[ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP] THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT NHỰA POLYVINYL CLORUA NĂNG XUẤT 45000 TẤN/NĂM

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Giới thiệu về polyme và tiềm năng sử dụng

1.1.1 Tầm quan trọng của các hợp chất cao phân tử

Hóa học các hợp chất cao phân tử là một trong những ngành khoa học phát triển nhanh nhất Vào những năm 30 của thế kỷ XX, sau khi tách riêng thành một bộ phận độc lập của khoa học, ngày nay đã đạt được một trình độ phát triển cao Các ngành lớn nhất của công nghiệp nhựa như cao su, chất dẻo, sợi hóa học, màng, sơn và keo, vật liệu cách điện, giấy… hoàn toàn dựa trên sự chế biến các vật liệu cao phân tử

Nguồn: Theo Plastic – the Fact 2010, Plasticeurope.org

Hình 1.1 Sản lượng nhựa tổng hợp của thế giới (1950-2009)

Vì thế các hợp chất cao phân tử là những thành phần cơ bản của nhiều loại vật liệu chế tạo mà ứng dụng gắn liền với các tính chất cơ học của chúng Những vật liệu đó phải có độ bền, độ đàn hồi, độ rắn cao… và về mặt này chỉ có kim loại là có thể cạnh tranh được với các hợp chất cao phân tử

Hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, từ sản phẩm thông dụng đến các sản phẩm ứng dụng trong công nghệ cao

- Các hợp chất cao phân tử có nguồn gốc từ thiên nhiên như: xenlulo và các dẫn xuất của nó, dầu thảo mộc, gelatin, lighin… được sử dụng trong sản xuất giấy, dệt may, keo dán và sơn

- Các hợp chất cao phân tử tổng hợp thì được ứng dụng rộng rãi hơn như: ứng dụng trong kỹ thuật điện tử, trong chế tạo máy, trong sản xuất ô tô, trong xây dựng, sử dụng trong hàng không vũ trụ, trong công nghiệp hóa chất

Nguyên nhân mà các hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực là nhờ các tính chất ưu việt của nó mà khó có loại vật liệu nào có khả năng sánh được:

 Hầu hết các hợp chất cao phân tử đều rất nhẹ, tỷ trọng của chúng đều nằm trong khoảng từ 0,8 1,5 Độ bền riêng lớn (độ bền tính trên một đơn vị khối lượng)

 Một số hợp chất cao phân tử có khả năng cách âm, cách điện và cách nhiệt tốt (các polymer xốp)

 Có loại có độ ma sát lớn, ít bị mài mòn nên đựơc dùng làm má phanh xe (polyxenlulo, các hợp chất cao su) Có loại có độ ma sát bé nên ứng dụng làm bạc đỡ các ổ trục (terflon, polyetylen)

 Có loại bền với axit, bền với bazơ và các loại dung môi nên được dùng làm các thiết bị chứa hóa chất Đặc biệt có loại bền với nước cường tan như: poly tetra flo etylen

 Một số có độ trong suốt rất cao nên được ứng dụng làm kính ô tô, máy bay (poly metyl meta acrylat)

 Có loại có độ đàn hồi cao nên được dùng làm các gối đỡ, các vòng đệm hay săm lốp xe (các loại cao su)

Nguồn: Theo Plastic – The Fact 2010, Plasticeurope.org

Hình 1.2 Tình hình sản xuất nhựa tổng hợp năm 2009 theo các khu vực

Bên cạnh các tính chất đó các hợp chất cao phân tử còn có một tính chất không kém phần quan trọng đó là: dễ gia công bằng nhiều phương pháp cho ta các sản phẩm đa dạng

Nhược điểm duy nhất của các hợp chất cao phân tử đó là khả năng chịu nhiệt kém điều này cũng hạn chế phần nào phạm vi ứng dụng của nó Tuy nhiên điều này cũng dần được khắc phục khi người ta đang nghiên cứu các chất phụ gia và các chất độn làm tăng khả năng chịu nhiệt của hợp chất cao phân tử lên rất nhiều

Các hợp chất cao phân tử tồn tại trong một thời gian dài và có các tính chất đa dạng Độ bền của các hợp chất cao phân tử có được là do độ linh động của các phân tử kém và tốc độ của các quá trình khuyếch tán nhỏ

Chính từ những lý do trên mà các hợp chất cao phân tử được ứng dụng sâu rộng trong tất cả các lĩnh vực tạo nên một thời kỳ mới: “ Thời kỳ của chất dẻo”

1.1.2 Giới thiệu về Polyvinyl Clorua

Polyvinylclorua (PVC) là một loại nhựa tổng hợp được bằng cách trùng hợp vinylclorua monomer (VCM):

Hiện nay PVC là loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất và tiêu thụ nhiều thứ 3 trên thế giới (sau Polyethylen – PE và Polypropylene - PP) Hình 1.3 cho ta bức tranh tổng thể về nhu cầu các loại chất dẻo của thế giới năm 2009

Hình 1.3 Nhu cầu các loại chất dẻo tổng hợp của thế giới năm 2009

Trong thời đại hiện nay, chúng ta hầu như sống trong một môi trường bị bao quanh bởi các loại nhựa tổng hợp Điều đó làm cho nhiều người lầm tưởng là chúng ta đã tiêu thụ quá nhiều dầu mỏ để sản xuất chất dẻo Ngoài ra, mỗi khi bàn luận vấn đề liên quan đến chất thải có nguồn gốc từ dầu mỏ, người ta hay đổ lỗi cho các loại chất dẻo

Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của polyvinyl clorua

Polyvinylclorua (PVC) là một loại nhựa nhiệt dẻo, có cấu tạo vô định hình Trong công nghiệp được sản xuất ở dạng bột, tỷ trọng 0,5  1,4 g/cm 3 Polyvinylclorua được trùng hợp theo cơ chế gốc tự do là sự kết hợp của các phân tử theo "đầu nối đuôi" thành mạch phát triển Trong mạch phân tử, các nguyên tử clo ở vị trí 1, 3 Người ta dùng nhiều phương pháp khác nhau như: hóa học, vật lý, quang học… để chứng minh điều này

Ví dụ: Khử Cl trong PVC bằng cách đun nóng dung dịch Polyvinylclorua trong dioxan với bột kẽm thì thấy có nhóm cyclo propan được tạo ra

Tùy theo điều kiện khử Cl mà trong Polyme còn lại 13  16% Cl ở dạng nguyên tử Cl riêng biệt Ở trạng thái không kéo căng thì Polyvinylclorua hoàn toàn ở dạng vô định hình và chỉ khi nào kéo thật mạnh mới có khả năng định hướng một phần nhưng không kết tinh Trong phân tử Polyvinylclorua cũng có cấu tạo nhánh nhưng ít, chiếm khoảng từ

50 –100 mắc xích mới có một nhánh

Một số tính chất vật lý cơ bản của PVC:

Nhiệt độ hóa thủy tinh T g : 7580 0 C

Giới hạn bền kéo : 400  600 kG/cm 2

Giới hạn bền uốn : 900 1200 kG/cm 2

Giới hạn bền nén : 800 1600 kG/cm 2 Độ bền va đập : 70  160 kG/cm 2 Độ giãn dài tương đối : 10  15 %

1.2.2.1 Độ hòa tan của polyvinylclorua

Polyvinylclorua là polyme phân cực nên có thể hòa tan trong các dung môi như este, hydrocacbon clo hóa, nitrobenzen Tuy nhiên PVC chỉ hòa tan khi trọng lượng phân tử thấp, còn khi trọng lượng phân tử cao thì tan rất hạn chế, ở nhiệt độ cao độ tan tăng lên Để tăng độ hòa tan cho Polyvinylclorua thường tiến hành biến tính Polyvinylclorua như đồng trùng hợp với vinylaxetat, vinylindeclorua hoặc clo hóa polyvinylclorua tạo thành polypercloruavinyl

Hệ số giãn nở phụ thuộc vào loại liên kết giữa các nhóm nguyên tử hoặc phân tử này và hệ số này càng lớn khi cường độ liên kết càng yếu Độ giãn nở nhiệt của Polyvinylclorua rất thấp

Bảng 1.6: Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu

10 -6 C -1 Độ dẫn nhiệt W/m o C Nhiệt dung riêng ở 20 o C (kJ/kg o C)

Polyvinylclorua có nhiệt độ chảy mềm cao hơn một ít so với nhiệt độ phân hủy Khi ở 140 0 C bắt đầu phân hủy chậm và ở 170 0 C thì phân hủy nhanh hơn

Khi tăng nhiệt độ, HCl sinh ra nhiều hơn và nó làm cho PVC xuất hiện màu, tính tan của Polyvinylclorua dần dần mất đi theo độ phân hủy của nó Tính tan của Polyvinylclorua mất dần là do tạo liên kết ngang

Và sự đổi màu của Polyvinylclorua do tạo liên kết đôi liên hợp:

Sự phân hủy polyvinylclorua khi đun nóng cũng theo phản ứng chuỗi, trung tâm bắt đầu phân hủy là ở những mạch mà ở đó có liên kết C – H, C – Cl yếu Những phần đó có thể là những nhóm cuối của mạch đại phân tử

Khi trùng hợp polyvinylclorua theo cơ chế gốc thì việc đứt mạch có thể xảy ra do phản ứng truyền mạch cho phân tử monome hoặc cho phân tử polyme

Trong trường hợp truyền mạch cho monome thì phân tử polyme có nối đôi ở cuối mạch còn truyền mạch cho polyme thì xuất hiện mạch nhánh và phân tử có chứa cacbon bậc ba Các liên kết đôi hoặc cacbon bậc ba ở trong mạch làm ảnh hưởng đến độ bền liên kết của nguyên tử cacbon bên cạnh làm cho liên kết đó dễ bị đứt bởi ái lực điện tử bị giảm và có thể kích động quá trình phân hủy tạo HCl Ở trong môi trường không khí có nhiệt độ thì sự phân hủy polyvinylclorua xảy ra nhanh hơn trong môi trường khí trơ và khi có mặt của các vết kim loại có hóa trị thay đổi như Zn, Fe … thì chúng sẽ xúc tiến cho quá trình phân hủy polyvinylclorua xảy ra nhanh hơn

Phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu và mục đích sử dụng mà người ta tiến hành gia công polyvinylclorua ở 140  170 0 C Trong điều kiện này có xảy ra quá trình phân hủy HCl, tạo mạch polyvinylclorua có nối đôi và có khi tạo cầu nối giữa các mạch đại phân tử Để tăng độ ổn định nhiệt cho polyvinylclorua người ta thêm vào chất ổn định nhiệt, các chất này có tác dụng làm chậm hoặc kìm hãm sự phân hủy polyme

Trong tất cả các loại chất ổn định nhiệt thì hợp chất vô cơ và cơ kim là quan trọng nhất vì ngoài tác dụng ổn định nhiệt chúng còn ngăn cản polyvinylclorua khỏi bị phân hủy trong điều kiện gia công ở nhiệt độ cao và có khả năng bảo vệ các tính chất vật liệu trong thời gian dài khi sử dụng vật liệu

1.2.2.3 Trộn với chất dẻo và các loại nhựa khác Để gia công và sử dụng Polyvinylclorua hiệu quả thì việc trộn nó với chất hóa dẻo có ý nghĩa rất quan trọng Chất hóa dẻo là chất độn với polyvinylclorua làm cho polyvinylclorua có độ bền uốn tăng, làm giảm tính dòn ở nhiệt độ thấp, tức là làm giảm nhiệt độ hóa thủy tinh, làm giảm điều kiện gia công và tăng thời gian sử dụng sản phẩm vì polyvinylclorua là polyme mạch cứng, ở nhiệt độ cao mới đàn hồi

Các chất hóa dẻo là các chất có cực, thường dùng ở dạng lỏng thông dụng nhất là các este, phtalat, adipat, sebacat

Polyvinylclorua là polyme phân cực, polyvinylclorua cứng ít biến dạng là do lực nội tại giữa các phân tử

Các phân tử hóa dẻo sẽ chiếm vị trí giữa các mạch polyme làm tăng khoảng cách giữa các mạch và do đó làm giảm lực liên kết giữa chúng Khi đun nóng, chuyển động của các phân tử tăng do đó làm cho các mạch phân tử mềm dẽo, có thể trượt lên nhau làm cho polyvinylclorua mềm ra

Ngoài ra polyvinylclorua còn có khả năng trộn hợp với các polyeste mạch thẳng, các nhựa alkyd, nhựa epoxi, polyformaldehyd

Thông thường các polyme trong đó có Polyvinylclorua không có những phần tử tích điện Do vậy điện trở của polyme rất lớn (10 15 – 10 18 m) vì thế Polyvinylclorua được dùng làm vỏ bọc dây cách điện

Tùy theo công dụng mà người ta sử dụng PVC-S (huyền phù) hoặc PVC-E (nhũ tương) Đối với trùng hợp nhũ tương, PVC sau khi trùng hợp xong để tách nó cần phải có một loạt các thiết bị tinh tế mới có thể thu được hạt PVC sạch, PVC thu được theo phương pháp nhũ tương có độ tinh khiết không cao, hàm lượng tạp chất lớn, vì nó có chất nhũ hóa nên làm giảm tính chất cơ lý như độ ổn định nhiệt, tính cách điện, độ ổn định hóa học giảm Ngoài ra người ta nghiên cứu cho thấy độ phân nhánh của PVC-E lớn gấp 2 – 3 lần độ phân nhánh của PVC-S Do vậy làm cho PVC-E có tính chất cơ lý kém Vì vậy để sản xuất các mặt hàng thông dụng như: ống, tấm, sản phẩm chịu môi trường hóa học, vỏ bọc cách điện người ta dùng PVC-S Còn với PVC-E chỉ thuận lợi khi sản xuất ở dạng past vì nó bỏ qua công đoạn tinh chế, tách polyme ra khỏi dung dịch nhũ tương, ứng dụng của nó để sản xuất ra PVC xốp, biến tính làm màng sơn, làm màng bảo vệ cần tráng lên vật liệu gỗ, vải giấy, ngoài ra còn dùng để sản xuất da nhân tạo PVC-S được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt và trong công nghiệp, để cải thiện một số tính chất cơ lý hóa và tạo điều kiện gia công người tao thêm các phụ gia như chất hóa dẻo, ổn định nhiệt …

1.2.3.1 Sản phẩm từ PVC không hóa dẻo (Viniplat)

Sản phẩm từ PVC cứng chịu nhiệt tốt, cách điện tốt, độ ổn định hóa học cao dùng để sản xuất thiết bị hóa chất như thùng, bể chứa, ống dẫn hóa chất Các vật liệu tấm, các loại vật liệu chịu ăn mòn, có thể làm được cúc áo thay cho Xenluloit và trong kỹ thuật thay cho Ebonit

1.2.3.2 Sản phẩm từ PVC hóa dẻo

Lý thuyết trùng hợp polyvinyl clorua

1.3.1 Đặc điểm của phản ứng trùng hợp

Quang trùng hợp vinylclorua dưới ánh sáng mặt trời không có chất khởi đầu xảy ra chậm nhưng dưới ảnh hưởng của ánh sáng tử ngoại thì nhanh hơn Nhiệt độ phản ứng tăng và thêm peroxit thì tăng tốc độ trùng hợp

Không có O 2 và chất khởi đầu thì nhiệt trùng hợp vinylclorua không xảy ra, nhưng nếu có O2 thì polyme tạo ra tương đối nhanh sau một thời gian cảm ứng Trong thời gian cảm ứng O 2 kết hợp với vinylclorua tạo ra peroxit, peroxit phân hủy thành các gốc và trùng hợp

Phản ứng trùng hợp rất nhạy với tạp chất C 2 H 2 , CH 3 OH và C 2 H 5 OH, HCl làm chậm nhiều vận tốc quá trình, còn stirol, hydroquinol, phenol, brom và KMnO4 làm ngừng phản ứng

Trùng hợp vinylclorua trong dung môi thường thu được polyme có trọng lượng phân tử thấp và vận tốc phản ứng giảm Nhiều trường hợp dung môi ảnh hưởng đến trật tự sắp xếp của các mắt xích dọc theo mạch phân tử Nếu tiến hành trùng hợp vinylclorua trong điều kiện trên 75 o C thì có khí HCl tách ra từ Polyvinylclorua Hiện tượng này dễ xảy ra khi có dung môi

Nghiên cứu trùng hợp vinylclorua trong khối (tức là trong pha lỏng) có chất khơi mào thì thấy rằng trùng hợp xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc bình thường nhưng có hai nét đặc biệt:

 Vận tốc trùng hợp tăng từ lúc bắt đầu phản ứng đến khi gần 50% monome chuyển hóa Hiện tượng đó gọi là hiện tượng gel

