Đồ án Quá trình tổng hợp nhựa alkyt

PHẦN I : PHẦN TỔNG QUAN I.1.Lịch phát triển Nhựa alkyt là một trong những loại nhựa lâu đời nhất, được sử dụng rộng rãi trong công nghệp sơn và một phần trong công nghiệp chất dẻo. Năm 1901, Xmit có ngưng tụ anhydrit phtalic với glyxerin theo tỷ lệ mol 3:2, do kết qủa đun nóng lâu hỗn hợp phản ứng nên thu được nhựa cứng, trong suốt, sáng, không tan trong nước. Nhược điểm cơ bản của polyeste đi từ anhydrit phtalic và glyxerin là dòn, cứng, mức độ hòa tan trong các dung môi kém, khả năng chịu nước và chịu thời tiết kém. Năm 1927, Kienle đã biến tính sản phẩm trên bằng axit béo của dầu khô (như dầu chẩu, dầu ‘lin’…), và tạo ra vật liệu có nhiều tính năng ưu việt hơn. Bắt đầu từ năm 1930 thì polyeste này được dùng rộng rãi để làm nguyên liệu tạo màng. Cũng từ đó, thuật ngữ ‘ alkyt’ được Kienle dùng để mô tả các sản phẩm của phản ứng trùng ngưng giữa rượu đa chức với axit đa chức. Trải qua nhiều năm, nhựa ankyt đã chiếm được ưu thế trong ngành công nghiệp các chất phủ bề mặt. Nhựa ankyt có giá trị kinh tế cao. Tuỳ thuộc vào cấu trúc mạch đại phân tử của nhựa, phương pháp gia công và các điều kiện đóng rắn mà màng tạo thành có độ bền và chịu được hoá chất. Tính chất đặc biệt của nhựa ankyt là khả năng tương hợp tốt với các loại nhựa, bột màu và rất dễ sử dụng. I.2.Nguyên liệu đầu Nguyên liệu đầu để tổng hợp nhựa alkyt gồm có: - Axít đa chức hoặc anhydrit. - Rượu đa chức. - Dầu thảo mộc. - Xúc tác. - Dung môi. I.2.1.Axit đa chức và anhydrit I.2.1.1.Anhydrit phtalic (AP). AP là tinh thể trắng, trong suốt, nóng chảy ở 132 0C, tan trong nước, rượu, ete và thăng hoa. Khi sử dụng AP để tổng hợp nhựa alkyt thì sẽ hạn chế được sự giải phóng H2O trong quá trình phản ứng este hoá. AP được điều chế bằng 2 cách : - Oxi hoá naphtalen trong điều kiện dư không khí. + 4,5 O2 V2O5 500OC + 2 CO2 + 2 H2O C C O O O - Phân hủy axit phtalic ở nhiệt độ cao : COOH COOH 200 - 300 OC + H2O C C O O O CH- COOH CH- COOH I.2.1.2.Axit maleic và anhydrit maleic (AM) Axit maleic : CH- C CH- C O O O AM : AM là chất kết tinh thành tinh thể hình kim, nóng chảy ở 52,6 OC, cất ở 202OC dưới áp suất khí quyển, dễ dàng tan trong clorofoc, benzen và axeton. Khi hòa tan trong nước, AM chuyển thành axit maleic. Trong công nghiệp thường sử dụng kết hợp một lượng nhỏ axit maleic hoặc AM với AP để tăng độ cứng cho màng sơn khi alkyt được sử dụng làm chất tạo màng cho sơn. AM thường được điều chế bằng cách oxy hóa benzen bằng oxy không khí, có mặt V2O5 làm xúc tác ở nhiệt độ khoảng trên 400 OC : 2 CH- C CH- C O O O + 9 O2 + 4 CO2 + 4 H2O V2O5 410 – 430 OC I.2.1.3.Các axit khác HOOC- CH2- CH2- CH2- CH2- COOH Ngoài hai axit trên người ta còn sử dụng một số axit khác để tăng cường một số tính chất như : độcứng, độ mềm dẻo, độ bám dính,…của màng sơn khi alkyt được sử dụng làm chất tạo màng cho sơn. Axit adipic : COOH COOH Axit terephtalic : COOH COOH Axit izophtalic : I.2.2.Rượu đa chức HO- CH2- CH2- OH I.2.2.1.Etylenglycol Etylenglycol có công thức cấu tạo : Etylenglycol là chất lỏng không màu, hút ẩm, không mùi, tan vô hạn trong nước và rượu, có nhiệt độ sôi 197,50C và nhiệt độ đông đặc là -130C. Etylenglycol được điều chế bằng cách oxy hoá etylen với oxy không khí theo tỷ lệ etylen :O2 KK là 1:10 , xúc tác Ag : CH2= CH2 O2 KK 220OC,Ag + H2O O CH2- CH2 CH2- CH2 OH OH CH2- CH- CH2 OH OH OH I.2.2.2.Glyxerin Glyxerin có công thức cấu tạo : Glyxerin là chất lỏng nhớt, hút ẩm, không màu, không mùi và có vị ngọt, trộn với nước theo bất kỳ tỷ lệ nào và là dung môi tốt cho rượu, amin, axit và nhiều muối hữu cơ và vô cơ khác. Glyxerin có nhiệt độ sôi là 2900C. Glyxerin là loại rượu đa chức được dùng phổ biến nhất hiện nay để tổng hợp nhựa alkyt. Glyxerin thường được điều chế từ propylen : CH2= CH- CH3 + Cl2 CH2= CH- CH2CI + HCl 600OC,18at CH2= CH- CH2CI + HOCl CH2- CH- CH2 Cl OH Cl CH2- CH- CH2 Cl OH Cl CH2- CH- CH2 OH OH OH + NaOH (dư) HO- CH2- C- CH2- OH CH2- OH CH2- OH I.2.2.3.Pentaeritritol Pentaeritritol có công thức cấu tạo : Pentaeritritol tinh khiết là chất kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy là 2600C, nhiệt độ sôi là 2950C, ở nhiệt độ phòng tan một phần trong nước, rượu và este. CH3- CHO + 4 HCHO + MOH + HCOOM HO- CH2- C- CH2- OH CH2- OH CH2- OH Trong công nghiệp, pentaeritriolt được điều chế bằng cách cho ngưng tụ andehit axetic (CH3CHO) với andehit focmic (HCHO) trong môi trường kiềm (MOH) ở nhiệt độ từ 30 ¸ 350C. HO- CH2- CH2- O- CH2- CH2- OH I.2.2.4.Các loại rượu khác Dietylenglycol : CH3- CH- CH2 OH OH 1,2 propylenglycol : OH HO CH3 CH3 C Diphenylol propan ( Bis phenol A): I.2.3.Dầu thảo mộc Dầu thảo mộc là este của glyxerin với axit béo, loại triglyxerit và có chứa thêm một lượng rất ít các chất không béo. Dầu thảo mộc có công thức cấu tạo chung là : CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2- OCOR3 Trong đó R1,R2,R3 là các gốc của những axi béo. I.2.3.1.Các thành phần của dầu thảo mộc + Axit béo Axit béo là một loại axit mạch cacbon, đơn chức, có cấu tạo mạch thẳng. Axit béo trong dầu thảo mộc gồm có nhiều loại với công thưc tổng quát sau: Loại axit Công thức tổng quát Axit no (không có nối đôi) CnH2nO2 Axit không no có 1 nối đôi CnH2n-2O2 Axit không no có 2 nối đôi CnH2n-4O2 Axit không no có 3 nối đôi CnH2n-6O2 Axit không no có 4 nối đôi CnH2n-8O2 Axit không no có 5 nối đôi CnH2n-10O2 Trong mỗi loại dầu thực vật đều chứa vài ba loại axit béo kể trên và bao giờ cũng có cả axit no và không no. Thông thường trong mỗi loại dầu có một loại axit béo chủ yếu chiếm tỷ lệ rất cao so với các axit béo khác trong loại dầu đó. Dưới đây là cấu tạo và tính chất của một số axit béo chủ yếu có trong các loại dầu thảo mộc : Ở nhiệt độ thường phần lớn các axit không no ở trạng thái lỏng và các axit no ở trạng thái rắn. Cụ thể là các axit không no nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với axit loại no có cùng số nguyên tử cacbon. Mặt khác ta thấy rằng độ nhớt của axit béo không no bé hơn độ nhớt của axit no và loại axit béo nào có khối lượng phân tử lớn hơn hay có chứa nhóm - OH thì sẽ có độ nhớt lớn hơn. Khả năng hoà tan vào nước của axit béo giảm dần khi khối lượng phân tử tăng lên, đó là do mạch cacbon không có cực càng dài ra trong khi đó vẫn chỉ có một nhóm – COOH có cực. Các loại axit có chứa từ 14 nguyên tử cacbon trở nên đều không tan trong nước. Axit béo no tương đối bền vững, khó bị ôxy hoá và không tham gia vào các phản ứng kết hợp trực tiếp. Axit béo không no có khả năng phản ứng mạnh hơn nhiều. Khả năng phản ứng phụ thuộc vào số nối đôi và khối lượng phân tử. Các axit béo loại này đều có thể tham gia vào phản ứng kết hợp trực tiếp ở vị trí nối đôi với halogen, oxy, hydro… Nhưng quan trọng hơn cả là axit béo không no và este của chúng có khả năng trùng hợp tạo phân tử lớn hơn dùng để chế tạo sơn. + Glyxerin Khi oxi hoá và đun nóng dầu thì glyxerít dễ dàng bị xà phòng hoá thành axit béo và glyxerin. Vì thế trong công nghiệp sản xuất xà phòng người ta sản xuất luôn cả glyxerin để tiết kiệm. Ở các nước có dầu mỏ và công nghiệp hóa chất phát triển người ta sản xuất glyxerin bằng phương pháp tổng hợp từ propylen. + Thành phần không béo trong dầu Các chất không béo trong dầu tương đối ít, thường chỉ vào khoảng 0,1 ¸ 1% trọng lượng dầu và chiếm khoảng 1 ¸ 5% thể tích của dầu. Phần lớn các hợp chất đó ưu nước nên dễ dàng tách ra khỏi dầu mỡ là những chất ghét nước. Dưới đây là các hợp chất không béo trong dầu thảo mộc Sáp : là este của axit béo với rượu cao phân tử. Photphatit : là este của glyxerin trong đó ngoài gốc axit béo còn có cả các gốc axit octophotphoric. Xtêrin : là rượu cao phân tử có cấu tạo nhiều vòng và có nhánh phụ mạch thẳng. Chất màu : ví dụ như carôtin trong dầu ‘lin’,dầu đậu lành… Men : là những chất tăng cường các quá trình hoá học xảy ra trong cơ thể động vật và thực vật. Loại men phổ biến nhất là Lipado. Khi đun nóng dầu men mất tác dụng. I.2.3.2.Phân loại dầu thảo mộc Phân loại dầu dựa vào khả năng khô của dầu. Khả năng khô là do tính chất không no của axit béo trong dầu quyết định vì thế thường căn cứ vào chỉ số iốt để phân loại : Thông thường chia làm 3 loại : Dầu khô : là loại dầu có chỉ số iốt từ 170 ¸ 200, có chứa nhiều axit béo không no có 3 nối đôi liên hợp và cách ly như dầu lanh, dầu chẩu… Dầu bán khô : là loại dầu có chỉ số iốt từ 120 ¸ 170, có chứa axit béo không no có 2 nối đôi cách ly như dầu đậu nành, dầu bông, dầu ngô… Dầu không khô : là loại dầu có chỉ số iốt dưới 110, chứa các axit béo no hoặc không no có 1 nối đôi như dầu ôliu, dầu dừa, dầu ve… I.2.3.3.Tính chất của dầu thảo mộc Tất cả loại dầu thảo mộc đều nhẹ hơn nước và không tan trong nước. Chúng có thể hoà tan trong ete, benzen, clorofoc, dầu xăng, riêng dầu ve có khả năng tan trong cồn nhưng không tan trong xăng dầu. Khi có tác dụng của kiềm, dầu bị xà phòng hoá tạo thành glyxerin và muối của axit béo. Khi có tác dụng với axit và men hay là khi đun nóng với nước ở áp suất cao và nhiệt độ cao thì dầu bị phân huỷ tạo thành glyxerin và axit béo tự do. Khi đun nóng dầu bị dãn nở nên trọng lượng riêng giảm xuống, cứ tăng lên 10 thì giảm xuống 0,0007 g/cm3. Nhiệt độ cháy bùng của dầu trong khoảng 190 ¸ 235 OC. Dầu dễ bị oxy hoá bởi oxy của không khí tạo thành alđehyt và sản phẩm oxy hoá khác. Quá trình oxy hoá là quá trình toả nhiệt lên dầu có khả năng tự bốc cháy. Bình thường lượng axit béo tự do trong dầu rất ít nhưng trong nhiều trường hợp độ axit của dầu có thể tăng lên làm chậm quá trình khô. Bảng 2 : Một số loại dầu chủ yếu Loại dầu Tên dầu Hàm lượng dầu trong hạt,% Axit béo có trong thành phần của dầu,% Chỉ số Iot Axit oleic Axit linoleic Axit linolenoic Axit loại no Khô Dầu chẩu 42- 48 12,5 --- --- 5 159- 163 Dầu ‘lin’ 36- 47 4,5 52 23 8,3 182- 204 Dầu hồ đào 65 10 78 4 7 142- 162 Bán khô Dầu cẩm chướng 40- 60 30 58 --- 7,2 131- 143 Dầu đậu nành 14- 25 32 52 2 8 114- 137 Dầu hướng dương 27- 35 39 46 --- 10 119- 144 Dầu bông 20- 28 30 40 --- 24 100- 115 Dầu ngô --- 45 41 --- 12 111- 131 Không khô Dầu ve 48- 60 9 2 --- 3 82- 88 Dầu dừa --- 5 --- --- 94 8,3- 9 I.2.3.4.Tinh chế dầu thảo mộc Quá trình làm sạch dầu là quá trình tách các hợp chất không béo ở dạng huyền phù hoặc ở dạng hoà tan, tách các axit béo tự do và tách hay làm phân huỷ các chất màu. Hiện nay có các phương pháp làm sạch sau: Phương pháp lắng : đây là phương pháp đơn giản để tách các tạp chất cơ học. Phương pháp xử lý nhiệt : đun nóng dầu thật nhanh lên nhiệt độ cao, các hợp chất keo hoà tan và các chất nhờn sẽ keo tụ lại. Sau đó lắng lọc hay ly tâm sẽ tách được chúng ra. Nhưng trong quá trình xử lý nhiệt tính chất của dầu có thay đổi như chỉ số iốt giảm xuống, chỉ số axit tăng lên. Muốn cho tính chất dầu ít bị thay đổi thí phải làm nguội nhanh. Hydrat hóa : là làm cho các chất keo tan trong dầu và photphatit hấp thụ nước rồi trương lên không còn khả năng tan trong dầu nữa rồi tách ra ở dạng như bông keo theo cả các hợp chất cơ học và một phần các chất màu. Tẩy trắng bằng cách hấp thụ : là dùng đất hoạt tính như silicat nhôm ngậm nước nAl(OH)3.mSiO2.pH2O để hấp thụ các tạp chất lẫn trong dầu. Tẩy sạch bằng kiềm : là dựa vào phản ứng trung hòa axit bằng dung dịch kiềm trong nước. Xà phòng tạo ra không hoà tan vào dầu sẽ tách ra. Các chất không béo như photphatit, chất nhờn, chất màu cũng được tách ra. I.2.4.Xúc tác Rượu hoá dầu thực vật là một trong những phản ứng được áp dụng phổ biến trong tổng hợp nhựa alkyt. Thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng giữa dầu thực vật và rượu đa chức (penta) rất nhỏ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phân huỷ, do đó nhiều loại xúc tác như oxyt bazơ hay muốicủa các kim loại Pb, Mn, Co, Ca, Zn, Na, Li,… được dùng để tăng tốc độ và hạ nhiệt độ phản ứng. Người ta đã xác định rằng khi thực hiện phản ứng ancol ở nhiệt độ 200 0C, xúc tác natrietylat có hoạt tính