Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Phenol Formandehyt dạng Rezolic công suất 500 tấn/năm

1 ứng dụng của nhựa Polyuretan trong sản xuất sơn phủ ……...29 4.2 ứng dụng của nhựa Polyuretan trong sản xuất sợi và các sản phẩm đúc ……..30 4.3 ứng dụng của nhựa Polyuretan trong sản xuất chất dẻo bọt ……..31 Phần II : Cân bằng vật chất 2.1. Mục đích và ý nghĩa.........................................................................……32 2.2. Tính số ngày làm việc trong năm....................................................……32 2.3. Tính toán cho một công đoạn sản xuất...........................................……32 2.3.1. Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất.............................................……33 2.3.2. Cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất........................................…...35 2.3.3. Cân bằng vầt chất cho 800 tấn Tiền Polyme trong 1 năm sản xuất.……37 2.4. Tính toán kích thước thiết bị phản ứng..........................................……38 2.4.1. Tính toán vỏ thiết bị chính...............................................................……38 2.4.1.1. Tính thể tích nguyên liệu chiếm chỗ trong nồi..............................……38 2.4.1.2. Tính chiều dày của thân thiết bị...................................................…....40 2.4.1.3. Tính chiều dày đáy thiết bị...........................................................…….45 2.4.2. Tính cánh khuấy, Mô tơ cánh khuấy................................................…...47 2.4.3. Tính lớp vỏ gia nhiệt.........................................................................…..55 2.4.4. Tính chiều dày lớp bảo ôn................................................................…..56 2.4.5. Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng.....................................…..60 2.4.6. Chọn mặt bích, đệm ,bu lông...........................................................…..63 2.4.7. Tính tai treo của thiết bị...................................................................…..64 2.5. Tính toán bơm...................................................................................…..68 2.6. Tính cân bằng nhiệt lượng...............................................................…..77 2.6.1. Tính cân bằng nhiệt lượng của sản phẩm rượu hoá dầu ve..............……77 2.6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng của sản phẩm Tiền Polyme....................……84 Phần iii : Xây DựNG 3.1. Yêu cầu về lựa chọn xây dựng địa điểm...........................................…...87 3.1.1. Yêu cầu chung..................................................................................……88 3.1.2. Yêu cầu về khu đất...........................................................................……89 3.1.2.1. Về địa chất...................................................................................…….89 3.1.2.2. Về mặt địa hình..............................................................................……89 3.1.3. Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp........................................................…...90 3.1.4. Địa điểm đặt nhà máy........................................................................…..90 3.2. Thiết kế tổng thể.................................................................................…..,91 3.2.1. Yêu cầu chung...................................................................................…...91 3.2.2. Nguyên tắc phân vùng........................................................................…..92 3.2.2.1. Vùng trước nhà máy........................................................................…...92 3.2.2.2. Vùng sản xuất.................................................................................……92 3.2.2.3. Vùng các công trình phụ.................................................................…..93 3.2.2.4 Vùng kho tàng phục vụ giao thông...................................................…...93 3.2.3. Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng........................................…..93 3.2.3.1. Ưu điểm............................................................................................….93 3.2.3.2. Nhược điểm......................................................................................….93 3.3. Những căn cứ để thiết kế phân xưởng...............................................….94 3.4. Lựa chọn quy mô và kích thước chính của các công trình trong nhà máy...............................................................................................................….94 3.5. Giải pháp cấu tạo nhà máy sản xuất..................................................…95 3.6. Giải pháp thông gió.............................................................................….97 Phần iv : điện nước 4.1. Điện........................................................................................................…98 4.1.1. Điện chiếu sáng...................................................................................…98 4.1.2. Năng lượng cho động cơ........................................................................100 4.1.3. Lượng điện tiêu thụ hàng năm của phân xưởng……………………….101 4.1.3.1. Điện năng thắp sáng…………………………………………………101 4.1.3.2. Điện năng cho động cơ…………………………………………………….102 4.2. Nước..........................................................................................................102 4.2.1. Nước sinh hoạt.......................................................................................102 4.2.2. Nước sản xuất........................................................................................103 Phần v : an toàn lao động 5.1. an toàn lao động trong nhà máy...........................................................104 5.2. Nguyên nhân gây mất an toàn lao động và bệnh nghề nghiệp........... 105 5.3. Các biện pháp đảm bảo an toàn lao động............................................ 106 Kết luận............................................................................................. 107 Lời cảm ơn Trong suốt qua trình làm đồ án tốt nghiệp được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Bùi Chương, đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme- Trường Đại học Bách khoa Hà nội, đặc biệt là Thầy giáo Bùi Chương, Thầy giáo Bạch Trọng Phúc đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy các cô . Hà nội. Ngày ....Tháng.... Năm 2005 Sinh Viên Trịnh Huy Dũng Lời mở đầu - Hàng năm lượng kim loại đen trên thế giới bị ăn mòn rất lớn (khoảng từ 10-12%), ở nước ta trong điều kiện nhiệt đới nóng ẩm, lượng kim loại hao tổn đã lên tới 15%. Vì vậy để chống ăn mòn kim loại đen cũng như các kim loại màu chúng ta đã có nhiều phương pháp, nhưng phương pháp hữu hiệu nhất là màng phủ bảo vệ. - Màng phủ trên cơ sở nhựa PU được tạo ra rất đa dạng, có rất nhiều màng phủ được tạo ra trên cơ sở nhựa PU, chúng có thể được phân thành những loại sau: - PU 1 thành phần (Polyizoxianat) màng sơn được tạo ra từ phản ứng của cấu tử này với hơi ẩm có trong không khí. PU 2 thành phần đóng rắn có gia nhiệt hay ở trong nhiệt độ thường. - Polyuretan có tác dụng bao phủ bề mặt vật liệu tránh tác động của môi trường xung quanh nên nó được ứng dụng nhiều nhất trong màng phủ bảo vệ kết cấu thép nói chung và được ứng dụng trong thực tế. - Polyuretan đã khẳng định vai trò của mình thông qua các ưu điểm vượt trội như : Độ bền hóa chất (axit, bazo, dung môi) Khả năng bám dính vật liệu tốt. Độ cứng độ mài mòn cao. Quan trọng nhất là màng phủ dễ tạo thành ở nhiệt độ phòng. - Đồ án môn học với đề tài: “Hóa học và công nghệ chế tạo Polyuretan”. Bài viết bao gồm những nội dung sau: Lịch sử phát triển nhựa Polyuretan. Nguyên liệu và các phương pháp điều chế Polyuretan. Tính chất của Polyuretan. Các ứng dụng của Polyuretan. Phần I Tổng Quan I. Lịch sử phát triển của Polyuretan (PU). - Năm 1849, nhà hóa học WURTZ (Đức) là người đầu tiên công bố tổng hợp ra được izoxianat [7]. Trong năm 1884, một người Đức khác tên là Hentchel đã bổ sung thêm những luận điểm để hoàn thiện công việc của Wurtz. Hentchel dự tính sản xuất izoxianat bằng phản ứng hóa học giữa Photgen và muối của amin bậc 1. Sau đó một thời gian Curtis cũng sản xuất được izoxianat bằng cách sắp xếp lại azit axit trong dung môi. - Ngoài ra, người có công đóng góp quan trọng nhất trong công cuộc chế tạo nhựa Polyuretan là Bayer và các đồng nghiệp người Đức của ông. - ứng dụng của Polyuretan để sản xuất ra sản phẩm bọt nhựa dạng nhựa tấm, nhựa nhiệt dẻo ở dạng viên, dung dịch, chất kị nước và tiền Polyme. Sản phẩm bọt xốp mềm có tính đàn hồi cao ứng dụng các trong lĩnh vực làm đệm, nệm, ghế ôtô... - Sản phẩm cứng ứng dụng trong các lĩnh vực : cửa sổ, thiết bị gia đình, ván trượt, thiết bị hấp thụ nước ở ôtô, đế giầy... [6,7]. - Trong những năm gần đây PU được ứng dụng trong lĩnh vực màng phủ và đạt tốc độ tăng trưởng nhanh, thể hiện qua số liệu sau: Năm 1998 doanh thu từ bán PU đạt 4,9 tỷ DM, tăng 6%. Tại Châu á tuy có sự suy giảm về kinh tế nhưng nhu cầu về PU vẫn tăng, ví dụ tại Thái Lan PU đạt doanh số 350 triệu bạt (1998) dự kiến tăng khoảng 3-4% và đạt 400 triệu bạt trong năm 1999 [1,3]. 2 . Nguyên liệu và các phương pháp điều chế Polyuretan . Nhựa Polyuretan đạt được tổng hợp dựa trên phản ứng giữa Polyol kết hợp với các nguyên liệu đầu Polyizoxianat. 2.1. Polyol là nguyên liệu quan trọng của PU. Tính chất của các sản phẩm PU phụ thuộc nhiều vào bản chất hóa học, cấu trúc khối lượng phân tử của các Polyol. 2.1.1 Polyete. - Các nguyên liệu Polyete quan trọng nhất là sản phẩm của phản ứng kết hợp của các Polyol với Propan oxit (PO) và Etilen oxit (EO). - Trong công nghiệp PU các Polyol phổ biến nhất là Etilenglicol (EG), 1,2 – Propandiol, Bis phenol-A, Trimetylolpropan (TMP), Glixerin, Pentaerytriotol. Phân bố khối lượng phân tử của các Polyol này trong khoảng từ 180-8000. Các sản phẩm nhựa PU nhận được từ các Polyol này thường bền ở nhiệt độ thấp, luôn ổn định trong môi trường nước. Độ nhớt của các Polyol thấp từ 40-1500 mpa.s, ở nhiệt độ cao chúng luôn nhạy với ánh sáng và oxy không khí. Nguyên nhân chính gây nên oxy hóa nhiệt chính là nhiệt độ, độ ẩm là bức xạ tử ngoại [5], tính chất của một số Polyol thông dụng được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: Tính chất của một số loại Polyol thông dụng Polyol α - oxyt Số nhóm chức M Độ nhớt 25oC, mpa.s Prolplyenglycol (PG) PO 2 2000 300 Trymetyolpropan (TMP) PO - EO 3 4800 825 Propylenglycol. TMP PO - EO 2,78 3180 550 Trimetyolpropan EO 3 306 40 2.1.2. Polyeste. So với Polyete, trong phân tử của Polyeste có chứa nhiều nhóm chức hydroxyl ở vị trí bậc 2, bậc 3. Hơn 90% Polyol sử dụng cho PU đi từ các loại Polyeste này, các sản phẩm được dùng chủ yếu vào lĩnh vực sản xuất sơn và vecni. Khác với Polyete, Polyeste là sản phẩm của quá trình ngưng tụ Polyol hai hoặc ba chức với điaxit cacboxylic hoặc anhydrit của chúng. Các axit sucninic, axit adipic, anhydrit phlatic, hexahydrophtalic anhydrit, axit izophtalic. Khả năng chịu nước của các Polyeste này phụ thuộc chủ yếu vào bản chất hóa học của chúng. Nếu có ít nhất 5 nguyên tử C trong mạch phân tử thì chúng có khả năng chịu nước tốt. Các tài liệu nghiên cứu cho biết sản phẩm giữa 1,6 hexandiol và axit của adipic có độ chịu nước tốt nhất. Đặc biệt người ta có thể căn cứ vào chỉ số axit của Polyeste để đánh giá khả năng chịu nước. Tính chất và lĩnh vực ứng dụng của một số loại Polyeste được trình bày ở bảng 2. Bảng 2 : Tính chất và lĩnh vực sử dụng của một số Polyeste [5-672] Thành phần hóa học Số chức M Độ nhớt (25oC mpa.s) Lĩnh vực sử dụng Axit adipic etylenglycol 2 2000 500-600 Elastome Axit adipic etylenglycol Trimetylolpropan 2,53 2370 925-1075 Xốp mềm Axit adipic Anhydritphtalicen Etylenglycol 2 1750 2200-3140 Giả da Izophtalicaxit 1,6 hexadiol Trimetylol propan 3 1200 2200-2400 Màng phủ 2.2 Izoxianat. - Izoxianat là một thành phần chính của PU, chúng chứa nhóm chức rất hoạt động – NCO. Nhóm này có khả năng tham gia phản ứng rất lớn với các hợp chất có chức nguyên tử hydro hoạt động hoặc ít hoạt động. Vai trò của izoxianat là phân mạch (đóng rắn) để biến thành mạng có cấu trúc khác nhau. Izoxianat có ít nhất 2 nhóm chức. - Cấu tạo và phản ứng của nhóm – N = C = O - Tính chất và tốc độ tham gia phản ứng của nhóm izoxianat phụ thuộc vào cấu trúc Polyizoxianat. Mật độ điện tử ở nhóm – NCO được phân bố như sau : nguyên tử N và O có độ âm điện cao hơn nguyên tử C cho nên nhóm izoxianat tham gia phản ứng bằng các liên kết góp chung điện tử. Với những H linh động ở nhóm rượu Phenol cacboxy hoặc amin cacboxy thì nhóm izoxianat rất dễ kết hợp, trong đó mối liên kết N = C dễ hơn C = O vì thế có các phản ứng như sau : ﺍ OR’R R – N = C = O + R’OH R – NH – C = O ﺍ NR’2 R – N = C = O + R’2 OH R – NH – C = O ﺍ OR’ ﺍ ﺍ ﺍ ﺍ O R OR’ R – N = C = O + RNHC = O RNH – C – N – C = O Trong điều kiện không có xúc tác tốc độ phản ứng của nhóm – NCO với các hợp chất khác giảm theo dãy : Chất có OH ROH > H2O > C6H5OH > RSH > RCOOH ở dãy amin : R2NH > RNH2 > NH3 > PhNH2 - Và những chất chứa N : RNHR’ > RNHCONHR’ > RNHCOR’ > RNHCOR’ Một số phản ứng đặc trưng của nhóm izoxianat với các hợp chất khác được trình bày ở bảng 3. Bảng 3 : Phản ứng của nhóm izoxianat [4-57] Chất cho hydroxyl Cấu trúc phân tử Sản phẩm phản ứng Nước H2O RNH2 + CO2 Nhóm hydroxyl R’OH RNHCOOR’ Nhóm amin R’NH2 RNHCONHR’’ Dẫn suất của ure R’NHCONHR’’ RNHCONR’CONHR’ Uretan R’NHCOOR’’ RNHCONHR’COOR’’ Axit cacboxylic R’COOH RNHCOR’ - Sự hoạt động hóa học của nhóm – NCO gây phức tạp cho quá trình tổng hợp bởi lẽ muốn đạt được hiệu quả cao yêu cầu đòi hỏi các chất tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết nhất định. Ngoài hàm lượng nhóm izoxianat, cấu trúc hóa học của nó còn ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của PU [3] Bảng 4 : ảnh hưởng của cấu trúc diizoxianat lên tính chất cơ l‎ý của Elastome [3-528] Loại izoxianat Độ bền kéo, p.si Modun ở 300oC, p.si Bền xé, 1b/in Độ cứng β NDI 4300 3000 200 80 TDI 4600 350 150 60 MDI 7900 1600 270 61 DPDI 3500 300 90 56 Trong đó : NDI : 1,5 Naptalen diizoxianat TDI : 2,4 Tolylen diizoxianat MDI : 4,4 Metylendiphenydiizoxianat MPDI : 4,4 Diphenylizopropylendiizoxianat - Căn cứ vào bảng 4 cho ta thấy với các diizoxianat vòng thơm thì sản phẩm nhận được từ loại này có các tính chất như độ bền kéo, bền xé, độ cứng cao. Ngược lại, với diizoxianat mạch thẳng, độ cứng giảm. Trong công nghiệp sơn phủ, các diizoxianat thường dùng chủ yếu là : CH3 CH3 NCO OCN NCO NCO 2,4 TDI 2,6 TDI * N- izoxianat hexylamino cacboxyl (Desmodur N-Bayer) 75% dung dịch trong metoxypropyl axetat/Xylen Hàm lượng nhóm izoxianat 16-17%, độ nhớt 210 +/- 10 mpa.s ở 20oC OCN – ( CH2)6 – N – CO – NH – (CH2)6 – NCO CO – NH – (CH2)6 - NCO * 1,1 metylen bis (4-izoxianat xydohexan: Desmodur W – Bayer) OCN CH2 NCO * 1,5 Naphtalen diizoxianat (NDI) – Desmodur 15 - Bayer NCO NCO Có nhiệt độ nóng chảy tnc = 153oC * 4,4 metylendiphenyl diizoxianat (MDI) OCN CH2 NCO Có nhiệt độ sôi: 128oC ở áp suất 1,0 kPa Nhiệt độ nóng chảy 39,5oC OCN CH2 NCO MDI 2,4 * Hexametylendiizoxianat OCN – (CH2)6 – NCO Hầu hết các di-triizoxiznat được sản xuất dựa vào phản ứng của diamin, triamin với photgen trong dung môi toluen, xylen. 