Установка синтеза латекса БС-50

 

Теплота вносимая перемешивающим устройством:

N₀ = (0…0.2)

Q_P = 0.2 ∙ 297847.1 = 59569.42Вт   [8]

Q₀ = 297847.1 – 56329.33 + 59569.42 = 301087.19Вт

 

 

Поскольку ψ = 128.67 < 900, то рекомендуется аппарат без развитых поверхностей теплообмена.                                                                                 [8]

Принимается полимеризатор  с “рубашкой” для отвода (подвода) тепла реакции.

 

 

3. Уточнённый расчёт полимеризатора.

Характеристика аппарата

Рабочий объём 12 м³

Внутренний диаметр 2400 мм

Диаметр “рубашки” 2500 мм 

Высота аппарата 3300 мм

Высота цилиндрической части 2100 мм

Тип мешалки – рамная

Число мешалок на валу – 2

Диаметр мешалки 1,25 м

Частота вращения 0,8 об/с (48 об/мин)

Коэффициент заполнения 1,0

Коэффициент гидравлического  сопротивления мешалки 1,28 [8]

Заглубление первой мешалки  от верхнего уровня жидкости: h_М1 = 1,65 м., второй h_М2 = 3,05 м.

Рабочее давление в аппарате 0,8 МПа., в рубашке 0,4 МПа.

Плотность шихты 906,3 кг/м³.

Плотность латекса 938,3 кг/м³.

Вязкость латекса 12 ∙ 10^-3 Па∙с

Внутреннее устройство – 3 трубы:

труба с опуском для  входа продукта d_ТР1 = 0,159 м; h_ТР1 = 2,75 м

две   трубы     для    термопары    и     для   термометра d_ТР2 = d_ТР3 = 0,045м,

 h_ТР2 = h_ТР3 = 1,95 м.

 

3.1 Расчёт гидродинамических  характеристик полимеризатора.

 

1) Критерий геометрического  подобия:

Г_Д = Д/d_м = 2,4/1,25 = 1,92

 

2) Критерий  Рейнольдса:

Reц = (n ∙ d_м² ∙ ρ_л) /μ_л = 0,8 ∙ 1,25² ∙ 938,3 / 0.012 = 97739,6 ≈ 0.977 ∙ 10⁵

т.о. режим движения жидкости – развитый турбулентный с опасностью кавитации.

 

3) Параметр высоты  заполнения [8]:

φ  = 8 ∙ H₀ /Д + 2 = 8 ∙ 3,3/2,4+2=13,0

где: H₀ – высота слоя жидкости в аппарате при полном заполнении.

 

4) параметр гидравлического  сопротивления, который связывает  характеристики аппарата и мешалки [8]:

Е = φ / (ξ_м ∙ Z_м ∙ Rец^0,25) = 13,0 / (1,28 ∙ 2 ∙ 97739,6^0,25) = 0,2872

 

5) Параметры распределения  скорости по радиусу ψ₁ и ψ₂ определяются подбором по уравнению [8]:

При турбулентном режиме  ψ₂ = -0,5 – 1,25ψ₁

λ_Т =   

 

 

примем ψ₁ = - 0,945, тогда ψ₂ = - 0,5 – 1,25 ∙ 0,945 = 0,6813

 

 

Принимается ψ₁ = - 0,945, т.к. расхождение с ранее вычисленным значением

Е = 0,2872 не превышает 0,4 %.

 

6) Максимально возможная глубина воронки находится по зависимости [8]

 

 

Параметр глубины воронки В₁ = А(ψ₁) [8]

При ψ₁ = - 0,945, В₁ = 13

Так как Z₀ = 0,66 < h_М1 = 1,68 м, то работа мешалки без кавитации будет обеспечена.

 

7) Параметр гидравлического сопротивления внутренних устройств  [8]

 

 

Сумма проекций внутренних устройств на меридианальную (вертикальную) плоскость равна:

В связи с тем, что  Ф_n = 0,265 < 1, коэффициент мощности мешалки К_N определяем по формуле [8]:

; 

где     К_N0 -  коэффициент   мощности  для   гладкостенного   аппарата     без внутренних устройств;

К_ВН – коэффициент мощности для внутренних устройств [8]

При Ф_n = 0,265, по графику К_ВН = f(Ф_n); К_ВН = 0,65  [8]

 

8) Расход мощности на валу перемешивающего устройства

С учётом пусковых перегрузок

 

9) Расход мощности  на преодоление затяжки сальника [8]

;

где     - высота набивки сальника, м

в=(0,04 – 0,05) ∙ d - ширина сальниковой набивки, м

d_В – диаметр вала мешалки, d_В = 0,08 м

в = 0;045∙0,08^{0,5 =} 0,0127м

При давлении в аппарате 0,8 МПа принимаем

h_{c =} 8в = 8∙0,0127 = 0,102м

окончательно принимаю стандартную высоту сальниковой  набивки

 h_c = 0,125м

 

10) Мощность, затрачиваемая  на преодоление трения в передаче  и подшипниках принимается в  размере 5% от мощности на валу.

N_подш. + N_перед. = 0,05 ∙ 2804,64 = 140,2 Вт

 

11) Мощность, потребляемая  при пуске:

N_пуск = N_перед. + N_с + N_подш. = 3646,0 + 256 + 140,2 = 4042,23 Вт

 

12) Мощность, устанавливаемого электродвигателя с учётом коэффициента запаса К_З = 1,2 и КПД электродвигателя η = 0,8

 

N =

 

к установке принимается ближайший стандартный двигатель мощностью

7,5 кВт

 

3.  Тепловой баланс полимеризатора

 

По заводским данным принимаются следующие температуры  приготовления растворов водной фазы и углеводородной шихты:

1. температура углеводородной шихты 20⁰ С;
2. водной фазы 40⁰ С;
3. регулятора на стироле 20⁰ С;
4. инициатора ПСК 20⁰ С;
5. эмульсии дополнительного инициатора – гипериза на растворе СЖК 40⁰ С.

 

4.1. Приход тепла

4.2. Расход тепла.

Р = Q_нед.л. + Q_хл. = 2390,9 ∙ 3,12 ∙ 85 + Q_хл.(кДж/ч) = 634066,7 +Q_хл. = 176129,6 + +Q_хл. (Вт) 

из условия П = Р, определим Q_хл:

Q_хл = 387296 – 176129,6 = 211166,4 Вт

 

4.3. Расход захоложенной  воды на батарею полимеризаторов  с учётом потерь холода 5%:

 

средний расход захоложенной воды на 1 полимеризатор: 38,1/6 = 6,35 м³/ч.

Максимальный расход захоложенной воды согласно макрокинетике  наблюдается во втором полимеризаторе, в котором конверсия мономеров  может в 1,8 раза превышать среднюю.

(V_зах.в.)_мах = 6,35 ∙ 1,8 = 11,43 м³/ч

Средняя тепловая нагрузка на 1 полимеризатор:

 или 126699,8 кДж/ч

Максимальная тепловая нагрузка:

 или 228059,7 кДж/ч.

 

5.  Расчёт  коэффициента  теплопередачи   для   наиболее    нагруженного

полимеризатора.

 

5.1. Расчёт коэффициента теплоотдачи от латекса к стенке полимеризатора [8]

 ,  где:

α_п  - коэффициент теплоотдачи от потоков, параллельных стенке аппарата, Вт/м²К

α_н - коэффициент теплоотдачи от потоков, перпендикулярных стенке аппарата, Вт/м²К

N_в - мощность на валу мешалки, Вт

D - диаметр аппарата, м

 

 

 

 

5.2. Расчёт коэффициента  теплоотдачи от стенки “рубашки” к захоложенной воде.

Определение скорости воды в “рубашке”:

 

 

где: f_кан. - площадь сечения канала для перехода воды между стенкой ‘рубашки’ и полимеризатора

 

 

 

     

 

h – расстояние между витками стальной полосы, приваренной к рубашке,

h = 0,32 м

Критерий Рейнольдса

 

            

 

                                                                                                                                                                                                                                         

 

Режим движения захоложенной воды – турбулентный.

