Tìm hiểu công nghệ sản xuất PVC và tính toán một số thông số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với năng suất 150 000 tấnnăm

Đồ án môn học LỜI MỞ ĐẦU Cùng với lọc dầu, hóa dầu ngày có vai trị quan trọng khơng kinh tế mà cịn với trị xã hội đất nước Các sản phẩm ngành cơng nghiệp hóa dầu ngày có đóng góp to lớn ổn định quốc gia Trong đó, khơng thể khơng kể đến vị trí cơng nghiệp chế biến polyme, sản xuất chất dẻo Nhờ có nhiều tính chất đặc biệt, chất dẻo đáp ứng nhiều yêu cầu ngày cao khoa học kỹ thuật đời sống hàng ngày Không nguồn nguyên liệu để sán xuất chất dẻo tương đối đa dạng than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên phế phẩm nơng, lâm nghiệp Chất dẻo lại có ưu điểm dễ gia công so với kim loại, gia cơng nhanh chóng tiết kiệm PVC – loại chất dẻo phổ biến, sử dụng rộng rãi Công nghệ sản xuất PVC phát triển mạnh nhựa có nhiều đặc điểm tốt ổn định hố học, bền học, dễ gia công nhiều loại sản phẩm thông dụng nguồn nguyên liệu tương đối sẵn Với vai trò ưu điểm bật PVC việc tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp, công nghệ sản xuất cách tính tốn thiết bị, dây chuyền sản xuất PVC thiếu kỹ sư cơng nghệ hóa học Cũng với mục đích trên, đề tài đồ án “Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất PVC tính tốn số thơng số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với suất 150.000 tấn/năm” đưa hiểu biết PVC, cơng nghệ sản xuất tính tốn số thơng số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng Với kĩ năng, kinh nghiệm kiến thức cịn ỏi việc thiếu sót thực đồ án tránh khỏi, em mong nhận được đóng góp ý kiến từ phía thầy bạn để đố án thêm hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thị Linh mơn Lọc Hóa Dầu trường Đại Học Mỏ-Địa Chất bạn Nhóm nói riêng bạn lớp nói chung nhiệt tình giúp đỡ trình em thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Văn Lực Đồ án môn học MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cấu trúc tính chất PVC 1.1.1 Cấu trúc PVC 1.1.2 Tính chất PVC 1.1.2.1 Tính chất vật lí PVC 1.2.2.2 Tính chất hóa học PVC 1.2 Ứng dụng PVC CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC 2.1 Nguyên liệu 2.1.1 Tính chất lý học 2.1.2 Tính chất hố học 10 2.2 Các phương pháp công nghệ sản xuất PVC 12 2.2.1 Phương pháp trùng hợp khối 12 2.2.2 Phương pháp trùng hợp dung dịch 13 2.2.3 Phương pháp trùng hợp nhũ tương 13 2.2.4 Phương pháp trùng hợp huyền phù 15 2.3 So sánh phương pháp 17 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 20 3.1 Tính cân vật chất 20 3.1.1.Cân vật chất cho tháng sản xuất 20 3.1.2 Tính suất cho mẻ phản ứng 22 3.2 Tính cân nhiệt lượng 26 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Nguyễn Văn Lực Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án môn học CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Cấu trúc tính chất PVC 1.1.1 Cấu trúc PVC Công thức cấu tạo dạng tổng quát nhựa PVC: H C H Nó ln tồn hai dạng cấu tạo đầu nối đuôi đầu nối đầu * Đầu nối đuôi: H C H * Đầu nối đầu: Cl C H Do PVC có