cao nhất , ở khoảng 220 ¸ 230 0C các hợp chất của chì và canxi được xếp vào hàng đầu, còn ở nhiệt độ cao hơn 2400C thì hydroxit của các kim loại kiềm có tác dụng làm tăng tốc phản ứng lớn nhất. Tuy nhiên loại xúc tác được sử dụng nhiều nhất hiện nay là PbO, CaO, NaOH. I.2.5.Dung môi Dung môi là những chất lỏng dễ bay hơi dùng để hoà tan chất tạo màng và thay đổi độ nhớt của sơn. Một dung môi phải đáp ứng những yêu cầu sau: Có tốc độ bay hơi theo yêu cầu và tạo nên một màng sơn có tính chất tối ưu. Tạo được một dung dịch có độ nhớt thích hợp cho việc bảo quản và sử dụng. Có mùi chấp nhận được,có độ độc tối thiểu và giá cả phải chăng. Đặc tính quan trọng nhất của dung môi là khả năng hoà tan và tốc độ bay hơi. Dung môi thường dùng cho sơn alkyt là các dung môi sau : Xăng trắng (WS) là hỗn hợp của các hydrocacbon mạch thẳng có thành phần không cố định. Nó có tốc độ bay hơi chậm, có mùi không khó chịu lắm, hoà tan đa số các loại dầu, nhựa thiên nhiên, véc ni dầu nhựa, nhựa alkyt có thành phần dầu cao hơn 50%. Vì vậy xăng trắng được sử dụng rộng rãi làm dung môi cho các loại sơn trang trí và bảo vệ đi từ các chất tạo màng trên và thường dùng phương pháp quét. Xăng trắng còn được dùng nhiều để tẩy và làm sạch, là dung môi thông dụng cho sơn. Xylen hòa tan tốt nhựa alkyt và ankyt biến tính bằng dầu thực vật (hàm lượng dầu < 50%). Vì có khả năng hoà tan tốt và nhanh, để áp dụng phương pháp phun, xylen rất thích hợp với màng sơn đóng rắn nóng, vì phần lớn dung môi dễ bay hơi trước khi đưa khi đưa màng sơn vào lò sấy. Trong sản xuất nhựa alkyt ,xylen có hai chức năng: Làm dung môi. Làm chất tạo hỗn hợp đẳng phí với nước để tách nước ra khỏi phản ứng tổng hợp nhựa alkyt. Rượu butylic có mùi đặc trưng là dung môi cho nhiều loại dầu và nhựa, được dùng chủ yếu cho nhựa alkyt và nhựa biến tính với amin, trong sơn nitro-xenlulo và sơn acrylic. I.3.Lý thuyết chung về tổng hợp nhựa alkyt I.3.1.Lý thuyết chung về phản ứng trùng ngưng tạo nhựa alkyt Phản ứng tổng hợp nhựa alkyt là phản ứng thuận nghịch, trong quá trình phản ứng nước được giải phóng, hằng số cân bằng phản ứng phụ thuộc vào nhiều điều kiện để dịch chuyển cân bằng về phía tạo ra các polyme có khối lượng phân tử cao hơn. Phản ứng trùng ngưng polyeste có thể biểu diễn như sau: nHOO-R-OH+nHOO-R’-COOHH-[-OROOCR’CO-]n-OH+(n-1)H2O+Q Để tăng tốc độ phản ứng thuận người ta dùng xúc tác, nhiệt độ và tách sản phẩm phụ ra khỏi phản ứng. + Nhiệt độ : Cũng như các phản ứng hoá học khác, khi nhiệt độ tăng vận tốc phản ứng trùng ngưng có cân bằng tăng, nhưng tốc độ tăng của phản ứng thuận và phản ứng nghịch khác nhau, do đó có ảnh hưởng đến sự dịch chuyển cân bằng. Phản ứng trùng là phản ứng toả nhiệt của nhưng hiệu ứng nhiệt của phản ứng rất nhỏ(33,41,8 kJ/mol). Nên thực tế rất ít ảnh hưởng đến hằng số cân bằng tức là ảnh hưởng rất ít đến khối lượng phân tử của polymer. Mặt khác khi tăng nhiệt độ vận tốc phản ứng tăng tức là rút ngắn thời gian đạt cân bằng và đồng thời sản phẩm phụ dễ thoát ra, làm tăng khối lượng phân tử trước thời gian đạt cân bằng,nhưng tại thời điểm cân bằng thì ở nhiệt độ thấp lại đạt khối lượng phân tử cao . Để phối hợp các ảnh hưởng trên, lúc đầu phản ứng trùng ngưng được tiến hành ở nhiệt độ cao sau đó giảm nhiệt độ để nhận được polyme có khối lượng phân tử cao hơn. + Xúc tác. Xúc tác được sử dụng trong quá trình tổng hợp nhựa ankyt chủ yếu là PbO, CaO, NaOH. Xúc tác này chủ yếu dùng để tăng tôc độ phản ứng giữa dầu thực vật và rượu đa chức ( phản ứng ancol phân). Tuỳ từng loại xúc tác mà tốc độ ancol phân khác nhau. Ảnh hưởng của hàm lượng PbO từ 0,1 ¸ 0,4% (tính theo khối lượng gyxerin) thì thời gian ancol phân giảm từ 600 phút đến 15 phút, tuy nhiên trong khoảng nồng độ từ 0,2 ¸ 0,4 % PbO thì sự thay đổi không đáng kể. Đáng chú ý là xúc tác PbO làm cho sản phẩm ancol phân bị sẫm màu, khoảng nồng độ 0,15 ¸ 0,25 %PbO cho sản phẩm có mầu sáng nhất và tốc độ phản ứng tương đối cao. Đối với xúc tác CaO thì nồng độ CaO thích hợp nhất để đạt tốc độ ancol phân lớn nhất là 0,15%. + Tách nước: Trong việc tổng hợp nhựa alkyt việc tách nước có vai trò hết sức quan trọng, ngoài tác dụng tăng tốc độ phản ứng việc tách nước còn có ảnh hưởng đến chất lượng của nhựa, nếu tách nước không triệt để nhựa sẽ bị đục và do vậy sẽ làm sơn ankyt bị tối màu. Để tách nước người ta thường dùng phương pháp hút chân không, phương pháp đẳng phí. Đặc biệt phương pháp đẳng phí được dùng để tạo ra hỗn hợp đẳng phí với nước. Hỗn hợp đẳng phí xylen – nước có nhiệt độ hoá hơi thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ hoá hơi của xylen, nước (920C so với 1400 và 1000). I.3.2.Các phương pháp tổng hợp nhựa alkyt I.3.2.1.Nhựa alkyt không biến tính Xét đến cơ cấu phản ứng tạo thành nhựa alkyt từ AP và glyxerin gọi là nhựa gliphtal : Ở giai đoạn đầu,khi nhiệt độ phản ứng thấp hơn 180OC thì chỉ có và -hydroxyl của glyxerin hoạt động tác dụng với các nhóm cacboxyl để tạo thành một hỗn hợp mono và diglyxerit : C C O O O CH2- CH- CH2 OH OH OH CO- OCH2- CH- CH2OH COOH OH + CO- OCH2- CH- CH2O- OC COOH OH HOOC CH2- CH- CH2 OH OH OH C C O O O 2 + Và cứ thế tiếp tục sẽ tạo thành nhựa gliphtal mạch thẳng cấu tạo như sau : …- OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O-… CO CO CO CO OH OH OH Các phản ứng trong gian đoạn này tiến hành rất nhanh vì và- hydroxyl hoạt động mạnh, do đó trị số axit cũng giảm nhanh. Sang giai đoạn hai,lúc nhiệt độ cao hơn 180OC, -hydroxyl bắt đầu hoạt động tác dụng với các nhóm cacboxyl tăng thêm số liên kết làm cho polyme có cấu trúc không gian 3 chiều : …- OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O-… CO CO O CO CO CO CO CO CO O OC OC …- OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O OCH2- CH- CH2O-… O O O CO CO O O Phản ứng ở giai đoạn hai này tiến hành chậm nên trị số axit cũng giảm chậm, đó là do kích thước phân tử đã khá lớn, độ nhớt tăng cao làm cho sự va chạm giảm bớt và cũng do -hydroxyl hoạt động kém. Trong suốt quá trình phản ứng este hóa có mấy đặc điểm cần chú ý sau: Song song với phản ứng đa tụ có phản ứng phân huỷ ngược lại làm cho trọng lượng phân tử không thể tăng nhiều, nhưng cũng nhờ đó mà nhựa đồng nhất hơn về trọng lượng phân tử. Quá trình keo hóa đóng rắn tiến hành chậm nên cần phải đun nóng lâu. Nếu dùng quá dư glyxerin thì -hydroxyl không tham gia phản ứng kịp nên chỉ được loại nhựa nhiệt dẻo, quá trình đóng rắn chỉ xảy ra một phần. Nhựa gliphtal tan tốt trong axeton, rượu và một số este, nhưng không tan trong hydro thẳng, thơm và trong dầu thông. Nhựa gliphtal tinh khiết không được sử dụng rộng rãi do có nhiều nhược điểm : dòn, tan hạn chế, dễ tạo gel và khi đóng rắn cần nhiệt độ cao và thời gian lâu. Vì thế ứng dụng chủ yếu trong kỹ thuật là nhựa gliphtal biến tính. I.3.2.2.Nhựa alkyt biến tính. Xét về mặt cấu tạo, nhựa alkyt biến tính là một loại polyeste hỗn hợp trong đó các nhóm hydroxyl của rượu đa chức một phần được este hóa bằng rượu đa chức, một phần được este hóa bằng axit béo của dầu thực vật. Có ba phương pháp tổng hợp nhựa alkyt biến tính : Phương pháp rượu hóa hay là phương pháp biến tính bằng dầu thực vật. Phương pháp axit béo hay là phương pháp biến tính bằng axit béo. Phương pháp axit hóa. + Phương pháp rượu hóa Quá trình tạo nhựa tiến hành 3 giai đoạn : - Giai đoạn 1: Rượu hóa dầu bằng rượu đa chức thành hỗn hợp este không bị este hóa hoàn toàn. Trường hợp dùng glyxerin mono-, di-glyxerit : + CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2- OCOR3 CH2- OH CH - OH CH2- OH CH2- OCOR3 CH - OH CH2- OH CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2- OH + Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 240- 260 OC và cần có xúc tác. Xúc tác tốt nhất ở đây là hydroxyt và muối axit của kim loại kiềm, oxyt và muối tan của Ca và Pb. - Giai đoạn 2 : Este hóa mono- và di-glyxerit bằng axit lưỡng chức, thường dùng là AP. CO CO O CH2- OCOR3 CH - OH CH2- OH CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2- OH + 2 + CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2 CH2- OCOR3 CH CH2- OOC …-OOC COO- COO- + 2H2O Phản ứng này tiến hành ở 200- 300 OC và phải tạo điều kiện để dễ dàng tách nước ra khỏi môi trường phản ứng như dùng chân không, dùng dung môi để lợi dụng điểm đẳng phí mà tách nước cho dễ. - Giai đoạn 3: Làm đặc nhựa ở khoảng nhiệt độ 240 0C, trong giai đoạn này chủ yếu xảy ra phản ứng trùng hợp các axit béo không no để phần nào tạo thành polyglyxerit. Trong giai đoạn này,độ nhớt sẽ tăng lên khá rõ rệt. + Phương pháp axit béo. Theo phương pháp này, cho cả glyxerin, AP và axit béo tác dụng với nhau ở khoảng nhiệt độ 200- 250 OC : CH2- OH CH - OH CH2- OH CO CO O + RCOOH + CH2- OCOR CH - OH CH2- OOC HOOC + H2O Ở đây cũng cần các biện pháp để tách nước nhanh chóng như trong phương pháp rượu hóa. So với phương pháp rượu hóa thì phương pháp này tiến hành nhanh hơn, quá trình dễ kiểm tra theo dõi và sản phẩm đồng nhất tốt hơn, chỉ có điều bất lợi là phải có bộ phận sản xuất axit béo từ dầu. + Phương pháp axit hóa Phương pháp này rất ít được sử dụng vì thực hiện rất khó khăn do phải tiến hành ở áp suất và nhiệt độ cao, thiết bị cồng kềnh. I.4.Các yều tố ảnh hưởng đến tính chất nhựa alkyt I.4.1.Số nhóm chức trong axit đa chức và rượu đa chức Nếu axit 2 chức phản ứng với rượu 2 chức thì tạo thành sản phẩm polyste mạch thẳng, như vậy nhận được nhựa nhiệt dẻo. Nếu số chức của axit (hoặc rượu ) lớn hơn 2 thì phản ứng xảy ra giữa các nhóm chức sẽ tạo cầu nối không gian và chuyển polyme sang trạng thái gel hoá cho đến khi các phân tử phản ứng hết và phản ứng trùng ngưng kết thúc. Sản phẩm thu được thường là nhựa nhiệt rắn . Nếu giảm nồng độ của hợp chất 3 chức hoặc thêm hợp chất 1 chức vào hỗn hợp thì có thể tiến hành phản ứng trùng ngưng sâu hơn. Như vậy ta đã làm thay đổi một số tính chất của nhựa. Vậy số chức của axit hoặc rượu xác định loại polyme, còn tính chất của polyme thì phụ thuộc vào cấu tạo ban đầu của các monome tham gia phản ứng. I.4.2.Cấu tạo phân tử của rượu và axit Độ hoạt động của các nhóm định chức ở trong các phân tử ban đầu phụ thuộc vào cấu tạo và đại lượng của các phân tử đó. Các nhóm hidroxyl bậc 1 có khả năng hoạt động hơn bậc 2. Nhưng trong glyxerin, nhóm hidroxyl bậc 2 chỉ hoạt động ở nhiệt độ trên 1800 C, trong lúc đó thì các nhóm hidroxyl bậc 1 bắt đầu phản ứng với axit ở nhiệt độ thấp hơn. Các anhydrit của axit 2 gốc (như AM) tác dụng với rượu ngay ở 20 ¸ 250C. Đa số polyme mạch thẳng có cấu tạo kết tinh, do đó có thể dùng làm sợi. Mức độ kết tinh sẽ giảm khi trong mạch polymetylen của rượu và axit có chứa các nguyên tố khác. Chiều dài của mạch cũng ảnh hưởng đến độ kết tinh. Nếu dùng 2 axit khác nhau thì thu được các polyme có độ cứng khác nhau. Độ cứng của màng polyeste được sắp xếp theo thứ tự như sau: Theo axit : Malêic > phtalic > adipic > sebaxic > limônic. Theo rượu : Penta eritritol > glyxerin > etyenglycol. Độ bền của màng sơn từ nhựa alkyt cũng thay đổi theo các axit sau : Phtalic > antaric > adipic > xêbaxic. Độ co dãn của màng giảm theo thứ tự ngược lại . Để tăng độ chịu nhiệt cho polyeste người ta thường đưa vào mạch các vòng thơm, ví dụ như axit terephtalic hoặc izophtalic. I.4.3.Ảnh hưởng của dầu thảo mộc biến tính Nhựa ankyt biến tính bằng dầu thực vật phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng dầu và độ bão hoà của dầu. Quan trọng hơn cả là độ béo của nhựa diễn tả bằng phần trăm của trọng lượng dầu hay axit béo trong nhựa, hàm lượng dầu hay axit béo thường vào khoảng 30 ¸ 70%. Căn cứ vào độ béo của nhựa alkyt biến tính có thể phân làm 4 loại nhựa như sau: Loại nhựa. Độ béo. Loại gầy. 35 – 45%. Loại trung bình. 46 – 55%. Loại béo. 56 – 70%. Loại rất béo. >70%. Độ béo càng cao dung dịch nhựa càng ít nhớt, khả năng hoà tan vào cacbonhydro mạch thẳng càng dễ dàng, sơn càng dễ dàng ngấm bột màu và khả năng dùng chổi để sơn dễ dàng hơn ( độ béo dưới 50% thì nhựa ít dùng để chế tạo sơn vì khó sơn bằng chổi ). Nhựa béo tan trong hydrocacbon mạch thẳng (white spirit). Nhựa béo trung bình tan trong hỗn hợp white spirit với hydrocacbon thơm như xylen, toluen. Khả năng kết hợp của nhựa alkyt với các chất tạo màng khác cũng phụ thuộc vào độ béo. Nhựa có độ béo cao dễ kết hợp với dầu thực vật nhưng lại khó trộn với nitroxenlul, nhựa ure. Nếu trộn hợp với melamin-fomandehyt thì phải dùng nhựa có độ béo >50%, nếu trộn hợp với asphan thì nhựa có độ béo dưới 40%. Xét về tính chất khi độ béo càng cao sơn càng co giãn và bền với thời tiết nhưng lại kém cứng, ít bóng, kém bền với dung môi, dầu nhờn và chậm khô. Khi xét đến độ bão hoà của dầu tức là xét đến độ ảnh hưởng của các loại dầu. Dầu thực vật hay axit béo càng không bão hoà thì độ nhớt càng lớn và rất dễ bị keo hoá do đó không bao giờ chỉ dùng dầu chẩu để biến tính nhựa alkyt mà phải dùng dầu chẩu kết hợp với dầu lanh hay dầu bán khô và hàm lượng dầu chẩu chỉ chiếm khoảng 15% tổng lượng dầu dùng để biến tính. Dầu chẩu thêm vào có tác dụng rút ngắn thời gian đạt độ nhớt mong muốn và tăng độ cứng của màng sơn. Đặc biệt hơn là độ bão hoà của dầu có ảnh hưởng đến tốc độ khô và độ cứng của màng sơn. Dầu càng không bão hoà thì màng sơn càng cứng và khô nhanh. Thực tế cho thấy màng sơn khô tốt hơn cả là sơn đi từ nhựa ankyt biến tính bằng dầu chẩu với dầu nành. Nhưng dầu không bão hoà là loại dầu cũng có ảnh hưởng xấu làm cho màng sơn chóng bị lão hoá, vì vậy nên dùng cả dầu bán khô, tuy có làm cho màng sơn kém cứng nhưng lại có tác dụng làm cho màng sơn chậm bị lão hoá và có tác dụng hoá dẻo. Vậy dùng thêm dầu bán khô không những có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất màng sơn mà còn mang một ý nghĩa kinh tế lớn do sử dụng được nguồn nguyên liệu có trong nước. I.5.Tính chất và ứng dụng của nhựa alkyt Nhựa alkyt hoà tan trong dung môi thơm, dầu thông, dung môi lỏng. Nhựa alkyt bám dính chặt vào kim loại và tương đối co dãn, khả năng chịu thời tiết, độ mềm dẻo bằng nhựa acrylic. Nhựa alkyt khi sử dụng làm màng sơn, sơn thu được dễ sử dụng hơn so với các chất tạo màng khác như :EP, polyuretan… Vì nó là sơn một thành phần nên không cần bổ xung thêm chất đóng rắn mới. Không những chỉ dùng một mình cũng được mà còn có thể phối hợp với nhiều loại nhựa sơn khác nên phạm vi sử dụng khá rộng. Sơn alkyt dùng để sơn các loại máy móc thiết bị công nghiệp, nông nghiệp ( máy cấy,máy kéo,máy gặt …), sơn các loại toa xe cũng như để sơn trang hoàng các dụng cụ trong nhà . Nhựa alkyt biến tính trộn với nhựa urê, formal dehyt dùng chế tạo sơn cho ôtô, xe đạp, xe máy, và nhiều loại máy móc khác. Loại thiết bị này cũng chịu được một phần khí hậu nhiệt đới. Trộn với nitroxenluylô dùng để sơn ôtô,sơn đồ gỗ . Trộn với nhựa silicon hữu cơ dùng sản xuất loại sơn chịu nhiệt . Nhựa alkyt trộn với nhựa phênol và epoxy dùng dùng sơn chống gỉ. Ngoài ra nhựa alkyt biến tính dùng để sản xuất mực in, sản xuất vải dầu, dùng để hoá dẻo một số loại nhựa tổng hợp. I.6.Dây chuyền sản xuất nhựa alkyt Thùng lường. Nồi phản ứng. Nồi pha loãng. Hệ thống bơm. Bộ phận lọc. Thùng chứa sản phẩm. Ống sinh hàn làm mát. Thiết bị ngưng tụ xylen- nước. Thùng phân ly xylen- nước. Thiết bị làm mát dấu tải nhiệt. Lưu lượng kế đo Nitơ. Téc chứa dầu chẩu. Téc chứa xylen, Téc chứa xăng pha loãng. Van xả nước tự động. Thuyết minh dây chuyền sản xuất. Dầu chẩu từ téc chứa (12) được bơm qua thiết bị cân lường tự động (1) theo đường NO1 vào thiết bị phản ứng (2). Cho máy khuấy chạy từ 50-60 vòng/phút. Pentaerytrit được nạp từ từ vào thiết bị từ boong ke qua cửa nạp liệu. Tăng nhiệt độ cho nồi phản ứng bằng dầu nóng tải nhiệt qua hệ thống ống xoắn ruột gà trong thiết. Tăng tốc độ khuấy đến 70 5 vòng/phút, hút chân không đến độ chân không yêu cầu. Nạp khí N2 qua lưu lượng kế (11). Khi nhiệt độ đạt 180 0C, mở thông áp cho từ từ PbO qua cửa nạp xúc tác. Tăng nhiệt độ tiếp lên 255 ¸ 260 0 C và ổn định nhiệt trong để thực hiện phản ứng rượu hoá (ancol phân). Khi phản ứng rượu hoá kết thúc. Hạ nhiệt độ xuống 170 0C bằng dầu tải nhiệt đã được làm mát bằng thiết bị làm mát dầu tải nhiệt (10). Giảm tốc độ khuấy xuống 30 ¸ 40 vòng/phút. Mở thông áp nạp từ từ AP vào nồi phản ứng (2). Bơm xylen từ téc chứa (13) qua đường NO2, qua thiết bị (1), và xả từ từ vào thiết bị (2). Tăng tốc độ khuấy đến 705 vòng/phút. Tăng nhiệt độ từ từ lên 2400C, duy trì nhiệt độ ổn định để tiến hành bảo ôn. Khi phản ứng kết thúc, hạ nhiệt độ xuống < 150 0C và giảm khuấy xuống còn 40 ¸ 50 vòng/phút. Xăng pha loãng từ téc chứa (14) được bơm một phần vào nồi phản ứng để thực hiện pha loãng sơ bộ. Sau khi được pha loãng sơ bộ ở (2), nhựa được bơm sang nồi pha loãng (3) bằng hệ thống bơm và có đi qua bộ phận lọc. Và phần lớn xăng pha loãng được bơm vào (3) để thực hiện qua trình pha loãng này. Hỗn hợp xylen- nước đi ra từ nồi phản ứng (2) đi qua ống sinh hàn làm mát dạng đĩa (7). Tại đây,một phần xylen sẽ được ngưng tụ và quay trở lại nồi phản ứng,phần còn lại sẽ cùng hơi nước qua thiết bị ngưng tụ dạng ống trùm (8). Tại (8) xylen và nước được ngưng tụ hoàn toàn và chảy xuống thiết bị phân ly xylen - nước (9). Tại (9), do xylen nhẹ hơn nên sẽ nổi lên trên và quay trở lại nồi phản ứng,còn nước nặng hơn được tháo xuống bể chứa qua van xả nước tự động (15), được xử lý và thải ra ngoài. Hình 1 : Biểu độ sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và thời gian tiến hành 0C Đường AB : giai đoạn bơm dầu chẩu,penta vào nồi đa tụ và tăng nhiệt. Đường BC : giai đoạn bảo ôn nhiệt ở 2600 C nhằm làm cho phản ứng alcol phân diễn tả ra hoàn toàn. Tại C là điểm kết thúc giai đoạn alcol phân. Đường CD : giai đoạn hạ nhiệt độ. Đường DE : tăng nhiệt độ lên 2400C và cho AP vào nồi phản ứng. Đường EF: bảo ôn nhiệt độ ở 2400 C cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Đường FG : làm lạnh lấy sản phẩm . Toàn bộ quá trình trong khoảng 15 h. PHẦN II : TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ THIẾT BỊ II.1.Tính cân bằng vật chất II.1.1.Các công đoạn sản xuất nhựa Các công đoạn trong quá trình sản xuất nhựa alkyt : Nạp liệu Alcol phân Este hóa Pha loãng Đóng thùng và bảo quản Ở giai đoạn nạp liệu ta dùng bơm để bơm các nguyên liệu dạng lỏng và dung cần cẩu để cho nguyện liệu rắn như AP, ở giai đoạn pha loãng nếu sản phẩm vẫn còn ở thiết bị pha loãng thì ở mẻ sau ta lại thu được, vì vậy ta coi như không có tổn hao ở 2 giai đoạn này. Vậy có 4 giai đoạn có tổn hao như sau: Giai đoạn alcol phân : 1%. Giai đoạn este hóa : 1%. Giai đoạn pha loãng : 0,1 %. Giai đoạn đóng thùng và bảo quản : 0,1%. Kế hoạch sản xuất trong năm : Số ngày trong năm : 365 ngày. Số ngày nghỉ chủ nhật : 52 ngày. Số ngày nghỉ lễ tết : 7 ngày. Số ngày nghỉ bảo dưỡng thiết bị : 6 ngày. Vậy số ngày làm việc trong năm là : 365 - ( 52 + 7 + 6 ) = 300 (ngày). Để đạt được năng suất 3000 tấn/năm thì năng suất của một ngày làm việc là = 10 (tấn/ngày). II.1.2.Các thông số kỹ thuật của nhựa Sau đây là đơn phối liệu tính cho một mẻ nấu chưa tính đến các tổn hao trong các công đoạn. Bảng 3 : Đơn phối liệu cho một mẻ sản xuất nhựa (chưa tính đến tổn hao trong các công đoạn) : Tên cấu tử Khối lượng phân tử, đvC Số mol(N) Khối lượng,kg % khối lượng AP 148 10000 1480 14,50 Penta 136 6000 820 8,05 Dầu đậu 800 5500 4400 43,22 Dầu chẩu 800 500 400 3,93 Xúc tác PbO --- 3,5 0,03 Xylen hồi lưu 106 1924 204 2,00 Xylen pha loãng 106 1320 140 1,38 Dung môi --- 2733 26,85 Tổng 10180 100% III.1.2.1. Tính toán hệ số hoạt động trung bình của hệ Bảng 2: Thành phần từng loại axit trong dầu chẩu và dầu đậu Các axit có trong dầu Dầu đậu Dầu chẩu Axit oleic, % 32 12,5 Axit linoleic, % 52 - Axit linolinic, % 2 - Axit stearic, % 8 5 Axit oleostearic, % - 80 Trong dầu đậu: - Lượng axit oleic chiếm khoảng 32% 0,32 x 4400 = 1480 (kg) - Lượng axit linoleic chiếm khoảng 52% 0,52 x 4400 = 2280 (kg) - Lượng axit linolenic chiếm khoảng 2% 0,02 x 4400 = 88 (kg) - Lượng axit stearic chiếm khoảng 8% 0,08 x 4400 = 352 (kg) Trong dầu chuẩn: - Lượng axit oleic chiếm khoảng 12,5% 0,125 x 400 = 9 (kg) - Lượng axit oleostearic chiếm khoảng 80% 0,8 x 400 = 320 (kg) - Lượng axit stearic chiếm khoảng 5% 0,05 x 400 = 20 (kg) Vậy trong dầu gồm các thành phần sau: - Lượng axit oleic:1458 (kg) - Lượng axit linoleic: 2280 (kg) - Lượng axit linolenic: 88 (kg) - Lượng axit stearic: 372 (kg) - Lượng axit eleostearic: 320 (kg) Bảng 3: Bảng thành phần axit trong dầu thảo mộc Tên nguyên liệu Công thức hoá học M Số MOL F -OH -COOH ôleic C17H33COOH 282 5170 1 - 5170 Linoleic C16H29COOH 260 8600 1 - 8600 Linolenoic C18H30COOH 278 300 1 - 300 oleostearic C18H30COOH 278 1120 1 - 1120 stearic C17H35COOH 286 1300 1 - 1300 AP C8H4O4 148 10000 2 20000 Pentaerytrit C5H12O4 136 6029 4 24116 - Tổng 5773 24116 36490 Từ bảng có thể tính được chức riêng F của hệ phản ứng: Vậy với đơn phối liệu trên F = 1,86 < 2 thì hệ không bị gen hoá trong quá trình sản xuất. III.1.2.2. Hiệu suất của phản ứng và độ béo, hàm lượng của nhựa Dựa vào phản ứng tạo nhựa, ta có số mol nước tách ra trong quá trình phản ứng bằng số mol của AP. Lượng nước tách ra trong quá trình phản ứng tính cho một mẻ là: 10000 x 18 = 180000 (g) = 180 (kg) Hiệu suất lý thuyết phản ứng: Hiệu suất lý thuyết ở đây được tính bằng tổng số nguyên liệu ban đầu trừ lượng nước, rồi chia cho tổng nguyên liệu ban đầu: Độ béo của nhựa trong hỗn hợp là: Hàm lượng nhựa trong hỗn hợp là: Hàm lượng nhựa được tính bằng số nhựa tạo thành trên tổng khối lượng 1 mẻ sản xuất: III.1.3. Tính tổn hao trong các công đoạn sản xuất Lượng dung môi không bị mất mát trong các công đoạn alcol phân và trùng ngưng tạo nhựa. Lượng xúc tác PbO là rất nhỏ so với lượng nhựa hay lượng nguyên liệu khác nên có thể bỏ qua. + Tổn hao trong công đoạn đóng thùng là: 0,1% Để có lượng nhựa alkyt sau đóng thùng là 6920 (kg) thì cần số nguyên liệu ban đầu 7100 (kg). Vậy số nguyên liệu cần trước khi đóng thùng là: Tên cấu tử Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) Nhựa alkyt 7107,1 7100 7,1 Tổn hao ở công đoạn pha loãng 0,1% Lượng nhựa alkyt sau khi pha loãng 7107,1 (kg) Lượng nhựa alkyt trước khi pha loãng: Tên cấu tử Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao (kg) Nhựa alkyt 7114,2 7107,1 7,1 + Tổn hao ở công đoạn đa tu 1% - Lượng nhựa sau quá trình đa tụ là 7114,2 (kg) Lượng nguyên liệu trước quá trình đa tụ là: + Tổn hao ở công đoạn chuyển đổi este 1% Lượng nguyên liệu sau quá trình chuyển đổi là: 7185,3 (kg) Lượng nguyên liệu trước quá trình chuyển đổi: Cân bằng vật chất cho 1 mẻ sản xuất có tính đến tổn hao: Các nguyên liệu có chung 1 hệ số tổn hao, bằng lượng nguyên liệu đem phản ứng (có tính đến tổn hao) trên lượng nhựa tạo thành. Vậy: - Lượng anhydrit phtalic trước khi đem phản ứng: 1480 x 1,022 = 1513 (kg) - Lượng penta trước khi đem phản ứng là: 820 x 1,022 = 838 (kg) - Lượng dầu đậu trước khi đem phản ứng là: 4400 x 1,022 = 4497 (kg) - Lượng dầu chuẩn trước khi đem phản ứng là: 400 x 1,022 = 409 (kg) Bảng 4: Đơn phối liệu cho mộtmẻ sản xuất nhựa có tính tổn hao Nguyên liệu Lượng vào Lượng ra Tổn hao AP 1513 1.480 33 Penta 838 820 18 Dầu đậu 4497 4.400 97 Dầu chẩu 409 400 9 PbO 3,5 3,5 0 Xylen 344 344 0 Xăng pha sơn 2733 2733 0 Tổng cộng 10.327,7 10.170,5 157 + Thời gian sản xuất 1 mẻ: Trong quá trình sản xuất thì thời gian tính cho 1 mẻ khoảng 18 giờ gồm: - Thời gian alcol phân khoảng: 2 giờ - Thời gian đa tụ nhựa: 8 giờ - Thời gian nạp liệu, pha loãng sản phẩm và các việc phụ khác: 8 giờ Do đó tổng thời gian 1 mẻ sản xuất là 18 giờ. Ta chọn chế độ làm gián đoạn, 1 mẻ sản xuất. Vậy 1 ngày ta sản xuất được 1 mẻ nhựa alkyt có khối lượng 10000 (kg) với độ béo là 67,6% và hàm lượng nhựa là 69,2%. Cân bằng vật chất cho năm là: Các nguyên liệu cần cho 1 năm được tính bằng nguyên liệu cho 1 mẻ sản xuất nhân với 300 ngày, ta có bảng nguyên liệu