CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHỰA POLYESTER KHÔNG NO (UPE)
1.8. Dây chuyền sản xuất nhựa UPE
1.8.2. Quy trình sản xuất nhựa UPE theo phương pháp 2 giai đoạn
Nguyên liệu EG và PG có sẵn từ các thùng chứa (2) và (3) được bơm định lượng (16) bơm vào các thùng lường (17) và (18) sau đó mở van cho nguyên liệu chảy vào nồi phản ứng (7). Bật máy khuấy với tốc độ 650 vòng/phút đồng thời thổi nitơ để đuổi hết oxi ra khỏi nồi phản ứng, dùng dầu để gia nhiêt hỗn hợp phản ứng lên 80°C
Khi nhiệt độ đạt khoảng 80°C, nạp từ từ các anhydride dạng rắn vào bunket chứa đáy rung (4) nhờ trục vít xoắn (6) vào nồi phản ứng (7) và tiếp tục tăng nhiệt độ lên 90 – 160°C để hỗn hợp anhydride nóng chảy và đồng nhất hoàn toàn. Trong lúc đó vẫn khuấy đều và thông nitơ. Lượng xúc tác sử dụng vào khoảng 0,1 – 0,2%
khối phản ứng.
- Nâng nhiệt độ 160 – 190°C: Tiền ngưng tụ monomer
Từ từ nâng nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng lên 160 – 190°C trong khoảng vài giờ (tùy theo chương trình nhiệt độ). Thông khí nito vào nồi phản ứng đều đặn để đẩy oxi ra ngoài. Duy trì ở nhiệt độ 190°C trong khoảng 1 giờ . Trong giai đoạn này, các glycol bốc hơi sẽ ngưng tụ lại ở bộ ngưng tụ hơi đa thành phần (deflegmator).
- Đa tụ sâu tạo polymer
Tiếp tục tăng nhiệt độ của hỗn hợp lên từ từ và duy trì nhiệt độ ở 210°C để thực hiện phản ứng ngưng tụ các monoester tạo thành polyester và hỗ trợ quá trình tách nước diễn ra triệt để hơn.
Trong giai đoạn này, nhựa polyester và nước bắt đầu xuất hiện. Đây là phản ứng thuận nghịch nên việc tách nước là vô cùng quan trọng để phản ứng xảy ra theo chiều tạo thành polyester. Phản ứng được duy trì ở nhiệt độ 210°C và được lấy mẫu kiểm tra chỉ số axit định kỳ. Dừng phản ứng khi chỉ số axit giảm xuống còn 25-30mgKOH/g nhựa. Nhựa nhận được ở giai đoạn này được gọi nhựa UPE gốc.
- Pha loãng với styrene:
Nhựa sau khi tổng hợp xong được chuyển xuống thiết bị pha loãng (11). Tại đây dùng nước lạnh để làm nguội hỗn hợp xuống còn 80oC trong khoảng thời gian 1 giờ. Bắt đầu quá trình trộn hợp với styren, ở đây dùng thêm lượng chất ổn định Hydroquinon (khoảng 0.01%) để làm chậm quá trình trùng hợp tạo nhựa đóng rắn khi chưa gia công. Styren từ thùng chứa (1) được bơm lên thùng lường (5) sau đó mở van cho xuống thiết bị tương hợp (11). Tiến hành khuấy trộn nhựa UPE với styren trong 1 giờ. Sau khi pha loãng xong qua công đoạn kiểm tra, nhựa sẽ được chứa ở thùng chứa nhựa UPE (12)
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN KĨ THUẬT
2.1.Tính phối liệu và cân bằng vật chất.
