Проект узла сополимеризации стирола с метилметакрилатом в производстве латекса

Воды:    

ПВС:

Мономеров: 

Дипроксида:

Сополимера:

 

Таблица 7 – Стадия фасовки  полученного латекса

Приход	кг/сут	%	Расход	кг/сут	%
1.Латекс, в т.ч.: - вода - эмульгатор - дипроксид - сополимер - мономеры	116200,177 82839,968 1659,923 49,797 31647,359 3,13	100 71,29 1,43 0,043 27,23 0.007	1.Товарный латекс, в т.ч.: - вода - эмульгатор - дипроксид - сополимер - мономеры 2. Потери, в т.ч.: - вода - эмульгатор - сополимер - мономеры - дипроксид	115967,777 81676,288 1656,603 49,697 31584,064 3,12 232,400 165,680 3,320 63,295 0,0063 0,099	98 69,02 1,4 0,04 26,69 0,003 2 1,42 0,03 0,54 0,00005 0,005
Итого	116434,335	100	Итого	116434,335	100

 

Таблица 8 – Расходные  коэффициенты сырья на 1 т. готового продукта

Наименование сырья	Расход, кг/сут	Расходный коэффициент, кг/т готового продукта	Расходный коэффициент, кг/100 кг мономеров
Мономеры Вода Инициатор ПБ Эмульгатор Дипроксид	33532,566 83831,415 335,326 1676,628 50,299	1026,096 2565,241 10,261 51,305 1,539	- 250 1 5 0,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Выбор материала и конструкции основного аппарата

 

Реактор – аппарат, в котором  протекает основной процесс химической технологии – образование нового продукта в результате сложного взаимодействия исходных веществ, должен работать эффективно, то есть обеспечивать требуемую глубину  и избирательность химического  превращения. Это основной аппарат, от конструкции и типа которого зависит  производительность, качество выпускаемого полимера и экономические показатели. Реактор должен удовлетворять следующим  требованиям: иметь необходимый  реакционный объем, обеспечивать заданную производительность и определенный гидродинамический режим движения реагентов, создавать требуемую  поверхность контакта фаз, поддерживать необходимый теплообмен в процессе и т.д.

Устройство реактора определяет ряд факторов: агрегатное состояние  реагирующих и образующихся веществ  и консистенция реакционной массы, интенсивность теплообмена, химические свойства перерабатываемых веществ, наличие  и отсутствие катализатора, заданная производительность процесса, удобство монтажа и ремонта аппарата, простоту его изготовления и т.д. [9]

Реакторы, применяемые в  технологии синтеза полимеров, отличаются большим разнообразием форм, размеров и конструкций. Принятая в химической технологии классификация реакторов  основана на различии движения потоков  реагентов. В реакторах смешения обеспечивается надежное перемешивание  реагирующих веществ по всему  объему аппарата. В реакторах вытеснения такое перемешивание различных  элементов среды в направлении  движения потоков не предусиатривается.

Реакторы классифицируются:

1. В зависимости от фазового состояния – гомогенные, гетерогенные;
2. По характеру загрузки и выгрузки сырья – периодические, непрерывные, полупериодические;
3. По тепловому режиму – изотермические, адиабатические, политропические;
4. По режиму движения реакционной среды – аппараты смешения, вытеснения, диффузионные, с комбинированной структурой потока;
5. По конструктивным признакам – трубчатые, емкостные, полочные, комбинированные.

Экономически выгоднее применять  реактор смешения, так как он менее  металлоемок, менее сложен конструктивно, а, следовательно, имеет более низкую стоимость.

В данном проекте рассматривается  узел сополимеризации. Для получения  сополимера используется полимеризатор, который представляет собой реактор смешения периодического действия. Большинство компонентов, поступающих на стадию сополимеризации – жидкости, подающиеся под давлением 1,2 МПа, поэтому выбираем емкостной тип реактора. Для обеспечения изотермического режима аппарат снабжен гладкой рубашкой, но так как этой внешней поверхности теплообмена недостаточно, установлена внутренняя поверхность в виде змеевика. Для перемешивания жидкой неоднородной системы используем тихоходную мешалку рамного типа. Вал мешалки выведен из реактора через торцевое уплотнение.

Конструкционные материалы  выбирают в зависимости от температуры, давления и коррозионного действия среды. Основным фактором при выборе конструкционного материала является его коррозионная стойкость. Коррозия ставит под угрозу прочность аппарата, а также загрязняет продукт. В  первом случае можно согласиться  на изготовление аппарата из менее  дефицитных и стойких материалов, при этом увеличив толщину стенки аппарата, во втором случае целесообразно  применять материалы, исключающие  возможность коррозии.

Основным машиностроительным материалом являются конструкционные  стали. Сталь – это сплав железа с углеродом, который находится  в стали в виде карбида железа – цементита. В конструкционных  сталях массовое содержание углерода составляет до 0,7 %. Они подразделяются на две группы – углеродистые и  легированные.