 Vận tốc trùng hợp monomer vinylclorua tạo PVC có giá trị lớn hơn rất nhiều so với trùng hợp các hợp chất vinyl khác

Cả hai đặc điểm này có ý nghĩa thực tế Đặc điểm đầu là nguyên nhân không ổn định của vận tốc trùng hợp nhũ tương và huyền phù Đặc điểm hai có ảnh hưởng lớn đến trọng lượng phân tử của polyme thu được Xuất phát từ đấy mà trong công nghiệp, người ta thường điều chỉnh trọng lượng phân tử của polyme bằng cách thay đổi nhiệt độ trùng hợp, chứ không phải thay đổi nồng độ chất khơi mào

Ngoài ra để điều chỉnh trọng lượng phân tử ta có thể thêm vào các hợp chất có khả năng truyền mạch hoặc dùng phương pháp nồng độ có hiệu lực của monome trong hệ thống phản ứng Trường hợp này có thể dùng phương pháp trùng hợp vinylclorua trong nhũ tương ở áp suất thấp có nghĩa là thấp thua áp suất hơi bảo hòa của vinylclorua trong điều kiện nhiệt độ nhất định Làm như vậy tức giảm nồng độ monome trong pha nước, làm giảm phân tử lượng và vận tốc trùng hợp

1.3.2 Cơ chế của quá trình trùng hợp

Cơ chế trùng hợp monomer vinylclorua tạo PVC là trùng hợp gốc xảy ra theo ba giai đoạn:

 Giai đoạn khơi mào tạo ra các gốc hoạt tính:

Có thể khơi mào bằng các tác nhân khơi mào như dùng nhiệt hoặc ánh sáng, hoặc dùng chất khơi mào Gọi là chất khơi mào vì gốc của nó là đoạn đầu của mạch cao phân tử cũng có thể gọi là chất kích thích vì chính nó có tác dụng kích động phản ứng trùng hợp Các chất khơi mào sử dụng có thể có cấu trúc đối xứng hoặc bất đối xứng Các chất khơi mào được sử dụng trong phản ứng trùng hợp vinylclorua để tạo hạt nhựa PVC là các chất khơi mào thường có cấu trúc R1-O-O-R2, R3-N=N-R4,… ví dụ như: ter-butyl peroxyneodecanoate, Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate hay hợp chất azo, diazo Ở giai đoạn đầu chất khơi mào phân hủy dưới tác dụng của nhiệt hay ánh sáng tạo ra các gốc tự do:

Gọi tắt các gốc tự do tạo ra là R *

 Giai đoạn phát triển mạch:

Các gốc của chất khơi mào sẽ tác dụng với vinylclorua để tạo các gốc tương ứng Các gốc này tiếp tục tác dụng với vinylclorua để thực hiện phản ứng chuyển gốc (truyền năng lượng) và do đó kéo dài mạch trùng hợp ra

Sự ngắt mạch của phản ứng gắn liền với sự bão hoà điện tử không cặp đôi, nên quá trình ngắt mạch là kết quả tương tác của hai gốc tự do Đó là sự kết hợp giữa các gốc polyme với nhau theo hai cơ chế:

Tái hợp gốc: nếu quá trình ngắt mạch của các polyme theo cơ chế này thì kết quả thu được chất polyme có trọng lượng phân tử lớn

Bất tỷ phân: quá trình ngắt mạch xảy ra theo cơ chế bất tỷ phân thì polyme thu được không đồng nhất và có trọng lượng phân tử thấp

1.3.3 Các phương pháp khơi mào

 Khơi mào bằng tác nhân nhiệt độ:

Các gốc tự do xuất hiện dưới tác dụng của nhiệt Sự tạo gốc tự do có thể xem như quá trình mở liên kết đôi:

Tiếp theo lưỡng gốc này tương tác với các phân tử monome

Sau đó lưỡng gốc biến thành đơn gốc, polyme

Trùng hợp nhiệt xảy ra rất chậm và tốc độ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

 Khơi mào bằng tác nhân ánh sáng:

Các monome hấp thụ lượng tử năng lượng ánh sáng và chuyển sang trạng thái bị kích thích, rồi chuyển thành lưỡng gốc tự do:

Trong trùng hợp bằng tác nhân khơi mào quang hóa cũng như trong trùng hợp bằng tác nhân là nhiệt, lưỡng gốc tiếp tục phát triển thành đơn gốc polyme

Khi khơi mào quang hóa, phản ứng trùng hợp đôi khi vẫn tiếp tục một thời gian nữa mặc dù đã ngừng chiếu sáng

 Khơi mào bằng tác nhân bức xạ:

Dùng bức xạ ion hóa (tia , tia rơngen, dòng điện tử gia tốc) tác dụng lên monome tạo thành các gốc tự do khơi mào cho phản ứng trùng hợp Ở mức độ chuyển hóa thấp, trùng hợp bằng tác nhân bức xạ tuân theo quy luật của trung hợp bằng tác nhân ánh sáng

 Khơi mào bằng tác nhân chất khơi mào:

Sự tăng tốc độ phản ứng đạt được bằng cách đưa các gốc tự do từ ngoài hệ Các gốc có thể đưa vào ở trạng thái tự do, hoặc dưới dạng hợp chất dễ phân rã trong điều kiện phản ứng để tạo thành các gốc tự do

Sự phân rã phân tử chất khơi mào thành các gốc tự do tiêu tốn năng lượng nhỏ hơn so với năng lượng cần để tạo gốc tự do bằng cách hoạt hóa trực tiếp monome Bởi vậy đưa chất khơi mào vào để tạo các trung tâm hoạt động và làm tăng tốc độ quá trình trùng hợp

Sự tương tác của các monome với gốc (tạo thành do sự phân hủy chất khơi mào) là giai đoạn phản ứng cơ sở đầu tiên của quá trình phát triển mạch

Các chất khơi mào được dùng là các peoxyt hữu cơ, hydropeoxyt, ozonit, một số hợp chất azo và diazo …

Nguyên liệu tổng hợp PVC

Nguyên liệu chính để sản xuất polyvinylclorua là vinylclorua và một số nguyên liệu phụ khác như chất khơi mào, chất ổn định huyền phù, chất ổn định nhiệt chất kìm hãm… Tùy theo loại và hàm lượng của các nguyên liệu phụ này mà ta có thể tạo ra được nhiều loại Polyvinylclorua khác nhau (có độ trùng hợp trùng hợp khác nhau) ví dụ như:

Trong ba loại trên thì loại K - 66 được sử dụng nhiều nhất (chiếm khoảng 90%) Như vậy nhà máy này sẽ sản xuất loại K–66 Các nguyên liệu chính để sản xuất loại nhựa này gồm có:

Vinyl clorua là nguyên liệu chính để sản xuất polyvinylclorua

Nhiệt độ nóng chảy t o nc = - 153,7 0 C

Tỷ trọng ở 58 0 C: d = 0,899 g/cm 3 Độ nhớt ở 35 0 C: 0,18 cp

Nhiệt hóa hơi ở 35 0 C: 75,2 kcal/kg 0 C

Chiết suất: n 20 D = 1,4046 n 40 D = 1,398 Nhiệt dung riêng: 0,4 kcal/kg.độ Độ dẫn nhiệt: 0,116 kcal/m.độ Độ tan trong nước: 25,7 mg/100ml ở 20 0 C

VCM tạo hỗn hợp nổ với không khí ở giới hạn 3,6  26,4% về thể tích

Vinyl clorua ở nhiệt độ và áp suất thường là khí không màu, có mùi giống mùi của clorofor Vinyl clorua tan trong các dung môi như axeton, C2H 5 OH, các hydrocacbon thẳng và thơm Vinyl clorua có tính độc, khi tiếp xúc nhiều có thể gây ung thư gan Nồng độ cho phép của nó khi tiếp xúc làm việc là 1 ppm trong thời gian

8h một ngày sản xuất Khi tiếp xúc với vinyl clorua nồng độ cao thì nó gây choáng, mất ổn định gây hôn mê có thể gây bỏng da nếu tiếp xúc trực tiếp với VCM

Có thể bảo quản và chuyên chở vinyl clorua ở trong bình thép chịu áp suất Vinyl lorua cũng có thể bảo quản ở nhiệt độ thấp (-20 0 C và thấp hơn) trong trường hợp không có chất ổn định nếu không có O2 và dưới áp suất khí N2 thì có thể bảo quản ở nhiệt độ thường Thường thêm vào một lượng khoảng 5 ppm (so với vinylclorua) các chất như hydro quinon, tert- bytil pirôkatêsin khi bảo quản và chuyên chở

 Các phương pháp sản xuất vinylclorua

 Khử hydro và clo của dicloetan bằng dung dịch rượu kiềm:

Phương pháp này không kinh tế, tốn nhiều NaOH, rượu, thiết bị phải to nên rất ít được sử dụng trong công nghiệp

 Clo hóa êtylen ở nhiệt độ cao:

CH 2 = CH 2 + Cl 2 CH 2 = CHCl + HCl

 Hydro hóa và clo hóa C 2 H 2 :

Xúc tác sử dụng là Ni hay HgCl 2 ở nhiệt độ cao Phương pháp này có hạn chế là giá thành C 2 H 2 cao hơn giá thành của etylen, nên ít được sử dụng trong công nghiệp

 Nhiệt phân dicloetan với xúc tác Al2O 3 ở nhiệt độ 500  550 0 C:

Quá trình nhiệt phân dicloetan có thể kết hợp với quá trình hidro và clo hóa, nếu HCl tạo ra khi nhiệt phân cho vào nồi phản ứng khác để kết hợp với C2H 2

Phương pháp này rất kinh tế, dây chuyền sản xuất đơn giản, nhưng xúc tác không bền không tái sinh được và ở nhiệt độ cao tạo ra sản phẩm phụ như C 2 H 2 , dien…

Gần đây có khuynh hướng dùng phương pháp này là chủ yếu vì có nhiều etylen kỹ thuật trong dầu mỏ Trong kỹ thuật hiện đại, người ta có thể sản xuất được vinylclorua nguyên chất đến 99,5  99,99 % Về tạp chất có thể có một ít axetylen, nhưng không được có xút vì nó làm cho C2H 2 dễ tạo thành hỗn hợp nổ ở giới hạn 4,0  21,7 % thể tích Vinylclorua có tác dụng kích thích, nồng độ cho phép trong không khí của phân xưởng là 1 mg/l

1.4.2 Chất ổn định huyền phù (Polyvinylancol - PVA)

Do phản ứng trùng hợp tiến hành trong môi trường huyền phù với môi trường phân tán là nước nên ta sử dụng một số chất ổn định huyền phù như sau:

Công thức cấu tạo của nó như sau : Độ trùng hợp n = 700

Chất lượng: Độ nhớt dung dịch Agent - 1: 4 % là 5,4  0,4 cp (ở 20 0 C)

Chỉ số xà phòng hóa: 71,0  1,5 mol.(% nhóm OH)

Thành phần dễ bay hơi: 3,0 % khối lượng (tối đa)

Hàm lượng tro: 1,0 % khối lượng (tối đa) Điều kiện sử dụng: Áp suất nạp : 10 kG/cm 2

Nhiệt độ : nhiệt độ phòng

Agent-1 được sử dụng ở dạng dung dịch có nồng độ là 7,0 %

Công thức cấu tạo của nó như sau : Độ trùng hợp : n = 2000

Chất lượng: Độ nhớt dung dịch 4% là: 32,0  38,0 cp (ở 20 0 C)

Chỉ số phòng hóa: 78,5  81,5 % mol Độ trong suốt của dung dịch 4%: tối thiểu 90 %

Thành phần dễ bay hơi: 5,0 % khối lượng (tối đa)

Hàm lượng tro: 1,0 % khối lượng (tối đa) Điều kiện sử dụng: Áp suất nạp : 10 kG/cm 2

Nhiệt độ : nhiệt độ phòng

Agent-2 được sử dụng ở dạng dung dịch có nồng độ là 5 %

1.4.3 Chất khơi mào (khởi đầu)

Chất khơi mào được sử dụng với mục đích tạo ra các gốc tự do, các gốc tự do này sẽ khơi mào cho quá trình chuyền mạch của monome từ đó làm tăng vận tốc của quá trình phản ứng Ở đây ta sử dụng hai loại chất khơi mào có nhiệt độ, thời gian phân hủy khác nhau, như thế nó có tác dụng phân hủy từ từ và đều trong quá trình phản ứng Như vậy quá trình phản ứng xảy ra được ổn định, êm dịu và dể kiểm soát quá trình phản ứng

Tên gọi: Di-2-etylhexyl peroxidecarbonate

Trọng lượng riêng: 0,990 kg/l ở 25 0 C Độ nhớt: 1,3 poa ở 10 0 C

Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước

Sự phân hủy: khí CO2, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C-19 ở nhiệt độ phòng Phản ứng oxy hóa khử xãy ra khi có tiếp xúc với kim loại như là sắt

Khả năng cháy: không cháy

Chống cháy: các loại bọt, bột để dập lửa và làm lạnh với nhiều nước Điều kiện sử dụng: trạng thái nhũ tương, nồng độ 60 %

Khả năng hòa tan: dễ tan trong nước

Khả năng cháy : không cháy

Sự phân hủy: khí CO2, CO được tạo ra bởi sự phân hủy C - 29 ở nhiệt độ phòng Phản ứng oxy hóa khử xảy ra khi có tiếp xúc với các kim loại có hóa trị như là sắt, mangan, đồng…

Chống cháy: các loại bọt, bột để dập lửa, và làm lạnh với nhiều nước Điều kiện sử dụng: trạng thái nhũ tương, nồng độ 50%

Mục đích của nó cho vào nhằm ngăn chặn không cho phản ứng xảy ra

Tên gọi: 2,2-Diphenyl propane hoặc 2,2-Di-p-hydroxyphenyl propane hoặc Diphenyl propane hoặc 4,4-Isopropylidene diphenyl

Công thức phân tử: HOC6H 4 - CH 3 - C 6 H 4 OH

Màu sắc: bột màu trắng

Trọng lượng riêng ở 25 0 C: 960 - 1020 kg/m 3 Điểm nóng chảy : 156,6 0 C Điểm sôi : 217 0 C

Nhiệt dung riêng : 0,35 cal/g/ 0 C Độ tan : không tan trong nước, tan trong rượu với tỷ lệ 150,5g/100 g etanol và dung dịch kiềm pha loãng Điều kiện sử dụng: dung dịch 10 % trong NaOH

Thuộc nhóm có độc tính thấp, gây dị ứng da, kích thích đối với mắt

1.4.5 Chất chống tạo bọt (AD-5)

Chất này được cho vào nhằm mục đích tránh tạo bọt, ổn định nhiệt và ngăn ngừa quá trình phân hủy của Polyvinylclorua trong quá trình gia công

Tên gọi: Octadecyl-3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyl phenol) propionate

Chất không bay hơi : 50,0  1,5% khối lượng Độ nhớt ở 25 0 C : 300 cp (lớn nhất) Độ pH (dung dịch AD -5 10% với nước): 7  1,5 Điều kiện sử dụng: trạng thái nhũ tương

Màu sắc: nhũ tương trắng

Mùi: không mùi Điểm nóng chảy: 49  54 0 C Điểm sôi: 100 0 C Độ tan của bột: không tan trong nước

Chất rắn phân tán: tan 26% khối lượng (KL) trong axeton tan 57% KL trong benzen tan 57% KL trong CHCl 3 tan 42% KL trong etyl acetate ( C 2 H 5 OCO-CH 3 ) tan 31% KL trong hexane tan 0,6% KL trong metanol

TÍNH TOÁN KỸ THUẬT

Tính cân bằng vật chất

Mục đích của việc tính cân bằng vật chất là để biết được lượng các nguyên liệu cần cung cấp trong quá trình sản xuất, từ đó để ta có thể lập kế hoạch chuẩn bị nguyên liệu dự trữ cũng như cho quá trình sản xuất của nhà máy, tránh trình trạng thiếu hụt nguyên liệu làm gián đoạn quá trình sản xuất Việc tính toán cân bằng vật chất còn giúp cho ta xác định chính xác giá thành của sản phẩm trong quá trình sản xuất để từ đó điều chỉnh giá thành của sản phẩm cho phù hợp và giúp cạnh tranh trên thị trường Ngoài ra, việc tính cân bằng vật chất sẽ tính được thiết bị có kích thước, trọng lượng là bao nhiêu để bố trí và xây dựng nhà máy đạt được độ chính xác, an to àn trong quá trình làm việc

Tùy theo loại nguyên liệu và tỷ lệ giữa các nguyên liệu mà ta thu được các loại nhựa PVC có độ trùng hợp khác nhau và người ta đặt cho chúng các tên gọi khác nhau

