Đề tài Tình hình sản xuất và tiêu thụ PVC

PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1 1. Lịch sử phát triển 1 2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ PVC 2 2.1. Trên thế giới 2 2.2. Tại Việt Nam 2 3. Các dự án sắp tới 3 PHẦN THỨ HAI.: LÝ THUYẾT CHUNG 5 CHƯƠNG 1. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHỰA PVC 5 1.1. Nguyên liệu 5 1.1.1 Tính chất lý học 5 1.1.2 Tính chất hoá học 7 1.2. Phản ứng tạo nhựa 9 1.2.1. Cơ cấu phản ứng 9 1.2.2. Động học quá trình trùng hợp 11 1.2.3. Độ trùng hợp và chiều dài động học của mạch 13 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp 14 1.3.1. Nhiệt độ 14 1.3.2. Áp suất 14 1.3.3. Oxy 14 1.3.4. Nồng độ chất khơi mào 14 1.3.5. Nồng độ monome 15 1.4. Các phương pháp sản xuất nhựa PVC 15 1.4.1. Sản xuất Vinylclorua (vc) 15 1.4.2. Sản xuất PVC 18 1.4.2.1. Phương pháp trùng hợp khối 18 1.4.2.2. Phương pháp trùng hợp dung dịch 19 1.4.2.3. Phương pháp trùng hợp nhũ tương 19 1.4.2.4. Phương pháp trùng hợp huyền phù 21 CHƯƠNG 2. PHẢN ỨNG PHÂN HUỶ, ỔN ĐỊNH CỦA NHỰA PVC 23 2.1. Phản ứng phân huỷ 23 1.3. Cơ chế của sự ổn định 25 2.3. Sự thay thế của CL không bền 25 2.4. Phản ứng tại các vị trí chưa bão hoà 27 CHƯƠNG 3. TÍNH CHẤT ỨNG DỤNG CỦA PVC 29 3.1. Tính chất cơ lý hoá của nhựa PVC 29 3.2. Tính chất cơ lý 30 3.3. Tính chất hóa học 31 3.4. Ứng dụng 32 CHƯƠNG 4. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PVC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUYỀN PHÙ 34 4.1. Quy cách nguyên liệu và thành phần 34 4.2. Thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất 35 4.3. Thành phần nguyên liệu 35 4.4. So sánh giữa các phương pháp 35 4.5. Dây chuyền sản xuất PVC trong dung dịch huyền phù 37 PHẦN THỨ BA. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 39 3.1. Năng suất một ngày làm việc 39 3.2. Tính cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm 39 3.3. Tính cân bằng vật chất cho một mẻ sản phẩm 46 3.4. Tính cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm 48 PHẦN THỨ TƯ. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 50 1. Thiết bị chính 50 2. Thiết bị phụ 60 2.1. Bơm 60 2.2. Thiết bị lường chứa 67 2.3. Thiết bị rửa –ly tâm 70 2.4. Thiết bị sấy 71 2.5. Sàng 74 3. Cân bằng nhiệt 74 3.1. Tính toán nhiệt cho giai đoạn đun nóng hỗn hợp từ nhiệt độ đầu 250C lên nhiệt độ trùng hợp 700C 76 3.2. Giai đoạn giữ nhiệt phản ứng 700C 81 PHẦN THỨ NĂM. AN TOÀN LAO ĐỘNG 91 PHẦN THỨ SÁU. ĐIỆN NƯỚC 94 1. Điện 94 2. Nước 99 PHẦN THỨ BẨY. KINH TẾ 100 1. Mục đích 100 2. Nội dung phần kinh tế 101 2.1. Chi phí mua nguyên liệu 101 2.2. Chi phí sản xuất chung 101 2.3. Chi phí công nhân 105 2.4. Chi phí tiêu thụ 108 PHẦN THỨ TÁM. XÂY DỰNG 109 1. Xác định địa điểm xây dựng nhà máy 109 2. Thuyết minh thiết kế mặt bằng, mặt cắt phân xưởng 113 2.1. Chọn hướng nhà 113 2.2. Thiết kế nhà 113 2.3. Bố trí thiết bị 113 2.4. Các giải pháp kết cấu nhà 114 2.5 Các công trình phụ 116 3. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật....................................117 KẾT LUẬN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN . Trong công nghiệp chất dẻo, Polyvinyl dorua (PVC) là một trong ba chất dẻo thông dụng gồm: Polyolefin (PO), Polyvinlclorua (PVC) và Polystyren (PS). Nó đứng hàng thứ hai sau Polyolefin với tổng công suất toàn thế giới năm 1997 là 25 triệu tấn năm. Vinyl clorua được tìm ra lần đầutiên bởi Regnalt năm 1835. Polyme Polyvinyclorua (PVC) được biết đến lần đầu tiên 1938. Năm 1912, Bauman trình bày phản ứng trùng hợp monome vinylic gồm Vinyclorua sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra sản phẩm PVC ở dạng bột trắng. Từ đó, công nghệ trùng hợp PVC đã có những bước phát triển mạnh mẽ chủ yếu ở Mỹ và Đức. Sản phẩm thương mại của PVC lần đầu tiên ra đời ở Đức vào đầu những năm 30 sản phẩm quá trình trùng hợp nhũ tương. Năm 1932, bước đột phá đầu tiên để giải quyết vấn đề quá trình và sự ổn định nhiệt diễn ra khi Semon phát minh ra chất hoá dẻo cho PVC, quá trình sử dụng chất ổn định được phát triển vào những năm 30 của thế kỷ 20. Hiện nay PVC là một trong những Polyme chính của thế giới. Do tính chất cơ lý tốt nên PVC được sản xuất với sản lượng lớn. Tuy nhiên tính ổn định nhiệt và tính mềm dẻo của PVC kém hơn một số nhựa thương phẩm khác như Polyetylen (PE) và PS. PVC được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp trùng hợp gốc. Tuy nhiên, trùng hợp gốc của PVC cho ra nhiều đồng phân và các khuyết tật cấu trúc. Những nhân tố này quan trọng sống còn đối với người sử dụng PVC, vì chúng tạo ra những vấn đề về màu sắc, độ ổn định nhiệt, độ tinh thể, ứng sử gia công và tính chất cơ học của thành phẩm. Nghiên cứu về khuyết tật cũng đem lại những hiểu biết sâu sắc về bản chất của phản ứng phụ xảy ra trong quá trình trùng hợp. Ngoài các chất phụ gia như chất hoá dẻo, chất ổn định nhiệt chất bôi trơn, chất độn và Polyme khác, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm cải thiện những tính chất yếu kém của PVC ví dụ đồng trùng hợp với các monome khác và thay đổi hình thái của hạt để tăng cường tính dễ gia công. Polyme đồng trùng hợp ghép của PVC với monome acrylic và vinylaxetat blend với MBS và acrylonitryl butadien styren (ABS) đã làm tăng độ bền va đập của PVC. Côplyme của PVC với monomeimit và PVC clo hoá đã được nghiên cứ để tăng tính chống cháy của PVC. PVC hoá dẻo nội là một giải pháp cho vấn đề của chất hoá dẻo (DOP) di chuyển từ bên trong ra bên ngoài vật liệu. 2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ PVC. 2.1. Trên thế giới. Theo dự báo của các chuyên gia Marketing về lĩnh vực công nghiệp hoá chất, thị trường dựa trên thế giới ngày càng tăng. Nhu cầu nhựa PVC của các khu vực Châu Á - Thái Bình Dương đặc biệt là Trung Quốc, Ấn Độ sẽ là yếu tố chủ yếu làm tăng nhu cầu thị trường nhựa PVC. Mức tăng nhu cầu PVC của các nước tư bản gấp khoảng 2 lần mức tăng tổng sản phẩm quốc dân của nước đó. Ở các nước Đông Âu, Châu Phi, Trung cận đông, nhu cầu tiêu thụ PVC cũng tăng do mức độ đầu tư vào các nước này tăng lên. Nhu cầu về nhựa PVC theo bình quân đầu người ở các nước phát triển lại thấp hơn so với các nước đang phát triển (chiếm 2/3 dân số thế giới). Từ năm 1991 – 1997 mức tăng bình quân về PVC hàng năm của các nước Châu Á - Thái Bình Dương là 6,2%, trong khi mức tăng bình quân trên thế giới là 5,3%. Nhu cầu tăng lớn nhất về PVC ở các nước Châu á - Thái Bình Dương là Nhật: chiếm 34%, Indonexia: 14,6%, Thái Lan: 14,1%, Malaixia: 13,9%, Trung Quốc: 12,3%. 2.2. Tại Việt Nam. Do nhu cầu PVC tính theo đầu người hiện nay ở Việt Nam so với nhiều nước còn thấp, nên trong các năm tới tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm sẽ là 40%, sau đó giảm xuống khoảng 17%, vào các năm tiếp theo. Hiện nay nước ta đã có 2 Liên doanh sản xuất bột PVC một là: Công ty Liên doanh giữa Tổng công ty Nhựa Việt Nam với Tổng công ty Hoá chất Việt Nam và Công ty Thái Plastic – Chemical Public Ltd với công suất 80.000tấn/năm. Năm 2001 nhà máy hoạt động với công suất 100% năm 2002 công suất Nhà máy tăng len 100.000 tấn/năm [1]. Hai là: Công ty TNHH nhựa và hoá chất Phú Mỹ tại khu công nghiệp Cái Mép là liên doanh giữa công ty xuất nhập khẩu tỉnh Bà Rỵa- Vũng Tàu với tổng công ty dầu khí Petronas của Malaysia có công suất là 100.000 tấn bột PVC/năm. Trong năm 2000 cả nước ta tiêu thụ khoảng 150.000 tấn bột PVC, nhưng chỉ đáp ứng được khoảng 40% nhu cầu còn phải nhập khẩu khoảng 60% từ các nước trên thế giới. Ngoài việc sản xuất bột PVC hai Công ty Liên doanh trên còn sản xuất PVC Compound với công suất 6000 tấn/năm, hai Công ty này đã sử dụng hết công suất thiết kế, nhưng vẫn chưa đáp ứng hết nhu cầu các chủng loại PVC Compound trong nước mà chỉ sản xuất chủ yếu các loại PVC làm phụ kiện còn các loại PVC dùng cho các chi tiết đặc chủng vẫn phải nhập khẩu . [1] 3. CÁC DỰ ÁN SẢN XUẤT SẮP TỚI. Ở nước ta theo tính toán trong vòng 1 năm nữa, thì nhu cầu nguyên liệu cần tới 1,2 – 1,5 triệu tấn năm [1] trị giá hơn 1 tỷ đô la. Hiện nay đã có một vài dự án của các công ty Nhật, Nam Triều Tiên, Pháp, Thái Lan, trao đổi với ngành chất dẻo Việt Nam về việc xây dựng Nhà máy PVC với công suất 100.000 tấn/năm [2]. Nền công nghiệp hoá chất đóng vai trò tiên phong trong công cuộc đổi mới và phát triển, lĩnh vực công nghiệp hoá chất gắn liền với sự phát triển của đất nước. Vào đầu thập kỷ 60, nhà máy hoá chất Việt Trì đã sản xuất được PVC, với năng suất 150 tấn/năm. Tuy nhiên, do không kinh tế sản lượng quá nhỏ nên quá trình sản xuất sớm dừng lại, đặc biệt khi bước vào chiến tranh phá hoại của Mỹ. Trong thời gian gần đây, công nghiệp gia công chất dẻo lại phát triển mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng bình quân 28%/năm. Để minh hoạ điều đó ta có bảng mức tiêu thụ chất dẻo trong thập kỷ 90 Nguyên liệu dùng trong qúa trình gia công đều phải nhập khẩu, trong đó PVC nhập dưới hai dạng: PVC bột (PVC resin) và PVC hạt (PVC compound) có chứa sẵn chất hoá dẻo, chất ổn định, chất màu…cơ cấu nguyên liệu được trình bày ở bảng sau. Lượng PVC nhập vào mỗi năm vào khoảng 72000 tấn và theo kế hoạch dự kiến của Tổng công ty nhựa Việt Nam, nhu cầu PVC và chất hoá dẻo trong thời gian tới được mô tả ở bảng sau Nhu cầu PVC ngày càng nhiều, do đó phải tính đến xây dựng ngành sản xuất PVC để tiết kiệm được chi phí và để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Cho đến nay đã có 6 dự án sản xuất PVC, chiếm trong số 7 dự án về sản xuất nguyên liệu và 30 dự án cả ngành nhựa. - Công ty Mitsui- Vina và bây giờ là TPC- Vina tổng vốn đầu tư 90 triệu USD, nguyên liệu là VCM nhập khẩu trùng hợp thành PVC, công suất 80000 tân/năm. - Công ty Elfatoche Việt Nam tại Đồng Nai, vốn đầu tư 3,55 triệu USD công suất 30000 tấn/năm. - Công ty liên doanh Việt- Thái Plastchem tại thành phố Hồ Chí Minh có vốn đầu tư 2,99 triệu USD. Hai nhà máy này có sản phẩm là PVC hạt và đang hoạt động, sản phẩm của hai nhà máy này đủ cung cấp cho thị trường hiện nay. - Công ty Oxy- Vina tổng vốn đầu tư 109,4 triệu USD đi từ nguyên liệu VCM trùng hợp thành PVC. - Dự án TPC- Chem Quest Việt Nam, vốn đầu tư 12 triệu USD sản xuất DOP công suất 30000 tấn/năm từ các nguyên liệu ngoại nhập. Dự án LG- Vina, vốn đầu tư 12,5 triệu USD, sản xuất DOP công suất 30000 tấn/năm [8]. Tuy nhiên, hiện nay giá sản phẩm PVC trong nước cao hơn rất nhiều so với giá mặt bằng chung trên thế giới. Do đó, các cơ sở sản xuất các sản phẩm PVC trong nước đang phải hoạt động cầm chừng chi khoản 30- 35% công suất. Nguyên nhân của tình trạng trên là do sự hụt giá của đồng tiền các nước cung cấp nguyên liệu cho ngành nhựa Việt Nam. Hơn nữa, các nhà máy mới đi vào hoạt động, giá thành sản phẩm vẫn mang giá trị khấu hao ban đầu, nên giá thành vẫn cao hơn mức bình thường. Do vậy các dự án trên trở thành hiện thực thì trong thời gian tới giá thành sản phẩm và sản lượng PVC trong nước sẽ đáp ứng đủ cho thị trường trong nước và giá thành sẽ hạ xuống dẫn đến không còn phải nhập khẩu nguyện liệu và nhựa PVC nữa. Khi các nhà máy lọc dầu ở Dung Quất (Quảng Ngãi) và Nghi Sơn (Thanh Hoá) đi vào hoạt động sẽ là cơ hội thuận lợi cho sự phát triển công nghiệp chất dẻo nói chung và PVC nói riêng. Bước đi của ngành PVC như vậy đã rất rõ ràng, cụ thể do đó chúng ta có quyền hy vọng vào một tương lai tốt đẹp. PHẦN THỨ HAI: LÝ THUYẾT CHUNG CHƯƠNG 1. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHỰA PVC 1.1. NGUYÊN LIỆU Vinyl clorua gọi tắt là VC, có công thức phân tử C2H3Cl, công thức cấu tạo: CH2 CH Cl 1.1.1 Tính chất lý học Ở nhiệt độ và áp suất thường là chất khí có mùi ete. + Nhiệt độ đóng rắn -159,70C + Nhiệt độ ngưng tụ -13,90C + Nhiệt độ tới hạn 1420C + Nhiệt độ bốc cháy 415kcal/kg + Nhiệt độ nóng chảy 18,4kcal/kg + Nhiệt độ bốc hơi ở 250C 78,5kcal/kg + Trọng lượng riêng 0,969kcal/kg + Nhiệt tạo thành -83±8kcal/kg + Nhiệt trùng hợp -366±5kcal/kg + Nhiệt dung riêng dạng lỏng ở 250C 0,83kcal/kgđộ + Nhiệt dung riêng dạng hơi ở 250C 0,207kcal/kgđộ + Hệ số khúc xạ của VC lỏng 1,83kcal/kgđộ + Tỷ lệ của VC phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ (0C) -15 -25 Tỷ trọng 0,9730 0,9014 + áp suất hơi của VC phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ (0C) -87,5 -55,8 -13,37 16,2 46,8 Áp suất (mmHg) 10 100 760 22,58 54,34 + Độ tan trong nước ở 1at là 0,5 % trọng lượng + Giới hạn nồng độ của hỗn hợp với không khí từ 3,62¸26,6% thể tích + Tính chất độc của VC: VC độc hơn so với etylclorua và ít độc hơn clorofom và tetra clorua cacbon. Có khả năng gây mê qua hệ thống hô hấp của con người và cơ thể động vật. Con người khi tiếp xúc hơi VC ở mức 25% thì chỉ trong 3 phút đã bắt đầu bị choáng váng và mất thăng bằng định hướng. Nếu hàm lượng VC trong không khí là 0,5% thì con người có thể làm việc trong một vài giờ mà không có tác động sinh lý nào đáng kể cả. [2] 1.1.2 Tính chất hoá học Công thức cấu tạo: Do có chứa liên kết đôi và nguyên tử Clo linh động nên các phản ứng hoá học của VC là phản ứng của nguyên tử Clo linh động. VC không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ như axeton, rượu etylic, cacbon hydro thơm, cacbon hydro mạch thẳng. Trong phân tử VC có liên kết nối đôi và một nguyên tử Clo linh động, do đó phản ứng hoá học chủ yếu là phản ứng kết hợp hoặc phản ứng của nguyên tử Clo trong phân tử VC. - Phản ứng nối đôi + Phản ứng cộng hợp: tác dụng với halogen cho ta 1,2 diclo etan ở điều kiện môi trường khô ở 140¸1500C hoặc ở 800C và có chiếu sáng xúc tác SbCl3. Khi có xúc tác AlCl3, FeCl3 thì VC phản ứng với HCl. CH2 CH Cl Cl CH2 CH2 HCl + Cl H2 CH2 CH Cl + CH3 CH2 Cl Với H2 Trong phản ứng oxi hoá VC ở nhiệt độ 50¸1500C có mặt HCl dễ dàng tạo ra monome axetat dehit 1/2O2 + CHO CH2 Cl CH2 CH Cl CH2 CH Cl CH2 CH Cl n Do phân tử có chứa nối đôi VC có thể tham gia phản ứng trùng hợp tạo PVC. - Phản ứng của nguyên tử Clo. + Thuỷ phân. CH2 CH Cl + NaOH CH CH NaCl + + H2O Khi đun nóng với kiềm HCl bị tách ra khỏi VC cho ta axetylen Tác dụng với acolat hay fenolat cho ta este VC: CH2 CH Cl + RONa CH2 CH NaCl + OR - Tạo hợp chất cơ kim Cl CH2 CH + Mg CH2 CH MgCl + VC trong điều kiện không có không khí ở 4500C có thể bị phân huỷ tạo thành axetylen và HCl do phản ứng polyme hoá axetylen và có thể phản ứng tiếp tục tạo ra một lượng nhỏ 2- clo- 1,3- butadien. Còn trong điều kiện có không khí VC bị oxi hoá hoàn toàn. CH2 CH Cl CH CH + HCl - Bảo quản: Trước đây VC được bảo quản và vận chuyển với sự có mặt của một lượng nhỏ phenol để ức chế phản ứng polyme hoá. Ngày nay VC được sản xuất với độ tinh khiết cao và không cần chất ức chế trong bảo quản đồng thời do được làm sạch nước nên VC không gây ăn mòn có thể được bảo quản trong các thùng thép cacbon thường. 1.2. PHẢN ỨNG TẠO NHỰA PVC. 1.2.1. Cơ cấu phản ứng. CH2 = CH | Cl Cơ cấu phản ứng tạo nhựa PVC là phản ứng trùng hợp Vinylclorua (VC) VC chứa nối đôi và có momen lưỡng cực bằng 1,44. Phản ứng trùng hợp xảy ra dưới tác dụng của chất khơi mào (hoặc nhiệt độ, năng lượng hoặc tia phóng xạ). Trung tâm hoạt động nhận được có dạng gốc tự do, phản ứng trùng hợp theo cơ chế trùng hợp gốc. - Cơ cấu phản ứng gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn khơi mào. Giai đoạn phát triển mạch. Giai đoạn đứt mạch. Giai đoan chuyển mạch. + Giai đoạn khơi mào: Giả sử chất khơi mào là Peoxit benzoil. 1. Phân huỷ chất khơi mào. Ký hiệu gốc hoạt động là R· Tuy nhiên các gốc này không phải đều tham gia khơi mào quá trình trung hợp, mà có một số khác kết hợp với nhau tạo thành phân tử trung hoà (khoảng 20-40%). Ví dụ: 2. Khơi mào. R× + CH2 = CH ® R – CH2 – C×H | | Cl Cl R – CH2 – C × H + CH2 = CH ® R – CH2 – CH – CH2 – C×H | | | | Cl Cl Cl Cl R – CH2 – C H - CH2 – C × H + nCH2 = CH2 ® | | Cl Cl ® R – CH2 – C H - CH2 – C H - CH2 - CH … | | | Cl Cl Cl + Giai đoạn phát triển mạch. + Giai đoạn chuyển mạch. - Chuyển mạch lên Monome. CH2 = CH + ~ CH2 – CH | | Cl Cl CH2 = C × + ~ CH2 – CH2 | | Cl Cl CH3 = CH × + ~ CH – CH | | Cl Cl - CH2 – C × H + ~ - CH2 – CH ~ ® CH2 – CH2 + ~ CH2 – C × ~ | | | | Cl Cl Cl Cl Chuyển mạch lên Polyme. Chuyển mạch lên chất khơi mào. ~ O || ® ~ CH2 – CH – O – C – C6H5 + C6H5 – COO × | Cl + Giai đoạn đứt mạch. Phản ứng đứt mạch có thể xảy ra theo hai cách: Kết hợp. - CH2 – C × H + ~ CH2 – C×H ® ~ CH2 – CH - CH - CH2 ~ | | | | Cl Cl Cl Cl ~ CH2 – CH + ~ CH2 – C×H ® ~ CH2 – CH2 + ~ CH = CH | | | | Cl Cl Cl Cl Phân ly. 1.2.2. Động học quá trình trùng hợp. Trong trường hợp sử dụng chất khơi mào giai đoạn khơi mào gồm 2 phản ứng. - Phản ứng phân huỷ chất khơi mào. I ® 2. Trong đó: : gốc tự do. Vd = kd [I] = VI : I: Chất khơi mào. kd: hằng số vận tốc phân huỷ. Phản ứng tạo gốc tự do ban dầu. R× + CH2 = CH ® R – CH2 – CH | | Cl Cl vận tốc của phản ứng này là V2. Vì V2>> Vd do đó Vd sẽ quyết định vận tốc quá trình khơi mào. Þ VKM = 2Vd = 2f . kd [I] = KKM [I]. KKM = 2fkd. f: là hệ số đặc trưng cho hiệu quả khơi mào của chất khơi mào. + Giai đoạn phát triển mạch. (Giai đoạn này là phản ứng toả nhiệt) đây là giai đoạn quyết định vận tốc trùng hợp, cấu tạo và kích thước, khối lượng của Polyme. Vận tốc phát triển mạch bằng vận tốc tiêu hao Monome trong một đơn vị thời gian. [M]: Nồng độ Monome. ]: Nồng độ gốc tự do. Kpt: Hằng số phát triển mạch. Vpt: Vận tốc phát triển mạch, Vd: Vận tốc đứt mạch. + Giai đoạn đứt mạch. Hằng số vận tốc đứt mạch (106 ¸108. L/mol. S) lớn hơn rất nhiều hằng số vận tốc phát triển mạch (102 - 104 L/mol.s). Tuy nhiên phản ứng phát triển mạch vẫn xảy ra do phản ứng đứt mạch bị hạn chế bởi nồng độ gốc tự do thấp, sự khuyếch tán và cản trở không gian. 1.2.3. Độ trùng hợp và chiều dài động học của mạch. - Chiều dài động học của mạch là tỉ lệ giữa 2 đại lượng. Do ở một số thời điểm khi độ chuyển hoá chưa sâu lắm thì tốc độ tạo thành các gốc tự do bằng tốc độ tiêu hao nó. Vd = VKM. Thay giá trị VKM = Vd = Kd [M.]2 Thay giá trị Vp = Kp [M] [R.] Với Chiều dài động học của mạch tỉ lệ thuận với nồng độ Monome và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của nồng độ chất khơi mào. Với trường hợp khi đứt mạch theo cơ chế phân ly, độ trùng hợp P bằng chiều dài động học của mạch. Với trường hợp khi đứt mạch, theo cơ chế kết hợp, độ trùng hợp bằng 2 lần chiều dài động học của mạch. 1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRÙNG HỢP 1.3.1. Nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, vận tốc của tất cả các giai đoạn phản ứng trùng hợp đều tăng. Năng lượng hoạt hoá của các giai đoạn khác nhau. Năng lượng hoạt hoá của phản ứng khơi mào (112 ¸170kJ/mol) lớn hơn hẳn so với năng lượng hoạt hoá của phản ứng phát triển mạch 928 ¸40kJ/mol) và phản ứng đứt mạch. Do đó, khi nhiệt độ tăng mức độ tăng vận tốc khơi mào là lớn nhất. Vận tốc khơi mào tăng kéo theo vận tốc trùng hợp tăng và vận tốc đứt mạch cũng tăng theo. Vì VKM tăng nồng độ gốc tự do cũng tăng nên ta có. Vp = kp [ Vd = kp Do đó Vd tăng nhiều hơn Vp. 1.3.2. Áp suất. Khi áp suất thấp và áp suất trung bình tăng lên đến vài chục vài trăm atm thực tế không ảnh hưởng gì đến quá trình trùng hợp. Nhưng khi áp suất tăng cao 1000 atm trở lên vận tốc trùng hợp và khối lượng phân tử của Polyme đều tăng. 1.3.3. Oxy. Oxy tác dụng với Monome tạo Peroxit. CH2 = CH + O2 ® CH2 – CH – Cl | | | Cl O O Peroxit này phân huỷ tạo gốc tự do. Nếu gốc đó hoạt tính thấp thì 02 có tác dụng làm hãm quá trình trùng hợp, nếu gốc hoạt động thì oxy sẽ làm tăng vận tốc trùng hợp. 1.3.4. Nồng độ chất khơi mào. Khi nồng độ chất khơi mào tăng, vận tốc trùng hợp tăng nhưng khối lượng phân tử Polyme giảm [4]. 1.3.5. Nồng độ Monome. Khi tăng nồng độ Monome trong phương pháp trùng hợp dung dịch, vận tốc trùng hợp và khối lượng phân tử đều tăng. Nhưng nếu dung môi tham gia vào phản ứng chuyển mạch, thì mối liên quan đến vận tốc trung fhợp và khối lượng phân tử phức tạp hơn nhiều. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NHỰA PVC. 1.4.1. sản xuất Vinylclorua (VC). Vinylclorua là một chất khí không màu, có mùi ete ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. * Tính chất. Khối lượng riêng ở 150C: p = 0,793 g/cm3 Nhiệt dung riêng lỏng ở 250C: 0,38 Cal/g độ. Nhiệt dung riêng hơi ở 250C: 0,207 Cal/g độ. Nhiệt độ sôi: t03 = - 13,90 ± 0,1. Nhiệt độ nóng chảy T0nc = -159,7 ± 0,1. Độ nguyên chất của Vinylclorua có thể đạt tới 98,5 – 99,5% về tạp chất có thể có một ít axetylen nhưng không được óc NaOH vì làm cho axetylen dễ nổ. VC có thể bảo quản và vận chuyển trong các bình bằng thép chịu áp suất, van, và các bộ phận tiếp xúc với VC không được chế tạo từ hợp kim có đồng. Thông thường nên thêm vào VC một lượng chất hãm như Hydroquinon với tỉ lệ 0,00001 phần trọng lượng. Vinyclorua có thể sản xuất bởi 3 phương pháp chính [5]. Phương pháp tổng hợp trong phòng thí nghiệm: Etylen chuyển hoá thành dicloetan, sau đó dicloetan tác dụng với kiềm trong rượu. C2H4 + Cl2 CH2 – CH2 | | Cl Cl hv CH2 – CH2 + NaOH ® CH2 = CH2 + NaCl + H2O | | | Cl Cl Cl Thành phần: 1 phần dicloetan, 0,5 phần NaOH hoặc KOH và 0,5 phần rượu. Nên dùng dư rượu vì nếu dư kiềm sẽ tạo axetylen sản phẩm phụ của phản ứng là etylenglicol. Hỗn hợp sản phẩm được làm sạch và khô bởi quá trình chưng cất. * Phương pháp Oxy – Clo hoá Etylen. - Giai đoạn 1: Xayra ở pha lỏng có nhiệt độ phản ứng là 30 – 500C xúc tác FeCl2. C2H4 + Cl2 ® CH2 – CH2 | | Cl Cl - Giai đoạn 2: Quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ cao và có xúc tác được thực hiện trong thiết bị bằng sắt hay sử dụng có chứa đầy than hoạt tính. Cl Cl | | CH2 – CH2 CH2 = CH + HCl | Cl 300 – 6000C Sản phẩm tạo thành qua thiết bị ngưng tụ còn dicloetan dư sẽ quay trở lại nhiệt phân. Nét đặc trưng của quá trình cân bằng đo slà: HCl được tạo ra trong suốt giai đoạn tách loại và được thu hồi trong quá trình làm sạch, sau đó được sử dụng tạo ra 1,2 dicloetan bởi phản ứng oxy hoá. 2CH2 = CH2 + 4HCl + O2 ® 2CH2 – CH2 + 2H2O | | Cl Cl * Phương pháp sản xuất VC từ HCl và C2H2. Đây là phương pháp được quan tâm nhất, dùng để sản xuất trong nhiều năm qua. Quá trình có thể xảy ra ở pha lỏng hoặc pha khí. C2H2 + HCL ® CH2 = CH + 477 Cal | Cl Quá trình xảy ra trong pha lỏng: Axetylen được đưa vào dung dịch axit HCl đậm đặc với xúc tác (Cu2CL2 và NH4Cl2). Để tăng hoạt tính của chất xúc tác cho thêm CuCl2 dạng bột. Nhiệt độ phản ứng thấm 20-250C môi trường khí trơ VC tạo thành thoát ra khỏi hệ thống phản ứng cùng với Axetylen và hơi nước. Có thể tách loại bằng cách: Ban đầu làm lạnh, để ngưng tụ hơi nước rồi sang máy làm lạnh sâu hơn ở 600C để ngưng VC còn C2H2 quay lại thiết bị phản ứng [9]. Đây là quá trình gián đoạn phải bổ xung HCl và Axetylen vào. Để có VC nguyên chất sử dụng cho quá trình trùng hợp huyền phù thì cần phải sử dụng tháp tinh luyện để tách C2H2 hoà tan trong VC. Quá trình xảy ra ở pha khí (quá trình liên tục). HCl được dùng ở dạng khí, nhiệt độ phản ứng cao từ 140 – 2000C xúc tác là thanh hoạt tính tẩm dung dịch Cluarua thuỷ ngân hay Clorua bari trong nước rồi sấy. Tỷ lệ giữa thanh hoạt tính và Clorua thuỷ ngân là 12:1. Hỗn hợp khí C2H2 và HCl (dư 10-15% HCl) sấy sơ bộ đi qua ống đốt nóng rồi chuyển vào thiết bị tổng hợp có chứa đầy than hoạt tính ẩm xúc tác. Hiệu suất VC phụ thuộc vào tốc độ hỗn hợp khí, lượng xúc tác và nhiệt độ (tốc độ chậm, nhiệt độ coa thì hiệu suất lớn). Ngoài phản ứng chính tạo VC còn xảy ra các phản ứng phụ sau: CH º CH + H2O ® CH3CHO CH2 = CH + HCl ® CH3CHCl2 Vì vậy sản phẩm sau phản ứng là hỗn hợp khí, được qua làm lạnh và xử lý bằng kiềm để loại bỏ HCl không phản ứng. Sau đó xử lsy bằng metanol để loại bỏ H2O tạo ra trong quá trình xử lý kiềm. Cuối cùng phải tiến hành loại bỏ andehit và dicloetan (được hình thành do xảy ra phản ứng phụ) kết quả thu được VC tinh khiết [5]. 1.4.2. Sản xuất PVC. PVC được sản xuất từ 4 phương pháp: - Phương pháp trùng hợp khối. - Phương pháp trùng hợp dung dịch. - Phương pháp trùng hợp nhũ tương. - Phương pháp trùng hợp huyền phù. Mỗi phương pháp đều có những đặc điểm riêng nhưng có nét chung là khối lượng phân tử của PVC được xác định chủ yếu bởi nhiệt độ của quá trình trùng hợp (khoảng 50 – 700C). 