Clo nên cấu trúc điều hoà Polyme thu hỗn hợp ba loại - Syndiotactic: - Izotactic: Nguyễn Văn Lực Đồ án môn học - Atactic: CH2 Vào năm 1956, Natto Carradini kiểm tra vùng kết tinh thấy khoảng 5,1 A0 chứa cấu trúc Syndiotactic phổ NMR PVC theo quy ước có khoảng 5,5% Syndiotactic phần lại lượng lớn Atactic cấu trúc ngồi cịn số mạch nhánh như: H H C C H H H C C Cấu tạo dạng nhánh từ 50- 100 mắt xích sở có nhánh Năm 1940 Fuller nghiên cứu tia X thấy PVC thương mại thường chất vơ định hình có lượng nhỏ kết tinh [1] 1.1.2 Tính chất PVC 1.1.2.1 Tính chất vật lí PVC PVC polyme vơ định hình dạng bột trắng hay vàng nhạt, có trọng lượng riêng 1,4 1,45 Chỉ số khúc xạ 1,544 PVC loại nhựa dẻo chịu nhiệt khoảng 80 1600C Trọng lượng phân tử không đồng đều, độ trùng hợp từ 100 2000 Để có vật liệu bền co giãn 70% phần polyme phải có độ trùng hợp từ 1000 trở lên PVC lão hoá nhanh, dẫn đến giảm tính co giãn tính chất học Tính chất điện sản phẩm PVC phụ thuộc vào trình hình thành: - Hằng số điện mơi 60 Hz 30 0C 3,54 - Hằng số điện môi 1000 Hz 30 0C 3,41 - Hệ số công suất thời điểm là3,51% 2,51% Cường độ điện môi: 1080 V/ml Nguyễn Văn Lực Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học - Điện trở suất 1015 Từ số liệu cho ta thấy tính chất cách điện PVC tốt, nhiên phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ áp suất [1] 1.2.2.2 Tính chất hóa học PVC PVC có tính ổn định hố học tốt nhiệt độ thường Cịn nhiệt độ tăng PVC có tính chất hoạt động hố học q trình biến đổi hố học có ngun tử Clo tham gia phản ứng kéo theo nguyên tử Hidro bên cạnh Cacbon Phản ứng ý PVC Clo hố cuối Q trình thực mơi trường hữu CCl4 nhiệt độ vừa phải tác dụng chiếu xạ tử ngoại Phản ứng thực huyền phù dạng nước với cộng hợp tác nhân gây trương clorofom, cacbon têtracloxit xúc tác tia tử ngoại PVC có tính hoạt động hố học lớn: q trình biến đổi hố học có ngun tử Clo tham gia phản ứng thường kéo theo nguyên tử Hidro Cacbon bên cạnh Các loại phản ứng gồm: a Phản ứng phân huỷ Khi đốt nóng PVC có toả HCl xuất hố trị tự Chính nhờ có hố trị tự nên mạch xuất nối đôi phản ứng (1), có liên kết nối mạch cao phân tử phản ứng (2) có oxy tạo thành số nhóm có chứa oxy phản ứng (3) CH2 CH Cl Cl CH2 CH Cl CH2 CH Cl Nguyễn Văn Lực Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án môn học Nhiệt độ cao HCl toả mạnh có nhiều liên kết nối mạch làm giảm tính chất hồ tan polyme PVC dung môi nhiệt độ thường có HCl chủ yếu xảy q trình oxy hố Ngược lại PVC khí N2 đun nóng khơng bị oxy hố mà có cấu tạo lưới b Khử HCl Muốn đuổi hết nguyên tử Clo khỏi PVC người ta cho tác dụng dung dịch polyme tetrahydro- furan thời gian lâu với dung dịch kiềm rượu tạo thành polyen có cấu tạo sau: CH CH CH CH CH CH CH CH Dung dịch polyme đun nóng với Lytiafumi hydrat 100 0C biến hoàn toàn thành polyetylen (chảy mềm nhiệt độ 120 1300C) c Thế nguyên tử Clo Mức độ thay không cao thường trọng lượng phân tử bị giảm, thay Clo nhóm axêtát Khi đun nóng lâu 65 0C dung dịch PVC với hỗn hợp axit axetic axetat bạc n CH COOAg CH2 