cần cho 1 năm sau: Bảng 5: Lượng nguyên liệu cần cho 1 năm Nguyên liệu Lượng vào (kg) Lượng ra (kg) Tổn hao AP 453900 444.00 9.900 Penta 251400 240.000 5.400 Dầu đậu 1349100 1.320.000 29.100 Dầu chẩu 122700 120.000 2.700 PbO 1050 1.050 0 Xylen 103200 103.200 0 Xăng pha sơn 819900 819.900 0 Với lượng nguyên liệu trên 1 năm ta sản xuất được 3000 tấn nhựa alkyt. Bảng 4 : Đơn phối liệu cho một mẻ sản xuất nhựa hay 1 ngày sản xuất có tính đến tổn hao ở các công đoạn Nguyên liệu Lượng vào, kg Hệ số tổn hao Lượng phản ứng, kg Lượng ra, kg AP 538,72 1,04 518 3496 kg nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 312 1,04 300 Dầu chẩu 1539,2 1,04 1480 Xúc tác PbO 1 1 1 Xylen 110 1 110 Dung môi 1150 1 1150 Tổng 3650,92 --- 3559 Bảng 5 : Đơn phối liệu cho một tháng sản xuất : Nguyên liệu Lượng vào,tấn Lượng ra,tấn AP 12,84 83,33 tấn nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 7,43 Dầu chẩu 36,68 PbO 0,024 Xylen 2,62 Dung môi 27,41 Tổng 87,004 Bảng 6 : Đơn phối liệu cho một năm sản xuất : Nguyên liệu Lượng vào,tấn Lượng ra,tấn AP 154,07 1000 tấn nhựa với độ béo là 66,2% và hàm lượng nhựa là 63,9% Penta 89,23 Dầu chẩu 440,21 PbO 0,286 Xylen 31,46 Dung môi 328,9 Tổng 1044,156 II.2.Tính toán thiết bị chính II.2.1.Tính nồi phản ứng chính Nồi phản ứng có chức năng chính là thực hiện phản ứng đa tụ, ngoài ra còn thực hiện quá trình pha loãng sơ bộ nhựa. Nồi phản ứng làm việc trong điều kiện áp suất thường, ở nhiệt độ cao (260 0C ) và trong môi trường axit yếu. Do đó ta chọn vật liệu làm thiết bị là thép không gỉ X18H10T. Tra bảng [T310-STHC II ] ta có các thông số về tính chất của thép (với chiều dày tấm thép từ 30 ¸ 75 mm ) : Giới hạn bền kéo sk = 540.106 (N/m2). Giới hạn bền chảy sc = 220.106 (N/m2). Độ dãn dài tương đối d = 35 %. II.2.1.1.Tính đường kính và chiều cao nồi phản ứng Tổng thể tích của hỗn hợp nguyên liệu : V = å Vi , m3 Với Vi = , m3. Trong đó Vi : thể tích của nguyên liệu i , m3. mi : khối lượng của nguyên liệu i , kg ri : thể tích riêng của nguyên liệu i , kg/m3. Bảng 7 : Thể tích các nguyên liệu Nguyên liệu m , kg r , kg/m3 V , m3 AP 538,72 1260 0,472 Penta 312 1180 0,264 Dầu chẩu 1539,2 940 1,637 Xylen 110 860 0,128 Xăng pha loãng 1150 800 0,5 Tổng 3650,92 --- 2,956 Khối lượng riêng của hỗn hợp r = =1234 (kg/m3). Vì hỗn hợp là dung dịch loãng nên ta chọn hệ số điền đầy của thiết bị là 0,7. Vậy thể tích của nồi phản ứng chính là : V = = 4,223 (m3). Chọn đường kính trong của thiết bị là Dt = 1,4 (m). Chọn đáy và nắp của thiết bị là đáy và nắp dạng elíp có gờ : Hinh 2 : Hình dạng đáy,nắp elip Tra bảng [T382-STHC II ],ta có được các thông số của đáy và nắp elip : Dt,mm hb,mm h,mm Bề mặt trong F,m2 Thể tích V,m3 Khối lượng,kg 1400 350 25 2,24 0,398 106 Vậy thể tích thiết bị V = Vthân + Vđáy + Vnắp. mà Vđáy = Vnắp. nên Vthân = V - 2.Vđấy = 4,223 - 2.0,398 = 3,427 (m3). Do đó chiều cao của thân thiết bị là : Hthân = = 2,227 (m). Vậy chiều cao của toàn bộ nồi phản ứng chính là : H = Hthân + 2.( hb + h ) = 2,227 + 2.( 0,35 + 0,025 ). H = 2,977 (m). Quy tròn H = 3 (m). II.Tính chiều dày thân nồi phản ứng Chiều dày thân nồi phản ứng được xác định theo công thức [T360-STHC II ] : s = , m. Trong đó : Dt : đường kính trong của thiết bị, m. P : áp suất trong thiết bị , N/m2. j : hệ số bền hàn của thành thiết bị. chọn j = 0,95. [s] : ứng suất giới hạn bền , N/m2. c : hệ số bổ xung, m + Tính áp suất làm việc trong thiết bị P. P = Pkq + P1. Trong đó Pkq: áp suất khí quyển, Pkq = 105 (N/m2). P1: áp suất của cột chất lỏng trong thiết bị , N/m2. P1 = r.g.H Với r : khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, r = 1234 (kg/m3). g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m2/s). H : chiều cao của nồi phản ứng, H = 3 (m). Nên P1 = 1234.9,81.3 = 0,363.105 (N/m2). Do đó P = 105 + 0,363.105 = 1,363.105 (N/m2). + Xác định ứng suất giới hạn bền [s]. Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sk] = sk. , N/m2. Với sk : giới hạn bền kéo, sk = 540.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nk : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nk= 2,6. Suy ra [sk] = 540.106. = 187.106 (N/m2). Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền chảy được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sc] = sc. , N/m2. Với sc : giới hạn bền chảy, sc = 220.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nc : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nc= 1,5. Suy ra [sc] = 220.106. = 132.106 (N/m2). Để đảm bảo bền,ta lấy ứng suất bền là giá trị bé trong hai giá trị trên : [s] = [sc] = 132.106 (N/m2). + Xác định hệ số bổ xung c. Hệ số bổ xung c được xác định theo công thức [T363-STHC II ] : c = c1 + c2 + c3 Trong đó : - c1 : hệ số bổ xung do ăn mòn. Thép X18H10T là vật liệu bền nên ta chọn c1 = 1 (mm). - c2 : hệ số bổ xung do hao mòn, c2 = 0 (mm). - c3 : hệ số bổ xung do dung sai theo chiều dày. Tra bảng [T364-STHC II ], chọn c3 = 0,5 (mm). Do đó c = 1 + 0 + 0,5 = 1,5 (mm). Vậy chiều dày của nồi phản ứng là : s = + 1,5.10-3 = 2,3.10-3 (m). Chọn chiều dày của nồi phản ứng là s = 6 (mm). + Kiểm tra độ bền của thân nồi theo áp suất thử. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử được xác định theo công thức [T365-STHC II ] : s = £ Trong đó : - P0 : áp suất thử tính toán được xác định theo công thức [T366-STHC II ]: P0 = Pth + P1. Với Pth: áp suất thử thủ lực,chọn Pth = 1,5.P Do đó P0 = 1,5.P + P1 = 1,5.1,363.105 + 0,363.105 P0 = 2,4.105 (N/m2). Suy ra s = = 39,42.106 (N/m2). = 183.106 (N/m2). Nhận thấy s < ,thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Vậy chiều dày của thân nồi phản ứng là s = 6 (mm). II.2.1.3.Tính chiều dày của đáy và nắp nồi phản ứng. Chọn đáy và nắp là elíp có gờ và cũng được làm bằng thép X18H10T. Ở tâm đáy có khoét lỗ để lắp ống tháo sản phẩm. Ở tâm nắp có khoét lỗ để đặt trục mô tơ cho cánh khuấy và bên cạnh có khoét các lỗ để nạp liệu. Các lỗ đều được tăng cứng hoàn toàn. Chiều dày của đáy và nắp được xác định theo công thức [T385-STHC II ]: s = ,m Trong đó hb : chiều cao phần lồi của đáy, hb= 350(mm). jh : hệ số bền hàn, jh = 0,95. K : hệ số không thứ nguyên, K = 1. Do đó : s = + 1,5.10-3 = 2,3.10-3 (m). hay s = 2,3 (mm). Nhận thấy s - c = 0,8 (mm) < 10 (mm) nên ta thêm 2(mm) vào đại lượng bổ xung c, c = 4,3 (mm) hay chiều dày s tăng thêm 2 (mm) nên s = 4,3 (mm). Lấy chiều dày của đáy và nắp nồi phản ứng là s = 6 (mm). + Kiểm tra độ bền của đáy và nắp nồi phản ứng theo áp suất thử. Ứng suất ở đáy thiết bị theo áp suất thử được xác định theo công thức [T386-STHC II ] : s = £ Ta có : s = = 74,5.106 (N/m2). Nhận thấy s = 74,5.106 < = 183.106, thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Vậy chọn chiều dày của đáy và nắp thiết bị là s = 6 (mm). II.2.1.4.Tính và chọn cánh khuấy. Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để tăng cường quá trình truyền nhiệt, chuyển khối hóa học... Có rất nhiều loại cánh khuấy như cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy chân vịt, cánh khuấy mỏ neo, cánh khuấy dạng khung... Để lựa chọn được cánh khuấy thích hợp thì phải dựa vào rất nhiều yếu tố như độ nhớt của hỗn hợp cần khuấy, vận tốc khuấy, yếu tố kinh tế... Trong đó thì việc lựa chọn cánh khuấy thích hợp phụ thuộc vào độ nhớt của hỗn hợp cần khuấy là quan trọng nhất. Ở đây ta xác định độ nhớt của nhựa alkyt. Độ nhớt của nhựa alkyt được xác định theo công thức [T83-STHC I ] : lg(lgm) = K. - 2,9. Trong đó m : độ nhớt của chất lỏng, mP. D : tỷ khối của chất lỏng so với nước, D = 1,234. M : khối lượng phân tử. K : hằng số phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chất lỏng. K = åA.n + åP. Với A : số nguyên tử cùng tên trong phân tử chất lỏng. n : trị số của hằng số nguyên tử. P : hệ số điều chỉnh,phụ thuộc vào các nhóm nguyên tử và đặc trưng liên kết của chúng với nhau. O- CH2- CH - OCOR CH2- OCO- C6H4- CO- Từ công thức của nhựa : Trong đó gốc - R có 3 liên kết đôi và có công thức - C17H29 . Do đó trong một mắt xích phân tử nhựa có : Số nguyên tử cacbon là 29. Số nguyên tử hydro là 38. Số nguyên tử oxy là 6. Số liên kết kép là 5. Có 1 vòng 6C. Có 2 nhóm - COO - . Tra bảng [T83,84-STHC I ],ta có các hằng số nguyên tử và các hệ số hiệu chỉnh : Nguyên tử cacbon có n = 50,2. Nguyên tử hydro có n = 2,7. Nguyên tử oxy có n = 29,7. Liên kết kép có P = -15,5. Vòng 6C có P = -21. Nhóm - COO- có P = -19,6. Do đó K = 29.50,2 + 38.2,7 + 6.29,7 + 5.(-15,5) + (-21) + 2.(-19,6) K = 1598,9. M = 29.12 + 38.1 + 6.16 = 482 (đvC ). Vậy lg(lg m) = 1598,9. - 2,9 Suy ra m = 3,412.104 (mP). hay m = 3,412 (Ns/m2). Độ nhớt của hỗn hợp tương đối lớn nên ta chọn cánh khuấy dạng khung để tăng cường quá trình nhiệt,ngăn cản quá trình kết tủa và lắng cặn trên thành và đáy. Hình 3 : Cấu tạo cánh khuấy dạng khung Tra bảng [T616-STHC I ],ta có các thông số của cánh khuấy. = 1,11 nên d = = 1,26 (m). Quy chuẩn d = 1250 (mm). h = 0,44.d = 0,44.1250 = 550 (mm). s = 0,066.d = 0,066.1250 = 82,5 (mm). Căn cứ vào đường kính cánh khuấy d ,tra bảng [T623-STHC I ],ta có các thông số về công suất tiêu tốn N và vận tốc quay n của cánh khuấy. d , mm n , vòng/s N , kW 1250 0,3 ¸ 1,5 0,02 ¸ 27,9 Vậy ta chọn cánh khuấy với đường kính d =1250 (mm),có vận tốc quay n =1,2 vòng/s và có công suất tiêu tốn là N = 15 (kW). II.2.1.5.Tính chiều dày lớp bảo ôn thiết bị Lớp bảo ôn có tác dụng làm giảm sự mất mát nhiệt ra môi trường bên ngoài, như vậy sẽ tiết kiệm được nguyên liệu dùng để gia nhiệt cho thiết bị. Chọn vật liệu bảo ôn là bông thủy tinh, bên ngoài có bọc vải thủy tinh Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bảo ôn là lbo = 0,125 (W/m.độ). Chiều dày lớp bảo ôn được xác định theo công thức [T92-STHC II ] : dbo = , m. Trong đó : dbo : chiều dày lớp bảo ôn, m. lbo : hệ số dẫn nhiệt của lớp bảo ôn, (W/m.độ). tT1: nhiệt độ lớp bảo ôn tiếp giáp bề mặt thiết bị. Vì trở lực nhiệt tường của thiết bị là rất nhỏ so với trở lực nhiệt của lớp bảo ôn nên tT1 có thể lấy bằng nhiệt độ của chất gia nhiệt. Ở đây ta chọn chất gia nhiệt là dầu đun nóng có nhiệt độ là 300 0C nên tT1=3000C. tT2: nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn về phía không khí,chọn tT2= 40 0C. tkk: nhiệt độ không khí,chọn tkk= 25 0C. a : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của lớp bảo ôn đến không khí,W/m2.độ. a = 9,3 + 0,058.tT2 = 9,3 + 0,058.40 = 11,62 (W/m2.độ). Vậy chiều dày lớp bảo ôn là : dbo = = 0,186 (m). hay dbo = 186 (mm). II.2.1.6.Tính và chọn tai treo thiết bị Với các thiết bị hóa chất, thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ. Ở đây, do thiết bị có kích thước nhỏ và có tải trọng trung bình nên ta sử dụng tai treo để treo thiết bị lên cao cho gọn. Để lựu chọn tai treo cho hợp lý thì ta phải xác định được khối lượng của toàn bộ thiết bị cần treo. Khối lượng của toàn tháp G = Gth + Gđáy + Gnắp + Gnl + Gbo , kg. Trong đó : + Gth:khối lượng thân thiết bị, kg. Gth= r..( Dn2 - Dt2 ).Hthân , kg. Ở phần tính trên ta đã tính được Dt = 1,4 (m). s = 0,006 (m). nên Dn = 1,4 + 2.0,006 = 1,412 (m). Hthân = 2,227 (m). và r = rX18H10T = 7,9.103 (kg/m3). Do đó Gth = 7,9.103..( 1,4122 - 1,42 ).2,227 = 467 (kg). + Vì đáy và nắp có khối lượng như nhau nên Gđáy + Gnắp = 2.Gđáy. Tra bảng [T384-STHC II ] ta có Gđáy = 106 (kg). + Gnl : khối lượng nguyên liệu , kg. Gnl = 3650,92 (kg). + Gbo : khối lượng lớp bảo ôn, kg. Vật liệu bảo ôn là bông thủy tinh nên ta có rbo = 200 (kg/m3). Gbo = rbo..( Dn2bo - Dt2bo ).Hthân , kg. Ta có Dtbo = Dn = 1,412 (m). dbo = 0,186 (m). nên Dnbo = 1,412 + 2.0,186 = 1,784 (m). Do đó Gbo = 200..( 1,7842 - 1,4122 ).2,227 = 415,7 (kg). Vậy G = 467 + 2.106 + 3650,92 + 415,7 = 4746 (kg). hay G = 4746.9,81 = 46558 (N). Ta sử dụng 4 tai treo để treo thiết bị nên tải trọng nên mỗi tai treo là: G1 = = 11640 (N/tai treo). Tra bảng [T438-STHC II ],ta có được các thông số về tai treo : Hình 4 : Cấu tạo tai treo G1 x10-4 N Bề mặt đỡ F.104 m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 N/m2 L B B1 H s l a d Khối lượng một tai treo kg mm 2,5 173 1,45 150 120 130 215 8 60 20 30 3,48 II.2.2.Tính nồi pha loãng Nồi pha loãng là nơi chứa và pha loãng nhựa tạo thành phẩm. Do điều kiện làm việc tương tự nồi phản ứng chính nên cũng có cấu tạo tương tự. Chọn Dt = 1600 (mm). H = 3200 (mm). s = 6 (mm). Nồi pha loãng cũng cần cánh khuấy và ta cũng chọn cánh khuấy dạng khung. Tra bảng [T616-STHC I ], ta có các thông số của cánh khuấy. = 1,11 nên d = = 1,44 (m). Quy chuẩn d = 1400 (mm). h = 0,44.d = 0,44.1400 = 616 (mm). s = 0,066.d = 0,066.1400 = 92,4 (mm). Căn cứ vào đường kính cánh khuấy d, tra bảng [T623-STHC I ], ta có các thông số về công suất tiêu tốn N và vận tốc quay n của cánh khuấy. d , mm n , vòng/s N , kW 1400 0,3 ¸ 1,16 0,04 ¸ 22,9 Vậy ta chọn cánh khuấy với đường kính d =1400 (mm),có vận tốc quay n =1,2 vòng/s và có công suất tiêu tốn là N = 15 (kW). II.3.Tính toán thiết bị phụ II.3.1.Tính thiết bị chưng cất hỗn hợp xylen- nước II.3.1.1.Xác định đường kính tháp + Công thức chuyển đổi phần khối lượng sang phần mol: x = , phần mol. Trong đó : an : nồng độ phần khối lượng của nước (cấu tử dễ bay hơi trong dung dịch). Mn, Mx : khối lượng phân tử của nước và xylen. Mn = 18 (kg/kmol). Mx = 106 (kg/kmol). Với nguyên liệu đầu aF =0,1 suy ra xF = 0,396. Với sản phẩm đỉnh a P = 0,98 suy ra xp =0,997. Với sản phẩm đáy aW = 0,02 suy ra xw = 0,107. Với khối lượng đầu vào F = 15,66 (kg/h). + Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức: M = Mn.x + Mx.( 1- x ). Trong đó : M : khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp. x : nồng độ phần mol. Do đó xF = 0,396 suy ra MF = 71,152 (kg/kmol). xP = 0,997 suy ra MP = 18,264 (kg/kmol). xW = 0,107 suy ra MW = 96,584 (kg/kmol). + Hệ phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : GF = GP + GW. xF.GF = xP.GP + xw.GW. GF = . Thay số và giải hệ phương trình trên ta được : GP = 0,071 (kmol/h). GF = 0,22 (kmol/h). GW = 0,148 (kmol/h). + Chỉ số hồi lưu tối thiểu : xF = 0,396 su ra yF* = 0,621. Rmin = Chỉ số hồi lưu thích hợp là Rth = 2,5 ứng với số đĩa lý thuyết Ntl = 5. + Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng : G’1 =g’1 + GW G’1.x1 = g1’.yw + GW.xw. g’1 .r’1 = g1.r1. Trong đó : G’1: lượng chất lỏng ra khỏi đoạn chưng, kmol/h. g’1: lượng hơi đi vào thiết bị, kmol/h r’1:: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất, kJ/kg. r’1 = ra .y’1+ (1-y’1).ra r’1= 2264.0,168+ (1- 0,168).7985= 7023,87 (kJ/kg). r1 = 4432,26 (kJ/kg). g1= R.GP =3,7.0,071 = 0,263 (kmol/h). g’1= 0,166 (kmol/h). G’1= 0,314 (kmol/h). + Khối lượng phân tử của hơi vào thiết bị : Myw = yw.MA + (1-yw)MB. Myw = 91,216 kg/kmol. + Nồng độ trung bình pha lỏng : xtb’= + Nồng độ trung bình pha hơi : ytb’ = Với L = = 3,079. nên suy ra ytb’ = 0,2998. - Nhiệt độ trung bình dòng hơi tương ứng với nồng độ y’tb = 0,2998 là ttb = 106 0C hay ttb = 379 0K. - Khối lượng riêng trung bình của hơi được xác định theo công thức [T183-STHC II ]: . = 2,56 (kg/m3). - Nhiệt độ trung bình của pha lỏng tương ứng với nồng độ xtb = 0,2415 là ttb =103,210C hay ttb = 376,21 0K. - Khối lượng riêng trung bình của dòng lỏng được xác định theo công thức [T183-STHC I ] : Trong đó r1 và r2 là khối lượng riêng của nước và xylen ở 103,21 0C. Tra bảng [T9-STHC I ] có r1 = 956,12 (kg/m3). r2 = 860 (kg/m3). anồng độ phần khối lượng của dung dịch nước –xylen. atb = 0,05. Thay vào phương trình trên ta có rx’ = 868,3 (kg/m3). - Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định theo công thức [T84-STHC I]: lgmx = xtb.lgmn + (1-xtb).lgmx Với mn và mx là độ nhớt của nước và xylen ở 103,21 0C. Tra bảng [T91-STHC I ] ta có : mn = 0,2838.10-3 (N.s/m2). mx = 0,2646.10-3 (N.s/m2). Vậy thay số vào ta có : lgmx = 0,2415.lg(0,2838.10-3) + (1- 0,2415).lg(0,2646.10-3) suy ra mx = 0,269.10-3 (N.s/m2). - Độ nhớt trung bình của dòng hơi được xác định theo công thức [T85-STHC I ]: với M:khối lượng phân tử của hỗn hợp hơi. M = ytb.Mn + (1- ytb).Mx M = 0,2998.18 + (1- 0,2998).106 = 79,6176 (kg/kmol). Thay số và giải phương trình trên ta có my = 0,2658.10-3 (N.s/m2). - Sức căng bề mặt của dòng lỏng : Với sức căng bề mặt của nước dn = 38,68 (N/m2). sức căng bề mặt của xylen dx = 36,64 (N/m2). at b = 0,05. nên dx = 37,34 (N/m2). - Tốc độ trung bình của dòng hơi : Với h : khoảng cách giữa các đĩa. Giả thiết đường kính thiết bị là 0,5 thì khoảng cách giữa các đĩa là h = 0,17. j : hệ số phụ thuộc sức căng bề mặt,j = 0,8. . - Lượng hơi trung bình trong thiết bị. gtb = = 0,1095 (mol/h). hay gtb = 0,1095.79,6176 = 8,718 (kg/h). - Đường kính thiết bị : D = 0,0188. = 0,045 (m). Quy chuẩn D = 50 (mm). II.3.1.2.Xác định chiều cao tháp chưng luyện. - Vận tốc hơi trong thiết bị được xác định theo công thức [T184-STHC II ] : wy = 8,5.10-5.C. Với C =356 nên wy = 8,5.10-5.356. = 0,556 (m/s). - Hệ số khuyếch tán trong pha hơi được xác đinh theo công thức [T127-STHC II ] : Dy = , (m2/s). Trong đó : T = 376,21 0K ; P =1at. Vn và Vx là thể tích mol của hơi nước và xylen, cm3/mol. Tra bảng [T127-STHC II ] ta có : VA = 18,86 (cm3/mol) ; VB = 0,12 (cm3/mol). Thay số vào ta có : Dy = = 0,8.10-4 m2/s. - Chuẩn số Re tính cho pha hơi : Rey = - Hệ số cấp khối với pha hơi : = 0,0267 (kmol/m2.s) - Hệ số khuyếch tán trong pha lỏng được xác định theo công thức [T136-STHC II ] : Dx = 7,4.10-12. , m2/s. Trong đó : b : thông số tính đến liên kết phân tử trong dung môi, b = 2,6. m : độ nhớt của dung môi, m = 0,3246 (cP). Thay số vào ta có : Dx = 7,4.10-12. = 0,36.10-7 (m2/s). - Chuẩn số Pran tính cho pha lỏng : Pr = . - Hệ số cấp khối trong pha lỏng : bx = , kmol/m2.s bx = = 0,226 (kmol/m2.s). Từ kết quả tính như trên ta được số đĩa thực tế Ntt = 6 đĩa. Vậy chiều cao tháp chưng luyện : H = NTT( h + S) + 0,8 = 6.(0,17 + 0,004) + 0,8 = 1,8 (m). II.3.2.Tính thiết bị ngưng tụ hỗn hợp xylen - nước Thiết bị này có chức năng là ngưng tụ,làm lạnh hỗn hợp đẳng phí xylen- nước. + Tính toán lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân bằng nhiệt : Q = G .C.Dt. Trong đó : G : khối lượng chất tải nhiệt, kg. C : Nhiệt dung riêng của chất tải nhiệt. - Nhiệt trao đổi gồm 2 giá trị nhiệt ngưng tụ Q1 và nhiệt làm lạnh Q2. Nên Q = Q1 + Q2. - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí là : 131 0C. Phần trăm trong hỗn hợp là 10%. Nhiệt lượng ngưng tụ : Q1 = G . ( 0,9.rn + 0,1.rx) Với G : lượng chất lỏng ngưng tụ được . rn : ẩn nhiệt hoá hơi của nước. rx : ẩn nhiệt hoá hơi của xylen. Trong phần cân bằng ta đã tính được lượng H2O ngưng tụ được cho một mẻ sản xuất là 63 (kg).Dó đó lượng chất lỏng ngưng tụ là G = = 70 (kg). Tra bảng [T250-STHCI ] ta có ẩn nhiệt hoá hơi của nước và xylen ở 1310C là : rn = 554 (kcal/kg). rx = 97 (kcal/kg) . Do đó Q1 = 70.(0,9.554 + 0,1.97) = 35581 (kcal). - Lượng nhiệt làm lạnh được tính theo công thức : Q2 = G .C.Dt Với C = 0,9.Cn + 0,1.Cx. Tra bảng [T92-STHCI ] ta có : Cn = 1 (kcal/kg.độ). Cx = 0,529 (kcal/kg.độ). Nên C = 0,9.1 + 0,1.0,529 = 0,9529 (kcal/kg,độ). - Hỗn hợp hơi xylen – nước được làm lạnh từ 1310C xuống 400C. nên Dt = 131- 40 = 910C. Do đó Q2 = 70.0,9525.91 = 6070 (kcal). Vậy tổng lượng nhiệt trao đổi là : Q = Q1 + Q2 = 35581 + 6070 = 41651 (kcal). + Ta dùng nước ở 200C để làm lạnh, nước ra khỏi thiết bị làm lạnh là 350C, nên có lượng nước cần để làm lạnh hỗn hợp hơi xylen- nước từ 1310C là: Gn = = 2776,7 (kg). + Tính hiệu nhiệt độ trung bình : = nếu . nếu Trong đó : Dt1 và Dt2 : là hiệu số nhiệt độ ở hai đầu thiết bị trao đổi nhiệt. Dt1 = 131 - 20 = 111 0C. Dt1 = 131 - 35 = 96 0C. Nhận thấy < 2 nên = 103,5 0C. + Tính hệ số cấp nhiệt ( Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng ngưng tụ được tính theo công thức : a2 = Với Nu = 0,021. Trong đó : Pr1 là chuẩn số pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường. Các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng. e1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống,lấy = 1,03. Chuẩn số Pr : Pr = Với :độ nhớt của hỗn hợp ở 103,5 0C , N.s/m2. c :nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg.độ. l : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp, W/m.độ. - Tính m. Tra bảng [T20-STHC I ] ta có độ nhớt của xylen và nước ở 103,5 0C : mn = 0,276.10-3 (N.s/m2). mx = 0,29.10-3 (N.s/m2). Do đó độ nhớt của hỗn hợp xylen - nước được tính theo công thức : lgm = 0,9.lgmn + 0,1.lgmx = 0,9.0,276.10-3 + 0,1.0,29.10-3 suy ra m = 0,277.10-3 (N.s/m2). - Tính c. Nhiệt dung riêng của nước cn = 4200 (J/kg.độ). Nhiệt dung riêng của xylen cx = 2000 (J/kg.độ). Nen nhiệt dung riêng của hỗn hợp xylen- nước : c = 0,9.cn + 0,1.cx = 0,9.4200 + 0,1.2000 = 3989 (J/kg.độ). - Tính l Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp được xác định theo công thức [T19-STHC II ]: ,W/m.độ Trong đó : A: hệ số phụ thuộc vào mức dộ liên két của chất lỏng,A= 4,22.10-8. r : là khối lượng riêng của chất lỏng , kg/m3. M : khối lượng phân tử dung dịch . M = 0,9.18 + 0,1.106 = 16,8 Khối lượng riêng của nước và xylen ở 103,5 0C. rn = 958 (kg/m3). rx= 830 (kg/ m3). nên r = 0,9.958 + 0,1.830 = 945,2 (kg/m3). Do đó l = 4,22.10-8.945,2. = 0,52 (W/m.độ). Vậy Pr = = 2,13. - Ta giả thiết Re , và ta coi tỷ số 1. Nên Nu = 0,021.1,03.(104)0,8.2,130,43.1 = 56,46. Ở đây ta chọn đường kính ống truyền nhiệt dn = 32 mm, bề dầy d = 2 (mm) và chiều dài ống truyền nhiệt H = 1,5 (m) nên đường kính trong của ống truyền nhiệt dt = 28 (mm). Vậy a2 = = 1048,5 (W/m2.độ) + Hệ số cấp nhiệt ở phía hơi ngưng tụ : , W/m2.độ Trong đó : r : ẩn nhiệt hoá hơi. r = (0,9.554 + 0,1.97 ).4,18.103 = 2,12.106 (J/kg) Dt : hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành . Dt = 131 - 130 = 1 0C. A :hệ số phụ thuộc màng chất lỏng, A = 202,36. H : chiều dài ống truyền nhiệt , H = 1,5 (m) nên a1 = 2,04.202,36. = 14233,64 (W/m2.độ). + Tính hệ số truyền nhiệt K: Do ống truyền nhiệt ở dạng tròn nên khi tính hệ số truyền nhiệt K ta tính ở trường hình trụ : K = , W/m2. Với l : hệ số dẫn nhiệt của thép CT3, l = 54,4 (W/m.độ). K = = 942,7 (W/m2). + Bề mặt truyền nhiệt : F = Trong đó : Q : lượng nhiệt trao đổi , Q = 41651 (kcal). Dt = 103, 50 C. Nên F = = 0,43 (m3). + Số ống truyền nhiệt : n = = 3,26 (ống). Dựa vào bảng [T48-STHC II ] ta quy chuẩn ống n =7 (ống).Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là : b =3. + Đường kính của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức : D = t.b + dn.b Trong đó : dn: là đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn = 0,032 (m). t : bước ống,ta chọn t = 1,5.dn = 1,5.0,032 = 0,048 (m). Vậy đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt là : D = 0,048.3 + 0,032.3 = 0,24 (m). Quy chuẩn D = 300 (mm). II.3.3.Tính toán thùng phân tầng II.3.3.1.Tính đường kính và chiều cao thùng phân tầng. Thùng phân tầng dùng để tách hỗn hợp xylen - nước sau khi đã được ngưng tụ. Như phần cân bằng vật chất ta đã tính được hỗn hơp xylen - nước vào thùng phân tầng ở nhiệt độ 30 0C gồm có 63 (kg) nước và 7 (kg) xylen. Ta có rn = 995 (kg/m3). rx = 860 (kg/m3). Vậy thể tích của nguyên liệu vào thùng phân tầng trong một mẻ là : V = = 0,071 (m3). Chọn hệ số điền đầy thùng 0,7 nên thể tích thực của thùng phân tầng là : Vt = = 0,1 (m3). Mặt khác ta có : Vt = p..H. Ở đây ta chọn H = 2.D nên Vt = 2.p. suy ra D = = 0,399 (m). Quy chuẩn D = 0,4 (m). và H = 2.0,4 = 0,8 (m). II.3.3.2.Tính chiều dày thùng phân tầng Chọn vật liệu làm thùng phân tầng là thép CT3,có : Giới hạn bền kéo sk = 380.106 (N/m2). Giới hạn bền chảy sc = 240.106 (N/m2). Khối lượng riêng r = 785,9 (kg/m3). Và thân thùng được chế tạo bằng cách hàn dọc thân với đáy nón,hệ số bền hàn là j = 0,95. Chiều dày thiết bị được xác định theo công thức [T360-STHC II ] : s = , m. + Tính áp suất làm việc trong thiết bị P. P = Pkq + P1. Trong đó Pkq: áp suất khí quyển, Pkq = 105 (N/m2). P1: áp suất của cột chất lỏng trong thiết bị , N/m2. P1 = r.g.H Với r : khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, kg/m3 r = 0,9.995 + 0,1.860 = 981,5 (kg/m3). g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m2/s). H : chiều cao của nồi phản ứng, H = 0,8 (m). Nên P1 = 981,5.9,81.0,8 = 7703 (N/m2). Do đó P = 105 + 7703 = 107703 (N/m2). + Xác định ứng suất giới hạn bền [s]. Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sk] = sk. , N/m2. Với sk : giới hạn bền kéo, sk = 380.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nk : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nk= 2,6. Suy ra [sk] = 380.106. = 131,5.106 (N/m2). Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền chảy được xác định theo công thức [T355-STHC II ] : [sc] = sc. , N/m2. Với sc : giới hạn bền chảy, sc = 240.106 (N/m2). h : hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn h = 0,9. nc : hệ số an toàn giới hạn bền. Tra bảng [T356-STHC II ],chọn nc= 1,5. Suy ra [sc] = 240.106. = 144.106 (N/m2). Để đảm bảo bền,ta lấy ứng suất bền là giá trị bé trong hai giá trị trên : [s] = [sc] = 131,5.106 (N/m2). + Xác định hệ số bổ xung c. Hệ số bổ xung c được xác định theo công thức [T363-STHC II ] : c = c1 + c2 + c3 Trong đó : - c1 : hệ số bổ xung do ăn mòn. Thép X18H10T là vật liệu bền nên ta chọn c1 = 1 (mm). - c2 : hệ số bổ xung do hao mòn, c2 = 0 (mm). - c3 : hệ số bổ xung do dung sai theo chiều dày. Tra bảng [T364-STHC II ], chọn c3 = 0,22 (mm). Do đó c = 1 + 0 + 0,22 = 1,22 (mm). Vậy chiều dày của nồi phản ứng là : s = + 1,22.10-3 = 1,4.10-3 (m). Chọn chiều dày của thùng phân tầng là s = 2 (mm). + Kiểm tra độ bền của thiết bị theo áp suất thử. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử được xác định theo công thức [T365-STHC II ] : s = £ Trong đó : - P0 : áp suất thử tính toán được xác định theo công thức [T366-STHC II ]: P0 = Pth + P1. Với Pth: áp suất thử thủ lực,chọn Pth = 1,5.P Do đó P0 = 1,5.P + P1 = 1,5.107703 + 7703 P0 = 169257,5 (N/m2). Suy ra s = = 45,8.106 (N/m2). = 200.106 (N/m2). Nhận thấy s < ,thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Vậy chiều dày của thùng phân tầng là s = 2 (mm). II.3.3.3.Tính và chọn tai treo cho thùng phân tầng. + Thể tích thùng phân tầng : V = .(Dn2 - Dt2 ). Có Dn = Dt + 2.s = 0,4 + 2.0,002 = 0,404 (m). nên V = .(0,4042 - 0,42 ) = 0,002 (m3). + Tải trọng của vỏ thùng : Gvỏ = rCT3.V.g = 785,9.0,002.9,81 = 15,42 (N). + Tải trọng của nguyên liệu : Gnl = mnl.g = 70.9,81 = 686,7 (N). Vậy tải trọng của thùng phân tầng là : G = Gvỏ + Gnl = 15,42 + 686,7 = 702,12 (N). Ta sử dụng 4 tai treo để treo thíêt bị,vậy tải trọng lên mỗi tai treo là : G1 = = 175,53 (N/tai treo). Tra bảng [T438-STHC II ],ta có được các thông số về tai treo : G1 x10-4 N Bề mặt đỡ F.104 m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.10-6 N/m2 L B B1 H s l a d Khối lượng một tai treo kg mm 0,1 42,5 0,24 80 55 70 125 4 30 10 4 0,53 II.3.4.Tính thùng chứa nguyên liệu và sản phẩm Thùng chứa nguyên liệu và sản phẩm được thiết kế theo dạng hình trụ, đáy và nắp phẳng,có tỷ lệ H/D = 1,5.Chọn hệ số điền đầy thùng là 0,85.Các thùng đều được làm bằng vật liệu là thép không gỉ X18H10T và có chiều dày là 6(mm).Các thùng được thiết kế để chứa nguyên liệu và sản phẩm đủ cho 10 mẻ hay 10 ngày sản xuất. Ta có : Vthùng = , m3. mà Vthùng = .D2.H , m3. = 1,5. nên D = , m. II.3.4.1.Tính thùng chứa dầu chẩu. Lượng dầu chẩu dùng cho 1 mẻ sản xuất là 1,637 (m3). Vậy lượng dầu chẩu cần cho 10 mẻ sản xuất là 16,37 (m3). Do đó đường kính của thùng là : D = = 2,54 (m). Làm tròn D = 2600 (mm). Và chiều cao của thùng là H = 1,5.2600 = 3900 (mm). II.3.4.2.Tính thùng chứa xylen. Lượng xylen dùng cho 1 mẻ sản xuất là 0,128 (m3). Vậy lượng xylen dùng cho 10 mẻ sản xuất là 1,28 (m3). Do đó đường kính của thùng là : D = = 1,09 (m). Làm tròn D = 1100 (mm). Và chiều cao của thùng là H = 1,5.1100 = 1650 (mm). II.3.4.3.Tính thùng chứa xăng pha loãng. Lượng xăng cần thiết để pha loãng 1 mẻ nhựa là : V = = 1,4375 (m3). Vậy lượng xăng cần thiết để pha loãng 10 mẻ nhựa là 14,375(m3). Do đó đường kính của thùng là : D = = 2,43 (m). Làm tròn D = 2600 (mm). Và chiều cao của thùng là H = 1,5.2600 = 3900 (mm). II.3.5.Tính và chọn bơm vận chuyển chất lỏng Ta sử dụng bơm ly tâm để vận chuyển chất lỏng vì bơm ly tâm có các ưu điểm sau : Cung cấp chất lỏng đều đặn. Số vòng quay lớn nên có thể truyền động trực tiếp từ động cơ điện. Thiết bị có cấu tạo đơn giản. Có thể bơm chất lỏng không sạch do khe hở giữa thân và cánh guồng tương đối lớn. Không có suppat nên ít bị tắc và hư hỏng. II.3.5.1.Tính bơm vận chuyển dầu chẩu. Lượng dầu chẩu cần thiết cho một mẻ sản xuất là 1,637 (m3). Giả sử thời gian bơm là 10 (phút) thì năng suất bơm là : Q = = 9,822 (m3/h). Giả thiết chiều dài tổng cộng của đường ống là L = 30(m),có 1 van và 2 khuỷu ghép 900,bơm chất lỏng với vận tốc w = 1,5 (m/s). Áp suất toàn phần của bơm cần tạo ra được xác định theo công thức [T438-STHC I ] : H = + hm + h0 , m. Trong đó : P1,P2 : áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút. P1 = P2 = 1 (at) nên H = hm + h0 , m. h0 : chiều cao nâng chất lỏng, m. Chọn h0 = 7 (m). hm : áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống, m. hm = , m. Với DP = DPd + DPm + DPc + DP1 + DPk. Trong đó : DP : áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ thống, N/m2. DPd : áp suất động lực học, N/m2. DPm : áp suất để khắc phục trở lực của ma sát, N/m2. DPc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, N/m2. DP1 : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, N/m2. DPk : áp suất bổ xung ở cuối ống dẫn trong trường hợp cần thiết, N/m2. Nhưng DP1 và DPk có giá trị nhỏ hơn nhiều so với DPd, DPm và DPc nên ta bỏ qua 2 giá trị này.Do đó DP = DPd + DPm + DPc. + Tính DPd DPd được xác định theo công thức [T376-STHC I ] : DPd = = 1057,5 (N/m2). + Tính DPm DPm được xác định theo công thức [T376-STHC I ] : DPm = l.. Với l : hệ số ma sát. dtd : đường kính tương đương của ống, m. dtd = = 0,048 (m). Làm tròn dtd = 50 (mm). Xác định chuẩn số Re cho chế độ chảy trong ống : Re = Với m là độ nhớt của dầu ở 25 0C,ta có m = 33.10-3 (N.s/m2). nên Re = = 2136,36. Nhận thấy Re < 2300,vậy chất lỏng chảy trong ống ở chế độ chảy dòng. Tra bảng [T378-STHC I ],ta có l = 0,03. Vậy DPm = 0,03. = 19035 (N/m2). + Tính DPc DPc được xác định theo công thức [T377-STHC I ] : DPc = e.r. Trong đó e : hệ số trở lực cục bộ. Tra bảng [T396-STHC I ] có ekhuỷu = 0,8. evan = 4. Do hệ thống có 2 khuỷu 900 và 1 van nên : DPc = (2. ekhuỷu + evan ). r. DPc = (2.0,8 + 4).940. = 5922 (N/m2). Vậy DP = DPd + DPm + DPc. DP = 1057,5 + 19035 + 5922 = 26014,5 (N/m2). Suy ra hm = = 2,82 (m). Vậy chiều cao toàn phần của bơm là : H = hm + h0 = 2,82 + 7 = 9,82 (m). Công suất của bơm là : Nb = , kW. Với h : hiệu suất chung của bơm,chọn h = 0,8. Nb = = 0,3 (kW). Công suất của động cơ được xác định theo công thức [T439_STHC I ]: Nđc = , kW. Với htr : hiệu suất truyền động,chọn htr = 0,9. hdc : hiệu suất động cơ điện,chọn hdc = 0,8. Nên Nđc = = 0,416 (kW). Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán,chọn hệ số dự trữ là 1,7. Vậy ta chọn động cơ có công suất là : Ndctt = 0,416.1,7 = 071 (kW). II.3.5.2.Tính bơm vận chuyển xylen. Lượng xylen cần thiết cho một mẻ sản xuất là 0,128 (m3). Giả sử thời gian bơm là 5 (phút) thì năng suất bơm là : Q = = 1,536 (m3/h). Giả thiết chiều dài tổng cộng của đường ống là L = 30(m),có 1 van và 2 khuỷu ghép 900,bơm chất lỏng với vận tốc w = 1,5 (m/s) và chiều cao nâng chất lỏng h0 = 7 (m). Tính toán tương tự như trên,ta có : DPd = = 967,5 (N/m2). dtd = = 0,019 (m). Làm tròn dtd = 20 (mm). Tra toán đồ [T90-STHC I ] độ nhớt của xylen ở 25 0C là m = 0,8.10-3 (N.s/m2). Nên Re = = 32250. Xét Regh = 6. Với e : độ nhám tuyệt đối,tra bảng [T381-STHC I ] có e = 0,2.10-3 (m). Nên Regh = 6. = 1158,4. Ren = 220. = 220. = 39122,1. Nhận thấy Regh < Re < Ren,vậy chát lỏng chảy trong ống theo chế độ chảy xoáy và ở khu vực quá độ. Tra bảng [T379-STHC I ] có l = 0,04. Nên DPm = l. = 0,04. = 58050 (N/m2). DPc = (2. ekhuỷu + evan ). r. DPc = (2.0,8 + 4).860. = 5418 (N/m2). Vậy DP = DPd + DPm + DPc. DP = 967,5 + 58050 + 5418 = 64435,5 (N/m2). Suy ra hm = = 7,64 (m). Vậy chiều cao toàn phần của bơm là : H = hm + h0 = 7,64 + 7 = 14,64 (m). Công suất của bơm là : Nb = = = 0,066 (kW). Nđc = = 0,092 (kW). Nđctt = 0,092.1,7 = 0,16 (kW). Vậy ta sử dụng bơm có công suất 0,16 (kW) để bơm xylen từ thùng chứa lên thùng lường. II.3.5.3.Tính bơm vận chuyển dung môi xăng pha sơn. Lượng dung môi cần thiết để pha loãng 1 mẻ sản xuất là 1,4375 (m3). Giả sử thời gian bơm là 15 (phút) thì năng suất bơm là : Q = = 5,75 (m3/h). Giả thiết chiều dài tổng cộng của đường ống là L = 30(m),có 2 van và 2 khuỷu ghép 900,bơm chất lỏng với vận tốc w = 1,5 (m/s) và chiều cao nâng chất lỏng h0 = 7 (m). Tính toán tương tự như trên,ta có : DPd = = 900 (N/m2). dtd = = 0,037 (m). Làm tròn dtd = 40 (mm). Tra toán đồ [T90-STHC I ] độ nhớt của xylen ở 25 0C là m = 2,3.10-3 (N.s/m2). Nên Re = = 20870. Regh = 6. = 2558. Ren = 220. = 220. = 85236. Nhận thấy Regh < Re < Ren,vậy chát lỏng chảy trong ống theo chế độ chảy xoáy và ở khu vực quá độ. Tra bảng [T379-STHC I ] có l = 0,03. Nên DPm = l. = 0,03. = 20250 (N/m2). DPc = (2. ekhuỷu + 2.evan ). r. DPc = (2.0,8 + 2.4).800. = 8640 (N/m2). Vậy DP = DPd + DPm + DPc. DP = 900 + 20250 + 8640 = 29790 (N/m2). Suy ra hm = = 3,8 (m). Vậy chiều cao toàn phần của bơm là : H = hm + h0 = 3,8 + 7 = 10,8 (m). Công suất của bơm là : Nb = = = 0, (kW). Nđc = = 0,236 (kW). Nđctt = 0,236.1,7 = 0,4 (kW). Vậy ta sử dụng bơm có công suất 0,4 (kW) để bơm xăng pha loãng. II.3.5.4.Tính bơm vận chuyển nhựa từ nồi phản ứng sang nồi pha loãng và từ nồi pha loãng sang thùng chứa xản phẩm. Lượng nhựa cần vận chuyển là 2,956 (m3). Nhựa có khối lượng riêng r = 1234 (kg/m3) và có độ nhớt m = 3,412 (N.s/m2).Do nhựa có độ nhớt cao nên ta sử dụng bơm răng khía. Giả sử thời gian bơm là 30 (phút) thì năng suất bơm là : Q = = 5,912 (m3/h). Giả thiết chiều dài tổng cộng của đường ống là L = 20 (m),có 1 van và 2 khuỷu ghép 900,bơm chất lỏng với vận tốc w = 1(m/s) và có chiều cao nâng chất lỏng h0 = 7 (m). Tính toán tương tự như trên,ta có : DPd = = 617 (N/m2). dtd = = 0,046 (m). Làm tròn dtd = 50 (mm). Re = = 20,6 Nhận thấy Re < 2300,vậy chất lỏng chảy trong ống ở chế độ chảy dòng. Tra bảng [T379-STHC I ] có l = 0,7. Nên DPm = l. = 0,07. = 17276 (N/m2). DPc = (2. ekhuỷu + evan ). r. DPc = (2.0,8 + 4).1234. = 3455 (N/m2). Vậy DP = DPd + DPm + DPc. DP = 617 + 17276 + 3455 = 21348 (N/m2). Suy ra hm = = 1,76 (m). Vậy chiều cao toàn phần của bơm là : H = hm + h0 = 1,76 + 7 = 8,76 (m). Công suất của bơm là : Nb = = = 0,197 (kW). Nđc = = 0,274 (kW). Nđctt = 0,274.1,7 = 0,47 (kW). Vậy ta sử dụng 2 bơm có công suất 0,47 (kW) để bơm nhựa từ nồi phản ứng sang nồi pha loãng và từ nồi pha loãng sang thùng chứa sản phẩm. II.4.Tính toán nhiệt cho quá trình II.4.1.Tính cân bằng nhiệt lượng Giả thiết nhiệt độ môi trường là 25 0C. Và ta sử dụng dầu để đun nóng thiết bị có tđ0 = 25 0C và ts0 = 300 0C. + Tính lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng từ 25 0C lên đến 260 0C , Q1. Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng. Q1 = Q11 + Q12 + Q13. Trong đó : Q11 : lượng nhịêt cần thiết để gia nhiệt cho thiết bị. Q12 : lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ cho hỗn hợp phản ứng. Q13 : lượng nhiệt thất thoát ra môi trường. - Tính Q11 : Q11 = c.G.Dt. Với c : nhiệt dung riêng của thép, J/kg.độ. Tra bảng [T162-STHC I ] có c = 0,5.103 (J/kg.độ). G : khối lượng của thiết bị , kg. G = 678 (kg). Dt : sự chênh lệch nhiệt độ. Q11 = 0,5.103.678.(260 - 25) = 79655 (kJ). - Tính Q12 : Lượng xúc tác PbO là rất nhỏ so với các chất khác nên ta có thể bỏ qua. Q12 = (cAP.GAP + cpenta.Gpenta + cdc.Gdc + cxylen.Gxylen + cdm.Gdm).Dt Trong đó : cAP và cpenta : nhiệt dung riêng của anhydritphtaleic và pentaerytrit và được xác định theo công thức [T152-STHC I ] : M.c = n1.c1 + n2.c2 + ... Với M : khối lượng mol của hợp chất, kmol/kg. c : nhiệt dung riêng của hợp chất, J/kg.độ. n1,n2,... : số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất. c1,c2,... : nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố, J/kg nguyên tử.độ. Tra bảng [T152-STHC I ] có nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố là : Nguyên tố c, J/kg nguyên tử.độ C 11700. H 18000. O 25100. Với AP (C8H4O3) thì 148.cAP = 8.11700 + 4.18000 + 3.25100 suy ra cAP = 1627,7 (J/kg.độ). Với Pentaerytrit (C5H12O4) thì 136.cpenta = 5.11700 + 12.18000 + 4.25100 suy ra cpenta = 2756,6 (J/kg.độ). cdc và cdm : nhiệt dung riêng của dầu chẩu và dung môi xăng và được xác định theo công thức [T153-STHC I ] : c = , J/kg.độ. Với dt : khối lượng riêng tương đối của chất lỏng ở 15,6 0C. t : nhiệt độ của chất lỏng,lấy t = Dttb = 117,5 0C. Với dầu chẩu, dt = 0,95 nên cdc = = 2138,4 (J/kg.độ). Với xăng pha loãng có dt = 0,8 nên cdm = = 2276 (J/kg.độ). Tra bảng [T191-STHC I ] ta có cxylen = 0,45 (kcal/kg.độ). hay cxylen = 1884 (J/kg.độ). Vậy Q12 = (1627,7.538,72 + 2756,6.312 + 2138,4.1539,2 + 1884.110 + + 2276.300 ).(260 - 25 ). Q12 = 1390824 (kJ). - Tính Q13. Ta lấy nhiệt tổn thất ra môi trường bên ngoài bằng 5% nhiệt cung cấp. Vậy Q1 = Q11 + Q12 + 0,05.Q1 suy ra Q1 = = 1547873 (kJ). + Hiệu ứng nhiệt của phản ứng alcol phân. CH2- OCOR1 CH - OCOR2 CH2- OCOR3 CH2- OH CH - OCOR2 CH2- OH HO- CH2- C- CH2- OH CH2- OH CH2- OH + + HO- CH2- C- CH2- OH CH2- OCOR3 CH2- OCOR1 + Ta có hiệu ứng nhiệt của phản ứng : Q2 = åqs + åqd Với Q2 : nhiệt tạo thành của sản phẩm. qs : nhiệt tạo thành của sản phẩm. qd : nhiệt tạo thành của nguyên liệu đầu. Nhiệt tạo thành của một chất được xác định bằng công thức : q = 944,38.C + 34,194.H - qc Trong đó C : số nguyên tử cacbon. H : số nguyên tử hydro. qc : nhiệt cháy của một chất. Với hợp chất có công thức tổng quát CxHyOz thì : qc = 102.x + 27,5.y - 45.z. Do đó : q(C5H12O4) = 944,38.5 + 34,194.12 - ( 102.5 + 27,5.12 - 45.4 ) = 4472,23 (kcal). q(C43H80O10) = 944,38.43 + 34,194.80 - ( 102.43 + 27,5.80 - 45.10 ) = 37607,86 (kcal). q(C21H42O6) = 944,38.21 + 34,194.42 - ( 102.21 + 27,5.42 - 45.6 ) = 18239,03 (kcal). q(C60H80O12) = 944,38.60 + 34,194.80 - ( 102.60 + 27,5.80 - 45.12 ) = 51612,23 (kcal). Vậy nhiệt của phản ứng là : Q2 = ( 37607,86 + 18239,03 ) - ( 4472,23 + 51612,32 ) Q2 = - 237,66 (kcal). hay Q2 = - 237,66.4,18.103 = - 993,42 (kJ). Dấu (-) thể hiện phản ứng là tỏa nhiệt. + Hiệu ứng nhiệt của phản ứng este hóa. - Nhiệt tạo thành của nguyên liệu đầu : q(C43H80O10) = 37607,86 (kcal). q(C8H10O3) = 944,38.8 + 34,194.10 - ( 102.8 + 27,5.10 - 45.3 ) = 9940,98 (kcal). - Nhiệt tạo thành của sản phẩm. q(C51H10O3) = 944,38.51 + 34,194.10 - ( 102.51 + 27,5.10 - 45.3 ) = 43163,32 (kcal). Vậy Q3 = 43163,32 - (37607,86 + 9940,98) = - 4385,52 (kcal). hay Q3 = - 4385,52.4,18.103 = - 18331,47 (kJ). Dấu (-) thể hiện phản ứng là toả nhiệt. Vậy tổng năng lượng cho cả quá trình là : Q = Q1 + Q2 + Q3 Q = 1547873 + (- 993,42) + (- 18331,47) = 1528548 (kJ). II.4.2.Tính thiết bị cấp nhiệt Thiết bị này dùng để đun nóng dầu tuần hoàn cấp nhiệt cho bộ phận phản ứng. Để đảm bảo nhiệt độ cho quá trình phản ứng ta phải nâng nhiệt độ của dầu lên 3000. Nhiệt độ ban dầu của dầu t1d = 250C. Nhiệt độ ra của dầu t1c = 300 0C. Nhiệt độ ban dầu của khí đốt t2d = 1000 0C. Nhiệt độ ra của dầu t2c = 300 0C. Chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, dầu tải nhiệt đi trong ống hơi đốt đi bên ngoài ống . Đường kính ống dn =32 mm. Chiều dày ống s = 2,3mm. Chiều dài ống l = 1500 mm. Bước ống t = 1,5.dn = 1,5 .0,032 = 0,048 (m). + Tính hệ số cấp nhiệt. - Hệ số cấp nhiệt về phía dầu : Trong đó Nu = 0,021. Pr = . Với m = 3,2.10-3 (N.s/m2). C : nhiệt dung riêng , C =5542 (J/kg.độ). r : khối lượng riêng, r = 925 (kg/m3). = 0,397 (W/m.độ). Pr= = 44,67. Ta giả thiết :Re 104. = 46,88 nên e1 = 1,03. Do đó Nu = 0,021.1,03.(104)0,8.44,670,43.1 = 175,62. Vậy a2 = = 2178,78 (W.m2.độ). + Hệ số cấp nhiệt về phía hơi ngưng tụ : . Dt : chênh lệnh nhiệt độ giữa hỗn hợp và thành ống. Giả thiết Dt = th - t1 = 1,5 0C. A: hệ số, A = 67,78. 4445,58 (W/m2độ). + Hệ số truyền nhịêt K: Dùng thép CT3 để chế tạo thiết bị cấp nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của CT3 là l = 54,4 w/ m2.độ. K= = 1387,58 (W/m2.độ). + Bề mặt truyền nhiệt : F = Q: nhiệt lượng trao đổi,Q = 1528548 (kJ). thời gian truyền nhiệt, t = 12 (h). Dt : hiệu số trung bình, Dt = 100 0C. Do đó F = = 2,2 (m2). + Số ống truyền nhiệt : n = = 16,7 (ống). Dựa vào bảng [T48-STHC II ] ta quy chuẩn ống n =19 (ống). Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là : b =5. + Đường kính của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức : D = t.b + dn.b D = 0,048.5 + 0,032.5 = 0,4 (m). Vậy thiết bị cấp nhiệt có đường kính là D = 0,4 (m). PHẦN III: ĐIỆN NƯỚC III.1. Điện Trong phân xưởng sản xuất, điện không những dùng để chiếu sáng, chạy máy... , nó còn ảnh hưởng đến giá thành của sản phẩm. Do đó khi sử dụng điện cần phải bố trí sao cho hợp lý nhất để vừa đảm bảo kỹ thuật, an toàn cho người sử dụng vừa đảm bảo sao cho tiết kiệm nhất. III.1.1. Điện chiếu sáng. Nhà sản xuất thường hoạt động 2 ca nên được thiết kế để tận dụng tốt ánh sáng tự nhiên, ánh sáng tự nhiên tốt sẽ ảnh hưởng tới sinh lý con người. Trong xây dựng thường tận dụng ánh sáng tự nhiên bằng hệ thống cửa sổ. Dùng loại đèn một dây tóc có chụp bảo vệ chống cháy nổ. Bố trí mắcđiện phải đảm bảo chiếu sáng phục vụ sản suất. Số bóng cần thiết tính theo công thức: n = . Trong đó H : chiều cao nhà. L’: khoảng cách giữa các đèn. L”: chiều dài nhà. l : khoảng cách từ tường đến nơi treo đèn. hc: chiều cao treo đèn đến sàn. hV: khoảng cách từ đèn đến sàn. h: khoang cách từ đèn đến bề mặt làm việc. h,: chiều cao làm việc. Vậy: - Số bóng theo chiều dài nhà là: n=, lấy n = 5 bóng. - Số bóng tính theo chiều ngang nhà là: n=, lấy n = 3 bóng. Vậy tổng số bóng tầng một là:2.3.5 =30 bóng . - Số bóng được bố trí theo bảng sau: STT Tên phòng Công suất(W) Số lượng Tổng công suất (W) 1 Phân xưởng chính 150 30 4500 2 Công trình phụ 80 4 320 3 Phòng thí nghiệm 100 2 200 4 Phòng quản đốc 100 2 200 5 Phòng trực 100 4 400 6 Gác phụ 100 1 100 Tổng 5720 III.1.2 Năng lượng cho động lực. Năng lượng dùng trong sản suất được tổng kết tại bảng sau: STT Tên thiết bị Công suất (Kw) Số lượng Thời gian (giờ) Tổng công suất (Kw) 1 Động cơ cánh khuấy 1,5 4 15 90 2 Bơm chất lỏng 1 5 0,5 2,5 3 Bơm khí 1 1 5 5 4 Phòng điều hành 3 1 4 12 5 Tổng số 6,5 11 24,5 109,5 Vậy lượng điện tiêu thụ hàng năm là : - Chiếu sáng: Acs=Pcs..k Trong đó k : hệ số đồng thời, k = 0,9. Pcs : công suất chiếu sáng, Pcs= 5,720 (kW) : thời gian tiêu thụ điện, = 2860 (h/năm). Acs= 5,720.2860.0,9 = 14724 (kW/năm). - Điện năng dùng trong sản xuất. Asx=kc.Psx .t kc: hệ số tiêu dùng, kc = 0,5. Psx: công suất tiêu dùng trong sản xuất. Asx = 0,5.109,5.2860 = 156585 (kW/năm). Điên năng tiêu dùng trong toàn phân xưởng sản xuất: A = km.(Asx+Acs) km: Hệ số tổn hao điên áp, km=1,03. A=1,03.(14724 + 156585) = 176448 (kW/năm) III.2. Nước dùng trong quá trình sản xuất Nước dùng trong phân xưởng gồm nước dùng trong sản xuất và nước dùng trong sinh hoạt. + Nước dùng trong sinh hoạt. Nước dùng trong sinh hoạt với mỗi người lao động là 75l/người. Số công nhân trong phân xưởng tham gia trực tiếp và gián tiếp vào quá trình sản xuất là 16 người Vậy nước sinh hoạt dùng trong một ngày là 75.16 =1200 (lit/ngày). + Nước dùng trong sản xuất. - Nước dùng trong thiết bị ngưng tụ và trong quá trình làm lạnh: 0,72.3600.8=20736(kg). - Lượng nước trung bình để rửa thiết bị phản ứng trong một ngày là : 1000(kg). Vậy tổng lượng nước dùng trong một ngày là: 1000 + 20736 = 21736(kg). Lượng nước dùng trong một năm sản xuất là 21736.290=6303440(kg). Tương đương 6318,5(m3). PHẦN IV: XÂY DỰNG IV.1.Lựa chọn địa điểm xây dựng Lựa chọn xây dựng nhà máy tại khu công nghiệp Nomura TP Hải Phòng. Khu công nghiệp Nomura là một trong các khu công nghiệp nằm trong khu quy hoạch của TP Hải Phòng nhằm phát triển kinh tế vùng phía Tây Bắc thành phố, đồng thời là địa điểm để di chuyển các nhà máy cũ trong nội đô nhằm tránh ô nhiễm cho thành phố. Khu công nghiệp nằm trên quốc lộ 5 Hải Phòng - Hà nội, nằm cách cảng Hải Phòng 20 km và nằm gần hệ thống đường sắt Hải Phòng - Hà nội. Hệ thống giao thông, cơ sở hạ tầng tại đây được thành phố rất quan tâm đầu tư nên khu công nghiệp có thể đáp ứng mọi yêu cầu về giao thông, năng lượng hay bảo vệ môi trường. Nguyên liệu chính cho sản xuất nhựa là bột AP, penta được nhập từ Malaysia, Trung Quốc qua cảng Hải Phòng. Một số phụ liệu khác có thể nhập dễ dàng qua các hướng giao thông khác như đường sắt hay đường bộ. Điện, nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt được cung cấp từ kênh phân phối của khu công nghiệp. Nhà máy không đòi hỏi nhiều về số lượng nhân công song lại đòi hỏi cao về trình độ do đó công nhân trong nhà máy được tuyển dụng chủ yếu từ các trường đại học trong khu vực. Việc xây dựng nhà máy sản xuất nhựa alkyt tại Hải Phòng có các điều kiện thuận lợi như nhà máy nằm gần công ty sơn Hải Phòng là một trong các đơn vị tiêu thụ sản phẩm chính cho nhà máy. Hiện nay trên thị trường sơn công nghiệp trong cả nước nói chung và miền Bắc nói riêng hiện đang có nhu cầu rất lớn, nhà máy ra đời sẽ góp phần cung cấp thêm những sản phẩm có chất lượng nâng cao năng lực cạnh tranh của sơn Việt Nam. Hải Phòng là thành phố có nền công nghiệp tương đối phát triển lại nằm ở trung tâm đồng bằng sông Hồng, là một trong ba đỉnh của tam giác kinh tế phía bắc Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh nên là thị trường tiêu thụ rộng lớn. Từ các yếu tố thuận lợi nêu trên việc xây dựng nhà máy tại đây là hoàn toàn có tính khả thi. IV.2.Thiết kế tổng mặt bằng IV.2.1.Đặc điểm sản xuất của nhà máy Sản phẩm chính của nhà máy là nhựa alkyt được sản xuất trên dây chuyền công nghệ tự động nên không đòi hỏi cao về mặt bằng. Nguyên liệu và sản phẩm đều được bảo quản trong các thiết bị kín nên ít có khả năng rò gỉ gây ô nhiễm môi trường. Các thiết bị làm việc tương đối êm đềm ít gây ồn ít toả nhiệt do vậy phân xưởng không yêu cầu cao về thông gió hay sử lý nước thải. Để thuận tiện hơn bố trí thêm một xưởng gia công sơn tại nhà máy.Phân xưởng này đòi hỏi cao về thông gió, chiếu sáng và các điều kiện đảm bảo môi trường làm việc an toàn cho công nhân. Ngoài ra nước thải từ đây cũng đòi hỏi phải được xử lý trước khi thải ra hệ thống nước thải của khu công nghiệp. IV.2.2.Thiết kế tổng mặt bằng Từ các yêu cầu cụ thể của sản xuất ta bố trí tổng mặt bằng nhà máy theo giải pháp phân vùng như sau: Nhà máy được chia làm hai vùng cơ bản : Vùng sản xuất bao gồm các phân xưởng sản xuất, phân xưởng gia công sơn, các bộ phận phụ trợ như kho tàng, bộ phận cung cấp năng lượng, xử lý nước thải… Vùng hai bao gồm nhà hành chính và các công trình phục vụ sinh hoạt khác như hội trường, nhà ăn, các công trình phúc lợi khác. Bao quanh các khu vực là thảm cây xanh rộng lớn nhằm ngăn cách tiếng ồn và ô nhiễm từ khu vực sản xuất sang khu hành chính. Phân xưởng sản xuất, kho tàng được lựa chọn kết cấu nhà khung thép ZAMIL để dễ dàng thiết kế thi công hay sửa chữa. Nhà hành chính và các công trình phục vụ sinh hoạt khác được xây dựng bằng nhà bê tông kiên cố vừa an toàn vừa tạo cảnh quan cho nhà máy. Các phân xưởng sản xuất nhựa và gia công sơn được bố trí ở trung tâm nhà máy các bộ phận phụ trợ bao quanh nhằm tạo sự liên hệ trực tiếp và ngắn nhất giữa các bộ phận, phục vụ tốt nhất cho sản xuất, vận chuyển. Hướng gió chủ đạo tại đây là gió đông nam nên việc bố trí các công trình theo hướng nhà hành chính các công trình phục vụ sinh hoạt các bộ phận ít ô nhiễm ở đầu hướng gió, các bộ phận độc hại hơn ở cuối hướng gió. Từ giải pháp quy hoạch trên và diện tích xây dựng, sử dụng của từng công trình sân bãi và các hạng mục khác ta xác định được các chỉ tiêu như sau: Tên công trình Chiều dài (m) Chiều rộng (m) Chiều cao (m) Diện tích (m2) Kết cấu Nhà xe 25 4,5 4,5 112,5 Zamil Khu hành chính 20 8 4,2x3 160 BTCT Khu sinh hoạt chung 20 10 4,2x2 200 BTCT Khu điện nước 10 9 4 90 BTCT Phòng bảo vệ 4 4 3,7 16 BTCT Xưởng sản xuất nhựa 18 12 14 216 Zamil Kho nguyên liệu 18 12 8,4 216 Zamil Xưởng gia công sơn 24 18 14 432 Zamil Xưởng cơ khí 18 12 8,4 216 Zamil Kho sản phẩm 12 12 8,4 144 Zamil Tổng 1802,5 Ngoài ra hệ thống đường đi và sân bãi có tổng diện tích là : 1800 (m2). Và diện tích của cả khu đất là : 8100 (m2). Kxd = Tổng diện tích các công trình Diện tích khu đất Từ các số liệu trên ta có thể tính được các hệ số Kxây dựng và Ksử dụng để đánh giá sự khả quan của việc quy hoạch tổng mặt bằng nhà máy. = = 0,23. Ksd = Tổng diện tích các công trình + tổng diện tích đường đi,sân bãi Diện tích khu đất Ksd = = 0,45. IV.2.3.Tổ chức hệ thống kỹ thuật Nhà máy có công suất trung bình, lượng hàng hoá và nguyên liệu vận chuyển không nhiều nên hệ thống giao thông được bố trí bao gồm một đường lớn hai làn mỗi làn rộng 7m phục vụ cho vận chuyển hàng hoá. Đường giao thông này nằm ngăn cách giữa khu sản xuất và khu hành chính nên đảm bảo không giao cắt với các hướng giao thông khác.Do số lượng nhân công trong nhà máy không nhiều nên bố trí hệ thống vỉa hè rộng 5m có trồng cây xanh phục vụ cho công nhân đi lại. Các hệ thống kỹ thuật khác như khu vực cung cấp dầu nóng cho thiết bị phản ứng, xử lý nước thải, điện… được bố trí dọc theo phân xưởng nhằm phục vụ tốt nhất cho sản xuất. Điện chiếu sáng tổ chức đảm bảo chiếu sáng chung cho toàn phân xưởng ngoài ra trên các hệ thống đòi hỏi cao về chiếu sáng hay thao tác kỹ thuật cũng được bố trí chiếu sáng cục bộ. Hệ thống thoát nước được tổ chức đồng bộ tránh ngập úng vào mùa mưa. Nước thải được đưa về trạm xử lý sơ bộ rồi thải ra hệ thống nước thải chung của khu công nghiệp. IV.3.Thiết kế nhà sản xuất IV.3.1.Đặc điểm sản xuất của phân xưởng Nhựa alkyt được sản xuất trên dây truyền công nghệ tự động được mô tả như sau : Thùng chứa sản phẩm Nguyên liệu Lỏng : dầu chẩu,xylen dung môi pha loãng Rắn : bột AP, bột pentaeritril Thùng lường(3) Cân tự động Nồi phản ứng (1) Nồi pha loãng (2) Sơ đồ khối các thiết bị có liên quan đến nồi phản ứng (1) : Bình phân ly (6) hỗn hợp xylen-nước Nồi phản ứng (1) Sinh hàn làm mát (4) Thiết bị ngưng tụ (5) xylen Từ sơ đồ khối dây chuyền sản xuất, ta thấy do yêu cầu của kỹ thuật thì các thiết bị như thùng lường (3), sinh hàn làm mát (4), thiét bị ngưng tụ (5) và bình phân ly (6) phải được bố trí ở trên nồi phản ứng (1). Và sản phẩm nhựa được bơm từ nồi phản ứng (1) sang nồi pha loãng (2). Do đó ta bố trí nồi phản ứng (1) cao hơn nồi pha loãng (2) để tạo ra được một áp lực nhất định cho việc vận chuyển nhựa sang nồi pha loãng (2) dễ dàng hơn. Còn sản phẩm đã được pha loãng ở nồi pha loãng (2) cũng được bơm hút qua đường tháo sản phẩm ở dưới đáy thiệt bị sang thùng chứa sản phẩm (thùng chứa sản phẩm được bố trí ở ngoài bố trí nhà sản xuất), do đó ta bố trí thùng pha loãng (2) có một độ cao nhất định so với nền nhà. Các thiết bị khác được bố trí ở các độ cao khác nhau trên các sàn thao tác có bố trí hệ thống cầu thang bằng thép ốp sát tường để có thể đi lại và thực hiện thao tác kỹ thuật cần thiết. Nguyên liệu lỏng được đưa vào thiết bị phản ứng bằng các đường ống. Nguyên liệu rắn được đưa qua cửa ở trên nắp nồi phản ứng (1). Và khối lượng nguyên liệu rắn cho một mẻ sản xuất là không lớn (khoảng 600 kg). Hơn nữa khối lượng thiết bị cũng không lớn (khoảng 1 tấn ). Do các lý do trên,ta sử dụng một monoray để đưa nguyên liệu vào thiết bị và để di chuyển thiết bị khi lắp đặt và bảo dưỡng. Các thiết bị đều kích thước nhỏ và trung bình : Nồi phản ứng (1) có D = 1,4(m) , H = 3(m). Nồi pha loãng (2) có D = 1,6(m) , H = 3,2(m). Các thiết bị (4),(5),(6) đều có đường kính nhỏ hơn 1(m) và chiều cao không quá 1,5(m). Chiều cao của toàn bộ dây chuyền sản xuất khoảng 10(m). IV.3.2.Giảt pháp thiết kế Dây chuyền sản xuất nhựa alkyt là một dây chuyền khép kín, các nguyên liệu lỏng đều được vận chuyển trong đường ống kín nên mức độ rò rỉ găy ô nhiễm môi trường là hạn chế và trong quá trình làm việc các thiết bị vận hành khá yên tĩnh và lượng nhiệt trao đổi ra môi trường là không lớn lắm. Hơn nữa, số lượng công nhân trong phân xưởng là rất ít, với mỗi ca làm việc chỉ cần 4 người. Và do yêu cầu của sản xuất thì trong phân xưởng chỉ cần một phòng điều hành và một phòng thí nghiệm với tổng diện tích khoảng 72 (m2). Do đó ta chọn nhà sản xuất có kích thước như sau : Nhịp nhà L = 12(m). Bước cột B = 6 (m). Chiều dài nhà là 18 (m). Chiều rộng nhà là 12 (m). Chiều cao nhà H = 14 (m). Nhà sản xuất sử dụng kết cấu nhà khung thép tiền chế ZAMIL do nhà ZAMIL có nhiều ưu điểm như : dễ chế tạo có thể chế tạo tại nhà máy rồi thi công tại hiện trường, giảm được thời gian thi công, nhà thép ZAMIL có khả năng thay thế, sửa chữa hay mở rộng rất thuận tiện. Ngoài ra nhà ZAMIL còn thuận tiện cho việc bố trí dây chuyền thiết bị trong nhà xưởng do sự linh hoạt về không gian sử dụng. Do dây chuyền công nghệ là tự động, ít gây độc hại ra môi trường xung quanh nên phân xưởng không có yêu cầu cao về chiếu sáng hay thông gió. Do vậy hệ thống chiếu sáng và thông gió chủ yếu dựa trên tự nhiên. Tại các vị trí gần dây chuyền có bố trí các bóng đèn chiếu sáng để dễ dàng thao tác hay kiểm tra trong điều kiện thời tiết xấu hay ca đêm. Hệ thống cửa chính được bố trí thuận lợi nhất cho sản xuất bao gồm 1 cửa rộng 4m ở chính giữa nhằm phục vụ đi lại vận chuyển hàng hoá nguyên liệu. Ngoài ra còn bố trí thêm cửa phụ đối diện với cửa chính nhằm đón gió thông gió cho xưởng và là cửa thoát hiểm khi có sự cố cháy nổ. Hệ thống cửa sổ bố trí theo hướng Đông - Tây nhằm tận dụng để thông gió triệt để và lấy ánh sáng chiếu sáng tự nhiên cho nhà. Cửa sổ rộng 3m cao 4m kết cấu khung kim loại cửa kính trong suốt có thể dóng mở tự động. Các hệ thống kỹ thuật bao gồm đường dây điện, hệ thống cấp nhiệt cho thiết bị phản ứng, các đường ống dẫn … được bố trí thuận tiện. Hệ thống điện bố trí ngầm trong tường, dưới sàn có thêm các hộp kỹ thuật để dễ dàng tháo lắp kiểm tra khi cần. Các đường ống dẫn được đặt lộ thiên ở độ cao phù hợp với dây chuyền công nghệ yêu cầu để có thể kiểm soát dễ đang các sự cố dò gỉ Nhà điều hành là nơi đặt các thiết bị điều khiển điện tử đắt tiền nên có yêu cầu cao về nhiệt độ và độ ẩm. Do vậy nhà điều hành được xây dựng với yêu cầu đặc biệt để có thể lắp đặt hệ thống điều hoà 24/ 24h. Tóm lại từ các thiết kế cụ thể nêu trên phương án thiết kế đã bảo đảm các yêu cầu đặt ra về công nghệ, chiếu sáng, thông gió… giảm các tác động bất lợi tới người lao động, sử dụng thuận tiện an toàn tiết kiệm đất xây dựng và trên hết là thuận lợi nhất cho sản xuất. PHẦN V : KINH TẾ V.1. Tổng quan dự án Hiện nay theo thống kê của các cơ quan quản lý, sản lượng sơn các loại của toàn bộ các công ty sản xuất tại Việt Nam là khoảng 60.000 tấn/năm, trong đó sơn alkyt chiếm khoảng 75% (45.000tấn). Như vậy nhựa alkyt để sản xuất sơn là 20.000 tấn.Trong đó sản lượng sơn trên thế giới là 22 triệu tấn/năm. Bình quân đầu người là 4kg/người/năm. Ở các nước phát triển, mức tiêu thụ sơn là 18- 20 kg/người/năm. Trong khi đó tại VN mức tiêu thụ sơn bình quân đầu người là 0,8 kg/người/năm. Một con số quá thấp thể hiện thị trường còn đầy tiềm năng. Sản lượng nhựa alkyt do công ty sơn trong nước chỉ đạt 4000 tấn/năm. So với nhu cầu 20.000 tấn (đạt 20 % ) số còn lại phải nhập khẩu . Nhựa alkyt được dùng để sản xuất các loại sơn có tính năng bền đẹp, bóng, dễ gia công nhằm để phục vụ cho nhiều ngành, lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân. Dựa trên những tính năng ưu việt của nhựa alkyt với giá thành tương đối thấp và sản lượng thị trường đòi hỏi nhiều. Việc thiết kế dây truyền sản xuất nhựa alkyt với công suất 1000 tấn/năm là nhu cầu cần thiết và phù hợp với điều kiện kinh tế của nước ta hiện nay. V.2.Tính vốn đầu tư V.2.1.Vốn cố định Đây là tổng giá trị dùng để đầu tư xây dựng, mua thiết bị máy móc ... + Vốn đầu tư xây dựng : TT Các công trình Diện tích (m2) Đơn giá (đ/m2) Thành tiền (triệu đồng) 1 Phòng bảo vệ 12 1500 000 18 2 Nhà ăn 160 3000 000 480 3 Nhà xe 180 1500 000 270 4 Khu năng lượng 64 1500 000 96 5 Kho nguyên liệu 80 1500.000 120 6 Kho thành phẩm 80 1500 000 120 7 Nhà hành chính 200 10 000 000 2000 8 Phân xưởng sản xuất 216 2500 000 540 9 Tổng 3644 + Vốn đầu tư mua thiết bị máy móc. Vốn đầu tư thiết bị máy móc được thống kê ở bảng dưới đây : STT Tên thiết bị Số lượng Đơn giá,VNĐ Thành tiền,triệu đồng 1 Nồi phản ứng 1 50 000 000 50 2 Nồi pha loãng 1 50 000 000 50 3 Cánh khuấy 2 500 000 0,5 4 Hộp giảm tốc 2 300 000 0,3 5 Thùng lường 1 500 000 0,5 6 Sinh hàn 1 5 000 000 5 7 Thiết bị ngưng tụ 1 2 000 000 2 8 Thiết bị phân ly 1 1 000 000 1 9 Thùng chứa 3 7 000 000 7 10 Bơm 5 700 000 0,7 11 Mô tơ 2 400 000 0,4 12 Tổng 117,4 Vậy vốn đầu tư cho thiết bị là: Vtb = 117,4 (triệu đồng). Tổng vốn đầu tư cố định : Vcđ = Vxd + Vtb + V k Trong đó : Vxd: Vốn đầu tư xây dựng Vtb:Vốn đầu tư thiết bị Vk: Vốn đầu tư khác (10% vốn đầu tư ) Vcđ = 3644 + 117,4 + 0,1.V Suy ra V = 4180 (triệu đồng). V.2.2.Vốn lưu động Đây là giá trị đầu tư cho nguyên liệu và tiền lương cho CBCNV… Theo thống kê thì với loại sản phẩm này khả năng tiêu thụ là khá nhanh nên ta lấy một chu kỳ kinh doanh là 3 tháng. Nên ta tính vốn lưu động là các khoảng chi trong vòng 3 tháng. - Chi phí cho nguyên vật liệu ban đầu : STT Tên nguyên liệu Số lượng tấn/3tháng Giá mua triệu đồng/tấn Chi phí cho 3 tháng triệu đồng 1 Penta 20,28 7 141,96 2 Dầu chẩu 111,54 3,5 390,39 3 AP 34,6 6,5 224,9 4 PbO 0,078 2 0,156 5 Xylen 8,58 6 51,48 6 Xăng pha loãng 84,4 5,5 464,2 7 Tổng 1273 - Chi phí lương cho CBCNV trong 3 tháng là: CBCNV Số lượng, người Hệ số Lương cơ bản tr.đồng/ng/th Lương triệu đồng/3th Trực tiếp sx 200 1.2 1,2 288 Kỹ thuật 15 1.8 32,4 Hành chính 60 1,8 129,6 Tổng 450 Vậy vốn lưu động là Vlđ = Vnl + Vl = 1273 + 450 = 1723 (triệu đồng). Vậy tổng vốn đầu tư là : V = Vcđ + Vlđ = 4180 + 1723 = 5903 (triệu đồng). V.3.Tính lãi suất và thời gian thu hồi vốn V.3.1.Tính giá thành đơn vị sản phẩm + Chi phí nguyên liệu cho một năm sản xuất là 1273,1.4 = 5092,4 (triệu đồng). + Chi phí lương cho CBCNV trong một năm là 450.4 = 1800 (triệu đồng). + Khấu hao tài sản cố định A = 0,02.Vxd + 0,05.Vtb A = 0,02.3644 + 0,05.117,4 = 78,75 (triệu đồng). + Chi phí điện nước : Ở phần điện nước ta đã tính được lượng điện và nước sử dung trong một năm là : Lượng dùng Giá đơn vị Giá thành 176448 (kW) 3000 VNĐ/kW 530 (triệu) 6318,5 (m3) 5000 VNĐ/m3 316 (triệu) Bảng tổng hợp các chi phí như sau: Chi phí chủ yếu Tiền (triệu đồng) Nguyên liệu, điện, nước 5938,4 Lương công nhân 1800 Khấu hao tài sản cố định 78,75 Chi phí khác 870 Tổng chí phí 8687,15 Giá thành 1 đơn vị sản phẩm: Gđv = Tổng vốn chi phí Sản lượng cả năm , triệu đồng/tấn sản phẩm. = 8,68715 (triệu đồng/ tấn sản phẩm). V.3.2.Lãi và thời gian thu hồi vốn Với giá bán ra trên thị trường 1đơn vị sản phẩm là: 10.5 tr.đ/tấn sp. Nên lợi nhuận trước thuế của nhà máy trong 1 năm là : LNTT = 1000 (10.5 - 8,68715) = 1812,85 (triệu đồng). Nhà máy phải chịu thuế lợi với thuế suất 25% nên lợi nhuận sau thuế của nhà máy trong 1 năm là : LNST = 1812,85.(1- 0,25 ) = 1359,6375 (triệu đồng). Kỳ hoàn vốn = Thu nhập hàng năm Vốn đầu tư Khấu hao + lợi nhuận sau thuế Vốn đầu tư = Vậy thời gian hoàn vốn của dự án là : Kỳ hoàn vốn = = 4,1 (năm). + Xác định giá trị hiện tại ròng NPV : Thời gian sống của dự án là 15 năm Tỷ lệ chiết khấu r = 10%. Khoản thu hàng năm của dự án là Ti = 1438,3875 (triệu đồng). NPV = - V + = - 5903 + NPV = 5037,5 NPV > 0. Vậy dự án là hoàn toàn khả thi.