Производство лака ПФ 060

ММкомп, ММмасла – соответственно, молекулярная масса компонента переэтерефиката и подсолнечного масла.

Расчет массы моноглицерида, образующегося в результате реакции:

 

m кг

 

Расчет массы кислого диэфира пентаэритрита, образующегося в результате реакции:

 

m кг

 

Пентаэритрит не полностью вступает в реакцию переэтерефикации. Масса пентаэритрита, не вступившего в реакцию, находится как разность между массой загруженного подсолнечного масла и пентаэритрита и массой моноглицерида и кислого диэфира пентаэритрита, образовавшихся в ходе реакции: m=354.96+86.37−144.20−268.84=28.29 кг.

Массовые доли компонентов в смеси находятся по уравнению wi=mi/∑mi.

Массовая доля моноглицерида w=144.2/(144.2+268.84+28.29)=0.327.

Массовая доля кислого диэфира пентаэритрита w=268.84/441.33=0.609.

Массовая доля пентаэритрита w=28.29/441.33=0.064.

Массовая удельная теплоемкость смеси моноглицерида, кислого диэфира пентаэритрита и пентаэритрита составит:

 

ссмеси=0.327×2.910+0.609×2.919+0.064×2.757=2.906 кДж/(кг×К)

 

Q1=2.906×3681.2×(245−180)=695341.9 кДж

 

Q2=0.504×4000×(245−180)=131040 кДж

Q3=0.05×(Q1+Q2)=0.05×(695341.9+131040)=41319.1 кДж

 

QIV=695341.9+131040−41319.1=785062.8 кДж

 

QIVсек= кВт

 

5) Тепловой баланс стадии V (загрузка фталевого ангидрида, жидкости ПМС-200А и охлаждение до 160оС для загрузки ксилола).

Определим температуру реакционной массы после загрузки фталевого ангидрида.

 

 оС

 

Необходимо охладить реакционную массу до 160оС.

 

QV=Q1+Q2+Q3−Q4,

 

где QV – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на пятой стадии, кДж;

Q1,Q2,Q3– соответственно, количество тепла, которое необходимо отвести для охлаждения переэтерефиката, реактора и фталевого ангидрида, кДж;

Q4 – потери тепла в окружающую среду.

 

Q1=2.906×3681.2×(164.2−160)=44954.2 кДж

 

Q2=0.504×4000×(164.2−160)=8467.2 кДж

 

Q3=1.077×1253.4×(164.2−160)=5669.6 кДж

Q4=0.05×(Q1+Q2+Q3)=0.05×(44954.2+8467.2+5669.6)=2954.6 кДж

 

QV=44954.2+8467.2+5669.6−2954.6=56136.4 кДж

 

QVсек= кВт

 

6) Тепловой баланс стадии VI (нагрев реакционной массы до температуры 250оС).

 

QVI=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7,

 

где QVI – суммарный расход тепла на нагрев на шестой стадии, кДж;

Q1, Q2, Q3, Q4 – соответственно, расход тепла на нагрев переэтерефиката, ксилола, фталевого ангидрида и реактора, кДж;

Q5, Q6 – соответственно, расход тепла на испарение погонов и азеотропной смеси, кДж;

Q7 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

 

Q1=2.906×3681.2×(250−160)=962781.0 кДж

 

Q2=0.708×98.7×(250-160)=6289.2 кДж

 

Q3=1.077×1253,4×(250−160)=121492.1 кДж

 

Q4=0.504×4000×(250−160)=181440 кДж

 

Q5=m5×r5,

 

где m5 – масса погонов, кг;

r5 – теплота испарения погонов, кДж/кг.

Общее количество потерь на стадии синтеза составляет 161.2 кг. Примем, что 140 кг теряется в виде погонов, а 21.2 кг остаются на стенках реактора, мешалке. Примем, что при нагреве удаляется 5 процентов погонов.

 

Q5=0.05×140×450=3150 кДж

 

Q6=mв×rв+mкс×rкс,

 

где mв, mкс – соответственно, масса воды и ксилола, удаляемых в виде азеотропной смеси на стадии нагрева, кг;

rв, rкс – соответственно, теплота испарения воды и ксилола, кДж/кг.

Примем, что при нагреве удаляется 5 процентов азеотропной смеси. Состав азеотропной смеси: вода – 35.8%, ксилол – 64.2% [4].

Общее количество воды, удаляемой на стадии синтеза основы составляет 132.4 кг, следовательно на стадии нагрева будет удалено mв=0.05×132.4=6.62 кг воды. Содержание ксилола в азеотропной смеси 64.2%, следовательно mкс=6.62×64.2/35.8=11.87 кг.