Ví dụ trên thị trường có các loai như K-58 thì độ trùng hợp trung bình là n = 700, loại K-66 có độ trùng hợp trung bình n = 1020, loại K-71 thì độ trùng hợp trung bình là n 1270 Qua các số liệu tham khảo thực tế trên thị trường Việt Nam em nhận thấy hơn 90% nhu cầu PVC được sử dụng và sản xuất là loại K-66, do đó ở đây em tính toán cân bằng vật chất và mọi số liệu em sử dụng cho loại K-66 Đơn phối liệu cho quá trình sản xuất PVC huyền phù loại K-66 như sau:

Tên nguyên liệu Phần khối lượng

AG-1 566 ppm ( so với VCM)

AG-2 283 ppm ( so với VCM)

AD-3 40 ppm ( so với VCM)

AD-5 20 ppm ( so với VCM)

Cat-1 345 ppm ( so với VCM)

Cat-2 150 ppm ( so với VCM)

Chế độ làm việc của nhà máy gồm có

- Số ngày trong năm : 365 ngày

- Số ngày nghỉ để sữa chữa và bảo dưỡng : 15 ngày

- Số ngày nghỉ lể và tết : 8 ngày

- Số ngày sản xuất của nhà máy trong một năm : 342 ngày

- Hiệu suất phản ứng tạo nhựa : 85%

- Tổn thất do chuẩn bị nguyên liệu * VCM : 0,2%

- Tổn thất trong quá trình trùng hợp : 0,15%

- Tổn thất sau khi trùng hợp trước khi qua xử lý : 0,1%

- Tổn thất trong quá trình tách VCM : 0,3%

- Tổn thất trong quá trình ly tâm : 1%

- Tổn thất trong quá trình sấy : 1%

- Tổn thất trong quá trình sàng : 0,7%

- Tổn thất trong quá trình đóng bao : 0,2%

- Độ ẩm của PVC sau khi ly tâm trước khi sấy : 29%

- Độ ẩm của PVC sau khi sấy : 0,3%

Trình tự các bước diễn ra trong quá trình phản ứng như sau:

Tráng lớp màng mỏng (RCS) 15

Như vậy tổng thời gian để hoàn thành một chu kỳ sản xuất là:

455 + 5 = 460 phút (hay 7,6667 giờ) Trong đó 5 phút là thời gian rửa thiết bị sau từng mẻ sản xuất

Tính cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm

Công suất của nhà máy là 45000 tấn/năm, do đó công suất tính theo mỗi giờ sản xuất là:

Trong một tấn sản phẩm do độ ẩm của PVC sau khi sấy là 0,3% nên lượng PVC khô tuyệt đối là:

Do tổn thất trong quá trình đóng bao là 0,2% nên lượng PVC thu được trước khi đóng bao là:

Lượng nhựa tổn thất là: 998,998 – 997 = 1,998 (kg)

Do tổn thất trong quá trình sàng là 0,7% nên lượng nhựa PVC khô thu được trước khi sàng

Lượng nhựa tổn thất trong quá trình sàng là:

Do tổn thất trong quá trình sấy là 1% nên lượng nhựa PVC khô thu được trước khi sấy:

Lượng nhựa tổn thất trong quá trình sấy là:

Hàm ẩm của PVC trước khi sấy và sau khi ly tâm là 29% do đó lượng PVC ẩm sau khi ly tâm và trước khi sấy là:

Lượng nước tách ra trong quá trình sấy là:

Do tổn thất trong quá rình ly tâm là 1% nên lượng PVC khô thu được trước khi ly tâm là:

Lượng nhựa tổn thất khi ly tâm là:

Do tổn thất trong quá trình xử lý tách VCM là 0,3% nên lượng nhựa thu được trước khi xử lý là:

Lượng nhựa tổn thất trong quá trình xử lý tách VCM

Do tổn thất sau khi trùng hợp trước khi qua xử lý ứng đối với nhựa là 0,1% nên lượng nhựa thu được sau trùng hợp:

Lượng nhựa tổn thất sau khi trùng hợp trước khi qua xử lý:

1030,5863 – 1029,5557 = 1,0306 (kg) Vậy tổng lượng nhựa khô tuyệt đối tổn thất trong suốt quá trình sản xuất:

1030,5863 – 997 = 33,5863 (kg) Lượng VCM cần thiết để sản xuất ra một tấn PVC sản phẩm là:

Do hiệu suất phản ứng chuyển hóa VCM thành PVC là 85% nên lượng VCM thực tế cần phải có:

Lượng VCM không tham gia phản ứng là :

Do tổn thất trong quá trình phản ứng là 0,15% nên lượng VCM cần có là:

Lượng VCM tổn thất trong quá trình phản ứng là:

Do tổn thất trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu VCM là 0,2% nên lượng VCM thực tế sử dụng là:

Lượng VCM tổn thất trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu

1216,7094 – 1214,2760 = 2,4334 (kg) Lượng VCM 99,96% thực tế cần để sản xuất là:

Khối lượng các phụ gia tham gia vào quá trình phản ứng:

Do tổn thất trong quá trình trùng hợp là 0,15% nên lượng phụ gia thực tế tiêu tốn trong phản ứng trùng hợp cho một tấn sản phẩm là:

Nhưng do tổn thất trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu đối với các phụ gia là 0,1% nên khối lượng thực tế của các phụ gia cần chuẩn bị cho một tấn sản phẩm là:

Trong các phụ gia sử dụng ngoài chất khởi đầu (Cat-1, Cat-2) và AD-5 ở trạng thái nhũ tương Còn Agent-1, Agent- 2 và AD-1 ở dạng rắn, nên trước khi cho vào hỗn hợp phản ứng được hòa tan trong nước để tạo dung dịch với Agent-1 có nồng độ 7%, Agent-2 có nồng độ 5%, còn AD-5 hòa chung với NaOH theo tỷ lệ 4/3 thu được dung dich có nồng độ 10%

Lượng nước dùng để hòa tan Agent-1 để tạo dung dich có nồng độ 7% là:

Lượng nước dùng để hòa tan Agent-2 để tạo dung dịch có nồng độ 5% là:

Lượng NaOH dùng để hòa tan cùng với AD-5 là:

Lượng nước dùng để hòa tan AD-5 và NaOH tạo dung dịch có nồng độ 10%:

Khối lượng riêng của VCM là 899 kg/m 3 ở nhiệt độ phản ứng là 60 o C

Khối lượng riêng của PVC là 1400 kg/m 3

Do đó khi phản ứng trùng hợp VCM thành PVC xảy ra thì sẽ gây ra hiện tượng giảm thể tích trong nồi phản ứng Độ giảm thể tích trong một tấn PVC được tính theo công thức sau: giam VCM

Như vậy ta cần phải bổ sung thêm một lượng nước là 0,41 m 3 vào trong quá trình phản ứng để đảm bảo giá trị H/D không đổi (H: chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị, D đường kính thiết bị)

Khối lượng nước bổ sung:

Theo lý thuyết thì lượng nước lấy vào bằng 120% so với lượng VCM ban đầu nên ta có:

M nước = 120% 1217,1963 = 1460,6356 (kg) Tổng lượng nước dùng trong quá trình phản ứng:

M nước = 410 + 1460,6356 = 1870,6356 (kg) Lượng nước thực tế cho vào nồi phản ứng lúc đầu

Ta có độ tinh khiết của VCM là 99.96%, do đó còn lại 0.04% là tạp chất và đi ra theo nước nên khối lượng của 0.04% tạp chất này là:

Khối lượng nước đi ra

M nước = 1854,9266 + 0,4120 - 3 = 1852,3386 (kg) Trong đó 3 kg là khối lượng nước còn dư lại trong nhựa

Cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm

STT Tên Ng.Liệu Đầu vào (kg) Đầu ra (kg)

Lượng vào Tham gia Lượng ra Tổn hao

Cân bằng vật chất cho một giờ sản xuất

(Ta nhân bảng cân bằng vật chất của một tấn sản phẩm với hệ số 5.4825 tấn/giờ) Đầu vào (kg) Đầu ra (kg)

Lượng vào Tham gia Lượng ra Tổn hao

Cân bằng vật chất cho một chu kỳ sản xuất

(Ta nhân bảng cân bằng vật chất của một giờ sản xuất với hệ số 7,6667 giờ/chu kỳ) Đầu vào (kg) Đầu ra (kg) STT Tên Ng.Liệu

Lượng vào Tham gia Lượng ra Tổn hao

Cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất

(Ta nhân bảng cân bằng vật chất của một giờ sản xuất với hệ số 24 giờ/ngày) Đầu vào (kg) Đầu ra (kg)

Lượng vào Tham gia Lượng ra Tổn hao

Cân bằng vật chất cho một năm sản xuất

(Ta nhân bảng cân bằng vật chất của một ngày sản xuất với hệ số 342 ngày) Đầu vào (kg) Đầu ra (kg) STT Tên Ng.Liệu

Lượng vào Tham gia Lượng ra Tổn hao

Tính toán thiết bị chính

- Thân thiết bị: thân hình trụ

- Đáy và nắp hình elip có gờ được hàn liền thân

- Bên trong có cánh khuấy Ta sử dụng hệ cánh khuấy gồm bốn cánh khuấy bốn lá phân bố phù hợp trên trục thiết bị

- Trục cánh khuấy đi từ tâm đáy thiết bị

- Các ống dẫn nguyên liệu và xúc tác vào ở nắp thiết bị Cửa tháo niệu sản phẩm ở đáy nhưng đặt lệch tâm

- Vỏ bọc ngoài để đun nóng hay làm lạnh

- Trên thiết bị là bộ phận ngưng tụ

- Thân nồi được hàn với chân đỡ và được gia cố bởi dầm liên kết

- Vật liệu làm nồi chịu áp suất cao, chịu ăn mòn, bên trong được mạ bằng Crôm

Hình 2.1 Mô hình mặt cắt 3D thiết bị phản ứng trùng hợp PVC

2.2.2 Tính thể tích của thiết bị phản ứng (V tb )

Thể tích của VCM trong một chu kỳ sản xuất được tính theo công thức sau:

Cứ 1000 kg bột PVC thì cần một lượng nước là: 1460,6356 kg (lượng nước lấy bằng lượng VCM tham gia ban đầu) Vậy để sản xuất được lượng nhựa PVC trong một chu kỳ sản xuất (46702,4697 kg) thì cần lượng nước:

Thể tích nước cần dùng là:

Ta có khối lượng riêng các phụ gia thêm vào trong quá trình phản ứng là:

AG-1 = 1,21.10 3 kg/m 3 và AG-2 = (1,19÷1,3).10 3 kg/m 3

 AD-3 = 1000 kg/m 3 ,  Cat-1 = 990 kg/m 3 và  Cat-2 = 942 kg/m 3

Do AG-1 và AG-2 được hòa tan trong nước với nồng độ thấp nên ta có thể cho khối lượng riêng của AG-1 bằng khối lượng riêng của AG-2 là 1200 kg/m 3

Thể tích của các thành phần phụ gia

Tổng thể tích của nguyên liệu ban đầu

V nl = V VCM + V nước + V AG-1 + V AG-2 + V AD-3 + V Cat-1 + V Cat-2

Ta chọn hệ thiết bị phản ứng gồm 3 thiết bị phản ứng hoạt động song song, trễ pha với nhau 1/3 chu kỳ theo tuần tự ( thiết bị 2 trễ 1/3 chu kỳ so với thiết bị 1, thiết bị

3 trễ 1/3 chu kỳ so với thiết bị 2) nhằm đảm bảo phân xưởng hoạt động một cách liên tục, năng suất cao Đồng thời việc sử dụng 3 thiết bị phản ứng còn tạo điều kiện dễ dàng hơn trong việc sản xuất thiết bị và độ an toàn cao hơn so với chỉ sử dụng một thiết bị phản ứng

Như vậy thể tích nguyên liệu trong một mẻ của từng thiết bị là: nl nltb

Thể tích thiết bị được tính theo công thức sau: nltb tb

 Với α là hệ số đầy của thiết bị phản ứng và α ≈ 0,6 – 0,7 Ta chọn α = 0,65 Thể tích của thiết bị phản ứng là: tb

2.2.3 Tính chiều cao và đường kính thiết bị phản ứng

Chọn loại thiết bị có thân hình trụ, đáy và nắp có hình dạng elip Trên nắp thiết bị có gắng thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm, cánh khuấy được gắn phía dưới đáy thiết bị

Ta có công thức tính thể tích của thiết bị như sau:

Với D – đường kính của thiết bị (m)

H – chiều cao của thân hình trụ (m) h – chiều cao của đáy và nắp thiết bị

Ta chọn thiết bị phản ứng có tỷ số H

Thay H = 3.D vào phương trình (1) ta được:

Chiều cao của thân thiết bị hình trụ

Chiều cao phần lồi của nắp và đáy thiết bị

Chiều cao của thiết bị phản ứng là

2.2.4 Tính chiều dày thiết bị phản ứng

2.2.4.1 Tính chiều dày thân thiết bị

Thiết bị có thân hình trụ, các chi tiết được hàn với nhau, làm việc chịu áp suất cao Do đó ta chọn vật liệu là thép không gỉ, có độ bền hóa học và độ bền cơ nhiệt Đó là thép X18H10T

Lưu ý: - Đường hàn càng ngắn càng tốt

- Bố trí các đường dọc cách nhau ít nhất là 100 mm

- Hàn ở vị trí dễ quan sát

- Không khoan lỗ qua mối hàn

Theo công thức XIII.8 [STQTTB.T2 - Trang 360], chiều dày thân hình trụ là:

D t : là đường kính trong của thiết bị D t = 3 (m)

 : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, (m)

P - áp suất bên trong thiết bị, N/m 2

Theo bảng XII.4 [ STQTTB.T2 - Trang 309  310 ] thép X18H10T có :

Chiều dày tấm thép 4  25 mm

Giới hạn bền của thép ta có:

 k = 550.10 6 N/m 2 (giới hạn bền khi kéo)

ch= 220.10 6 N/m 2 ( giới hạn bền chảy)

Theo công thức XIII.1 -2 [ STQTTB.T2 - Trang 355 ] ứng suất cho phép của thép theo giới hạn bền được xác định như sau:

Với nk, n ch : hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo và giới hạn chảy

Tra bảng XIII.2,3 [ STQTTB.T2 - Trang 356 ] : n k = 2,6 n c = 1,5

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả vừa tính được của ứng suất để tính toán tiếp Lấy  = 132.10 6 N/m 2

 : phụ thuộc vào phương pháp hàn và đường kính

Tra bảng XIII.8 [ STQTTB.T2 - Trang 362 ], chọn  = 0,9 Đại lượng bổ sung:

C 1 - Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Đối với vật liệu rất bền, ta có thể lấy C 1 = 1 mm ( tính theo thời gian làm việc từ 15  20năm)

C 2 - Đại lượng bổ sung do hao mòn, đại lượng này được chọn theo thực nghiệm Chọn C2 = 0

C 3 - Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, lấy 0,8 mm

Do môi trường của ta là hỗn hợp hơi (khí) - lỏng Nên áp suất làm việc (P) bằng tổng của áp suất hơi (Pmt = 8,6 kg/cm 2 ) và áp suất thủy tỉnh P1 của cột chất lỏng Theo công thức XIII.10 [ STQTTB.T2 - Trang 360 ] áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng được xác định như sau :

Trong đó: g - gia tốc trọng trường, 9,81 m/s 2

1 - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m 3

Khối lượng nước bổ sung trong một mẻ phản ứng là: bs 410.5,4825.7,6667 m 5744,4666

Khối lượng của hỗn hợp không tính lượng nước bổ sung trong một mẽ phản ứng là:

Thể tích nguyên liệu của một thiết bị phản ứng như đã xác định ở trên là 39,4561 m 3 Vậy khối lượng riêng của hỗn hợp lúc ban đầu là:

Khi quá trình phản ứng xảy ra thì có sự sụt giảm thể tích do VCM chuyển hóa thành PVC Để đảm bảo thể tích của hỗn hợp không đổi thì phải thêm vào một lượng nước cần thiết làm khối lượng tăng lên Do đó khối lượng riêng của hỗn hợp lúc này là:

Như vậy ta sẽ sử dụng giá trị khối lượng riêng lớn hơn để tiến hành hành tính toán

Ta có thể tích nguyên liệu chứa ở phần đáy thiết bị phản ứng:

3) Như vậy thể tích của nguyên liệu không kể phần đáy là:

Như vậy chiều cao của hỗn hợp bên trong thiết phản ứng là:

Như vậy thiết bị phải có chiều dày đủ để chịu được áp suất tối thiểu là 9,0107.10 5 (N/m 2 ) hay tương đương 9 (atm) Để đảm bảo hoạt động sản xuất diễn ra an toàn đồng thời dự trù khả năng cho thiết bị hoạt động vượt công suất thì ta sẽ thiết kế cho thiết bị có khả năng chịu được áp suất là P = 14 (atm) hay tương đương 14,1844.10 5 (N/m 2 )