0 – 150oC H2N – R – NH2 + 2COCl2 OCN – R – NCO + 4HCl - Do diizoxianat triizoxianat là những chất lỏng mùi hắc rất độc nên trong thực tế người ta thường dùng chúng ở các dạng adduct. Adduct này là kết hợp của di hoặc triizoxianat với một số hợp chất hữu cơ có chứa nhóm OH như diol, triol. - Sản phẩm tạo ra không những giảm độ độc mà còn có thể làm tăng số lượng nhóm NCO thông thường từ 2-3 [4-57] - Phương trình phản ứng mô tả một dạng adduct CH3 CH2 - OH N=C=O + + CH3 – CH2 – C – CH2 - OH N=C=O CH2 - OH Tolylen diizoxianat 2,4 Trimetylolpropan CH2 – O – C – N N=C=O CH3 || | O H || | O H CH3 – CH2 – C CH2 – O – C – N N=C=O CH3 CH2 – O – C – N || | O H CH3 N = C = O Desmodur L * Phản ứng tạo PU: PU được tạo ra khi kết hợp polyol với polyizoxianat [2,4] phản ứng tổng hợp xảy ra như sau: HO – R – OH + OCN – R’ – NCO HO – R – O – C – NH – R’ - NCO || O || O HO – R – O – C – NH – R’ – NCO + HO – R - OH || || O O HO – R – O – C – NH – R’ – NHC – O – R - OH - Phản ứng phát triển mạch cứ tiếp tục cho đến khi một trong hai cấu tử được sử dụng hết. Đây là phản ứng trùng hợp từng bậc, không thoát ra sản phẩm phụ thấp phân tử và toả ra một lượng nhiệt khá lớn. 2.3. Các rượu bậc cao. - Phản ứng của izoxianat với rượu tạo thành mối liên kết polyuretan, phản ứng xảy ra ở 20oC – 30oC. - Rượu bậc 1 phản ứng mạnh hơn bậc 2, rượu bậc 3 phản ứng rất chậm. Tốc độ phản ứng ở 20oC theo thứ tự CH3OH; C2H5OH; CH3CH(OH)CH3; (CH3)3C-OH. Cơ chế phản ứng theo quan niệm hiện nay do tác dụng của nhóm NCO, phân tử rượu tạo thành liên kết (A) kết hợp nguyên tử O với các điện tử của các ion. δ+ Theo phản ứng sau: δ- R – N = C = O + ROH R – N C = O H - O – R ( A ) R O ׀ ׀׀ δ- δ+ ׀ ׀ H OR R – N C = O N – C δ- H - O - R Có thể viết theo cách sau: + ROH R – N C = O R – N – C = O H – O - R H OR - Chất xúc tác thông dụng nhất là các hợp chất phức dạng alkyl cacboxy hoặc alkylhalogen. Tác dụng của rượu với xúc tác làm thay đổi tính chất của rượu làm tăng độ dài liên kết -O-H và tăng độ linh động của nguyên tử H. -Trong cùng thời gian xảy ra đồng thời, sự truyền điện tử của nguyên tử N trong izoxianat đến Proton của rượu và từ nguyên tử oxy của rượu đến nguyên tử C của izoxianat. R - [ - O - IV ] δ- - Hδ+ R - [ - O - IV] – H + O = C = NR O = C NR’ O = C – NR’ + SnIV OR H - Độ dài liên kết OH gần bằng độ dài liên kết C=N của nhóm izoxianat (1,18Ao) O ׀׀ - Phản ứng với rượu bậc 2 và 3 tạo thành mạch có cấu trúc không gian vòng như hình vẽ. R’ N C H O – R’ R’ O H δ- δ+ - Chất xúc tác của izoxianat với rượu có thể sử dụng nhiều hợp chất khác nhau. Thông thường hơn là amin bậc 3 hoặc hợp chất hữu cơ quá trình phản ứng theo sơ đồ: ׀׀O R’’NCO + NR3 R’’NC ……. NR3 O ׀׀ ׀׀ O R’’NC + R’OH R’’NHCOR’ + NR3 NR3 δ+ δ- O ׀׀ R’OH + NR3 R3N …… H – OR’ R3N … HOR’ + R’’NCO R’’N – C + NR3 H OR’ - Phản ứng izoxianat với H2O: tạo thành hợp chất trung gian không bền (axit N-alkyl cacbonic) dễ bị phân huỷ thành amin. H O | || | OH RNCO + H2O RN – C RNH2 + CO2 Axit N-alkyl cacbonic R - NH | - Trong các giai đoạn sau amin tiếp tục tác dụng với nhóm NCO tạo ra hợp chất Buret RNCO + RNH2 C = O | R - NH O ׀׀ RNH | R- N- C – NH – R | RNH C = O + R – N = C = O C = O R – N- H O ׀׀ RN – C – NH - R | O ׀׀ R – N- C – NH - R ờ C = O ỗ R- N – C – NH – R ׀׀ O C = O + R- N = C = O | RNH biuret Buret * Phản ứng izoxianat với amin: izoxianat rất dễ tác dụng với amin ở nhiệt độ 0 -25oC không cần xúc tác. Amin mạch vòng tốc độ phản ứng chậm hơn. O ׀׀ RNCO + R’NH2 RNHCNHR’ O ׀׀ RNCO + R’2NH RNHCNR’2 2.4. Các phương pháp điều chế Polyuretan [3- 272,273] * Polyuretan điều chế từ hexametilen diizoxianat và 1,4 – butandiol, thích hợp để làm sợi. Qúa trình điều chế như sau: - Cho butandiol vào nồi phản ứng ( có vỏ bọc để đun nóng và cánh khuấy quay nhanh 300 vòng/phút ). Sau đó đun nóng trong môi trường N2 đến 85-900C trong vòng 0,5- 1 giờ, cho hexametilen diizoxianat vào và khuấy mạnh, lúc đó tạo ra Polyme. Duy trì nhiệt độ của hỗn hợp nóng chảy trong khoảng 190-1950C (hoặc 200-2100C). Cho đến khi phản ứng hoàn toàn (kiểm tra theo độ nhớt của hỗn hợp nóng chảy, thường 600-900 Pa.s ở 1900C hoặc theo độ nhớt tương đối của dung dịch trong m-crezol). - Sau khi phản ứng kết thúc thì ngừng trộn và giữ hỗn hợp nóng ở áp suất thấp(20-40 mmHg) để đuổi hết bọt khí. Sau đó dùng khí nén N2 đẩy Polyme nóng chảy từ nồi phản ứng ra thành dạng tấm dài, làm lạnh, dập thành từng mảnh nhỏ và sấy. - Trong quá trình này, khó khăn cơ bản là khó khuấy do hỗn hợp nóng chảy rất nhớt. Vì thế nên đầu tiên chỉ cho ngưng tụ đến 80-90% diizoxinat, sau đó chuyển hỗn hợp nóng chảy của Polyme phân tử thấp qua nồi khác có cánh khuấy mạnh hơn và cho phản ứng tiếp đồng thời cho thêm lượng diizoxinat thiếu vào. * Thực tế ở trong công nghiệp hiện nay dùng loại Tridiizoxianat có thể điều chế từ loại Poly có nhiều nhóm izoxianat. - Phản ứng của izoxianat với các hợp chất chứa nhóm OH có khó khăn là do Izoxianat dễ tác dụng với nước. Do đó Polyuretan cần phải điều chế từ nguyên liệu không chứa nhóm OH và như vậy thì rất khó vì các chất chứa nhóm OH đều hút ẩm. Ngoài ra, khi có nước và thừa izoxianat sẽ tạo ra nhiều phản ứng phụ, những phản ứng phụ này sẽ kích thích tạo nhánh và cầu nối giữa các phân tử. -Trong quá trình tạo Polyuretan có toả ra một lượng nhiệt lớn, gây khó khăn đặc biệt trong sản xuất chất dẻo bọt. * Có hai cách làm giảm độ toả nhiệt của phản ứng. - Cách thứ nhất : Là điều chế mầm Polyme từ izoxianat và hợp chất chứa nhóm OH(rượu và Polyeste) bằng cách thêm từ từ(vừa khuấy)rượu nhiều chức và diizoxianat, lúc bấy giờ, lượng nhiệt toả ra dễ phân tán ra ngoài. Sau đó mầm Polyme tác dụng với lượng Polyeste và các cấu tử khác còn lại. - Cách thứ hai: Là dùng izoxianat có khả năng phản ứng kém hơn, ví dụ Izoxianat thơm có hàm lượng nhóm NCO thấp ( như Polymetilen, Polyphenyizoxianat). Do dó, lượng nhiệt phản ứng toả ra trong một đơn vị trọng lượng izoxianat bé hơn và hàm lượng nhân thơm cao làm cho Polyuretan có độ chịu nhiệt lớn. - Khi ngưng tụ diizoxianat với các hợp chất có trên 2 nhóm OH thì tạo ra Polyuretan có cấu trúc không gian. Hoặc khi đun nóng hỗn hợp các chất chứa OH, diizoxianat và nước cũng tạo ra Polyuretan không tan và không nóng chảy. - Trong trường hợp này H2CO3 toả ra và tạo bọt làm cho thể tích Polyme tăng rất lớn, sau đó đóng rắn ta thu được Polyme có cấu trúc không gian. Công nghệ chế tạo Tiền Polyme: * Tiền Polyme KT là dung dịch chứa 70% xylen, đây là sản phẩm của sự tương tác giữa 2.4 toludinizoxianat (sản phẩm 102-T) cùng với sản phẩm alcol của dầu ve trong dung dịch có chứa izoixannat tự do trong Polyme, Polyme KT với 18-19% có độ nhớt 45-100 giây(theo Bz4) ở 200C. Dưới đây là phần trăm trọng lượng của nguyên liệu để chế tạo ra tiền Polyme KT. - Sản phẩm rượu hoá dầu ve : + Dầu ve: 75,6%. + Glyxerin: 12,6% + Toluen: 11,8% - Tiền Polyme. + Sản phẩm rượu hoá dầu ve: 34,4% + Nguyên liệu 102-T: 35,2%. + Toluen : 30,4% * Các đặc tính của qúa trình công nghệ: - Dầu ve được đun nóng lên 400C. Cho thêm Glyxerin, khuấy trộn đều sau đó tiếp tục đun nóng. Quá trình được tiến hành trong dòng khí trơ. Tăng nhiệt lên 2400C và thực hiện quá trình rượu hoá dầu ve, sau đó làm lạnh hỗn hợp phản ứng xuống 30-400C và rửa sạch Glyxerin bằng nước. Sau mỗi lần rửa hỗn hợp cho kết tủa. Sau quá trình phân lớp hoà tan các lớp dưới của lớp rửa, trộn vào nhau thu được phức chất từ dầu ve. Sau đó cho tương tác với izoxianat. Chính vì vậy cần phải xấy khô nước một cách kỹ lưỡng. Việc cắt rửa nước được thực hiện bằng phương pháp đẳng phí trong chân không và nhiệt độ 105-1100C. - Nước được trưng cất duới dạng hỗn hợp đẳng phí với Toluen. Sự cất nước được làm qua ba giai đoạn: đầu tiên la Toluen được chưng cất với nước, Toluen được liên tục tuần hoàn trở lại khối phản ứng. Sau đó người ta thực hiện trưng cất trực tiếp phần cất của nước và Toluen, sau đó người ta cho thêm vào khối phản ứng một lượng nhỏ Toluen sạch, lượng Toluen này ngay lập tức bị trưng cất bốc lên kéo theo các dấu vết cuối cùng của khí ẩm. Việc thực hiện cất ba giai đoạn đảm bảo cho việc nhận được sản phẩm có hàm lượng nước nhỏ hơn 0,15%. - Quá trình chế tạo tiền polyme KT được thực hiện trong dòng khí trơ. Người ta cho thêm Toluen vào Toluen diizoxianat được đun nóng sơ bộ lên 30-400C trong điều kiện khuấy trộn và tăng nhiệt lên 500C. ở nhiệt độ người ta thêm từ từ phức chất của dầu ve, trong quá trình tổng hợp nhiệt độ không được vượt quá 550C (phản ứng toả nhiệt). Có thể có sự trợ tăng nhiệt tự sinh, vì vậy cần phải dự trù trước việc truyền nước làm lạnh, việc tổng hợp được thực hiện cho đến khi khối phản ứng đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật về độ nhớt và chỉ số izoxianat. Tiền polyme KT sạch được đổ vào thùng và đóng kín. * Qúa trình công nghệ chế tạo gồm các công đoạn sau: - Tổng hợp rượu hoá dầu ve - Rửa Glyxerin ra khỏi sản phẩm rượu hoá dầu ve, cắt nước sản phẩm rượu hoá dầu ve (phức chất) - Tổng hợp tiền polyme. Các đặc trưng của quá trình chế tạo tiền Polyme và ảnh hưởng đến sự bố trí dây chuyền công nghệ là: 1. Đưa vào quá trình công nghệ chế tạo tiền Polyme. Việc tổng hợp chất Polyhydroxit (sản phẩm của rượu hoá dầu ve). 2. Việc khử nước kỹ lưỡng sản phẩm rượu hoá dầu ve thực hiện thành 3 giai đoạn với chưng cất đẳng phí nước dưới dạng hỗn hợp với Toluen 3. Tiến hành tổng hợp tiên polyme trong dung dịch Toluen. - Các hao phí của quá trình chế tạo là: Nước dưới phần cất, nước được tạo thành trong quá trình chưng cất hỗn hợp Toluen và nước trong điều kiện khử nước, sản phẩm rượu hoá dầu ve. Toluen thô được chưng cất dưới dạng hỗn hợp đẳng phí với nước. Sự thoát khí được tạo thành trong quá trình rượu hoá dầu ve cũng như trong sự tổng hợp chính trong tiền polyme. * Bố trí thiết bị của qúa trình: - Sơ đồ có thể dùng để chế tạo ra tiền Polyme được giới thiệu theo sơ đồ(I). Trên sơ đồ sự tổng hợp rượu hoá dầu ve (phức chất dầu ve) được thực hiện trong thiết bị phản ứng (1) thiết bị phản ứng này được trang bị 1 hệ thống nạp khí trơ, cũng như được trang bị bộ gia nhiệt cảm ứng điện, ống xoắn ruột gà bên trong thiết bị phản ứng ( để đun nóng sơ bộ bằng hơi nóng và làm lạnh bằng nước), bộ khuấy trộn cũng như bộ làm lạnh Glyxerin – bộ trao đổi nhiệt (2) bình ngưng tụ (3), bình phân ly (4), bình chân không (5). Các chất ban đầu cần thiết như Glyxerin, dầu ve được nạp vào thiết bị phản ứng qua thùng lường (6,7). Để loại Glyxerin dư sau khi kết thúc việc tổng hợp phức chất người ta dự tính rửa bằng nước, nước được đưa vào thiết bị phản ứng qua lưu lượng kế (8) cùng với việc xả nước rửa tiếp theo qua van tràn ở phía dưới. Việc loại bỏ nước du ra khỏi phức chất dầu ve được thực hiện trong giai đoạn đầu của việc cất bằng phương pháp chưng cất đẳng phí nước với Toluen, nước chưng cất được thu về bình phân ly (4). - Còn trong giai đoạn kết thúc của việc cất được thực hiện bởi phương pháp trực tiếp của các vết nước với Toluen vào bình chân không (5) phức cất dầu ve sau khi sản xuất được tháo ra từ thiết bị phản ứng vào bình trung gian (9). Thiết bị phản ứng (10) trong đó thực hiện ra polyme được trang thiết bị ủ bọc đẻ đun nóng hơi nước và làm lạnh bằng hơi nước bộ khuấy trộn hình mỏ neo khung bản. Bình ngưng tụ ngược (11) hệ thống dẫn khí trơ. Phức chất dầu ve được nạp vào thiết bị phản ứng từ bình trung gian (9) qua thùng lường (12) nhờ bơm bánh răng (13) còn Toluen di izoxianat được nạp từ bình (14), hệ thống thiết bị đun nóng sơ bộ (15), thông qua hệ thống chân không qua thùng lường đã được gia nhiệt (16). Toluen được nạp qua lưu lượng kế (17) việc tháo Polyme thành phẩm được thực hiện tháo trực tiếp vào thùng (18), các thùng này được đặt lên cân (19). 3 . Tính chất của nhựa Polyuretan.[3-273,274] - Trong dãy đồng đẳng của Polyuretan mạch thẳng, sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào số chẵn hay số lẻ nhóm CH2 có trong mạch phân tử. Tuỳ theo mức độ tăng mạch của các phân tử nguyên liệu gốc mà nhiệt độ nóng chảy của Polyme dần dần giảm xuống đến 1280C. Các Polyol thẳng (trừ 1.4- butadiol) không thích hợp để điều chế polyuretan kết tinh. - Polyme tạo ra từ Trimetylenglycol và hexametilen diizoxianat có nhiệt độ nóng chảy 1460 có khả năng kết tinh cao. - Trong thực tế người ta hay sử dụng các PU có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 1600C. Các Polyme điều chế từ các Polyol tinh thể có độ hào tan cao, thích hợp cho lĩnh vực màng phủ. - Ngoài Hexametilen diizoxianat ra người ta còn dùng các izoxianat dưới dạng adduct. Khối lượng phân tử, cấu tạo của polyeste tham gia và adduct có ảnh hưởng lớn mang tính chất quyết định đến tính chất của sản phẩm cuối cùng. Khối lượng phân tử càng thấp, mức độ tạo nhánh cao thì polyme nhận được có độ cứng cao và bền hoá. - Tất cả các PU đều không hoặc rất ít hút ẩm và độ chịu nhiệt thấp hơn so với Polyamin. Số nhóm metylen trong mạch nhiều thì PU có độ chịu nước lớn, tuy nhiên nhiệt độ nóng chảy của PU giảm xuống. PU có độ bền khí quyển cao, chịu được tác dụng của ánh sáng O2, O3. 4. Các ứng dụng chính của Polyuretan . - Trong ứng dụng thực tế thường dùng polyuretan thẳng có nhiệt độ nóng chảy trên 1600C. Điều rất quan trọng là làm cho các mạch tương đối ngắn sắp xếp song song với nhau để xuất hiện các liên kết Hydro giữa các nhóm CO và NH của các mạch đó với nhau như ở Polyamit. Polyme điều chế từ các diol thay thế có độ hoà tan cao, do đó thích hợp để làm sơn và da. - Ngoài hexametilen diizoxianat ra, người ta còn dùng nhiều hexametilen diizoxianat thơm kết hợp với polyeste. Khối lượng phân tử và cấu tạo của polyeste ảnh hưởng lớn đến các tính chất của polyuretan. - Polyuretan được điều chế từ polyeste và diizoxianat dùng để sản xuất sơn, keo dán, chất đàn hồi và các vật liệu khác. - Với khá nhiều ưu điểm nổi bật nhựa PU được dùng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực như làm sợi, vật liệu đúc, làm chất dẻo xốp, đặc biệt trong lĩnh vực sơn phủ. 4.1. ứng dụng nhựa PU trong sản xuất sơn phủ. [4] - Sơn phủ PU được tao ra nhanh chóng ở nhiệt độ phòng, có độ bóng, chịu mài mòn tốt hơn so với các loại sơn khác. - Có độ bền hoá chất axit, bazo, dung môi, muối, dầu bôi trơn và chịu khí hậu. - Bền mài mòn, chịu va đập, bền cào xước. * PU một thành phần(PU-1) - Quá trình tạo màng xảy ra nhờ phản ứng của nhóm izoxianat –NCO với hơi nước có trong không khí. * PU hai thành phần(PU-2). - Màng sơn loại này được nghiên cứu kỹ hơn cả bởi khả năng ứng dụng lớn của nó trong thực tế. Tỷ lệ cấu tử phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm chức có trong mỗi cấu tử. - Màng PU ở loại này có thể đóng rắn ở nhiệt độ thấp hoặc ở nhiệt độ ca._.o, tốc độ đóng rắn có thể được điều chỉnh bằng dung môi hoặc lượng xúc tác đưa vào phản ứng. - Bên cạnh các ưu điểm trình bày, sơn phủ PU cón có một số nhược điểm như khả năng chịu va đập chưa cao, màng sơn giòn, cứng. 4.2. ứng dụng nhựa PU trong sản xuất sợi và các vật phẩm đúc.