Расчет и проект стадии полимеризации в производстве суспензионного полистирола производительностью 7000 тонн в год

2943,4

38,26

ИПФ, не вошедшая в состав полимера, утечки через неплотности уплотнений реактора, трубопровода.

19,3

0,25

Малая навеска ПБ

3,1

0,04

Агломераты полимера на стенках реактора, мешалке, в т.ч.: твердые отходы от ручной чистки.

39,4

0,51

Раствор инициатора, из них:

- стирол для растворения и промывки;

- большая навеска ПБ;

- ТБПБ.

201,6

2,62

Отходы полимера при передавливании в отделение обезвоживания (слипшийся бисер

в поз. 127)

18,5

0,27

Раствор ПВС

219,3

2,76

ИПФ

450,1

5,85

ИТОГО

7701,1

100,0

ИТОГО

7701,1

100

7. Тепловые расчеты

В эмульсионной полимеризации стирола три стадии теплового баланса:

а) стадия нагрева;

б) стадия реакции;

в) стадия охлаждения.

7.1 Тепловой баланс стадии нагрева

Для стадии полимеризации полистирола тепловой баланс может быть представлен следующим образом:

(7.1)

Рассчитываем теплоту, поступающую в аппарат с теплоносителем:

(7.2)

а) - теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами

(7.3)

где - количество i-компонента загруженного в реактор, кг;

- температура загружаемых веществС.

кДж/(кг град);

кДж/(кг град).

Q₂=кДж.

б) - теплота, уносимая продуктами реакции

 (7.4)

где - количество j-компонента полученного в реакторе, кг;

- теплоемкость j-компонента, кДж/(кг град);

- температура, до которой ведется процесс, С.

кДж/(кг град); [3]

Q ₄ =Дж.

в) - теплота, расходуемая на нагрев реактора

(7.5)

где масса аппарата, кг;

С - теплоемкость материала аппарата, кДж/(кг град);

кг;

С=0,5 кДж/(кг град);

кДж.

г) - теплота, теряемая в окружающую среду.

Для этого определим толщину изоляции. Температура изолируемой стенки равна 100С, а температура изоляции не должна превышать 45С.

В качестве изоляции выбираем строительный войлок по ГОСТ 16381-77 [20, табл. 2.4, с. 22].

Коэффициент теплопроводности рассчитывается следующим образом:

, (7.6)

где Вт/м. с - коэффициент теплопередачи.

- средняя температура между температурой теплоносителя и поверхностью изоляции:

Вт/м

Толщина изоляции для цилиндрической поверхности с диаметром 1,5 м и более:

(7.7)

где толщина изоляции, м;

коэффициент теплопроводности, Вт/м;

температура теплоносителя, С;

температура поверхности изоляции, С;

температура окружающей среды, С.

м.

Принимаем толщину изоляции 10 мм.

Теплопотери через изоляцию составляют:

(7.8)

где наружный диаметр рубашки с изоляцией, м;

наружный диаметр рубашки без изоляции, м;

мм, мм.

Вт/м

Площадь, через которую проходит тепло:

, м (7.9)

где Н - высота обечайки аппарата, м;

V - вместимость аппарата, м;

F= 3.14*2*3.628*м

Из норм технологического режима ,

(7.10)

кДж

д) - теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции:

(7.11)

где - теплоемкость изоляции, кДж/(кг град);

- объемная масса изоляции, кг/м;

- объем изоляционного слоя, м.

=0,84 кДж/(кг град); [20]

=200 кг/м; [11]

F=23.87 м;

(7.12)

V=0.01*23.87=0.2387 м

кДж

Тогда

Q₁ = +387500+2185.54+195959-1092,5=1359287,74кДж

Тепловой поток стадии нагрева:

,

где ф₁ - время стадии нагрева.

Все расчеты сводим в таблицу:

Таблицу 7.1. Тепловой баланс стадии полимеризации

Приход	кДж	Расход	кДж
1. Теплота, поступающая в аппарат с теплоносителем	1359287,74	1. Теплота, уносимая продуктами реакции
2. Теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами	1092,5	2. Теплота, расходуемая на нагрев реактора	387500
		3. Теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции	2185.54
		4. Теплота, теряемая в окружающую среду	195959
Итого	1360380,24	Итого	1360380,24

7.2 Тепловой баланс реакции

Тепловой баланс может быть представлен следующим образом:

(7.1)

Рассчитываем теплоту, поступающую в аппарат с теплоносителем:

Q₃ (7.2)

а) - теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами

(7.3)

где - количество i-компонента загруженного в реактор, кг;

- теплоемкость i-компонента, кДж/(кг град);

- температура окружающей среды, С.

кДж/(кг град);

кДж/(кг град).

Q₂=кДж.

б) - теплота, уносимая продуктами реакции

(7.4)

где - количество j-компонента полученного в реакторе, кг;

- теплоемкость j-компонента, кДж/(кг град);

- температура, до которой ведется процесс, С.

кДж/(кг град); [3]

Q ₄ =Дж.

в) - теплота химической реакции, расчет ведем на основании закона Гесса:

(7.5)

кДж/моль;

кДж/моль;

кДж/моль.

г) - теплота, расходуемая на нагрев реактора

(7.6)

где масса аппарата, кг;

С - теплоемкость материала аппарата, кДж/(кг град);

кг;

С=0,5 кДж/(кг град);

кДж.

д) - теплота, теряемая в окружающую среду.

Для этого определим толщину изоляции. Температура изолируемой стенки равна 100С, а температура изоляции не должна превышать 45С.

В качестве изоляции выбираем строительный войлок по ГОСТ 16381-77 [20, табл. 2.4, с. 22].

Коэффициент теплопроводности рассчитывается следующим образом:

, (7.7)

где Вт/м. с - коэффициент теплопередачи.

- средняя температура между температурой теплоносителя и поверхностью изоляции:

Вт/м

Толщина изоляции для цилиндрической поверхности с диаметром 1,5 м и более:

(7.8)

где толщина изоляции, м;

коэффициент теплопроводности, Вт/м;

температура теплоносителя, С;

температура поверхности изоляции, С;

температура окружающей среды, С.

м.

Принимаем толщину изоляции 10 мм.

Теплопотери через изоляцию составляют:

(7.9)

где наружный диаметр рубашки с изоляцией, м;

наружный диаметр рубашки без изоляции, м;

мм, мм.

Вт/м

Площадь, через которую проходит тепло:

, м (7.10)

де Н - высота обечайки аппарата, м;

V - вместимость аппарата, м;

F= 3.14*2*3.628*м

Из норм технологического режима ,

(7.10)

кДж

е) - теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции:

(7.11)

где - теплоемкость изоляции, кДж/(кг град);

- объемная масса изоляции, кг/м;

- объем изоляционного слоя, м.

=0,84 кДж/(кг град); [7]

=200 кг/м; [11]

F=23.87 м;

(7.12)

V=0.01*23.87=0.2387 м

кДж

Тогда

Q₁ = 1017238+543750+2185.54+587878-1092,5-305960=1543999,04 кДж

Тепловой поток стадии синтеза:

=142,96кВт

Все расчеты сводим в таблицу:

Таблицу 7.2. Тепловой баланс стадии полимеризации

Приход	кДж	Расход	кДж
1. Теплота, поступающая в аппарат с теплоносителем	1543999,04	1. Теплота, уносимая продуктами реакции
2. Теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами	1092,5	2. Теплота, расходуемая на нагрев реактора	543750
3. Теплота химической реакции	305 960	3. Теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции	2185.54
		4. Теплота, теряемая в окружающую среду	587878
Итого	2151051,54	Итого	2151051,54

7.3 Тепловой баланс стадии охлаждения

Для стадии полимеризации полистирола тепловой баланс может быть представлен следующим образом:

 (7.1)

Рассчитываем теплоту, поступающую в аппарат с теплоносителем:

(7.2)

а) - теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами

(7.3)

где - количество i-компонента загруженного в реактор, кг;

- теплоемкость i-компонента, кДж/(кг град);

- температура окружающей среды, С.