Xét giá trị ở mẫu số của biểu thức sau ta có:

     nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta có thể bỏ qua giá trị của đại lượng P ở mẫu số của phương trình trên [STQTTB.T2 - Trang 360]

Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.26 [STQTTB.T2 – Trang 365 ]

Trong đó: P0 là áp suất thử tính toán P0 được xác định theo công thức:

P th - áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [STQTTB.T2 - Trang 358]

Thỏa mãn điều kiện của biểu thức trên nên ta chọn giá trị chiều dày của thân hình trụ thiết bị là S = 20 mm

2.2.4.2 Tính đáy và nắp thiết bị Đáy và nắp được chế tạo cùng loại vật liệu với thân ( X18H10T ) và được nối với thân theo phương pháp hàn Áp dụng công thức XIII.47 [ STQTTB.T2 - trang 385 ] chiều dày đáy và nắp là :

Trong đó: h b - chiều cao phần lồi của đáy, hb = 0,75 m

h - hệ số bền của mối hàn hướng tâm

Theo bảng XIII.8 [ STQTTB.T2 - Trang 362 ] Chọn  h = 0,9 k- hệ số không thứ nguyên, t k 1 d

  D Ở đây: d - đường kính lớn nhất của lổ không tăng cứng Đối với đáy và nắp có lỗ tăng cứng hoàn toàn thì k = 1

     Nên bỏ qua giá trị P ở mẩu của công thức [2]

Ta có 10  S – C  20 do đó bổ sung đại lượng C thêm 1 mm, nên S = 0,0217 m

Kiểm tra ứng suất thành của đáy và nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức : XIII.49 [ ST.2 - Trang 386 ]

 Thỏa mãn điều kiện trên Vậy ta chọn chiều dày thép của đáy và nắp là S = 22 mm

2.2.5 Tính chiều dày vỏ áo thiết bị

Chiều cao của thân vỏ áo lấy bằng chiều cao của thiết bị Như vậy chiều cao của vỏ áo là 9m Thành trong của vỏ áo cách thành ngoài thiết bị là 0,10 m Ta sử dụng 9 cặp ống nước vào và ra để gia nhiệt cũng như lấy nhiệt trong giai đoạn phản ứng

Chiều dày vỏ bọc thân hình trụ được xác định theo công thức:

D T - là đường kính trong vỏ áo

P - áp suất làm việc của vỏ áo, ở đây ta dùng tác nhân gia nhiệt cho nồi phản ứng là nước nóng có nhiệt độ t = 90 0 C Tương ứng ta có áp suất P = 9,8.10 4 N/m 2

     nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta bỏ qua giá trị P ở mẩu của công thức [3]

Kiểm tra ứng suất thành vỏ áo theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.26 [STQTTB.T2 – Trang 365 ]

 Vậy thỏa mãn điều kiện Như vậy chiều dày thép của vỏ áo S = 3 (mm)

2.2.6 Chọn bích nối cho thiết bị

2.2.6.1 Bích nối thân thiết bị với đáy và nắp

Bích nối thân thiết bị với đáy và nắp

Kích thước nối (mm) Bulông

2.2.6.2 Bích nối thân thiết bị với vỏ áo

Bích nối thân thiết bị với vỏ áo

Kích thước nối (mm) Bulông

2.2.7 Tính cánh khuấy của thiết bị phản ứng

Do hỗn hợp phản ứng có độ nhớt tương đối lớn, cho nên ta dùng cánh khuấy loại tuốc bin ba cánh

Theo bảng IV.1 [ STQTTB.T1 - Trang 618 ] ta chọn: Đường kính của cánh khuấy ( d ) :

D t : đường kính trong của thiết bị phản ứng

Bề rộng bản cánh khuấy (của tổng hệ cánh khuấy) là: l = 0,22.D = 0,22 3 = 0,66 (m)

Khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy thiết bị:

2.2.7.1 Tính công suất làm việc của cánh khuấy

Công suất làm việc của cánh khuấy để khắc phục trở lực của môi trường được xác định theo công thức IV.2 [ STQTTB.T1 - Trang 616 ]

N    .n d Trong đó : n - là số vòng quay của cánh khuấy, n = 90 vòng/phút (1,5 vòng/giây) 2 - khối lượng riêng của chất lỏng, 2 = 1097,1868 (kg/m 3 ) d - đường kính của cánh khuấy, d = 1 (m)

k - hệ số không thứ nguyên, được xác định theo thực nghiệm

k phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy và chuẩn số Râynol.

Theo công thức IV.2a [ STQTTB.T1 - Trang 616 ] m p k Euk A.Rek Fr

Trong đó: A, m, P là những hằng số phụ thuộc vào thực nghiệm Chúng phụ thuộc vào kích thước cánh khuấy và mức chất lỏng

Theo bảng IV.10 [STQTTB.T1 - Trang 616] với Rek = 793, 4703.10 3 thuộc phạm vi chảy xoáy, do đó m = p = 0 Công suất tiêu tốn trong phạm vi này là :

Tra bảng VI.2 [ STQTTB.T1 - Trang 618 ] Lấy giá trị của A là 8,52 (cánh khuấy loại 4 bản kiểu tấm với cánh khuấy thẳng đứng)

* Tính hệ số điều chỉnh f theo công thức : IV.10 [STQTTB.T1 - Trang 619]

D : đường kính thiết bị, D = 3 m d : đường kính cánh khuấy, d = 1,5 m

Công suất làm việc của cánh khuấy :

2.2.7.2 Tính công suất mở máy

Khi mở máy cần có công để thắng lực quán tính và lực ma sát, vì vậy theo công thức IV.12 [STQTTB.T1 - Trang 620 ] công suất khi mở là :

N g - công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ

N m - công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát, đây chính là công suất làm việc của cánh khuấy Công suất tiêu hao dùng để khắc phục lực ỳ của chất lỏng có thể tính theo công thức IV.13 [ STQTTB.T1 - Trang 620]

Vậy công suất để mở máy là:

2.2.7.3 Công suất động cơ c đc

 - hiệu suất (khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy)

2.2.7.4 Đường kính trục cánh khuấy

N đc - là công suất của động cơ: 64 KW

Ts - là ứng suất cho phép của thép làm trục

Theo bảng XIII.4 [ STQTTB.T2 - Trang 357 ], với thép không gỉ, nhiệt độ nhỏ hơn 470 0 C

T s = 0,6.[k], với [k] lấy giá trị bé hơn trong hai công thức XIII.1 và XIII.2 [ STQTTB.T2 - Trang 355 ] k1 k k n

 - hệ số điều chỉnh n k - hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo n c - hệ số an toàn theo giới hạn chảy

Theo bảng XIII.2 và XIII.3 [STQTTB.T2 - Trang 356]:

Quy chuẩn đường kính trục cánh khuấy là : d = 30 mm

2.2.8 Tính trọng lượng của thiết bị phản ứng

2.2.8.1 Tính trọng lượng của vỏ trong và vỏ ngoài thiết bị phản ứng

* Tính thể tích phần thân hình trụ của thiết bị phản ứng :

Trong đó: D N – đường kính ngoài của thiết bị phản ứng

D T – đường kính trong của thiết bị phản ứng

H – chiều cao thân thiết bị phản ứng

Tính thể tích phần thân hình trụ của vỏ áo :

Tính thể tích của đáy và nắp thiết bị phản ứng :

Thể tích thép thân thiết bị phản ứng là :

Tổng thể tích thép của thiết bị phản ứng là :

Khối lượng riêng của thép X18H10T theo bảng XII.7 [STQTTB.T2-Trang 313] là:  = 7900 kg/m 3

Trọng lượng của thân thiết bị là:

Trọng lượng của vỏ áo là:

Trọng lượng của thiết bị phản ứng không kể các thiết bị khác là:

2.2.8.2 Xác định trọng lượng của cánh khuấy

Thể tích của trục cánh khuấy:

VC  4.(a.b).l Trong đó: a: chiều dày bản của cánh khuấy, chọn a = 0,005 m b: bán kính của cánh khuấy, b = 0,75 m l: chiều cao bản, l = 0,6 m

Vậy khối lượng của cả trục cánh khuấy và cánh khuấy là:

2.2.8.3 Xác định trọng lượng của thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ được tính ở phần thiết bị phụ (chương 4-phần III):

- Chiều dày nắp: 9 mm Thể tích ống truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ là:

Thể tích thân hình trụ của thiết bị ngưng tụ là:

Trong đó HT là chiều cao thân thiết bị ngưng tụ, ta chọn chiều cao của thân lớn hơn chiều dài ống truyền nhiệt 0,3 m Vậy H = 2,8 m

(m 3 ) Thể tích phần nắp thiết bị ngưng tụ

Tổng thể tích thép của thiết bị ngưng tụ là:

Trọng lượng của thiết bị ngưng tụ là: m N = 0,4996.7900 = 3946,84 (kg)

Như vậy trọng lượng của cả thiết bị phản ứng khi chưa có nguyên liệu là: m = m TB + m N + m ck

Với m N là khối lượng thiết bị phản ứng không kể các thiết bị khác m TB = 20971,34 (kg) (m TB = G 3 ở phần thiết bị chính) m ck = 90,85 (kg) (m ck = G 4 ) m = 20971,34 + 3946,84 + 90,85 = 25009,03 (kg)

Trọng lượng của thiết bị khi có nguyên liệu là: m TT = m + m NL = 25009,03 + 43290,7139 = 68299,7439 (kg)

Trong đó mNL là khối lượng nguyên liệu ban đầu

Vậy, trọng lượng thực tế của thiết bị phản ứng kể cả những phần có liên quan là 68299,7439 kg

2.2.9 Chọn chân đỡ và tai treo

Chọn số chân đở là: Z c = 4 và số tai treo Z t =8

Tải trọng trên mỗi chân đở và tai treo là: m S 69

Tra bảng XIII.34 và XIII.35 [STQTTB.T2 - Trang 437  438] Chọn chân đỡ là thép CT 3 , với các thông số sau:

Tải trọng cho phép trên mỗi chân: G = 8 tấn

Bảng 2.8 Các thông số của chân đỡ

Tải trọng cho phép trên mỗi tai treo: G = 6 tấn

Bảng 2.9 Các thông số của tai treo

Tính cân bằng nhiệt lượng

Mục đích của việc tính cân bằng vật chất là để biết được lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình gia nhiệt để nâng nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng, và lượng nhiệt cần lấy ra do quá trình phản ứng có tỏa nhiệt Để từ đó tính được lượng nước nóng cần gia nhiệt, lượng nước lạnh để cung cấp cho vỏ áo và thiết bị ngưng tụ, và lập kế hoạch sản xuất hợp lý Ngoài ra, việc tính cân bằng nhiệt lượng sẽ tính được kích thước của một số thiết bị phụ như thiết bị ngưng tụ, bơm dùng bơm nước cho vỏ áo, bơm dùng bơm nước cho thiết bị ngưng tụ … và bố trí thiết bị, xây dựng nhà máy đạt độ an toàn, chính xác cao

2.3.1 Tính toán giai đoạn đun nóng hỗn hợp

2.3.1.1 Những thông số ban đầu:

Nước dùng để nạp liệu cho quá trình phản ứng ban đầu có nhiệt độ ở 25 0 C Lúc này nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp phản ứng là 25 0 C Nhiệt độ duy trì phản ứng xảy ra là 60 0 C, nhưng vì quá trình phản ứng xảy ra có tỏa nhiệt Nên chỉ tiến hành gia nhiệt hỗn hợp phản ứng lên đến nhiệt độ 50 o C Nhiệt độ đầu vào của nước gia nhiệt ở vỏ áo là 90 o C Thời gian tiến hành gia nhiệt là 45 phút

2.3.1.2 Xác định hệ số cấp nhiệt (  )

2.3.1.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt (  1 ) của nước gia nhiệt vỏ áo :

Theo công thức V.59 [STQTTB.T2 - Trang 21]

  Trong đó : Theo công thức V.36 [STQTTB.T2 - Trang 13]

 Với: l - chiều cao 1 khoang của vỏ áo, l = 1 m (vỏ áo cao 9m, chia làm 9 khoang)

 - khối lượng riêng của nước ở 90 0 C,  = 965,34 kg/m 3 (Bảng I.5 [STQTTB.T1 – trang 11])

 - độ nhớt của nước ở 90 0 C,  = 0,3165.10 -3 N.s/m 2 (bảng I.102 [STQTTB.T1 – trang 94])

Pr t - chuẩn số Pran của dòng theo nhiệt độ trung bình của tường

Pr - chuẩn số Pran theo nhiệt độ của dòng

Do chênh lệch nhiệt độ không lớn, Pr  Prt nên t

C p - nhiệt dung riêng của nước ở 90 0 C, C p = 4,2078.10 3 J/kg.độ (Theo bảng I.147 [STQTTB.T1-trang 165])

 - độ nhớt của nước ở 90 0 C,  = 0 , 3165 10  3 N.s/m 2 (theo bảng I.103 [STQTTB.T1-trang 95])

 - hệ số dẫn nhiệt của nước ở 90 0 C,  = 68,0355.10 -2 W/m.độ (theo bảng I.129 [STQTTB.T1-trang 133])

N u = 0,037 128800,4142 1,3348 = 6361,1433 Mặt khác theo công thức V.64 [STQTTB.T2 – Trang 21] ta có:

  (H- chiều cao của bề mặt truyền nhiệt, H = l = 1 m) ( - hệ số dẫn nhiệt của nước nóng)

Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa nước gia nhiệt và bề mặt bên ngoài của thiết bị là:

Theo phương trình truyền nhiệt q 1 =  1 ( t 1 - t T1 ) =  1 t 1 = 4327,8357 2,02 = 8742,2281 (W/m 2 )

Diện tích bề mặt truyền nhiệt của nước là :

F = .DN.H H: chiều cao thân hình trụ của thiết bị Đường kính bề mặt trao đổi nhiệt là D N = 3 + 2.0,020 = 3,040 (m)

F = .DN.H = 3,1416.3,040.9 = 85,9542 (m 2 ) Nhiệt lượng của nước truyền từ vỏ áo vào thiết bị là:

Q 1 = q 1 F = 8742,2281 85,9542 = 751431,2226 (W) Nhiệt độ thành bên trong của thiết bị phản ứng là (tT2) là:

Trong đó: t T2 - là nhiệt độ thành bên trong hỗn hợp

 là tổng nhiệt trở r 1 , r 3 - tổng nhiệt trở thành ngoài và cặn bẩn tiếp xúc với nước, tra bảng

V.1 [STQTTB.T2 – trang 4] ta có giá trị r1 + r 3 = 2,32.10 -3 m 2 độ/W r 2 - là nhiệt trở của tường, 2 0,020 3 r 1,2270.10

2.độ/W với : chiều dày của thành thiết bị

: hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị

Vậy nhiệt độ thành bên trong là :

Chênh lệch nhiệt độ giữa thành trong và dung dịch là:

2.3.1.2.2 Xác định hệ số cấp nhiệt (  2 ) của hỗn hợp phản ứng:

Do hỗn hợp có khuấy trộn, nên theo công thức V.67 [ STQTTB.T2 - Trang 22 ]

2 - hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp lên thành thiết bị , w/m 2 độ

D - đường kính của thiết bị, D = 3 m n -số vòng quay của cánh khuấy , n = 1,5 vòng/ giây d - đường kính của cánh khuấy , d = 1 m

 - khối lượng riêng của hỗn hợp ,  = 1097,1050 kg/m 3 (chương 2 – thiết bị chính)

C p - nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.độ

t - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt, N.s/m 2

 - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình, N.s/m 2 Đối với thiết bị có vỏ bọc thì ta có C = 0,36 và m = 0,67

Do chênh lệch nhiệt độ nhỏ, nên t   

Xác định độ nhớt của dung dịch

Theo công thức I.12 [STQTTB.T1 - Trang 84], độ nhớt của hỗn hợp được xác định như sau (xem hỗn hợp chỉ hai thành phần : H 2 O và VCM ): ln = x1ln1 + x 2 ln2

Trong đó : x 1 , x 2 - nồng độ phần mol tương ứng của VCM và H2O

 1 ,  2 - độ nhớt động lực của VCM và H 2 O , N.s/ m 2

Khối lượng tương ứng của VCM và H2O trong hỗn hợp là :

Như vậy số mol tương ứng của nó là :

Tổng số mol của VCM và H 2 O là : n = 1728935,671 (mol)

Theo bảng I.102 [ STQTTB.T1 - Trang 94  95 ] và đồ thị tra được giá trị độ nhớt của nước và VCM ở nhiêt độ 50 0 C có:

Xác định nhiệt dung riêng của hỗn hợp

C P - nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg.độ Để đơn giản cho tính toán xem hỗn hợp chỉ có hai thành phần, đó là H2O và VCM Theo công thức I.42 [STQTTB.T1 - Trang 152 ], công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp như sau:

C VCM - nhiệt dung riêng của VCM, C VCM = 1,352.10 3 J/kg.độ

C H2O - nhiệt dung riêng của nước, CH2O = 4,1834.10 3 J/kg.độ

X VCM - thành phần của VCM trong hỗn hợp phản ứng (phần khối lượng)

X H2O - thành phần của nước trong hỗn hợp phản ứng (phần khối lượng)

Ta có khối lượng của: m VCM = 17054,0086 (kg) m H2O = 26209,2876 (kg)

Khối lượng hỗn hợp là mhh = 43263,2962 (kg)

Xác định chuẩn số Pran

Theo công thức I.33 [STQTTB.T1 - Trang 123], hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp được xác định như sau:

1 - hệ số dẫn nhiệt của VCM, 1 = 0,13 W/m.độ

 2 - hệ số dẫn nhiệt của H 2 O,  2 = 0,657 W/m.độ x 1 - nồng độ ( theo khối lượng ) của VCM, x 1 = 0,3942 x2 - nồng độ ( theo khối lượng ) của H2O, x2 = 0,6058

Từ đây ta sẽ tìm được chuẩn số Pran

Xác định chuẩn số Râynôn

Vậy hệ số cấp nhiệt 2 của hỗn hợp phản ứng là

     q 2 = 2.(t T2 – t 2 ) = 1216,7879.(57,38– 50) = 8979,8947 (W/m 2 ) Diện tích bề mặt truyền nhiệt của hỗn hợp phản ứng là :

F .D H T 3,1416.3.984,8232 (m 2 ) Chiều cao phần thân hình trụ là H = 9 m Đường kính bề mặt trao đổi nhiệt là D T = 3 m

Nhiệt lượng được truyền từ hỗn hợp là :

Q 2 = q 2 F = 8979,8947 84,8232 = 761703,4043 (W) Kiểm tra lại xem ta chọn t 1 = 2,02 0 C là phù hợp hay chưa

Vậy giả thiết lấy ta chọn t 1 = 2,02 0 C là phù hợp

2.3.1.3 Xác định nhiệt lượng cần cung cấp ở giai đoạn đun nóng hỗn hợp từ 25

2.3.1.3.1 Xác định nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ hỗn hợp lên nhiệt độ

Do phản ứng trùng hợp VCM tạo PVC có tỏa nhiệt lớn nên chỉ gia nhiệt đến

50 0 C lúc này đã có phản ứng xảy ra Lượng nhiệt do phản ứng tỏa ra một phần sẽ nâng nhiệt độ hỗn hợp lên tiếp từ 50  60 0 C, phần còn lại được lấy ra qua vỏ áo và thiết bị ngưng tụ để khống chế nhiệt độ cho hệ phản ứng ở 60 0 C

Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp từ 25 0 C lên 50 0 C là:

Trong đó: m - khối lượng của nguyên liệu ban đầu m = 17054,0086 + 26209,2776 = 43263,2862 (kg)

C P - nhiệt dung riêng của hỗn hợp, CP = 1,2499.10 3 J/kg.độ

2.3.1.3.2 Tính nhiệt lượng đun nóng cánh khuấy và thành của thiết bị phản ứng

Gọi Q 2 là nhiệt lượng đun nóng vỏ trong của thiết bị phản ứng, ta có:

C T - là nhiệt dung riêng của thép X18H10T, CT = 500 J/kg.độ (bảng I.144 [STQTTB.T1 – trang 162])

G 1 - là trọng lượng thép của thân thiết bị, G1 = 18478,1 kg

G 4 - là trọng lượng thép của trục cánh khuấy và cánh khuấy, G4 = 4073 kg t 1 - nhiệt độ ban đầu của vỏ áo, t1 = 25 0 C t tb - nhiệt độ trung bình của vỏ thiết bị trong khi đun nóng, 0 C

2.3.1.3.3 Tính nhiệt lượng đã đun vỏ áo thiết bị phản ứng

Gọi Q 3 là nhiệt lượng cần thiết để đun nóng vỏ áo của thiết bị:

G 2 - là trọng lượng của vỏ ngoài, G2 = 2493,24 kg

C T - là nhiệt dung riêng của thép X18H10T, CT = 500 J/kg.độ ttb - là nhiệt độ trung bình của vỏ áo khi đun nóng, 0 C t - là nhiệt độ ban đầu của vỏ áo, t = 25 0 C

Theo phương trình truyền nhiệt:

  Trong đó: r 1 – là nhiệt trở của cặn bẩn hai bên thành của vỏ áo r 2 – là nhiệt trở của cặn bẩn phía ngoài của vỏ áo r 1 + r 2 = 1,464.10 -3

 - là chiều dày của thép làm vỏ áo,  = 0,003 (m)

 - là hệ số dẫn nhiệt của thép  = 16,3

Như vậy nhiệt độ phía ngoài vỏ áo thiết bị: t N = 87,98 – 9131,7333.1,648.10 -3 = 72,84 0 C

Nhiệt độ trung bình của vỏ áo: tb 87,98 72,84 t 80, 41

Nhiệt lượng đã đun nóng vỏ áo là :

Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh là do bức xạ và đối lưu trong suốt thời gian gia nhiệt Theo công thức V.136 [STQTTB.T2 - Trang 41], hệ số cấp nhiệt của bức xạ và đối lưu:

 = 9,3 + 0,058.tN (W/m 2 độ) Trong đó : t N - là nhiệt độ bề mặt ngoài của vỏ áo, t N = 72,84 o C

Diện tích phần thân hình trụ bên ngoài vỏ áo là:

Diện tích bề mặt bên ngoài nắp và đáy thiết bị phản ứng là:

F 2 = 2 10,2 = 20,4 (m 2 ) (tra theo bảng XIII.10 [STQTTB.T2-trang 382])

Như vậy tổng diện tích bề mặt bên ngoài thiết bị phản ứng là:

Thời gian của quá trình gia nhiệt là 45 phút, hay 2700 giây

Nhiệt độ không khí bên ngoài là: t k = 25 0 C

Như vậy nhiệt lượng mất mát trong thời gian đun nóng hỗn hợp phản ứng là:

2.3.1.3.5 Lượng nhiệt do VCM phản ứng tỏa ra trong quá trình gia nhiệt

Trong quá trình gia nhiệt cho hỗn hợp thì có một số lượng VCM sẽ phản ứng, giả sử là 7 % so với tổng số VCM tham gia phản ứng.Quá trình phản ứng có tỏa nhiệt nên lượng nhiệt gia nhiệt thực tế = lượng nhiệt nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 50 0 C – lượng nhiệt do 7 % VCM tham gia phản ứng tỏa ra

Số mol của VCM tham gia phản ứng là:

 M Trong đó: m VCM - khối lượng của VCM tham gia phản ứng

Như vậy, 7 % VCM tham gia phản ứng có khối lượng là: m VCM = 17054,0086 7% = 1193,7806 (kg)

M - phân tử lượng của VCM, M = 62,5

Khi phản ứng trùng hợp chuyển từ VCM sang PVC thì nhiệt lượng tỏa ra là 23 kcal/mol Như vậy nhiệt tỏa ra của VCM phản ứng trong quá trình gia nhiệt:

Vậy: để gia nhiệt hỗn hợp phản ứng từ 25 0 C lên nhiệt độ 50 0 C trong thời gian

45 phút thì phải cần nhiệt lượng cung cấp là

Tính lượng nước nóng dùng để gia nhiệt cho thiết bị phản ứng

G n – là lượng nước nóng 90 0 C cần để gia nhiệt cho nồi phản ứng

C n – là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 90 0 C, C n = 1,005 kcal/kg.độ t đ – là nhiệt độ đầu của nước, tđ = 90 0 C t c – là nhiệt độ sau khi gia nhiệt của nước, ta chọn tc = 60 0 C

Thể tích nước gia nhiệt ở vỏ áo là:

Nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng 17454,3981(kg) nước từ 25 0 C lên 90 0 C là:

2.3.1.3.6 Tính lượng nhiên liệu đốt cần dùng

Nhiệt lượng tổng cộng Q của nước nóng cung cấp Nhiệt cung cấp cho nước để đun nóng thành nước là từ than đá Ở đây ta sử dụng than Mạo Khê (loại than cám 5MK – kí hiệu MK100) có nhiệt trị 5250 kcal/kg k Q

D – lượng than cần dùng để gia nhiệt, kg r - là ẩn nhiệt hóa hơi của nhiên liệu than, r = 5250 kcal/kg

Tuy nhiên trong quá trình đun nóng luôn xảy ra hao phí, ở đây ta giả sử hao phí của quá trình đun nóng là 20% Như vậy lượng than thực tế cần sử dụng là:

2.3.2 Tính toán giai đoạn duy trì phản ứng ở 60 0 C

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

2.3.2.1.1 Tính nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng

Khi phản ứng trùng hợp chuyển từ VCM sang PVC thì nhiệt lượng tỏa ra là 23 kcal/mol

Số mol của VCM tham gia phản ứng là:

Trong đó: m VCM - khối lượng của VCM tham gia phản ứng

Khối lượng VCM tham gia phản ứng sau giai đoạn gia nhiệt (93%): m VCM = 0,93 17054,0086 = 15860,228 (kg)

Như vậy nhiệt tỏa ra trong quá trình phản ứng là:

2.3.2.1.2 Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ hỗn hợp phản ứng lên thêm

Khối lượng hỗn hợp phản ứng trong mỗi mẽ không kể lượng nước bổ sung là:

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp là :

C P = 1,2499.10 3 (J/kg.độ) = 0,2983 (kcal/kg.độ) Vậy nhiệt lượng cần thiết để nâng hỗn hợp phản ứng lên thêm 10 0 C là :

2.3.2.1.3 Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của nước bổ sung từ 25 0 C lên 60 0 C

Khối lượng nước bổ sung thêm vào trong mỗi mẻ phản ứng là :

Nước bổ sung cho vào với nhiệt độ ban đầu là 25 0 C Ở 25 o C nhiệt dung riêng của nước là: CH2O = 0,9989 kcal/kg.độ (tra bảng I.147 [STQTTB.T1 – trang 165])

Nhiệt độ của nước được tăng lên thêm: 60 - 25 = 35 0 C

Nhiệt lượng cần thiết để nâng nước lên thêm 35 0 C là:

Q 2 = 5744,4666 0,9989 35 = 200835,1705 (kcal) Như vậy nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra là :

Nhiệt phản ứng tỏa ra sẽ được lấy ra bằng vỏ áo của thiết bị và thiết bị ngưng tụ phía trên nắp của thiết bị phản ứng Trong đó nước làm lạnh ở vỏ áo sẽ lấy 30%, và thiết bị ngưng tụ lấy 70% lượng nhiệt sinh ra

Nhiệt lượng vỏ áo cần phải lấy là:

Nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ cần phải lấy đi là:

2.3.2.2 Xác định lượng nước dùng để lấy nhiệt ở vỏ áo

2.3.2.2.1 Xác định nhiệt tải riêng của hỗn hợp phản ứng

Ta có diện tích truyền nhiệt của hỗn hợp phản ứng là 84,8232 m 2 (tính toán ở phần 3.1.2.2 Thời gian của quá trình lấy nhiệt ở vỏ áo là 300 phút, hay 18000 giây Như vậy nhiệt lượng được lấy ra theo mỗi giây là :

2.3.2.2.2 Xác định hệ số cấp nhiệt (  1 ) phía hỗn hợp phản ứng

Do hỗn hợp phản ứng có khuấy trộn nên hệ số cấp nhiệt được xác định theo công thức V.67 [STQTTB.T2 - Trang 22 ]

  1 - hệ số cấp nhiệt, W/m 2 độ

 0,3586(W/m.độ) : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp (đã tính ở trên)

 - khối lượng riêng của hỗn hợp,  = 1097,1868 kg/m 3 n - số vòng quay của cánh khuấy, n = 1,5 vòng/giây d - đường kính của cánh khuấy, d = 1 m

C p - nhiệt dung riêng đẳng áp của nước ở 90 0 C, C p = 4,2078.10 3 J/kg.độ t - độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt, N.s/m 2

 - độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bình , N.s/m 2 Đối với thiết bị có vỏ bọc thì ta có C = 0,36 và m = 0,67

Do chênh lệch nhiệt độ nhỏ, nên 1   do đó đại lượng

Xác định độ nhớt của dung dịch

Theo công thức I.12 [ STQTTB.T1 - Trang 84 ], độ nhớt của hỗn hợp được xác định như sau ( xem hỗn hợp chỉ hai thành phần : H 2 O và VCM ): lnhh = x 1 ln1 + x 2 ln2

Trong đó : x 1 , x 2 - nồng độ phần mol tương ứng của VCM và H2O

 1 ,  2 - độ nhớt động lực của VCM và H 2 O , N.s/ m 2

Khối lượng tương ứng của VCM và H2O trong hỗn hợp là :

Như vậy số mol tương ứng của nó là :

Tổng số mol của VCM và H2O là : n = 1390,6975.10 3 (mol)

Theo bảng I.102 [ STQTTB.T1 - Trang 94  95] và đồ thị tra được giá trị độ nhớt của nước và VCM ở nhiêt độ 60 0 C có:  H2O = 0,4688.10 -3 N.s/m 2

Từ đây ta tính được chuẩn số Râynôn:

Theo phương trình truyền nhiệt: q =  1 (t 1 – t T ) Nhiệt độ thành bên trong của thân thiết bị

Trong đó tổng trở của thành thiết bị như đã tính ở trên (mục 3.1.3.3) là: r 1,6480.10   3

Nhiệt độ thành bên ngoài của thân thiết bị t N  t T  q  r  57,71 4,5474.10 1,6480.10  3  3  50,22 0 C

Nhiệt lượng đun nóng nước làm lạnh từ 25 0 C lên nhiệt độ 50,22 0 C tính theo công thức sau:

Trong đó: m H2O – là khối lượng nước làm lạnh sử dụng ở vỏ áo

C H2O – là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh t đ – nhiệt độ đầu vào của nước làm lạnh, ta chọn tđ = 25 0 C t c – nhiệt độ ra của nước làm lạnh, tc = 50,22 0 C

Khối lượng của nước dùng cho quá trình lấy nhiệt ở vỏ áo là:

Như vậy thể tích của nước làm mát ở vỏ áo là:

2.3.2.3 Xác định lượng nước dùng cho thiết bị ngưng tụ

Nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra là nhiệt lượng gia nhiệt nước làm lạnh ở ngoài ống truyền nhiệt từ nhiệt độ 25 0 C lên 35 0 C

Theo công thức 8.20 [QTTB.T1 - Trang 274]:

Q – là nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra, Q = 3866616,192 kcal

G – khối lượng nước được gia nhiệt, kg

C H2O – nhiệt dung riêng của nước, CH2O = 0,9989 kcal/ kg.độ t c – nhiệt độ của nước sau khi lấy nhiệt đi ra: tc = 35 0 C t đ – nhiệt độ ban đầu của nước làm lạnh đi vào: tđ = 25 0 C

Vậy lượng nước lạnh cần dùng là:

Với khối lượng riêng của nước ở 25 0 C, H2O = 997,08 kg/m 3

Thể tích của nước cần dùng để làm mát thiết bị ngưng tụ là:

Tổng hợp lượng nước sử dụng cho quá trình gia nhiệt và làm lạnh Đơn vị: m 3

1 thiết bị 1 mẻ sản xuất 1 ngày sản xuất 1 năm sản xuất Nước gia nhiệt 14,5222 43,5666 136,381807 46642,57801 Nước làm lạnh ở vỏ áo 74,4074 223,2222 698,779501 238982,5893 Nước làm lạnh ở thiết bị ngưng tụ 419,8183 1259,4549 3942,624284 1348377,505

Tính toán thiết bị phụ

2.4.1 Tính Toán và chọn bơm

Hiện nay trong các ngành công nghiệp, nhất là trong ngành công nghiệp hóa chất, việc sử dụng các loại bơm để vận chuyển các nguyên liệu được sử dụng rất rộng rải Có nhiều loại bơm khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, năng suất, công suất, hiệu suất, giá thành và làm việc an toàn, cũng như tính chất của các chất cần vận chuyển mà ta lựa chọn các loại bơm khác nhau sao cho phù hợp và đảm bảo tốt các yêu cầu đã đề ra Trong công nghiệp sản xuất nhựa PVC thì bơm được sử dụng nhiều là bơm ly tâm vì chúng có các ưu điểm sau đây:

* Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa

* Có thể bơm các chất lỏng không sạch

* Không có suppap nên ít bị tắt và hư hỏng

Bơm ly tâm được sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trở lên Do đó trong dây chuyền công nghệ sử dụng bơm ly tâm để bơm H 2 O và VCM

Ngoài ra còn sử dụng bơm pittông để bơm các hóa chất có tính ăn mòn thiết bị, có áp suất lớn, trong dây chuyền dùng bơm pittông để bơm các phụ gia trong quá trình phản ứng

2.4.1.1 Tính toán và chọn bơm ly tâm để bơm nước nạp liệu

Thời gian bơm nước vào thiết bị phản ứng là 20 phút hay 1200 giây

Khối lượng nước cần bơm trong một mẻ phản ứng là:

Khối lượng riêng của nước ở 25 0 C là  = 997,08 kg/m 3

Năng suất cần thiết của bơm là:

Vận tốc của chất lỏng trong ống là  = 2 m/s

Như vậy theo công thức II.36 [STQTTB.T1 - Trang 369], đường kính của ống dẫn là:

Tính áp suất toàn phần của bơm Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, Ho = 11 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm nước lên thành ống

Theo công thức 1.104 [QTTB.T1 - Trang 64 ]

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẫn, l = 50 m d - đường kính ống, d = 0,11 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.T1 - Trang 35]:

 - vận tốc của dòng chảy,  = 2 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,1 m

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]:

Theo [QTTB.T1 - Trang 65], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n  r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẩn, m

Chọn thép làm bơm mới, do đó chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0,1 r 0,05

Vậy trở lực do ma sát là:

Xác định trở lực cục bộ trên đường ống

Theo công thức 1.113 [QTTB.T1 - Trang 68]:

- hệ số trở lực chung

+ 1 - hệ số trở lực cục bộ do đột thu:

Trên đường ống có hai đột thu, ở cửa vào ống hút và cửa vào của bơm Ở đây: f 1 - tiết diện của đột thu, m 2 f 2 - tiết diện ống ban đầu, m 2 Ở cửa vào ống hút A f f 0,5 

+ 2 - hệ số trở lực cục bộ do đột mở: f f

Trên đường ống có hai đột mở, ở cửa ra của bơm 1

2 f 0,6 C f   , và ở cửa ra của ống 1

+ 3 - hệ số trở lực cục bộ do khuỷu ống:

Trên đường ống có năm khuỷu 90 0 , hai ở trước cửa vào của bơm và ba ở sau cửa ra của bơm

Theo bảng 1.3 [QTTB.T1 - Trang 70] Với bề mặt ống nhẵn:

+  4 - hệ số trở lực cục bộ do van chắn:

Trên đường ống có ba van, một đặt ở cửa ra của thùng chứa nước và hai đặt ở cửa ra của bơm

Trong đó có một van chắn với độ mở hoàn toàn và hai van khóa một chiều có độ mở = 1/8

Từ đây ta tìm được hệ số trở lực cục bộ chung là:

Vậy trở lực cục bộ trên đường ống:

Mặc dầu ta đã tiến hành hút chân không để thu hồi khí VCM nhưng không thể nào thu hồi hết được Do đó, hơi VCM còn lại sẽ tạo áp suất bên trong thiết bị ( P 0,2 kg/cm 2 ) Khi bơm nước nạp liệu vào, áp suất do hơi VCM tạo ra sẽ gây trở lực cho quá trình bơm Như vậy áp suất toàn phần của bơm phải cộng thêm trở lực áp suất bên trong thiết bị phản ứng Áp suất bên trong thiết bị phản ứng được chuyển đổi ra thành mmH2O theo bảng 1.279 [STQTTB.T1 - Trang 357]

Thế [b], [c] và [d] vào [6] ta tìm được áp suất toàn phần:

Theo công thức 2.39 [QTTB.T1 - Trang 110], công suất của bơm ly tâm là:

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/ m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H - áp suất toàn phần của bơm, H = 18,2670 m

 - hiệu suất của bơm,  = 0,72  0,93 Lấy  = 0,8

Theo công thức II.190 [STQTTB.T1 - Trang 439], công suất động cơ điện: đc T td đc

N T - công suất của bơm ly tâm, NT = 3,8192 KW

 tđ - hiệu suất truyền động,  tđ = 0,9

đc - hiệu suất động cơ, đc = 0,9 đc 3,8192

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải )

Theo công thức II.191 [STQTTB.T1 - Trang 439]

 - hệ số dự trữ công suất

Theo bảng II.33 [STQTTB.1 - Trang 439]

Như vậy ta chọn bơm ly tâm có công suất động cơ : 7,5 ( KW )

2.4.1.2 Tính toán và chọn bơm ly tâm để bơm VCM

Thời gian bơm VCM vào thiết bị phản ứng là : 20 phút hay 1200 giây

Khối lượng VCM cần bơm trong một mẽ phản ứng:

Khối lượng riêng của VCM ở nhiệt độ 25 0 C là  = 899 (kg/m 3 )

Năng suất cần thiết của bơm là:

Ta chọn vận tốc chảy của chất lỏng trong đường ống dẫn,  = 2 m/s

Theo công thức II.36 [STQTTB.T1 - Trang 369], đường kính của ống dẫn là:

*Tính áp suất toàn phần của bơm

Tương tự như tính toán bơm ly tâm để bơm nước Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của VCM,  = 899 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, H o = 11 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm vinylclorua lên thành ống

Trở lực do ma sát của bơm là:

Theo công thức 1.104 [QTTB.T1 - Trang 64]:

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẩn, l = 50 m d - đường kính ống, d = 0,1 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.T1 - Trang 35]:

 - vận tốc của dòng chảy,  = 2 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,1 m

 - khối lượng riêng của VCM,  = 899 kg/m 3

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]:

Theo [QTTB.T1 - Trang 65], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n  r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẫn, m

Với thép mới, chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0,1 r 0,05

Vậy trở lực do ma sát là:

Khi bơm VCM vào thiết bị phản ứng, ở 25 0 C thì một phần VCM ở trạng thái lỏng sẽ chuyển sang trạng thái hơi làm cho áp suất bên trong thiết bị phản ứng tăng lên Ở 25 0 C áp suất do hơi VCM tạo ra là P = 1 kg/cm 2 , áp suất này sẽ gây trở lực cho quá trình bơm Như vậy áp suất toàn phần của bơm phải cộng thêm trở lực áp suất bên trong thiết bị phản ứng Áp suất bên trong thiết bị phản ứng được chuyển đổi ra thành mmH2O theo bảng 1.279 [STQTTB.T1 - Trang 357]:

Trở lực cục bộ trên đường ống giống như tính toán ở phần bơm nước nạp liệu: h m = 1,4862 Như vậy áp suất toàn phần của bơm là:

Theo công thức 2.39 [QTTB.T1 - Trang 110], công suất của bơm ly tâm:

 - khối lượng riêng của vinylclorua,  = 899 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường 9,81 m/s 2

H - áp suất toàn phần của bơm, H = 27,267 m

 - hiệu suất của bơm. = 0,72  0,93 Lấy  = 0,8

Công suất động cơ điện đc T tđ đc

N T - công suất của bơm ly tâm, NT = 4,7493KW

 tđ - hiệu suất truyền động,  tđ = 0,9

đc - hiệu suất động cơ, đc = 0,9 đc 4,7493

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải )

Theo công thức II.191 [STQTTB.T1 - Trang 439 ]

 - hệ số dự trữ công suất

Theo bảng II.33 [STQTTB.T1 - Trang 439]:

Như vậy ta chọn bơm ly tâm có công suất động cơ: 7,5 ( KW )

2.4.1.3 Tính toán và chọn bơm ly tâm để bơm nước nóng gia nhiệt ở vỏ áo

Thời gian để bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo là 45 phút hay 2700 giây

Thể tích của nước cần bơm là:

Năng suất cần thiết của bơm là:

Vận tốc của dòng chảy là,  = 0,8 m/s

Như vậy đường kính của ống dẫn:

Tương tự như khi tính bơm ly tâm để bơm nước nạp liệu

Tính áp suất toàn phần của bơm Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của nước ở 90 0 C,  = 965,34 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, Ho = 11 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo

Theo công thức 1.104 [QTTB.1 - Trang 64 ], trở lực do ma sát của bơm là:

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẩn, l = 50 m d - đường kính ống, d = 0,1 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.1 - Trang 35]

 - vận tốc của dòng chảy,  = 0,8 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,1 m

 - khối lượng riêng của nước ở 90 0 C,  = 965,34 kg/m 3 (bảng I.5 [STQTTB.T1 – trang 11])

 - độ nhớt của nước ở 90 0 C,  = 0,316510 -3 N.s/m 2 (bảng I.102 [STQTTB.T1 – trang 94])

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]:

Theo [QTTB.1 - Trang 65], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẩn, m

Với thép mới, chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0,1 r 0,05

Vậy trở lực do ma sát là:

Với chiều cao đẩy chất lỏng của bơm H 0 = 11 m

Trở lực cục bộ trên đường ống giống như tính toán ở phần bơm nước nạp liệu: h m

Như vậy áp suất toàn phần của bơm là:

Theo công thức 2.39 [QTTB.T1 - Trang 110], công suất của bơm ly tâm:

 - khối lượng riêng của nước ở 90 0 C,  = 965,34 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường 9,81 m/s 2

H - áp suất toàn phần của bơm, H = 20,1470 m

 - hiệu suất của bơm. = 0,72  0,93 Lấy  = 0,8

Công suất động cơ điện đc tđ T đc

N T - công suất của bơm ly tâm, NT = 1,2878 KW

tđ - hiệu suất truyền động, tđ = 0,9

 đc - hiệu suất động cơ,  đc = 0,9 đc 1, 2878

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán ( lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải )

Theo công thức II.191 [STQTTB.T1 - Trang 439]:

 - hệ số dự trữ công suất

Theo bảng II.33 [STQTTB.T1 - Trang 439]

Như vậy ta chọn bơm ly tâm có công suất động cơ : 2,5 (KW)

2.4.1.4 Tính bơm ly tâm để bơm nước làm mát ở vỏ áo và thiết bị ngưng tụ

2.4.1.4.1 Tính bơm ly tâm để bơm nước vỏ áo

Thời gian để bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo là 300 phút hay 18000 giây

Theo bảng II.10, thể tích của nước làm mát cần bơm cung cấp cho vỏ áo của một thiết bị phản ứng là:

V VA = 65.9716 m 3 Năng suất cần thiết của bơm là:

Vận tốc của dòng chảy là,  = 0,5 m/s

Như vậy đường kính của ống dẫn:

Tương tự như khi tính bơm ly tâm để bơm nước nạp liệu

Tính áp suất toàn phần của bơm Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của nước ở 25 0 C,  = 997,08 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, H o = 11 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo

Theo công thức 1.104 [QTTB.T1 - Trang 64], trở lực do ma sát của bơm là:

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẩn, l = 50 m d - đường kính ống, d = 0,1 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.T1 - Trang 35]:

 - vận tốc của dòng chảy,  = 0,5 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,1 m

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]:

Theo [QTTB.T1 - Trang 65 ], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẩn, m

Với thép mới, chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0,1 r 0,05

Vậy trở lực do ma sát là:

Xác định trở lực cục bộ trên đường ống

Theo công thức 1.113 [QTTB.T1 - Trang 68 ]

- hệ số trở lực chung

* 1 - hệ số trở lực cục bộ do đột thu

Trên đường ống có 11 đột thu, một ở cửa vào ống hút, một ở cửa vào của bơm và

9 đột thu tại đầu nhánh rẽ Ở đây: f1 - tiết diện của đột thu, m 2 f 2 - tiết diện ống ban đầu, m 2

Năng suất của bơm ly tâm trên đường ống cung cấp nước làm mát cho thiết bị phản ứng là: Q BVA  0, 0037 (m 3 /s)

Năng suất nước làm mát trong từng khoang là:

Vận tốc dòng chảy trong đường ống là:  = 0,5 m/s Đường kính đột thu của ống dẩn nước làm mát cho thiết bị phản ứng tại 9 khoang là:

Như vậy đột thu ở đường ống cung cấp nước làm mát cho thiết bị phản ứng có

*  2 - hệ số trở lực cục bộ do đột mở

Trên đường ống có 2 đột mở, một đột mở đặt ở cửa ra của bơm 1 2

2 f 0, 6 I f   , và một đột mở ở cửa ống tiếp xúc với khoang áo làm lạnh của thiết bị

* 3 - hệ số trở lực cục bộ do khuỷu ống

Trên đường ống có năm khuỷu 90 O , hai ở trước cửa vào của bơm và ba ở sau cửa ra của bơm

Theo bảng 1.3 [QTTB.T1 - Trang 70] Với bề mặt ống nhẵn:

* 4 - hệ số trở lực cục bộ do van chắn

Trên đường ống có bốn van, trong đó hai van chắn với độ mở hoàn toàn được đặt ở cửa vào và cửa ra của bơm Hai van khóa nút có góc  = 15 O = F được đặt ở hai đường ống rẽ nhánh

Từ đây ta tìm được hệ số trở lực cục bộ chung là:

Vậy trở lực cục bộ trên đường ống:

Với chiều cao đẩy của bơm, H o = 9 m

Như vậy áp suất toàn phần của bơm là:

Theo công thức 2.39 [QTTB.T1 - Trang 110], công suất của bơm ly tâm:

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường 9,81 m/s 2

H - áp suất toàn phần của bơm, H = 11,27 m

 - hiệu suất của bơm. = 0,72  0,92 Lấy  = 0,8

Công suất động cơ điện

N T - công suất của bơm ly tâm, NT = 0,5098 KW

tđ - hiệu suất truyền động, tđ = 0,9

 đc - hiệu suất động cơ,  đc = 0,9 đc 0,5098

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải)

Theo công thức II.191 [STQTTB.T1 - Trang 439]

 - hệ số dự trữ công suất

Theo bảng II.33 [STQTTB.T1 - Trang 439]

Như vậy ta chọn bơm ly tâm có công suất động cơ : 1 (KW)

2.4.1.4.2 Tính bơm ly tâm để bơm nước cho thiết bị ngưng tụ

Thời gian để bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo là 300 phút hay 18000 giây

Theo bảng II.10, thể tích của nước làm mát cần cung cấp cho thiết bị ngưng tụ của 1 thiết bị phản ứng trong 1 mẻ sản xuất là:

Năng suất cần thiết của bơm là:

Vận tốc của dòng chảy là,  = 0,5 m/s

Như vậy đường kính của ống dẫn:

Tương tự như khi tính bơm ly tâm để bơm nước nạp liệu

Tính áp suất toàn phần của bơm Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của nước ở 25 0 C,  = 997,08 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, H o = 12 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo

Theo công thức 1.104 [QTTB.T1 - Trang 64], trở lực do ma sát của bơm là:

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẩn, l = 50 m d - đường kính ống, d = 0,1791 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.T1 - Trang 35 ]:

 - vận tốc của dòng chảy,  = 0,5 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,1791 m

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]

Theo [QTTB.T1 - Trang 65 ], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẩn, m

Với thép mới, chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0,1791 r 0,0896

Vậy trở lực do ma sát là:

Xác định trở lực cục bộ trên đường ống

Theo công thức 1.113 [QTTB.T1 - Trang 68]:

- hệ số trở lực chung

* 1 - hệ số trở lực cục bộ do khuỷu ống

Trên đường ống có năm khuỷu 90 0 , hai ở trước cửa vào của bơm và ba ở sau cửa ra của bơm

Theo bảng 1.3 [QTTB.T1 - Trang 70] Với bề mặt ống nhẵn:

* 2 - hệ số trở lực cục bộ do van chắn

Trên đường ống có bốn van, trong đó hai van chắn với độ mở hoàn toàn được đặt ở cửa vào và cửa ra của bơm Hai van khóa nút có góc  = 15 0 = F được đặt ở hai đường ống rẽ nhánh

Từ đây ta tìm được hệ số trở lực cục bộ chung là:

Vậy trở lực cục bộ trên đường ống:

Với chiều cao đẩy của bơm, H o = 12 m

Như vậy áp suất toàn phần của bơm là:

Theo công thức 2.39 [QTTB.T1 - Trang 110], công suất của bơm ly tâm

 - khối lượng riêng của nước,  = 997,08 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường 9,81 m/s 2

H - áp suất toàn phần của bơm, H = 18,4007 m

 - hiệu suất của bơm. = 0,72  0,92 Lấy  = 0,8

Công suất động cơ điện

N T - công suất của bơm ly tâm, NT = 4,8596 KW

 tđ - hiệu suất truyền động,  tđ = 0,9

đc - hiệu suất động cơ, đc = 0,9 đc 4,8596

Thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải)

Theo công thức II.191 [STQTTB.T1 - Trang 439]:

 - hệ số dự trữ công suất

Theo bảng II.33 [STQTTB.T1 - Trang 439]:

Như vậy ta chọn bơm ly tâm có công suất động cơ : 7,5 (KW)

2.4.1.5 Tính bơm ly tâm để tháo niệu sản phẩm

Thời gian để bơm tháo niệu sản phẩm là 50 phút hay 3000 giây Hỗn hợp sản phẩm cần bơm ra sau phản ứng là một hỗn hợp gồm bột PVC, nước, VCM chưa phản ứng,…

Thể tích hỗn hợp cần bơm là: V = 39,4561 (m 3 )

Năng suất cần thiết của bơm là:

Vận tốc của dòng chảy là,  = 0,5 m/s

Như vậy đường kính của ống dẫn:

Tính áp suất toàn phần của bơm Áp dụng công thức II.185 [STQTTB.T1 - Trang 438]:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra

P 2 , P 1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m 2

 - khối lượng riêng của nước ở hỗn hợp,  = 1097,1868 kg/m 3 g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

H o - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, Ho = 6 m

H m - áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (trở lực cục bộ do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, hay thay đổi hình dạng, tiết diện của ống dẩn như đột thu, đột mở, các loại van … )

Xác định trở lực do ma sát khi bơm nước gia nhiệt ở vỏ áo

Theo công thức 1.104 [QTTB.1 - Trang 64 ], trở lực do ma sát của bơm là:

 - hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Re l - chiều dài ống dẩn, l = 25 m d - đường kính ống, d = 0,2 m

Theo công thức 1.49 [QTTB.1 - Trang 35]

 - vận tốc của dòng chảy,  = 0,5 m/s d - đường kính của ống dẩn, d = 0,2 m

 - khối lượng riêng của hỗn hợp,  = 1097,1868 kg/m 3 (Tính toán ở phần

 - độ nhớt của hỗn hợp,  = 0,4852.10 -3 N.s/m 2 (Tính toán ở phần 2 – chương 3)

Do Re lớn nên:  được xác định theo công thức 1.112 [QTTB.T1 - Trang 68]:

Theo [QTTB.1 - Trang 65], độ nhám tương đối hay hệ số độ nhám: n r

 - chiều cao trung bình của gờ nhám hay chiều sâu của rãnh, mm r - bán kính của ống dẩn, m

Với thép mới, chọn  = 0,1mm = 0,1.10 -3 m d 0, 2 r 0,1

Vậy trở lực do ma sát là:

Xác định trở lực cục bộ trên đường ống

Theo công thức 1.113 [QTTB.T1 – Trang 68]:

: hệ số trở lực chung

+ 1 : hệ số trở lực cục bộ do khuỷu ống

Trên đường ống có tám khuỷu 90 0 , năm ở trước cửa vào của bơm và ba ở cửa ra của bơm

Theo bảng 1.3 [QTTB.T1 – trang 70], với bề mặt ống nhẵn:

+ 2 : hệ số trở lực cục bộ do van chắn

Tính toán và bố trí xây dựng

* Địa điểm xây dựng nhà máy

- Chọn khu công nghiệp Phú Mỹ, thuộc huyện Tân Thành tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu để xây dựng nhà máy

Khu công nghiệp Phú Mỹ là khu công nghiệp tổng hợp chú trọng phát triển các ngành công nghiệp nặng và dịch vụ cảng biển, gần cảng biển nước sâu nên thuận lợi trong việc hợp tác với các khu công nghiệp lọc – hóa dầu trong nước và quốc tế, nằm gần cụm tổng hợp lọc – hóa dầu miền nam đã được nhà nước quy hoạch và đang tiến hành xây dựng, nằm trong vùng kinh tế đang có tốc độ phát triển mạnh nhất cả nước (Đông Nam Bộ), gần sân bay Quốc tế Tân Sơn Nhất và tương lai sẽ gần sân bay Long Thành… Những điểm trên là những mặt thuận lợi rất lớn cho việc xây dựng và phát triển nhà máy bền vững

Nguyên liệu dự tính mua từ nước ngoài nhập qua cảng Cái Mép Trong tương lai khi các cụm tổ hợp lọc – hóa dầu trong nước phát triển thì ta có thể mua nguyên liệu trực tiếp trong nước

- Điện năng và nước: Điện được cung cấp từ nguồn điện 500 KV, sau đó qua các trạm hạ xuống từng nấc Điện áp cung cấp cho nhà máy 22 KV, qua máy biến thế nhà máy điện áp sẽ giảm xuống 6300 V dùng cho các động cơ lớn, 380 V dùng cho các động cơ nhỏ, 220 V dùng cho sinh hoạt và chiếu sáng Nước và hơi nước dùng trong sản xuất được lấy từ sông thị vải, nước này được cho qua quá trình lọc tách các tạp chất cơ học và hóa học trước khi cung cấp cho sản xuất Nước sinh hoạt do khu công nghiệp cung cấp

Nhà máy đặt cạnh Quốc lộ 51 và gần cảng biển nên thuận lợi cho việc giao thông đi lại

Khu công nghiệp Phú Mỹ thuộc khí hậu Nam Bộ, có hai mùa mưa nắng rõ rệt

 Lượng mưa trung bình 1162,7 mm/năm

 Độ ẩm không khí trung bình trong năm là 80%

 Mùa đông kéo dài, mưa từ tháng 5 đến hết tháng 11

(Các số liệu trên được đo đạc và cung cấp bởi trung tâm khí tượng thủy văn

Quốc gia Việt Nam năm 2009)

Vì vậy, việc xây dựng nhà máy trong khu công nghiệp là phù hợp với luật bảo vệ môi trường và an ninh quốc phòng

Tổng diện tích mặt bằng nhà máy ta ước tính là 6 ha

Giá tiền thuê đất theo quy định của Ban quản lý khu công nghiệp Phú Mỹ I là

30000 đồng/m2/năm Do đó tổng chi phí cho tiền thuê đất trong một năm là 30000.60000 = 1800 triệu đồng/năm

3.1.2 Tính diện tích của các hạng mục Để sản xuất PVC, phân xưởng phải nằm trong một nhà máy bao gồm các bộ phận sản xuất phụ trợ như sau:

Bộ phận hỗ trợ sản xuất có nhiệm vụ:

- Cung cấp nước nhờ hệ thống xử lý nước bằng phương pháp lắng lọc trao đổi ion

- Cung cấp khí nén, khí sạch nhờ hệ thống bơm nén và lọc không khí

- Cung cấp hơi nóng, nước nóng nhờ sử dụng hệ thống lò hơi

- Bảo quản nhà kho, kho lạnh

- Đóng bao, bốc dỡ thành phẩm

- Cung cấp và bảo đảm điện cho sản xuất

- Bảo dưởng và kiểm tra định kỳ các thiết bị và toàn bộ cơ sở vật chất của phân xưởng

- Đảm bảo an toàn cho phân xưởng

- Cung cấp các dụng cụ bảo hộ lao động và đảm bảo an toàn cho công nhân

- Quản lý mọi hoạt động của toàn phân xưởng

3.1.3 Thuyết minh thiết kế mặt bằng phân xưởng

Do đặc điểm công nghệ, kỹ thuật nhà máy, đồng thời để tận dụng được khả năng dòng chảy tự nhiên và các yêu cầu diện tích, lắp đặt, sửa chữa Thiết kế phân xưởng sản xuất gồm khu nhà hai tầng và ba tầng, có thêm một số sàn công tác bằng thép ở tầng hai và tầng ba

Trên cơ sở dây chuyền công nghệ ta bố trí các thiết bị và các phòng ở tầng trệt như sau:

+ Mười lăm bơm ly tâm

+ Bốn thùng chứa trung gian dùng để nâng hiệu quả bơm

+ Ba thiết bị phản ứng đặt giữa tầng một và hai, được đỡ bởi chân và sàn của tầng một và tầng hai

+ Hai thiết bị thu hồi VCM đặt giữa tầng một và hai, được đỡ bởi chân và sàn tầng hai

+ Ba thùng chứa trung gian của hỗn hợp sản phẩm đặt giữa tầng một và hai, được đỡ bởi chân và sàn tầng hai

+ Phần dưới của hai thiết bị chưng cất

+ Năm động cơ và bộ giảm tốc cho bốn nồi phản ứng và hai thiết bị thu hồi VCM

+ Hai xyclo chứa sản phẩm đặt lửng tầng một và hai, được đỡ bởi sàn tầng hai

Ngoài các thiết bị được đặt lửng giữa tầng một và tầng hai còn có các thiết bị sau: + Hai thiết bị trao đổi nhiệt

+ Phần giữa của hai thiết bị chưng cất xuyên qua cả tầng hai

+ Một sàn công tác cao 4 m đặt thiết bị sấy

+ Bên trên thiết bị sấy có hệ thống gồm ba vít tải

+ Phần còn lại của thiết bị chưng cất

+ Một sàn công tác cao 1 m đặt hai thiết bị ly tâm

+ Một sàn công tác cao 1,7 m đặt xyclon thu hồi bột PVC

1 4 1 3 1 5 H ình 3 1 B ố t rí m ặ t b ằ n g x â y dự ng nh à m á y

3.1.4 Thông gió và chiếu sáng

Có 2 hình thức thông gió tự nhiên và nhân tạo:

Thông gió tự nhiên được tiến hành dưới hình thức như sau:

Dưới tác dụng của sự sai biệt tỷ trọng không khí bên trong và bên ngoài nhà Trong quá trình làm việc các thiết bị tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, nhiệt độ không khí giãn nở, nhẹ, bốc lên, do sự chệnh lệch gió từ bên ngoài bay vào và tiếp tục bị nung nóng như vậy quá trình thông gió một cách tuần hoàn

Thông gió nhân tạo: Ta đặt hệ thống quạt gió để chuyển khí độc ra ngoài, đưa khí sạch vào một cách cưỡng bức, tùy thuộc vào khu vực mà khi thông gió ta nên hút hay đẩy Ở nhà máy ta đặt các quạt thông gió ở khu vực đóng bao và khu vực thí nghiệm kiểm tra tính chất của sản phẩm cũng như nguyên liệu nhập về

Chiếu sáng tự nhiên: do phân xưởng sản xuất không có tường bao nên đảm bảo được yếu tố chiếu sáng tự nhiên

Hệ thống chiếu sáng nhân tạo được lắp đặt đầy đủ tại khu vực sản xuất, khu vực vận hành và khu vực hành chính nhằm đảm bảo cho nhà máy hoạt động ổn định vào ban đêm

Trong nhà máy ta xây dựng hàng rào bảo vệ xung quanh và đường giao thông qua khu vực kho chứa sản phẩm của nhà máy, khu chứa nguyên liệu của nhà máy, khu sản xuất

Ngoài khu vực sản xuất ta xây dựng các phòng ban, căn tin, nhà để xe, nhà bảo vệ, khu hành chính, khu bảo trì, kho chứa nguyên liệu và kho chứa sản phẩm, khu xử lý nước nguyên liệu, khu xử lý VCM thu hồi, khu xử lý nước thải

Chúng ta đều biết rằng con người sống không thể tách ra khỏi môi trường, mỗi hoạt động của con người đều tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến môi trường xung quanh theo hướng thuận lợi hoặc không thuận lợi cho đời sống và sự phát triển của chính con người Vì vậy, khi thiết kế nhà máy ta phải hết sức chú ý đến vấn đề môi trường

Nhà máy sản xuất PVC được xem là nhà máy công nghiệp không gây ảnh hưởng xấu cho môi trường xung quanh vì:

- Chất hữu cơ bốc ra (chỉ có VCM) sẽ được kiểm tra chặt chẽ theo giới hạn qui định để tránh làm hại sức khoẻ công nhân và ngăn ngừa tác động xấu đến môi trường

- Nước thải của nhà máy được xử lý đạt tới mức tiêu chuẩn môi trường trước khi thải ra sông, hồ, biển

Nước thải từ các thiết bị phản ứng và từ các thiết bị khác, nước có chứa PVC và một vài chất không tan khác được xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường để thải ra hệ thống chứa chất thải khó tiêu hủy của nhà máy

Với diện tích dự kiến, nhà máy PVC không gây ra tiếng ồn ào hoặc rung động đất Như vậy, sẽ không làm ảnh hưởng tới dân cư trong khu vực

Diện tích địa điểm xây dựng nhà máy ở đây không có di tích lịch sử hoặc nền văn hoá cổ nào

Vì vậy, việc xây dựng và vận hành của nhà máy sẽ không gây ảnh hưởng xấu đến đời sống của dân cư và văn hoá trong khu vực.

An toàn lao động

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, một yếu tố lớn không kém phần quan trọng đó là yếu tố an toàn lao động Để cố gắng tránh những sự cố trong lao động sản xuất làm ảnh hưởng đến năng suất làm việc, tài sản của nhà máy và đặc biệt là tính mạng của công nhân Chúng ta đề ra những biện pháp để loại trừ đến mức tối đa những tai nạn có thể xảy ra Do đó, trong khi thiết kế, cũng như trong sản xuất ta phải tính đến những khả năng cháy nổ, ảnh hưởng của hóa chất độc, tại nạn trong thao tác… làm ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng của con người Những biện pháp bảo vệ con người trong lao động sản xuất đó được nhà nước ta quy định thành văn bản và được thi hành trong các xí nghiệp, nhà máy

Tai nạn lao động được phân ra thành: chấn thương, nhiễm độc nghề nghiệp và bệnh nghề nghiệp

Chấn thương: là những trường hợp tai nạn, kết quả gây ra vết thương, dập thương hoặc sự hủy hoại khác cho cơ thể con người Hậu quả của chấn thương có thể gây ra tạm thời hay vĩnh viễn mất khả năng lao động, có thể làm chết người

Nhiễm độc nghề nghiệp: là sự hủy hoại sức khỏe do kết quả tác dụng của các chất độc, khi chúng xâm nhập vào cơ thể con người trong điều kiện sản xuất Sự tác dụng lâu dài của một lượng tương nhỏ các chất độc sẽ gây ra nhiễm độc mãn tính Nhiễm độc đột ngột và sự xâm nhập vào cơ thể một lượng lớn chất độc gọi là nhiễm độc cấp tính, coi như chấn thương

Bệnh nghề nghiệp là sự suy yếu dần sức khỏe của người làm việc, do kết quả tác dụng của những điều kiện bất lợi tạo ra bởi tình trạng sản xuất hoặc do tác dụng của tính chất thường xuyên của các chất độc lên cơ thể con người trong sản xuất

Những nguyên nhân tai nạn có thể phân loại thành: Nguyên nhân kỹ thuật, nguyên nhân tổ chức và nguyên nhân vệ sinh

Những nguyên nhân tai nạn phụ thuộc tình trạng máy móc, thiết bị, đường ống, vị trí làm việc

* Do máy móc thiết bị hư hỏng

* Các thiết bị phụ tùng hư hỏng

* Các đường ống hư hỏng

* Các kết cấu thiết bị phụ tùng không hoàn chỉnh

* Khoảng cách cần thiết giữa các thiết bị bố trí chưa đủ

* Thiếu rào chắn bao che ngăn cách

Những nguyên nhân tổ chức do phát sinh từ kết quả của công việc tổ chức hoặc giao nhận công việc chưa đúng Đó là:

* Vi phạm qui tắc, qui trình kỹ thuật

* Tổ chức lao động cũng như chổ làm việc chưa đáp ứng yêu cầu

* Thiếu hoặc giám sát chưa đầy đủ

* Vi phạm chế độ lao động (làm việc quá giờ)

* Sử dụng công nhân không đúng ngành nghề, trình độ chuyên môn

* Cho công nhân vào làm việc khi họ chưa được huấn luyện hướng dẫn, chưa nắm vững điều lệ, qui tắc kỹ thuật an toàn

Những nguyên nhân vệ sinh:

* Môi trường không khí bị ô nhiễm

* Chiếu sáng và thông gió không đầy đủ

* Tiếng ồn và chấn động mạnh

* Có các tia phóng xạ

* Tình trạng vệ sinh của các phòng phục vụ sinh hoạt kém

* Vi phạm điều lệ vệ sinh cá nhân

* Thiếu hoặc kiểm tra vệ sinh của y tế không đầy đủ

* Điều kiện về khí hậu ( nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc lưu chuyển không khí, bức xạ nhiệt…) không thích nghi

3.2.2 Phân tích đặc điểm của nhà máy

Trong nhà máy sản xuất nhựa PVC, ở phân xưởng đóng gói, là nơi có nhiều bụi (do bột PVC tạo ra) nên cần bố trí quạt hút có hệ thống lọc nhằm thu hồi bột nhựa và làm sạch môi trường không khí

Về phần cơ điện thì nhà máy có nhiều động cơ, thiết bị điện, nên phải chú ý vấn đề cách điện, chập mạch Chú ý đến các bộ phận truyền động của động cơ

Nhà máy có nhiều nơi nhiệt độ cao nên phải chú ý đến vấn đề thông gió

Với nguyên liệu sản xuất VCM lỏng và các hóa chất khác như chất ổn định nhiệt, chất khơi mào… là những chất có khả năng gây cháy nỗ và gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người, nên phải thường xuyên kiểm tra môi trường và đường ống kỹ lưỡng Khi sử dụng, phải tiến hành thao tác đúng chỉ dẩn và qui định an toàn với từng hóa chất cụ thể

Các kho chứa hóa chất phải được cách ly và để ngăn nắp tránh nhầm lẫn gây ra phản ứng hóa học giữa các chất

3.2.3 Các giải pháp an toàn trong sản xuất

Xuất phát từ những đặc điểm đã phân tích ở trên, ta đề ra những biện pháp khắc phục như sau:

Chú ý về việc thông gió tự nhiên và nhân tạo

Thiết kế xây dựng phải phù hợp, hệ thống dầm, cột sàn phải chịu lực, đảm bảo an toàn

Thiết bị máy móc phải đảm bảo, đường ống kín, ống dẫn hơi phải bảo ôn Ống dẫn VCM phải làm bằng vật liệu chịu áp và phải thường xuyên kiểm tra đường ống Điện chiếu sáng ban đêm phải đảm bảo, nơi cầu thang phải bắt bóng đèn

Tổ chức cho công nhân học phòng chóng cháy nổ và nội qui an toàn lao động Luôn nhắc nhở về thực hiện theo qui định về bảo hộ lao động trong sản xuất

Thiết kế hệ thống ống nước chữa cháy xung quanh nhà máy

Sử dụng thiết bị dò khí và hệ thống báo cháy tự động

Các biện pháp cụ thể như sau:

Khi thiết kế xây dựng nhà máy phải bố trí cửa sổ, cửa ra vào hợp lý Máy móc thiết bị phải đặt cách nhau ở cự ly hợp lý để tạo được thông gió tốt Những nơi không thông gió tự nhiên thì ta bố trí thêm quạt gió Để tránh gây ra cháy nổ, phải cẩn thận trong thao tác điện, cơ, tránh gây ra những tia lửa điện Cần bố trí những dụng cụ chữa cháy ở các nơi để khi cần thiết thì có ngay

Kiểm tra thiết bị máy móc, điện chiếu sáng, hệ thống ống dẫn định kỳ mỗi tuần mỗi lần

Trang bị bảo hộ lao động cho công nhân như khẩu trang, mũ bảo hộ, bao tay, áo quần, kính bảo hộ… nhắc nhở công nhân phải chú ý trang bị trong quá trình sản xuất Nhà tắm, nhà vệ sinh, nhà nghỉ phải được thoáng mát và sạch sẽ

Tuân thủ nội qui của nhà máy như:

- Không hút thuốc, sử dụng lửa

- Không uống rượu hoặc ngủ trong khi làm việc

- Không rời khỏi máy khi đang hoạt động

3.2.4 Một số biện pháp giải quyết khi có sự cố xảy ra

Trong trường hợp hít phải VCM, tiếp xúc với môi trường có VCM quá lâu, không cần chữa trị mà phải đưa ra khỏi vùng có VCM ngay

Tiếp xúc nhiều với môi trường có VCM, có thể gây ra sự hôn mê sâu trong trường hợp này, người công nhân được di chuyển ra khỏi vùng có VCM, đặt nằm ngửa và giữ sự hô hấp đều đặn, gọi bác sĩ Nếu hô hấp bị ngừng, áp dụng hô hấp nhân tạo và gọi bác sĩ

Trong trường hợp tiếp xúc với da, cởi bỏ áo, rửa vùng da tiếp xúc với VCM thật kỹ

Trong trường hợp VCM dính vào mắt, rửa mắt với lượng nước trong vòng ít nhất 15 phút và đi bác sĩ

Trong trường hợp tiếp xúc với da thì phải rửa với nhiều nước và xà phòng

Quần áo dính phải chất phụ gia thì được cởi bỏ và giặt trước khi sử dụng lại Trong trường hợp tiếp xúc với mắt thì phải xối rửa với nhiều nước trong vòng ít nhất là 15 phút và phải đi bác sĩ

Khi chất bảo quản dính lên da nên cần rửa sạch ngay với nhiều nước và xà phòng Trong trường hợp tiếp xúc với mắt, xối rửa bằng lượng lớn nước trong vòng ít nhất 15 phút và đi bác sĩ

Với chất làm dừng phản ứng

Khi bị chảy lên da nên rửa sạch ngay bằng nhiều nước Trong trường hợp tiếp xúc với mắt, rửa bằng lượng lớn nước

Khi bị rò rỉ thì lau sạch bằng khăn và đem đốt

Khi tiếp xúc với da thì phải rửa với nhiều nước Trong trường hợp tiếp xúc với mắt, rửa bằng lượng lớn nước trong vòng ít nhất 15 phút và phải được chữa trị bởi bác sĩ chuyên khoa mắt ngay Điện giật

Nếu bị điện giật phải cắt cầu dao điện, hô hấp nhân tạo

Tính năng lượng tiêu thụ

3.3.1 Tính lượng điện tiêu thụ

Dựa vào công suất của từng loại thiết bị và thời gian làm việc mà ta xác định được nhu cầu sử dụng với từng thiết bị Trên cơ sở đó, ta xác định được nhu cầu sử dụng điện cho toàn bộ phân xưởng và nhà máy để từ đó có kế hoạch cung cấp điện và tính giá thành sản phẩm hợp lý Phân xưởng sử dụng điện với hai mục đích:dùng cho sản xuất và chiếu sáng, thông gió

3.3.1.1 Tính điện dùng cho sản xuất Điện sử dụng trong sản xuất bao gồm: điện cung cấp cho các loại bơm nguyên liệu, bơm huyền phù, bơm nước nóng nước lạnh, động cơ của nồi phản ứng, động cơ của nồi tách VCM, động cơ của máy ly tâm, quạt đẩy không khí sấy, quạt hút không khí sau xiclôn, động cơ máy sàng, vít tải bột, hệ thống điều khiển…

Tổng hợp điện năng tiêu thụ của phân xưởng sản xuất chính

Số giờ hoạt động Điện năng tiêu thụ (kW) STT Tên thiết bị

Công suất tiêu thụ (kW)

8 Bơm hỗn hợp sản phẩm 10 7 24 8208 1680 574560

10 Bơm nước lạnh vỏ áo 3 1 15 5130 45 15390

Tổng điện năng tiêu thụ điện của các thiết bị trong một năm là

Hệ số phụ tải Kt = 0,8

Tổng điện năng tiêu thụ của các thiết bị (Ni.t i )= 4885427,25 (KW.h)

3.3.1.2 Tính điện năng sử dụng cho các phân xưởng phụ trợ

+ Phân xưởng thu hồi VCM: Điện năng tiêu thụ ước tính bằng 20% điện năng tiêu thụ của phân xưởng sản xuất:

+ Phân xưởng năng lượng: Điện năng tiêu thụ ước tính bằng 15% điện năng tiêu thụ của phân xưởng sản xuất:

+ Các khu phụ trợ khác, thiết bị chiếu sáng, thiết bị sinh hoạt: Điện năng tiêu thụ ước tính bằng 30% điện năng tiêu thụ của phân xưởng sản xuất:

Eth = 0,3.Esx= 1923636,98 (KW.h) Vậy tổng điện năng tiêu thụ cho cả nhà máy: 10580003,39 (KW.h)

3.3.2 Tính lượng nước tiêu thụ

3.3.2.1 Tính lượng nước dùng cho sản xuất

+ Nước dùng cho sản xuất gồm nước dùng cho phản ứng, gia nhiêt, làm lạnh, rửa thiết bị Khối lượng nước dùng cho phản ứng trong một năm là:

(theo bảng II.5 chương cân bằng vật chất)

+ Lượng nước rửa thiết bị sau mỗi mẻ phản ứng trong một ngày là: 50 m 3 Vậy lượng nước dùng để rửa thiết bị sử dụng trong một năm là: m r = 50 342 = 17100 (m 3 )  17100000 (kg)

+Lượng nước nóng dùng để gia nhiệt cho một mẻ phản ứng là 54243,3 (kg), lượng nước nóng dùng cho nồi tách VCM tự do:27351,5 (kg)

Tổng khối lượng nước nóng sử dụng cho một mẻ: 81594,8(kg)

Trong quá trình hồi lưu tái sử dụng có mất mát nên mỗi mẻ phải bổ sung thêm một lượng nước nóng vào khoảng 30000 (kg) Lượng nước nóng sử dụng cho một năm là:

+Lượng nước làm lạnh thiết bị trong một mẻ gồm có:

- Nước làm lạnh thiết bị phản ứng 197914,2 (kg)

- Nước làm lạnh ở thiết bị ngưng tụ 1164633 (kg)

Do có thất thoát trong quá trình hồi lưu nên khối lượng nước cần bổ sung thêm mỗi mẻ khoảng 50000(kg) Vậy lượng nước sử dụng để làm lạnh trong một năm là:

M ll = 1482677,1 + 50000.(342.3-1) = 52612547,8 (kg) Vậy tổng lượng nước dùng cho sản xuất trong một năm:

3.3.2.2 Tính lượng nước dùng cho sinh hoạt Ước lượng nước sinh hoạt sử dụng trong một ngày là 80 m 3

Như vậy lượng nước dùng cho sinh hoạt trong một năm là:28000 m 3

3.3.3 Tính lượng nguyên liệu đốt tiêu thụ

Theo tính toán ở phần II – mục 3.1.3.6 ta có lượng than tiêu tốn cho 1 mẻ sản xuất là:

Như vậy lượng than tiêu tốn trên 1 tấn sản phẩm bột PVC là:

(với 46,7025 là năng suất sản phẩm trong một chu kỳ - Bảng II.3)

Vậy lượng than cần dùng là : 15 kgthan/1 tấn PVC = 900 tấn than/năm.

Tính toán kinh tế

Mục đích của việc tính toán kinh tế nhằm giúp ta biết được vốn đầu tư cho khảo sát, xây dựng, thiết bị máy móc, giá thu mua nguyên liệu, tiêu hao về điện năng, nước và các loại nguyên vật liệu khác Từ đó hoạch toán kinh tế cho toàn bộ nhà máy, tính được giá thành thực cho sản phẩm, lập giá bán phù hợp với thị trường và theo quy định của nhà nước Qua đó biết được lợi nhuận của nhà máy và thời gian hoàn vốn

Toàn bộ chi phí và giá cả được dùng để tính toán đều dựa trên đồng tiền Việt Nam tại thời điểm tháng 6 năm 2012

Chi phí xây dựng nhà máy

Chi phí xây dựng nhà máy được tính theo mức giá tháng 6 năm 2012, bao gồm nguyên liệu, máy móc, thiết bị, chi phí vận chuyển, đường biển, đường bộ, dựng và lắp đặt máy móc, xây dựng nhà xưởng, thuế nhập khẩu, chi phí giấy phép, thiết kế, kỹ thuật và các dự trữ vật chất khác

3.4.1 Tính chi phí nguyên liệu trong một năm ngl ngl A

Trong đó: S ngl : Đơn giá một nguyên liệu (nghìn đồng/tấn)

V A : Nhu cầu sử dụng nguyên liệu trong 1 năm (tấn)

Trong đó: Sgb - giá bán (nghìn đồng/tấn)

S td - chi phí tháo dỡ

S vcbq - chi phí vận chuyển bảo quản

Chi phí nguyên liệu cho 1 tấn sản phẩm

(nguyên liệu thô) Đơn vị Đơn giá

Tiêu thụ nguyên liệu trên 1 tấn sản phẩm

Chi phí nguyên liệu trong 1 năm sản xuất:

3.4.2 Tính chi phí điện, nước trong một năm

Chi phí cho năng lượng trong 1 năm Đơn vị Mức sử dụng Giá thành Thành tiền (triệu) Điện KW.h 10580003,39 2500 26450

3.4.3.1 Vốn đầu tư xây dựng mặt bằng, nhà xưởng

Chi phí cho việc thuê đất sử dụng là: 1800 triệu/năm

Chi phí cho việc xây dựng phân xưởng sản xuất: 3000 triệu

Chi phí cho việc xây dựng các công trình khác của nhà máy như khu chứa nguyên liệu, khu hành chính tổng hợp, khu điều khiển kỹ thuật, phòng ban, phòng bảo trì, … ước tính: 2500 triệu

Chi phí lắp đặt các thiết bị sinh hoạt cho các khu phụ trợ: 1000 triệu

Chi phí làm đường giao thông và cơ sở hạ tầng trong nhà máy 4000 triệu

Vậy tổng chi phí xây dựng cho nhà máy: 11800 triệu

3.4.3.2 Vốn đầu tư máy móc thiết bị

Bảng 3.4 Chi phí đầu tư máy móc, thiết bị

STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá (triệu/cái) Thành tiền (triệu)

20 Thiết bị trao đổi nhiệt 2 35 70

25 Bình chứa VCM thu hồi 1 117 117

29 Máy phát điện dự phòng 1 1500 1500

Ngoài ra tính chi phí đầu tư máy móc cho công trình phụ khác như khu xử lý nước dùng sản xuất, khu xử lý VCM thu hồi, khu xử lý nước thải, khu chứa sản phẩm,

… tính 70 % chi phí máy móc thiết bị trong phân xưởng sản xuất: 70%.40536 28375 (triệu)

Tổng chi phí đầu tư máy móc thiết bị cho cả nhà máy: 68911 triệu

Chi phí lắp đặt bằng 15 % mua trang thiết bị:

Chi phí vận chuyển lấy bằng 10 % chi phí mua thiết bị:

Chi phí cho hệ thống ống dẫn, dụng cụ đo lường, các dụng cụ khác lấy bằng 20

% chi phí mua thiết bị :

Tổng số vốn đầu tư cho thiết bị máy móc: 99920,98 triệu

Tổng số vốn đầu tư cho cả nhà máy: 128295,98 triệu

3.4.4 Tính quỹ lương cho công nhân, nhân viên trong nhà máy

Ban quản lý điều hành nhà máy, nhân viên hành chính tổng hợp, các trưởng và phó bộ phận làm việc ngày 8 giờ

Chi phí tiền lương cho bộ phận hành chính

Chức vụ Số lượng Mức lương trung bình

(triệu đồng) Tiền lương tháng

Còn các nhân viên còn lại như kỹ sư, công nhân, bảo vệ, … làm việc theo ca, mỗi ca 8 giờ

Chi phí tiền lương cho nhân viên làm ca

Chức vụ Số lượng Mức lương trung bình

(triệu đồng) Tiền lương tháng

Mỗi ca sẽ có 4 kỹ sư cùng 10 công nhân làm việc, tức có 14 người làm việc

Phụ cấp ca đêm là 20000 (nghìn đồng/đêm) Vậy tiền phụ cấp đêm trong một năm:

Quỹ tiền lương của nhân viên trong nhà máy trong một năm:

Quỹ bảo hiểm cho nhân viên trong nhà máy: 3,7 % quỹ tiền lương

Tiền thưởng nhân dịp lễ tết: 17 % quỹ tiền lương

Tổng quỹ lương của nhân viên trong nhà máy tính theo một năm:

3.4.5 Tổng chi phí sản xuất trong một năm

Khấu hao máy móc thiết bị (lấy 5% tổng số vốn đầu tư):

Khấu hao nhà xưởng (lấy 3% so với tổng số vốn đầu tư):

Chi phí sửa chữa máy móc thiết bị (lấy 7% so với tổng số vốn đầu tư):

Tổng chi phí sản xuất trong một năm

STT Loại chi phí Giá trị (triệu)

3 Chi phí quản lý, vận hành 19142,22

4 Khấu hao máy móc, thiết bị 6414,7990

6 Chi phí sửa chữa máy móc, thiết bị 8980,7186

3.4.6 Tính giá thành sản phẩm

Năng suất nhà máy 45000 tấn/năm nên chi phí tính cho một tấn sản phẩm:

Giá bán PVC tại kho được tính theo mức giá trung bình trên thị trường từ T1/2012 đến T6/2012 Ngoài ra phải cộng thêm thuế 1 % và các chi phí khác được sử dụng để tính thêm vào giá bán như:

Chi phí nhận hàng (chi phí dịch vụ cảng, vận chuyển từ cảng về kho): 1.5%,…

Dự toán giá bán nhựa PVC của nhà máy Đơn vị: triệu đồng/tấn

Giá bán PVC theo dự án 22,8447