[3- 274, 275] - Trong các Polyuretan mạch thẳng, người ta thường dùng Polyme từ hexametilen diizoxianat và 1.4-butandiol-polyme này là sản phẩm rắn, tan trong crezol, H2SO4 đậm đặc và trong HCOOH. Trọng lượng phân tử của nó 13000-30000. Polyme có trọng lượng phân tử trung bình 13000-15000 thích hợp để làm sợi (bằng phương pháp keo từ hỗn hợp nóng chảy). Đối với chất dẻo thì nên dùng Polyme phân tử cao hơn. - Gia công Polyuretan thành sợi có khó hơn so với Polyamit, do Polyme kết tinh nhanh, khó kéo căng và khó nhuộm do độ ưu nước thấp (so với Polyamit). - Do độ hút ẩm nhỏ và chịu hoá học lớn nên sợi Polyuretan dùng để làm vải lọc bền nước nóng và axit làm vải dù, dây cách điện. - Polyuretan mạch thẳng gia công thành vật phẩm ở 180-185oC và dùng trong công nghiệp điện và vô tuyến điện. Dùng phương pháp đúc dưới áp suất để tạo màng, tấm… - Compaum Polyuretan chế tạo từ Polyete đàn hồi và Poly izoxianat, đóng rắn ở 20oC có Polyamin (Ví dụ: trietylen diamin) thích hợp để đúc các chi tiết của thiệt bị điện, làm màng phủ… - Để tăng độ dẫn nhiệt thì cho bột nhôm vào Compaum, để tăng độ bền của vật phẩm thì cho sợi thuỷ tinh vào. 4. 3. ứng dụng nhựa PU trong sản xuất chất dẻo bọt . [3- 275] - Chất dẻo bọt Polyuretan có thể chia ra 2 nhóm: đàn hồi và cứng. Sử dụng phổ biến là chất dẻo cứng. Trước kia, các lỗ ở trong chất dẻo bọt được tạo ra là nhờ CO2 (do izoxianat tác dụng với nước), bây giờ người ta thêm Cacbua hydroflo và clo hoá (freon) để làm cho lỗ rộng hơn và như vậy thì tính chất cách nhiệt của chất dẻo bọt tăng lên nhiều đồng thời giảm bớt tiêu tốn izoxi anat là nguyên liệu đắt tiền. * Có 3 phương pháp chủ yếu để sản xuất chất dẻo bọt: + Trộn rượu nhiều nguyên tử (mono, di izoxianat và trietilen-glicol, glixerin…) với Polyizoxianat và một ít H2O. + Trộn Polyeste hoặc Polyete với Polyizoxianat và một ít nước. + Trộn rượu nhiều nguyên tử hoặc Polyete với Polyizoxianat và chất tạo bọt chứa flo và clo. - Sau khi trộn xong cho hỗn hợp phản ứng vào khuôn để tạo bọt và đóng rắn vật liệu bọt nhờ nhiệt. - Tác nhân tạo bọt đối với chất dẻo bọt cứng là hỗn hợp hai chất: freon-12 có nhiệt độ sôi thấp và freon-11 cao hơn. Tạo bọt sơ bộ nhờ bốc hơi freon-12, tạo bọt cuối cùng nhờ freon-11 bốc hơi ở giai đoạn phản ứng đóng rắn toả nhiệt. Còn đối với chất dẻo đàn hồi thì không dùng freon-11, mà tạo bọt cuối cùng nhờ CO2 tạo ra. - Chất dẻo bọt cứng dùng trong kỹ nghệ chế tạo máy bay và đóng tàu để độn vào bánh, đuôi… Chất dẻo bọt đàn hồi dùng để bao gói vật dễ vỡ, lót, làm đệm, cách nhiệt, tủ lạnh… PHầN II Cân bằng vật chất 2.1. Mục đích và ý nghĩa. - Trong quá trình sản xuất người ta phải tính cân bằng vật chất để xác định nguyên liệu cần thiết, để dự trữ máy móc và thiết bị làm việc liên tục. Tránh thời gian ngừng máy không cần thiết và để không ngừng nâng cao hiệu suất của thiết bị. - Hiểu được mục đích, ý nghĩa của việc tính cân bằng vật chất và đưa vào đơn phối liệu, tỷ lệ những hợp phần trong đơn, lượng hao phí trong quá trình sản xuất Tiền Polyme KT thì sẽ tính từng công đoạn sản xuất thực tiễn. 2.2. Tính số ngày làm việc trong năm. + Số ngày trong năm : 365 ngày. + Số ngày nghỉ chủ nhật: 52 ngày. + Số ngày nghỉ tết, lễ: 8 ngày. + Số ngày nghỉ để sửa chữa: 15 ngày. + Số ngày làm việc trong năm: 290 ngày. 2.3. Tính toán cho một công đoạn sản xuất. - Căn cứ vào % trọng lượng của nguyên liệu ban đầu để sản xuất ra Tiền Polyme KT. - Chọn hiệu suất của quá trình tạo ra sản phẩm là 98%. - Hao hụt sản phẩm trong toàn bộ quá trình là: 2%. Trong đó: + Sản phẩm rượu hoá dầu ve là: 1%. + Tiền Polyme KT là: 1%. 2.3.1. Cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất. a) Tính lượng nguyên liệu ban đầu để sản xuất ra 800 tấn Tiền Polyme KT: (tấn) * Tính lượng Tiền Polyme: - Sản phẩm rượu hoá Dầu ve: (tấn) - Nguyên liệu 102 - T : (tấn) - Toluen : (tấn) * Lượng nguyên liệu thực tế để sản xuất ra được 280,82 tấn sản phẩm rượu hoá dầu ve: - Dầu ve: (tấn) - Glyxerin: (tấn) - Toluen : (tấn) b) Để gia công được 1000 kg Tiền Polyme KT cần lượng nguyên liệu ban đầu là: (kg) * Lượng Tiền Polyme KT: + Sản phẩm rượu hoá Dầu ve: (kg) + Nguyên liệu 102 – T: (kg) + Toluen : (kg) * Lượng rượu thực tế đầu vào để tạo ra được 351,01 kg rượu hoá dầu ve: + Dầu ve: (kg) + Glyxerin : (kg) + Toluen: (kg) c) Lập bảng tiêu hao cho 1 tấn sản phẩm (đv: kg) Bảng 5: bảng tiêu hao nguyên liệu cho 1 tấn sp Tên vật liệu Lượng nhập vào Sản xuất (kg) Lượng ra (kg) Lượng tổn hao (kg) Dầu ve Glyxerin Toluen Nguyên liệu 102 - T 265,36 44,22 310,2 359,18 262,71 43,78 304 355,59 2,65 0,44 6,2 3,59 2.3.2. Tính cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất. - Năng suất năm: 800 (tấn) - Số ngày làm việc: 290 (ngày) - Năng suất 1 ngày: 2758 (kg) Mỗi ngày làm việc 3 ca, mỗi ca làm việc 8h. Dùng nồi phản ứng nấu Tiền Polyme KT với thời gian 1 mẻ (22 – 24h). * Lượng Dầu ve cần dùng cho 1 mẻ là: (kg) + Lượng ra: (kg) + Lượng tổn hao: (kg) * Lượng Glyxerin cần dùng cho 1 mẻ là: (kg) + Lượng ra: (kg) + Lượng hao tổn: (kg) * Lượng Toluen cần dùng là: (kg) + Lượng ra: (kg) + Lượng hao tổn: (kg) * Lượng nguyên liệu (102 – T) cần dùng cho 1 mẻ là: (kg) + Lượng ra: (kg) + Lượng hao tổn: (kg) * Lập bảng tiêu hao nguyên liệu cho 1 mẻ Tiền Polyme KT bằng 2758 kg : Bảng 6 : bảng cân bằng vật chất cho 1 ngày sx (đơn vị: Kg) Tên vật liệu Lượng nhập vào sản xuất (kg) Lượng ra (kg) Lượng hao tổn (kg) Dầu ve Glyxerin Toluen Nguyên liệu 102 - T 731,86 121,95 855,53 990,62 724,55 120,74 838,43 980,72 7,31 1,21 17,1 9,9 2.3.3. Cân bằng vật chất cho 800 tấn Tiền Polyme trong 1 năm sản xuất. - Lượng nhập vào sản xuất trong 1 năm bằng năng suất một ngày nhân với số ngày làm việc trong năm (290 ngày). - Lượng tiêu hao nguyên liệu trong 1 năm bằng lượng tiêu hao nguyên liệu trong 1 ngày nhân với số ngày làm việc trong 1 năm (290 ngày). Bảng 7 : cân bằng vật chất cho 1 năm sản xuất (Đơn vị tính bằng: Tấn) Tên vật liệu Lượng nhập vào sản xuất (tấn) Lượng ra (tấn) Lượng tổn hao (tấn) Dầu ve Glyxerin Toluen Nguyên liệu 102 - T 212,23 35,31 248,2 287,2 210,11 34,96 243,24 284,48 2,12 0,35 4,96 2,87 Bảng 8 : bảng tổng hợp (Từ các Bảng 1, 2, 3 ta có bảng tổng hợp sau) Nguyên liệu Khối lượng dùng cho 1 tấn sp (kg) Khối lượng dùng cho 1 ngày (kg) Khối lượng dùng cho 1 năm (tấn) Dầu ve Glyxerin Toluen Nguyên liệu 102 - T 265,36 44,22 310,2 359,18 731,86 121,95 855,53 990,62 212,23 35,31 248,2 287,35 2.4. Tính toán kích thước thiết bị phản ứng. 2.4.1. Tính toán vỏ thiết bị chính. 2.4.1.1. Tính thể tích nguyên liệu chiếm chỗ trong nồi. Trong đó: + Gi: Khối lượng cấu tử thứ i trong thiết bị phản ứng : G1(Dầu ve) = 731,86 kg G2(Glyxerin) = 121,95 kg G3( Toluen) = 855,53 kg G4(102- T) = 990,62 kg + i : Khối lượng riêng của các cấu tử : 1(Dầu ve) = 960 kg/m3 2(Glyxerin) = 1261 kg/m3 3 ( Toluen) = 866 kg/m3 4(102- T) = 1220 kg/m3 áp dụng công thức : ị V1 = 2,656 m3 m3 Qui chuẩn: V = 4,2 m3 Dựa vào công thức tính thể tích hình trụ tròn: Quan hệ giữa chiều cao và đường kính trong phải thoả mãn : hb H - Các thông số của thiết bị như sau : Vt: Thể tích hình trụ (Vt = 4,2 m3) Dt: Đường kính trong, Dt = 1,6 m. H: Chiều cao phần hình trụ (H = 2,1 m) S: Diện tích phần elip, S = 2,9 m2 hb: Chiều cao phần lõi của đáy, hb = 0,4 m. V: Thể tích phần lõi của đáyV= 0,578 m3 2.4.1.2. Tính chiều dày của thân thiết bị. - Vì các chất không có tác dụng ăn mòn thiết bị nên chọn vật liệu làm thiết bị là loại thép cacbon CT3 có các thông số như sau [3]: l = 7850 kg/m3 r = 50 W/m.K - Thiết bị chịu áp suất trong do nhiệt độ trong thiết bị cao hơn nhiệt bên ngoài. - Chiều dày của thiết bị được tính theo công thức sau: j: Hệ số bền mối hàn theo phương dọc thiết bị bằng 0,95. {2.XIII.8} Cm: Đại lượng bổ xung P: áp xuất làm việc của thân thiết bị N/m2 [d] : ứng suất cho phép theo giới hạn bé nhất - Môi trường là lỏng và áp suất của thân P tính tại nơi chịu áp suất lớn nhất chính bằng: P = Pkq + P1 Pkq: áp suất khí quyển, N/m2 P1: áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng P1 = rhh x g x H1 rhh : Khối lượng riêng của hỗn hợp, g/cm3 H1: Chiều cao của cột chất lỏng, m. Thể tích phần chứa khối chất lỏng trong thân hình trụ là: V = 2,656 m3 - Chiều cao của khối chất lỏng được tính theo công thức sau: - Qui chuẩn : H1 = 1,4 m - Khối lượng riêng của hỗn hợp được tính theo công thức sau: a1, a2, a3, a4: là nồng độ phần trăm khối lượng của Dầu ve, Glyxerin, Toluen, 2,4 TDI. - Dựa vào bảng cân bằng vật chất cho 1 mẻ có: Ta có: rhh = 1010 kg/m3 Vậy P1 = 1010 x 9,81 x 1,4 = 0,01585 x 106 N/m2 Pkq = 1.106 N/m2 Mà P = Pkq + P1 Vậy: P = 1.106 N/m2 + 0,01585 .106 N/m2 P = 1,01585 x 106 N/m2 - ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền kéo được xác định theo công thức :[2.xiii.1] , [2.xiii.3] - ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn chảy được xác định theo công thức :[2.xiii.2] , [2.xiii.3] Trong đó: + dk, dc: Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy , cho bằng là 380 x 106 240 x 106 [2] + nk: Hệ số an toàn giới hạn bền khi kéo bằng 2,6 [2] + nc: Hệ số an toàn giới hạn bền chảy bằng 1,5 [2] + h: Hệ số điều chỉnh, thiết bị thuộc nhóm 2 loại II ta chọn h = 0,9 [2] Vậy ứng suất của thân thiết bị là: Ta phải chọn giá trị nhỏ hơn : N/m2 [2.xiii.8] Cm : Là đại lượng được bổ xung trong công thức, nó phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung saicủa chiều dày. Cm được tính theo công thức : Cm = C1 + C2 + C3 [2.xiii.9] Trong thiết bị được thiết kế là vật liệu bền (0,005 – 0,1 mm/năm) Ta có thể lấy C1 = 1mm =1. 10-3 m Đây là thiết bị hoá chất nên ta có thể chọn C2 = 0 - Thiết bị là vật liệu bền , C3 được tra trong bảng = 0,8 .10-3 m [2.xiii.9] Cm = ( 1 + 0 + 0,8) x 10-3 m Cm = 1,8 x 10-3 m  s= 6,53. 10-3 m + 1,8.10-3m S = 0,00833 m = 8,33 mm Qui chuẩn: S = 8 mm Kiểm tra độ bền ứng suất theo áp suất thử P0 theo công thức sau: Trong đó: s: ứng suất theo áp suất thử. P0: áp suất thử. P0 = Pth + P1 [2] Pth: áp suất thuỷ lực, N/m2 P1: áp suất thuỷ tĩnh của nước, N/m2 Pth = 1,5 P = 1,5 x 1,01585 x 106 N/m2 Pth = 1,52378 x 106 N/m2 Vậy P0 = 1,52378 x 106 N/m2 + 0,01585 x 106 N/m2 P0 = 1,5396 .106 N/m2 s = 136,4,18 x 106 N/m2 Ê 200 x 106 N/m2 Vậy với chiều dày là 8 mm thì thân thiết bị là đủ bền. 2.4.1.3. Tính chiều dày, đáy nắp thiết bị. - Đáy nắp thiết bị chịu áp suất trong, chiều dày thiết bị được tính theo công thức sau: Trong đó: [d] : ứng suất cho phép của thép. K: Hệ số không thứ nguyên. jht : Hệ số bền mối hàn hướng tâm. hb: Chiều cao phần nồi của đáy. C: Đại lượng bổ sung (do ăn mòn,độ bào mòn và dung sai của chiều dày) Chọn C = 0,0018m = 1,8 . 10-3 m - Đáy và nắp có gờ, sử dụng vật liệu đồng nhất với thân tháp là thép cacbon CT3. ở tâm đáy có ống tháo sản phẩm. Tra sổ tay ta có: hb = 0,4 m F = bề mặt trong, F = 2,9 m2 K = 1 jht = 0,95 m S =( 0,0034 x 2) m + 1,8. 10-3 m S = 6,8 mm + 0,0018 mm = 8,6 mm Qui chuẩn: S = 8 mm Kiểm tra độ bền ứng suất theo áp suất thử P0 theo công thức sau: s = 143,36 x 106 N/m2 Ê 200 x 106 N/m2 Vậy ta chọn chiều dày đáy là 8 mm là thoả mãn đáy thiết bị có cấu tạo như sau: (hình vẽ) Dt: Đường kính trong của thiết bị, Dt = 1,6 m S: Chiều dày của đáy thiết bị, S = 8 mm hb: Chiều cao phần nồi của đáy thiết bị, hb = 0,4 m * Chọn vật liệu làm nắp giống thân và đáy của thiết bị là thép CT3 có chiều dày bằng chiều dày của thân vì nắp không phải chịu (rất nhỏ) áp suất thuỷ lực. Vậy chọn chiều dày của nắp là 8 mm. 2.4.2. Tính cánh khuấy, môtơ cánh khuấy. [1] Muốn tạo các huyền phù, nhũ tương và những hỗn hợp vật lý đồng nhất trong ngành hoá chất người ta thường dùng các quá trình khuấy trộn. - Ngoài ra người ta còn ứng dụng khuấy trộn để tăng cường các quá trình trao đổi nhiệt và chuyển khối có kèm theo hiện tượng đảo lẫn hoặc cần thiết để thực hiện có hiệu quả nhiều phản ứng hoá học. - Các quá trình khuấy trộn đặc trưng bởi 2 yếu tố: hiệu quả khuấy trộn và tiêu hao năng lượng. Thường người ta quan niệm hiệu quả khuấy trộn là chất lượng của kết quả khuấy trộn đã đạt được theo thời gian. - Trong trường hợp chung khi cánh khuấy quay thì nó thực hiện công dùng để khắc phục trở lực của các lực quán tính và lực ma sát của chất lỏng cần khuấy trộn. Tuy nhiên ảnh hưởng riêng của các lực này khác nhau trong giai đoạn mở máy và giai đoạn làm việc của máy khuấy. Như vậy khi mở máy thì các cánh khuấy gặp một trở lực rất lớn về phía chất lỏng, mà quán tính khối lượng của nó cần phải được khắc phục. Muốn làm chất lỏng chuyển động thì phần lớn công của máy khuấy dùng để thắng các trở lực bên trong chất lỏng (các trở lực ma sát, va đập của các chất lỏng vào thành thiết bị). Vì vậy mà công suất mở máy luôn luôn lớn hơn công suất làm việc. - Trong thực tế khi đánh giá một máy khuấy người ta thường chú ý đến những yếu tố sau: + Chọn cánh khuấy. + Thời gian khuấy. + Công suất tiêu hao. + Số vòng quay. + Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt. Có các loại cánh khuấy sau: + Cánh khuấy kiểu mái chèo: Dùng để khuấy trộn các chất lỏng có độ nhớt thấp, để hoà tan và huyền phù hoá những chất rắn có khối lượng riêng bé và còn dùng để khuấy trộn sơ bộ các chất lỏng có độ nhớt thấp hơn 200000cP. Những cánh khuấy này không dùng để hoà tan nhanh, không làm phân tán mịn và cũng không dùng để tạo những huyền phù chứa pha rắn có khối lượng riêng lớn được. + Cánh khuấy hình khung: Dùng để điều chế huyền phù, nhũ tương. Loại cánh khuấy này dùng không thích hợp đối với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp, trong đó pha rắn có khối lượng riêng lớn. + Cánh khuấy tuốc bin: Loại này dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao (m = 5.105cP), để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan nhanh nhất chất rắn hoặc để khuấy trộn chất lỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn lên đến 80%. + Cánh khuấy đặc biệt: Dùng trong trường hợp không thể dùng các loại cánh khuấy trên. Loại này dùng để khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ nhớt rất cao. - Trong phạm vi đồ án này do phản ứng toả nhiệt mạnh, để tránh hiện tượng toả nhiệt cục bộ, đồng đều sản phẩm, tăng cường quá trình nhiệt, ngăn cản quá trình kết tủa và nắng cặn ở thành và đáy, tránh hiện tượng sản phẩm bị vón cục, mặt khác độ nhớt của hỗn hợp phản ứng không lớn lắm do đóta chọn cánh khuấy hình mỏ neo hay cánh khuấy hình khung cho thiết bị phản ứng. d: Đường kính trục cánh khuấy, (m) b: Chiều rộng cánh khuấy, (m) Hkh: Chiều cao của cánh khuấy, (m) DM: Đường kính của cánh khuấy, (m) Chiều ngang của cánh khuấy chọn bằng 0,7 lần đường kính trong của thiết bị DM = 0,7 x 1,6 = 1,12 Làm tròn DM = 1,2 m Khoảng cách cánh khuấy đến đáy thiết bị chọn bằng 0,1 m, chiều cao của cánh khuấy Hkh = (0,9 á 1)DM =(0,9 á1)1,2 Vậy ta chọn Hkh = 1,1 m Bề rộng thanh khuấy chọn đồng đều bằng 0,05 m và làm bằng vật liệu CT3 * Cơ cấu khuấy trộn gồm những phần đối xứng là: + Cánh nằm ngang (I): Kích thước 1100 x 50 x 50 mm + Cánh thẳng đứng (II): Kích thước 1200 x 50x 50 mm + Phần giá đỡ của cánh khuấy (III) có đường kính ngoài R2 = 1200 mm, cũng làm bằng thép góc 50 x 50 mm như cánh khuấy thẳng đứng. Nc = Nng + Nđ + Ngđ (kw) Nng: Công suất làm quay các cánh khuấy nằm ngang. (kw) Nđ: Công suất làm quay các cánh khấy thẳng đứng. (kw) Ngđ: Công suất làm quay phần giá đỡ. (kw) Tính công suất Nng áp dụng công thức: Bề mặt chính diện của cánh khuấy (Fch ) : Fch = b.h = (0,5 – 0,05) x 0,05 = 0,0225 m2 Ta có bảng [2] b/h 1 2 4 10 18 > 18 j 1,1 1,15 1,19 1,29 1,4 2,0 n: Số vòng quay của máy khuấy trong 1 phút, n=50 vòng/phút j: Hệ số phụ thuộc vào cánh khuấy nằm ngang, chọn j =1,28 z: Số đôi cánh khuấy nằm ngang, z = 1 h: Hiệu suất cơ học của cơ cấu chuyển động, = 0,75 r : Khối lượng riêng của hỗn hợp, rhh = 1010 kg/m3 Nng = 0,27 kw * Tính công suất của Nđ: Nđ D1: Đường kính vòng tròn quyết bởi cạnh trong cùng của cánh khuấy, (m). D2: Đường kính vòng tròn quyết bởi cạnh ngoài cùng của cánh khuấy, (m). do đó :j = 1,28 z = 1 Nđkw * Tính công suất Ngđ: Công suất để làm quay phần giá đỡ của cánh khuấy (III) : R2 = 1,2; R1 = R2 – (0,05 x 2) = 1,2 – 0,1 = 1,1 m Ngđ R1, R2: Bán kính đường cong ứng với phần trong và phần ngoài của cánh khuấy: Ngđ Ngđ = 15,72 (kw) Công suất cần thiết dùng cho toàn bộ cánh khuấy chuyển động được là: Nc = 0,27 + 2,7 + 15,72 Nc = 18,69 (Kw) Chuẩn hoá cánh khuấy có những thông số sau: Dm (m) Fch (m2) b/h j n (V/ phút) N (kw) 1,2 0,0225 0,9 1,28 50 18,69 Công suất động cơ: h: Hiệu suất truyền động của động cơ. h = 0,7 Đường kính trục cánh khuấy được xác định như sau: Trong đó: MX : Mômen xoắn được xác định như sau: N: Công suất tiêu tốn (kw) n: Số vòng quay (V/ph) d = 47,78(mm) 2.4.3. Tính lớp vỏ gia nhiệt. - Lớp vỏ gia nhiệt tạo với lớp vỏ trong của thiết bị phản ứng, vỏ làm bằng thép CT3. + Đường kính trong của thiết bị chính là 1,6 (m) nên chọn đường kính trong của vỏ gia nhiệt là 1,8 (m) và chiều dày là 8 (mm). + Chiều cao lớp vỏ gia nhiệt lấy bằng chiều cao của chất lỏng cộng thêm (20 cm) . Vậy chiều cao của cột chất lỏng được tính như sau: Trong đó: hb: Phần cao đáy thiết bị h = 0,4 (m) S : Tiết diện ngang của thiết bị (m2) Vđ : Thể tích phần đáy của thiết bị Vđ = 0,578 (m3) Vngl: Thể tích nguyên liệu, (m3) Qui chuẩn h = 1,4 (m) 2.4.4. Tính chiều dày lớp bảo ôn. - Bảo ôn có tác dụng làm giảm bớt sự truyền nhiệt ra ngoài môi trường từ bề mặt thiết bị phản ứng. Do vậy nó có tác dụng làm giảm nhiệt mất mát ra ngoài, và như vậy làm giảm lượng chất tải nhiệt cần để đun nóng thiết bị phản ứng. Thành của thiết bị bảo ôn như sau: Vật liệu bảo ôn được chọn là bông thuỷ tinh - Có các thông số sau: t1: Nhiệt độ của chất tải nhiệt (0C) t2: Nhiệt độ của không khí, t2 = 25 0C d1: Chiều dày của tấm thép (mm) d2: Chiều dày của lớp bảo ôn. (mm) tT1: Nhiệt độ bề mặt của tấm thép giáp với chất tải nhiệt (0C) tT2: Nhiệt độ bề mặt của bảo ôn giáp với không khí (0C) lt: Hệ số dẫn nhiệt của thép (w/m.độ) l0: Hệ số dẫn nhiệt của bảo ôn (w/m.độ) - Coi quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt ra môi trường là truyền nhiệt đẳng nhiệt và ổn định. Như vậy nhiệt tải riêng đến thành thiết bị (q1), nhiệt tải riêng do dẫn nhiệt qua thành (q2) và nhiệt tải riêng do bức xạ từ thành thiết bị vào không khí (q3) sẽ bằng nhau. à q1 = q2 = q3 Ta có: q1 = a1. Dt1= a1. (t1- tT1) q3 = a2. (tT2 – t2) Trong đó: l1: Hệ số dẫn nhiệt của thép CT3 (w/m. độ) l2: Hệ số dẫn nhiệt của bảo ôn (w/m. độ) a1: Hệ số cấp nhiệt của dầu tải nhiệt (w/m. độ) a2: Hệ số cấp nhiệt do tổn thất ra môi trường xung quanh (w/m. độ) a2 = 9,3 + 0,058.tT2 {2 – 311} Chọn: tT2 = 35 (oC) à a2 = 11,33 (w/m. độ) Có q2 = q3 nên : à Bỏ qua nhiệt trở trong vỏ bọc và ngoài lớp bảo ôn . Tính chiều dày lớp bảo ôn (của sản phẩm rượu hoá Dầu ve) TT1 = t1 = 240 (0C) l1 = 50,2 (w/m. độ) l2 = 0,125 (w/m. độ) Thay số vào ta có: Quy chuẩn = 230 (mm) Kiểm tra lại nhiệt độ bảo ôn: Chọn vật liệu bảo ôn là bông thuỷ tinh Các thông số của dầu BOT tại 240 (0C) áp suất 1 (at) + Khối lượng riêng: rhh = 1010 (kg/m3) + Nhiệt dung riêng: CP = 1,8 (kJ/kg.độ) + Chuẩn số Pran: Pr = 18,5 + Hệ số dẫn nhiệt: l = 0,128 (w/m. độ) + Nhiệt độ sôi: 258 (0C) + Độ nhớt: mm = 80,7 . 10-5 (N.s/m2) - Khi đun nóng dầu tải nhiệt chuyển động trong khoảng không gian giữa vỏ áo và thân thiết bị, thiết diện của khoảng không gian hình vành khăn nên chuẩn số Nuxen được xác định như sau: Nu = 0,021 . Re8 .Pr0,4 . {Pr/(D - d)}0,45 (2) W: Vận tốc của dầu, chọn w = 0,25 (m/s) dtđ: Đường kính tương đương với thiết diện hình vành khăn D : Đường kính vỏ áo, D = 1800 (mm) d: Đường kính thân thiết bị = 1600 + (2x8) = 1616 (mm) dtđ = (D – d) : 2 = (1800 – 1616 ) : 2 = 184 : 2 = 0,092 (m) Vậy : Nu = 0,021 . (2,667 . 105)0,8 . (18 . 5)0,4 . Mà : (w/m. độ) Nhiệt độ bảo ôn là: Sai số (35 – 34,86)/ 35 Ê 5% chấp nhận được Chọn tT2 = 35 (0C) 2.4.5. Các ống dẫn nguyên liệu vào nồi phản ứng. - Các ống nối dùng để nối thiết bị với đường ống thiết bị. Đó là một đoạn ống có bích chế tạo bằng vật liệu vỏ được đúc với thân. Đường kính của ống dẫn nguyên liệu được tính theo công thức: Q: Lưu lượng của lưu thể (m3/s) V: Vận tốc của lưu thể trong ống (m/s) Nước chảy do áp lực thì V = 0,8 á 1,5 m/s Giả thiết thời gian nạp liệu là 15 phút * ống dẫn Dầu ve vào nồi phản ứng : md/v = 731,86 kg Do đó: Q = 8,47 . 10-4 (m3/s) Chọn vận tốc lưu thể trong ống là V = 1,5 (m/s) D = 0,0268 (m) = 26,8 mm Qui chuẩn lên: 30 mm Chiều dài ống nối l = 100 mm * ống dẫn Toluen vào nồi phản ứng: mt/l = 855,53 kg Qn: Lưu lượng Toluen cho mỗi mẻ sản xuất (m3/s) rn : Khối lượng riêng của Toluen (kg/m3) (m3/s) Chọn vận tốc lưu thể trong ống là V = 1,5 (m/s) dn: Đường kính ống nối dẫn Toluen vào thiết bị phản ứng (m). dn = 0,031 m = 31 mm Qui chuẩn = 40 mm Chiều dài ống nối l = 100 mm * ống dẫn Glyxerin vào nồi phản ứng : mg = 121,95 kg Qn: Lưu lượng Glyxerin cho mỗi mẻ sản xuất (m3/s) rn : Khối lượng riêng của Glyxerin (kg/m3) (m3/s) Chọn vận tốc lưu thể trong ống là V = 1 (m/s) dn: Đường kính ống nối dẫn Glyxerin vào thiết bị phản ứng (m). dn = 0,012 m = 12 mm Qui chuẩn = 15 mm Chiều dài ống nối l = 100 mm * ống dẫn nguyên liệu 102-T vào nồi phản ứng : m102-T = 990,62kg Qn: Lưu lượng nguyên liệu 102- T cho mỗi mẻ sản xuất (m3/s) rn : Khối lượng riêng của nguyên liệu 102 -T (kg/m3) (m3/s) Chọn vận tốc lưu thể trong ống là V = 1,5 (m/s) dn: Đường kính ống nối dẫn nguyên liệu 102 -T vào thiết bị phản ứng (m). dn = 0,034 m = 34 mm Qui chuẩn = 40 mm Chiều dài ống nối l = 100 mm 2.4.6. Chọn mặt bích, đệm, bulông. - Bích là một bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác của thiết bị lại với nhau. - Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phương pháp nối và áp suất của môi trường. - Trên hình dưới đây thể hiện kiểu mặt bích được chọn: Do thiết bị làm việc ở áp suất không cao lắm cho nên ta chọn kiểu bích liền là bộ phận nối liền với thân thiết bị. - Đáy của thiết bị được hàn với thân giáp mối hàn, hai bên hàn điện bằng tay. Nắp thiết bị có lỗ để đổ nguyên liệu vào và lắp cánh tay khuấy. Tất cả đều được tăng cường. Nắp nối liền với thân thiết bị bằng mặt bích và bulông. Bulông có vòng đệm bằng đồng.