CH CH2 CH Khi tác dụng dung dịch PVC với amơniac bình có áp suất nhiệt độ cao tạo thành số nhóm amin liên kết amin nối mạch, mức độ thay không 15 20% CH2 CH Cl Cl CH2 CH Nguyễn Văn Lực Đồ án môn học Nước/VC Keo PVA 95%/VC Khơi mào POB 96%/VC Chất đệm H3PO4 89%/VC Cơng đoạn trùng hợp a Tính lượng VC chất khơi mào Do trình chuẩn bị, phản ứng , đóng gói,… có xảy mát nguyên liệu với độ hao hụt tổng 2% nên lượng PVC trước mát là: 1000.102 1020( kg) 100 Phản ứng xảy với độ chuyển hóa 72% nên lượng VC tham gia phản ứng là: 1020.128 1305, 6( kg) 100 Quá trình đạt hiệu suất 90% nên lượng VC nguyên chất ban đầu là: 1305,6.110.100,1 1437, 6( kg) 100.100 Như đưa ra, lượng chất khơi mào/VC = 0.008 nên lượng chất khơi mào POB tinh khiết cần thiết để phản ứng trùng hợp xảy là: 1437,6.0,008.100 11,98( kg) 96 b.Tính Lượng chất ổn định PVA Người ta thường dùng keo PVA để ổn định VC với tỷ lệ keo PVA 95%/ VC = 0,0015 nên lượng PVA nguyên chất cần dùng là: 1437,6.0,0015.100 2, 27( kg) 95 c Tính Lượng chất hiệu chỉnh pH môi trường Chất đệm H3PO4 89%/VC = 0,004 nên lượng H3PO4 nguyên chất cần dùng là: 1437,6.0,004.100 6, 46( kg) 89 d Tính lượng nước cần dùng tỷ lệ nước/VC = 1,5 nên lượng nước cần dùng là: Nguyễn Văn Lực 21 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án môn học 1437, 6.1,5 2156, 4( kg) Bảng 2: Cân vật chất cho sản phẩm Nguyên liệu VC POB 96% PVA 95% H3PO4 89% Nước PVC Tổng 3.1.2 Tính suất cho mẻ phản ứng Xác định thời gian cần thiết cho mẻ phản ứng  Giai đoạn Khi: Uvc 0,72% Uvc: tốc độ chuyển hố vinylclorua Phương trình động học phản ứng: dU vc 0,18 h dt dt = dU vc 0,18 Lấy tích phân vế ta t1 Nguyễn Văn Lực t 22 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án môn học  Giai đoạn Khi: Uvc 0,72% Theo ta có phương trình cân vật chất phản ứng: dCvc K dm Cvc dt Mặt khác ta có: C vc Trong đó: : Khối lượng riêng vinylclorua thời điểm Uvc = 0,72 Cvc0 : Nồng độ VC thời điểm Uvc = 0,72 Vi: Hệ số tỷ lượng cấu tử i phản ứng trùng hợp Vi =-1 Ta có Do đó: (2) const nhiệt độ áp suất q trình khơng đổi Cvc = Cvc0 Cvc0Uvc C Lấy đạo hàm theo thời gian ta : Thay (3) (4) ta được: Cvc0 dUvc dt dUvc Kd m Uvc dt dt = dU Kd m Uvc vc Láy tích phân vế ta t2 Kd m Cvc0 Uvc Nguyễn Văn Lực Đồ án môn học Với phương pháp sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù nước thực tế trùng hợp VC độ chuyển hoá thường không 0,9 Ta chọn: Uvc = 0,9 = Ui t2 = = 1560(phút) = 26 (h) Vậy thời gian lưu hỗn hợp thiết bị là: t3 = t2 + t1 = + 26 = 30 (h) Thời gian cần thiết cho thiết bị phản ứng tiến hành xong tiếp tục phản ứng là: t = tvs + tnl + tgn + tpư + tth + tr + ts + tdg = 36 (h) Trong đó: tvs – Thời gian vệ sinh thiết bị mẻ tnl – Thời gian nạp liệu tgn – Thời gian gia nhiệt tpư – Thời gian phản ứng (t3) tth – Thời gian thu hồi sản phẩm tr – Thời gian rửa nhựa ts – Thời gian sấy tdg – Thời gian đóng gói sản phẩm Vậy thời gian cần thiết cho mẻ sản xuất là: 36 (giờ)  Tính suất cho mẻ sản xuất Với suất 150000 tấn/ năm ta chọn 14 thiết bị phản ứng làm việc song