 

Q6=6.62×2258.4+11.87×350=19105.1 кДж

 

Q7=0.05×(962781.0+6289.2+121492.1+181440+3150+19105.1)=64712.9 кДж

 

QVI=962781.0+6289.2+121492.1+181440+3150+19105.1+64712.9=

=1358970.3 кДж

 

QVIсек= кВт

 

7) Тепловой баланс стадии VII (этерефикация и поликонденсация).

QVII=Q1+Q2+Q3,

 

где QVII – суммарный расход тепла на нагрев на седьмой стадии, кДж;

Q1, Q2 - соответственно, расход тепла на испарение погонов и азеотропной смеси, кДж;

Q3 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

 

Q1=0.95×140×450=59850 кДж

 

Q2=0.95×132.4×2258.4+ ×350=363007.8 кДж

 

Q3=αиз×Fиз×(t1−t2)×τ+ αнеиз×Fнеиз×(t3−t2)×τ

 

αиз=9.74+0.07×(40−15)=11.49 Вт/(м2×К)

 

αнеиз=9.74+0.07×(170−15)=20.59 Вт/(м2×К)

 

Q3=(11.49×13.7×(40−15)+20.59×4.9×(170−15))×7×3600×10-3=492250.3 кДж

 

QVII=59850+363007.8+492250.3+916108.1 кДж

 

QVIIсек= кВт

 

8) Тепловой баланс стадии VIII (охлаждение основы лака от 250оС до 180оС.

 

QVIII=Q1+Q2−Q3,

 

где QVIII – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на восьмой стадии, кДж;

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

Q3 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Удельную теплоемкость основы лака рассчитаем по формуле:

 

 кДж/кг

 

Q1=2.588×4643.6×(250−180)=841234.6 кДж

 

Q2=0.504×4000×(250−180)=141120 кДж

 

Q3=0.05×(Q1+Q2)=841234.6+141120=49117.7 кДж

 

QVIII=841234.6+141120+49117.7=933236.9 кДж

 

QVIIIсек= кВт

 

6.3 Расчет теплового баланса  смесителя [4]

 

Перед сливом основы лака из реактора в смеситель загружаются растворители в количестве 1423.1 кг ксилола и 2282.7 кг уайт-спирита при температуре 15оС.

Из реактора самотеком сливается основа лака в количестве 4643.6 кг при температуре 180оС.

Перекачка лака из смесителя в емкости для вызревания осуществляется при температуре не более 60оС.

Примем удельную теплоемкость уайт-спирита равной удельной теплоемкости ксилола.

Масса смесителя равна 7000 кг.

На основе этих данных составим тепловой баланс смесителя.

Рассчитаем температуру в смесителе после слива основы лака из реактора.

 

 оС

 

Рассчитаем удельную теплоемкость лака по формуле:

 

ссмеси=∑сi×wi=0.708×0.45+2.588×0.55=1.742 кДж/(кг×К)

 

Q=с×m×(tнач−tкон),

 

где Q – количество тепла, которое необходимо отвести, кДж

с – удельная теплоемкость лака, кДж/(кг×К);

m – масса лака, кг;

tнач, tкон – соответственно, температура лака в начале и конце охлаждения, оС.

 

Q=1.742×(4643.6+1423.1+2282.7)×(123.7−60)=926494.5 кДж

 

Тепловой поток составит:

 

Qсек= кВт

 

6.4 Расчет электроиндукционного  нагревателя [4]

 

Расчет электроиндукционного нагревателя проведем по самой теплонапряженной стадии, которой является нагрев на второй стадии.

Тепловой поток равен 97.8 кВт.

1) Определяем активную и полную  мощность электроиндукционного нагревателя.

Активная мощность рассчитывается по формуле:

 

,

 

где РА – активная мощность, кВт;

ηэл – электрический коэффициент полезного действия нагревателя;

ηтепл – тепловой коэффициент полезного действия нагревателя.

 

 кВт

 

Полная мощность нагревателя рассчитывается по формуле:

 

,

 

где S – полная мощность нагревателя;

cosφ – коэффициент мощности.

 

S=110.9/0.65=170.6 кВт

 

Для реактора объемом 6.3 м3 принимаем нагреватель, состоящий из трех катушек, расположенных соответственно, две на боковой поверхности и одна на днище реактора.

Конструктивно принимаем высоту нагревателя Н=1.0 м, высоту боковой катушки h=0.2 м, внутренний и наружный диаметры донной катушки, соответственно D1=1.0 м и D2=1.6 м.

2) Определяем мощность каждой  катушки.