Углеродистые стали применяются  при отсутствии воздействия агрессивных  сред. Легированные стали являются высококачественными конструкционными материалами. [10]

На основании вышесказанного, для изготовления реактора используем биметалл. В качестве защитного коррозионностойкого слоя используем сталь Х18Н10Т, а основной слой состоит из стали марки Ст.3. Из биметалла изготавливаются обечайки, днище и крышка реакционного аппарата, а также штуцера для ввода исходных реагентов и для вывода продуктов реакции и мешалка.

Для изготовления деталей  полимеризатора, не соприкасающихся с реакционной средой, используем сталь марки Ст.3. Следовательно, из стали марки Ст.3 изготавливают рубашку, штуцера для ввода и вывода хладагента, а также фланцевые соединения.

 

4. Расчет объема реактора

Основной задачей технологического расчета является определение размеров реакционной зоны аппарата, обеспечивающей заданную производительность.

Исходные данные для расчета  РПД:

• производительность реактора по загрузки;
• степень превращения основного вещества;
• сведения о кинетики;
• плотность реакционной массы;
• коэффициент заполнения РПД.

Для проведения процесса смешивания выбран емкостной реактор периодического действия.

Общий объем реактора рассчитывается по формуле:

 где

n – коэффициент запаса производительности (1,1 – 1,5);

G_o – производительность аппарата по загрузке, кг/сут;

ρ– плотность реакционной  массы, кг/м³;

φ – коэффициент заполнения (0,75 – 0,8);

t_ц – время цикла работы реактора.

Смесь, поступающая в реактор, состоит из 6 компонентов (стирол, метилметакрилат, вода, перекись бензоила, поливиниловый  спирт, дипроксид). Плотность смеси рассчитывается по правилу аддитивности:

 где

х₁, ..х_n – массовые доли компонентов в смеси;

ρ₁, ..ρ_n – плотности компонентов.

 

 ;

Возьмем два реактора объемом 12,5 м³ каждый (ГОСТ 9931 – 85).

H_ап.=4180 мм.

   h_ап.=3100 мм.

             Внутренний диаметр D_ап.=2000 мм.

 Поверхность F_Д = π·D·H = 3,14·2000·4180 = 26,25 м²

 

5.  Тепловой расчет

 Для составления теплового  баланса необходимо построить  диаграмму зависимости температуры  процесса от времени:

Рисунок 3 – Диаграмма зависимости температуры процесса от времени: ab – нагрев воды до температуры 40°С (τ₁ = 20 мин); bc – нагрев загруженной мономерной фазы до 40°С (τ₂ = 20 мин); cd – нагрев реакционной смеси за счет тепла подаваемого пара (τ₃ = 30 мин); de- нагрев реакционной массы за счет тепла полимеризации (с инициатором) (τ₄ = 30 мин); ef – период кипения (τ₅ = 300 мин); fg – охлаждение (τ₆ = 100 мин); gh – выгрузка полимера (τ₇ = 40 мин).

В общем виде уравнение  ТБ можно записать в следующем  виде:

 

где - теплота, вносимая в реактор с исходными компонентами реакционной массы;

- количество тепла,  выделившееся в ходе химического  превращения мономеров в полимер;

- теплота, затраченная  на нагрев отдельных частей  реактора;

- количество тепла,  вносимое в аппарат в результате  работы мешалки;

- теплота, отдаваемая  теплоносителем перерабатываемым  веществам и отводимая охлаждающими  агентами;

- потери тепла  через крышку и днище реактора;

- потери тепла  в окружающую среду;

Рассчитаем теплоемкость для стирола:

 

 

Рассчитаем теплоемкость для метилметакрилата:

 

 

1. Количество тепла Q (кДж), которое необходимо подвести для разогрева реакционной массы до температуры 343 К:

 

где – количество мономеров; = 33532,566 кг/сут, тогда с учетом того, что время одного цикла составляет 9 часов (2 цикла в сутки) получаем

 кг/цикл.

- температура  поступающих в реактор мономеров, К;

- количество воды,

- теплоемкость  воды, кДж/кг·К;

- конечная температура  реакционной массы, К;

- масса аппарата, кг;

- теплоемкость  материала, из которого изготовлен  аппарат, кДж/кг·К;

- потери тепла  на стадии нагрева реакционной  массы, кДж;

Потери тепла составляют 3 %.

 

Так как 80 % тепла отводится  через обратный холодильник, то

Теплонапряженность на стадии нагрева реакционной массы до температуры 343 К:

 

τ_ц - время, необходимое для нагрева реакционной массы;

2. Тепло, которое выделяется  на стадии подогрева реакционной  массы вместе с инициатором  до температуры 353 К:

 

 

 

Теплонапряженность на стадии нагрева реакционной массы до температуры 353 К:

 

3. Тепло, которое выделяется  на стадии сополимеризации:

При средней степени превращения 0,95:

 

где  - тепло, выделяющееся при сополимеризации мономеров, кДж;

- потери тепла,  кДж;

 

где  - количество мономеров, кг;

- теплота реакции (1047,5 Дж/кг);

- средняя степень  превращения мономеров в полимер;

 

Потери тепла составляют 3 %.

Q_пот=500536,42 кДж;

;

Секундное количество тепла, которое выделяется на стадии сополимеризации:

 

где - время, затрачиваемое на сополимеризацию, с.

3. Количество тепла, вносимое  в аппарат в результате работы  мешалки: