Производство алкидных лаков на примере лака ПФ-060 (стр. 12 из 22)

t_пов, t_окр – соответственно, температура поверхности аппарата и окружающего воздуха.

α_из=9.74+0.07×(40−15)=11.49 Вт/(м²×К)

α_неиз=9.74+0.07×(165−15)=20.24 Вт/(м²×К)

Q_III=Qпотерь=(11.49×13.7×(40−15)+20.24×4.9×(165−15))×3×3600×10^-3=

=203166.6 кДж

Q_III_сек=

кВт

4) Тепловой баланс стадии IV (охлаждение переэтерефиката перед загрузкой фталевого ангидрида от 245^оС до 180^оС)

Q_IV=Q₁+Q₂−Q₃,

где Q_IV – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на четвертой стадии, кДж

Q₁,Q₂ – соответственно, количество тепла, которое необходимо отвести для охлаждения переэтерефиката и реактора, кДж;

Q₃ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Согласно уравнению реакции реакционная масса содержит моноглицерид, кислый диэфир пентаэритрита и пентаэритрит. Для расчета удельной теплоемкости реакционной массы (переэтерефиката) необходимо предварительно рассчитать удельные теплоемкости компонентов.

Удельная теплоемкость чистого вещества рассчитывается по формуле:

где с – удельная теплоемкость чистого вещества, кДж/(кг×К);

N_i – число атомов элементов, входящих в соединение;

с_i – атомная теплоемкость элементов, кДж/(кг-атом×К);

ММ – молекулярная масса химического соединения.

1) Расчет удельной теплоемкости моноглицерида.

Для расчета примем, что в состав моноглицерида входит жирнокислотный остаток только линолевой кислоты С₁₇Н₃₀СООН.

Строение моноглицерида: СН₂(ОСОС₁₇Н₃₀)-СН(ОН)-СН₂(ОН).

Атомные теплоемкости элементов [4]:

а) Углерод с=11.7 кДж/(кг-атом×К).

б) Водород с=18.0 кДж/(кг-атом×К).

в) Кислород с=25.1 кДж/(кг-атом×К).

кДж/(кг×К)

2) Расчет удельной теплоемкости кислого диэфира пентаэритрита.

Строение кислого диэфира пентаэритрита: (НОСН₂)₂-С-(ОСОС₁₇Н₃₀)₂.

кДж/(кг×К)

3) Массовая удельная теплоемкость смеси веществ рассчитывается по формуле:

с_смеси=∑с_i×w_i,

где с_i - удельная теплоемкость индивидуального компонента смеси, кДж/(кг×К);

w_i – массовая доля компонента в смеси.

Чтобы рассчитать массовые доли компонентов в смеси воспользуемся уравнением реакции. Расчет будем вести по подсолнечному маслу, так как оно полностью вступает в реакцию.

m_комп

где m_комп – масса компонента переэтерефиката, кг;

m_масла – масса подсолнечного масла, кг;

ММ_комп, ММ_масла – соответственно, молекулярная масса компонента переэтерефиката и подсолнечного масла.

Расчет массы моноглицерида, образующегося в результате реакции:

кг

Расчет массы кислого диэфира пентаэритрита, образующегося в результате реакции:

кг

Пентаэритрит не полностью вступает в реакцию переэтерефикации. Масса пентаэритрита, не вступившего в реакцию, находится как разность между массой загруженного подсолнечного масла и пентаэритрита и массой моноглицерида и кислого диэфира пентаэритрита, образовавшихся в ходе реакции: m=354.96+86.37−144.20−268.84=28.29 кг.

Массовые доли компонентов в смеси находятся по уравнению w_i=m_i/∑m_i.

Массовая доля моноглицерида w=144.2/(144.2+268.84+28.29)=0.327.

Массовая доля кислого диэфира пентаэритрита w=268.84/441.33=0.609.

Массовая доля пентаэритрита w=28.29/441.33=0.064.

Массовая удельная теплоемкость смеси моноглицерида, кислого диэфира пентаэритрита и пентаэритрита составит:

с_смеси=0.327×2.910+0.609×2.919+0.064×2.757=2.906 кДж/(кг×К)

Q₁=2.906×3681.2×(245−180)=695341.9 кДж

Q₂=0.504×4000×(245−180)=131040 кДж

Q₃=0.05×(Q₁+Q₂)=0.05×(695341.9+131040)=41319.1 кДж

Q_IV=695341.9+131040−41319.1=785062.8 кДж

Q_IV_сек=

кВт

5) Тепловой баланс стадии V (загрузка фталевого ангидрида, жидкости ПМС-200А и охлаждение до 160оС для загрузки ксилола).

Определим температуру реакционной массы после загрузки фталевого ангидрида.

^оС

Необходимо охладить реакционную массу до 160^оС.

Q_V=Q₁+Q₂+Q₃−Q₄,

где Q_V – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на пятой стадии, кДж;

Q₁,Q₂,Q₃– соответственно, количество тепла, которое необходимо отвести для охлаждения переэтерефиката, реактора и фталевого ангидрида, кДж;

Q₄ – потери тепла в окружающую среду.

Q₁=2.906×3681.2×(164.2−160)=44954.2 кДж

Q₂=0.504×4000×(164.2−160)=8467.2 кДж

Q₃=1.077×1253.4×(164.2−160)=5669.6 кДж

Q₄=0.05×(Q₁+Q₂+Q₃)=0.05×(44954.2+8467.2+5669.6)=2954.6 кДж

Q_V=44954.2+8467.2+5669.6−2954.6=56136.4 кДж

Q_V_сек=

кВт

6) Тепловой баланс стадии VI (нагрев реакционной массы до температуры 250^оС).

Q_VI=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇,

где Q_VI – суммарный расход тепла на нагрев на шестой стадии, кДж;

Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ – соответственно, расход тепла на нагрев переэтерефиката, ксилола, фталевого ангидрида и реактора, кДж;

Q₅, Q₆ – соответственно, расход тепла на испарение погонов и азеотропной смеси, кДж;

Q₇ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Q₁=2.906×3681.2×(250−160)=962781.0 кДж

Q₂=0.708×98.7×(250-160)=6289.2 кДж

Q₃=1.077×1253,4×(250−160)=121492.1 кДж

Q₄=0.504×4000×(250−160)=181440 кДж

Q₅=m₅×r₅,

где m₅ – масса погонов, кг;

r₅ – теплота испарения погонов, кДж/кг.

Общее количество потерь на стадии синтеза составляет 161.2 кг. Примем, что 140 кг теряется в виде погонов, а 21.2 кг остаются на стенках реактора, мешалке. Примем, что при нагреве удаляется 5 процентов погонов.

Q₅=0.05×140×450=3150 кДж

Q₆=m_в×r_в+m_кс×r_кс,

где m_в, m_кс – соответственно, масса воды и ксилола, удаляемых в виде азеотропной смеси на стадии нагрева, кг;

r_в, r_кс – соответственно, теплота испарения воды и ксилола, кДж/кг.

Примем, что при нагреве удаляется 5 процентов азеотропной смеси. Состав азеотропной смеси: вода – 35.8%, ксилол – 64.2% [4].

Общее количество воды, удаляемой на стадии синтеза основы составляет 132.4 кг, следовательно на стадии нагрева будет удалено m_в=0.05×132.4=6.62 кг воды. Содержание ксилола в азеотропной смеси 64.2%, следовательно m_кс=6.62×64.2/35.8=11.87 кг.

Q₆=6.62×2258.4+11.87×350=19105.1 кДж

Q₇=0.05×(962781.0+6289.2+121492.1+181440+3150+19105.1)=64712.9 кДж

Q_VI=962781.0+6289.2+121492.1+181440+3150+19105.1+64712.9=

=1358970.3 кДж

Q_VI_сек=

кВт

7) Тепловой баланс стадии VII (этерефикация и поликонденсация).

Q_VII=Q₁+Q₂+Q₃,

где Q_VII – суммарный расход тепла на нагрев на седьмой стадии, кДж;

Q₁, Q₂ - соответственно, расход тепла на испарение погонов и азеотропной смеси, кДж;

Q₃ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Q₁=0.95×140×450=59850 кДж

Q₂=0.95×132.4×2258.4+

×350=363007.8 кДж

Q₃=α_из×F_из×(t₁−t₂)×τ+ α_неиз×F_неиз×(t₃−t₂)×τ

α_из=9.74+0.07×(40−15)=11.49 Вт/(м²×К)

α_неиз=9.74+0.07×(170−15)=20.59 Вт/(м²×К)

Q₃=(11.49×13.7×(40−15)+20.59×4.9×(170−15))×7×3600×10^-3=492250.3 кДж

Q_VII=59850+363007.8+492250.3+916108.1 кДж

Q_VII_сек=

кВт

8) Тепловой баланс стадии VIII (охлаждение основы лака от 250^оС до 180^оС.

Q_VIII=Q₁+Q₂−Q₃,

где Q_VIII – суммарное количество тепла, которое необходимо отвести на восьмой стадии, кДж;

Q₁, Q₂ – соответственно, количество тепла, которое необходимо отвести для охлаждения основы лака и реактора, кДж;

Q₃ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

Удельную теплоемкость основы лака рассчитаем по формуле:

кДж/кг

Q₁=2.588×4643.6×(250−180)=841234.6 кДж

Q₂=0.504×4000×(250−180)=141120 кДж

Q₃=0.05×(Q₁+Q₂)=841234.6+141120=49117.7 кДж

Q_VIII=841234.6+141120+49117.7=933236.9 кДж

Q_VIII_сек=

кВт

6.3 Расчет теплового баланса смесителя [4]

Перед сливом основы лака из реактора в смеситель загружаются растворители в количестве 1423.1 кг ксилола и 2282.7 кг уайт-спирита при температуре 15^оС.

Из реактора самотеком сливается основа лака в количестве 4643.6 кг при температуре 180^оС.

Перекачка лака из смесителя в емкости для вызревания осуществляется при температуре не более 60^оС.

Примем удельную теплоемкость уайт-спирита равной удельной теплоемкости ксилола.

Масса смесителя равна 7000 кг.

На основе этих данных составим тепловой баланс смесителя.

Рассчитаем температуру в смесителе после слива основы лака из реактора.