Dùng thiết bị phản ứng gồm có một nồi trùng hợp, kiểu thẳng đứng. Làm việc dới áp suất 10 atm, có vỏ bọc ngoài để đun nóng và làm lạnh có lắp cánh khuấy. ( Hình 4 )
Hỗn hợp phản ứng gồm có nớc cất, cloruavinyl lỏng chất khởi đầu tan trong nớc H2O2, chất nhũ hoá, chất điều chỉnh pH của môi trờng , chất điều chỉnh sức căng bề mặt.
Chất nhũ hoá thờng dùng là muối natri của các axit chế tạo bằng cách oxy hoá các paraphin tổng hợp có số nguyên tử các bon từ C12 đến C18.Lợng chất nhũ hoá khoảng 0,5 đến 2% trọng lợng clorua vinyl, lợng chất nhũ hoá càng tăng thì độ phân tán của các hạt polyme tăng.
Chất điều chỉnh pH của môi trờng là các loại muối đệm nh pirophotphat natri, axit photphoric, axetat natri …, dùng với số lợng khoảng 0,1 – 0,5% l- ợng monome. Nếu pH càng cao chất khởi đầu loại peroxyt bị phân huỷ càng nhanh, thờng nên giữ pH ở khoảng 6,5 – 7,0.
Cần giảm sức căng bề mặt của môi trờng để tăng độ phân tán của các hạt polyme, muốn thế thêm vào các loại rợu nh amylic, hexilic… với số lợng 0,1 – 0,5% lợng monome .
Các chất trên đều có ảnh hởng đến quá trình phản ứng nh nồng độ cloruavinyl, tính chất và nồng độ chất khởi đầu, tính chất và nồng độ chất nhũ hoá, ngoài ra nhiệt độ, áp xuất và thời gian phản ứng cũng có ảnh hởng. Ví dụ: thờng chỉ dùng lợng cloruavinyl và lợng nớc bằng nhau vì nếu tăng cao nồng độ monome và cả áp suất (thờng ở 5 – 7 atmotphe ) thì tuy tốc độ phản ứng và trọng lợng phân tử đều tăng nhng phản ứng toả ra rất nhiều nhiệt, khó khống chế.
Sau đây là một số ví dụ về thành phần hỗn hợp phản ứng: nớc cất 1000 lít, cloruavinyl lỏng 1000 lít, H202 1,2 lít, hỗn hợp axit béo 27kg, NaOH (50%) 1 lít, H3PO4 ( 63% ) 0,7 lít.
Quá trình sản xuất nh sau: thoạt tiên cho nớc cất, dung dịch xúc tác,
dung dịch chất nhũ hoá, chất ổn định pH vào thiết bị tạo dung dịch nhũ tơng (1) ta đợc hỗn hợp chất nhũ hoá chất khởi đầu đã phối trộn đều rồi nhờ bơm đẩy vào thiết bị phản ứng (2) rồi mới cho cloruavinyl vào thiết bị phản ứng (2) khuấy đều. Cho nớc nóng vào vỏ bọc bên ngoài đun nóng hỗn hợp nên 45 - 500C. áp suất trong thiết bị phản ứng tăng lên đến 5 ữ8 atm. Thời gian kích động phản ứng xảy ra trong vài giờ, sau đó phản ứng toả nhiệt tăng nhanh áp suất nên cần phải cho nớc lạnh vào để điều nhỉnh nhiệt độ, giữ nguyên áp suất. Lúc phản ứng hoàn thành áp suất sẽ tụt xuống. Trong thiết bị phản ứng
polyme đợc trùng hợp cho đến khi đo đợc khối lợng riêng của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng khoảng1,1 – 1,2 muốn tăng khối lợng polyme cho thêm khoảng 0,1% lợng NaOH (50% ) sục qua thiết bị phản ứng (2). Polyme trùng hợp xong ở dạng latex, chuyển latex đi keo tụ, rửa, lọc và sấy khô.
