Производство лака ПФ 060

 

1) Выход основы лака ПФ-060 составит:

 

Gосн=Gзагр-Gводы-Gпотерь,

 

где Gосн – выход основы лака, кг;

Gзагр – масса загружаемых компонентов, кг;

Gводы – масса реакционной воды, кг;

Gпотерь – масса потерь на стадии синтеза, кг.

 

Gводы=mводы практ.×Кпер=15,87×8,341=132,4 кг

 

Gпотерь=mкомп×Кпер=19.33×8.341=161.2 кг

 

Gосн=4937.2 -132.4-161.2=4643.6 кг

 

2) При азеотропном методе синтеза  основы в реактор добавляется 2-3 процента ксилола от общей  загрузки компонентов. Это количество учитывается при растворении основы.

 

Gксилола=4937.2×0.02=98.7 кг

 

3) Полученную основу лака растворяют  в смесителе. В смеситель предварительно  загружаются ксилол и уайт-спирит  в количестве:

 

Gксилола=Gрасх. ксилола×Кпер-98.7=182.44×8.341-98.7=1423.1 кг

 

Gуайт-спирита= Gрасх. уайт-спирита×Кпер=273.66×8.341=2282.7 кг

 

Общая загрузка в смеситель составит:

 

G=Gосн +Gксилола+ Gуайт-спирита=4643.6+1423,1+98,7+2282,7=8448,1 кг

 

Объем смесителя рассчитывается исходя из массы загружаемых компонентов, плотности смеси в смесителе и коэффициента заполнения по формуле:

,

 

где G – масса загружаемых компонентов в смеситель, кг;

ρ – плотность смеси компонентов в смесителе, кг/м3;

φ=0.7 – коэффициент заполнения смесителя.

Плотность смеси компонентов в смесителе можно рассчитать по формуле:

 

= 898,5 кг/м3

 

м3

 

Принимаем стандартный вертикальный смеситель объемом 16 м3.

Выход готового лака за один цикл с учетом потерь при растворении, фильтровании и сливе составит:

 

Gлак=G-Кпер×Gпот,

 

где G – масса загружаемых компонентов в смеситель, кг;

Gпот – масса потерь на стадиях растворения, фильтрования и слива при синтезе одной тонны лака, кг.

 

Gлак=8448,1-8,341×(2,3+8,0+2,5)=8326,5 кг

 

Расходные нормы сырья на один цикл приведены в таблице 21.

Таблица 21 – Расходные нормы сырья на один цикл

Компоненты	Расход,кг
1	2
Масло растительное	2960,8
Пентаэритрит	720,4
Фталевый ангидрид	1253,4
Сода кальцинированная	2,5
Уайт-спирит	2282.7
Ксилол	98.7 – на стадии синтеза основы
	1423.1 – при растворении основы
Итого	8741,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Инженерные расчеты

 

6.1 Температурный график синтеза  основы лака

 

 

Описание основных операций синтеза основы лака:

1) Операция 0-1 – загрузка растительного  масла при температуре 80 оС. Длительность 2.5 часа.

2) Операция 1-2 – нагрев растительного  масла до температуры 150 оС. Длительность 3.0 часа.

3) Операция 2-3 – загрузка пентаэритрита и кальцинированной соды. Длительность 2.0 часа.

4) Операция 3-4 – нагрев реакционной  массы до температуры 250 оС. Длительность 3.5 часа.

5) Операция 4-5 – переэтерефикация  растительного масла в течение 3.0 часов при температуре 250 оС.

6) Операция 5-6 – охлаждение реакционной  массы до 180 оС в течение 1.5 часов.

7) Операция 6-7 – Загрузка фталевого  ангидрида и раствора жидкости  ПМС-200А. Длительность 2.0 часа.

8) Операция 7-8 – охлаждение реакционной  массы до температуры 160 оС в течение 0.5 часа.

9) Операция 8-9 – загрузка ксилола  в реактор. Длительность 0.5 часа.

10) Операция 9-10 – нагрев реакционной  массы до температуры 250 оС в течение 3.5 часов.

11) Операция 10-11 – поликонденсация.

12) Операция 11-12 – охлаждение основы  до температуры 180 оС в течение 1.5 часов.

13) Операция 12-13 – выгрузка основы  лака в смеситель. Длительность 1.0 час.

