Расчет участка по производству эпоксидных олигомеров средней молекулярной массы, мощностью 5000 тонн/год

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Обоснование выбора технологического процесса

1.1 Обоснование выбора технологического процесса

1.2 Обоснование выбора способа производства

1.3 Выбор аппаратурного оформления

1.4 Выбор способа обогрева

1.5 Выбор перемешивающего устройства

1.6 Выбор оснастки реактора

1.7 Выбор оборудования для фильтрации

1.8 Выбор оборудования для транспортирования сырья и дозирования сырья

2. Технологические расчеты

2.1 Материальные расчеты

2.1.1 Расчет материального баланса на 1 реактор

2.2 Потребность в сырье

2.3 Нормы образования побочных продуктов

2.4 Расчет эффективного фонда времени работы оборудования

2.5 Расчет количества оборудования

2.5.1 Расчет числа реакторов

2.5.2 Расчет объемного оборудования

3. Описание аппаратурно-технологической схемы производства

3.1 Характеристика готовой продукции

3.2 Характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

3.3 Описание технологической схемы

3.4 Нормы технологического режима

3.5 Контроль производства

4. Технические расчеты

4.1 Тепловой расчет на реактор объемом 6,3 м³

4.2 Тепловой расчет на реактор объемом 12,6 м³

4.3 Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника

4.4 Расчет площади поверхности и геометрических размеров наружного змеевика

4.5 Расходные нормы теплоносителей на 1 тонну готового продукта

4.6 Механические расчеты

4.6.1 Расчет механического перемешивающего устройства реактора

4.6.2 Расчет реактора на прочность

5. Автоматизация технологического процесса производства эпоксидной смолы Э-40

5.1 Обоснование выбора точек контроля и регулирования

5.2 Описание принятой схемы автоматизации

5.3 Заказная спецификация на средства контроля и регулирования

6. Охрана труда и защита окружающей среды

6.1 Основные опасности производства

6.2 Характеристика проектируемого производства

6.2.1 Санитарно-гигиеническая характеристика производства

6.2.2 Токсикологические характеристики веществ и материалов, обращающихся на производстве

6.2.3 Показатели взрыво-, пожароопасности веществ и материалов

6.3 Электробезопасность проектируемого производства

6.4 Мероприятия по защите от статического электричества

6.5 Инженерно-техническое решение по устранению опасностей в технологических процессах

6.5.1 Инженерно-техническое решение по устранению опасностей в технологических процессах

6.5.2 Молниезащита производства эпоксидной смолы

6.6 Производственная санитария

6.6.1 Метеорологические условия на производстве

6.6.2 Вентиляция

6.6.3 Производственное освещение

6.6.4 Мероприятия по защите от шума и вибрации

6.7 Пожарная профилактика

6.8 Водоснабжение и канализация

6.9 Расчет искусственного освещения

6.10 Защита окружающей среды

6.10.1 Сточные воды

6.10.2 Твердые и жидкие отходы

7. Архитектурно-строительное решение

8. Технико-экономический раздел

8.1 Расчет балансовой стоимости основных производственных фондов

8.1.1 Балансовая стоимость здания

8.1.2 Балансовая стоимость основного и вспомогательного оборудования

8.2 Текущие издержки производства смолы Э-40

8.2.1 Расчет материальных затрат

8.2.2 Определение фонда оплаты труда отдельных категорий промышленно-производственного персонала

8.2.2. 1 Состав и численность рабочих

8.2.2.2 Годовой фонд оплаты труда рабочих

8.2.2.3 Состав и численность руководителей, специалистов и служащих

8.2.2.4 Годовой фонд оплаты труда руководителей, специалистов и служащих

8.2.3 Смета затрат на содержание и эксплуатацию оборудования

8.2.4 Смета цеховых расходов

8.2.5 Полная себестоимость 1 тонны смолы Э-40

8.3 Показатели экономической эффективности проекта

8.3.1 Чистая текущая стоимость проекта

8.3.2 Срок окупаемости инвестиций

8.4 Технико-экономические показатели проекта Список использованных источников2

Введение

Без продукции лакокрасочной промышленности не может обойтись ни одна отрасль народного хозяйства, т.к. лакокрасочные материалы при нанесении на различные подложки выполняют множество функций — защитные, декоративные, специальные и др. В качестве пленкообразующих веществ для большинства лакокрасочных материалов используются синтетические полимеры и олигомеры. Использование синтетических пленкообразователей позволило расширить сырьевую базу лакокрасочной промышленности, а также создать новые более совершенные лакокрасочные материалы, которые принципиально невозможно получить на основе только природных продуктов. Это позволило, в частности, решить проблему получения долговечных, атмосферо-, термо-, и химстойких покрытий с высокими декоративными свойствами. К их числу относятся в первую очередь материалы на основе полиэфиров, эпоксидных олигомеров, олигоуретанов, политетрафторэтилена и многих других. [1]

Разнообразие эпоксидных олигомеров и применяемых отвердителей позволило создать большое количество лакокрасочных материалов различного назначения.

Лакокрасочные материалы на основе эпоксидных олигомеров обладают комплексом таких ценных свойств, как высокая адгезия к металлическим и неметаллическим поверхностям, стойкость к действию воды, щелочей, кислот, ионизирующих излучений, малая пористость, незначительная влагопоглощаемость и высокие диэлектрические показатели, их применяют для получения ответственных покрытий самого различного назначения, в том числе для получения химически стойких, водостойких, электроизоляционных и теплостойких покрытий.

В течение последних лет появились новые виды материалов на основе эпоксидных олигомеров. К их числу относятся порошки, системы без растворителей, а также водоразбавляемые и вододисперсионные материалы.

Эпоксидные олигомеры делят на три вида: диановые, алифатические, феноксисмолы. Получают их взаимодействием эпихлоргидрина с гидроксилсодержащими соединениями (дифенилолпропан, этиленгликоль, диэтиленгликоль, наволачные фенолформальдегидные олигомеры). Кроме того, свойства эпоксидных олигомеров можно варьировать в широких пределах, вводя в их состав мономеры с различными свойствами. 2]

Диановые эпоксидные олигомеры лучше всего растворяются в кетонах, а также этилацетате и бутилацетате. Они хорошо совмещаются с алкидами, фенолформальдегидными олигомерами, аминоформальдегидными олигомерами и полиуретанами.

Алифатические эпоксидные олигомеры в отличие от диановых очень низковязкие, а отвержденные покрытия на их основе не водостойкие.

Все эпоксидные олигомеры в чистом виде не отверждаются (не зашиваются) и требуется добавлять отвердитель. Отверждение осуществляется с помощью отвердителей: сшивающего типа (аминные, кислотные, полизоцианаты, аминоформальдегидные олигомеры, фенолформальдегидные олигомеры). Эпоксидные олигомеры (смолы) применяют как индивидуально, так и в сочетании с другими пленкообразователями. На основе низкои среднемолекулярных эпоксидных смол можно получать пленкообразующие системы, не содержащие растворителя.

Поскольку эпоксидные олигомеры обладают комплексом ценных свойств и их ассортимент отличается большим разнообразием, спрос на эпоксидные олигомеры на рынке увеличивается. С другой стороны, производство эпоксидных смол по стране сокращается, соответственно организация производства эпоксидной смолы Э-40 является актуальной.

1. Обоснование выбора технологического процесса

1.1 Обоснование выбора технологического процесса Под эпоксидными пленкообразующими обычно понимают олигомеры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп, за счет которых происходит образование пространственного (сетчатого) полимера.

В основе промышленного способа получения эпоксидных диановых олигомеров положена реакция взаимодействия эпихлоргидрина с дифенилолпропаном с последующим дегидрохлорированием образующихся хлоргидриновых эфиров. Реакция проводится в присутствии гидроксида натрия (обычно в виде водного раствора), играющего роль катализатора и дегидрохлорирующего агента.

Диановые эпоксидные олигомеры принято делить на три группы: низко-, среднеи высокомолекулярные.

Молекулярная масса эпоксидных олигомеров определяется условиями проведения технологического процесса.

Синтез низкомолекулярных эпоксидных олигомеров проводят в большом избытке эпихлоргидрина, необходимом для подавления реакции роста полимерной молекулы. Это обстоятельство определяет специфические особенности процесса. Будучи введенным в реакционную массу в значительном количестве, эпихлоргидрин выполняет функции реагента и растворителя. Синтез олигомера до сравнительно высоких степеней завершения процесса протекает в однофазной системе. 2]

Синтез олигомеров средней молекулярной массы и высокомолекулярных смол проводится гетерофазно в водно-органической среде с добавкой или без добавки органического растворителя. Молекулярная масса полученного олигомера в первую очередь зависит от соотношения исходных реагентов и состава органической фазы. Среднеи высокомолекулярные олигомеры могут образовываться также при взаимодействии низкомолекулярных олигомеров с дифенилолпропаном. Процесс обычно проводят в расплаве при температурах 160−210 оС, часто в присутствии катализаторов — третичных аминов. Этот способ получения диановых эпоксидных олигомеров принято называть методом сплавления.

Метод гетерофазной конденсации эпихлоргидрина с дифенилолпропаном имеет целый ряд преимуществ по сравнению с методом сплавления. Прежде всего, он универсален и позволяет получать полимеры с очень широким диапазоном молекулярных масс (от 600 до 6000). Процесс ведут в мягких условиях (при 70−80 оС) и получают олигомеры, более однородные по составу (узкое молекулярно-массовое распределение). Данный метод позволяет осуществить синтез олигомеров в одну стадию и открывает возможность проведения процесса непрерывным способом.

В данном проекте для производства эпоксидного олигомера выбираем способ, основанный на конденсации эпихлоргидрина с дифенилолпропаном в щелочной среде при 1,5−2 кратном избытке эпихлоргидрина. Для улучшения растворения образующегося олигомера синтез проводится в среде растворителя — толуола. Для уменьшения количества сточных вод применяем 25-% раствор щелочи. Кроме того, в технологический процесс вводится стадия отгонки непрореагировавшего эпихлоргидрина.

Введение

этой стадии позволяет уменьшить потери эпихлоргидрина и гидроксида натрия за счет гидролиза; позволяет уменьшить количество побочных продуктов и уменьшить себестоимость продукта за счет использования возвратного эпихлоргидрина.

1.2 Обоснование выбора способа производства Существуют три способа организации производства: непрерывный, периодический, полунепрерывный.

При непрерывном способе производства схема состоит из аппаратов непрерывного действия, в поперечном сечении которых свойства веществ не меняются, их превращение наблюдается по длине процессов. Этот способ целесообразно применять при крупнотоннажных производствах.

Достоинства:

— высокая производительность;

— высокий уровень механизации и автоматизации;

— высокое качество продукта;

— относительно невысокие потери сырья;

— малая доля вспомогательного оборудования;

— стабильное качество продукта.

Недостатки:

— дорогое оборудование;

— сложность переналадки на выпуск другой родственной продукции.

При периодическом способе производства технологическая схема состоит из аппаратов периодического действия. В этом случае сырье по пути превращения в готовый продукт проходит последовательно несколько аппаратов, в которых за счет активного перемешивания создается «режим идеального вытеснения». Данный способ применим для малотоннажных производств.

Достоинства:

— относительно невысокая стоимость оборудования;

— простота оборудования;

— легкость переналадки на выпуск другой родственной продукции, пользующейся спросом.

Недостатки:

— высокая стоимость готовой продукции;

— высокая доля вспомогательного оборудования;

— нестабильное качество продукта от партии к партии;

— большие потери.

Поскольку производство является малотоннажным и технология предусматривает множество дополнительных операций (отгонку эпихлоргидрина, толуола, фильтрацию и др.), то целесообразно выбрать периодическую схему организации производства.

1.3 Выбор аппаратурного оформления Основными критериями, определяющими выбор конструкции реактора для проведения синтеза, являются способ производства (периодический или непрерывный), его температурный режим, вязкость и фазовое состояние реакционной массы (гомогенная, гетерогенная). Для проведения периодических процессов применяются вертикальные цилиндрические аппараты со сферическими или эллиптическими днищами и крышками.