2.1.1. Các số liệu phục vụ tính toán
-Căn cứ vào kết quả nghiên cứu các chuyên đề,tỷ lệ các cấu tử như sau:
EG/PG/AM/AP/AA=2/1/3/2/0,3
Bảng 1.Tính chất của các cấu tử
STT Tên Công thức hóa học
Khối lượng phân tử
Khối lượng riêng (g/cm3 ) 1 Ethylene
glycol (EG)
HO-CH2-CH2-OH 62 1,1 2 1,2-
Propylene glycol
76 1,04
3 Anhydric maleic
(AM) CH CH
CO
CO O 98 1,48
4
Anhydric phtalic (AP)
C C O
O
O 148 1,53
5 Anhydric Adipic (AA)
C H2 CH2 H2C CH2
C C O
O O
128 1,183
Khối lượng riêng của hỗn hợp khối phản ứng γhh: ρhh = Σ ρi × ai
Trong đó: +ρi: Khối lượng riêng của i cấu tử (kg/m3 ) + ai: Hàm lượng phần trăm của i cấu tử
Bảng 2. Phần trăm khối lượng của cấu tử
STT Tên Khối lượng, kg % khối lượng
1 Ethylene glycol (EG)
2 × 62= 124 14,97
2 1,2- Propylene glycol
1 × 76= 76 9,17
3
Anhydric maleic (AM)
3 × 98= 294
35,49 4
Anhydric
phtalic (AP) 2 × 148= 296 35,73 5 Anhydric
Adipic (AA) 0,3 × 128= 38,4 4,64
Từ số liệu bảng 2.1 và bảng 2.2 ta tính được khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng:
ρhh = Σ ρi × ai= ( 0,149 ×1110 ) + (0,0917 ×1040 ) + ( 0,3549 × 1480 ) + ( 0,3573 × 1530) + ( 0,0464 × 1183 )=
1388 ( kg/m3 )
2.1.2. Cân bằng vật chất của quá trình tổng hợp nhưa UPE gốc
Cân bằng vật chất của quá trình
Lượng dịch ngưng tụ thu được khoảng 9,5% nên hiệu suất tạo thành gốc nhựa PEKN gốc là 90,5%
Để nhận được 1000 kg nhựa PEKN gốc, lượng nguyên liệu đầu vào có:
1000 : 0,905= 1104,97 kg
Mất mát khi nạp các nguyên liệu và tháo nhựa PEKN gốc ~ 0,5
%
Tổng nguyên liệu đầu vào phải có:
1104,97 : 0,995= 1110 kg Ta có bảng sau:
Bảng 3.Khối lượng của từng nguyên liệu STT Nguyên
liệu Cách tính Kết quả, kg 1
Ethylene glycol (EG)
1110 × 0,1497 166,09
2 1,2- Propylene glycol
1110 × 0,0917 101,73 3
Anhydric maleic (AM)
1110 × 0,3549
393,75
4
Anhydric
phtalic (AP) 1110 × 0,3573 396,41 5
Anhydric Adipic (AA)
1110 × 0.0464 52,02
Ta có bảng sau:
Bảng 4.Cân bằng vật chất khi tổng hợp 1000kg nhựa UPE
Vào Kg Ra Kg
Nạp nguyên liệu
1. Các glycol 267,82
1. Các glycol 266,48
Mất mát 1,34
2. Các anhydride acid
842,18 2. Các anhydride acid 839,65
Mất mát 2,53
Tổng 1110 Tổng 1106,13
Tổng hợp nhựa
1. Các glycol 266,48 1. Nhựa PEKN gốc 1001,05 2. Các anhydride acid 839,65
2. Dịch ngưng tụ
105,08 Tổng 1106,13
Tổng
1106,13
Tháo xuống Mixer
1. Nhựa PEKN gốc 1001,05 1. Nhựa PEKN gốc 1000 Mất mát
1,05
Số liệu theo ước tính:
-Năng suất tính toán của phân xưởng: 500 tấn/ năm -Tổng số ngày trong năm: 365 ngày.
-Nghỉ cuối tuần: 104 ngày.
-Nghỉ lễ, tết: 12 ngày -Nghỉ bảo dưỡng: 7 ngày
Tổng số ngày làm việc trong năm: 365-104-12-7 = 242(ngày).
Năng suất mỗi ngày của phân xưởng là: 500242 = 2,07 tấn/ngày
+ Thời gian cần thiết để hoàn thành 1 mẻ sản xuất:
-Thời gian gia nhiệt ban đầu: 1 giờ -Thời gian phản ứng: 16 giờ
-Thời gian trộn hòa tan nhựa với styren: 4 giờ
-Thời gian nạp liệu và các công việc phụ khác: 3 giờ
Do đó, thời gian để hoàn thành 1 mẻ sản xuất là 24 giờ.
-Quá trình sản xuất là gián đoạn cho mỗi mẻ, thời gian sản xuất cho mỗi mẻ khoảng 24 giờ. Do đó, mỗi ngày sản xuất được 1 mẻ và năng suất mỗi mẻ là:
2,07 tấn/mẻ = 2070 kg/mẻ
+ Tính toán lại cân bằng vật chất cho mỗi mẻ phản ứng:
-Lấy tỉ lệ nhựa gốc/styrene là 65/35
Vậy: 1000 kg nhựa gốc sẽ cần được 538 kg styrene Thu được 1538 kg sản phẩm nhựa UPE
-Trong 1538 kg nhựa sản phẩm có 1000 kg nhựa UPE gốc
Vậy trong 2070 kg nhựa sản phẩm có 1346 kg nhựa UPE gốc và 724 g styrene -Có: 20701538 = 1,35, do vậy để tính lại cân bằng vật chất, ta nhân mỗi số liệu của bảng 4 với 1,35 ta được bảng sau
Bảng 5.Cân bằng vật chất cho mỗi mẻ phản ứng
Vào Kg Ra Kg
Nạp nguyên liệu
1. Các glycol 361,56
1. Các glycol 359,75
Mất mát 1,81
2. Các anhydride acid 1137
2. Các anhydride acid 1134
Mất mát 3
Tổng 1498,56 Tổng 2685,1
Tổng hợp nhựa
1. Các glycol 359,75 1. Nhựa PEKN gốc 1351,42 2. Các anhydride acid 1134 2. Dịch ngưng tụ 141,33
Tổng 1493,75 Tổng 1492,75
Tháo xuống Mixer
1. Nhựa PEKN gốc 1351,42 1. Nhựa PEKN gốc 1350 Mất mát 1,42
Khối lượng nguyên liệu cần cho 1 mẻ sản xuất là : 361,56 +1137 = 1498,56 kg
2.2.Tính toán thiết bị chính
2.1.3. Nồi phản ứng
Chọn vật liệu
Ở đây ta chọn vật liệu là SUS 304 (hay còn gọi là thép không gỉ 304) để chế tạo nồi phản ứng vì vật liệu này có khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt tốt
- Inox SUS 304 có các thông số:
+Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền chảy: δc= 205 MPA=
205× 106 N/m2
+Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền kéo: δk= 750 MPA=
750× 106 N/m2
Thể tích nồi
- Thể tích vật liệu trong nồi được tính theo công thức:
V'=ρm
hh = 14981388,56 = 1,1 ( m3 ) - Do đó phần thể tích thiết bị cần dùng sẽ là:
V=V'
α = 10,,18=¿1,38 ( m3 )
Trong đó: + V': Thể tích vật liệu trong nồi + V: Thể tích nồi
+ α: Hệ số đầy
+ρhh: Khối lượng riêng của khối nguyên liệu
Chọn loại đáy hình khum có vỏ bọc ngoài để cấp nhiệt, đáy có khoét một lỗ đúng tâm, nắp có khoét nhiều lỗ
Chiều cao nồi phản ứng
Theo bảng XIII.10 sổ tay qttb 2 trang 383, ta chọn:
+ Đường kính trong của nồi phản ứng Dt = 900 mm + Các thông số của nắp và đáy bằng nhau:
+ Chiều cao nắp h2 = 265 mm ( đáy cao 225 mm và phần gờ 40
mm )
+Thể tích đáy: Vd=0,121 m3
- Vậy thể tích phần hình trụ là:
V1=Vt−2×Vd=1,38−0,121x2=1,138m3
- Chiều cao phần hình trụ của nồi thực tế là : h1= 4D×V1
t
2× π = 4×121,138× π = 1,5 m
Chiều cao thiết bị: Hm = h1 +2× h2 = 1,5 + 2 ×0,265= 2,03 (m)
Chiều dày phần hình trụ
Ở đây ta dùng dầu để gia nhiệt hỗn hợp tại áp suất Pmt= 3 atm=
3,04 × 105 N/m2
- Công thức tính chiều dày thân hình trụ:
δ1= P × Dt
2×[δ]× φ−P+C ,(m) (Theo sổ tay qttb 2 trang 360)
Trong đó: +Dt: đường kính trọng của thiết bị phản ứng, Dt = 1000mm = 1m
+P: áp suất trong reactor, N/m2 +[δ]: ứng suất cho phép, N/m
+φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc +C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, m
- Áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị:
P1=g × γhh ×H
Trong đó: +g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2
+γhh: khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, γhh=¿ 1388 m3 +H: chiều cao nồi, H = 2,03 m
Áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị:
P1=g × γhh ×H= 9,81 x 1388x 2,03= 27641,05 ( N/m2 )
Áp suất tính toán trong thiết bị :
P= P1 + Pmt = 27641,05 + 3,04 × 105= 3,3× 105 ( N/m2 ) + Inox SUS 304 có các thông số:
- Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền chảy: δc= 205 MPA=
205× 106 N/m2
- Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền kéo: δk= 750 MPA= 750
× 106 N/m2
Theo Bảng XIII.3- sổ tay qttb 2 trang 356 ,hệ số an toàn theo giới hạn kéo và giới hạn chảy của thép không gỉ: nk =2,6; nc = 1,5
ᶯ: Hệ số điều chỉnh, tra bảng XIII.2- sổ tay qttb 2 ta chọn loại thiết bị 2, nhóm thiết bị II
⇒ᶯ=1
Như vậy ta có:
- Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền chảy:
[δc¿=δc
nc×ᶯ=205×106
1,5 ×1=136,67×106(N/m2 )
Ứng suất cho phép đối với giới hạn bền kéo:
[δk¿=δk
nk×ᶯ=750×106
2,6 ×1=288,46×106(N/m2 )
Ứng suất cho phép của vật liệu là: σb=min { [δk], [δc¿}=[δc¿= 136,67×106(N/m2)
+ Chiều dày thân hình trụ
Theo Bảng XIII.8- sổ tay qttb 2 trang 362,hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc, với Dt > 700 mm, và vật liệu là thép không gỉ Inox SUS 304, nên chọn φ=φh= 0,95. Hệ số bổ sung C:
C= C1+ C2+ C3 (m) ( theo sổ tay qttb 2 trang 363)
Trong đó:
+ C1: Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của mỗi trường và thời gian của thiết bị làm việc, nên chọn C1= 1 mm
+ C2 : Đại lượng bổ sung do hao mòn, C, chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nhất ở trong thiết bị. Thông thường ta chọn C2 bằng 0
+ C3: Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu, chọn C3= 4 mm
C= C1+ C2+ C3 = 10−3+0+0,4×10−3=1,4×10−3 ( m ) Có [Pδ]× φh= 136,67×106
3,3×105 ×0,95=393,44> 50, nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính chiều dày thân hình trụ
Vậy chiều dày thân hình trụ:
δ1= P × Dt
2×[δ]× φ−P+C= P × Dt 2×[δ]× φ+C
¿ 3,3×105×0,9
2×136,67×106×0,95+1,4×10−3
= 2,49×10−3(m) = 2,5 ( mm )
Quy chuẩn chiều dày thân trụ: δ1=4mm + Kiểm tra ứng suất của thành theo ứng suất thử:
σ=¿¿ ( sổ tay qttb 2 trang 365 ) Ta có: σc
1,2=205×106
1,2 =170,83×106
Trong đó: + Dt : đường kính trong thiết bị , Dt =900 mm = 0,9 m +Sthân: chiều dày thân trụ, Sthân = 4 mm= 4×10−3m + C: hệ số bổ sung, C= 1,4 ×10−3m
+φh: hệ số bền mối hàn, φh=0,95 + p0: áp suất thử, (N/m2 )
- Áp suất thử được tính theo công thức :
Po =Pth+ P ttd , (N/m2) ( Sổ tay qttb2 trang 366) Trong đó : +Pth: Áp suất thử thuỷ lực.
+Pttd: Áp suất thuỷ tĩnh của dầu -Theo bảng XIII.5, sổ tay qttb 2 trang 358 -Với 0,07.106 <P < 0,5.106 thì:
Pth =1,5 x P =1,5×3,3×105=4,95×105(N/m2) Áp suất thuỷ tĩnh của dầu Pttd:
Pttd=g × ρd× H ,(N/m2)
Trong đó: + g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 +ρd: khối lượng riêng của dầu, ρd=¿ 800 kg/m3
+ H: chiều cao nồi, H = 2,03 m
Pttd=g × ρd× H= 9,81×800×2,03=15931,44(N/m2)
Po =Pth+ P ttd = 4,95×105+15931,44=5,1×105(N/m2) -Kiểm tra thay vào công thức , ta được :
σ=¿¿
= 102,5 ×10−6 <
σc
1,2=170,83×106
Vậy ta chọn chiều dày thân hình trụ là δ1=4mm
Chiều dày phần đáy
- Chiều dày phần đáy được tính theo công thức:
δ2= P × Dt
3,8×[δ]× k × φh−P× Dt
2× h2+C, (m) (Theo sổ tay qtt2 trang 385) Trong đó: +Dt: đường kính trọng của thiết bị phản ứng, Dt = 900 mm = 0,9 m
+P: áp suất trong reactor, N/m2 +[δ]: ứng suất cho phép, N/m
+φh: hệ số bền của mối hàn, φh= 0,95
+C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, m, C=1,4 mm
+k: hệ số không thứ nguyên, k=1 Có: [Pδ]× k × φh= 136,67×106
3,3×105 ×1×0,95 = 393,44 >30 nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính chiều dày đáy trụ
- Thay số ta có chiều dày phần đáy trụ là δ2= P × Dt
3,8×[δ]× k × φh
× Dt 2× h2+C
¿ 3,3×105×900
3,8×136,67×106×1×0,95× 900
2×265+1,4=2,55mm Quy chuẩn chiều dày phần đáy là: δ2=4mm
+ Kiểm tra ứng suất thủy lực:
σ=¿¿
= 94,01 ×106 < σc
1,2=205×106
1,2 =170,83×106 Thỏa mãn điều kiện, vậy chọn chiều dày phần đáy là δ =4mm
Vỏ áo nồi phản ứng
Vỏ đun nóng và làm lạnh chế tạo bằng vật liệu Inox SUS 304, bằng cách hàn dọc thân
Hình 2.Vỏ áo nồi phản ứng
+ Chiều dày phần hình trụ của vỏ đun nóng
- Chiều dày phần hình trụ của vỏ đun nóng trong trường hợp chịu được áp suất trong được tính theo công thức:
δ3= P × Dt'
2×[δ]× φ−P+C ,(m) (Theo sổ tay qttb 2 trang 360)
Trong đó: +Dt
': đường kính trọng của thiết bị đến vỏ áo nồi, Dt '
= 1048 mm = 1,048 m
+P: áp suất trong reactor, N/m2 +[δ]: ứng suất cho phép, N/m
+φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc φ=0,95
+C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, m, C= 1,4 mm
- Có: [δP]× φ= 136,67×10
6
3,3×105 ×0,95=393,44> 50, nên có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính chiều dày phần hình trụ
Chọn khoảng cách từ thân thiết bị đến vỏ áo nồi là 70 mm
Khi dó, đường kính trong của thiết bị có vỏ áo là :
Dt'= Dt+2× δ1+2× d ¿900+2×4+2×70
= 1048 mm
của vỏ đun nóng.
