỏ áo gia nhiệt 67

2.2.4.1 Tính chiều cao vỏ áo 67

3.2.4.2 Tính chiều dày thân vỏ áo 67

2.2.4.3 Tính chiều dày đáy của vỏ áo 69

2.2.5 Tính cánh khuấy 70

2.2.5.1 Tính kích thước của cánh khuấy 70

2.2.5.2 Tính công suất của cánh khuấy 70

2.2.5.3 Tính công suất mở máy 71

2.2.5.4 Tính đường kính của trục cánh khuấy 72

2.2.6 Tính chọn bích, bulông, chân đỡ 73

2.2.6.1 Tính chọn bích, bulông 73

2.2.6.2 Chọn chân đỡ 73

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 78

2.3.1 Tính thể tích thiết bị phản ứng 78

2.3.1.1 Tính truyền nhiệt Q1 biến thiên ổn định 78

2.3.1.2 Tính nhiệt độ của tường 83

2.3.1.3 Tính nhiệt lượng Q2 cần để đun nóng thiết bị 83

2.3.1.4 Tính lượng nhiệt Q3 để đun nóng hỗn hợp 84

2.3.1.6 Tính nhiệt lượng Q5 đun nóng vỏ áo của thiết bị phản ứng 84

2.3.1.7 Tính tổn thất nhiệt Q6 trong quá trình gia nhiệt 85

2.3.1.8 Tính nhiệt lượng Q7 do VCM phản ứng tỏa ra trong quá trình gia nhiệt 86 2.3.1.9 Tính nhiệt lượng Q cần cung cấp cho thiết bị phản ứng 86

2.3.1.10 Tính lượng nước cần dùng để gia nhiệt 87

2.3.2 Giai đoạn duy trì phản ứng ở 58oC 87

2.3.2.1 Tính nhiệt lượng cần lấy trong quá trình phản ứng 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHẦN I: MỞ ĐẦU

PHẦN II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Nguyên liệu tổng hợp nhựa PVC

1.1.1.Vinyl clorua monomer [1]

1.1.2 Chất khơi mào [4]

1.1.3 Nước khử khoáng

1.1.4 Chất ổn định huyền phù

1.1.5 Dung dịch đệm

1.1.6 Chất ổn định nhiệt (AD-5)

1.1.7 Chất ngắt mạch phản ứng (AD-3)

1.1.8 Chất bảo quản

1.1.10 Chất chống đông

1.1.11 Chất chống bám dính RCS

1.2 Lý thuyết trùng hợp PVC huyền phù

1.2.1 Cơ chế trùng hợp PVC [5]

1.2.2 Động học của quá trình trùng hợp gốc

Trong quá trình chuyển hoá từ monome thành polyme có sự tham gia của các gốc

tự do Những gốc tự do này có thể coi như sản phẩm trung gian không ổn định có thời gian sống rất ngắn do đó không thể tách ra ở trạng thái ổn định được Phản ứng loại này gọi là phản ứng trùng hợp gốc Ta cần nghiên cứu động học phản ứng và các yếu

tố ảnh hưởng đến khối lượng phân tử như nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất phản ứng,…

1.2.2.1 Tốc độ phản ứng: [11]

* Giai đoạn khơi mào:

- Sự phân hủy của chất khơi mào tạo ra gốc tự do:

I k d

→

2 fR •

- Sự kết hợp giữa monomer và gốc tự do

R •+M → R M i •

Tốc độ khơi mào:

R i=d[M •]

dt =2f kd[I] (1)

Trong đó:

I là chất khơi mào

R• là gốc tự do

kd : Hằng số tốc độ cho sự phân ly của chất khơi mào (s-1)

Ri : Tốc độ phân hủy gốc tự do

[M•] là nồng độ RMi•

f : Hệ số của chất khơi mào

[I] : Nồng độ ban đầu của chất khơi mào

* Giai đoạn phát triển mạch:

R p=−d[M]

dt =k p[M •] [M]

- Tốc độ phát triển mạch:

R p=−d[M]

dt =k p[M •] [M] (2)

Trong đó:

Rp là tốc độ phát triển mạch

kp : Hằng số tốc độ phản ứng phát triển mạch

[M•] = ∑R M x •

[M] là nồng độ monomer ban đầu

* Giai đoạn ngắt mạch

Quá trình ngắt mạch phản ứng có thể xảy ra một trong hai cơ chế sau:

 Kết hợp (coupling)

M x +M y. k tc

→

M x+ y

 Disproportionation

M x +M y. k td

→

M x+M y

Nếu như không phân biệt hai cơ chế ngắt mạch mà trong mọi trường hợp đều tương đương về mặt động học thì sự ngắt mạch có thể biểu diễn là:

M x +M y. k t

→

P

- Tốc độ ngắt mạch:

R t=−d[M ]

dt =2 kt[M ]2 (3)

Trong đó:

Rt là tốc độ ngắt mạch

kt : Hằng số tốc độ phản ứng ngắt mạch

Trong quá trình trung hợp ở trạng thái ổn định, tổng nồng độ gốc không đổi Tốc độ phản ứng khơi mào bằng tốc độ phản ứng ngắt mạch

Do đó từ (1) và (3) ta có:

R i=R t

Tương đương:

2 f k d[I]=2 kt[M ]2 Suy ra:

[M ]=√f k d[I]

k t (4) Thay (4) vào (2) ta có:

R p=−d[M]

dt =k p√f k t[I]

k t [M] (5)

1.2.3 Các phương pháp sản xuất PVC [4]

1.3 Cấu tạo và tính chất của PVC

1.4 Ứng dụng của PVC

1.5 Quy trình công nghệ sản xuất PVC huyền phù [7]

1.5.1 Lựa chọn công nghệ sản xuất

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Chương 1: TÍNH TOÀN VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1.1 Những thông số ban đầu

+ Có thể tóm tắt dây chuyền công nghệ

+ Các số liệu ban đầu:

− Năng suất: 45.000 tấn/năm

− Độ ẩm sau sấy: 0,15%

− Độ ẩm trước sấy: 22,5%

− Hiệu suất: 88%

− Tổn thất:

+ Chuẩn bị nguyên liệu: 0,04%

+ Tổng hợp: 0,2%

+ Xử lý tách monomer: 0,1%

+ Ly tâm: 0,4%

+ Sấy: 0,15%

+ Sàng: 0,1%

+ Đóng gói: 0,05%

+ Đơn phối liệu

Bảng 2.1: Đơn phối liệu tính theo thành phần khối lượng [4]

Chuẩn bị

nguyên liệu Trùng hợp Xử lý tách monomer

Sấy Sàng

Ly tâm

Đóng gói

Nước 130

2.1.3 Tính cân bằng vật liệu cho 1 tấn nhựa PVC thành phẩm

Tính lượng PVC cần phải tạo ra trong thiết bị phản ứng là bao nhiêu sau khi bị tổn thất ở các quá trình thì thu được 1 tấn PVC thành phẩm

2.1.3.1.Tính toán các thành phần nguyên liệu:

+ Tính lượng monomer 99,9% (chú ý đến hiệu suất)

+ Tính thành phần các chất theo đơn phối liệu: dung dịch đệm, chất khơi mào, chất ổn định huyền phù, chất ổn định nhiệt….

+ Tính lượng nước (chú ý lượng nước bổ sung và lượng nước dùng để pha các thành phần khác)

Bảng 2.2: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm ở giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu

Thành phần Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg)

Chất ổn định huyền

2.1.3.2 Tính thời gian phản ứng

 Tính thời gian phản ứng:[10]

Sử dụng hệ chất khơi mào là C-19 và C-29, vì khối lượng của chất khơi mào quá

bé nên giả sử chỉ sử dụng một chất khơi mào là C-29

Các thông số của C-29: Cumyl peroxyneodecanoate

KLPT: 306,4 đVC

Hệ số tầng số phản ứng Arrhenius: A = 3,12E+14 (s-1)

Năng lượng họa hóa: Ea = 114,59 (KJ/mol) = 144590 (J/mol)

Chu kỳ bán rã t1/2 = 1h ứng với nhiệt độ t = 56oC và f = 0,75

- Tính hệ số phân ly của chất khơi mào Kd:

Áp dụng phương trình Arrhenius:

K d=A × e

−Ea

RT=(3,12 ×1 014)× e

−1141590

329 ×8,3142=1,99× 10−4(s−1)

Các thông số của VCM:

Ea = 39300 (J/mol) [12]

- Tính hệ số Kp và Kt:

Ở nhiệt độ 50oC: Kp50 = 11000 L.(mol.s)-1

Kt50 = 2,1 ×1 09L.(mol.s)-1 [13]

Do nhiệt độ của phản ứng khoảng từ 57 - 58,5oC nên giả sử lấy nhiệt độ phản ứng bằng với nhiệt độ phân rã của chất khơi mào là 56oC

Ở nhiệt độ 56oC:

Ta có: K= A × e−Ea

RT

Suy ra: K1

K2=e

(E a

R)×(T12 − 1

T1)

Từ công thức trên suy ra các giá trị Kp và Kt của VCM ở 56oC

Kp50

Kp56= e

(8,314239300)×(3291 −

1

298)

=> Kp56= Kp50

e(8,314239300)×(3291 −

1

323)=

11000

e(8,314239300)×(3291 −

1

323)=14364,8917  (L.mo l

-1

s-1)

Kt50

Kt56= e

(8,314239300)×(3291 −

1

298)

=> Kt56= Kt50

e(8,314239300)×(3291 −

1

323)=

2,1× 1 09

e(8,314239300)×(3291 −

1

323)=2,7424 ×1 0

9(L.mo l-1 s-1)

- Tính nồng độ VCM và nồng độ của chất khơi mào

Ta có: Khối lượng riêng VCM là: dVCM = 970 (kg/m3) [15]

Thể tích của VCM là:

V VCM=m VCM

d VCM=

1144,4034

970 =1,1798(m

3)=1179,8000(l)

Số mol của VCM là:

n VCM=m VCM

62,5=

1144,4034

Ta có: Khối lượng riêng CKM là: dVCM = 1 (kg/l) [14]

Thể tích của CKM là:

V CKM=m CKM

d CKM=

0,5721

Số mol của CKM là:

n CKM= m CKM

306,4=

0,5721 ×1000

Chất khơi mào tan trong monomer, do đó:

Nồng độ VCM ban đầu là:

V VCM+V CKM=

18310,5000 1179,8000 +0,5721=15,5125(mol /l)

Nồng độ ban đầu CKM là:

1197,8000+0,5721=1,5581×1 0

−3

(mol /l)

- Cân bằng số mole trong lò phản ứng: [16]

Ta có công thức sau: F A 0−F A+G A=d N A

dt

Trong đó:

FA0 : Tốc độ dòng mol đầu vào

FA : Tốc độ dòng mol đầu ra

GA : Tốc độ mol sản phẩm hình thành

NA : Số mol của monomer ban đầu

Sử dụng thiết bị gián đoạn nên:

FA0 = FA

dt

Giả sử tất cả các biến giá trị trong lò phản ứng đều bằng nhau:

G A=r A V

Trong đó:

rA : Tốc độ phản ứng

V : Thể tích của lò phản ứng

Thời gian cần để số mol từ giá trị ban đầu NA0 đến giá trị NA1 là:

N A1

N A0

d N A

−r A V

dt =r A V ⇔ d C A

dt =r A (*)

Thay công thức số (5) được trình bày ở phần tốc độ phản ứng (mục 1.2.2.Động học của quá trình trùng hợp gốc) vào phương trình (*) ta có:

d C A

dt =k p√f k d[I]

k t ×C A ⇔ d C A

C A =k p√f k d[I ]

k t dt

Suy ra: ln C At

C A 0=−k p√f k d[I ]

k t × t

Đặt: k =k p√f k d[I ]

k t

Ta có: ln C At

C A 0

=−kt

- Tính giá trị k:

k =k p√f k d[I ]

k t =14364,8917√0,75 ×1,99 ×1 0−4×1,5581× 1 0−3

−4

(s−1

)

Giả sử hiệu suất phản ứng H = 88%

Ta có:

H= C A 0−C CA 1

C A 0 ×100 %=88 % ⇒C A 1=C A 0−0,88 CA 0=0,12 ×15,5125=1,8615(mol /l)

Vậy thời gian phản ứng là:

ln C At

C A 0=−kt ⇒ t=

ln C At

C A 0

ln 1,8615 15,5125

−1,3227927 ×1 0−4=16028,6909(s )=4,4524 (h)

 Tính thời gian làm việc trong một ngày, số mẻ và lượng vật chất trong một mẻ:

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: 12 ngày

- Số ngày lễ tết: 10 ngày

- Tổng: 22 ngày

Vậy số ngày làm việc trong một năm là:

365 – 22 = 343 ngày

Do quá trình sản xuất là liên tục, thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn nên thời gian sản xuất được tính theo từng mẻ Thời gian phân bố cho một mẻ sản xuất nhựa như sau [9]:

- Thời gian vệ sinh thiết bị và phun chất chống bám dính: 10 phút

- Thời gian nạp liệu: 30 phút

- Thời gian phản ứng và giảm áp: 340 phút

- Thời gian tháo liệu: 40 phút

Vậy, tổng thời gian cho một mẻ sản xuất là 420 phút (7 giờ)

Tổng thời gian sản xuất trong 1 năm là: 343 ×24=8232 (giờ)

Tổng số mẻ sản xuất trong 1 năm là: 8232/7 = 1176 (mẻ)

Do đó, để đạt năng suất theo yêu cầu thì khôi lượng nhựa PVC cần sản xuất trong một mẻ là: 45000/1176 = 38,2653 (tấn)

2.1.3.3 Tính cân bằng vật chất trong các quá trình sản xuất

Bảng 2.3: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn tổng hợp, tổn hao 0,2% Bảng 2.4: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn xử lý tách VCM, tổn hao

0,1%:

Bảng 2.5: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn ly tâm tách nước, tổn hao

0,4%

Bảng 2.6: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn sấy, tổn hao 0,15%.

Bảng 2.7: Cần bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn sàng, tổn hao 0,1%.

Bảng 2.8: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm giai đoạn đóng gói, tổn hao 0,05% Bảng 2.9: Cân bằng vật chất cho 1 tấn nhựa thành phẩm.

2.1.4 Tính cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản xuất nhựa PVC thành phẩm:

2.1.5 Tính cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất nhựa PVC thành phẩm:

2.1.6 Cân bằng cho 1 ngày sản xuất nhựa PVC thành phẩm:

Chương 2: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

2.2.1 Tính thể tích thiết bị phản ứng

2.2.1.1 Tính thể tích nguyên liệu

Thể tích của nguyên liệu được tính theo công thức: V NL=∑

i=1

n G i

ρ i

Trong đó: - Gi: khối lượng của cấu tử thứ i trong thiết bị phản ứng, (kg).

- i : khối lượng riêng của cấu tử thứ i, (kg/m3)

2.2.1.2 Thể tích của thiết bị phản ứng (chú ý đến hệ số điền đầy)

2.2.2 Tính chiều cao và đường kính thiết bị

(Xem thiết bị gồm: thân hình trụ, đáy và nắp elip) Chú ý D <= 4m

2.2.3 Tính chiều dày thiết bị

2.2.3.1 Tính chiều dày của thân thiết bị hình trụ (chú ý cần kiểm tra lại xem có đạt)

Chiều dày của thân thiết bị được tính theo công thức:

S t h an= D t × P

2[σ]×ϕ−P+C [STQT&TB 2 – tr.360]

- φ: Hệ số bền theo phương dọc trục, φ = 0,95.

- C: Hệ số bổ sung.

- [σ]: Ứng suất cho phép.

2.2.3.2 Tính chiều dày của đáy và nắp elip có gờ

a Tính chiều dày của đáy, nắp (chú ý cần kiểm tra lại xem có đạt)

Với đáy và nắp là hình elip thì chiều dày tối thiểu được tính theo công thức:

S day ,nap= D t × P

3,8×[σ]×k × ϕ h−P ×

D t

2 h '+C (m) [XIII.47, STQT&TB 2 – Tr.385]

2.2.4 Tính kết cấu vỏ áo gia nhiệt

Tính chiều cao, chiều dày vỏ áo

Theo công thức [XIII.47 STQT&TB 2 – Tr.385], ta có chiều dày đáy vỏ áo:

S dv= D dv × P lv 3,8 ×[σ]×k × ϕ−P ×

D dv

2 h ″+C

2.2.5 Tính cánh khuấy

2.2.6 Tính chọn bích, bulông, chân đỡ