song Số làm việc năm là: 24 330 = 7920 (h) Số mẻ làm việc năm là: 7920/36 = 220 mẻ Vậy suất mẻ phản ứng là: Nguyễn Văn Lực 24 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học 150000 48,7 (tấn) 220.14 Ta có bảng cân vật chất cho mẻ phản ứng sau: Bảng 3: Cân vật chất cho mẻ phản ứng Nguyên liệu VC POB 96% PVA 95% H3PO4 89% Nước PVC Tổng  Tính chi phí nguyên liệu cho tháng sản xuất Do năm sản xuất 220 mẻ nên trung bình tháng sản xuất 18,33 mẻ với lượng sản phẩm 892,86 Ta có bảng cân vật chất cho tháng sản xuất sau: Bảng : Cân vật chất cho th Nguyên liệu VC POB 96% PVA 95% Bảng 4: TIẾP H3PO4 89% Nguyễn Văn Lực Đồ án môn học Nước PVC Tổng Bảng 5: Giá nguyên liệu tham khảo thị trường (tỉ giá 1USD =20.833VND) Nguyên liệu VC POB 96% PVA 95% H3PO4 89% Nước Căn vào bảng giá đưa Bảng ta tính chi phí nguyên liệu cho tháng sản xuất: Chi phí sản xuất = 1283,57.750 + 10,7.1700 + 2,03.2 + 5,77.32,23 + 1925,36.2,12 = 985139,3 (USD ) 3.2 Tính cân nhiệt lượng  Tính lượng nhiệt cấp vào để tăng nhiệt đến nhiệt độ trùng hợp V C Q= c Trong đó: hh : Khối lượng riêng huyền phù VR: Thể tích chứa thiết bị Chh: Nhiệt dung riêng huyền phù tth: Nhiệt độ trùng hợp hp R hh t t th d Nguyễn Văn Lực 26 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học td: Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp Xác định khối lượng riêng huyền phù + Khối lượng riêng VC: 850 kg / m3 vc + Khối lượng riêng nước: H 2O 998, 25 kg / m3 Ta có: hh xx 2 x vc hh vc xVC : Nồng độ phần khối lượng VC xH 2O : Nồng độ phần khối lượng nước vc : Khối lượng riêng VC H 2O : Khối lượng riêng H2O x vc x H 2O Theo ta có: Nguyễn Văn Lực x vc xH O H 2O Đồ án môn học x vc xH 2O 0,4 hh 0,6 933,12 kg / m3 Xác định nhiệt dung riêng huyền phù Theo công thức: C hh hh xr C r r xr Cl l Ta có: Chh hh xvc Cvc vc xvc CH O H 2O Trong đó: xvc: Nồng độ phần khối lượng VC xvc = 0,4 Cvc: Nhiệt dung riêng VC Ta có: Cvc = 1,983 CH 2O : Nhiệt dung riêng nước CH 2O = 4,174 (kJ/kg độ) vc : Khối lượng riêng VC Nguyễn Văn Lực 28 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học H 2O : Khối lượng riêng nước Chh hh xvc Cvc vc Chh x vc C vc vc x vc xvc CH O C H 2O H 2O H 2O hh = 0,4.1,438.850 0,4 4,174.998,25 933,12 = 3,2 (kg/kg độ) Thể tích thiết bị theo quy chuẩn là: VR =153 m3 Nhiệt độ trùng hợp : tth = 400C Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp là: td = 300C Suy ra: Qc = 933,12.153.3,2.(40 - 30) = 143060 (KJ) Vậy lượng nhiệt cần cấp vào để tăng nhiệt độ đến nhiệt độ trùng hợp là: Qc = 143060 (KJ)  Tính lưu lượng nước cần đun nóng Thiết bị trùng hợp thiết bị vỏ, chất tải nhiệt chọn nước bão hoà phần không gian vỏ - Nhiệt độ nước là: 1100C - Nhiệt độ vào nước là: 400C - Thời gian đun nóng là: 1(h) Suy lượng nhiệt cấp để đun nóng là: Q Qt Nguyễn Văn Lực c 143060( KJ ) 29 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học Lượng nhiệt mà nước đun nóng cấp cho hỗn hợp lượng nhiệt hỗn hợp nhận vào Lượng nhiệt hỗn hợp nhận vào: Q = n H2O V H O C H 2O (t t ) r v Qt = Q n V Q= t H 2O C H2O