(Hình vẽ ) Chọn bích liền bằng thép kiểu I với thông số sau: áp suất Py = 105 (N/m2) Các thông số của hình vẽ trên như sau: Dt: 1,6 (m) D: 1740 (mm) Db: 1690 (mm) D0: 1614 (mm) Bulông db: M20 z: 32 cái (số bulông cần dùng) h = 28 (mm) 2.4.7. Tính tai treo của thiết bị. - Thiết bị hoá chất đang dùng, tháp, nồi phản ứng hay các thiết bị chứa đều có sức nặng lớn, do bản thân nó cũng có các vật liệu chứa bên trong. Do đó khi lắp đặt cơ cấu giữa chúng phải chịu ứng suất uốn, cắt rất lớn và cũng phải chịu các rung động khi làm việc. - Để giữ các thiết bị này có thể sử dụng chân đỡ hoặc tai treo. Tai treo có ưu điểm gọn nhẹ, không làm vướng các cơ cấu khác, phân bố tải trọng đều, giá thành rẻ, vì vậy ta chọn tai treo. - Để xác định kích thước tai treo phải tính tải trọng cần đỡ. - Khối lượng của toàn bộ thiết bị khi chưa có nguyên liệu là: G1 = Gvỏ + GT/bị + Gb + GCK + Gđc + Gbô Gvỏ: Khối lượng của vỏ gia nhiệt (kg) GT/bị: Khối lượng của thiết bị (kg) Gb: Khối lượng của mặt bích (kg) Gck: Khối lượng của cánh khuấy (kg) Gđc: Khối lượng của động cơ (kg) Gbô: Khối lượng của bảo ôn (kg) GT/bị = Gt + Gn + Gđ Gt: Khối lượng của thân tháp (kg) Gn: Khối lượng của nắp (kg) Gđ: Khối lượng của đáy (kg ) Gt = rt + V rt : Khối lượng riêng của thép (kg/m3) rt = 7,85 . 103 (kg/m3) Dn: Đường kính ngoài của thiết bị (m) Dn = 1,616 (m) Dt: Đường kính trong của thiết bị (m) Dt = 1,6 (m) h: Chiều cao của thân tháp (m) h = 2,1(m) * Khối lượng thân thiết bị : Gt = 7,85 x 103 x 0,044 Gt = 0,3454 x 103 Gt = 345,4 (kg) Gđ = 7,85 x 103 x 0,005 x 2,9 Gđ = 114 (kg) Gn = 7,85 x 103 x 0,004 x 2,9 Gn = 91 (kg) GT/bị = 345,4 + 114 + 91 GT/bị = 550,4 (kg) * Khối lượng vỏ gia nhiệt : Gvỏ = 347,9 (kg) * Khối lượng của bích và bulông: Gb = 57 (kg) * Khối lượng của cánh khuấy: Gck = 100 (kg) * Khối lượng của động cơ và bộ phần chuyển động Gđc = 300 (kg) r: Khối lượng riêng của bông thuỷ tinh , r = 200 (kg/m3) * Khối lượng của bảo ôn : Gbô = 8,86 (kg) Vậy tổng khối lượng thiết bị là: G1 = 347,9 + 550,4 + 57 + 100 +300 + 8,86 G1 = 1364,16 kg mnl = G1 + G2 + G3 + G4 mnl = 731,86 + 121,91 + 855,53 + 990,62 mnl = 2699,92 (kg) Vậy khối lượng toàn bộ thiết bị khi có cả nguyên liệu là: M = 1364,16 + 2699,92 M = 4064,08 (kg) Ta chọn tai treo loại 4 tai, vậy tải trọng đặt lên mỗi tai là: (N) Vật liệu làm tai treo bằng thép CT3 có hình dạng như sau: Trong đó: S = 8(mm) H = 170 (mm) L = 110 (mm) a = 15 (mm) d = 23 (mm) B1 = 90 (mm) l = 45 (mm) 2.5. Tính toán bơm. * Quá trình vận chuyển chất lỏng từ thấp lên cao, từ thiết bị này lên thiết bị khác, hay muốn cung cấp năng lượng cho chất lỏng làm tăng áp suất của nó lên cao. Vì vậy phải dùng bơm. Bơm là máy thuỷ lực để vận chuyển và truyền năng lượng cho chất lỏng. * Có rất nhiều loại bơm với những đặc trưng và cấu tạo tính năng, phạm vi sử dụng khác nhau. Dựa vào nguyên lý làm việc người ta chia bơm làm 3 loại: 1> Bơm thể tích: chất lỏng được hút vào và đẩy ra của bơm do sự thay đổi thể tích trong bơm nhờ một bộ phận chuyển động tịnh tiến hay quăng, do đó thế năng và áp suất của chất lỏng tăng lên. 2> Bơm ly tâm: Chất lỏng được hút vào và đẩy ra của bơm nhờ sức ly tâm tạo nên trong chất lỏng khi guồng quay. 3> Bơm không có bộ phận dẫn động: gồm có một số bơm đặc biệt như: bơm tia, bơm sục khí, thùng nén, xiphông … không có bộ phận dẫn động như: động cơ điện, máy hơi nước, mà dùng luồng khí hay hơi làm nguồn động lực để chất lỏng chuyển động. * Với bơm ly tâm có những ưu điểm sau: cung cấp đều, quay nhanh, cấu tạo dơn giản, có thể bơm các chất lỏng không sạch, không có suppap nên ít bị tắc và hư hỏng. - Tính bơm vận chuyển dầu Ve: Trong 1 mẻ sản xuất khối lượng cần bơm lên thùng là: M = 731,86 kg r = 960 kg/m3 M 731,86 v = = r 960 V = 0,762 m2 Thời gian bơm là 5 phút, vậy năng suất của bơm cần có là: G = 0,0025 m/s áp suất toàn phần do bơm tạo ra được xác định theo công thức: Trong đó: H: áp suất toàn phần do bơm tạo ra. p1, p2: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút, N/m2 r : Khối lượng riêng của chất lỏng cần bơm. g: Gia tốc trọng trường, m/s2 H0: Chiều cao nâng chất lỏng, H0 = 10 m. Tính Dp = Dpđ + Dpms + Dpc + DpH + Dptb + Dpk [1] Dp : áp suất toàn phần để khắc phục tất cả trở lực trong hệ thống. Dpđ: áp suất động học tại vận tốc cho dòng, N/m2 Dpms: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng, N/m2 Dpc: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ. DpH: áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh. Trong phạm vi của đồ án này ta bỏ qua áp suất của DpH, Dptb, DpK Do vậy: Dp = Dpđ + Dpms + Dpc + Tính áp suất động lực học: Ta chọn w = 1,5 m/s r = 960 kg/m3 n/m2 Dpđ = 1080 N/ m2 + Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng: Dpms l: Hệ số ma sát w: vận tốc dòng chảy Đường kính ống dẫn được tính theo công thức: Trong đó: G: Lưu lượng Dầu ve, G = 0,0025 m/s w: Vận tốc trung bình, w = 1,5 m/s à Qui chuẩn d = 0,04 m = 40 mm + Tính hệ số ma sát l Hệ số ma sát phụ thuộc vào chế độ chảy dòng xác định bằng chuẩn số Raynol Trong đó: dtđ: Đường kính tương đương, dtđ = 0,044 m. r : Khối lượng riêng, r = 960 kg/m3 m: Độ nhớt Dầu ve, m = 0,73 . 10-3 (N.s/m2) Thay số được chuẩn số Raynol Vì Re = 8,6794 . 104 > 104 do đó chế độ chảy dòng trong đường ống là hệ số chảy xoắn. - Tính l + Khu vực nhẵn thuỷ học x: Độ nhẵn tuyệt đối của ống dẫn. x = 0,2 x 10-3 m [1] + Khu vực xuất hiện vùng nhóm. Regh = 1,2451 . 104 Vì Regh < Re = 1,2451 . 104 < 8,6794 . 104 Nên dòng chảy ở khu vực là quá độ l = 0,0008 Chọn L = 30 m. - áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng được tính như sau : Dpms = 590 Ns/m2 - Tính áp suất để khắc phục trở lực cục bộ [ 1] x: Hệ số trở lực cục bộ - Chọn đượng ống dùng khuỷu kiểu vuông góc 900 có hệ số trở lực cục bộ đối với ống nối có đường kính ống 40 mm, xkhuỷu = 1,26. Trên đường ống dẫn có 4 khuỷu. Van trên đường ống từ thùng chứa đến thùng lường có 1 van tiêu chuẩn có hệ số trở lực cục bộ đối van tiêu chuẩn, xvan = 4. Hệ số trở lực cục bộ của đường ống từ thùng chứa dầu ve đến thiết bị phản ứng. x = xkhuỷu + xvan x = 4.1,26 + 4 = 9,04 - Như vậy áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ là: Dpc = 9763,2 N/m2 Dp = Dpđ + Dpms + Dpc Dp = 1080 + 590 + 9763,2 Dp = 11433, 2 (N/m2) Vậy à hm = 1,21 áp suất toàn phần do bơm tạo ra được xác định như sau: Vì p1 = p2 = 1 at H = H0 + hm = 10 + 1,21 H = 11,21 m + Công suất tiêu thụ trên trục bơm xác định theo công thức sau: Trong đó: h: Hiệu suất toàn phần của bơm h = h0 x ht/l x hck [1] Tra bảng [1 - 493] được các hiệu suất đối với bơm ly tâm. h0 = 0,85 á 0,96, chọn h0 = 0,92 ht/l = 0,8 á 0,85, chọn ht/l = 0,82 hck = 0,92 á 0,96, chọn hck = 0,94 Hiệu suất toàn phần của bơm h = 0,92 x 0,82 x 0,94 h = 0,70 + Tính công suất yêu cầu của bơm N = 0,381 + Tính công suất động cơ điện N Nđc = htr . hđc Trong đó: Nđc: Công suất của động cơ điện, Kw N: Công suất của bơm, Kw htr: Hiệu suất truyền động, htr = 0,9 hđc : Hiệu suất động cơ điện, hđc = 0,95 0,381 Nđc = 0,9 . 0,95 Nđc = 0,45 Kw Chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán. Ncđc = b . Nđc b: Hệ số dự trữ công suất, tra bảng [1 - 493] b = 3 Vậy công công suất của bơm ly tâm là: Ncđc = 3 . 0,45 Ncđc = 1,35 Kw 2.6. Tính cân bằng nhiệt l._.