Площадь поверхности котла, занимаемая боковой катушкой:

 

Fб=π×D×h=3.14×1.8×0.2=1.131 м2

 

Площадь поверхности котла, занимаемая донной катушкой:

 

Fд= ×(D22−D12)= ×(1.62−1.02)=1.225 м2

 

Общая площадь катушек Fк=2× Fб+ Fд=2×1.131+1.225=3.487 м2.

Удельная мощность катушек

 

 кВт/м2

 

в том числе донной катушки

 

Sдно=Nуд×Fд=48.9×1.225=59.9 кВт

 

боковой катушки

 

Sбок=Nуд×Fб=48.9×1.131=55.35 кВт

 

Дальнейшие расчеты проводим для катушки, имеющей наибольшую мощность, то есть для донной катушки.

3) Определяем максимальный ток  в индукторе.

 

,

 

где Imax - максимальный ток в индукторе, А;

U – линейное напряжение в сети, В.

 

 А

 

Тогда площадь поперечного сечения медного проводника индуктора

 

fпров=Imax/σ,

 

где σ – плотность тока, А/мм2.

 

fпров=91/4=22.75 мм2

 

Для намотки катушки принимаем стандартный плоский проводник с размерами сечения 2.5×10 мм, тогда fпров=2.5×10=25 мм2.

4) Определяем число ампер-витков  катушки.

 

,

 

где NA – число ампер-витков катушки;

Sд – площадь донной катушки, м2;

Кзп – коэффициент заполнения катушки;

D – диаметр аппарата, м;

F – функция, зависящая от глубины проникновения вторичного тока в стенку;

ρинд – удельное сопротивление меди;

f – частота тока, Гц.

Значение функции F определяется в зависимости от соотношения 2×σэ/σ, где σ – толщина стенки реактора, а σэ – находится по уравнению:

 

σэ=503× ,

 

где ρст – удельное электрическое сопротивление материала котла, Ом×м;

μ – магнитная проницаемость стали.

 

σэ=503×

 

2×σэ/σ= , следовательно F=1.0 (мето511 !!!!!)

 

 

Число витков медного провода в катушке составит n=NA/Imax=61300/91=674 витка.

Площадь поперечного сечения катушки равна

 

 мм2

 

Ширина катушки Вк=fкат/h=24071.4/200=120.4 мм (≈12 см).

 

6.5 Расчет площади поверхности  и геометрических размеров внутреннего змеевика [4]

Расчет площади поверхности внутреннего змеевика производится по уравнению теплопередачи.

 

Q=K×F×∆tср,

 

где Q – тепловой поток (расход передаваемой энергии), Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);

F – площадь поверхности теплопередачи;

∆tср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителей.

К=195 Вт/(м2×К) [4]

Рассчитаем среднюю разность температур горячего и холодного теплоносителей.

 

,

 

где ∆tБ – большая разность температур горячего и холодного теплоносителей, оС;

∆tМ – меньшая разность температур горячего и холодного теплоносителей, оС.

 

 оС

 

 м2

 

Определим геометрические размеры змеевика, наружный диаметр которого d=0.05 м.

1) Расчет длины змеевика.

 

 м

 

2) Расчет длины одного витка  змеевика.

 

lвитка=π×dвитка,

 

где dвитка – диаметр витка змеевика, м.

Конструктивно примем диаметр витка.

 

dвитка=0.5×(D−dм)+dм,

 

где D – диаметр аппарата, м;

dм – диаметр перемешивающего устройства, м.

 

dвитка=0.5×(1.8−1.5)+1.5=1.65 м

 

lвитка=3.14×1.65=5.18 м

 

3) Расчет числа витков змеевика.

 

n=L/lвитка=33/5.18=6.37

 

Принимаем число витков змеевика равным 7.

4) Конструктивно принимаем шаг  между витками змеевика t=4×d=4×0.05=0.2 м.

5) Высота змеевика в реакторе Нзм=n×t=7×0.2=1.4 м

Высота слоя реакционной массы в аппарате равна Н=1.98 м. Таким образом, условие нормальной работы змеевика Н<Нзм – выполняется.

 

6.6 Расчет толщины тепловой изоляции [6]

 

Толщина слоя изоляционного материала рассчитывается по формуле:

 

,

 

где λ – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м×К);

t1, t0 – соответственно, температура внутри аппарата и изолированной стенки, оС;

q – удельный тепловой поток, Вт/м2.

Принимаем изоляционный материал асбест, для которого коэффициент теплопроводности рассчитывается по формуле:

 

λ=0.107+0.00019×tср,

 

где tср – средняя температура изоляционного материала.

 

 Вт/(м×К)

 

Коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией определяется по уравнению: