đồ án nhà máy sản xuất sơn Alkyd

Trên thực tế, nhựa Alkydchỉ có ứng dụng trong ngành sơn khi sử dụng một hỗn hợp các chất phản ứng là acid béođơn chức của dầu béo cùng với acid hữu cơ đa chức và rượu đa chức.. Bản chất

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay ngành công nghiệp sơn ngày càng phát triển và mở rộng quy mô trên toànthế giới, thật vậy, nhu cầu sử dụng sơn của con người ngày càng tăng, nếu như vài nămtrước đây, người ta dùng sơn để bảo vệ bề mặt vật liệu tránh các tác nhân gây hại từ bênngoài, thì hiện tại sơn còn là một sản phẩm giúp trang trí và góp phần làm tăng vẻ đẹp củasản phẩm, vật liệu Do đó, con người luônnghiên cứu và cải tiến, phát triển ngành côngnghiệp sơn, để phục vụ tốt nhất có thể nhu cầu của người dân, đồng thời góp phần pháttriểnnền kinh tế của quốc gia

Trong các loại sơn, có thể nhận thấy alkyd là cái tên thường thấy trong đời sống thườngngày lẫn trong các ngành công nghiệp, bởi lẽ, giá thành của nó tương đối rẻ, đàn hồi, bền,đẹp, mau khô và có khả năng dính chặt cao, đáp ứng được nhu cầu và thị hiếu của mọingười

Tuy nhiên, vấn đề cạnh tranh giữa hãng sơn Việt Nam và các quốc gia trên thế giớiđang là vấn đề cần được giải quyết, các nhà máy lớn tập trung ở các quốc gia lớn, ở ViệtNam chỉ là những phân xưởng nhỏ,lẻ, chỉ đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu của conngười

Trước tình hình giá thành sơn alkyd nhập khẩu ngày càng cao, nhập khẩu ngày càngkhó khăn, chúng ta cần đề ra hướng đi, hướng thiết kế một phân xưởng trong nước đảmbảo quy mô và năng suất được đề ra, nhằm ổn định thị trường, và chủ động hơn trong giáthành sản phẩm

Thưc trạng hiện nay của Việt Nam, chính là tình hình môi trường đang đi xuống mộtcách trầm trọng, vì thế việc sản xuất ra một loại sơn có nguồn gốc từ tự nhiên sẽ đượckhuyến khích và phát triển mạnh mẽ

Để đáp ứng những yêu cầu đó, trong đề tài này, chúng tôi quyết định lựa chọn và tiếnhành thiết kế xây dựng nhà máy sản xuất nhựa alkyd Cụ thể hơn, chúng tôi đi sâu vàoviệc hình thành nhựa alkyd béo từ dầu lanh, với năng suất 2000 tấn/năm

Việc thiết kế nhà máy cần đảm bảo các yêu cầu:

 Chất lượng nhựa cao và ổn định, đảm bảo về kinh tế và lợi nhuận

 Nhà máy hoạt động liên tục và thiết bị hạn chế hư hỏng

 Cần đảm bảo an toàn lao động và các thiết bị bảo đảm về phòng cháy chữa cháy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỰA ALKYD



-1.1 Giới thiệu về nhựa alkyd

1.1.1 Khái niệm nhựa alkyd

Alkyd là loại polymer được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng giữa polyol vớipolyacid và anhydride của chúng, sau đó được biến tính bằng dầu thực vật

Tên gọi Alkyd là ghép của hai chất rượu và nhóm chức acid Trên thực tế, nhựa Alkydchỉ có ứng dụng trong ngành sơn khi sử dụng một hỗn hợp các chất phản ứng là acid béođơn chức của dầu béo cùng với acid hữu cơ đa chức và rượu đa chức

Bản chất ứng dụng nhựa Alkyd phụ thuộc chính vào hàm lượng phần trăm của dầu béohoặc axít béo có trong nhựa, còn gọi là độ béo của Alkyd

1.1.2 Lịch sử hình thành

Từ xa xưa, điện lực đóng vai trò vô cùng quan trọng trong kinh tế lẫn sự phát triển củathế giới, các nhà khoa học luôn nổ lực tìm kiếm và phát minh ra những loại nhựa có khảnăng cách điện ngày càng tốt, góp phần phát triển cho điện lực