Chiều dày phần hình trụ của vỏ đun nóng:
δ3= P × Dt'
2×[δ]× φ−P+C= P × Dt' 2×[δ]× φ+C
¿ 3,3×105×1,048
2×136,67×106×0,95+1,4×10−3 = 2,67 ×10-3 m = 2,67 mm Quy chuẩn chiều dày phần hình trụ của vỏ đun nóng δ3=4mm +Kiểm tra ứng suất thủy lực:
σ=[1048+(4−1,4)]×5,1×105
2×(4−1,4)×0,95 =108,46×106<170,83×106
Vậy chọn chiều dày phần hình trụ của vỏ đun nóng là δ3=4mm + Chiều dày đáy vỏ đun nóng
- Chiều dày đáy vỏ dun nóng được tính theo công thức:
δ4= P × Dt'
2,3×[δ]× φ+C , m ( Theo sổ tay qttb 2 trang 385) Trong đó: +Dt
': đường kính trọng của thiết bị đến vỏ áo nồi, Dt '
= 1048 mm = 1,048 m
+P: áp suất trong reactor, N/m2 +[δ]: ứng suất cho phép, N/m
+φ: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc φ=0,95
+C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, m,
C= 1,4 mm
Chiều dày đáy vỏ dun nóng:
δ4= P × Dt'
2,3×[δ]× φ+C=¿
3,3×105×1,048
2,3×136,67×106×0,95+1,4×10−3=2,67 m
Chọn chiều dày của đảy vỏ đun nóng là 4 mm để thuận tiện cho thiết kế thiết bị, vậy δ4 = 4 mm
Cánh khuấy và mô tơ khuấy cho thiết bị phản ứng
Nhựa PEKN có độ nhớt trung bình thấp nên ta chọn cánh khuấy dạng mái chèo không có tấm chắn. (khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng ρhh = 1388 kg/m3 ( nằm trong khoảng 800 – 1900 kg/m3)
Công suất trên trục khuấy của thiết bị phản ứng được tính theo công thức:
N'=k1×k2×( ∑k+1)× Nm
Trong đó: +Nm: công suất cần thiết để khuấy môi trường ở chế độ thiết lập trong thiết bị không có các cơ cấu hỗ trợ, W
+ k1: hệ số tính đến mức độ đầy của môi trường khuấy trong thiết bị
+ k2: hệ số tính đến tăng công suất yêu cầu khi bật máy hay do tăng trở lực của môi trường trong quá trình khuấy.
+∑k: tổng các hệ số tính đến tăng công suất gây ra khi có cơ cấu hỗ trợ trong thiết bị (chỉ tính cho môi trường khuấy với độ nhớt àc < 0,1 N.s/m2
Hệ số k1, được tính theo công thức:
k1=H1 Dt
Trong đó: +Dt: đường kính trong reactor, Dt = 900 mm
+H1: chiều cao của chất lỏng được khuấy trong thiết bị, mm
Có:H1 = (0,8 – 1,2).D = 864 mm Vậy : k1=H1
Dt=864
900=0,96
- Hệ số k2 đối với đa số các trường hợp có thể bằng 1, bởi vì thường sử dụng loại động cơ AO cho phép quá tải khoảng 30% trong thời gian 1 – 2 phút. Ngoài ra, việc tăng công suất yêu cầu lúc bật máy được bù trừ bởi công suất dự trù khi lựa chọn động cơ điện.
Trong một số trường hợp riêng biệt khi khuấy trong môi trưởng
với độ nhớt àc < 0,5 N.s/m2
, khi thay đổi trở lực của môi trường trong quá trình khuấy, hệ số k2 được chấp nhận đối với các cơ cấu khuấy nhiều mái chèo, mỏ neo, khung bản ... là k2 ≤ 2,5 Vậy chọn k2 = 2
-Giá trị của các hệ số k riêng biệt trong ∑k là:
+ Có 4 bản chắn dọc tưởng để khử xoáy: k = 1 + Có mái chèo bổ sung: k = 0,35
+ Ống dẫn nitơ: k = 0,2 + Ống cắm nhiệt kế: k = 0,1
+ Ống xoắn ruột gà đặt dọc tường reactor: k = 2
Như vậy: ∑k= 1 + 0,35 + 0,2 + 0,1 + 2 = 3,65
- Công suất cần thiết để khuấy môi trường ở chế độ thiết lập được tính theo công thức :
Nm=KN× ρhh× n3× d5m×W( Theo sổ tay qttb1 trang 622)
Trong đó: +KN: chuẩn số công suất
+ρhh: khối lượng riêng của hỗn hợp các chất tham gia phản ứng, kg/m3
+n: số vòng quay của cánh khuấy +dm: đường kính cánh khuấy
Ở đây, sử dụng cánh khuấy hình mái chèo , chọn đường kính cánh khuấy dm = 700mm
+ Theo Bảng IV.4 sổ tay qttb 1, ứng với đường kính cánh khuấy d
m = 700mm thì số vòng quay tương ứng là n = 1,5 vòng/giây - Chuẩn số Reynolds (Re) đối với cánh khuấy bất kỳ được
xác định theo công thức:
ℜ=ρhh× n × dm2 μc
Độ nhớt của hỗn hợp phản ứng (nhựa PEKN gốc) xác định được bằng thực nghiệm μc = 1,16 N.s/m2 khi nhiệt độ giảm xuống đến 110°C. Không được hạ thấp nhiệt độ trong reactor xuống hơn nữa vì sẽ làm quá tải động cơ điện.
ℜ=γhh× n × dm2
μc = 1388×1,5×0,72 1,16 =879
Hình 3.Biểu đồ để xác định chuẩn số công suất KN phụ thuộc vào chuẩn số Re và loại cảnh khuấy: 1- cánh khuấy mái chèo, 2- cánh khuấy mỏ neo, 3- cánh
khuất tuốc bin, 4- cánh khuấy chong chóng
Từ đồ thị Hình 2.5 [10], ứng với Re = 879 có KN = 0,4
- Công suất cần thiết để khuấy môi trường ở chế độ thiết lập là:
Nm=¿K
N× γhh× n3× d5=0,4×1388×1,53×0,75=315W¿
- Công suất trên trục khuấy N’ là:
N'=k1× k2×( ∑k+1)× Nm=0,965×2×(3,65+1)×315=2827W=2,8kW
Đã lắp ráp động cơ điện 7,5 kW, nên có hệ số dự trữ:72,,58=2,68
+Đường kính của trục cánh khuấy Chọn bản khuấy rộng h=70mm
Tốc độ quay n =1,5 vòng/giây
Đường kính của trục cánh khuấy được tính theo công thức:
d=√3 9M,81x
Trong đó: +Mx: momen xoắn, kg.m, Mx=3×106× N π × n
Với N: công suất máy khuấy (N= N’= 2,8 kW )
n: số vòng quay , n= 1,5 vòng/giây
Mx=3×106× N
π × n =3×106×2,8
π ×1,5 =1,78×106kg . m
d=√3 9M,81x =√3 1,789,×81106=56,65mm
Chọn d= 60 mm vật liệu Inox SUS 304
Chiều dày lớp bảo ôn
Bảo ôn có tác dụng làm giảm bớt sự truyền nhiệt ra bên ngoài từ thiết bị phản ứng. Do đó, nó có tác dụng làm giảm nhiệt mất mát ra ngoài và như vậy làm giảm lượng dầu khoảng cần thiết để nung nóng thiết bị.
Chọn lớp bảo ôn làm từ vật liệu bông thủy tinh
Hình 4.Biểu đồ nhiệt của quá trình truyền khối
-Trong đó:+ t1: nhiệt độ của đầu khoảng ( 220°C ) + t2: nhiệt độ của không khí
+ tT1: nhiệt độ thành thiết bị tiếp xúc với dầu khoáng + tT2: nhiệt độ lớp bảo ôn tiếp giáp với không khí + δt: chiều dày tấm vật liệu inox,δt = 4 mm
+δo : chiều dày lớp bảo ôn
+ λ: hệ số truyền nhiệt của inox SUS 304, λ = 16,3 W/m.độ= 14kcal/m.độ.h
+ λo: hệ số truyền nhiệt của bông thủy tinh, λo = 0,032 kcal/m.độ.h
Dùng dầu khoáng có nhiệt độ 220°C để đun nóng Giả thiết:
+ Nhiệt độ không khí: t2 = 25°C
+ Nhiệt độ bề mặt ngoài của lớp bảo ôn: tT2 = 40°C.
+ Nhiệt độ thành trong thiết bị: tT1 = t1= 220°C.
Coi quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt, ổn định. Nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành( q1 ) và nhiệt tại riêng về phía không khi ( q2) sẽ bằng nhau, hay:
q1=∆t1
R =α × ∆t2=q2(∗) Trong đó: ∆t1= tT1 - tT2= 220 – 40 = 180 (°C)
∆t2 = tT2 –t2= 40-25= 15 (°C)
R: nhiệt trở của thành thiết bị, m2.độ.h/kcal
α: hệ số cấp nhiệt từ vỏ bảo ôn ra ngoài, kcal/m2.độ.h Nhiệt trở của thành thiết bị:
R=δt λt+δo
λo, m2. độ . h/kcal
+Hệ số cấp nhiệt từ vỏ bảo ôn ra ngoài:
- Đối với bề mặt nằm ngang, truyền nhiệt xuống phía dưới đây (đáy thiết bị):
α1=1,31×√4 ∆t2=1,31×√415=2,58(kcal/m2. độ . h)