Производство алкидных лаков на примере лака ПФ-060 (стр. 11 из 22)

= 898,5 кг/м³

м³

Принимаем стандартный вертикальный смеситель объемом 16 м³.

Выход готового лака за один цикл с учетом потерь при растворении, фильтровании и сливе составит:

G_лак=G-К_пер×G_пот,

где G – масса загружаемых компонентов в смеситель, кг;

G_пот – масса потерь на стадиях растворения, фильтрования и слива при синтезе одной тонны лака, кг.

G_лак=8448,1-8,341×(2,3+8,0+2,5)=8326,5 кг

Расходные нормы сырья на один цикл приведены в таблице 21.

Таблица 21 – Расходные нормы сырья на один цикл

Компоненты	Расход,кг
1	2
Масло растительное	2960,8
Пентаэритрит	720,4
Фталевый ангидрид	1253,4
Сода кальцинированная	2,5
Уайт-спирит	2282.7
Ксилол	98.7 – на стадии синтеза основы
	1423.1 – при растворении основы
Итого	8741,6

6 Инженерные расчеты

6.1 Температурный график синтеза основы лака

Описание основных операций синтеза основы лака:

1) Операция 0-1 – загрузка растительного масла при температуре 80 ^оС. Длительность 2.5 часа.

2) Операция 1-2 – нагрев растительного масла до температуры 150 ^оС. Длительность 3.0 часа.

3) Операция 2-3 – загрузка пентаэритрита и кальцинированной соды. Длительность 2.0 часа.

4) Операция 3-4 – нагрев реакционной массы до температуры 250 ^оС. Длительность 3.5 часа.

5) Операция 4-5 – переэтерефикация растительного масла в течение 3.0 часов при температуре 250 ^оС.

6) Операция 5-6 – охлаждение реакционной массы до 180 ^оС в течение 1.5 часов.

7) Операция 6-7 – Загрузка фталевого ангидрида и раствора жидкости ПМС-200А. Длительность 2.0 часа.

8) Операция 7-8 – охлаждение реакционной массы до температуры 160 ^оС в течение 0.5 часа.

9) Операция 8-9 – загрузка ксилола в реактор. Длительность 0.5 часа.

10) Операция 9-10 – нагрев реакционной массы до температуры 250 ^оС в течение 3.5 часов.

11) Операция 10-11 – поликонденсация.

12) Операция 11-12 – охлаждение основы до температуры 180 ^оС в течение 1.5 часов.

13) Операция 12-13 – выгрузка основы лака в смеситель. Длительность 1.0 час.

6.2 Расчет теплового баланса реактора [4]

Таблица 22 – Свойства используемых компонентов [5]

Компоненты	Масса на один синтез, кг	Температура загрузки, оС	Теплоемкость,	Теплота испарения, кДж/кг
1	2	3	4	5
Масло растительное	2960,8	80	1,865	
Пентаэритрит	720,4	15	2,757	
Фталевый ангидрид	1253,4	15	1,077	365
Сода кальцинированная	2,5	15	0,708	
Уайт-спирит	2282.7	15		350
Ксилол	1521,8	15		293
Погоны				450

1) Тепловой баланс стадии I (нагрев растительного масла – на примере подсолнечного).

Q_I=Q₁+Q₂+Q₃,

где Q_I – суммарный расход тепла на нагрев на первой стадии, кДж;

Q₁, Q₂, – соответственно, расход тепла на нагрев подсолнечного масла и реактора, кДж;

Q₃ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Расход тепла на нагрев вещества рассчитывается по формуле:

Q=C×m×(t_кон−t_нач),

где С – теплоемкость вещества, кДж/(кг×К);

m – масса вещества, кг;

t_кон, t_нач – температура вещества в конце и начале нагрева, соответственно, К.

Так как подсолнечное масло при загрузке в реактор часть тепла отдает стенкам реактора, то его температура будет ниже температуры загрузки. Рассчитаем температуру масла, закачанного в реактор.

,

где t_cp – средняя температура смеси веществ, ^оС;

m_i – масса отдельного компонента, кг;

С_i – теплоемкость компонента, Дж/(кг×К);

t_i – температура компонента.

^оС

Q₁=1.865×2960.8×(150-63)=480648 кДж

Q₂=0.504×4000×(150-63)=175392 кДж

Для реакторов с теплоизоляцией потери принимаются равными 5 процентам от полезно затрачиваемого тепла.

Q₃=0.05×(Q₁+Q₂)=0.05×(480648+175392)=32802 кДж

Q_I=480648+175392+32802=721644 кДж

Расчет теплового потока производится по формуле:

Q_Iсек

,

где Q_Iсек – тепловой поток, кВт;

τ – продолжительность стадии, с.

Q_Iсек

кВт

2) Тепловой баланс стадии II (нагрев смеси подсолнечного масла, пентаэритрита и кальцинированной соды до 245^оС).

Так как количество кальцинированной соды незначительно, то при составлении теплового баланса пренебрежем теплом, затрачиваемым на ее нагрев.

Q_II=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄,

где Q_II – суммарный расход тепла на нагрев на второй стадии, кДж;

Q₁, Q₂, Q₃ – соответственно, расход тепла на нагрев подсолнечного масла, реактора и пентаэритрита, кДж;

Q₄ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Определим температуру смеси веществ после загрузки пентаэритрита.

^оС

Q₁=1.865×2960.8×(245-121.8)=680641.7 кДж

Q₂=0.504×4000×(245-121.8)=248371.2 кДж

Q₃=2.757×720.4×(245-121.8)=244862.6 кДж

Q₄=0.05×(Q₁+Q₂+Q₃)=0.05×(680641.7+248371.2+244862.6)=58693.8 кДж

Q_II=680641.7+248371.2+244862.6+58693.8=1232569.3 кДж

Q_IIсек

кВт

3) Тепловой баланс стадии III (переэтерефикация подсолнечного масла).

Количество подводимого тепла определяется количеством потерь. Потери тепла в окружающую среду рассчитываются по формуле:

Q_потерь=α_из×F_из×(t₁−t₂)×τ+ α_неиз×F_неиз×(t₃−t₂)×τ,

где Q_потерь – потери тепла в окружающую среду, кДж;

α_из, α_неиз – соответственно, коэффициенты теплоотдачи от изолированной и неизолированной стенки в окружающую среду, Вт/(м²×К);

F_из, F_неиз – соответственно, площади изолированной и неизолированной частей аппарата, м²;

t₁ – температура наружной поверхности изоляции, ^оС;

t₂ – температура окружающей среды, ^оС;

t₃ – температура изолированных частей аппарата, которая принимается на 60-80^оС ниже, чем температура в аппарате, ^оС.

τ – продолжительность стадии.

Для нахождения площадей поверхности изолированной и неизолированной частей аппарата необходимо рассчитать высоту загрузки реактора, которая будет равна высоте изолированной части аппарата. При расчете пренебрегаем кривизной днища аппарата.

Высоту загрузки реактора рассчитаем по формуле:

,

где Н – высота загрузки реактора;

φ – коэффициент заполнения реактора;

V – объем реактора, м³;

D – диаметр реактора, м.

м

Высота неизолированной части аппарата h находится как разность между высотой обечайки реактора и высотой загрузки аппарата.

h=2.4−1.982=0.418 м

Площадь изолированной части обечайки F_{из об} составит:

F_{из об}=π×D×Н=3.14×1.8×1.982=11.2 м²

Площадь неизолированной части обечайки F_{неиз об} составит:

F_{неиз об}=π×D×h=3.14×1.8×0.418=2.36 м²

Площади крышки F_кр и днища F_дн реактора одинаковы и составляют F_кр=F_дн=π×D²/4=3.14×1.8²/4=2.54 м². Днище реактора изолировано, а крышка не изолирована.

Таким образом, площадь изолированной части реактора составит

F_из= F_{из об}+ F_дн=11.2+2.54=13.74 м²,

неизолированной

F_неиз=F_{неиз об}+ F_кр=2.36+2.54=4.9 м²

Для расчета коэффициентов теплоотдачи можно воспользоваться уравнением:

α=9.74+0.07×(t_пов−t_окр),

где α – суммарный коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией, Вт/(м²×К);