Bilantul de materiale

Bilantul de materiale

Sa se proiecteze o instalatie pentru obtinerea policlorurii de vinil prin procedeul in suspensie cu o capacitate a instalatiei de 34000 tone/an.

Datele de proiectare sunt:

a)     Capacitatea reactorului 18,5 tone/an;

b)    Durata unei sarje 13,5 ore;

c)     Reteta de fabricatie:

Apa demineralizata 65%;

Clorura de vinil 35%;

Peroxid de lauroil 0,2% masic fata de monomer;

-metil celuloza 0,067% masic fata de monomer (se introduce sub forma de solutie apoasa 1,7%);

d)    Conversie monomer 75%.

e)     Apa de spalare (demineralizata la centrifugare) 35% fata de PVC umed iesit.

f)      Perlele de PVC intra la uscare cu o umiditate de 30% si ies cu umiditatea de 0,25%.

g)     Pierderi tehnologice in instalatii:

polimerizare 0,1%

filtrare suspensie 0,2%

centrifugare 0,3%

uscare 0,2%

sitare 0,5%

ambalare 0,3%

Fluxul tehnologic

1.Calculul numarului de reactoare:

T = 365-30-5 = 330 zile · 24 ore = 7920 h

Numarul de sarje pe care un reactor il poate realiza intr-un an:

Capacitatea unei sarje:

C_r=18,5 => C_s=4,80301

Numarul de sarje intr-un an:

Numarul de reactoare:

6 reactoare

N^r>8 => 2 linii tehnologice

6 reactoare

Bilantul de materiale pe fazele fluxului tehnologic

DIZOLVARE INITIATOR

Intrari:

Total: C.V.+I = 6475+12,95=6487,95 kg/ sarja

Iesiri:

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
C.V.	Kg./sarja
I	Kg./sarja		Sol C.V+I	Kg/sarja
Total	Kg/sarja		Total	Kg/sarja

PREGATIRE SOLUTIE α-MC

Intrari:

H₂O = 255,19118 - 4,33825 = 250,85293 kg/sarja

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
AMC	Kg./sarja
H2O	Kg./sarja		Sol AMC	Kg/sarja
Total	Kg/sarja		Total	Kg/sarja

POLIMERIZARE

Intrari:

Sol. C.V +I = 6487.95 kg/sarja

Total intrari: 18517,28825 kg/sarja

Iesiri:

Pierderi:

Total iesiri + Pierderi = 18517,28825 kg/sarja

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
Sol C.V.+ I	Kg./sarja		PVC	Kg/sarja
Sol α-MC	Kg./sarja		α-MC	Kg/sarja
H2Odemi	Kg./sarja		H2O	Kg/sarja
			C.V.ner	Kg/sarja
			Pierderi	Kg./sarja
Total	Kg/sarja		Total	Kg/sarja

	H2O

FILTRARE

					α-MC

Filtrare

PVC

Intrari: PVC = 4864,3308 kg/sarja

α-MC= 4,33391 kg/sarja

H₂O = 12012,975 kg/sarja

Total intrari: 16881,63971 kg/sarja

Iesiri:

Pierderi:

Total iesiri + pierderi: 16881,63971 kg/sarja

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
PVC	Kg./sarja		PVC	Kg/sarja
H2O	Kg./sarja		H2O	Kg/sarja
α-MC	Kg./sarja		α-MC	Kg/sarja
			Pierderi	Kg.sarja
Total	Kg/sarja		Total	Kg/sarja

OMOGENIZARE

			α-MC

Intrari:

PVC= x 6 = 29127,61283 kg/sarja

α-MC= 4,32524 x 6 = 25,95146 kg/sarja

H₂O = 11988,94905 x 6 = 71933,6943 kg/sarja

Total intrari: kg/sarja

Iesiri:

PVC==2008,80088 kg/h

α-MC==1,78976 kg/h

H₂O==4960,94443 kg/h

Total iesiri: 6971,53508 kg/h

Verificare: =6971,53508 kg/h

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
PVC	Kg./sarja		PVC	Kg/h
H2O	Kg./sarja		H2O	Kg/h
α-MC	Kg./sarja		α-MC	Kg/h
Total	Kg/sarja		Total	Kg/h

CENTRIFUGARE

Intrari : PVC =2008,80088 kg/h

H₂O = kg/h

α-MC kg/h

H₂O_spalare = 35/100 · 2869,72 = 1004,402 kg/h

Total intrari : 7975,93708 kg/h

Iesiri:

100 kg PVC umid. 30%70 kg PVC uscat

X kg. PVC umed.. 2008,80088 kg/h

X==2869,71555 kg/h PVC umed 30%

Pierderi :

x= 860,91466 kg H₂O din PVC cu um30%

H₂O_iesita = (H₂O + H₂O_spalare ) - H₂OdinPVCcu umid.30%

H₂O_iesita = (4960.9443+1004.402) - 860.91466

H₂O_iesita = 5104,43177

Total iesiri : 7975,93708 kg/h

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Mat.	Unitati de masura	Cantitate
PVC	Kg/h		PVC u=30%	Kg/h
H2O	Kg./h		H2O	Kg/h
α-MC	Kg./h		α-MC	Kg/h
H2Ospal	Kg/h		Pierderi	Kg/h
Total	Kg/h		Total	Kg/h

USCARE

	Uscare

PVC cu u = 30%

PVC cu u =0,25%

Intrari: PVC u = 30% = kg/h

Iesiri:

Pierderi :

PVC uscata :

H₂O din PVC cu u=30% = 858.33192 kg/h

PVC uscata cu umid 0,25% :

Din acesta cantitate: H₂O

H₂O_iesita :

H₂O_iesita :

PVC uscata cu umid 0,25% :

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
PVC u = 30%	Kg./h		PVC u= 0,25%	Kg/h
			H2O	Kg/h
			Pierderi	Kg/h
Total	Kg/h		Total	Kg/h

SITARE-SORTARE

Sitare-Sortare

 

Intrari: PVC = kg./h

Pierderi:

Iesiri:

Intrari			Iesiri
Materiale	Unitati de masura	Cantitate	Materiale	Unitati de masura	Cantitate
PVC	Kg./h		PVC	Kg/h
			Pierderi	Kg/h
Total	Kg/h		Total	Kg/h

AMBALARE

Ambalare

			PVCamb

Pierderi :

Iesiri :

BILANTUL ANUAL PE INSTALATIE

Intrari: CV+I : 6487.95 · 546.2069 · 13·10^-3 = 46068,91945 t/an

Sol AMC: 255,19118 · 546.2069 · 13∙10^-3 = 1812,0335 t/an

H₂O_{demi :} 11774,14707 · 546.2069 · 13∙10^-3 = 83604,56432 t/an

H₂O_spal : (1004,402 · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 17235,53832 t/an

Total intrate: 148721,05544 t/an

Iesiri:  PVC : (1987,77821 · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 34110,27406 t/an

CV_ner : 1617,13125 · 546.2069 · 13 ∙10^-3 = 11482,74714 t/an

H₂O_{centrif :} ( 5089,11847 · 7920 · 13)/6∙10³ = 87329,27302 t/an

H₂O_{uscare :} ( · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 14613,55572 t/an

AMC : (1,78439 · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 30.62008 t/an

Total: t/an

Pierderi: Polimerizare: 18,51729 · 546.2069 · 13∙10^-3 = 131,48552 t/an

Filtrare : 33,76328 · 546.2069 · 13 ∙10^-3 = 239,74257 t/an

Centrifugare: (23,92781 · 7920 · 13)/6∙10³ = 410,60124 t/an

Uscare : (5,72221 · 7920 · 13)/6∙10³ = 98,19317 t/an

Sitare : (10,01889 · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 171,92418 t/an

Ambalare : (5,98128 · 7920 · 13)/6 ∙10³ = 102,63874 t/an

Total: 1154,58542 t/an

Total iesiri+pierderi: 148721,05544 t/an

Total intrate: 148721,05544 t/an

BILANTUL ANUAL PE INSTALATIE

4. Dimensionarea tehnologica a reactorului

4.1. Dimensionarea geometrica

o      Volumul amestecului de reactie:

Volumul total de reactie se determina considerand numai apa si monomerul.

-cantitatea de monomer: clorura de vinil, m_CV:

m_CV=6475 kg

-cantitatea de apa, m_apa:

m_apa=12025 kg

Densitatea apei si a monomerului:

ρ_apa=1000 kg/m³

ρ_CV=855 kg/m³

Volumul amestecului de reactie:

V_am= => V_am= 12,025+7,573

V_am=19,6 m³

Volumul spatiului de reactie se calculeaza alegand un coeficient de umplere,

V_r= => V_r=

V_r=23 m³

o      Stabilirea diametrului D al reactorului se face alegand un raport s=H/D (coeficient de svelteta), unde H reprezinta inaltimea lichidului in vas si asimiland vasul cu un cilindru. Astfel daca se ia s=1,2 rezulta:

D==

D=2,9 m

Un calcul mai exact se poate face luand in considerare separat volumul partii cilindrice si al fundului:

V=V_c+V_f=

Unde s`=H_c/D, H_c fiind inaltimea partii cilindrice.

Se alege o forma tiosferica deoarece este recomandata din punct de vedere constructiv:

V_f= 0,0809∙D³

h= 0,157∙D=0,157∙2,9=0,455 m

unde h reprezinta inaltimea lichidului in zona

V_r=(0,785*s`+0,0809)*D³

Luand s`=1,2 rezulta:

D=

D=2,82 m

Diferentele intre cele doua sunt mici ele neinfluentand calculele, din punct de vedere tehnologic. Adoptand D=2,9 m se obtine s`=1,2, de unde:

H_c= s`∙D = 1,2∙2,9 = 3,48 m

o      Inaltimea lichidului in recipient se determina conform relatiei:

H_l=H_l,c+h

Unde: H_l,c reprezinta inaltimea in zona cilindrica;

h inaltimea pentru zona fundului.

H_l,c⁼

H_l,c=21.0269299

H_l,c=3,18 m

H_l=H_l,c+h

H_l=3,18+0,455=3,64 m

o      Suprafata de transfer termic disponibila corespunde inaltimii lichidului in recipient in partea cilindrica. Astfel:

A_T = ∙D∙H_l,c = ∙2,9∙3,18 = 28,97 m²

4.2. Alegerea sistemului de agitare:

La reactoarele de polimerizare in suspensie se folosesc de obicei agitatoare de tip impeller sau turbina a caror actiune este sustinuta de elemente statice de promovare a turbulentei. Elementul principal in calcul il reprezinta diametrul cercului descris de agitator. Considerand un raport de similitudine d/D=0,5 rezulta:

d=0,5∙2,9=1,45 m

Pentru alegerea agitatorului trebuie sa tinem cont de urmatoarele caracteristici:

-domeniul de vascozitate:

η_am=0,74 cP=0,74∙10^-3 kg/m∙s

Fractiile masice ale apei si monomerului:

w_apa= w_CV=

w_apa= w_MMA=

_am

ρ_am=

-ρ_am=944 kg/m³

-turatie: n=100 rot/min

-H/D=1,2

-d/D=0,5

-h/d=0,3

Conform rezultatelor obtinute se alege un agitator turbina disc cu palete plane.

Modelul cinetic

Calculul cinetic s-a facut pe baza modelului Hamielec.

Pentru X<X_f viteza de polimerizare are expresia:

Pentru viteza de polimerizare are expresia:

X>X_f

Unde: Q - parametru ajustabil;

P - raportul vitezelor; B - coeficientul de contratie al volumului.

B= = 0,389

X_f = 0,75; Q = 5,5; P = 22,7;

k_d = 0,099 h^-1

k₁ = k_p∙=11000 ∙ = 3,88 h^-1

concentratia de initiator:

I₀=

Unde:

Io-concentratia initia initiala de initiator

m_PB-masa de peroxid de benzoil

V_am- volumul de amestec

M_PB- masa moleculara de peroxid de benzoil

I₀=

I₀=2,73∙10^-3 mol/l

Pentru integrarea ecuatiilor diferentiale s-a folosit metoda Euler.

X₁ = X₀ + h∙f(X₀t₀)

Unde: t₀ = 0; X₀ = 0; h = pasul de timp = 1h

Dupa ce s-a obtinut X₁ el poate fi utilizat in locul lui X₀ pentru calculul lui X₂.

X₂ = X₁ + h∙f(X₁t₁)

Continuand rationamentul obtin valoarea conversiei finale. Variatia conversiei si vitezei de polimerizare sunt redate in figurile 4.1. si 4.2. Proprietatile fizice varieaza cu conversia.

Medierile constantelor fizice se fac volumetric pentru ρ, η, λ si gravimetric pentru C_p.

Densitatea fazei continue:

Densitatea suspensiei:

ρ_m= 855 kg/m³; _P= 1400 kg/m³; ρ_a= 1000 kg/m³

V_a==7,8 m ; V_m=; V_p=

Conductivitatea termica:

faza continua

Unde: - λ_a = 0,647 W/m∙grad

- λ_m = 0,1256 W/ m∙ grad

- λ_p = 0,1512 W/m∙grad

Supensie:

Fractia volumetrica a polimerului:

=

Caldura specifica a suspensiei:

Unde:

C_pa = 1 kcal/ kg∙grad;

C_pm = 0,31 kcal/ kg∙grad;

C_pp = 0,24 kcal/ kg∙grad.

Vascozitatea fazei continue:

Unde: η_a = 1∙10^-3 N∙s/m²

η_m=0,36∙10^-3 N∙s/m²

Vascozitatea suspensiei:

η_s=η_c∙(1+2,5∙Φ+7,5∙Φ²)