Lần đầu tiên vào năm 1927 KIENLE đã tìm ra nhựa Alkyd, bằng cách kết hợp acid béo

và các ester không bão hòa Cái tên alkyd chính là được ghép bởi “al” trong alcohol và

“cid” trong acid, vì cùng cách phát âm, nên người ta gọi tên nhựa là alkyd

Thời gian sau đó khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, người ta đã biến tính vàophản ứng tạo nhựa alkyd các loại dầu thảo mộc hoặc các acid béo đơn chức Chính điềunày đã cải tiến được tính năng của nhựa và phạm vi ứng dụng của nhựa alkyd trong côngnghiệp các chất phủ bề mặt

1.1.3 Phân loại nhựa alkyd

Alkyd có ba cách để phân loại:

- Phân loại theo kiểu rượu đa chức và acid đa chức tổng hợp thành nhựa alkyd

+ Nhựa Glyphtal: kết hợp giữa glycerine và Phatalic Anhydride, nó hòa tan tốt trongdung môi nhưng tạo màng sơn kém chất lượng

+ Nhựa Pentaphtalic: kết hợp Pentaerythriol và Phtalic Anhydride tạo ra màng sơn cứng

và bền

- Phân loại theo hàm lượng % dầu có ở alkyd:

+ Nhựa alkyd gầy có nồng độ dầu khoảng 30 - 45%, nó được phân loại thành hai loại khô

và không khô được sử dụng với mục đích khác nhau trong công nghiệp

+ Nhựa alkyd trung bình chứa khoảng 46 - 55% dầu được sử dụng nhiều nhất trongcác ứng dụng về nhựa alkyd.

+ Nhựa alkyd béo chứa dầu khoảng 56 - 70% được ứng dụng làm sơn phủ lớp ngoài,trang trí các bề mặt kim loại, gỗ…

- Phân loại theo dầu béo, acid béo hoặc các biến chất khác:

+ Alkyd biến tính với dầu béo khô có 3 nối đôi để sản xuất nhựa alkyd trung bình, alkydgầy

+ Alkyd biến tính với dầu béo khô có 2 nối đôi để sản xuất nhựa alkyd béo

+ Alkyd biến tính với dầu béo có 2 nối đôi hoặc từ các acid béo tổng hợp cấu thành…alkyd có chất lượng cao hơn alkyd thuần

+ Alkyd biến tính từ dầu béo cùng với nhựa thông để sản xuất nhựa alkyd Glyphtal vàPentaphtalic

Alkyd béo có khả năng khô trong không khí khi có các chất làm khô

Nhựa alkyd còn có thể biến tính được với nhựa thiên nhiên và tổ hợp được với cácnhựa khác khi dùng để sản xuất ra nhiều chủng loại sơn, nhằm phục vụ cho nhiều ngànhnghề, lĩnh vực khác nhau trong nền kinh tế quốc dân

1.2 Nguyên liệu sản xuất nhựa alkyd

Với 1 nhóm (-OH) ở vị trí α ở dạng tự do, không tham gia phản ứng, làm giảm mức độphân nhánh của nhựa, dẫn đến giảm độ cứng cũng như độ bền nước của màng Nhựaalkyd làm từ glycerine có độ tan và độ đồng nhất tốt hơn các loại còn lại.

Glycerine thường được sử dụng trong công nghệ sản xuất nhựa alkyd bởi giá thành rẻ,trạng thái lỏng dễ thao tác cũng như nhiệt độ sôi cao dễ dàng thực hiện trong phươngpháp dung môi hay nóng chảy…

1.2.3 Penthacrithytol

Công thức cấu tạo:

Sau glycerine, Penthacrithytol được sử dụng phổ biến để điều chế nhựa alkyd do có 4nhóm (-OH) ở vị trí  nên khả năng phản ứng cao hơn, đồng thời cũng tạo ra gel hóanhanh Do đó Penthacrithytol thường được sử dụng để sản xuất nhựa alkyd béo vì alkydbéo cần độ bền và khô

Màng Pentaphtal so với màng Glyphatal về độ cứng, bền nước, ánh sáng lẫn chịu khíquyển là hơn hẳn nhưng giá thành khá cao và dễ bị gel hóa nên ít được sử dụng hơnglycerine

1.2.4 Sorbitol

Công thức cấu tạo:

Bột Sorbitol được tạo ra bởi sự hydro hóa xúc tác của D-glucose và có sẵn dưới dạngmột tinh thể tự do chảy và như các dung dịch nước Sorbitol có đặc tính dòng chảy tuyệtvời, đảm bảo trộn đều, hiệu quả kinh tế tương đương với glycerine nhưngglycerine có độhòa tan tốt hơn nên người ta vẫn ưu tiên sử dụngglycerine

f = 4

f = 6

1.2.5 Polyacid và anhydric của chúng

Một số polyacid thông dụng (thường là có độ chức f = 2):

1.2.5.1 Adipicacid

Công thức cấu tạo:

1.2.5.2 Các đồng phân của phthalic acid

Vì quá trình tiến hành ở nhiệt độ cao, acid hòa tan kém trong alcohol, dễ bị gel hóa nênviệc sản xuất nhựa alkyd từ acid phtalic là khó, vì vậy trên thực tế người ta không sử dụngphương pháp này để tạo nhựa alkyd

1.2.5.3 Anhydric phthalic – AP (C 8 H 4 O 3 )

Công thức cấu tạo:

Được sản xuất từ Naphtalen hoặc o-xylene Thường được sử dụng để tăng hiệu quả vàrút ngắn thời gian tổng hợp, màng phủ trên nhựa alkyd được tổng hợp với AP có độ cứngcao và cấu trúc chặt chẽ

1.2.5.4 Anhydric maleic - AM

Công thức cấu tạo:

AM có khả năng phản ứng lớn, nếu thay AP bằng AM thì thời gian càng được rút ngắn,màu của nhựa cũng đẹp hơn, tăng độ nhớt, nâng cao chất lượng của sơn, khuynh hướnggel hóa cũng tăng và tạo nên màng giòn

Mặc dù vậy, trong công nghiệp, người ta vẫn ưu tiên sử dụng glycerine và AP vì:

f = 2

- Glycerine có giá thành thấp, cùng với nhiều ưu điểm.

- AP giá thành chấp nhận được, giảm lượng nước tạo ra, do có vòng thơm nên có độbền cao hơn, độ bóng cao

1.3 Dầu thực vật

Đa số các loại dầu thực vật là triglyceride giữa glycerine và acid béo Dầu thực vậtđược ép từ các loại nhân của các hạt thực vật Sau khi sấy và tinh chế có chứa 99% dầu,0,2 ÷0,5% acid béo tự do còn lại là nước, cặn vô cơ và một ít là protein

1 Phân loại dầu

Nối đôi của dầu thực vật có tác dụng làm khô màng sơn từ alkyd bằng phản ứng trùnghợp dưới tác dụng của Oxygene không khí Dựa vào tính chất này và CI người ta phândầu ra làm 3 loại:

- Dầu có CI < 90: dầu không khô: dừa, phộng Sử dụng để tổng hợp alkyd gầy

- Dầu có CI = 90 ÷130: dầu bán khô: đậu nành, thầu dầu, hướng dương, cao su Sử dụng

%dầutrong hạt

% acid béo trong dầu

Oleic

Lino-leic

noic

Linole-stearic

Eleo-oleic Loại no

Khi gặp acid và men, hoặc đun lâu ở nhiệt độ cao cũng bị phân hủy tạo thành glycerine

và acid béo tự do

Khi đun nóng dầu bị giãn nở nên trọng lượng riêng bị giảm xuống Cứ tăng 1oC thìtrọng lượng riêng giảm xuống 0,0007 (g/cm3) Nhiệt độ bùng cháy của dầu trong khoảng

190 - 235oC

Dầu bị oxy hóa bởi oxy tạo thành andehyde và sản phẩm hóa khác

Ở đề tài này, dầu lanh được sử dụng làm nguyên liệu chính, là loại dầu thực vật đượcchiết xuất từ hạt của quả lanh (tiếng Pháp: Graines de lin; Anh: Flaxseds hoặc linseds; La-tinh: Linum usitatissimum) Dầu lanh có mùi thơm, có độ bay hơi chậm, bóng, lâu khô…Dầu lanh rất dễ bị oxy hóa và rất nhạy cảm với ánh sáng

1 Chất xúc tiến

Naphthanate cobalt: được tổng hợp từ acid naphthanic với oxyde cobalt Sau đó đượchoà tan trong xylene (nồng độ 10%) Hoá chất này có tác dụng hấp thụ oxygene không

khí và giải phóng oxygene dạng gốc, xúc tiến quá trình làm khô màng sơn bằng phản ứngtrùng hợp.

Octoate coban: được tổng hợp từ octoic acid và oxyde cobalt Có tác dụng tương tựnhư naphthanate cobalt, tồn tại dạng dung dịch 10% trong xylene Hai chất trên làm khômặt ngoài của màng sơn và được gọi là dung dịch Co2+

Octoate chì và octoate mangan: tồn tại dạng dung dịch 10% trong xylene Có tác dụnglàm khô mặt trong của màng sơn

1.4 Chất che phủ

Chất che phủ mang lại độ che phủ cho màng sơn Khả năng che phủ của chúng đượcthể hiện bằng độ che phủ: khối lượng chất sử dụng có thể che phủ hết một đơn vị diệntích Độ che phủ phụ thuộc vào bản chất hoá học và hình dạng chất che phủ

Các chất che phủ thông dụng được sắp xếp theo chiều giảm dần về độ che phủ như sau:TiO2> ZnO > CaCO3

- Màu hữu cơ: là các hợp chất hữu cơ hoặc phức của chúng Nó có khả năng tan trongdung môi thích hợp

1.6 Chất trợ nhớt và chống lắng

Chất trợ nhớt: có tác dụng làm tăng độ nhớt của sơn nhằm tránh hiện tượng chảy khi sửdụng sơn trên bề mặt thẳng đứng Ngoài ra, nó còn có tác dụng trong việc chống lắng cácthành phần trong sơn Chất trợ nhớt thường sử dụng là silica

Chất chống lắng: là hợp chất dạng giống như chất hoạt động bề mặt, có thể liên kết cácthành phần phân tán trong sơn để tránh hiện tượng lắng Một số chất chống lắng thôngdụng: stearat kẽm, stearat nhôm

1.7 Chất độn

Độn có mục đích chủ yếu là làm tăng khối lượng riêng cho sơn và giảm giá thành Một

số trường hợp nó làm tăng độ nhớt và một số tính năng khác của màng sơn như tính chất

màng sơn, khả năng thi công, kiểm soát độ lắng… Một số loại độn thường dùng làCaCO3, MgSO4…

1.8 Chất trợ phân tán

Hợp chất này cũng là một dạng chất hoạt động bề mặt, có tác dụng làm tăng độ phântán giữa các thành phần của sơn làm cho màng sơn đồng nhất Hiện nay có một số chất trợphân tán hiệu quả rất cao như BYK A905

1.9 Chất bảo vệ UV

Màng sơn khi sử dụng ngoài trời thường bị tác dụng của tia tử ngoại làm gãy mạchpolymer và phân hủy màu, làm cho màng sơn giòn, bong rộp, nhạt màu theo thời gian sửdụng Và hợp chất bảo vệ UV (như BYKA 305) có khả năng hấp thụ tia UV để tránh hiệntượng trên

1.10 Phụ gia chống vi sinh

Các phụ gia chống vi sinh chủ yếu là các chất có tính độc hại, được sử dụng để đưa vàosơn nhằm mục đích bảo vệ màng sơn tránh khỏi các sự tấn công của vi sinh vật như rong,tảo, hà Các loại sơn này thường sử dụng trong ngành vận tải đường sông, biển và chốngrong mốc Một số phụ gia phổ biến như: Cu2O, CuCl, Hg2O, hợp chất gốc phenol

1.11 Dung môi

Dung môi có tác dụng giúp cho sự phân tán của các thành phần trong sơn và tạo độnhớt thích hợp thuận tiện cho việc sử dụng Các yêu cầu chủ yếu của dung môi là:

- Có khả năng phân tán các thành phần trong sơn tốt

- Có tốc độ bay hơi phù hợp với công nghệ sơn

- Tính độc hại không cao

- Khả năng tự bắt cháy thấp

- Giá thành phù hợp

Trong một số trường hợp người ta trộn các dung môi lại với nhau để tạo được hỗn hợpdung môi có khả năng đáp ứng những yêu cầu trên Đối với sơn alkyd, dung môi sử dụngchủ yếu mang gốc hữu cơ như: dầu lửa, xăng, xylene, toluene…

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NHỰA ALKYD



-2 Phương pháp tổng hợp nhựa alkyd

2.1.1 Mono glyceride (chuyển hóa esther)

Trigliceride của dầu sẽ chuyển hóa esther với polyol dưới tác dụng của PbO

Phản ứng này sinh ra nước ở nhiệt độ cao dễ gây hiện tượng sôi trào Lượng xúc tácdùng càng ít càng tốt để nhận được nhựa alkyd có màu sáng, bền nước và bền kiềm Điểmdừng phản ứng là hỗn hợp tan tốt trong rượu (1 phần glycerine, 3 phần methanol hoặc 4phần ethanol)

Tùy theo tỷ lệ glycerine/dầu mà thu được sản phẩm là monoglyceride, diglyceride vàtriglyceride có những tỷ lệ khác nhau

Do trong dầu có acid béo tự do nên khi dùng PbO làm xúc tác sẽ xảy ra phản ứng trunghòa giữa chúng với nhau:

PbO + 2RCOOH→Pb(RCOO)2 + H2O (2)

3 Phản ứng monoesther (trùng ngưng)

Monoglyceride sẽ phản ứng với polyacid tạo monoesther

Đây là phản ứng tỏa nhiệt, ∆H khoảng -8 ÷ -10 (kcal/kmol) Khi tổng hợp mẻ lớn >

100 (kg) cần lưu ý giải nhiệt cho phản ứng

Phản ứng thường kéo dài 1 giờ Thời điểm dừng của phản ứng là AP tan hết và không

có hiện tượng AP thăng hoa bám trên thành bình cầu

<170 o C

3.1.1 Phản ưng đa tụ tạo alkyd

Đây là phản ứng cân bằng, cần phải lấy H2O ra để tăng hiệu suất cho phản ứng.Thường dùng xylene để tạo hỗn hợp đẳng phí với H2O để lôi cuốn hơi nước ra ngoài Tỷ

lệ xylene/nước = 4/1 về khối lượng

Thời điểm dừng của phản ứng là chỉ số acid CA của mẫu tổng hợp < 30

- Khi độ chức của các tác chất f ≥3, phản ứng tạo mạng không gian dễ xảy ra làm gel sảnphẩm Do đó, alkyd gầy khó nấu hơn alkyd béo

Quá trình polyester hóa có thể tiến hành ở dạng nóng chảy hay dạng dung dịch Khi ởdạng nóng chảy, quá trình được tiến hành ở nhiệt độ 200 – 250oC và kèm theo sự nhiệtphân mạnh các ester của phthalic acid tổn thất nhiều AP Điều đó gây khó khăn cho việcnhận được nhựa có acid thấp và sáng màu

Khi thực hiện giai đoạn 2 ở dạng dung dịch với dung môi trơ (xylene…) người ta nhậnđược nhựa alkyd đồng nhất và sáng màu hơn Dung môi tạo với nước thành hỗn hợp đẳngphí nên dễ tách ra Trong trường hợp này các chất phản ứng không bị hóa nhiệt, trongbình phản ứng sinh ra hơi dung môi trơ bao trùm khoảng không của bình phản ứng, do đóloại bỏ khả năng bị gel hóa

Màng sơn nhận được từ nhựa tổng hợp trong môi trường dung môi thì đóng rắn nhanhhơn, cứng hơn và ít thấm nước hơn màng được tổng hợp ở dạng nóng chảy Điều nàyđược giải thích là do tăng hàm lượng AP trong nhựa và giảm lượng hydroxyl tự do Tuynhiên phương pháp dung dịch đòi hỏi thiết bị phức tạp hơn, lượng nhiệt tiêu hao nhiềuhơn so với phương pháp nóng chảy

+ 2n H2O

n

Ở giai đoạn ester hóa, quá trình phản ứng có thể kiểm tra bằng sự thay đổi nhómcarboxyl tự do khi trùng ngưng thông qua xác định chỉ số acid và độ nhớt Thông thườngtrị số acid phải nhỏ hơn 15.

• Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp rượu hóa:

- Ưu điểm: không phải tách acid béo mà có thể dùng trực tiếp dầu thảo mộc, tiến hành cảhai giai đoạn trong một thiết bị phản ứng

- Nhược điểm: thời gian dài, khó kiểm tra chính xác điểm kết thúc

4 Quy trình tổng hợp nhựa alkyd

4.1.3 Đa tụ nhựa và tách nước

Duy trì nhiệt độ 230oC trong khoảng 3 giờ, xác định điểm dừng của phản ứng bằngcách lấy một ít mẫu thử hòa tan vào trong methanol theo tỷ lệ 1:3 Nếu mẫu thử bị hòa tanhoàn toàn thì mở nước làm nguội, hạ nhiệt độ hỗn hợp xuống 170oC trong khoảng 1 giờ

để hỗn hợp ổn định Cho AP vào từ từ và sục khí trơ N2 để đuổi oxy nhằm tránh phản ứngphụ (tạo phản ứng truyền mạch không mong muốn) và duy trì nhiệt độ này khoảng 2 – 3giờ cho AP tan hết và tránh sự thăng hoa của AP Sau đó nâng nhiệt độ lên 230 – 240oC lànhiệt độ thích hợp cho phản ứng trùng ngưng, đồng thời tách nước ra khỏi hỗn hợp bằngcách cho xylene vào thùng định mức và đưa vào nồi từ từ để tách nước do phản ứng sinh

ra (cho một phần xylene bằng 3% khối lượng hỗn hợp) Hỗn hợp đẳng phí xylene - nướcqua thiết bị ngưng tụ và hoàn lưu xylene trở lại nồi nấu nhựa

Tiếp tục duy trì nhiệt độ 230 - 240oC khoảng 5 - 6 giờ đến khi độ nhớt và chỉ số acidđạt yêu cầu (nhỏ hơn 20) thì ngừng gia nhiệt Trong thực tế sản xuất thường dùng tay kéonhựa thành sợi dài 1 (m) là đạt yêu cầu.

4.1.4 Pha loãng

Mở nước làm nguội đến 150oC và xả qua nồi pha loãng, mở khuấy, mở nước vào thiết

bị ngưng tụ, làm nguội đến 70oC, cho xylene từ thùng chứa vào nồi pha loãng để phaloãng nhựa thành dung dịch đặc có hàm lượng nhựa khoảng 70%

Glycerine, dầulanh

Giảm nhiệt

Đạt

Không đạtXylene

Không đạtThử hòa tan trong methanol

Gia nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp nhựa alkyd

Sản phẩm nhựaalkyd

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT

VÀNĂNG LƯỢNG



-3.1 Phân xưởng sản xuất nhựa alkyd 2000 tấn/năm

3.1.1 Số ngày làm việc trong năm

Số ngày chủ nhật: 52

Số ngày lễ tết: 16

Số ngày sửa chữa, bảo trì máy: 12

Vậy số ngày làm việc trong năm = 365 - (52 + 16 + 12) = 285 (ngày)

3.1.2 Năng suất của một ngày làm việc

Năng suất của phân xưởng nhựa: 2000 (tấn/năm)

Năng suất một ngày làm việc: 2000/285 = 7,018 (tấn/ngày)

Chọn số mẻ nấu: 2 (mẻ/ngày), mỗi mẻ mất thời gian khoảng 20 giờ, công nhân làmviệc 3 ca bao gồm thời gian vệ sinh và nhập, tháo nguyên liệu và nhựa thành phẩm

Năng suất mỗi mẻ: 7,018/2 = 3,539 (tấn/mẻ)

Vậy cần có 2 thiết bị thực hiện tổng hợp nhựa alkyd cùng lúc, năng suất mỗi thiết bị là3,539 (tấn/mẻ)

3.1.2 Cân bằng vật chất

3.1.2.1 Tính toán đơn nấu alkyd

Chọn nhựa alkyd sản xuất sơn là nhựa alkyd béo với hàm lượng dầu 60%, nguyên liệuchính để tổng hợp là dầu lanh, glycerine, AP

• Phương trình tổng hợp nhựa:

1 mol dầu lanh + 2 mol glycerine → 3 mol monoglycerit

3 mol monoglycerit + 3 mol AP →nhựa + 3 mol H2O

1 molglycerine + 1,5 mol AP → nhựa + 1,5 mol H2O

92 (g)1,5 x 148 (g)1,5 x 18 (g)

Hiệu suất phản ứng tạo nhựa:

H =

M: trọng lượng hỗn hợp phản ứng, g

a: Lượng nước tách ra, g.

→ H = = 91,4%

3.1.2.2 Tính toán nguyên liệu cho một ngày làm việc

Nấu nhựa alkyd với hàm lượng rắn 70% hòa tan tỏng hệ dung môi xylene

Tỷ lệ dung môi hòa tan với nhựa = dung môi : nhựa = 30 : 70

Khối lượng nhựa nấu trong 1 ngày: 7,018 x 0,7 = 4,913 (tấn) = 4913 (kg)

Nấu mỗi ngày 2 mẻ:

Lượng PbO (khoảng 0,2% dầu):mPbO = 0,2% x 1473,9 = 2,94 (kg)

Số mol nước tạo thành trong phản ứng bằng số mol AP tham gia phản ứng nên khốilượng nước tạo ra khi tổng hợp là:

mH2O = nH2O x MH2O

= x MH2O =x 18 = 92,44 (kg)Xylene tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, gồm 20% H2O và 80% xylene, sau đó xylenetách ra được tái sử dụng bằng 80% luợng xylene đã dùng

mxylene1(để lôi cuốn hơi nước) = 92,44 x = 369,76 (kg)

mXylene bổ sung = 369,76 x 0,2 = 73,95 (kg)

Khối lượng xylene hòa tan nhựa là:

m = 3539 – 2456,50 = 1082,50 (kg)

mxylene2(để hòa tan nhựa) = 1082,50 (kg)

Khối lượng xylene dùng nấu 1 mẻ:

m = mxylene1 + mxylene2 = 369,76 + 1082,50 = 1452,26 (kg)

Bảng 3.1: Nguyên liệu sử dụng trong 1 mẻ nấu

Lượng lý thuyết(kg) Tỉ lệ hao hụt (%) Lượng thực tế(kg)

Sau mỗi 1 mẻ, khối lượng xylene cần cung cấp là:

m’lý thuyết = mxylene bổ sung + mxylene 2 = 73,95 + 1082,50 = 1156,45 (kg)

→ m’thực tế = 1156,45 x 1,04 = 1202,70 (kg)

Bảng 3.2: Thống kê nguyên liệu sử dụng trong 1 năm

3.1.3 Cân bằng năng lượng

Hình 3.1 Giản đồ nhiệt độ theo thời gian trong quá trình nấu nhựa alkyd 3.1.3.1 Giai đoạn 1

Hỗn hợp phản ứng đầu tiên tại nhiệt độ phòng gồm glycerine và dầu lanh, để tổng hợpmonoglycerit cần gia nhiệt đến 170oC, sau đó cho xúc tác PbO vào và gia nhiệt đến

230oC Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình này là:

Phản ứng ở giai đoạn 2 là phản ứng thu nhiệt: ∆H2x = 15 (kcal/mol)

Số mol dầu: nd = = x 1000 = 1559 (mol)

Theo phản ứng, cứ 1 mol dầu tạo ra 3 mol monoglycerit Vậy số mol monoglycerit tạothành là:

3.1.3.3 Giai đoạn3

Giai đoạn chuẩn bị thực hiện quá trình trùng ngưng monoglycerit, hỗn hợp phản ứngđược hạ nhiệt độ từ 230oC xuống 170oC bằng cách làm nguội bằng nước qua thiết bị vỏ áobọc bên ngoài thiết bị phản ứng Lượng nhiệt trong giai đoạn này là:

- Nhiệt lượng dùng để nâng AP từ 30oC lên 170oC

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng AP và monoglycerit ∆H4

- Nhiệt tổn thất Qtt4

• Nhiệt lượng cần cung cấp cho giai đoạn 4:

Q4 = QAP + ∆H4 + Qtt4

Trong đó:

∆H4: Hiệu ứng nhiệt giữa AP và monoglyceride

Ta có: Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn: ∆H4x = 10 (kcal/mol)

Số mol AP tham gia phản ứng là:

nAP = = x 1000 = 5187 (mol)

- Hiệu ứng nhiệt phản ứng ∆H6.

- Nhiệt lượng cần để đưa xylene từ 30oC đến 90oC là Q6’

- Nhiệt lượng cần để hóa hơi hỗn hợp đẳng phí là Q6”

Khối lượng xylene cần là: mxylene = 93,366 x= 373,46 (kg)

Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn của phản ứng tạo nước:

Bảng 3.3: Tóm tắt nhiệt lượng và thời gian qua các giai đoạn tổng hợp nhựa alkyd

Giai đoạn Thời gian (h) Nhiệt lượng (kJ.103)

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

mhh: khối lượng của hỗn hợp phản ứng, kg

ρhh: khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3

mhh = mdầu + mgly + mAP + mPbO = 2583,93 (kg)

Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

X1, X2,X3,X4: thành phần (%) về khối lượng của các chất tham gia phảnứng

ρ1, ρ2, ρ3, ρ4: khối lượng riêng tương ứng, kg/ m3

Dầu lanh: ρ1 =934 (kg/m3) (theo - [8])

4.1.2 Tính đường kính và chiều cao thân

Chọn thiết bị có đáy nắp elip có gờ cao h = 40 (mm)

Đáy hàn trực tiếp vào thân và nắp liên kết với thân bằng bích

Do phản ứng của quá trình nấu ở nhiệt độ và áp suất cao nên vật liệu làm nối phải chịuđược nhiệt độ cao, chịu ăn mòn hóa học Chọn thân, đáy và nắp được làm bằng thép12MX: σk = 450 x106 (N/ m2), σc =280 x 106 (N/ m2)

Thân hình trụ được hàn bằng thép, được hàn giáp mối hai bên

Gọi : Dt là đường kính trong của nồi phản ứng (m)

Ht là chiều cao của thân (m)

Chọn Dt =1,4 (m)

Chiều cao phần lồi của đáy (nắp): ht = 0,35 (m)

Chiều cao đáy:

4.1.3 Tính bề dày của thân

• Bề dày thân hình trụ tính theo công thức (công thức XIII.8 - [2]):

S = + C

Dt: đường kính trong của thiết bị Dt = 2,1 (m)

P: Áp suất bên trong của thiết bị, N/m2

Với P = Plv + Ptt

Plv: áp suất làm việc

Ptt: áp suất thủy tĩnh

• Tính áp suất bên trong thiết bị

Thiết bị làm việc ở áp suất thường nhưng để vận hành an toàn nhất, thiết bị cần có mộtđồng hồ đo áp lực, một van xả khí không ngưng và áp suất làm việc ta chọn là 1(at)

φ: hệ số bền hàn của thân hình trụ theo phương dọc, tra bảng 1.8 - [4]; φ = 0,95

σ: ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo thiết bị

Để xác định ứng suất cho phép ta lấy giá trị bé nhất giữa [σk] và [σc]

σk = , (N/m2)

σc = , (N/m2)Tra bảng XII.4 - [2]:

σk =450 x 106 (N/m2)

σc = 280 x 106 (N/m2)

Thiết bị thuộc loại II, nhóm I

Tra bảng XIII.2 - 2 của [2], hệ số hiệu chỉnh η = 0,9

Do đó có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong công thức tính bề dày:

S = + C (m)

C: hệ số bổ sung

C = C1 + C2 +C3 (m)

C1: lượng thêm vào để bù vào lượng bị ăn mòn tùy thuộc vào môi trường

ăn mòn và thời hạn sử dụng của thiết bị Vì thép M12 bền và thời gianlàm việc khoảng 15 - 20 năm

Nên chọn C1 = 2,5 (mm)

C2: hệ số bổ sung do mài mòn cơ học Chọn C2 = 0

C3: hệ số bổ sung do dung sai âm trong quá trình gia công chế tạo, lắpráp C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm, loại vật liệu Chọn C3 = 0,5(mm)

Co: Hệ số bổ sung quy tròn kích thước, lấy Co = 1,7 (mm)Vậy: S = + 4,7 = 5,35 (mm)