 

 

 

 

5.3. Общий коэффициент  теплопередачи:

 

где: б_У и λ_У – соответственно, толщина стенки полимеризатора из углеродистой стали (м) и её теплопроводность (Вт/м∙К)

б_Н и λ_Н – соответственно, толщина плакирующего слоя нержавеющей стали (м) и её теплопроводность (Вт/м∙К)

б_П и λ_П – соответственно, толщина плёнки налипшего полимера в (м) и её теплопроводность (Вт/м∙К)

2000 – значение тепловой  проводимости загрязнений со  стороны захоложенной воды, (Вт/м²∙К)

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

5.4. Средняя   разность температур  для  наиболее  нагруженного   полимери-затора:

65 → 65

12 ← 7

ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ                     

53      58

 

5.5. Необходимая площадь  поверхности теплопередачи:

 

Площадь поверхности  теплопередачи “рубашки” 20 м². Запас поверхности:

 

 

К  установке   принимается   типовой   полимеризатор   следующей   характе-     ристики:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Вместимость 12,5 м²

Диаметр 2400 мм

Диаметр рубашки 2500 мм

Высота цилиндрической части 2100 мм    

Площадь поверхности  рубашки 20 м²    

Расчетное давление в аппарате 0,8 МПа, в рубашке 0,4 МПа      

Мешалка рамная двухярусная

Диаметр мешалки 1,25 м

Частота вращения 0,8 об/с (48 об/мин)

Редуктор ВД-IV 7,5/48-1500

Электродвигатель ВАО-61-4

Мощность 7,5 кВт

Исполнение 2Exdi II ВТ 2

Материал 2-х слойная  сталь СтЗ + 12x18H10Т

Количество аппаратов 6 (в т.ч. один резервный)

 

Насос Н-022

Предназначен для подачи эмульсии на полимеризаторы

V =2382,5/ 1000 = 2,8 м³       

К установке принимается  насос типа Х8/30 [3]

Производительность 8,0 м³/ч

Напор 30 м

Электродвигатель ВАО-32-2

Мощность 4,0кВт 

Частота вращения 2900 об/мин

Исполнение 2 Exdi II ВТ 2

Количество 2, (1 в резерве)

 

Емкость Е-024 – аварийная  емкость

Принимаем   емкость   следующей    характеристики   (по  производственным данным)

Вместимость 25 м²

Диаметр 2800 мм

Высота цилиндрической части 4060 мм 
Давление атмосферное 
Материал сталь углеродистая

Исполнение 2 Exdi II ВТ 2

Количество 1

Насос Н-025

Предназначен для подачи полимеризационной смеси на дегазацию

V =2382,5/ 938,3 = 2,8 м³       

К установке принимается насос типа Х8/30 [3]

Производительность 8,0 м³/ч

Напор 30 м

Электродвигатель ВАО-32-2

Мощность 4,0кВт 

Частота вращения 2900 об/мин

Исполнение 2 Exdi II ВТ 2

Количество 2, (1 в резерве)

 

Фильтр Ф-026

Предназначен   для   фильтрования  полимеризационной смеси

Вместимость 0,063 м³

Площадь фильтрации 0,3 м²     

Высота цилиндрической части 500 мм

Диаметр 400 мм

Расчетное и разрешенное давление 0,05 МПа

Материал Вст 3

Защитное покрытие эпоксидная смола

Количество 2, (1 в резерве)

 

Гидрозатвор Пн-027

Предназначен для создания азотной подушки

К установке принимаем  емкость следующей характеристики [4]:

Вместимость 0,063 м³

Высота цилиндрической части 805 мм

Диаметр 350 мм

Расчетное давление 0,1 МПа

Материал сталь углеродистая

Количество 1.

 

Колонна Кн-028 - отгонная   колонна

Предназначена   для   отгонки незаполимеризовавшихся мономеров из недегазированного латекса БС-50                   

К установке принимаем  колонну следующей характеристики: [11]

Диаметр 800-1600 мм

Высота 8550 мм

Материал 2-х слойная  сталь (ст.З и Х18Н10Т)

Внутри колонны вставлены  пакеты, состоящие из чередующихся между собой дисков и колец

Количество пакетов 3 шт.

Материал пакетов 1X19П19Т

В каждом пакете 4 диска, 4 кольца

Расчетное давление вакуум