кДж/(кг град);

кДж/(кг град).

Q₂=кДж.

б) - теплота, уносимая продуктами реакции

(7.4)

где - количество j-компонента полученного в реакторе, кг;

- теплоемкость j-компонента, кДж/(кг град);

- температура, до которой ведется процесс, С.

кДж/(кг град); [3]

Q ₄ =Дж.

в) - теплота, расходуемая на нагрев реактора

 (7.5)

где масса аппарата, кг;

С - теплоемкость материала аппарата, кДж/(кг град);

кг;

С=0,5 кДж/(кг град);

кДж.

г) - теплота, теряемая в окружающую среду.

Для этого определим толщину изоляции. Температура изолируемой стенки равна 100С, а температура изоляции не должна превышать 45С.

В качестве изоляции выбираем строительный войлок по ГОСТ 16381-77 [20, табл. 2.4, с. 22].

Коэффициент теплопроводности рассчитывается следующим образом:

, (7.6)

где Вт/м. с - коэффициент теплопередачи.

- средняя температура между температурой теплоносителя и поверхностью изоляции:

Вт/м

Толщина изоляции для цилиндрической поверхности с диаметром 1,5 м и более:

 (7.7)

где толщина изоляции, м;

коэффициент теплопроводности, Вт/м;

температура теплоносителя, С;

температура поверхности изоляции, С;

температура окружающей среды, С.

м.

Принимаем толщину изоляции 10 мм.

Теплопотери через изоляцию составляют:

(7.8)

где наружный диаметр рубашки с изоляцией, м;

наружный диаметр рубашки без изоляции, м;

мм, мм.

Вт/м

Площадь, через которую проходит тепло:

, м (7.9)

где Н - высота обечайки аппарата, м;

V - вместимость аппарата, м;

F= 3.14*2*3.628*м

Из норм технологического режима ,

(7.10)

кДж

д) - теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции:

(7.11)

где - теплоемкость изоляции, кДж/(кг град);

- объемная масса изоляции, кг/м;

- объем изоляционного слоя, м.

=0,84 кДж/(кг град); [20]

=200 кг/м; [11]

F=23.87 м;

(7.12)

V=0.01*23.87=0.2387 м

кДж

Тогда

Q₁ = 581279+262500+2185.54+685857,66-1092,5=1530729,7кДж

Тепловой поток стадии охлаждения:

=121,5 кВт

Все расчеты сводим в таблицу:

Таблицу 7.3. Тепловой баланс стадии полимеризации

Приход	кДж	Расход	кДж
1. Теплота, поступающая в аппарат с теплоносителем	1530729,7	1. Теплота, уносимая продуктами реакции	581279
2. Теплота, поступающая в аппарат с загруженными веществами	1092,5	2. Теплота, расходуемая на нагрев реактора	262500
		3. Теплота, расходуемая на нагрев теплоизоляции	2185.54
		4. Теплота, теряемая в окружающую среду	685857,66
Итого	15321822,2	Итого	15321822,2

Так как q₁ больше чем q₂ и q₃, то дальнейший расчет ведем для температуры 80 С

7.4 Расчет поверхности теплообмена реактора

Поверхность теплообмена рассчитывается по уравнению:

(7.14)

где - тепловой поток, Вт/м;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м;

время данной стадии, с;

средняя разность температур:

= 377,6 кВт (7.15)

Находим коэффициент теплопроводности :

(7.16)

где - коэффициенты теплопередачи, Вт/м.

При перемешивании жидкостей мешалками рассчитывается:

(7.17)

(7.18)

(7.19)

(7.20)

где диаметр сосуда, м;

частота вращения мешалки, с;

диаметр окружности мешалки, м;

- динамический коэффициент вязкости жидкости при температуре стенки рубашки;

- динамический коэффициент вязкости жидкости при средней температуре;

- сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, Вт/м.

Рассчитываем :

Где

=1,04 мн/м,

2 с,

1,2 м,

=0,549[12, табл.XXXIX]

где внутренний диаметр аппарата;

где кДж/(кг град);

Вт/м[12, табл. XXXIX]

где =0,56

где Вт/м- коэффициент теплопроводности стирола

[21, табл. XXXIX]

Для кипящей воды рассчитывается:

 (7.21)

где - давление, .

По табл. XXXIX [13] для воды при 100С

(7.22)

(3.4*1.03^0.18/1-0.0045*1.03)*15,8^2/3=21,6

(7.23)

где - толщина стенки, м;

- теплопроводность стенки, Вт/м;

=0,012 м; =46,5 Вт/м.

Тогда поверхность теплообмена будет равна:

F=м

F _апп =23,87 м, > , условие выполняется.

8. Механические расчеты

8.1 Расчет мешалки

Для перемешивания жидкости с динамическим коэффициентом вязкости =0,549[21, табл.XXXIX] выбираем импеллерную мешалку 18, табл. 28.1.

Расчетная мощность на валу определяется:

(8.1)

где - коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата, ;

- коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности при пуске или в результате повышения сопротивления среды в процессе перемешивания. Для импеллярных мешалок 9, с. 341

- сумма коэффициентов, учитывающих увеличение мощности, вызываемое наличием в аппарате вспомогательных устройств (учитывается только для перемешиваемых сред вязкостью 0,1 ).

мощность, потребляемая на перемешивание, Вт

(8.2)

критерий мощности; плотность перемешиваемой среды, 21, табл.XXXIX];

число оборотов мешалки;

- диаметр мешалки, принимаем 9, табл. 28.1

Рассчитаем оптимальное число оборотов мешалки:

(8.3)

где - оптимальная окружная скорость мешалки. Принимаем для импеллярной мешалки 18, табл. 28.2

, что соответствует 180 .

Для расчета коэффициента мощности необходимо рассчитать критерий :

(8.4)

определяем в зависимости от 9, кривая 1 по графику 28.1, .

Мощность, потребляемая на перемешивание:

Расчетная мощность на валу:

Выбираем тип редуктора ВО - II 180 - 1500 9, табл. 29.2.

Рис. 8.1 Эскиз импеллерной мешалки

8.2 Расчет штуцеров

Штуцера рассчитывают на пропускную способность. Рассчитывают диаметр штуцера по формуле:

, м (8.5)

где - массовый расход, кг/с;

- плотность, кг/м;

- линейная скорость, м/с.

принимается из условий потока жидкостей:

а) самотеком - для низковязких жидкостей = до 1 м/с, для высоковязких жидкостей = 0,4-0,5 м/с.

б) принудительная подача - для низковязких жидкостей = до 10 м/с, для высоковязких жидкостей = 4-5 м/с.

Рассчитываем штуцер для входа стирола:

Из материального баланса 6867,9 кг, из табл. 5.1 1,5 ч, 906 кг/м.

Стирол подается самотеком, значит =0,5 м/с.

d=м

По [18] принимаем условный диаметр м, остальные штуцера рассчитываем аналогично. Основные размеры фланцев приняты [18, табл. 20.9] в зависимости от принятого условного диаметра.

Табл. 8.1. Назначение штуцеров

Обозн.	Назначение	Кол.
А	Для жидкостной гребенки	1	10	16
Б	Для газовой гребенки	1	50	16
В	Люк для сыпучих и отбора проб	1	200	16
Г1,2	Отбойники отражатели с термометром сопротивления	2	125/М20х1,5	16
Д	Для разрывной мембраны и предохранительного клапана	1	80	16
Е1,2	Вход/выход воздуха в пневмоцилиндре	2	G1	6
Ж	Люк	1	500	16
З1,2	Для отбора давления	2	50	16
И	Выгрузка продукта	1	150	16
К1,2	Вход теплоносителя	2	100	16
Л1,2	Вход теплоносителя	2	65	16
М1,2	Вход теплоносителя	2	65	16
Н1,2	Вход теплоносителя	2	65	16
П	Для входа запирающей жидкости	1	10	-
Р	Для выхода запирающей жидкости	1	10	-
С	Для входа охлаждающей жидкости	1	8	-
Т	Для выхода охлаждающей жидкости	1	8	-
У	Для выхода жидкости из уплотнителя	1	6	-
Ф	Для отвода утечек	1	6	-

8.3 Расчет толщины обечайки

Рис. 8.2 Эскиз обечайки реактора

Расчетная толщина стенки обечайки:

(8.6)

где - расчетное давление в реакторе, МПа [14, табл. 14.1];

диаметр реактора, мм;

коэффициент прочности продольного сварного шва;

[18, табл. 15.3];

допускаемое напряжение для стали Х18Н10Т, МПа;

мм

Исполнительная толщина стенки обечайки:

(8.7)

где =1 мм - прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

=0 - прибавка для компенсации минусного допуска

=0 - технологическая прибавка

(8.8)

мм

Тогда мм

Принимаем толщину стенки обечайки 12 мм.

8.4 Расчет толщины днищ реактора

Рис. 8.3 Эскиз эллиптического днища

Расчетная толщина днища определяется по формуле [15]:

(8.9)

где радиус кривизны в вершине днища, мм;

- расчетное давление в реакторе, МПа [14, табл. 14.1];

- коэффициент, учитывающий прочность сварных швов, =1 [14, табл. 13.3];

допускаемое напряжение материала, 174 МПа.

мм

Исполнительная толщина стенки днища:

где =1 мм - прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

=0 - прибавка для компенсации минусного допуска

=0 - технологическая прибавка

мм

Тогда мм

Принимаем толщину стенки днища 12 мм.

8.4 Расчет опор

Расчетная толщина ребра определяется по формуле:

(8.10)

где нагрузка на опору, Н;

- коэффициент, зависящий от 1/;

- число ребер в опоре;

- вылет опоры, м;

- дополнительное напряжение.

Величины и принимаем по конструктивным соображениям, принимаем =2; =0,25 м; коэффициент =0,6, число опор=4 [13, с. 330], =120 МН/м для стали.

Нагрузка на 1 опору равна 0,241 МН.

Тогда м

Если , то расчетная величина принимается окончательной.

В случае приварки сварных швов к корпусу прочность сварных швов должна отвечать условию:

, Н (8.11)

где катет сварного шва, м;

общая длина сварных швов, м;

мм.

Ребра, приваренные к корпусу сплошным швом с катетом 8 мм.

Общая длина шва:

 (8.12)

м

Устанавливаем аппарат на приварных лапах.

8.5 Расчет и подбор вспомогательного оборудования

Перед процессом полимеризации нужно приготовить раствор инициаторов. Он готовится заранее в емкостном аппарате с якорной мешалкой.

Используя номинальный ряд сварных вертикальных и горизонтальных цилиндрических аппаратов с двумя эллиптическими отбортованными днищами по ГОСТ 993-61, выбираем аппарат вместимостью 0,25 м, с внутренним диаметром равным 500 мм и высотой 500 мм [14].

Рассчитаем число аппаратов:

,

где - операционный объем, м;

z - запас производительности;

-коэффициент заполнения;

-вместимость аппарата, 0,25 м.

z принимаем равной 0,15; принимаем равным 0,80.

Предварительно необходимо найти операционный объем, используя данные о плотности [9].

V_{. оп.}= G_ст./p=м³

n=

Принимаем к установке 9 аппарат для приготовления инициатора.

V_{. оп.}= G_в./p=м³

n=

Принимаем к установке 9 аппарат для приготовления раствора ПВС.

Литература

полимеризация суспензионный полистирол

1. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения. - М.: Высшая школа, 1981.-656с

2. Беккер Г. Органикум. В 2 т. Т. 2. Органикум ? Гельмут Беккер. - М.: Мир, 1992. - 474 с

3. Полистирол. Физико-химические основы получения и переработки. - М.:Химия, 1975.-288с

4. Березин И.В., Клесов А.А. - Успехи химии, 1976-300 с., 45, вып. 2,180

5. Кучанов С.И., Методы кинетических расчетов в химии полимеров. - М.-Л.:Химия, 1978-350, гл. 4.