К периодически действующим реакторам смешения, предъявляется ряд требований:

1) Достаточно хорошее перемешивание реакционной массы при условии максимальной интенсивности процесса теплообмена.

2) Наличие смотрового люка и светового фонаря для наблюдения за состоянием реакционной смеси в процессе и осмотра внутренних частей реактора.

В соответствии с выбранной схемой производства выбираем вертикальный цилиндрический реактор с эллиптическим днищем и сферической крышкой.

Поскольку реакционная среда в аппарате является коррозионно-активной, то реактор должен быть изговлен из коррозионно-стойкой стали. Для снижения стоимости, реактор выполняем из двухслойной стали — сталь Ст3, плакированная хромово-никелево-молибденовой сталью Х17Н13М2Т. 6]

1.4 Выбор способа обогрева В зависимости от типа полимера температура синтеза в основном может быть в пределах 30−300 °С. Обогрев может производиться 3 способами:

А) Обогрев продуктами сгорания топлива Б) Обогрев теплоносителями В) Электрообогрев А) Обогрев продуктами сгорания топлива В качестве топлива применяют твердое топливо (уголь, торф) и жидкое (мазут).

Топливо сжигают в выносных топках, в результате образуются дымовые газы, которые и обогревают реактор. Газообразное топливо сжигают непосредственно под днищем реактора через небольшие тарелки (огневой обогрев), но коэффициент полезного действия (КПД) очень низкий и варьируется в пределах:

КПД (твердое) = 15%

КПД (жидкое) = 30%

КПД (газообразное) = 60%

Недостатки:

— Низкий КПД

— Достаточно высокая пожарои взрывоопасность

— Проблемы с охлаждением Б) Обогрев теплоносителями В качестве теплоносителя используются:

— Горячая вода (нагревает реакционную массу до 80−85 °С)

— Водяной пар — доступный и относительно дешевый теплоноситель, имеющий высокий коэффициент теплоотдачи, равный 5000−10 000 Вт/м2К

— Высокотемпературный органические теплоносители (ВОТ) — дифенильная смесь, кремнийорганическая жидкость, минеральное масло.

Дифенильная смесь (ДФС) представляет собой смесь дифенила и дифенилового эфира.

Особенности ДФС:

— применяется как в жидком виде, так и в парообразном

— давление паров ДФС в 30−35 раз меньше, чем давление водяного пара

— при 320 °C ДФС может эксплуатироваться несколько лет. При температуре 350 °C — до года. Критерием оценки срока эксплуатации является накопление в ДФС продуктов разложения в размере 10%.

Достоинства обогрева жидкой ДФС:

— Время нагрева и охлаждения значительно меньше по сравнению с электроиндукционным обогревом за счет использования качественной теплопередающей поверхности змеевиков;

— Возможность тонкого регулирования температуры, что обеспечивает высокое качество полимера;

— Более низкая стоимость по сравнению с электроиндукционным обогревом (если нагревают ДФС дымовыми газами сгорания мазута)

— Не коррозирует конструкционные стали Недостатки:

— Жидкий ДС очень легко проникает через места уплотнения (фланцевые соединения трубопроводов, запорные арматуры, сальниковые уплотнители и т. д.). Это вызывает необходимость применения сложных коммуникаций и запорных устройств для обеспечения герметичности

— Пары ДФС токсичны (раздражают слизистую)

— Пожароопасность при высоких температурах.

В качестве ВОТ наибольшее применение получили кремнийорганические жидкости. Данный теплоноситель представляет собой полидиметилсилоксановый олигомер, модифицированный специальными добавками, повышающими устойчивость к пиролизу и окислению.

Достоинства:

— пожаробезопасен;

— сохраняет низкую вязкость в условиях крайне низких температур

(до минус 50 оС);

— не токсичен, не включен в список опасных веществ;

— безопасен для окружающей среды;

— стабилен по тепловым характеристикам;

— не обладает коррозионной активностью;

— не имеет запаха;

— химически инертен, взрывобезопасен, является трудногорючим.

Недостатки:

— при повышенных температурах чувствителен к химическим загрязнениям (кислотами, основаниями, кислородом и др.).

При обогреве теплоносителями возможны различные конструкции теплопередающих поверхностей:

а) для обогрева парами применяются гладкие рубашки.

Если по технологии предусмотрена ступенчатая загрузка веществ, то рубашка выполняется секционированной;

б) при обогреве жидкими теплоносителями гладкие рубашки непригодны, поскольку имеют большое сечение, что не позволяет обеспечить нужную скорость протекания жидкого теплоносителя. Следовательно, коэффициент теплоотдачи будет иметь небольшое значение.

Для жидких теплоносителей применяют профильные конструкции в виде труб, полутруб, или уголков.

в) Внутренние змеевики — применяются как для обогрева парами, так и жидкими теплоносителями;

В) Электроиндукционный обогрев Принцип работы — реактор помещают в индуктор, представляющий катушку с намотанным изолированным медным проводом. На катушки подают переменный электрический ток, в результате возникает переменное магнитное поле, которое пронизывает стенки реактора. Согласно закону электромагнитной индукции, в стенках реактора наводятся вторичные токи (токи Фуко), которые и нагревают стенки реактора. Таким образом, данное устройство по сути является трансформатором, где первичная обмотки — индуктор, а вторичная обмотка — корпус реактора.

Достоинства:

— высокий КПД = 90%

— низкий перепад температур между стенками реактора и реакционной массой (5−8°С в стационарном режиме)

— тонкая регулировка благодаря небольшой температурной инерции, что благоприятно сказывается на свойствах полимеров

— возможность осуществления управления температурным режимом с дистанционного пульта

— относительная простота Недостатки:

— дороговизна электроэнергии.

Комбинированный обогрев применяют с целью экономии энергии. До 120 °C нагревают водяным паром через внутренний змеевик, а затем включают электроиндукционный обогрев.

Устройство электроиндукционного нагревателя должно удовлетворять требованиям правил устройства электрооборудования. Согласно этим требованиям катушки должны быть закрыты кожухом, чтобы исключить их контакт с атмосферой цеха, то есть исключить действие искрообразования, а также вредных газов. Кроме того, через кожух пропускается чистый воздух со строго определенным давление. При этом имеется автоблокировка, то есть если при какой-то причине давление чистого воздуха стало меньше нужного, индуктор автоматически отключается. К кожуху предъявляют следующие требования — герметичность, прочность, немагнитный ненагревающийся материал.

В данном проекте применяем обогрев водяным паром через наружный змеевик. Поскольку температура синтеза смолы не превышает 100 оС, то нет необходимости использовать другие виды обогрева.

Рубашка реактора состоит из двухсекционного змеевика, в который в зависимости от стадии технологического процесса, пускают либо водяной пар для обогрева, либо холодную воду для охлаждения.

1.5 Выбор перемешивающего устройства Механические перемешивающие устройства (МПУ) делятся по разным признакам:

1) конструкция (турбинные с вертикальными, прямыми и изогнутыми, наклонными лопатками; пропеллерные; лопастные, якорные, рамные);

2) по типу течения (радиальный; аксиальный; тангенциальный);

3) по скорости вращения (быстроходные и тихоходные).

а) Турбинные МПУ:

— с вертикальными прямыми лопатками;

— с вертикальными изогнутыми лопатками;

— с наклонными прямыми лопатками;

— с горизонтальными дисками, к которым приварены вертикальные лопатки.

б) Пропеллерные МПУ:

— стандартный корабельный винт;

— с отверстиями (для трудносмачивающихся порошков);

— с зубчатыми краями (для волокнистых материалов).

в) Лопастные (листовые, ластовые) МПУ:

— с вертикальными прямыми низкими лопатками;

— с вертикальными прямыми высокими лопатками;

— с наклонными прямыми лопатками.

г) Якорные МПУ:

— стандартный якорь;

— с «пальцами» и отражательными перегородками.

д) Рамные МПУ:

— стандартный вариант;

— якорно-рамные.

Ввиду высокой вязкости и отсутствия внутреннего змеевика выбираем якорно-рамную мешалку.

1.6 Выбор оснастки реактора Оснастка реактора — это система для отгонки, конденсации или улавливания летучих погонов, которые образуются в реакторе, а также для соединения реактора с внешней средой.

Тип оснастки определяется технологическим режимом процесса, в частности давлением, температурой и т. д.

Для отгонки побочного продукта можно применять следующие типы оснастки реактора:

а) оснастка для азеотропной отгонки:

— классический вариант — оборудование для данной оснастки включает теплообменник для нагревания паров азеотропной смеси; наклонный конденсатор для охлаждения паров азеотропной смеси; разделительный сосуд для разделения воды и ксилола.

Достоинства: высокая эффективность, позволяет возвращать ксилол в зону синтеза, относительная простота конструкции.

Недостатки: потери фталевого ангидрида.

— по методу Du Pont

В данном варианте вместо теплообменника устанавливается насадочная колонна, обогреваемая паром. Температура внутри колонны должна быть такой, чтобы пары азеотропной смеси свободно проходили через нее в конденсатор, а фталевый ангидрид оседал на насадке колонны. Пары азеотропной смеси конденсируются, затем в разделительном сосуде конденсат разделяется, вода сливается, а ксилол насосом подается в верхнюю часть колонны. Проходя через насадку колонны, ксилол смывает фталевый ангидрид обратно в реактор.

Достоинства: высокая эффективность, позволяет возвращать ксилол в зону синтеза, относительная простота конструкции, возврат фталевого ангидрида в реактор.

б) блочная оснастка:

Данная оснастка включает сублимационную трубу и уловитель мокрых погонов. Метод основан на том, что при высокой температуре происходит испарение воды, пары направляются в сублимационную трубу, имеющую температуру 120 0С, где нагреваются и поступают в уловитель мокрых погонов. В уловителе, через форсунку распыляется охлажденная вода, за счет чего происходит конденсация паров воды.

Достоинства: простота конструкции.

Недостатки: под действием высокой температуры фталевый ангидрид гидролизуется во фталевую кислоту, которая выводится вместе с конденсатом.

Поскольку в проекте предусмотрена стадия отгонки эпихлоргидрина и толуола, то целесообразно выбрать классический вариант оснастки. Кроме того, она является наиболее эффективной и простой в плане конструктивных особенностей.

1.7 Выбор оборудование для фильтрации В настоящее время все аппараты для очистки лаков делятся на основные группы:

А) тарельчатые фильтры;

Б) патронные фильтры;

В) мешочные (рукавные) фильтры.

А) тарельчатые фильтры Особенности: очищают лаки с частицами загрязнений любой плотности; эффективны при очистке лаков, требующих вызревания; позволяют совмещать процессы фильтрования и адсорбции.

Для ускорения фильтрации в лак вводят адсорбенты: микроасбест, перлит. Благодаря этим веществам на фильтре образуется пористый осадок, что увеличивает продолжительность фильтрации.

Тарельчатые фильтры по конструкции делятся на фильтры с механизированной выгрузкой осадка, фильтры с ручной выгрузкой осадка, плитные фильтры.

а) Тарельчатые фильтры с механизированной выгрузкой осадка Особенности: работают под давлением 0,4−0,6 МПа, работают с адсорбентами, площадь поверхности фильтровального элемента 10, 15, 20 м².

Достоинства:

— высокая механизация, минимум ручного труда;

— высокая степень очистки вязких лаков;

— возможность совмещения фильтрации и адсорбции;

— большая производительность единичного аппарата;

— полная герметичность.

Недостаток — необходимость применения дорогостоящих вспомогательных веществ — адсорбентов.

Аппарат представляет собой корпус, в котором расположен полый вал с укрепленными на нем дисками. Они представляет собой конус с горизонтальной верхней поверхностью, на которой находится фильтровальный элемент. Внутренняя часть диска (тарелки) соединяется с полым валом. При вращении вала осадок отбрасывается с дисков к стенкам и потом удаляется.

б) Тарельчатые фильтры с ручной выгрузкой осадка Особенности: работает под давлением 0,4−0,6 МПа; наиболее часто применяется поверхность фильтровального элемента 10 м²; производительность 50−1000 кг/м2 час.

Достоинства:

— высокая степень очистки лаков, требующих вызревания;

— возможность совмещения фильтрации и адсорбции.

Недостатки:

— ручная разборка и сборка при замене фильтрующих элементов;

— более низкая производительность, чем у вышеописанного фильтра.

Фильтр представляет собой корпус, в котором имеется труба для выпуска очищенного лака, а также тарелки, которые прикреплены к этой трубе. Привод отсутствует, труба неподвижная, а выгрузка осадка производится вручную.

Б) патронные фильтры Достоинство — очень высокая степень очистки лаков, не требующих вызревания.

Недостатки:

— ручная замена патронов;

— ограниченная производительность единичного аппарата.

Фильтровальный элемент представляет собой цилиндр определенных размеров. Материал цилиндра — волокна, пропитанные фенолформальдегидными смолами и другими смолами. Главный показатель — диаметр пор, может быть от 5 до 125 мкм.

Фильтровальный элемент одноразового действия, т.к. регенерировать его промывкой растворителем нерентабельно вследствие большого расхода растворителя и невозможности полностью очистить поры от загрязнений. Поэтому отработанные патроны либо утилизируются, сжигаются, либо их перерабатывают путем измельчения и добавляют в какие-либо ЛКМ.

Указанные патроны помещаются в корпус, в котором может быть от 10 до 42 патронов.

3) мешочные фильтры Конструкция фильтра представляет собой цилиндрический корпус в который помещают мешок из фильтрующего материала, закрепленный на каркасе.

Материалом этих мешков может быть (используются различные волокна):

— полиэстер — хорошая химическая и термостойкость (170−190 єС);

— полипропилен — стойкость к кислотам и щелочам (100−110 єС;

— нейлон — химическая стойкость кроме кислот (170−190 єС);

— NOMEX (ароматический полиамид) — химическая стойкость до 220 єС;

— фторсодержащие полимеры — великолепная химическая стойкость (250−260 єС);

— шерсть — хорошая устойчивость к растворителям.

Возможности фильтров:

— очистка жидких сред от твердых и гелеобразных частиц с размерами от 0,5 до 1250 мкм;

— производительность от 0,5 до 1000 м3/час;

— возможность подбора материала, устойчивого к различным химическим средам.

В зависимости от конструкции в корпусе может быть установлено от 2 до 24 мешков. Сами корпуса могут быть изготовлены из нержавеющей стали или химически стойкого стеклопластика. Кроме того, предлагается широкий выбор дополнительного оборудования: патрубки, магнитные ловушки, дополнительные прокладки, что позволяет включить систему фильтрации в любой технологический процесс. 23]

Достоинства: простота, надежность.

Для очистки толуольного раствора смолы Э-40 от хлорида натрия целесообразно применять мешочный фильтр. При этом сокращаются потери продукта и увеличивается скорость фильтрации.

1.8 Выбор оборудования для транспортирования сырья и дозирования сырья Для производства смолы используется жидкое сырье (эпихлоргидрин, раствор щелочи, растворители) и сыпучий материал (дифенилолпропан). Жидкое сырьё транспортируется по трубопроводам с помощью насосов. Существует несколько типов насосов, используемых в лакокрасочной промышленности. Это шестерёнчатые, центробежные и мембранные насосы.

а) Шестеренчатые насосы Достоинство:

— высокое развиваемое давление.

Недостатки:

— работа с низковязкими веществами;

— малая объемная подача;

— чувствительность к загрязнениям перекачиваемой среды.

б) Центробежные насосы Достоинства — высокая объемная подача.

Недостатки:

— малый развиваемый напор;

— невысокий КПД;

— необходимость электропривод во взрыво-, пожароопасном исполнении.

в) Мембранные насосы Достоинства:

— безопасная работа;

— самовсасывание до 8 м вод ст;

— тонкая регулировка потока;

— способность перекачивать жидкости с высокой вязкостью; абразивы; твердые фрагменты; жидкости, чувствительные к расслоению.

Недостатки:

— пульсационный режим работы;

— нестойкость к агрессивным жидкостям.

Дозировка толуола, эпихлоргидрина и раствора едкого натра осуществляется с помощью счетчиков; дифенилолпропан загружается вручную по тарному месту. Для перекачивания жидкости используем мембранные насосы «Tapflo», в виду их безопасности в работе, отсутствия электропривода.

2. Технологические расчеты

2.1 Материальные расчеты В основе получения (синтеза) эпоксидных смол лежит реакция взаимодействия эпихлоргидрина и гидроксилсодержащих соединений (дифенилолпропана, этиленгликоля, диэтиленгликоля) с образованием хлоргидриновых производных и дальнейшая конденсация хлоргидриновых производных в щелочной среде. Брутто-схема реакции представлена на рисунке 2.1.

где R:

Рисунок 2.1 — Брутто-схема образования эпоксидного олигомера

2.1.1 Расчет материального баланса на 1 реактор Расчет проведем на примере эпоксидной смолы Э-40

А. Исходные данные

1) Э. ч = 14%

2) Массовая доля нелетучих веществ не менее 94%

3) Gгод =5000 тонн/год

4) Гидроксид натрия применяется в виде 25% раствора

5) Эпихлоргидрин с содержанием основного вещества 98%

Среднемолекулярную массу эпоксидной смолы определяем по формуле

Mэо =, (2.1)

где Э. ч — эпоксидное число,

Mэо — средняя молекулярная масса эпоксидного олигомера, г/моль;

Mэо == 614,29 кг

n =, (2.2)

где n — средняя степень полимеризации, г/моль;

Mэо — молекулярная масса эпоксидного олигомера, г/моль;

Mконц.гр — молекулярная масса концевых групп, г/моль;

Mзв. — молекулярная масса звена, г/моль.

n ==0,966

Рецептура смолы Э-40 представлена в таблице 2.1

Таблица 2.1 — Рецептура смолы

Загрузка в реактор определяется по формуле:

Загрузка = V· ц·ссм, где (2.3)

Загрузка — масса загружаемых в реактор компонентов, кг;

V — объем реактора, м3;

ц — коэффициент заполнения;

ссм — средняя плотность загружаемых в реактор компонентов, кг/м3.

Плотность смеси рассчитываем по формуле ссм =, где (2.4)

ссм — плотность смеси, кг/м3;

щ — массовая доля i-того компонента;

с — плотности i-того компонента, кг/м3

Характеристика исходных веществ приведена в таблице 2.2

Таблица 2.2- Характеристика исходных веществ[5]

ссм = =780 кг/ м3

Загрузка = 6,3· 0,8·780= 3931,2 кг Рассчитываем массу загружаемых компонентов по формуле:

Загрузка = К· [ (a/0,98+b+ с/0,25+d) + 1.03· b], где (2.5)

Загрузка — загрузка компонентов, кг К — коэффициент для пересчета загрузки,

a, b, с, d — массовая доля компонент Загрузка = К· [(0,322/0,98+0,419+0,154/0,25+0,105)+1,03·0,419]=1,9

Загрузка = К· 1,9

К =

К = =2069,1

Количество загружаемого эпихлоргидрина:

mэхг = 2069,1· 0,322/0,98 =679,8 кг Количество загружаемого дифенилолпропана:

mдфп = 2069,1· 0,419 = 866,9 кг Количество загружаемого раствора гидроксида натрия:

mNaOH (25%-й раствор)=2069,1· 0,154/0,25 = 1274,6 кг (Содержание NaOH=318,7 кг, Н2О=955,9кг)

Количество загружаемого толуола на стадию конденсации:

mтолуол на конд. =2069,1· 0,105 =217,3 кг Количество загружаемого толуола на растворение эпоксидного олигомера:

mтолуол на растворение =1,03· 866,9 = 892,9 кг Загрузка сырья на реактор приведена в таблице 2.3

Таблица 2.3- Загрузка сырья на реактор объемом 6,3 м³

5) Потери компонентов приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4 — Потери компонентов

Количество прореагировавшего дифенилолпропана определяем из формулы ДФПзагрузка = ДФПреакция+ДФПпотери, (2.6)

где ДФПзагрузка — количество загруженного дифенилолпропана, кг ДФПпотери — потери дифенилолпропана, кг ДФПреакция= ДФПзагрузка — ДФПпотери ДФПреакция= 866,9−2,77=864,1 кг Количество прореагировавшего эпихлоргидрина определяем из пропорции:

На (0,966+1)· 228 кг ДФП — (0,966+2)· 92,5 кг ЭХГ

864,1 кг ДФП — х кг ЭХГ ЭХГреакция=529,0 кг ЭХГзагрузка =ЭХГреакция+ЭХГнепрореагир+ЭХГпобочный+ЭХГпотери, (2.7)

где ЭХГзагрузка — количество загруженного эпихлоргидрина, кг ЭХГреакция — эпихлоргидрин, вступивший в реакцию, кг ЭХГнепрореагир — непрореагировавший эпихлоргидрин, кг ЭХГпобочный — побочный эпихлоргидрин, кг ЭХГпотери — потери эпихлоргидрина, кг ЭХГ ост.= ЭХГзагр — ЭХГреакция — ЭХГпотери ЭХГост =679,8−529,0−1,5=149,3

Учитывая, что не менее 80% эпихлоргидрина отгоняется, то будет отогнано эпихлоргидрина:

ЭХГдистиллат= ЭХГ ост · 0,8

ЭХГдистиллат== 149,3· 0,8=119,4 кг Тогда в реакцию гидролиза вступит:

ЭХГгидролиз= ЭХГост· 0,2

ЭХГгидролиз= 149,3· 0,2=29,9 кг Количество загруженного гидроксида натрия определяем из формулы:

NaOHзагр = NaOHреакция+ NaOHпотери+ NaOHпобочная + NaOHсвободн., (2.8)

где NaOHзагр — количество загруженного NaOH, кг

NaOHреакция — едкий натр, вступивший в реакцию, кг

NaOHпотери — потери едкого натра, кг

NaOHпобочная — побочный едкий натр, кг

NaOHсвободный — свободный едкий натр, кг Количество пореагировавшего гидроксида натрия определяем по пропорции:

На (0,966+1)· 228 кг ДФП — (0,966+2)· 40 кг NaOH

864,1 кг ДФП — у кг NaOH

NaOHреакция=228,7 кг

NaOHост = NaOHзагрNaOHреакция — NaOHпотери

NaOHизб =318,7−228,7−15,9=74,1 кг

NaOHост = NaOHизб — NaOHгидролиз

NaOHост = 74,1−12,9=61,2 кг Количество гидроксида натрия пошедшего на гидролиз определяем по пропоции:

На 92,5 кг ЭХГ — 40 кг NaOHпоб Прореагировало ЭХГгидролиз — х кг NaOH

NaOHгидр= 12,9 кг Количество образовавшейся реакционной воды определяем по пропорции:

На (0,966+1)· 228 кг ДФП — (0,966+2)· 18 кг H2O

864,1 кг ДФП — у кг Н2О Н2О = 102,9 кг Количество хлорида натрия определяем по пропорции:

На (0,966+1)· 228 кг ДФП — (0,966+2)· 58,5 кг NaCl

864,1 кг ДФП — х кг NaCl

NaCl=334,5 кг Определение массы эпоксидного олигомера по пропорции:

На (0,966+1)· 228 кг ДФП — 614,29 эпоксидного олигомера

864,1 кг ДФП — х кг эпоксидного олигомера ЭО = 1184,2 кг Кроме основной реакции протекает побочная реакция — гидролиз эпихлогидрина:

Определяем количество воды, пошедшей на гидролиз:

На 92,5 кг ЭХГ — 18 кг Н2О На 29,9 кг ЭХГ — х кг Н2О Н2Огидр= 5,8 кг Определяем количество образовавшегося глицерина в реакции гидролиза:

На 92,5 кг ЭХГ — 92 кг глицерина На 29,9 кг ЭХГ — х кг глицерина Глиц.= 29,7 кг Определяем количество образовавшегося хлорида натрия в реакции гидролиза:

На 92,5 кг ЭХГ — 58,5 кг NaCl

На 29,9 кг ЭХГ — х кг NaCl

NaClгидр =18,9 кг Учитывая, что 119,4 кг эпихлоргидрина отгоняется, то можно рассчитать сколько гидроксида натрия пойдет на гидролиз:

На 92,5 кг ЭХГ — 40 кг NaOH

На 119,4 кг ЭХГ — х кг NaOH

NaOH=51,9 кг, С учетом того, что часть эпихлоргидрина отгоняется, то можно уменьшить загрузку раствора щелочи на 51,9 кг, в пересчете на 25%-й раствор количество гидроксида натрия равно 206,4 кг

NaOH= 61,2−51,9=9,3 кг Рассчитаем количество раствора едкого натра с учетом уменьшения количество загружаемого гидроксида натрия:

NaOHр-р = 1274,6−206,4=1068,2 кг Исходя из этих данных рассчитываем массу сухого гидроксида натрия и воды

NaOHсух = 267,1 кг Н2O = 801,1 кг Реакция нейтрализации:

NaOH+CO2NaHCO3

Определяем количество образовавшегося гидрокарбоната натрия:

На 40 кг NaOH — 84 кг NaHCO3

На 9,3 кг NaOH — х кг NaHCO3

NaHCO3 =19,5 кг Определяем количество углекислого газа пошедшего на нейтрализацию избыточного количества едкого натра:

На 40 кг NaOH — 44 кг СО2

На 9,3 кг NaOH — у кг СО2

СО2 = 10,2 кг Учитывая, что часть толуола отгоняется вместе с эпихлоргидрином, поэтому чтобы сохранить загрузку неизменной, увеличиваем загрузку толуола на стадии конденсации на уменьшившееся количество раствора гидроксида натрия.

Материальный баланс на реактор объемом 6,3 м³ представлен в таблице 2.5

Таблица 2.5 — Материальный баланс стадии синтеза эпоксидного олигомера

Согласно заводским данным, потери толуольного раствора смолы при фильтрации составляет 10 кг на 1 тонну раствора.

Количество потерь на стадии фильтрации рассчитываем по пропорции:

На 1000 кг продукта — 10 кг потери На 2205,2 кг продукта — х кг потери Потери будут равны 22,1 кг Материальный баланс на стадии фильтрации представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 — Материальный баланс на стадии фильтрации в расчете на реактор объемом 6,3 м³

Отгонка толуола Согласно заводским данным потери толуола при отгонке составляют 3%, что соответствует 30,3 кг Массу товарной смолы рассчитываем по формуле Мпрод =, (2.9)

где Мпрод. — масса продукта, кг Мэо — масса эпоксидного олигомера, кг Мпрод = = 1234,3 кг Зная массу продукта, можно рассчитать массу толуола по формуле Мтол =МпродМ эо, (2.10)

где Мтол — масса толуола, кг Мпрод — масса продукта, кг Мэо — масса эпоксидного олигомера, кг М тол = 1234,3−1172,6=61,7 кг Рассчитываем массу дистиллята по формуле Тдист = Тобщ — Тпрод — Т пот, (2.11)

где Тдист — масса дистиллята, кг Тобщ — общая масса толуола, кг Тпрод — масса толуола, содержащегося в продукте, кг Тпот — потери толуола, кг Тдист = 1010,5- 61,7−30,3= 918,5 кг Материальный баланс на стадии отгонки толуола представлен в таблице 2.7

Таблица 2.7 — Материальный баланс на стадии отгонки толуола в расчете на реактор объемом 6,3 м³

С одного реактора объемом 6,3 м³ выход толуольного раствора эпоксидного олигомера составляет 2183,1 кг. Тогда целесообразно для увеличения выхода смолы Э-40 для отгонки избыточного толуола использовать реактор 12,6 м³.

Загрузка в реактор объемом 12,6 м³ рассчитывается по формуле (2.3)

Загрузка= 12,6· 0,8·1000= 10 080 кг Данное количество составляет 4 партии раствора смолы с реактора объемом 6,3 м³.

Материальный баланс на стадии фильтрации для реактора объемом 12,6 м³ приведены в таблице 2.8

Таблица 2.8 — материальный баланс на стадии фильтрации в расчете на реактор объемом 12,6 м³

Материальный баланс на стадии отгонки толуола на реактор объемом 12,6 м³ приведен в таблице 2.9

Таблица 2.9 — материальный баланс на стадии отгонки толуола в расчете на реактор объемом 12,6 м³

2.2 Потребность в сырье Потребность в сырье приведена в таблице 2.10

Таблица 2.10 — Потребность в сырье

2.3 Нормы образования побочных продуктов Нормы образования побочных продуктов, потерь и отходов приведены в таблице 2.11

Таблица 2.11 — Нормы образования побочных продуктов и отходов

2.4 Расчет эффективного фонда времени работы оборудования Тэфф = (365 — П — В)· n·t — (ППР + ТП), (2.12)

где П — праздничные дни за год;

В — выходные дни за год;

n — число смен, ч;

t — продолжительность смены, ч;

ППР — время на планово-предупредительные работы, ч;

ТП — технологические простои на замывку.

где П = 12;

В = 0;

n = 3;

t = 8 ч;

ППР = 246 ч;

ТП = 98 ч.

Исходя из заводских данных.

Тэфф = (365 — 12 — 0)· 3·8 — (98 +246) = 8128 ч

2.5 Расчет количества оборудования

2.5.1 Расчет числа реакторов

1) Исходные данные:

Gгод = 5000 тонн/год;

Тэфф -8128 ч;

2) Рассчитываемые параметры:

к — число циклов работы аппарата в течение года;

n — число аппаратов;

3) Расчетные формулы:

К=; (2.13)

где Тэфф — годовой эффективный фонд времени работы аппарата, ч;

ф — длительность операции в аппарате, ч;

n =; (2.14)

где Gгод — годовая производительность по конечному продукту, т/ год;

Рр — норма синтеза смолы Э-40 за одну операцию, т.

Расчет числа реакторов объемом 12,6 м³

Рассчитываем длительность операции в аппарате объемом 12,6 м³

ф = ф1+ф2+ф3+ф4+ф5; (2.15)

где ф1 — время на загрузку компонентов, ч;

ф2 — время на нагрев реакционной массы, ч;

ф3 — время на отгонку толуола, ч;

ф4 — время на охлаждение, ч;

ф5 — время на слив, ч.

ф = 1,0+1,5+7+1+2=12,5 ч.

Тогда расчетное число реакторов:

n =

Принимаем число реакторов равное 2.

Расчет числа реакторов объемом 6,3 м³

На 4937,2 кг Э-40 — надо 8732,4 кг полуфабриката На 5000 тонн Э-40 — х кг полуфабриката По пропорции рассчитываем массу полуфабриката:

х=8843,5 тонн полуфабриката Рассчитываем длительность операции в аппарате объемом 6,3 м³

ф = ф1+ф2+ф3+ф4+ф5+ф6; (2.16)

где ф1 — время на конденсацию, ч;

ф2 — время на растворение, ч;

ф3 — время на нейтрализацию, ч;

ф4 — время на сушку, ч;

ф5 — время на фильтрацию, ч;

ф6 — время на отгонку эпихлоргидрина, ч;

ф = 8,8+5,7+1,5+4+10+6 =36 ч.

Тогда расчетное число реакторов:

n =

принимаем число реакторов равное 5.

2.5.2 Расчет объемного оборудования

1) V =, (2.17)

где Gсут — масса компонента на сутки, кг (табл. 2.10)

с — плотность компонента, кг/м3 (табл. 2.2)

Кзап = 0,9 — коэффициент заполнения а) Расчет объема емкости — хранилища для эпихлоргидрина:

V= м3

Принимаем объем емкости 7,5 м³

б) Расчет объема емкостихранилища для толуола:

V=м3

Принимаем объем емкости 20 м³

в) Расчет объема емкости — хранилища для раствора щелочи:

V = м3

Принимаем объем емкости 12,6 м³.

3. Описание аппаратурно-технологической схемы производства

3.1 Характеристика готовой продукции Смола Э-40 представляет собой полимерный продукт конденсации эпихлоргидрина с дифенилолпропаном в щелочной среде. Выпускается в виде вязкой прозрачной жидкости или раствора смолы в органических растворителях.

Товарной формой выпуска смолы является смола эпоксидная Э-40 с м.д.н.в. (95±3) % по ТУ 2225−154−5 011 907;97.

Также возможен выпуск смолы Э-40 в следующих товарных формах:

— раствор смолы Э-40 в толуоле по ТУ 2225−5 011 907;113−93;

— смола Э-40 (раствор с массовой долей 50% в смеси растворителей этилцеллозольв — толуол) по СТП 5 011 907;1−92;

Эпоксидная смола Э-40 по показателям качества должна соответствовать требованиям и нормам нормативных документов, указанных в таблице 3.1

Характеристика готовой продукции приведена в таблице 3.1

Таблица 3.1 -Характеристика готовой продукции

3.2 Характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов Характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов приведена в таблице 3.2

Таблица 3.2 — Характеристика исходного сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

Примечание:

1) По паспорту поставщика принимается сырье по показателям, отмеченным?? ?.

2) Свойства, характеризующие пожаро-, взрывоопасность и токсичность сырья и полуфабрикатов, приводятся в разделе «Безопасная эксплуатация производства».

3.3 Описание технологической схемы Процесс производства эпоксидной смолы Э-40 состоит из следующих стадий:

1) Прием и подготовка сырья

2) Приготовление 25% раствора едкого натра

3) Конденсация эпихлоргидрина с дифенилолпропаном в щелочной среде с отгонкой непрореагировавшего эпихлоргидрина

4) Растворение эпоксидного олигомера в толуоле

5) Отстаивание и слив водного слоя

6) Нейтрализация толуольного раствора смолы

7) Азеотропное обезвоживание толуольного раствора эпоксидного олигомера

8) Фильтрация полуфабриката смолы Э-40

9) Отгонка избыточного толуола

10) Слив смолы в тару

1) Прием и подготовка сырья Жидкое сырье — толуол, эпихлоргидрин поступают со склада жидкого сырья по индивидуальным трубопроводам в емкости-хранилища поз. 2 и поз. 4, соответственно.

Закачка жидкого сырья производится насосами, расположенными в складе. Емкости-хранилища снабжены уровнемерами и сигнализацией по превышению допустимого уровня. Кроме того, предусмотрена блокировка насосов по предупредительному значению уровня в емкостях.

Возвратный толуол хранится в цехе в емкости поз.1, оборудованной схемой сигнализации и блокировки насоса по предупредительному значению уровня.

Возвратный эпихлоргидрин, используется из емкости поз.5, оборудованной схемой блокировки по предупредительному значению уровня.

Раствор гидроксида натрия приготавливается в цехе и хранится в емкости поз.3

Дозировка жидкого сырья в реактор производится с помощью весовых мерников:

— толуол технический — мерник поз.34;

— эпихлоргидрин технический и возвратный — мерник поз.36;

— 25% раствор едкого натра — мерник поз.35.

Все весовые мерники оборудованы схемой сигнализации и блокировки насосов на линии подачи при достижении требуемой массы.

Сыпучее сырье — дифенилолпропан и сухая щелочь — поступает в мешках или контейнерах; к цеху подвозится автотранспортом; складируется на поддонах в помещении для хранения сыпучего сырья. К месту загрузки доставляется с помощью тележки и грузового лифта. Дозировка сыпучего сырья производится по маркировке на пакетах и контейнерах.