 

6.2 Расчет теплового баланса  реактора [4]

 

Таблица 22 – Свойства используемых компонентов [5]

Компоненты	Масса на один синтез, кг	Температура загрузки, оС	Теплоемкость,	Теплота испарения, кДж/кг
1	2	3	4	5
Масло растительное	2960,8	80	1,865	
Пентаэритрит	720,4	15	2,757	
Фталевый ангидрид	1253,4	15	1,077	365
Сода кальцинированная	2,5	15	0,708	
Уайт-спирит	2282.7	15		350
Ксилол	1521,8	15		293
Погоны				450

 

1) Тепловой баланс стадии I (нагрев растительного масла – на примере подсолнечного).

 

QI=Q1+Q2+Q3,

 

где QI – суммарный расход тепла на нагрев на первой стадии, кДж;

Q1, Q2, – соответственно, расход тепла на нагрев подсолнечного масла и реактора, кДж;

Q3 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Расход тепла на нагрев вещества рассчитывается по формуле:

 

Q=C×m×(tкон−tнач),

 

где С – теплоемкость вещества, кДж/(кг×К);

m – масса вещества, кг;

tкон, tнач – температура вещества в конце и начале нагрева, соответственно, К.

Так как подсолнечное масло при загрузке в реактор часть тепла отдает стенкам реактора, то его температура будет ниже температуры загрузки. Рассчитаем температуру масла, закачанного в реактор.

 

,

 

где tcp – средняя температура смеси веществ, оС;

mi – масса отдельного компонента, кг;

Сi – теплоемкость компонента, Дж/(кг×К);

ti – температура компонента.

 

 оС

 

Q1=1.865×2960.8×(150-63)=480648 кДж

Q2=0.504×4000×(150-63)=175392 кДж

 

Для реакторов с теплоизоляцией потери принимаются равными 5 процентам от полезно затрачиваемого тепла.

 

Q3=0.05×(Q1+Q2)=0.05×(480648+175392)=32802 кДж

 

QI=480648+175392+32802=721644 кДж

 

Расчет теплового потока производится по формуле:

 

QIсек ,

 

где QIсек – тепловой поток, кВт;

τ – продолжительность стадии, с.

 

QIсек кВт

 

2) Тепловой баланс стадии II (нагрев смеси подсолнечного масла, пентаэритрита и кальцинированной соды до 245оС).

Так как количество кальцинированной соды незначительно, то при составлении теплового баланса пренебрежем теплом, затрачиваемым на ее нагрев.

 

QII=Q1+Q2+Q3+Q4,

 

где QII – суммарный расход тепла на нагрев на второй стадии, кДж;

Q1, Q2, Q3 – соответственно, расход тепла на нагрев подсолнечного масла, реактора и пентаэритрита, кДж;

Q4 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Определим температуру смеси веществ после загрузки пентаэритрита.

 

 оС

 

Q1=1.865×2960.8×(245-121.8)=680641.7 кДж

 

Q2=0.504×4000×(245-121.8)=248371.2 кДж

 

Q3=2.757×720.4×(245-121.8)=244862.6 кДж

 

Q4=0.05×(Q1+Q2+Q3)=0.05×(680641.7+248371.2+244862.6)=58693.8 кДж

 

QII=680641.7+248371.2+244862.6+58693.8=1232569.3 кДж

 

QIIсек кВт

 

3) Тепловой баланс стадии III (переэтерефикация подсолнечного масла).

Количество подводимого тепла определяется количеством потерь. Потери тепла в окружающую среду рассчитываются по формуле:

 

Qпотерь=αиз×Fиз×(t1−t2)×τ+ αнеиз×Fнеиз×(t3−t2)×τ,

 

где Qпотерь – потери тепла в окружающую среду, кДж;

αиз, αнеиз – соответственно, коэффициенты теплоотдачи от изолированной и неизолированной стенки в окружающую среду, Вт/(м2×К);

Fиз, Fнеиз – соответственно, площади изолированной и неизолированной частей аппарата, м2;

t1 – температура наружной поверхности изоляции, оС;

t2 – температура окружающей среды, оС;

t3 – температура изолированных частей аппарата, которая принимается на 60-80оС ниже, чем температура в аппарате, оС.

τ – продолжительность стадии.

Для нахождения площадей поверхности изолированной и неизолированной частей аппарата необходимо рассчитать высоту загрузки реактора, которая будет равна высоте изолированной части аппарата. При расчете пренебрегаем кривизной днища аппарата.

Высоту загрузки реактора рассчитаем по формуле:

 

,

 

где Н – высота загрузки реактора;

φ – коэффициент заполнения реактора;

V – объем реактора, м3;

D – диаметр реактора, м.

 

 м

 

Высота неизолированной части аппарата h находится как разность между высотой обечайки реактора и высотой загрузки аппарата.

 

h=2.4−1.982=0.418 м

 

Площадь изолированной части обечайки Fиз об составит:

 

Fиз об=π×D×Н=3.14×1.8×1.982=11.2 м2

 

Площадь неизолированной части обечайки Fнеиз об составит:

 

Fнеиз об=π×D×h=3.14×1.8×0.418=2.36 м2

 

Площади крышки Fкр и днища Fдн реактора одинаковы и составляют Fкр=Fдн=π×D2/4=3.14×1.82/4=2.54 м2. Днище реактора изолировано, а крышка не изолирована.

Таким образом, площадь изолированной части реактора составит

 

Fиз= Fиз об+ Fдн=11.2+2.54=13.74 м2,

 

неизолированной

 

Fнеиз=Fнеиз об+ Fкр=2.36+2.54=4.9 м2

 

Для расчета коэффициентов теплоотдачи можно воспользоваться уравнением:

 

α=9.74+0.07×(tпов−tокр),

 

где α – суммарный коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией, Вт/(м2×К);

tпов, tокр – соответственно, температура поверхности аппарата и окружающего воздуха.

 

αиз=9.74+0.07×(40−15)=11.49 Вт/(м2×К)

 

αнеиз=9.74+0.07×(165−15)=20.24 Вт/(м2×К)

 

QIII=Qпотерь=(11.49×13.7×(40−15)+20.24×4.9×(165−15))×3×3600×10-3=

=203166.6 кДж

 

QIIIсек= кВт

 

4) Тепловой баланс стадии IV (охлаждение переэтерефиката перед загрузкой фталевого ангидрида от 245оС до 180оС)

 

QIV=Q1+Q2−Q3,

 

где QIV – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на четвертой  стадии, кДж

Q1,Q2 – соответственно, количество тепла, которое необходимо отвести для охлаждения переэтерефиката и реактора, кДж;

Q3 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Согласно уравнению реакции реакционная масса содержит моноглицерид, кислый диэфир пентаэритрита и пентаэритрит. Для расчета удельной теплоемкости реакционной массы (переэтерефиката) необходимо предварительно рассчитать удельные теплоемкости компонентов.

Удельная теплоемкость чистого вещества рассчитывается по формуле:

 

,

 

где с – удельная теплоемкость чистого вещества, кДж/(кг×К);

Ni – число атомов элементов, входящих в соединение;

сi – атомная теплоемкость элементов, кДж/(кг-атом×К);

ММ – молекулярная масса химического соединения.

1) Расчет удельной теплоемкости  моноглицерида.

Для расчета примем, что в состав моноглицерида входит жирнокислотный остаток только линолевой кислоты С17Н30СООН.

Строение моноглицерида: СН2(ОСОС17Н30)-СН(ОН)-СН2(ОН).

Атомные теплоемкости элементов [4]:

а) Углерод с=11.7 кДж/(кг-атом×К).

б) Водород с=18.0 кДж/(кг-атом×К).

в) Кислород с=25.1 кДж/(кг-атом×К).

 

 кДж/(кг×К)

 

2) Расчет удельной теплоемкости  кислого диэфира пентаэритрита.

Строение кислого диэфира пентаэритрита: (НОСН2)2-С-(ОСОС17Н30)2.

 

 кДж/(кг×К)

 

3) Массовая удельная теплоемкость  смеси веществ рассчитывается по формуле:

 

ссмеси=∑сi×wi,

 

где сi - удельная теплоемкость индивидуального компонента смеси, кДж/(кг×К);

wi – массовая доля компонента в смеси.

Чтобы рассчитать массовые доли компонентов в смеси воспользуемся уравнением реакции. Расчет будем вести по подсолнечному маслу, так как оно полностью вступает в реакцию.

 

mкомп ,

 

где mкомп – масса компонента переэтерефиката, кг;

mмасла – масса подсолнечного масла, кг;