6. Пат. 2375387 МПК⁸ С08F10/02 Способ получения способного вспениваться полистирола/ ДИТЦЕН Франц-Йозеф (DE), ЭРМАНН Герд (DE), ШМИД Бернхард (DE), ЛАУН Мартин (DE), ХАН Клаус (DE), РУХ Иоахим (DE), АЛЬМЕНДИНГЕР Маркус (DE), ДАТКО Аким (DE), ХОЛОХ Ян (DE); заявитель и потентообладатель БАСФ Акциенгезелльшафт (DE); заяв. 06.06.2003; опубл. 10.12.2009 (http://www.freepatent.ru)

7. Пат. 2466018 МПК⁸ С08F10/02. Способ сухого вспенивания полистирола/ Мучулаев Юрий Анатольевич (RU); заявитель и потентообладатель Мучулаев Юрий Анатольевич (RU); заяв. 12.01.2011; опубл. 10.11.2012

(http://www.freepatent.ru)

8. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения. - М.: Высшая школа, 1981.-656с Пат.2293089 МП^К8 С08F10/02 Способы получения вспенивающегося полистирола/ Амосов Виктор Васильевич (RU); Мехед Игорь Анатольевич (RU); заявитель и потентообладатель Акционерное общество «Ангарский завод полимеров» (RU); заяв. 09.08.2005; опубл. 10.02.2007 (http://www.freepatent.ru)

9. Пат. 2092496 Российская Федерация, МКП⁷ С 08 F 6/14, C 08 F 2/24. Синтез латексных систем/ Чечик О.С; заявитель и патентообразователь Акционерное общество открытого типа «Первый синтетический каучук» - №95109293/04; заявл. 05.06.1999; опубл. 10.10.2001 (http://ru-patent.info20/90-94/2092496.html).

10. Лазарев М.А. Некоторые аспекты эмульсионной и блочной полимеризации стирола в присутствии нитроксильных радикалов и их источников: дис. канд. хим. наук: 02.00.06: защищена 08.02.08: утв. 20.07.08 ? Лазарев Михаил Алексеевич. - СПб., 2008. - 143 с.

11. Скуркис Ю.О. Формирование поверхностной структуры монодисперсных микросфер на основе полистирола и сополимеров стирола с акролеином: дис. канд. хим. наук: 02.00.06: защищена 02.06.05: утв. 25.11.05 ? Скуркис Юлия Олеговна. - СПб., 2005. - 149 с

12. Технологический регламент производства вспенивающегося полистирола цеха №02; сост.: ведущий инженер-технолог ПТО С.А. Лисицина. Новомосковск, 2002. - 190 с.

13. Хижняков С.В. Практические расчеты тепловой изоляции. - М.:Энергия, 1976.200с

14. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. - М.:Машгиз, 1981.-757с

15. Кузнецова Я.В. Методы проведения полимеризации ? Я.В. Кузнецова ?? Факультет Переработки природных соединений. 2011 (http://coolreferat.com

16. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия, 1985-352 с.

17. Рабинович П.М. Применение полимеров в медицине. - М.:Медицина, 1972

18. Платэ Н.А., Литманович А.Д., Ноа О.В. Макромолекулярные реакции.-М.-Л.:Химия, 1977.

19. Кучанов С.И., Методы кинетических расчетов в химии полимеров. - М.-Л.:Химия, 1978, гл. 4.

20. Родионова Р.В., Лебедева Г.Ф. Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 25.01.-Новомосковск, 1990.-60 с.

21. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.:Химия, 1981.-560 с.

22. Гутник С.П., Сосонко В.Е., Гутман В.Д. Расчеты по технологии органического синтеза. - М.:Химия, 1988.-272с

Размещено на Allbest.ru