1.4.2.1. Phương pháp trùng hợp khối. Đây là phương pháp đơn giản tuy nhiên ít được sử dụng dóp Polyme tạo thành ở dạng khối khó gia công. Hệ phản ứng. Monome và chất khơi mào. Nếu không có chất khơi mào dùng để bức xạ năng lượng cao, thay cho chất khơi mào do đó sản phẩm có độ tinh khiết cao, không cần qua công đoạn sửa và sấy, dây chuyền sản xuất đơn giản. Quá trình sản xuất một giai đoạn được phát minh vào khoảng giữa năm 1960 bởi Dechiney – Sotogobain. Đây là quá trình dị thể do Polyme không tan trong Monome, phản ứng được kích động khi có mặt chất khơi mào [5]. Quá trình có nhược điểm là gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ do phản ứng toả nhiệt lớn mà môi trường phản ứng dẫn nhiệt kém. Để khắc phục hiện tượng này người ta đưa ra quá trình làm 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu được tiến hành đến mức độ chuyển hoá 15% sản phẩm thu được ở trạng thái lỏng. Giai đoạn sau được tiến hành đến mức độ chuểyn hoá 80 – 85%. Sản phẩm thu được ở dạng bột. 1.4.2.2. Phương pháp trùng hợp dung dịch. Với phương pháp này có thể khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ, do nhiệt phản ứng làm bay hơi một phần dung môi. Trường hợp này dung môi có thể không hoà tan Polyme. Nếu dung dịch không hoà tan Polyme như rượu thì Polyme tách ra ở dạng bột. Nếu dung môi hoà tan Polyme, ví dụ như dicloetan benzen colbenzen Polyem ở dạng dung dịch, sau đó kết tủa hoặc chưng cất để tách dung môi. Thời gian trùng hợp tương đối dài, dung môi tiêu tốn nhiều với độ tinh khiết cao. Vì vậy trong thực tế ít được sử dụng, thường dùng trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những quy luật phản ứng do vận tốc trùng hợp không lớn lắm.[4] 1.4.2.3. Phương pháp trùng hợp nhũ tương. - Hệ phản ứng: Monome, chất khơi mào, dung môi, chất nhũ hoá, dung dịch muối đẹm. - Do khả năng hoà tan trong nước kém (0,009% tại 200) nên Vynylcorua có thể tham gia phản ứng trùng nhũ tương [5]. - Do chất khơi mào tan trong nước, phản ứng trùng hợp xảy ra bên trong các mixel. Polyme tạo thành ở dạng nhũ tương trong nước. [4] - Để ổn định và để monome phân tán tốt trong nước cần bổ sung chất nhũ hoá. - Chất nhũ hoá thường dùng là ankyl sunphonat bậc hai hoặc muối kim loại kiềm với axit béo (xà phòng). Chất nhũ hoá có một phần ưa nước và một phần kỵ nước. phần ưa nước phần kị nước Khi nồng độ chất nhu hoá vượt nồng độ tới hạn, các phân tử chất nhũ hoá tập hợp từ 50 – 100 phân tử để tạo thành các mixel. Mixel có hai dạng: hình cầu và hình tấm. Phần ưa nước hướng ra ngoài, phần kị nước hướng vào trong. Một phần nhỏ monome hoà tan vào phần kị nước của mixel, còn phần lớn tạo thành các giọt monome được bảo vệ bởi các phần tử chất nhũ hoá. Nồng độ các giọt trong hỗn hợp phản ứng là 1010 - 1011 giọt/1ml. Trong khi đó nồng độ mixel 1016 - 1018 mixel/1ml. Chất khởi đầu tan trong môi trường phân tán – nước. - Với hệ thống chất khơi mào oxi hoá khử có thể thực hiện phản ứng nhanh hơn tại nhiệtđộ thấp khoảng 200C gần đây trong các thí nghiệm người ta còn có thể thực hiện ở nhiệt độ xấp xỉ 00C [5]. Pesunfat amoni (NH4)2S2o8, Pesunfatkuli (K2S2O8 ) và Hydropeoxit là những chất khơi mào điển hình. Ngoài ra trong hỗn hợp phản ứng còn sử dụng chất điều chỉnh khối lượng phân tử của Polyme và dung dịch muối đệm để ổn định độ pH của môi trường. Sơ đồ phản ứng trùng hợp nhũ tương được trình bày như sau: Chất khơi mào phân huỷ thành các gốc tự do, các gốc tự do: khuyếch tán vào trong các mixel kích động quá trình trùng hợp bên trong mixel. Khi quá trình trùng hợp xảy ra thể tích bên trong mixel giảm làm giảm áp suất bên trong mixel, các phân tử monome từ môi trường nước khuyếchtán vào mixel tham gia quá trình trùng hợp làm hệ thống mất cân bằng và monome từ các giọt khuyếch tán ra môi trường để đảm bảo cân bằng toàn hệ thống. Như vậy giọt monome (mức độ chuyển hoá đạt 15%) là lượng dữ trữ cho quá trình trùng hợp. Giai đoạn đầu 915%) số hạt trong hệ thống tăng lên, làm vận tốc trùng hợp tăng. Giai đoạn mức độ chuyển hoá 15 – 60%: vận tốc trùng hợp ổn định. Giai đoạn cuối là giai đoạn cạn kiệt monom, vận tốc trùng hợp giảm. Sản phẩm tạo thành ở dạng latex với kích thước hạt rất bé 0,01 – 1.10-6m có khối lượng phân tử lớn, độ đồng đều cao, tuy nhiên có nhược điểm là bị nhiễm bẩn bởi chất nhũ hoá, do đó tính cách điện của Polyme kém hơn Polyme nhận được bằng phương pháp huyền phù. 1.4.2.4. Phương pháp trùng hợp huyền phù. - Hệ phản ứng bao gồm monome, chất khơi mào, dung môi, chất ổn định. Phương pháp này nói chung dễ điều khiển. - Do chất khơi mào tan trong monome nên quá trình kích động và trùng hợp xảy ra trong các hat monome huyền phù lơ lửng trong môi trường nước [7]. - Nhờ sự khuấy trộn mạnh mẽ, monome không tan trong nước được phân bổ trong môi trường nước thành các hạt nhỏ có kích thước 0,01 – 0,03 CM. - Mỗi giọt monome trong hệ huyền phù có thể được coi là những thiết bị phản ứng trùng hợp khối cực nhỏ có bề mặt thoát nhiệt với môi trường nước lớn, tránh được hiện tượng quá nhiệt cục bộ. - Cùng với sự tiến triểncủa quá trình trùng hợp, độ nhớt bên trong các giọt tăng lên, nên phân chia nhỏ các giọt keo tụ rất khó. Để tránh xảy ra hiện tượng này cần sung các chất ổn định như gelatin, PVC. Các chất ổn định tạo màng xung quanh giọt [4] và ngăn cản các giọt keo tụ lại với nhau, ở giai đoạn đầu quá trình trùng hợp huyền phù độ chuyển hoá không đáng kể (nhỏ hơn 1 – 2%) các hoạt PVC rất nhỏ xuất hiện bên trong các giọt monome VC. Do lực ly tâm các hạt PVC sẽ di chuyển đến bề mặt phân chia của VC và nước dẫn đến sự ghép của chất bảo vệ trên PVC kết quả tạo ra màng bao bọc chung quanh giọt. [4] - Quá trình phản ứng xảy ra trong thời gian dài (18 22h) nhiệt độ phản ứng 800C và được duy trì trong suốt giai đoạn phản ứng đến khi áp suất bất đầu giảm do monome đã tham gia phản ứng. - Sản phẩm Polyme tạo thành ở dạng huyền phù trong nước [7] dễ keo tụ tạo thành dạng bột, kích thước 0,01 – 0,3 mm. - Để nâng cao tính ổn định nhiệt của Polyme không dùng nhiều chất khởi đầu và không tăng nhiệt độ cao quá. CHƯƠNG 2. PHẢN ỨNG PHÂN HUỶ, ỔN ĐỊNH CỦA NHỰA PVC - Nhựa PVC có nhiệt độ phân huỷ chỉ nhỏ hơn một ít so với nhiệtd dộ chảy mềm của nó, dẫn đến PVC có khả năng phân huỷ trong quá trình gia công. 2.1. PHẢN ỨNG PHÂN HUỶ. Sự phân huỷ PVC khi đun nóng theo phản ứng chuỗi, trung tâm bắt đầu phân huỷ là ở những phần mạch mà ở đó liên kết C – H và C – Cl yếu. Ban đầu là quá trình tách loại HCl. - CH2 – CH – CH2 – CH – CH2 – CH - ~ | | | Cl Cl Cl - HCl CH = CH – CH = CH ~. Kèm theo sự tách HCl là sự hình thành một liên két đôi trên mạch PVC. HCl lại làm xúc tác cho quá trình tách HCl ở mắt xích cơ bản tiếp theo, kết quả là tạo ra mạch Polyen. Mạch Polyen có thể bị oxy hoá, tạo thành các liên kết ngang hoặc Hydropeoxit. Sự có mặt của oxy làm xúc tiến quá trình tạo màu và tính hoà tan của Polyme giảm. Quá trình phân huỷlàm ảnh hưởng đến màu sắc PVC, PVC ban đầu có màu trắng sau khi đun nóng sẽ bị thay đổi theo thứ tự, vàng nhạt da cam, nâu và đen. Hơn nữa quá trình phân hủy còn thay đổi các tính chất co lý và điện [5]. ở trong không khí phân huỷ nhiệt PVC nhanh hơn, trong N2. Một số kim loại như Zn và Fe (ngay cả khi chỉ có vết) cũng có xúc tiến cho quá trình phân huỷ PVC [7]. HCL được giải phóng sẽ kết hợp được với những kim loại của quá trình, tạo thành FeCl3 và các muối kim loại khác. Những muối này rất mạnh có chức năng giống như xúc tác allkyl hoá của mạch Polyme với một phân tử PVC khác. Sau khi tạo FeCl3 thì ngay sau đó quá trình xúc tác trở nên rất nhanh. Kết quả là HCl được tách ra nhanh và tạo nên nhiều liên kết ngang. Chất nhũ hoá có trong Polyme cũng ảnh hưởng không tốt đến độ ổn định của PVC. ở nhiệt độ cao quá trình phân huỷ PVC tạo ra HCl và các sản phẩm phân tử thấp khác. Ngoài khả năng phân huỷ nhiệt PVC còn có thể phân huỷ quang hoá. Các liên kết hoá học trong mạch PVC hoàn hảo (không có nhược điểm nào trong cấu trúc) được bão hoà bởi liên kết cộng hoá trị của 3 loại sau: C – Cl, C – CH, C- C. Năng lượng phân ly của các liên kết đó tương ứng là 78, 81, 98 Kcul/mol. Quá trình phân huỷ quang của PVC được tiến hành qua cơ chế gốc tự do. Quá trình phân huỷ quang oxy hoá tạo ra các nhóm Hydroperoxit và Cacbonnyl. - Để tăng cường khả năng ổn định của PVC, cần bổ sung chất ổn định trong thành phần Polyme. Chất ổn định là chất có tác dụng hiệp đồng và có khả năng tạo màu của PVC. Để lựa chọn chất ổn định có thể dựa vào thực nghiệm bằng cách lựa chọn các nhân tố như: tính chất của các thành phần trong Polyme. Giá thành chất ổn định tương xứng với sự ổn định cho quá trình và thời gian sử dụng. Độ sạch của hợp chất. Độ độc hại. Hiệu lực trên sự bôi trơn, in, dán. 2.2. CƠ CHẾ CỦA SỰ ỔN ĐỊNH. Tuỳ vào chức năng của mỗi chất ổn định mà thể phân loại khác nhau. a. Phản ứng trung hoà HCl. b. Đa số chất ổn định PVC và các hệ thống nhựa Halogenat đều chứa một hoặc nhiều muối kim loại của axit hữu cơ yếu. Một số muối bazơ của axit vô cơ cũng được sử dụng. Trong mọi trường hợp muối bazơ yếu hoặc xà phòng này đều phản ứng với HCl và đó là sự chuyển đổi để tạo Clorua kim loại tương ứng. Ký hiệu: M – Kim loại, X gốc axit. M (X)n + HCl ® M (Cl)n + nHX. Quá trình cộng hợp của các tác nhân ổn định xảy ra ngay lập tức, ngay sau quá trình trùng hợp. Tác nhân ổn định phụ thuộcvào dạng của nó, có thể cũng có chức năng ngắt mạch. Các chất như epoxy, amin, ankoxit kim loại, phenolxit, mecaptil kim loại có thể phản ứng với HCl với biến đổi của cấu trúc [9]. RNH2 ® HCl ® RNH3Cl R – O – M + HCl ® R – O – H + MCl. R – S – M + HCl ® R – S – H + MCl. 2.3. SỰ THAY THẾ CỦA CL KHÔNG BỀN. Hiệu lực chủ yếu của chất ổn định đó là sự tấn công vào các nguyên tử Cl không bền trên PVC và thế chúng bởi các nhóm khác của chất ổn định vốn có. Xà phòng của Camiun (cd), zine (zn) va dialkyltin, cacbonxylat và mercaptil là những chất ổn định PVC bởi trao đổi phối tử của chúng với Cl không bền của phân tử PVC. - Phản ứng với xà phòng Laurat của Cd và (bari). 2.4. PHẢN ỨNG TẠI CÁC VỊ TRÍ CHƯA BÃO HOÀ. Để xác định hiệu lực của sự ổn định đó là phản ứng của chất ổn định với những vị trí chưa bão hoà có mặt trong PVC. Ví dụ: Mercaptan cộng hợp trực tiếp với liên kết đôi để tạo nhóm thioetru. RSH + ~ CH = CH ~ ® - CH2 – CH – | SR Khi một chuỗi nối tiếp Polyen bị phá vỡ thì màu của Polyme sẽ bị biến đổi. Chất ổn định kim loại hữu cơ và muối kim loại có khả năng làm cản trở sự phân huỷ oxy hoá của hydropeoxit. Sự tạo vòng càng cua và sự chống oxy hoá của photphit bậc 3 đã được sử dụng là tác nhân ổn định PVC. Phốt phít este sử dụng để điều khiển màu, và đem lại sự trong suốt trong quá trình tạo nhựa, mà vẫn còn chứa một ít nhất chất ổn định muối kim loại. Hiệu lực mà phot phít có được là nhờ khả năng tạo vòng càng cua (chelat) clorti kim loại. 1. Tạo màng chắn tia bức xạ tử ngoại. Chức năng của chất ổn định là tạo ra lớp ngoài có khả năng hấp thụ các tia tr ngoại. 2. Các chất ổn định phổ biến. Các hợp chất chì là các chất ổn định quan trọng nhất.. + Bazơ chỉ cacbonnat (chì trắng) giá rẻ. + Tribazơchì sunphát là chất ổn định nhiệt tốt. Ngoài ra còn có các loại khác được sử dụng trong lĩnh vực đặc biệt, Dibazơ chì photphát là hợp chất ổn định nhiệt tốt. Dibazơ chì phốt phát cóthể ứng dụng ở các dạng khác nhau Dibazơ chì Silicat, chì sarisylat. Tuy nhiên, khi sử dụng các hợp chất chì cần lưu ý về độ độc hai của chúng. Ngoài các hợp chất chì ra còn có các loại hợp chất khác như hợp chất của Cd, Ba, Zn đặc biệt là hệ thống Cd – Ba, chống oxy hoá như Trynonyl, Phenylphotphit có khả năng làm tăng mức độ ổn định nhiệt của nhựa. * Hợp chất của thiếc hữu cơ như dibutyltin laurat, hợp chất của thiếc hữu cơ có chứa lưu huỳnh như dibutyl diisooctylthio glycolate có độ bền nhiệt rất tốt. Các hợp chất butyltin nói chung ít độc hại do đó thường được ứng dụng trong các loại nhựa sử dụng trong việc chứa đựng thực phẩm. * Hợp chất epoxy phân tử thấp ngoài tác dụng ổn định PVC còn có tác dụng hoá dẻo. + Chất ổn đinh họ amin. + Hợp chất hấp thụ ti tử ngoại [5]. CHƯƠNG 3. TÍNH CHẤT ỨNG DỤNG CỦA PVC. 3.1. TÍNH CHÁT CƠ LÝ HOÁ CỦA NHỰA PVC. a. Cấu trúc. Dạng tổng quát PVC có thể tồn tại ở dạng “đầu nối đuôi”. “Đầu nối đuôi” Qua nghiên cứu tính chất hoá học của PVC qua các khảo sát bằng quang học, cho thấy cấu tạo chủ yếu theo lối kết hợp đầu nối đuôi.[7] Để xác định cấu tạo trên là đúng. Năm 1939 Marvel Sample và Raj là thí nghiệm tách loại Cl trong PVC, bằng cách đun nóng dung dịch PVC với bột kẽm. Nhóm Cyclopropan tạo thành, chứng tỏ PVC có cấu tạo theo lối kết hợp “đầu nối đầu” [9]. Vì trong PVC có Cl nên cấu trúc thu được là hỗn hợp cả 3 loại: Syndiotactic. ~CH2 – CH – CH2 – CH – CH2 = CH ~ Cl | | Cl Isotactic ~CH2 – CH – CH2 – CH – CH2 - CH ~ | Cl | Cl | Cl ~CH2 – CH – CH2 – CH – CH2 – CH2 - CH ~ | Cl | Cl | Cl Cl | và atactic Ngoài ra còn có một số mạch nhánh. Khoảng từ 50 –100 mắt xích cơ bản có một nhánh. Phổ nhiễu xạ của Fuller năm 1940 cho thấy rằng PVC thương mại thường là những chất vô định hình và có một lượng nhỏ ở dạng tinh thể. 3.2. TÍNH CHẤT CƠ LÝ. PVC là một Polyme vô định hình ở dạng bột có màu trắng đục tỉ trọng 1,4 ¸ 1,45 g/mc3 với chỉ số khúc xạ 1,544. PVC là nhựa nhiệt dẻo có tc = 800C kém bền nhiệt, kém đồng đều về trọng lượng phân tử, độ trùng hợp có thể từ 100 ¸ 2000. Để có vật liệu bền và co giãn thì 70% các phần tử Polyme phải có độ trùng hợp 1000 trở lên [7]. PVC bị lão hoá nhanh chóng, do đó làm giảm tính co giãn và tính chất cơ học. Tính chất điện của sản phẩm PVC phụ thuộc vào quá trình tổng hợp. + Hằng số điện môi tại 100Hz và 300C là 3,41. + Hằng số điện môi tại 60Hz và 300C là 3,54. + Hệ số công suất tại hai thời điểm trên là 3,51% và 2,5%. + Cường độ điện môi 1080 V/mil + Điện trở suất 1015 W [8]. Với các giá trị trên cho thấy tính chất cách điện của PVC khá tốt. Tuy nhiên còn tuỳ thuộc nhiều vào nhiệt độ áp suất . 3.3. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC. Ở nhiệt độ thường PVC có tính ổn định hoá học tốt, khi nhiệt độ tăng PVC không giã được tính ổn định hoá học, và trong quá trình biến đổi hoá học đều có nguyên tử Cl tham gia phản ứng và thường kéo theo cả nguyên tử Hydro ở C bên cạnh. - Phản ứng quan trọng nhất của PVC là phản ứng Clo hoá quá trình này có thể thực hiện trong môi trường hữu cơ như CCl4 tại nhiệt độ vừa phải dưới tác dụng của tia tử ngoại phản ứng cũng có thể thực hiện trong huyền phù với môi trường phân tá là dạng nước [5]. + Phản ứng khử HCl.. Cho dung dịch PVC trong Tetsu hydrophusan tác dụng với kiềm tạo thành Polyen: - CH = CH – CH = CH. + Phản ứng phân huỷ nhiệt. Khi đun nóng PVC , HCl được tách ra và xuất hiện nối đôi. ~ CH2 – CH – H2 – CH - - CH2 – CH – CH = CH – | | | Cl Cl Cl - HCl Độ cứng của PVC không biến dạng là do lực giữa các phân tử. Ở nhiệt độ thường chất hoá dẻo hoà tan có hạn, nhưng ở nhiệt độ cao chúng dẽ trộn hợp với Polyme. Vì khi ở nhiệt độ cao các chất hoá dẻo mới dễ dàng đi sâu vào giữa các mạch khi va chạm cọ xát chúng làm yếu lực tương tác giữa các phân tử vì vậy khi gia công người ta dùng chất hoá dẻo và trộn. Khi đun nóng chuyển động phân tử tăng, do đó làm yếu lực các phân tử và làm mềm Polyme [9]. + Những chất hoá dẻo: - Chất Phtalat chiếm 75% lượng chất dẻo, đó là các hợp chất như DIOP, DEHP, DOP và este phatlat của C7 Cyclo – alcohol. - Ngoài ra còn sử dụng các loại ditridecylphtalat. - Este của axit vô cơ lauratphotphat ankylphotphat và arylankylphotphat. - Các chất selacate như dibutylseclacate (DBS) và dioctyl sebacate (DOS) được sử dụng ở những nơi có nhiệt độ thấp. - Este dựa trên Trimellitic anhydrit như trimellitales là chất hoá dẻo thông dụng có thể sử dụng ở nơi có nhiệt độ cao, bền nước. 3.4. ỨNG DỤNG. Do nhựa PVC có nhiều tính chất quý giá như ổn định hoá học ở nhiệt độ thường, bền thời tiết, cách điện, bền oxy hoá dễ gia công, giá thành thấp nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các sản phẩm dân dụng được sản xuất từ PVC như dép nhựa, quần áp đi mưa, vài giả da, thảm trải sàn nhà, vải tráng nhựa, đồ chơi trẻ em. Ứng dụng trong xây dựng, cấp thoát nước: ống cấp thoát nước khung cửa ra vào, cửa sổ, mái nhà, trần tường, ống bảo vệ cáp thông tin và các quang. Ứng dụng trong giao thông vận tải: Thảm giải sàn, trần vách ngăn và khung cửa sổ. Ngoài ra người ta còn dùng PVC cứng và xốp có thể dùng làm vật liệu thay thế gỗ. - Mặc dù đã có nhiều chỉ trích của cơ quan bảo vệ môi trường cho rằng PVC khó phân huỷ và trong quá trình sản xuất có tách các chất không thân thiện với môi trường. Tuy nhiên các nhà kinh tế cho rằng mức độ tăng trưởng PVC trên quy mô toàn cầu vẫn được duy trì trong thời gian tới. CHƯƠNG 4. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PVC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUYỀN PHÙ. 4.1. QUY CÁCH NGUYÊN LIỆU VÀ THÀNH PHẦN. 1. Monome vinyclorua dùng để trùng hợp phải ở thể lỏng, bảo ôn ở nhiệt độ thấp (nhỏ hơn nhiệt độ sôi của vinyclorua – 13,90 ± 1). 2. Môi trường nước dùng để trộn hợp với VC và hoà tan chất nhũ hoá thuộc loại nước ngưng, hết sức tinh khiết. 3. Chất khơi mào thường dùng: Peoxit benzoil (POB, chất rắn màu trắng hay màu vàng nhạt, dễ bắt lửa có thể nổ khi va chạm mạnh, cọ sát hay hơ nóng, có thể bốc cháy khi lẫn H2SO4, do đó cần bảo quản cẩn thận. 4. Chất ổn định (keo bảo vệ) PVA thuộc họ Polyme vô định hình, được chứa đựng trong các bao vải hay bao gai. Chất ổn định được đứa vào 5% trong nước (dùng nước nóng 60 – 700C để pha chế). 5. NaOH dùng để xử lý kiềm sau khi đã trùng hợp xong. Xút có thể dùng ở dạng rắn hoặc lỏng. Ngoài các thành phần trên còn sử dụng: dung dịch đệm, tác nhân chống tạo bọt, tác nhân điều chỉnh khối lượng phân tr… Sau khi đã chuẩn bị xong nguyên liệu, tiến hành cho nguyên liệu vào thiết bị phản ứng theo thứ tự sau. Nước cất, dung dịch chất nhũ hoá, chất khơi mào, chất đệm, vinylclorua. Phản ứng trùng hợp thực hiện trong môi trường khí trơ vì vậy cần dùng khí N2 để đuổi hết không khí ra. Quá trình trùng hợp huyền phù được tiến hành tương tự như quá trình trùng hợp khối. Tuy nhiên mỗi giọt monome trong hệ huyền phù được coi là những thiết bị trùng hợp khối cực nhỏ. Sau khi vào thiết bị phản ứng vinyclorua ở dạng lỏng phân tán trong nước nhờ sự khuấy trộn mãnh liệt tạo ra các giọt kích thước nhỏ khoảng 30 - 40mm được ổn định bởi chất keo bảo vệ. Sau quá trình trùng hợp, dùng khí nén chuyển cả khối phản ứng sang thiết bị xử lý kiềm. Mục đích của giai đoạn xử lý kiềm là phân huỷ các gốc của chất khởi đầu và chất nhũ hoá (tạo thành các muối natri dễ hoà tan trong nước) theo phương trình phản ứng sau: 2(C6H5COO)2 + 4 NaOH ® 4C6H5COONa + 2H2O + O2 [7] Sau khí loại bỏ monome chưa tham gia phản ứng cho qua thiết bị trao đổi nhiệt, tiếp tục qua máy li tâm để rửa cho đến khi phản ứng trung hoà. Bột PVC với hàm ẩm » 20% cho qua thiết bị sấy tầng sôi tới khi hàm ẩm nhỏ hơn 0,3%. PVC thu được dưới dạng bột được thu hồi qua xiclon và qua thiết bị râ để loại bỏ các hạtquá to và sau đó được đóng bao. 4.2. THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT. Nồi phản ứng với dung tích 40 – 80mm3. Bên trong nối tráng men để giảm lượng Polyme bám vào thành của thiết bị, bên ngoài nồi có một lớp vỏ để gia nhiệt và làm lạnh, trong nồi phản ứng có lắp cánh khuấy (thường cánh khuấy chân vịt) để phân tán monome trong môi trường phân tán. Ngoài ra còn cáo các van để cho nguyên liệu và tháo sản phẩm. Sau khi đã cho nguyên liệu vào nồi được hàn kín lại và tạo chân không 28in Hg. Khi áp suất trong nồi 0,7 Mpa quá trình phản ứng phát triển nhiệt độ và áp suất duy trì suốt quá trình phản ứng phát triển mạch. Khi áp suất giảm thì nhiệt độ tăng [5]. Chú ý: Trong khi trùng hợp VC nếu nhiệt độ và áp suất trong nồi phản ứng tăng để hạ áp suất xuống, hoặc cho VC thoát ra ở máy tụ bọt hay cho thoát ra ngoài không khí [7]. 4.3. THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU. a. Môi trường phân tán. Với tỉ lệ nước: monome bằng 1.5 : 1 – 1.75 : 1 Khi tỷ lệ là 1.75 : 1 thì cho độ nhớt của hỗn hợp thấp. Thường sử dụng tỉ lệ 1.5 : 1. Nước có vai trò như pha liên tục để các monome phân tán thành các giọt nhỏ có kích thướnc 5.10-6 – 10 . 10-6mm. Ngoài ra nó còn có vai trò làm môi trường truyền nhiệt để tránh xả ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Đồng thời nước còn có vai trò hoà tan keo bảo vệ. [8]. b. Keo bảo vệ. Trong quá trình trùng hợp huyền phù các giọt VC chuyển dần sang một hệ giọt PVC/VCM cuối cùng là hạt PVC với một số VC tự do. Theo nhiều tác giả trong đó có Snderson thì quá trình này có thể được trình bảy sơ lược như sau: Kích thước (mm) Mức độ chuyển hoá % Giọt VC 0 0 Monome phân tán 0,1 - 0,3 1 – 5 Tập hợp 1 – 3 3 – 10 Hạt Polyme 2 – 10 80 – 90 Chất keo bảo vệ bao bọc các giọt để ngăn cản các giọt keo tụ lại với nhau. c. Dung dịch đệm. Trùng hợp VC bao giờ cũng tạo nên một lượng nhỏ HCl chưa kể một số chất khởi đầu phân huỷ ra các sản phẩm phụ có tính axit, điều này ảnh hưởng đến tính chất của hạt PVC tạo thành với một lượng nhỏ dung dịch đễm chũng có thể điều chỉnh độ pH của dung dịch. Thường là cá muối vô cơ các loại NaOH Mg(OH)2, cacbonat, icacbonat, phốt phát và axetat [5] d. Chất khơi mào.sự lặ chọn chát khơi mào trong quá trình huyền phù VC rất quan trọng do có ảnh hưởng đến giá cả của quá trình. Chất khơi có vai trò tạo ra các gốc tự do hoạt dộng để khơi mào quá trình trùng hợp. Một nhân tố khác trong sự chọn lựa chất khơi mào đó là khả năng ổn định bảo quản. Chất khơi mào không bền sẽ phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ. Ví dụ: Dibytyl peroxit dicacbonat có thể bảo quản tại nhiệt độ môi trường trong khi đó lauryl peoxit chỉ có thể bảo quản ở nhiệt độ 300C. [8] Quá trình trao đổi nhiệt là một vấn đề mang tính kinh tế trong sản xuất PVC sao cho thời gian phải ngắn nhất. Vì vậy chọn lựa chất khơi mào để thời gian và nhiệt độ phân huỷ không quá lớn dẫn đến tiết kiệm năng lượng cho quá trình sản xuất. Sử dụng hỗn hợp của một số chất khơi mào thì tốc độ phân huỷ sẽ nhanh hơn sơ với khíd một số chất khơi mào tại một nhiệt độ trùng hợp [8]. Do đó có thể tăng tốc độ của phản ứng trùng hợp tại thời điểm ban đầu, mà tại thời điểm này tốc độ phản ứng thấp. 4.4. SO SÁNH GIỮA CÁC PHƯƠNG PHÁP. Phương pháp trùng hợp dung dịch để sản xuất PVC ít được sử dụng do đòi hỏi một lượng dung môi lớn và có độ tinh khiết cao với phương pháp trùng hợp khối thì sản lượng khoảng 8% so với tổng sản lượng PVC. Thep phương pháp này sản phẩm có độ sạch cao, dây chuyền sản xuất đơn giản. không cần bộ phân lọc rửa, do đó kinh tế hơn. Tuy nhiên sản phẩm tạo ở dạng khối khó gia công, ngoài ra nó còn ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Nên ít được sử dụng. Hai phương pháp trùng hợp nhu tương và trùng hợp huyền phù vẫn được xây dựng rộng rãi (nhưng phương pháp huyền phù vẫn được sử dụng nhiều hơn) do có ưu điểm đáng kể như sản phẩm tạo ra ở dạng hạt, để gia công, vận tốc trùng hợp cao, nhiệt độ phản ứng thấp và đặc biệt không xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Tuy nhiên nhược điểm là sản phẩm dễ bị nhiễm bẩn bởi chất ổn định và chất nhũ hoá do đó có công đoạn rửa và sấy trong dây chuyền sản xuất. 4.5. DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PVC TRONG DUNG DỊCH HUYỀN PHÙ. Nguyên liệu được cho vào như sau: nước cất được bơm lên từ thùng chứa (1) lên thùng lường (2) tai dây lượng nước được lường với khối lượng đã định sẵn. Nước từ thùng lường (2) được đưa vào nồi phản ứng chính (4) . chất nhũ hóa và chất khởi đầu sau khi định lượng cho vào thùng (3) . Chất nhũ hóa và chất khởi đầu cho vào thiết phản ứng chính (4) . Chất ổn định PH được đinh lượng sau đó cho vào thiết bị phản ứng chính (4). Bước tiếp theo ta ding khí N2 đuổi hết không khí trong thiết bị phản ứng chính ra để tạo môi trường khí trơ trong thiết bị. Sau đó VC được bơm từ thùng chứa (5) lên thùng lường (6) với lương đã định va tiếp theo cho vào thiết bị phản ứng chính (4). Tại thiết bị phản ứng chính phản ứng trùng hợp qua 3 bước: Trước hết dùng nước nóng 70 – 80 oC đun nóng dần hỗn hợp phản ứng lên đến 40 – 70 o C và đưa áp suất trong nồi lên 5 – 8 at để kích động phản ứng trùng hợp .Tùy theo từng loại nhựa theo yêu cầu sản xuất mà ta cần quy định rõ về nhiệt độ và áp suất thích ứng.Tiếp theo dùng nước lạnh duy trì thật đúng nhiệt độ và áp suất đã quy định để cho phản ứng trùng hợp tiếp tục phát triển mạch cao phân tử. (Nhiệt độ không được sai quá 1 o C , áp suất không sai quá 0,1kg/cm2).Thời gian phát triển mạch 20 h . khi áp suất giảm dưới mức quy định thì tăng dần nhiệt độ lên 60 – 70 o C để làm đứt mạch . Đến khi áp suất còn 2 – 3 at thì coi như phản ứng trùng hợp đã hoàn thành. Trùng hợp xong dùng khí nén chuyển cả khối phản ứng sang thiết bị thổi bay (6). Tại đây dung khí nén thổi tập trung VC không tham gia phản ứng vào thiết bị thu hồi VC (7), phần còn lại được đưa vào thiết bị xử lý kiềm(8). ở đây dùng dd kiềm loãng 15%. Sau khi xử lý kiềm xong chuyển sang thiết bị ly tâm (9) , đây là giai đoạn ly tâm và rửa nhựa.Dùng nước nóng 60 -70 oC để rửa , ly tâm thật sạch cho đến phản ứng trung hòa. Hàm ẩm của PVC sau khi ly tâm rửa nhựa vào khoảng 16 – 22%. Bước tiếp theo PVC được chuyển sang thiết bị sấy tầng sôi (10) . PVC được sấy đến độ ẩm xác định thì được chuyển qua thiết bị đóng bao (11) và lưu kho. PHẦN THỨ BA: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1. Năng suất một ngày làm việc: Thời gian làm việc được xác định dựa trên số ngày trong năm trừ đi số ngày được nghỉ. Số ngày nghỉ lễ tết: 8 ngày Số ngày nghỉ sửa chữa nhỏ: 5 ngày Số ngày nghỉ sửa chữa lớn: 10 ngày Số ngày nghỉ chủ nhật: 52 ngày Tổng số 75 ngày Vậy số ngày làm việc trong 1 năm là 365 - 75 = 290 ngày Năng suất làm việc trong một ngày là (tấn/ngày) Thời gian bố trí cho một mẻ sản xuất gồm: - Thời gian nạp liệu và hút chân không: 30 phút - Thời gian gia nhiệt cho nồi phản ứng (từ 400C đến 700C):30 phút - Phản ứng chính diễn ra trong thời gian: 18 giờ - Xử lý sản phẩm sau trùng hợp: 5 giờ Tổng: 24 giờ 3.2. Tính cân bằng vật chất cho một tấn sản phẩm: Căn cứ theo đơn phối liệu sử dụng: VC 99,9% 100 phần khối lượng Nước 130 phần khối lượng Keo PVA 95% 0,15 phần khối lượng Chất khơi mào POB 96% 0,08 phần khối lượng Chất đệm H3PO4 89% 0,04 phần khối lượng A. Công đoạn trùng hợp 1. Tính lượng VC và chất khơi mào: Do độ ẩm trong nhựa là 0,3%, lượng PVC khô trong 1 tấn sản phẩm: Giả thiết rằng hiệu suất quá trình trùng hợp là 98,5%, do đó hao hụt sản phẩm trong toàn bộ quá trình 1,5% gồm: Giai đoạn sấy – đóng bao: 0,3% Giai đoạn ly tâm – rửa nhựa: 0,5% Hao hụt trong quá trình xử lý kiềm: 0,5% Giai đoạn chuẩn bị – lường: 0,2% Hao hụt của quá trình sấy – đóng bao: 0,3%, vậy lượng PVC trước khi sấy: Lượng PVC hao hụt do sấy: 1000– 997 = 3kg Hao hụt của quá trình ly tâm – rửa nhựa là 0,5%, lượng PVC trước khi ly tâm – rửa nhựa: 1000.100 = 1005,025 kg 99,5 Lượng PVC hao hụt do quá trình ly tâm – rửa nhựa là: 1005,025 – 1000 = 5,025 kg Hao hụt của quá trình xử lý kiềm 0,5% do đó lượng PVC trước khi xử lý kiềm là: 1005,025.100 =1010,075 kg 99,5 Hao hụt của quá trình xử lý kiềm: 1010,075–1005,025 = 5,05 kg Tổng lượng PVC hao hụt: 3+5,025+5,05=13,075 kg Coi từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm không xảy ra sự mất mát, lượng PVC trên do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Lượng PVC sau khi trùng hợp là: 1010,075 kg + Tính lượng VC cần dùng: Từ giai đoạn trùng hợp sang giai đoạn xử lý kiềm không xảy ra sự mất mát, lượng PVC trên là do VC và chất khởi đầu trùng hợp tạo thành. Với hiệu suất chuyển hóa 90% do đó lượng VC ban đầu là: (kg) Lượng VC không phản ứng (chưa tham gia vào quá trình chuyển hoá là) 1122,305–1010,075= 112,23 (kg) Độ nguyên chất của VC là 99,9% do đó lượng VC cần dùng là: (kg) Hao hụt trong quá trình lường là 0,2%, do đó Lượng VC thực tế dùng là: (kg) Lượng VC hao hụt do quá trình lường là 1125,679 – 1123,428 =2,251 (kg) Lượng VC thu hồi là 95%, lượng thu hồi sẽ là 112,23.95 = 106,618 100 Lượng VC dùng cho 1 tấn là 1125,679 – 106,618 = 1019,061 Tính lượng chất khởi đầu: Lượng chất khởi đầu POB 96% cần dùng theo đơn phối liệu là: 1125,679. 0,08 = 0,9 kg 100 Với độ nguyên chất 96% thì lượng POB nguyên chất được đưa vào: 0,9 . 100 = 0,937 kg 96 Hao hụt do quá trình lường là 0,2%, vậy lượng POB cần dùng: 0,937. 100 = 0,939kg 99,8 Tổn hao POB 96%: 0,939–0,937= 0,002 kg 2. Tính lượng chất ổn định huyền phù PVA: 1125,679. 0,15 = 1,688 kg 100 Với độ nguyên chất 95%, lượng PVA được đưa vào: 1,688 . 100 = 1,776 kg 95 Hao hụt là 0,2 %. Lượng PVA 95% cần dùng: 1,776. 100 = 1,779 kg 99,8 Lượng PVA 95% tổn hao: 1,779–1,776= 0,003 kg 3. Tính lượng chất điều chỉnh pH môi trường: 1125,679. 0,04 = 0,450 kg 100 Độ nguyên chất 89% thì lượng H3PO4 được đưa vào: 0,450 . 100 = 0,505 kg 89 Hao hụt của quá trình lường là 0,2%. Lượng H3PO4 cần dùng: 0,505 . 100 = 0,506 kg 99,8 Lượng H3PO4 89% tổn hao do quá trình lường: 0,506 – 0,505 = 0,001 kg 4. Tính lượng nước cất đã phản ứng: Lượng nước cất đã dùng để phản ứng theo tỷ lệ: VC/H2O = 1/1,3 Vậy lượng nước cất cần dùng là: 1125,679.1,3 = 1463,382 kg Hao hụt trong chuẩn bị và lường 0,2%. Lượng nước cất đã dùng là: 1463,382 . 100 = 1466,314 kg 99,8 Lượng nước tổn hao: 1466,314 –1463,382 = 2,932 kg Từ các số liệu đã tính toán ở trên ta lập bảng cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm: Bảng 1: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 1019,061 112,23 2,251 POB 96% 0,939 0,937 0,002 PVA 95% 1,779 1,776 0,003 H3PO4 89% 0,506 0,505 0,001 Nước cất 1466,314 1463,382 2,932 PVC 0,000 1010,075 0,000 Tổng 2595,217 2588,905 5,189 B. Công đoạn xử lý kiềm Mục đích của công đoạn xử lý kiềm là làm phân hủy các gốc của chất khơi mào và chất ổn định (tạo thành loại muối natri để hòa tan vào trong nước) để keo tụ nhựa và tăng tính chất ổn định đối với nhiệt của nhựa. Quá trình xử lý kiềm dùng dung dịch NaOH 15% theo tỷ lệ 200 lít/100 kg hỗn hợp. Đối với 1 tấn sản phẩm cần phải dùng là: 1010,075. 200 = 2020,15 lít 100 Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15%: 1164 kg/m3 = 1,164 kg/dm3 Vậy khối lượng dung dịch NaOH: 2020,15. 1,164 = 2351,4546 (kg) Lượng NaOH cần dùng để xử lý kiềm là: 2351,4546. 15 = 352,718 kg 100 Lượng nước cần dùng để pha dung dịch NaOH 15%: 2351,4546 - 352,718= 1998,736kg Bảng 2: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 1463,382 1456,066 7,316 PVC 1010,075 1005,025 5,050 NaOH 352,718 0,000 352,718 Nước pha dung dịch 1998,736 0,000 1998,736 Tổng 4824,911 2461,091 2363,820 C. Công đoạn ly tâm và rửa nhựa: Tiến hành rửa hốn hợp bằng nước cất nóng 600C – 700C, ly tâm thật sạch cho đến khi phản ứng trung hòa. Rửa 5 lần, mỗi lần 250 l/400 kg hỗn hợp. Lượng nước cần dùng cho 1 lần rửa: 2461,091. 250 =1538,181 lít 400 Lượng nước cần để rửa hỗn hợp tương ứng với 1 tấn sản phẩm là: 1538,181. 5 = 7690,905 lít Sau khi ly tâm và rửa nhựa, độ ẩm của sản phẩm là 20%. Lượng nước còn lại trong nhựa sau khi ly tâm – rửa nhựa là: 1005,025.20 = 201,005 lít 100 Bảng 3: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 1456,066 201,005 1255,061 Nước rửa nhựa 7690,905 0,000 7690,905 PVC 1005,025 1000 5,025 Tổng 10151,996 1201,005 8950,991 D. Công đoạn sấy và đóng bao: Sau quá trình sấy, độ ẩm sản phẩm là 0,3%. Hao hụt 0,3% Bảng 4: Cân bằng vật chất cho 1 tấn sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 201,005 3 198,005 PVC 1000 997 3 Tổng 1201,005 1000 201,005 3.3. Tính cân bằng vật chất cho một nồi Sử dụng hệ thống 1 nồi trùng hợp nấu Với năng suất 500 tấn/năm. Chọn 1 thiết bị phản ứng làm việc. Số giờ làm việc của một năm là: 24. 290 = 6960 (h) Số mẻ sản phẩm của một thiết bị trong 1 năm là 6960 : 30 = 232 mẻ Do vậy mỗi mẻ 1 thiết bị làm việc đạt năng suất là (tấn) A. Công đoạn trùng hợp: Bảng 5:Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 2425,951 241,8669 4,85113 POB 96% 2,023639 2,019329 0,00431 PVA 95% 3,833923 3,827458 0,006465 H3PO4 89% 1,090481 1,088326 0,002155 Nước cất 3160,053 3153,735 6,318753 PVC 0 2176,813 0 Tổng 5592,952043 5579,350013 11,182813 Bảng 6: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (kg): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 3153,735 3137,968 15,76671 PVC 2176,813 2165,929 10,88326 NaOH 760,1426 0 760,1426 Nước pha dung dịch 4307,476 0 4307,476 Tổng 10398,1666 5303,897 5094,26857 Bảng 7: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 3138 433,19 2704,8 Nước rửa nhựa 16575 0 16575 PVC 2165,9 2155,1 10,829 Tổng 21878,9 2588,29 19290,629 Bảng 8: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 433,19 6,4653 426,72 PVC 2155,1 2148,6 6,4653 Tổng 2588,29 2155,0653 433,1853 3.4. Tính cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm: Bảng 9: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn trùng hợp (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao VC 99,9% 509,53 56,115 1,1255 POB 96% 0,4695 0,4685 0,001 PVA 95% 0,8895 0,888 0,0015 H3PO4 89% 0,253 0,2525 0,0005 Nước cất 733,157 731,691 1,466 PVC 0 505,0375 0 Tổng 12442,99 1294,453 2,5945 Bảng 10: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn xử lý kiềm (tấn): Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 731,691 728,033 3,658 PVC 505,0375 502,5125 2,525 NaOH 176,359 0 176,359 Nước pha dung dịch 999,368 0 999,368 Tổng 2412,456 1230,546 1181,91 Bảng 11: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn ly tâm, rửa nhựa (kg) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 728,033 100,5 627,53 Nước rửa nhựa 3845,4525 0 3845,5 PVC 502,5125 500 2,5125 Tổng 5075,998 600,5 4475,5 Bảng 12: Cân bằng vật chất cho 500 tấn sản phẩm trong công đoạn sấy và đóng bao (tấn) Tên nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao Nước cất 100,5 1,5 99,003 PVC 500 498,5 1,5 Tổng 600,5 500 100,5 Bảng 13: Tiêu hao nguyên liệu với năng suất 500 tấn/năm: Tên nguyên liệu 1 tấn (kg) 1 mẻ (kg) 1 năm (tấn) VC 99,9% 1125,679 2425,951 509,53 POB 96% 0,939 2,023639 0,4695 PVA 95% 1,779 3,833923 0,8895 H3PO4 89% 0,506 1,090481 0,253 Nước cất 1466,314 3160,053 733,157 PVC 0,000 0 0 Tổng 2595,217 5592,952043 12442,99 PHẦN THỨ TƯ: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 1. Thiết bị chính Thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất PVC là thiết bị trùng hợp. Cấu tạo từ thân hình trụ, đáy và nắp hình elip, có vỏ bọc để gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa hoặc làm lạnh bằng nước lạnh. Nồi được trang bị cánh khuấy chân vịt để khuấy trộn hỗn hợp phản ứng với vận tốc 500 vòng/phút. Trên nắp có cửa làm vệ sinh, các đầu ống dẫn, kính quan sát, đầu ống lắp nhiệt kế và áp kế. Dưới đáy nồi có lắp van tháo sản phẩm. Bền ngoài cùng của nồi có lớp vỏ bọc cách nhiệt (bảo ôn) bằng bông thủy tinh. Nồi được đỡ bằng 4 tai hàn vào thân nồi. Vật liệu chế tạo thân nồi và các chi tiết bằng thép không gỉ loại 0X21H6M2T. Thể tích nguyên liệu vào nồi trong 1 mẻ: Trong đó: : Khối lượng của các cấu tử (kg) : Khối lượng riêng của các cấu tử (kg/m3)  Nguyên liệu ρi (kg/m3) Gi (kg)  VC 970 2425.951  H2O 1000 3160.053  POB 973 2.023639  PVA 973 3.833923  H3PO4 1836 1.090481 Tổng 5752 5592.952043 = 2,5+3,16+0,002079+0,00393+0,000593 = 5,667 m3 Dùng nồi với hệ số đầy η = 0,7 thì thể tích nồi cần thiết kế là: a. Đường kính thiết bị Thể tích nồi gồm các phần Vtb = Vn + Vđ + Vth Trong đó Vn: thể tích nắp Vđ: thể tích đáy Vth: thể tích hình trụ Đáy và nắp ta có thể tính như hai elíp xem thể tích của chúng bằng nhau. Vtb = Vth + 2 Vđ + Thân nồi là hình trụ nên Vth = (Với R là bán kính, R = ) suy ra Thể tích đáy Vđ = Thay R = Với thiết bị thẳng đứng ta chọn h = 2Dt, h’ = nên ta có: Vđ = Do đó Vtb = Vth + 2 Vđ = = 1,8 Þ Quy chuẩn Dt = 1,8(m) Thể tích nồi theo quy chuẩn Vtb = 1,8. (1,8)3 = 10,497(m3) - Chiều cao phần thân thiết bị h = 2Dt = 2.1,8 = 3,6 (m) h' = 0,25. 1,8= 450(mm) Vậy chiều cao thiết bị: H= h + 2h' = 3,6 + 2. 0,45 = 4,5 (m) c. Chiều dày thiết bị Sử dụng loại thép không gỉ loại 0X21H6M2T với [10 – 310] để làm vật liệu gia công nồi. Chiều dày thân hình trụ chịu áp suất làm việc bên trong là 8 at (~ 8.105 N/m2)(áp suất làm việc lớn nhất trong quá trình trùng hợp PVC) Áp dụng công thức: , m [10 – 360] Trong đó: Dt: Đường kính trong của nồi (m) φ : Hệ số bền của thành hình trụ heo phương dọc φ = 0,95 [10 - 362] P : Áp suất tính toán trong thiết bị (N/m2) [σ]: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền (hay giới hạn chảy) + Tính ứng suất cho phép: Ứng suất cho phép theo giới hạn bền được xác định theo công thức: [10 – 355] Với Hệ số an toàn bền nk = 2,6 [10 – 356] Hệ số điều chỉnh η = 1 [10 – 356] Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định theo công thức: [10 – 355] Với nt = 1,5 Suy ra [σc] = 200.106 N/m2 Trong hai giá trị, lấy giá trị nhỏ hơn để tính toán [σ] = [σc] = 200.106 N/m2 + Tính P: Vì môi trường làm việc trong thiết bị là hỗn hợp hơi – lỏng nên áp suất làm việc bằng tổng áp suất Pm và áp suất thủy tĩnh (PH = ) của cột chất lỏng: N/m2 [10 – 360] Trong đó: Pm : Áp suất môi trường làm việc lớn nhất trong quá trình làm việc, N/m2 Pm = 8 at = 8.105 N/m2 g : Gia tốc trọng trường H : Chiều cao lớn nhất của cột chất lỏng, H = 4,5 m ρ : Khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3, được tính theo công thức: [11 – 5] với ai : Nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong hỗn hợp; ρi : Khối lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp. Ta tính được: Vậy: = 987,25 kg/m3 P = Pm + gH = 8,097.105 N/m2 Do Nên bỏ qua P ở mẫu số, ta có chiều dày thân hình trụ: + C C : Hệ số bổ sung do ăn mòn và dung sai âm về chiều dày. Lấy C1 = 0,001 m C2 = 0 C3 = 0,001 m S = 3,84.10-3 + 2.10-3 = 5,84.10-3 m Quy chuẩn S = 6 mm [10 – 364] Kiểm tra lại khả năng chịu áp suất ta kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bởi công thức: , N/m2 [10 – 365] Áp suất thử tính toán Po được xác định theo công thức: Pth : Áp suất thử thủy lực tính theo [10 – 358]  Pth = 1,5P = 12,146.105 N/m2 P1 : Áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị ρ : Khối lượng riêng của nước ρ = 1000 kg/m3 H : Chiều cao cực đại của cột chất lỏng P1 = 0,218.105 N/m2 Po = 12,146.105 + 0,225.105 = 12,37.105 N/m2 Cùng với Dt = 1,8 m; S – C = 0,006 m; φ = 0,95; σc = 300.106 N/m2 Thay vào biểu thức ta có: σ = 195,96.106 N/m2 Vì nên điều kiện không thỏa mãn. Ta chọn lại chiều dày thân thiết bị lấy S = 6 + 2 = 8 mm. Sau đó lại kiểm tra lại khả năng chịu áp suất theo công thức trên: , N/m2 [10 – 365] Trong đó: Các số liệu khác vẫn giữ nguyên, chỉ có: S – C = 0,006 mm Thay vào công thức trên ta tính được: σ = 192,41.106 N/m2 < Vậy ta chọn chiều dày thân thiết bị là 8 mm. + Chiều dày đáy thiết bị: Chiều dày đáy lấy bằng chiều dày thân nếu điều kiện thử sau được thỏa mãn: Trong đó: hb : Chiều cao phần lồi của đáy, m; φh : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm; k : Hệ số không thứ nguyên; Với Dt = 1,8 m; hb = 0,45; φh = 0,95; S – C = 0,006 m; Po = 12,37.105 N/m2; k = 1. Do đó: σ = 205,6.105 N/m2 < Vậy điều kiện thử thoả mãn nên: Sd = S = 8 mm Căn cứ vào các số liệu: Dt = 1800 mm hb = 450 mm h = 25 mm Tra bảng XIII.10 trong [10 – 382] ta có: Bề mặt trong của đáy: F = 3,65 m2 Thể tích: V = 827.10-3 m3 Tra bảng XIII.11 trong [10 – 384] ta được: Khối lượng của đáy elip: m = 283 kg d. Vỏ bọc nồi phản ứng Vỏ bọc nồi phản ứng được chế tạo bằng thép CT3 bằng cách hàn dọc thân. e. Chiều dày lớp bảo ôn Lớp 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 làm giảm lượng hơi nước cần thiết để đun nóng thiết bị. Ở đây, ta sử dụng bông thủy tinh làm lớp vỏ bảo ôn với thông số ρ = 200 kg/m3; λc = 0,125 W/m.