t t H 2O r v Ta có nhiệt độ trung bình nước: ttb t t v 40 110 r o 75 C Ứng với nhiệt độ tra bảng [1.5] đồ thị hình I.52 [3] ta có: Khối lượng riêng nước: 975 (kg/m3) H 2O Nhiệt dung riêng nước: CH 2O = 1,1(Kcal/kg độ) = V Q= t H2O H2O C 4,598 (KJ/kg độ) t t H 2O r v Qt = Q n V H O Vậy lưu lượng nước cần đun nóng là: V = 0,456 (m3/h) Nguyễn Văn Lực 30 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án mơn học KẾT LUẬN Bài đồ án với đề tài “Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất PVC tính tốn số thơng số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với suất 150.000 tấn/năm” thể cách hiểu biết PVC, vai trò tầm quan trọng xã hội cơng nghệ sản xuất PVC Ngồi mục đích đạt nêu phần mở đầu thơng qua việc thực đồ án cịn giúp em tăng cường kỹ tự nghiên cứu, khả tổng hợp tài liệu kỹ làm việc theo nhóm Bên cạnh đó, đề tài cịn giúp em củng cố kiến thức môn học, tăng khả đánh giá nhận định vấn đề nghiên cứu, tăng kỹ thực hành tính tốn, vận dụng phối hợp kiến thức học Nguyễn Văn Lực 31 Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án môn học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Kỹ thuật sản xuất chất dẻo - Tập - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nơi, 1970 [2] Hố học Polyme - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nôi, 1982 [3] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập I Bộ mơn Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hố chất Trường Đại học Bách Khoa Hà Nơi -1999 [4] Bài giảng cơng nghệ hóa dầu chế biến polymer – TS.Nguyễn Thị Linh, Bộ mơn Lọc Hóa Dầu, Đại học Mỏ-Địa Chất [5] Số liệu từ tập đoànTokuyama Nhật Bản, lấy từ địa http://www.icispricing.com/il_shared/Samples/SubPage65.asp [6] Số liệu từ công ty Changzhou Broad & Star Polyurethane Product Co., Ltd, http://www.alibaba.com/productgs/309938770/Diluted_Benzoyl_peroxide.html?s=p [7] Số liệu từ công ty Henan Allrich Chemical Co., Ltd http://www.alibaba.com/productgs/309938770/Diluted_Benzoyl_peroxide.html?s=p [8] Công Ty TNHH TM - DV XNK GIA HUY, Lầu 3, Phòng 301, Số 2290, Quốc Lộ 1A, P Trung Mỹ Tây, Quận 12 (Hồ Chí Minh) [9] “Phương thức phân loại tính giá nước, hướng tới quản lý bền vững nguồn tài nguyên nước mặt hạ lưu Đập thuỷ điện Hồ Bình”- PGS.TS Nguyến Thế Chinh, NCS Nguyễn Hồng Nam Nguyễn Văn Lực 32 Lọc Hóa Dầu A-K53 ... với đề tài ? ?Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất PVC tính tốn số thơng số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với suất 150. 000 tấn/năm” thể cách hiểu biết PVC, vai trị tầm quan trọng xã hội công nghệ sản xuất. .. mơn học CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ĐỀ BÀI: Đề Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất PVC tính tốn số thông số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với suất 150. 000 tấn/năm Thành... gian đóng gói sản phẩm Vậy thời gian cần thiết cho mẻ sản xuất là: 36 (giờ)  Tính suất cho mẻ sản xuất Với suất 1500 00 tấn/ năm ta chọn 14 thiết bị phản ứng làm việc song song Số làm việc năm