Quy trình sử dụng thiết bị phản ứng sạch hạn chế tối đa việc tạo thành cặn lắng trên thành thiết bị phản ứng và nâng cao tối đa năng lực sản xuất sản phẩm. Thiết bị phản ứng vận hành gián đoạn bao gồm việc nạp nguyên liệu, gia nhiệt trùng hợp, loại khí và tháo sản phẩm. Cụ thể nh sau:
+ Giai đoạn chuẩn bị dung dịch:
Phải có hệ thống thao tác nguyên liệu để chuẩn bị các phụ gia khác nhau cho việc nạp vào thiết bị phản ứng theo từng chu kỳ. Các công nhân vận hành chuẩn bị dung dịch xúc tác và các tác nhân tạo ra dung dịch nhũ tơng.
Các thiết bị phân phối và đo lờng sẽ định lợng và cung cấp chính xác từng phụ gia vào thiết bị phản ứng theo nhu cầu. Việc nạp phụ gia do máy tính điều khiển.
+ Vùng phản ứng: Vùng này bao gồm 2 thiết bị phản ứng cùng với các bể chứa sử dụng khi dừng ngắn hạn, ngừng máy khuấy và ngng tụ hồi lu. Ngoài ra còn một máy để bơm nớc nóng huặc nớc lạnh qua vỏ bao bì phản ứng. Bình ngng tụ hồi lu đợc làm lạnh bằng cách tới nớc lạnh.
Chu kì phản ứng kéo dài 20 giờ. Một ngày sản xuất đợc 1 mẻ. Các thiết bị chỉ mở ra tối đa để làm vệ sinh tối đa là một tháng một lần trừ khi muốn tăng năng xuất thiết bị phản ứng bằng cách giảm thời gian làm vệ sinh.
Các thiết bị phản ứng đợc trang bị hệ thống dừng ngắn hạn để kết thúc quá trình trùng hợp vào thời gian cuối của mỗi mẻ. Có những bình chứa phụ đề phòng phải dừng đột ngột khi mất điện. Hệ thống trùng hợp đợc khởi động lại một cách tự động sau vài giây mất điện. Có một bể chứa VCM và 2 bơm để nạp VCM vào thiết bị phản ứng. Ngoài ra còn có trang thiết bị bình bảo quản và bơm để làm mềm nớc ở nhiệt độ môi trờng và cả khi nóng. Nớc nóng đã đ- ợc làm mềm nạp vào thiết bị phản ứng trong chu trình nạp. Nh vậy giảm tối đa thời gian gia nhiệt và phản ứng đợc khơi mào nhanh chóng để đạt công xuất tối đa.
+ Tháo sản phẩm từ thiết bị phản ứng:
Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng đợc đa vào bình chứa ở phía dới. Bình chứa này cho phép kiển soát đợc lợng VCM cha phản ứng khi đa đến công đoạn thu hồi. Nh vậy thiết bị phản ứng cũng đợc làm sạch để sẵn sàng sử dụng tiếp cho chu kỳ trùng hợp sau và tăng khả năng sản xuất cho cả hai thiết bị phản ứng.
Dòng sản phẩm ra khỏi bình chứa ở dới đợc chuyển vào bình chứa khác sau khi thu hồi hết VCM cha phản ứng.
+ Xả tách hỗn hợp sản phẩm:
Dòng sản phẩm đợc xả tách bằng hơi nớc trong một tháp đĩa. PVC thu đ- ợc đợc đa đi li tâm và sấy. Hàm lợng VCM trong hỗn gợp đã xả thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn an toàn môi trờng.
+ Ly tâm và sấy: Dòng sản phẩm đợc chuyển đến thiết bị li tâm và theo băng chuyền đến sàn sấy. Chất lỏng chẩy từ máy li tâm đi sang công đoạn sử lý nớc thải. Sản phẩm đợc sấy trên máy sấy phun đến nhiệt độ cần thiết.
PVC khô đợc đa vào hệ thống băng tải và đi tới bình chứa tức là các bình nạp liệu cho công đoạn đóng bao.
II. Tính cân bằng vật chất. Phản ứng tổng quát trùng hợp vinylclorua: n Trùng hợp Xúc tác [ ] n CH CH Cl CH 2 CH Cl 2 (2.1) Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất:
Nguyên liệu Trùng hợp Lọc Sấy Sản phẩm
Công suất của dây chuyền phải thiết kế là 2.000 tấn /năm.
Tính thời gian làm việc của dây chuyền :
• Tổng số ngày trong năm: 365 ngày
• Bảo dỡng12 ngày (mỗi tháng một lần)
• Sửa chữa 10 ngày
• Nghỉ lễ tết 7 ngày
• Tổng số ngày nghỉ là 81 ngày Số ngày làm việc của dây chuyền là:
365 – 29 = 336 ngày dây chuyền làm việc. Lợng PVC phải sản xuất trong một ngày là:
2000/336 = 5,952 tấn/ngày = 5952 (kg/ngày).
Lợng vinylclorua đa vào để sản xuất PVC thực tế so với lợng PVC nhận đ- ợc phải nhiều hơn vì qua các công đoạn sẽ bị thất thoát. Lấy lợng thất thoát của các công đoạn nh sau:
• Công đoạn đóng gói sản phẩm
Công đoạn này tổn hao 0,2% nên lợng sản lợng PVC cần sản suất tr- ớc khi đa vào công đoạn này là:
5952 .1,002 = 5963,90 (kg) Lợng sản phẩm tổn hao cho công đoạn này là:
5963,90 – 5952 = 11,90 (kg)
• Công đoạn sấy:
Công đoạn này tổn hao 0,2% nên lợng sản lợng PVC cần sản suất trớc khi đa vào công đoạn này là:
5963,90.1,002= 5975,82 (kg) Lợng sản phẩm tổn hao cho công đoạn này là:
5975,82 – 5963,90= 11,92 (kg)
• Công đoạn lọc, tách nớc:
Công đoạn này tổn hao 0,2% nên lợng sản lợng PVC cần sản suất trớc khi đa vào công đoạn này là:
5975,82.1,002= 5987,77 (kg) Lợng sản phẩm tổn hao cho công đoạn này là:
5987,77 – 5975,82 = 11,95 (kg)
• Quá trình trùng hợp:
Công đoạn này tổn hao 6% (hiệu suất phản ứng 94%) nên lợng PVC cần có cho công đoạn này là:
5987,77 .1,06= 6347,03 (kg) Lợng tổn hao ở công đoạn này là:
6347,03 – 5987,77 = 359,26 (kg)
• Công đoạn nạp liệu:
Công đoạn này tổn hao 0,1% nên lợng PVC cần sản xuất trớc khi nạp liệu là:
6347,03.1,001= 6353,37(kg) Lợng tổn hao ở công đoạn này là:
6353,37 – 6347,03 = 6,34 (kg).
1.Giả sử lợng vinylclorua dùng trong nguyên liệu đầu chỉ có độ tinh khiết là 99%. Từ đây ta tính đợc lợng vinylclorua cần dùng cho một mẻ là :
6353,37.1,01= 6416,90 (kg)
Vì khối lợng PVC cần để sản xuất ra 6416,90 (kg/ngày ) bằng lợng VCM cần có trong phản ứng trùng hợp, do đó khối lợng VCM cần có để sản xuất ra lợng PVC với công suất 2000 tấn/năm là 6416,90 (kg ).
Tính lợng vinylclorua theo thể tích: ta có khối lợng riêng của vinylclorua ở -12,960C là ρvc = 0,9692 (g/cm3 ) = 969,2 kg/m3) [TC ]
Dựa vào công thức: ρvc =
V M
[3] Trong đó: - ρvc là khối lợng riêng của vinylclorua
-M là khối lợng vinylclorua -V là thể tích của vinylclorua Suy ra: V = vc M ρ = 969,2 90 , 6416 = 6,620 ( m3 ) = 6620 (l) 2. Lợng nớc cất (V1) lấy bằng lợng thể tích vinylclorua và bằng 6620 (l) [1-tr42]
3. Lợng chất nhũ hoá (V2) lấy bằng 2% lợng vinylclorua: [1-tr42] 6620.0,02 = 132,40 (l) = 0,1324 (m3).
Chọn chất nhũ hoá là xà phòng dầu ve có khối lợng riêng bằng: 950 (kg/m3). Suy ra khối lợng chất nhũ hoá bằng:
0,1324.950 = 125,78 (kg).
4. Lợng chất khơi mào (V3) lấy bằng 0,12% lợng vinylclorua và bằng: 6620.0,0012 = 7,94 ( l ). [1 –tr42] 5. Chất điều chỉnh pH (V4) chọn H3PO4 (63%) lấy bằng 0,1% lợng vinylclorua = 6620.0,001 = 6,62 ( l). [1 – tr42]
6. Chất làm tăng khối lợng polyme (V5) chọn NaOH (50%) lấy bằng 0,1% lợng vinylclorua = 6,62 ( l ). [1 – tr42]
Bảng cân bằng nguyên liệu đầu vào tính cho một mẻ:
TT Hoá chất Đơn vị tính Số lợng 1 Vinylclorua l 6620 2 Nớc cất l 6620 3 Chất nhũ hoá kg 125,78
4 Chất khơi mào l 7,94
5 Chất điều chỉnh pH l 6,62
6 Chất làm tăng khối lợng PVC l 6,62
Bảng cân bằng vật chất tính cho một năm:
TT Hoá chất Đơn vị tính Số lợng 1 Vinylclorua l 2224320 2 Nớc cất l 2224320 3 Chất nhũ hoá dm3 42262,08 4 Chất khơi mào l 2667,84 5 Chất điều chỉnh pH l 2224,3 6 Chất làm tăng khối lợng PVC l 2224,3 Thiết bị phản ứng làm việc ở áp suất 5 – 9 at
Nhiệt độ phản ứng 45 đến 55oC. Thời gian làm việc của một mẻ:
0,5 giờ nạp liệu. 1 giờ khuấy trộn
1 giờ đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 500C 20 giời trùng hợp
0,5 giờ tháo sản phẩm từ thiết bị phản ứng sang thùng chứa trung gian.
Thời gian tổng cộng :0,5+ 0,5 + 1,5 + 20 + 0,5 = 23 (giờ). Nh vậy mỗi ngày chỉ có thể sản xuất đợc 1 mẻ.
III.Tính toán cơ khí. [9-tr358]
Thân hình trụ là bộ phận chủ yếu để tạo thành thiết bị hoá chất (ví dụ nh: Tháp chng, hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt, nồi cô đặc, thiết bị phản ứng… ).
Do tháp làm việc ở áp suất không cao lên ta chọn thiết bị hình trụ kiểu thẳng đứng, thân hình trụ làm bằng vật liệu thép không gỉ đợc chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với kích thớc đã định, sau đó hàn ghép mối lại bằng phơng pháp hàn bằng hồ quang điện kiểu giáp mối hai bên.
III.1.Tính thể tích, đờng kính, chiều cao thiết bị phản ứng .
+ Thể tích thiết bị phản ứng đợc tính bằng tổng thể tích các hoá chất thành phần:
V = VVC + V1 + V2 + V3 + V4 + V5
Trong đó: V là thể tích của thiết bị phản ứng. VVC là thể tích của cloruavinyl. V1 là thể tích của nớc.
V2 là thể tích của chất nhũ hoá. V3 là thể tích chất khơi mào. V4 là thể tích chất điều chỉnh pH.
V5 là thể tích chất điều chỉnh khối lợng phân tử. V = 6620 + 6620 + 125,78 + 7,94 + 6,62 + 6,62 V = 13386,96 (l) ≈ 13387 (l ) = 13,387 (m3 )
Lấy hệ số điền đầy của tháp là 80% khi đó thể tích của thiết bị phảI là: V = 80 100 . 387 , 13 = 16,733 (m3) ≈ 16,8 (m3 )
+ Tính đờng kính trong (Dt ) và chiều cao thiết bị phản ứng (h):
Dựa vào [9-tr359 ]. Đờng kính trong Dt (mm) của thân hình trụ. Lấy đ- ờng kính trong của tháp Dt = 2,4 (m ) từ đó tính đợc chiều cao thiết bị phản ứng nh sau: [9-tr359]
V = π.R2.h
Trong đó: V - thể tích thiết bị phản ứng. π - hằng số có giá trị bằng 3,14.
h - chiều cao thiết bị phản ứng Suy ra: h = 2 . 14 , 3 R V = t D V 2 . 14 , 3 4 . = ( )2 4 , 2 . 14 , 3 4 . 8 , 16 = 3,715 (m). Lấy tròn: h = 3,8 (m ) khi đó thể tích thiết bị thiết kế đợc là
V = 3,14. .3,8 2 4 , 2 2 = 17,18 (m3 ).
III.1.Tính chiều dày thiết bị phản ứng.
Khi ta đa nguyên liệu vào thiết bị phản ứng thì áp suất trong thiết bị phản ứng gần bằng 1 (at). Nhng khi phản ứng xảy ra áp suất trong thiết bị tăng dần lên từ 6 – 8 (at). Nh vậy thân hình trụ của thiết bị phản ứng làm việc chịu áp suất trong. Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong P đợc xác định theo công thức: S = P P Dt − ϕ σ]. .[ 2 . + C, m [9- tr360 ]
Trong đó: Dt - đờng kính trong thiết bị phản ứng (m )
C – hệ số bổ xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m ).
P - áp suất trong của thiết bị phản ứng (N/m2 )
σ - ứng suất đối với thành thiết bị phản ứng (N/m2 )
áp suất trong của thiết bị phản ứng:
Do môi trờng làm việc trong tháp là hỗn hợp hơi lỏng, khi đó áp suất làm việc trong tháp bằng tổng số áp suất Pmt (áp suất môi trờng ) và áp suất thuỷ tĩnh P1 của cột chất lỏng.
áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng đợc xác định theo công thức sau: P1 = ρ1.g.H1 (N/m2 ). [9-tr360] Trong đó: - H1 là chiều cao cột chất lỏng (m ).
- ρ 1 là khối lợng riêng của hỗn hợp chất lỏng (kg/m3 ). - g là gia tốc trọng trờng = 9,81 (m/s2 ).
Tra [8-tr12 ] đợc khối lợng riêng của nớc ở nhiệt độ 500C (Lấy nhiệt độ = 500C là nhiệt độ trung bình của hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng ) đ- ợc: nc =988,07 (kg/m3 ).
Vì ở 500C vinylclorua ở dạng thể khí do đó coi khối lợng riêng của vinylclorua là không đáng kể và khối lợng riêng của hỗn hợp các chất xúc tác nh: chất nhũ hóa chiếm 2% lợng vinylclorua, chất điều chỉnh pH chiếm 0,2% lợng vinylclorua, muối đệm chiếm 0,2% lợng VC, chất làm tăng khối lợng PVC 0,12% lợng VC.
Vậy khối lợng riêng của hỗn hợp đợc tính gần bằng khối lợng riêng của nớc ở 500C là:
1 = 988,07 (kg/m3 ) ≈ 1000 (kg/m3 ).
Chiều cao cột chất lỏng lấy bằng 80% chiều cao làm việc của tháp và bằng 3,8.0,8 (m ) = 3,04 (m ).
Khi đó áp suất của cột chất lỏng:
P1 = 1000.9,81.3,04= 29822,4 (N/m2 ) áp suất của môi trờng làm việc trong tháp lấy bằng 8 (at ) Từ các số liệu trên ta tính đợc áp suất trong thiết bị phản ứng: P = 8.9,8.104 + 29822,4 = 814622,4 (N/m2 )
Tính hệ số bổ sung do ăn mòn, hao mòn và dung sai về chiều dày:
Đại lợng bổ sung C trong công thức tính chiều dày thiết bị phản ứng ở trên phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dày, đợc xác định theo công thức:
C = C1 + C2 + C3, (m ) [9-tr363] Trong đó: C1 - Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trờng và thời gian làm việc của thiết bị, (m ).
Vật liệu chọn làm thiết bị phản ứng bền (0,05 – 0,1 mm/năm ) do đó có thể lấy C1 = 1 mm ( tính theo thời gian làm vật liệu từ 15 – 20 năm ).
C2 - đại lợng bổ xung cho hao mòn chỉ tính đến trong các tr- ờng hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. Do hỗn hợp phản ứng là chất lỏng do đó có thể bỏ qua đại lợng này.
C3 - đại lợng bổ xung do dung sai của chiều dày phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu.
Theo [9-tr364] chọn vật liệu làm thiết bị phản ứng là thép cán loại dày