Производство лака ПФ 060

Для написания уравнения реакции необходимо знать мольное соотношение компонентов. Его можно определить исходя из заводской рецептуры: масло растительное – 60 процентов, пентаэритрит – 14.6 процента, фталевый ангидрид – 25.4 процента. Предположим,  что требуется получить 1000 кг  основы лака, тогда нужно загрузить 600 кг растительного масла, 146 кг пентаэритрита и 254 кг фталевого ангидрида (не учитываем реакционные потери).

На основе этих данных рассчитаем мольное соотношение компонентов.

 

nпм:nпэ:nфа= : : ,

 

где nпм, nпэ, nфа – количество моль подсолнечного масла, пентаэритрита и фталевого ангидрида соответственно;

mпм, mпэ, mфа – масса подсолнечного масла, пентаэритрита и фталевого ангидрида соответственно;

MMпм, MMпэ, MMфа – молекулярная масса подсолнечного масла, пентаэритрита и фталевого ангидрида соответственно.

 

nпм:nпэ:nфа : : 2:3:5

 

При таком мольном соотношении пентаэритрита и подсолнечного масла переэтерефикат помимо моно- и диглицеридов будет содержать свободный полиатомный спирт (пентаэритрит) и триглицерид. Это объясняется также равновесным характером реакции поликонденсации.

Вследствии этого в реакции поликонденсации помимо моно- и диглицеридов всегда принимают участие и другие компоненты, что значительно усложняет структуру образующегося алкидного олигомера. [1, стр. 146-154].

Молекулярная масса олигомера определяется исходя из кислотного числа, при котором заканчивают синтез.

 

MM ,

 

где MM – молекулярная масса алкидного олигомера, г/моль;

f – функциональность карбоновой кислоты ( количество карбоксильных групп, приходящихся на одну молекулу олигомера);

MMКОН – молекулярная масса гидроксида натрия;

КЧ – кислотное число реакционной массы, при котором заканчивают синтез, мг КОН/г.

 

ММ 2805 г/моль

 

Степень поликонденсации рассчитывается по формуле:

 

n ,

 

где n – степень поликонденсации;

ММолиг – молекулярная масса алкидного олигомера;

ММконц. зв – молекулярная масса концевых звеньев;

ММзвена – молекулярная масса звена.

 

n 0.988

 

Для получения одной тонны лака ПФ-060 нужно получить 556.7 кг основы. Массу каждого из компонентов, необходимых для получения 556.7 кг основы лака рассчитаем по формуле:

 

mi ,

 

где mi – масса i-го компонента;

mолиг – масса олигомера, необходимая для получения одной тонны лака;

n – степень поликонденсации;

ММi – молекулярная масса i-го компонента;

ММолиг - молекулярная масса олигомера.

 

1) Масса подсолнечного масла.

 

mпм 345,89 кг

 

2) Масса пентаэритрита.

 

mпэ кг

 

3) Масса фталевого ангидрида.

 

mфа= =145,10 кг

 

4) Масса реакционной  воды (теоретическая, без учета степени  завершения реакции).

 

mводы= =17,64 кг

 

3.2 Выбор способа производства

 

Существует три способа организации производства алкидов: периодический, непрерывный и полунепрерывный. [2, 3]

При непрерывном способе производства технологическая схема состоит из аппаратов непрерывного действия. Целесообразно использовать этот способ для создания многотоннажных серийных производств при малом ассортименте.

Особенности технологии получения алкидов по непрерывной схеме:

1) Все три реакции (переэтерефикация, этерефикацмя и  поликонденсация) проводятся в разных  аппаратах, в разное время.

2) Все аппараты  непрерывного действия: переэтерефикация  осуществляется в многосекционной  колонне непрерывного действия с переливными трубками; этерефикация осуществляется в проточном реакторе; поликонденсация осуществляется в роторно-дисковой колонне непрерывного действия.

Достоинства способа:

1) Высокая производительность.

2) Комплексная  автоматизация и механизация производства.

3) Более высокое  качество продукции по сравнению  с другими способами производства. Продукт легко воспроизводим  за счет того, что технологические  параметры процесса более стабильны.

4) Меньшие потери  сырья, полупродуктов, готовой продукции по сравнению с другими способами производства.

5) Высокая культура  производства и хорошие санитарно-гигиенические  условия труда.

Недостатки способа:

1) Достаточно  дорогое оборудование и высокая  стоимость автоматизации процесса.

2) Требуется высоко квалифицированный персонал.

3) Сложность переналадки  на выпуск другой, даже родственной  продукции.

Сложность переналадки делает этот способ практически нереализуемым для производства алкидов, так как в настоящее время производится около 100 видов алкидных материалов, отличающихся своими свойствами, областью применения и следовательно технологией получения. Такое разнообразие обусловлено наличием обширной и разнообразной сырьевой базы, позволяющей широко варьировать свойства алкидов.

При полунепрерывном (комбинированном) способе производства часть операция осуществляется непрерывно, а другая часть операция проводится периодически.

Особенности технологии получения алкидов по полунепрерывной схеме:

1) Все три реакции (переэтерефикация, этерефикацмя и  поликонденсация) проводятся в разных аппаратах, в разное время.

2) Переэтерефикация  осуществляется в каскаде из  двух реакторов, работающих непрерывно.

3) Этерефикация  осуществляется в проточном реакторе  непрерывного действия, куда непрерывно  подается переэтерефикат и расплав ангидрида (чаще всего фталевого).

4)Поликонденсация  проводится в реакторе периодического  действия (Необходима установка  двух реакторов на один проточный).

5) Для бесперебойной  работы аппаратуры по полунепрерывной  схеме необходима установка дополнительной емкости-хранилища для кислого переэтерефиката между непрервной и периодической частями схемы.

В настоящее время алкиды получают в основном по периодическим, реже – по полунепрерывным схемам. Непрерывные схемы в промышленности пока не реализованы.

При периодическом способе производства сырье при превращении в конечный продукт последовательно проходит через несколько аппаратов периодического действия.

Данный способ применяется для малотоннажных многоассортиментных производств, а также для единичного и мелкосерийного производства.

Особенности получения алкидов по периодической схеме: синтез проводится в одну или две стадии в одном реакторе периодического действия.

Достоинства способа:

1) Относительно  невысокая стоимость оборудования.

2) Оборудование, как правило, простое и не сложное в обслуживании.

3) Легкость переналадки  на выпуск другой родственной  продукции, что имеет большое  значение в производстве алкидов.

Недостатки способа:

1) Более низкое  качество и воспроизводимость  партий продукции по сравнению с непрерывным способом.

2) Более высокая  себестоимость готовой продукции.

3) Высокая доля  вспомогательного оборудования.

4) Низкая культура  производства.

 

Выбор способа удаления реакционной воды.[2]

При получении алкидов выделяется вода, как за счет протекания реакции, так и за счет того что она может содержаться в исходном сырье, например, в растительных маслах.

Для удаления реакционной воды существует два способа: блочный и азеотропный.

Азеотропный способ удаления реакционной воды имеет ряд преимуществ по сравнению с блочным:

1) Азеотропный  способ более эффективен.

2) При блочном  способе образуется очень много  газовых выбросов (приблизительно  в 15-20 раз больше, чем при азеотропном  способе).

3) При использовании  азеотропного способа образуется  меньшее количество сточных вод.

4) Блочный способ  увеличивает цену алкида, усложняет  технологию.

5) Азеотропный  способ позволяет получить более  качественный алкид, более светлый.

6) При азеотропном  способе синтеза возможно ускорение  процессов этерефикации и поликонденсации и замедление процессов полимеризации по двойным связям жирнокислотных остатков. При блочном способе возрастает относительная доля реакции полимеризации по двойным связям.

Для производства алкидного полуфабрикатного лака ПФ-060 применим в данном проекте периодическую схему. Для удаления реакционной воды будем использовать азеотропный способ.

Технологический способ осуществления реакции – поликонденсация в расплаве. Синтез основы лака осуществляется в две стадии в одном и том же реакторе: первая реакция – алкоголиз (переэтерефикация) растительного масла, вторая – этерефикация и поликонденсация.

 

3.3 Выбор оборудования [3]

 

Для синтеза пленкообразующих веществ наиболее часто используются реакторы полного смешения периодического или непрерывного действия. Конструкционным материалом реактора обычно является нержавеющая сталь, но для ее экономии корпус изготавливается из двухслойной стали – слой обычной стали плакирован слоем нержавеющей стали.

В соответствии с выбранной схемой производства применим периодический реактор полного смешения. Он представляет собой емкостной вертикальный аппарат с перемешивающим устройством. К периодически действующим реакторам смешения, применяемым для синтеза пленкообразующих веществ, в частности алкидов, предъявляется ряд требований:

1) Возможность  секционного обогрева корпуса  реактора (учитывая ступенчатую  загрузку исходного сырья) и достижения  температуры реакционной смеси 260-280оС.

2) Наличие охлаждающих  устройств.

3) Достаточно  хорошее перемешивание реакционной  массы при условии максимальной интенсивности процесса теплообмена.

4) Возможность  проведения смолы под вакуумом.

5) Наличие смотрового  люка и светового фонаря для  наблюдения за состоянием реакционной  смеси в процессе и осмотра  внутренних частей реактора.

6) Стойкость материала реактора к реакционной смеси и продуктам ее термического разложения.

Цилиндрические вертикальные реакторы полного смешения различаются по конструкции корпуса, виду погружного теплообменного устройства и типу мешалки.

Для охлаждения реакционной используется погружной однорядный змеевик, изготовленный из нержавеющей стали.

На выбор оптимального типа мешалки влияет вязкость реакционной массы и наличие внутри реактора теплообменных устройств. От типа мешалки зависит производительность реактора, качество продукции (исключение перегрева, снижение степени полидисперсности полимеров и олигомеров) и устранение аварийных случаев, вызванных трудностью отвода или подвода тепла. Так как для охлаждения реакционной массы используется внутренний змеевик, то целесообразно применить якорную мешалку.

В соответствии с выбранным способом удаления реакционной воды реактор снабжается оснасткой для азеотропного обезвоживания – теплообменник «труба в трубе», кожухотрубчатый конденсатор и разделительный сосуд.

Теплообменник «труба в трубе» необходим для того, чтобы пары воды и органических растворителей пролетали в виде паров и не конденсировались до того как попадут в кожухотрубчатый конденсатор.

Разделительный сосуд – аппарат со смотровым стеклом для расслоения  азеотропного дистиллята: верхний слой (растворитель) непрерывно возвращается в реактор, нижний (вода) – непрерывно сливается в емкость.

Конструкцию корпуса варьируют в зависимости от способа обогрева. В данном проекте будет применен электроиндукционный обогрев, поэтому не требуется рубашка реактора.

Индукционный электрообогрев основан на использовании теплового эффекта вихревых токов, возникающих в толще стальной стенки реактора под действием переменного электрического поля. Реактор с индукционным электрообогревом является своеобразным трансформатором. Вокруг реактора расположены индукционные катушки, представляющие собой как бы первичные обмотки трансформатора, по которым проходит переменный электрический ток. Электрическая энергия передается индукцией вторичной обмотке, роль которой выполняет короткозамкнутый виток – стенка реактора. Вихревые токи в стенке реактора приводят к превращению электрической энергии в тепловую. Таким образом, при индукционном электрообогреве теплота образуется непосредственно в стенке реактора.

Наиболее часто в реакторах для синтеза пленкообразующих веществ устанавливают три катушки. При трех катушках и трехфазном токе наиболее просто осуществляется автоматическое регулирование обогрева реактора. В начале нагревания реакционной массы реакционной массы индукционные катушки соединяются в «треугольник» и подводится максимальное количество электроэнергии. Когда температура реакционной массы приблизится к заданной и будет ниже ее на 2-3оС, происходит автоматическое переключение катушек с «треугольника» на «звезду». Это переключение почти в три раза снижает количество подводимой электроэнергии и тем самым уменьшает опасность перегрева реакционной массы. Дальнейшее регулирование проводится автоматическим выключением и включением катушек.