độ [11 – 148] Trong đó: t1 : Nhiệt độ của chất tải nhiệt. : Nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn giáp với không khí. St : Chiều dày của tấm thép. Sbo : Chiều dày lớp bảo ôn. : Hệ số truyền nhiệt của thép. : Hệ số truyền nhiệt của lớp bảo ôn. Ta 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 (q3), và nhiệt tải riêng do bức xạ từ thành thiết bị vào không khí (q3) sẽ bằng nhau: q1 = q2 = q3 [13 – 214] Quốc Tuấn – Tạp chí Ta có: q1 = α1.Δt1 [13 – 214] Với α1 : Hệ số cấp nhiệt của hơi nước đun nóng (W/m2.độ). Δt1: Hiệu số giữa nhiệt độ của hơi nước và thành trong thiết bị (°C). Δt2: Chênh lệch nhiệt giữa thành trong và thành ngoài. Σr : Tổng nhiệt trở thành. Ta có: (W/m2) [13 – 212] Trong đó: rc: Nhiệt trở cặn. Sbo, St : Chiều dày lớp bảo ôn, lớp thép. Nhiệt tải riêng về phía không khí: Trong đó: αk: Hệ số cấp nhiệt về phía không khí. [10] Do Vậy chiều dày lớp bảo ôn: Chọn vật liệu bảo ôn là bông thuỷ tinh bên ngoài bọc lớp vải thuỷ tinh có: W/m.độ Hệ số dẫn nhiệt của thép làm vỏ áo CT3 là: λt = 50,2 W/m.độ Ở đây, ta dùng hơi nước bão hoà ở 2 at. Do đó = 119,6°C [11– 378] Nhiệt độ môi trường: t2 = 25 °C. Giả thiết nhiệt độ mặt ngoài của lớp bảo ôn là: °C Bề dày của vỏ áo: Tính α1 : Tra các thông số của hơi nước bão hoà: Khối lượng riêng: ρ = 1,107 kg/m3 [11 – 377] Hệ số dẫn nhiệt: λ = 2,59.10-2W/m.độ [11 – 133] Nhiệt dung riêng: Cp = 2,1.103 kJ/kg.độ [11 – 196] Độ nhớt: μ = 133.10-7 Ns/m2 [11 – 140] Khi đun nóng hơi nước chuyển động trong khoảng không gian giữa vỏ áo và thân thiết bị (thiết diện của khoảng không gian hình vành khăn) Chuẩn số Nu được xác định theo công thức Nu = 0,23 Re0,8Pr0,4(dtn/dnt)0,45 [14 – 223] dtn: đường kính trong của ống ngoài. dtn: đường kính ngoài của ống trong. dtn = 1,861 m; dnt = 2,0m [14 – 35] : vận tốc hơi nước ( lấy = 25 m/s) Re = 3,512.105 [14 – 218] Thay số (W/m2.độ) Chiều dầy lớp bảo ôn g. Mặt bích, bu lông và chọn đệm Bích liền được chế tạo bằng thép CT3 có khối lượng riêng ρ = 7850 kg/m3 Từ đường kính ngoài nồi tra bảng số liệu tại [10 – 424] ta có bảng sau: Dt Kích thước nối Kiểu bích D Db D1 D0 Bu lông 1 db Z h mm cái mm 1800 2010 1940 1890 1845 M36 48 56 Trong đó: D: Đường kính ngoài của bích. Db: Đường kính đến tâm bulông. Dn: Đường kính ngoài thiết bị. Dt: Đường kính trong thiết bị. Dl: Đường kính tính đến giữa mép gờ. M30: Đường kính bulông. Z: Số bulông. + Chọn đệm: Đệm được chọn theo bảng XIII.31 [10 – 433] dựa theo đường kính trong của thiết bị. Dy D1 D2 D3 D4 D5 h Mm 1800 2010 1854 1856 1830 1828 43 h. Công suất của mô tơ - cánh khuấy Chọn cánh khuấy chân vịt số vòng quay 500 v/p, đường kính cánh khuấy bằng 0,25 đường kính thiết bị. Khi mở máy cần có công suất để thắng lực ma sát của cánh khuấy với chất lỏng, lực quán tính (lực ỳ của chất lỏng từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động). Do đó công suất của động cơ để mở máy là: NM = NY + NS [11 – 198] Trong đó: NM – công suất mở máy, W NY – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ, W NS – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát, W NY = K.ρ.n3.d5 Ns = Np = K.ξ.ρ.n3.d5 [11 – 198] Trong đó: K = 3,87.a a – tỉ số của chiều cao và đường kính mái chèo. n – số vòng quay của cánh khuấy, vòng/phút d – đường kính cánh khuấy, m Np – công suất làm việc, W ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 μ – độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2) Từ hai công thức trên ta rút ra được: NM = Np.(K + ξM )/ξM , W ξM – là hằng số tìm bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào hình dáng cánh khuấy, thùng khuấy và chuẩn số ReM. Trong đó chuẩn số ReM trong trường hợp khuấy tính bằng: ReM = ρ.n.d2/μ Tính Np: Np = K.ξ.ρ.n3.d5 , W n = 500 v/p = 8,33 v/s d = 0,566 m ρ = 984,20 kg/m3 K.ξ = ξM = f(ReM) Tính μ: Áp dụng công thức: lg(μ) = ∑xi.lgμi [11 – 93] Trong đó: μi – Độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần, xi – Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp, xi = ai – Nồng độ phần khối lượng của từng cấu tử, Mi – Khối lượng phân tử của từng cấu tử, Do khối lượng chất nhũ hoá, chất khởi đầu có khối lượng không đáng kể có thể bỏ qua. Do đó: xVC = xH2O = 1 – 0,181 = 0,82 lg(μ) = 0,18.lg(0,432.10-3) + 0,84.lg(1,005.10-3) = – 3,064 μ = 0,860.10-3 Ns/m Tính ReM: ReM = ρ.n.d2/μ = 984,20.8,33.0,62/0,8611.10-3 = 3,424.106 > 104 Do đó chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy là chế độ chảy xoáy, khi ReM > 50 thì ξM = 0,845.ReM-0,05 = 0,398. Vậy EU = f(ReM) = 0,403 Nm = 17,87 kW. Công suất tiêu tốn cho quá trình làm việc (công suất mô tơ cánh khuấy: 17,87 kW). Công suất mở máy Nc = Ng + Nm = 3 Nm = 51,61 kW. Công suất động cơ điện Nđc = Nc / : hiệu suất (khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy) chọn = 0,65 N®c = 82,5 kW i. Chọn cánh khuấy Ta chọn cánh khuấy chân vịt có d = 0,25¸0,33D Chọn d = 0,33D, tra bảng 31.12 trong [14 – 719] ta có các thông số của cánh khuấy như sau: dm d dc h bx d + t1 s0 s10 m mm kg 600 100 155 130 28 110,4 13,5 5,5 25 k. Chọn tai treo Tai treo được chọn theo khối lượng của thiết bị chính do đó để chọn được tai treo ta cần phải tính được khối lượng của thiết bị chính. Tải trọng cực đại là tải trọng khi thử thuỷ lực (tải trọng khi đổ đầy nước). Gtbcmax = Gthân + Gđáy + Gnắp + Gbích + Gvỏ + Gbảo ôn + GH2O + Gkhác + Tính khối lượng thân thiết bị: Gthân = Vthân.ρthân = π.H/4.(Dn2 – Dt2).7850 = 3,14.4,5/4.( 1,8082 – 1,82 ). 7850 = 800 kg + Tính khối lượng đáy và nắp. Gđáy + Gnắp = 2.283= 566 kg + Tính khối lượng bích. Gbích = Vbích.ρbích Trong đó Vbích = h.π.(D2 – D02)/4 = 0,056.3,14.(2,0102 – 1,8452)/4 = 0,0028m3 ρbích = 7850 kg/m3 Do đó Gbích = 7850.0,028 = 220 kg + Tính khối lượng nước thử: GH2O = Vtb.ρH2O =10,497.1000 = 10497 kg + Tính khối lượng bông thuỷ tinh. Gbo = Vbo.ρbo = 21.0,057.200 = 239,4 kg + Tính khối lượng vỏ áo thiết bị. Gv = Vv.ρv = 15.0.006.7850 = 706,5 kg Khối lượng mô tơ cánh khuấy, khối lượng bulông, khối lượng tai treo... lấy gần đúng là Gkhác = 100 kg Vậy khối lượng của toàn thiết bị phản ứng là: Gmax = 10413,7 kg = 13110,9 N Dùng 4 tai treo chế tạo bằng thép CT3 khi đó tải trọng trên mỗi tai treo: 3,277.104N Dựa vào bảng XIII – 36, [12 – 438] ta có các thông số về tai treo như sau: Tải trọng cho phép trên một tai treo .104N Bề mặt đỡ 10-4 m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ 106N/m2 L B B1 H S l a d Khối lượng một tai treo, kg mm 4,0 297 1,34 190 160 170 280 10 80 25 34 7,35 2. Thiết bị phụ 2.1. Bơm a. Bơm nước cất Dùng một bơm ly tâm để bơm nước cất từ bể chứa lên thùng lường dùng vào việc pha dung dịch chất ổn định huyền phù, dung dịch chất khơi mào và cho trực tiếp vào thiết bị phản ứng. Lượng nước cần bơm trong một mẻ là: 3160,053 kg = 3,16 m3 Thời gian bơm tiến hành trong 30 phút. Chiều cao hút của bơm: Hh = 0 m Chiều dài ống hút của bơm: Lh = 5 m Chiều cao ống đẩy: Hd = 16 m Áp suất ở đầu ống hút bằng áp suất đầu ống đẩy và bằng áp suất khí quyển, 1at. Đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy, bằng 0,1 m. Ống được thiết kế gồm: 2 van tiêu chuẩn, 4 khuỷu 90°. Ta có khối lượng riêng của nước và độ nhớt của nước lấy ở 250C là: ρ = 1000 kg μ = 0,76.10-3 Ns/m2 Lưu lượng chất lỏng chảy trong ống: Q = V/τ V – Thể tích cần bơm, m3 τ – Thời gian bơm, s Q = 3,16/30.60 = 1,756.10-3 m3/s Tốc độ chảy trong ống: ω = Q/S , m/s S – Thiết diện ống, m2 m/s Công suất của bơm được tính theo công thức: N = kW [11 – 17] Trong đó: V – Lưu lượng thể tích, m3/s ∆P – Áp suất do bơm tạo ra, N/m2 η – Hiệu suất bơm g – Gia tốc trọng trường, m/s2 Áp suất ∆P được tính theo công thức: ΔP = ∆Pw + ∆Pm + ∆Ptr + ∆Ph + ∆Pp N/m2 Trong đó: ∆Pw – Áp suất tạo ra vận tốc dòng chảy. ∆Pm – Áp suất để thắng trở lực ma sát. ∆Ptr – Áp suất để thắng trở lực cụ bộ. ∆Ph – Áp suất thắng chênh lệch chiều cao H. ∆Pp – Áp suất chênh lệch giữa đầu hút và đầu đẩy, trong trường hợp này ∆Pp = 0 + Tính ∆Pw: (N/m2) ρ – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 ω – Vận tốc của lưu thể, m/s ∆Pw = 0,2242.1000/2 = 25,088 N/m2 + Tính ∆Pm: ∆Pm = N/m2 λ – Hệ số ma sát l – Chiều dài ống, m d – Đường kính tương đương của ống, m Hệ số ma sát λ phụ thuộc vào chế độ chảy của chất lỏng và vào độ nhám của thành ống. muốn xác định chế độ chảy ta phải xác định chuẩn số Re: μ – Độ nhớt của chất lỏng, N.s/m2 > 104 do đó chế độ chảy của dòng thuộc khu vực 3 của khu vực chảy xoáy. Theo công thức Ixaep: (1/λ)1/2 = – 1,8.lg[6,8/Re + e] [11 – 68] Trong đó: e =(n/3,7.d)1,11 n = ε/r độ nhám tương đối r – bán kính đường ống, lấy bằng 0,05 m ε - chiều sâu rãnh, lấy bằng 0,1 mm Thay vào công thức trên ta có: (1/λ)1/2 = – 1,8.lg[6,8/2,9.104 + (0,1/7,4.502)1,11] = 6,554 Suy ra λ = 0,023 ∆Pm = (0,023.21/0,1).(25,088) = 120,75 N/m2 + Tính ∆Ptr: Trở lực cục bộ gồm có 2 van tiêu chuẩn, 4 khuỷu 90°: ∆Ptr = ∑ξ.ω2.ρ/2 (N/m2) ∑ξ – Tổng trở lực cục bộ ∑ξ = ξkhuỷu + ξvan + ξvào + ξra Tra bảng : ξkhuỷu = 1,26 [15 – 70] ξvan = 4,5 [15 – 72] ξvào = 0,06 , ξra = 1 [15 – 69] ∑ξ = 1,26 .4 + 4,5.2 + 0,06 + 1 = 15,1 Do đó ∆Ptr = 15,1.25,088 = 378,828 (N/m2) + Tính ∆Ph: ∆Ph = ρ.g.H = 1000.9,81.16 = 156960 N/m2 Vậy tổng trở lực mà bơm phải đạt được trên đường ống là: ∆P = 25,088 + 120,75 + 378,828+ 156960 = 157484,66 N/m2 η – Hiệu suất chung của bơm ly tâm η = ηo.ηtl.ηck Tra bảng II – 32 [11 – 536] ηo – Hiệu suất thể tích của bơm, lấy ηo = 0,9 ηtl – Hiệu suất thuỷ lực của bơm, lấy ηtl = 0,85 ηck – Hiệu suất cơ khi của bơm, lấy ηck = 0,95 η = 0,9.0,95.0,85 = 0,727 Thay vào công thức tính công suất bơm ta được: N = Công suất động cơ điện: Ndc = N/ηtd.ηdc ηtd – Hiệu suất truyền động khớp nối, lấy bằng 1 ηdc – hiệu suất động cơ điện, lấy bằng 0,75 Ndc = 0,4/0,75 = 0,53 kW Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải). Ndcc = β.Ndc β – Hệ số dự trữ công suất tra bảng II – 33 Ta có β =2,89 [11 – 537] Ndcc = 2,89.0,53 = 1,54 kW b. Bơm vinyl clorua VC là chất dễ cháy nổ, do đó ta dùng một bơm pittông để bơm VC lên thùng lường và thêm một bơm dự trữ. Lượng VC cần bơm là lượng VC cần cho một mẻ sản xuất. MVC =2425,951kg Khối lượng riêng của VC lỏng ở – 12,96 °C là 969,2 kg/m3, độ nhớt là μ = 0,26.10-3 Ns/m2. Thể tích VC là: V = 2425,951/969,2 = 2,5 m3 Chiều cao hút hh = 0 m Chiều cao đẩy hd = 16 m Chiều dài ống hút lh = 5m Áp suất cửa hút bằng áp suất cửa đẩy bằng 1at, Đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy bằng 0,1 m, Thời gian bơm VC được tiến hành trong 20 phút, Lưu lượng chất lỏng trong ống Q = V/τ = 2,5/60.20 = 0,00208 m3/s Tốc độ chảy trong ống ω = Q/S = 4.Q/π.d2 = 4. 0,00208 /3,14.0,12 = 0,265m/s Tính áp suất toàn phần để khắc phục tất cả các trở lực trên đường ống. Tính tương tự như với bơm nước cất: ∆Pw = ω2.ρ/2 = 0,2652.969,2/2=34,03 N/m2 ∆Pm = N/m2 = 184,56N/m2 ∆Ptr = ∑ξ.ω2.ρ/2, N/m2 = 1101 N/m2 ∆Ph = ρ.g.H = 152125,6 N/m2 Vậy tổng trở lực trên đường ống mà bơm cần phải thắng là: ∆P = 152835,4N/m2 Công suất của bơm: N = , kW =0,00208. 152835,4/1000.0,727 = 0,437kW Công suất của động cơ điện. Ndc = 0,437/0,75 = 0,83kW Thực tế chọn: Ndcc = 1,68 kW c. Bơm nước làm mát Nước làm mát được bơm lên trên một thùng chứa cao 16m và từ đây nước sẽ chảy vào vỏ bọc để làm lạnh khi thiết bị phản ứng vượt quá nhiệt độ cho phép. Lượng nước làm mát cần thiết dùng trong một mẻ cđược lấy từ phần tính cân bằng nhiệt của giai đoạn giữ nhiệt độ phản ứng ở 70 °C cho đến khi đạt độ trùng hợp yêu cầu. Ta dùng một bơm ly tâm và một bơm dự trữ. Lượng nước cần bơm: V = 45 m3 Thời gian bơm: t = 60 phút Lưu lượng nước của bơm: Q = V/t = 0,0125 m3/s Tốc độ chảy của nước trong đường ống đường kính d = 0,1 m là: ω = Q/S = 1,592 m/s + Tính toán tương tự như với bơm nước cất ta có: ∆P = 182160,3 N/m2 Nb = 3,13 kW Ndc = 4,18 kW Lấy hệ số dự trữ β = 1,5 Vậy Ndcc = 6,3 kW d. Bơm nước rửa nhựa Ta dùng một bơm ly tâm và một bơm dự trữ để bơm nước rửa nhựa. Lượng nước rửa nhựa được bơm theo mẻ lên một thiết bị chứa phía trên với độ cao h = 16 m với đường kính ống là 0,2 m. Lượng nước cần bơm: V = 16575/1000 = 16,575 m3 Thời gian bơm là: t = 30 phút Lưu lượng nước: Q = V/t =9,2.10-3 m3/s Tốc độ nước chảy trong đường ống đường kính d = 0,2 m: ω = Q/S = 4.9,2.10-3/3,14.0,22 = 0,3 m/s Tính toán tương tự như bơm nước cất ta có: ∆P = 159519,4 N/m2 N = 6,76.10-3.159519,4/1000.0,727 = 0,678 kW Ndc = 0,678/0,75 = 0,904 kW Ndcc = 0,904.1,3 = 1,175 kW 2.2. Thiết bị lường chứa a. Thùng chứa nước cất Thùng chứa có dung tích sao cho lượng chất cần chứa dùng được cho 1 mẻ. Lượng nước cất dùng cho một mẻ: Vmẻ = Vtrùng hợp + Vrửa nhựa = 3,16+ 16,575= 19,735 m3 Thể tích thùng chứa: V = 2Vmẻ =39,47m3 Thùng chứa nước cất dạng hình trụ có chiều dài L = 6 m. Đường kính thùng chứa được tính theo công thức: D = m Quy chuẩn D = 3 m. b. Thùng chứa VC lỏng Lượng VC lỏng dùng cho một mẻ là Vmẻ = 2425,91/970 = 2,5 m3 Thể tích thùng chứa là V = 2Vmẻ = 5 m3 Chiều dài thùng chứa chọn là L = 2 m Đường kính thùng chứa: D = m c. Thùng lường nước cất Thùng lường nước cất có dạng hình trụ. Lượng nước cất cần thiết mà thùng lường chứa là lượng nước cất dùng một mẻ. Vnước cất = 3,16 m3 Thùng lường với hệ số làm đầy η = 0,7 do đó thể tích thùng lường là: Vlường = 3,16/0,7 = 4,51 m3 Nếu chọn H = 2.D (chiều cao thiết bị gấp hai lần đường kính) Ta có Vlường = π.R2.H = π.D3/2 Suy ra D = (2.V/π )1/3 = ( 2. 4,51 /3,14)1/3 = 1,4 m H = 2.D = 2. 1,44 = 2,8 m d. Thùng lường VC Lượng VC cần cho một mẻ là VVC = 2,5 m3 Thùng lường với hệ số làm đầy là η = 0,7, tính tương tự như với thùng lường nước cất ta có Vlường = VVC/0,7 = 3,37 m3 Dlường = 1,6 m H = 3,2 m e. Thùng khuấy trộn Dùng một thùng khuấy trộn để tạo một dung dịch gồm các chất sau: chất ổn định huyền phù, chất khởi đầu, chất điều chỉnh pH. Hệ số làm đầy η = 0,7. Lượng chất khởi đầu, chất ổn định và chất điều chỉnh pH cần dùng trong một mẻ là: Vhh = 0,002079 + 0,00393 + 0,000593 = 0.006602 Do đó: Vtb = Vhh/0,7 = 0,00943 m3 Dkt = 0,15 m Hkt = 0,2 m f. Thùng pha dung dịch xút 15% Lượng dung dịch NaOH 15% cần cho 1 mẻ 760,1426 kg tương ứng với lượng thể tích17,82 m3. Hệ số đầy h = 0,7 VTB 7,68 m3 Dkt = 1,2 m; Hkt = 2,4 m Sử dụng cánh khuấy chân vịt tốc độ quay n = 200 – 270 vòng/phút. g. Thiết bị xử lý kiềm Lượng hỗn hợp vào thiết bị xử lý kiềm trong 1 mẻ Thể tích nguyên liệu: V = 2176,813/1400 + 760,1426 /1164 =6,5 m3 Tính tương tự như thiết bị chính Dkt = 1 m; H = 2 m. Cánh khuấy Sử dụng loại cánh khuấy mái chèo có tốc độ quay 60 – 300 vòng/phút Cánh khuấy có cấu tạo dM = D/1,4 ¸ 1,7 b = 0,1 dM hM = (0,1 ¸ 0,3)dM [17] do đó dM = 1200 mm b = 0,1.1,2 = 120 mm h. Thùng chứa bột nhão PVC sau khi trùng hợp Lượng PVC huyền phù của một mẻ là: Vhp = (GPVC/ρPVC + GPOB/ρPOB + GPVA/ρPVA + GH3PO4/ρ H3PO4 + GH2O/ρH2O) = (2176,813/1400 + 2,0193 /973 + 3,827/973 + 1,0883/1836 + 3153,735/1000) =7,1 m3 Hệ số điền đầy của thùng là η = 0,7 do đó thể tích thùng chứa là: Vtb = Vhp/0,7 = 10,1 m3 Đường kính thùng chứa là: Vtb = 0,3175.π.Dtc3 Suy ra Dtc =1,14 m Quy chuẩn Dtc = 1,2 m, H = 2,4 m 2.3. Thiết bị rửa – ly tâm Năng suất của thiết bị ly tâm: Vl = 3600.Vhh/∑τ , m3/h [11 – 703] Trong đó: V – Lượng huyền phù vào trong thời gian τ, m3 ∑τ – Tổng thời gian (mở máy, hãm máy, lọc, tháo bã, rửa), s Thời gian tiến hành ly tâm một mẻ: + Thời gian mở máy 5 phút + Thời gian hãm máy 5 phút + Thời giam lọc và rửa 150 phút + Thời gian tháo bã 30 phút + Tổng thời gian 190phút Thể tích hỗn hợp vào thiết bị trong một mẻ Vhh = (3138+16575)/1000 + 2165,9/1400 = 21,971 m3 Thay số liệu vào công thức trên ta tính được: Vl = 3600. 21,971 /190.60 =6,81m3/h Ta chọn máy ly tâm theo tiêu chuẩn của Liên Xô [11 – 712]: Kí hiệu Đường kính trong của rôto, mm Dung tích, lít Tải trọng giới hạn, kg Số vòng quay, v/ph Yếu tố phân ly lớn nhất Công suất động cơ điện, kW Loại nằm ngang cạo bã tự động AГ-1800-3 1800 850 1000 720 520 55 2.4. Thiết bị sấy Để sấy nhựa sử dụng một máy sấy tầng sôi nhiều bậc dạng hình trụ, tác nhân sấy là không khí nóng nhiệt độ 115 °C để điều chỉnh nhiệt độ ở mỗi tầng cho thích hợp ta sử dụng thiết bị gia nhiệt thêm dạng ruột gà, sao cho nhiệt độ trong các tầng sôi 35 – 65 °C. Máy sấy tầng sôi nhiều bậc có ưu điểm là có thể điều chỉnh nhiệt độ của tác nhân sấy ở các bậc, nên rất thích hợp với các vật liệu dễ bị phân huỷ do nhiệt. + Tính cân bằng vật liệu của máy sấy. Lượng ẩm W bay hơi trong quá trình sấy được tính theo công thức: W = G1.(W1 – W2)/(100 – W2) [15 – 187] Trong đó: W - lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy, kg G1 - lượng vật liệu ẩm đi vào máy sấy, kg W1, W2 - độ ẩm ban đầu và độ ẩm ban cuối của vật liệu,% Lượng PVC trước khi vào thiết bị sấy tầng sôi có độ ẩm W1 = 20%. Lượng PVC ra khỏi thiết bị sấy có độ ẩm W2 = 0,3%. Lượng vật liệu ẩm đi vào máy sấy G1 = 2588,29 kg Thay vào công thức trên ta có: W =2588,29.(20 – 0,3)/(100 – 0,3) =511,427 kg =21,3 kg/h Lượng không khí khô tiêu tốn chung. L = W/(x2 – x0) [15 – 187] Trong đó L – Lượng không khí khô tiêu tốn chung, kg x0, x2 – Hàm ẩm không khí vào và sau khi ra khỏi thiết bị sấy, kg ẩm/kg KKK + Chọn các thông số trạng thái của khí sấy: Nhiệt độ của không khí trước khi vào caloriphe t0 = 23,40C, Tra bảng VII – 1 [12 – 97] được φ0 = 83% Dựa vào đồ thị I – x ta tìm được x0 = 0,0143 + Chọn các thông số trạng thái của không khí khi vào buồng sấy. Nhiệt độ không khí khi vào buồng sấy t1 = 1150C + Chọn các thông số trạng thái của không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy Nhiệt độ không khí khi ra khỏi thiết bị sấy t2 = 450C Dựa vào đồ thị I – x ta tìm các thông số của không khí trong trạng thái này như sau: Từ x0 kẻ đường thẳng vuông góc với trục x đường này cắt đường t1 = 1500C, từ giao điểm này kẻ theo I1 = const cắt đường t2 = 450C từ giao điềm này hạ đương thẳng vuông góc với trục x ta xác định được x2 = 0,0567, φ2 = 90%. Thay các số liệu đã tìm được vào phương trình tính L ta được: L = W/(x2 – x0) = 510,841/(0,0567 – 0,0143) = 12061,95 kg Lưu lượng khí trong máy sấy là: Qv = L/τ.ρkk Trong đó: τ – Thời gian khí đi trong máy sấy, 24 h ρ – Khối lượng riêng của không khí khô ở nhiệt độ t = 23,4 °C, ρ = 1,189 kg/m3 [11 – 16] Thay số vào ta được: Qv =12061,95/1,189.24 = 422,6 m3/h =0,1174 m3/s + Tính đường kính ống sấy: D = 1,13. Trong đó: Vk – tốc độ động lực sấy, m/s (Vk = 20 m/s). Do đó D = 1,13.m + Tính chiều dài ống sấy: L = 4V0/π.D2 V0 = W/gw W – Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy, gw – Cường độ bốc hơi thể tích, 36 kg/m3.h Suy ra L = 4.21,3 /3,14.36.0,086 2 = 1,30 m 2.5. Sàng Lượng PVC phải sàng trong ngày là 2155,0653, thời gian sàng là 5 giờ. Năng suất sàng phải đạt: QG =G/τ = 2155,0653/5 = 441 kg/h hay QV = QG/ρ = 441/1400 = 0,307 m3/h có QV = F.q.K1.K2.K3.K4 [17] Trong đó: F: Diện tích làm việc cảu sàng, m2 q: Khả năng vật liệu lọt qua 1 m2 sàng trong 1 giờ với sàng No. 10 thì q = 0,5 K1: Hệ số chú ý hàm lượng phần trăm trọng lượng dưới sàng trong vật liệu ban đầu, K1 = 1,5 K2: Hệ số chú ý đến độ ẩm vật liệu, với vật liệu khô K = 1 K3: Hệ số chú ý đến phương pháp sàng, với vật liệu khô K3 = 1 K4: Hệ số chú ý đến hình dạng hạt, K4 = 0,8 Vậy: m2 Lấy chiều rộng sàng 0,5 m; chiều dài sàng 1 m. Chọn sàng lọc: No. 10 Góc nghiêng của khung: 2 – 4 độ; Số dao động trong 1 phút: 450 lần Năng suất: 0,4 m3/h Công suất động cơ: 2 kW 3. Cân bằng nhiệt lượng Sử dụng hơi nước bão hoà ở áp suất P = 2 at, t° = 119,6 °C để đun nóng hỗn hợp phản ứng. Nhiệt lượng riêng của hơi nước i = 2710 kJ/kg [11 – 377] Nước ngưng tụ ra khỏi vỏ bọc có nhiệt độ t° =100 °C Nhiệt dung riêng của nước ngưng: Cnn = 4,229 kJ/kg.độ [11 – 196] Nhiệt độ hỗn hợp đầu t = 25 °C Nhiệt dung riêng của hỗn hợp dung dịch được xác định theo công thức: Chh = a1.C1 + a2.C2 + a3.C3 + ... [11 – 189] Trong đó: C1,C2 ,C3 – Nhiệt dung riêng của các cấu tử, kJ/kg.độ a1, a2 ,a3 – Thành phần của các cấu tử, phần khối lượng, Như đã tính từ phần trước ta có: aVC = 0,4; aH2O = 0,56; aPOB = 0,00036; aPVA = 0,000685; aNa4P3O7 = 0,0001948. Nhiệt dung riêng của các cấu tử: CVC = 1590 J/kg.độ CH2O = 4180 J/kg.độ CPOB = 1237,5 J/kg.độ CPVA = 1166,6 J/kg.độ CNa4P3O7 = 1355,9 J/kg.độ Do đó: Chh = 634,41 + 2508 + 0,495 + 0,233 + 0,231 = 3142,895 J/kg.độ + Các giả thiết về nhiệt độ của thiết bị như sau: Nhiệt độ bề mặt trong của thiết bị phần không bảo ôn t = 32 °C Nhiệt độ bệ mặt ngoài của thiết bị phần không bảo ôn t = 31 °C + Kiểm tra lại. Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp phản ứng: ttb = (25 + 70)/2 = 47,5 °C Hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp được tính theo công thức: α = m., kcal/m2.h.độ Trong đó: m – Hệ số phụ thuộc sự sự đối lưu bề mặt ngoài so với thể tự nhiên, m = 2,8 t1 , t2 – Nhiệt độ của bề mặt và môi trường, °C Hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp tới bề mặt thiết bị không có bảo ôn. α1 = 2,8.(47,5 – 31)1/4 = 5,63 kcal/m2.h. độ = 6,46 W/m2. độ Hệ số cấp nhiệt của bề mặt thiết bị phần không bảo ôn về phía không khí. α2 = 9,3 + 0,058.tkbo = 9,3 + 0,058.32 = 11,16 Hệ số truyền nhiệt K. = 1/(1/6,46 + 0,008/12,5 + 1/11,16) = 4,082 Nhiệt độ thành trong của thiết bị phần không bảo ôn. ttt = ttb – K.(ttb – tkk)/α1 = 47,5 - 4,082.(47,5 – 23,4)/6,46 = 32,27 °C Sai số (0,27/32).100 = 0,8% < 5% do đó ta chấp nhận giả thiết trên. Nhiệt độ thành ngoài của thiết bị phần không bảo ôn. ttn = tkk + K.( ttb – tkk )/α2 = 23,4 + 4,082.(47,5 – 23,4)/11,16 = 32,22 °C Sai số (1,22/31).100 = 3,9% < 5% do đó giả thiết được chấp nhận 3.1. Tính toán nhiệt cho giai đoạn đun nóng hỗn hợp từ nhiệt độ đầu 25 °C lên nhiệt độ trùng hợp 70 °C Phương trình cân bằng nhiệt cho quá trình này là: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Trong đó: Q – Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào, Q = D.λ = D.(r + θ.C), J Trong đó: λ – Nhiệt lượng riêng của hơi, J/kg D – Lượng hơi đốt, kg r – Ẩn nhiệt hoá hơi, J/kg, r = 2208 kJ/kg [11 – 378] θ – Nhiệt độ nước ngưng, °C, θ = 100 °C C – Nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ, C = 4220 J/kg.độ Q1 – Nhiệt lượng tiêu hao để đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 70 °C, Q2 – Nhiệt lượng tiêu hao để đun nóng nồi phản ứng, Q3 – Nhiệt lượng tiêu hao để đun nóng vỏ bọc thiết bị, Q4 – Nhiệt lượng tiêu hao để đun nóng cánh khuấy, Q5 – Nhiệt lượng tiêu hao để đun nóng lớp bảo ôn, Q6 – Nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh. Sơ đồ cân bằng nhiệt: Tính Q1 Q1 = G1.Chh.(tc – td) , J G – Khối lượng của hỗn hợp phản ứng (của một nồi trong một mẻ). G = 8602,852 kg td, tc – Nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của hỗn hợp, Chh – Nhiệt dung riêng của hỗn hợp, Chh = 3142,895, J/kg.độ Từ đó ta có: Q1 =5592,952.3142,895.(70 – 25) = 1215,7.103 kJ Tính Q2 Q2 = Gt.Ct.(ttc – ttd) Gt – Khối lượng nồi phản ứng, kg Gt = 2.Gđáy + Gthân = 519.2 + 2,4.2,4.78,4 = 1489,584 kg Ct – Nhiệt dung riêng của thép, Ct = 0,5 kJ/kg.độ [11 – 191] ttc,ttd – Nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của vỏ thiết bị, °C Q2 = 1489,584.0,5.(70 – 25) = 33515,64 kJ Tính Q3 Q3 = Gv.Cv.(tvc – tvd) Gv – Khối lượng của vỏ bọc, 2261 kg Cv – Nhiệt dung riêng của thép, 0,5 kJ/kg.độ tvc,tvd – Nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của vỏ bọc, °C. Q3 = 2261.0,5.(119,6 – 25) = 106945,3 kJ Tính Q4 Q4 = Gk.Ck.(tkc – tkd) Gk – Khối lượng của cánh khuấy, 25 kg Ck – Nhiệt dung riêng của thép, 0,5 kJ/kg.độ tkc,tkd – Nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của cánh khuấy, °C. Q4 = 25.0,5.(70 – 20) = 625 kJ Tính Q5 Q5 = Gbo.Cbo.(tboc – tbod) Gbo – Khối lượng của bảo ôn, 432 kg Cbo – Nhiệt dung riêng của bông thuỷ tinh, 0,84 kJ/kg.độ tboc,tbod – Nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của của bảo ôn, °C Q5 = 432.0,84.(42 – 23,4) = 6749,568 kJ Tính Q6 Q6 = Qbx + Qdl Trong đó: Qbx – Nhiệt mất mát do bức xạ, Qdl – Nhiệt mất mát do đối lưu. Ở đây chia làm hai phần để tính: + Mất nhiệt ở phần bảo ôn + Mất nhiệt ở phần không bảo ôn a. Tính nhiệt lượng mất mát ở phần không có bảo ôn Phần không bảo ôn gồm nắp phía trên và phần thân thiết bị không có áo bọc. Diện tích của các phần được tính như sau: Diện tích phần nắp phía trên đã được tính từ phần trước, F1 = 6,56 m2 Diện tích phần thân thiết bị không có áo bọc. F2 = 2.π.R.h Trong đó: R – Bán kính trong của thiết bị (1,2 m) h – Chiều cao tính từ áo đến mặt bích ( h = h1 = 0,8 m ) F2 = 2.3,14.1,2.0,8 = 6,03 m2 Do đó diện tích phần không bảo ôn là: Fkbo = 6,56 + 6,03 = 12,59 m2 + Nhiệt bức xạ ở phần không bảo ôn: Nhiệt bức xạ được tính theo công thức: Qbx = C0.F( T14 – T24 ).τ , J Trong đó: Co – Hệ số bức xạ đối với vật đen tuyệt đối Co = 20,72.10-5 J/m2. h T1 – Nhiệt độ ở vỏ thiết bị, °K τ – Thời gian, giờ T2 – Nhiệt độ của môi trường xung quanh (23,4 +273 =296,4 °K) Đối với các bề mặt không phải vật đen tuyệt đối thì C = Co.P Với sắt thép: P = 0,9 Với nước: P = 0,7 Với bông thuỷ tinh: P = 0,9 Nhiệt độ ở nắp thiết bị là 32 °C tương đương với 305 °K. Vậy nhiệt bức xạ ở phần không bảo ôn trong 1 giờ là: Qbxobo = 20,72.10-5.12,59.0,9.(3054 – 296,44).1 = 2016,37 kJ + Nhiệt đối lưu ở phần không bảo ôn được tính theo công thức cấp nhiệt: Qdlobo = αkbo.Fkbo.(tkbo – tkk).τ, W.h Trong đó: αkbo – Hệ số cấp nhiệt của vỏ thiết bị phần không bảo ôn về phía không khí, αkbo = α2 = 11,16 tkbo – Nhiệt độ của phần không bảo ôn, tkbo = 32 °C tkk – Nhiệt độ không khí, tkk = 23,4 °C τ – Thời gian, giờ Thay số tính được: Qdlobo = 11,16.12,59.(32 – 23,4).1 = 1208,338 W.h = 4350,016 kJ b. Tính nhiệt lượng mất mát ở phần có bảo ôn Phần có bảo ôn bao gồm toàn bộ phần vỏ áo thiết bị (phần thân và phần đáy). Diện tích phần này tính tương tự phần trên (Fbo = 18,624 m2). + Nhiệt bức xạ của phần bảo ôn tính tương tự như trên. Nhiệt độ bề mặt ngoài của bảo ôn tiếp giáp với không khí là 42 °C, 3150K Qbxbo = 20,72.10-5.0,9.18,624.(3154 – 296,44).1 = 7388,669 kJ + Nhiệt đối lưu của phần bảo ôn: Qdlbo = αbo.Fbo.(tbo – tkk).τ = 11,74.18,624.(42 – 23,4).1 = 4066,811 W.h = 14640,52 kJ Như vậy tổng nhiệt đối lưu và tổng nhiệt bức xạ của thiết bị phản ứng chính là: Qdl = Qdlobo + Qdlbo = 4350,016 + 14640,52 = 18990,536 kJ Qbx = Qbxobo + Qbxbo = 2016,37 + 7388,669 = 9405,039 kJ Tổng nhiệt mất mát là: Q6 = Qdl + Qbx = 28395,575 kJ Vậy Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 1392931,083 kJ Mặt khác: Q = D.(r + θ.C) Suy ra D = Q/(r + θ.C) = 1392931,083/(2208 + 100.4,220) = 515,519 kg Tổng lượng hơi đốt cần dùng cho một mẻ ứng với 3 nồi phản ứng là: D = 3.515,519 = 1546,556 kg 3.2. Giai đoạn giữ nhiệt phản ứng 70 °C. Gọi Q là nhiệt của phản ứng toả ra ta có: Q = Qpu.GVC , J Dựa vào [29] ta tra được nhiệt phản ứng tính cho một kg VC: Qpu = 1466, kJ/kg GVC – Lượng VC tham gia phản ứng trong một mẻ (GVC = 3438,354 kg) Do đó Q = 1466.3438,354 = 5040627 kJ So sánh với nhiệt mất mát của giai đoạn trên ta thấy nhiệt của phản ứng tạo ra lớn hơn rất nhiều. Vì vậy ở đây ta phải dùng nước làm mát để duy trì nhiệt độ phản ứng ở 70 °C. Gọi Qn – Là nhiệt do nước làm mát nhận được, Qm – Nhiệt do mất mát ra môi trường xung quanh. Ta có phương trình cân bằng nhiệt trong giai đoạn này như sau: Q = Qn + Qm Nhiệt mất mát ra môi trường được tính tương tự như giai đoạn gia nhiệt: Q = Qbx + Qdl Nước làm lạnh vào có nhiệt độ lấy t1 = 20 °C Nước ra có nhiệt độ t2 = 70 °C Giả thiết nhiệt độ của bề mặt bảo ôn tiếp giáp với không khí tbo = 28 °C Trong khi nhiệt độ của các bề mặt khác vẫn giống như phần trên do nhiệt độ trong thiết bị phản ứng không đổi. + Kiểm tra lại nhiệt độ bề mặt bảo ôn. Hệ số cấp nhiệt của bề mặt bảo ôn về phía không khí là: α2 = 9,3 + 0,058.30 = 11,04 Hệ số cấp nhiệt từ nước làm mát tới bề mặt vỏ áo được tính theo công thức: Nhiệt độ trung bình của nước làm mát là ttb = (20 + 70)/2 = 45 °C Tra các thông số: λ – Hệ số dẫn nhiệt của nước ở nhiệt độ trung bình λ = 0,55 kcal/m.h.độ = 0,64 W/m.độ [11 – 155] ω – Vận tốc của nước đi trong vỏ bọc ω = 0,2 m/s ρ – Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ρ = 990,25 kg/m3 [11 – 14] μ – Độ nhớt của nước ở nhiệt độ trung bình μ = 0,5988.10-3 N.s/m2 [11 – 105] Cp – Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cp = 4,18 kJ/kg.độ [11 – 195] Thay vào tính được: α1 = 8903,335 W/m2.độ Hệ số truyền nhiệt K. Khi đó nhiệt độ thành bảo ôn là: tbo = tkk + K.(ttb – tkk)/α2 = 26,83 °C Sai số là (1,17/28).100 = 4,2% < 5%. Do đó giả thiết được chấp nhận. a. Tính cho phần bảo ôn + Nhiệt bức xạ: Qbxbo = Co.Fbo(T14 – T24) , W Trong đó T1 = 28 + 273 = 301 °K, T2 = 23,4 + 273 = 296,4 °K Thay số vào ta được: Qbxbo = 20,72.10-5.0,9.18,624.(3014 – 296,44) = 1703,156 kJ + Nhiệt đối lưu: Qdlbo = αbo.Fbo.(tbo – tkk) = 11,74.18,624.(28 – 23,4) = 1005,77 kJ b. Tính cho phần không bảo ôn Do nhiệt độ thành trong và thành ngoài của lớp không bảo ôn không thay đổi so với trường hợp trên nên tông nhiệt mất mát trong trường hợp này bằng với trường hợp trên. Vậy tổng lượng nhiệt mất mát trong giai đoạn này là: Qm = 1703,156 + 1005,77 + 2016,37 + 4350,016 = 9075,312 kJ Thay vào phương trình cân bằng nhiệt ta có: Qn = Q – Qm = 5040627 – 9075,312 = 5031551,688 kJ Mà Qn = Gn.Cn.(tnc – tnd) Trong đó: Gn – Lượng nước dùng trong một mẻ, kg Cn – Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,18 kJ/kg.độ tnc, tnd – Nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của nước làm mát, °C Lượng nước làm mát trong một mẻ là: Gn = Lượng nước cần dùng cho toàn bộ 3 nồi phản ứng là: G = 3. = 80250 kg (80,25 m3) PHẦN THỨ NĂM. AN TOÀN LAO ĐỘNG Dưới chế độ xã hội chủ nghĩa, con người là vốn quí do vậy việc đảm bảo an toàn lao động cho con người trong sản xuất là một vấn đề quan trọng. đảm bảo an toàn lao động là đảm bảo tính mạng sức khoẻ cho con người sản xuất. Do đó, nó góp phần nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Đồng thời đảm bảo an toàn lao động còn hạn chế được thiệt hại về người và tài sản của tập thể vào nhà nước. Phân xưởng sản xuất PVC là một bộ phận trong xí nghiệp công nghiệp hoá chất. Nó kết hợp đặc điểm của phân xưởng xí nghiệp và nghành. Nội dung an toàn lao động gồm những vấn đề chính sau: 1. Tổ chức đảm bảo an toàn lao động ở nhà máy: Nhà máy cần có nội quy về an toàn lao động, trong đó phải nêu lên được một cách đầy đủ và đầy đủ những nội dung cần phải thực hiện (sẽ được nêu ở phần các biện pháp dảm bảo an toàn lao động). Để đảm bảo an toàn lao động trong sản xuất, bất cứ ai, cán bộ hay công nhân viên nhà máy cũng như khách đến công tác, khi vào nhà máy cần được phổ biến một cách nghiêm túc về an toàn lao động. - Ở các bộ phận sản xuất đều phải có những qui định cụ thể về an toàn lao động để công nhân thao tác và làm việc ở đó tuân theo. - Chính quyền phải tường xuyên theo dõi và kiểm tra việc thực hiện an toàn lao động. - Chính quyền và các đoàn thể phải thường xuyên giáo dục cán bộ công nhân viên thực hiện an toàn lao động một cách nghiêm túc và triệt để, tự giác. - Có hình thức khen thưởng kịp thời những cá nhân, những bộ phận thực hiện tốt an toàn lao động đồng thời có những kỉ luật thích đáng với những cá nhân, bộ phận vi phạm cũng như gây ra mất an toàn lao động. 2. Những nguyên nhân gây ra mất an toàn lao động và bệnh nghề nghiệp: Những đặc điểm của phân xưởng sản xuất PVC và đặc điểm chung của xí nghiệp hoá chất có thể gây ra tai nạn và bệnh nghề nghiệp: - Phân xưởng dùng nhiều loại thiết bị bố trí xen kẽ nhau trên mặt bằng (thiết bị điện, thiết bị cơ khí, đường ống…). Do đó dễ gây nhầm lẫn, va chạm trong thao tác gây tai nạn. - Phân xưởng có nhiều hoá chất dễ gây cháy nổ, độc hại ảnh hưởng đến người sản xuất. Trong quá trình sản xuất sản sinh ra nhiều bụi, nhiều quá trình nhiệt ảnh hưởng tới sức khoẻ của công nhân. Những vấn đề chung như: vệ sinh công cộng, nơi nghỉ ngơi, vấn đề cải tạo môi trường nếu không thực hiện tốt đều có thể ảnh hưởng xấu đến người lao động. 3. Các biện pháp đảm bảo an toàn lao động: - Đối với thiết bị điện: Bố trí thiết bị điện tránh những nơi ẩm ướt, các dây điện không được để hở, đóng ngắt cầu dao phải theo đúng qui định, không sử dụng điện làm việc riêng. Khi sửa chữa các thiết bị điện, hệ thống dây dẫn, đèn chiếu sáng phải do thợ điện của nhà máy và phải được bảo hộ tốt. - Đối với thiết bị cơ khí: Thường xuyên thực hiện chế độ kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa có vật che chắn, vận hành thiết bị đúng qui trình. - Thực hiện tốt chế độ bàn giao giữa các ca về tiến độ sản xuất, tình trạng máy móc, thiết bị và các vấn đề liên quan. - Chiếu sáng: cần bố trí chiếu sáng đủ cho công nhân làm việc và đi lại trong phân xưởng sản xuất. - Chống nổ: Trong phân xưởng PVC, giai đoạn nguy hiểm có thể gây nổ là giai đoạn phản ứng trùng hợp xảy ra, áp suất trong thiết bị phản ứng trùng hợp tăng cao. Do đó việc làm sạch và duy trì nhiệt độ, áp suất phải tiến hành đúng qui trình. Nếu áp suất vượt quá áp suất cho phép (lớn hơn 10 at) thì phải tiến hành phóng không. - Chống cháy: Trong sản xuất dùng các chất khởi đầu, chất đệm, chất ổn định là các hoá chất dễ phân huỷ, hoặc dễ bay hơi nên khi gặp tia lửa điện hoặc tàn lửa thì dễ bắt cháy nên cần cấm hút thuốc lá ở phân xưởng sản xuất, tránh không để phát sinh tia lửa điện. Các dụng cụ chứa đựng và thiết bị phản ứng phải kín, mỗi một bộ phận sản xuất đều phai trang bị bình chữa cháy. - Chống độc: tại phân xưởng sản xuất thì VC là chất độc, hơi VC có tác dụng gây mê, chóng mặt, rối loạn cảm giác, mất phương hướng. Do đó nồng độ giới hạn cho phép của VC trong không khí ở phân xưởng sản xuất là 0,03 mg/l. Cần phải bảo ôn cẩn thận và kiểm tra thường xuyên hệ thống bảo ôn để có thể bảo quản VC ở trạnh thái lỏng. Các thiết bị chứa, bơm, ống dẫn phải đảm bảo kín, nhất là ở thiết bị trùng hợp. - Chống nóng: Do có những bộ phận sử dụng hơi đốt và khí nóng nên cần có những biện pháp chống nóng như các lớp bảo ôn, hệ thống thông gió đảm bảo yêu cầu. - Chống bụi: Bụi trong phân xưởng chủ yếu là bụi PVC. Nồng độ PVC giới hạn cho phép ở nơi làm việc phải nhở hơn 10 mg PVC/1 lít không khí. Có biện pháp bao che kín thiết bị có chứa PVC như máy sấy, sàng, đóng bao, có thể bố trí hệ thống hút bụi cho phân xưởng. Ngoài những vấn đề trên cần bố trí hợp lý các công trình vệ sinh công cộng, nơi nghỉ ngơi, nơi làm vệ sinh cá nhân cho công nhân. PHẦN THỨ SÁU: ĐIỆN NƯỚC 1. Điện Điện trong phân xưởng được dùng vào hai mục đích chính: - Dùng cho sản xuất. - Dùng cho chiếu sáng 1. Tính điện chiếu sáng: Phân xưởng làm việc được thiết kế để tận dụng tốt ánh sáng tự nhiên ban ngày, ánh sáng tự nhiên nhận được từ mặt trời có ảnh hưởng tốt đến sinh lý con người và đồng thời có tác dụng tiết kiệm điện năng. Trong xây dựng công nghiệp thường chú trọng đến ánh sáng tự nhiên được tận dụng bằng các cửa sổ. Khi dùng đèn chiếu sáng cho phân xưởng, trong phân xưởng không có chất dễ cháy nên bộ phận sản xuất cũng như các bộ phận khác chỉ dùng đèn chiếu sáng bình thường. a, Đèn cho khu vực sản xuất được tính theo công thức: [20] Hình thức chiếu sáng: chiếu sáng trực tiếp. Đèn chiếu sáng là loại đèn dây tóc có công suất 1000W điện thế 220V. F – Quang thông mỗi bóng F = 1050 lumen. hc – Chiều cao treo đèn trung bình hc = 4 m, E – Độ chiếu sáng cần thiết E = 30, η – Hệ số lợi dụng quang thông, η = 0,38. Chỉ số hình phòng Trong đó: Sp: Diện tích phân xưởng. Cp: Chu vi phân xưởng. Ta có: Hệ số phản xạ của trần: ρ = 70 Hệ số phản xạ của tường: ρ = 50 Hệ số dự trữ của phân xưởng có bụi: K = 1,3 Hệ số độ chiếu sáng cần thiết, chiếu sáng đều: z = 1,2 Diện tích cần chiếu sáng: s - Tính diện tích nơi chiếu sáng tầng 1: Diện tích chung: 30.12 = 360 m2 Diện tích cầu thang: 36 m2 Diện tích kho: 36 m2 Diện tích phòng: 36 m2 Diện tích sản xuất tầng 1: 360 – 3.36 = 252 m2 - Tính diện tích nơi chiếu sáng tầng 2: Diện tích chung: 30.12 = 320 m2 Diện tích cầu thang: 36 m2 Diện tích phòng: 36 m2 Diện tích sản xuất tầng 2: 360 – 2.36 = 288 m2 - Diện tích sản xuất dàn phụ: 4.18 = 72 m2 Từ đó ta tính số đèn cần thiết: Số đèn nơi sản xuất tầng 1: cái (Diệ