GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Phần I: tỉng quan vỊ nhùa epoxy Ch¬ng 1: Giíi thiƯu chung nhựa Epoxy Lời mở đầu Nhựa epoxy phân tử oligome có nhóm epoxy, có khả chuyển hoá thành dạng nhựa nhiệt rắn (NNR), có cấu trúc không gian Do đợc sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, nên nhựa epoxy có nhiều loại với tính chất lĩnh vực ứng dung khác Trong công nghiệp, nhựa epoxy đợc sản xuất từ dạng lỏng nhớt đến dạng rắn, đợc phân biệt qua số tiêu nh: khối lợng phân tử, độ nhớt, nhiệt chảy mềm, đơng lợng epoxy hyđroxyl Khi cha đóng rắn, nhựa epoxy đợc ứng dụng để làm chất ổn định hoá dẻo cho PVC, đợc sử dụng nh hợp chất trung gian để điều chế sản phẩm khác Do nhóm epoxy có hoạt tính cao, nhựa epoxy dễ tham gia phản ứng đóng rắn với tác nhân khâu mạch polyme hoá với tác nhân xúc tác để chuyển thành dạng nhiệt rắn Tuỳ thuộc vào cấu trúc nhựa epoxy, chất đóng rắn điều kiện đóng rắn, nhận đợc sản phẩm có đặc tính: bền hoá chất, chịu nhiệt, chịu tác động học, cách điện , ứng dụng làm vécni, sơn, keo kết cấu, chất dẻo gia cờng đặc biệt làm nhựa cho vËt liƯu composite Víi u ®iĨm nỉi bËt vỊ độ bền học, nhẹ, dễ gia công, sửa chữa, vật liệu composite sở nhựa epoxy với chất gia cờng sợi, hạt, bột đà đợc ứng dụng thay phần chi tiết kim loại, hợp kim tàu, thuyền, ôtô, máy bay tàu vũ trụ, nhằm mục đích giảm trọng lợng, giảm tiêu hao nhiên liệu lợng Theo Bộ Quốc Phòng trung tâm nghiên cứu vũ trụ NASA(Mỹ), nay, chi tiÕt kÕt cÊu tõ vËt liƯu composite epoxy - sỵi gia cờng, chiếm bình quân 1000 pound (453,6 kg) máy bay chiến đấu HÃng Boeing sử dụng vËt liƯu composite tõ nhùa Epoxy ®Ĩ thay thÕ mét số chi tiết kết cấu chịu lực máy bay Boeing đời 757, 767 Do có tính u việt, đồng thời để đáp ứng nhu cầu sử dụng sản lợng nhựa epoxy giới năm đầu thập kỷ 80 triệu tấn/năm, đến năm 1994 6,01 triệu tấn/năm 1.1 Lịch sử phát triển Nhựa Epoxy oligome có nhóm -epoxy có khả chuyển hoá thành polymer với cấu trúc không gian chiều SVTH: Lê Quang Huy Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Những công trình nghiên cứu nhựa epoxy đợc trình bày sáng chế vào năm đầu kỷ XX Hợp chất epoxy đợc phát Mỹ từ kỷ XX Tuy nhiên thời gian công trình nghiên cứu phản ứng hợp chất epoxy coi nh chất trung gian tổng hợp hữu Năm 1909 nhà hoá học Nga Prilaschajen đà phát phản ứng olefin peroxit benzoil để tạo thành hợp chất epoxy Tháng 12/1934 H.schlack (Đức) đà tổng hợp đợc nhùa epoxy tõ bisphenol A vµ epyclohydrin, nhùa nµy cã thể đóng rắn đơng lợng amin Nhng thời gian Shlack cha thấy đợc giá trị sáng chế Giá trị đích thực nhựa epoxy sử dụng sau số năm Hầu nh đồng thời độc lập với hai nhà sáng chế Pierre Castan Synvan Greenlee đà nhận thấy giá trị nhựa epoxy nh thấy Năm 1938 Pierre castan đà công bố sáng chế mô tả phơng pháp điều chế Diglycydyete từ bis phenol A, đà nhận tính chất quí báu nhựa nhận đợc có độ bám dính tuyệt vời với nhiều loại vật liệu sau đóng rắn lợng anhydrit phtalic (AP) Năm 1940 sản phẩm Castan nh nhựa đúc hàm đà đợc đa thị trờng sáng chế ông chuyển nhợng cho công ty Ciba Geigy Trong hội trợ triển lÃm thụy sĩ năm 1946 công ty đà biểu diễn việc sử dụng keo gián epoxy để dán mẫu hợp kim nhẹ vào thời gian đà cung cấp nhựa epoxy để đúc cho công ty điện lực Thụy Sĩ Năm 1994 khối lợng nhựa epoxy thị trờng giới tăng 13%, lúc khối lợng sản xuất tăng 17% đạt tới 6,01 triệu Từ năm 1992 đến năm 1997 tốc độ tăng trởng nhựa epoxy khoảng 3,7% Mỹ, 2,5% Tây Âu, 4% Nhật Tính trung bình vùng 3,1-3,2% Các công ty sản xuất nhựa epoxy lớn là: Shell, Dow chemiscal Ciba Geigy, công ty chiếm 70% sản phẩm giới 1.2 Các thông số đặc trng cho nhựa epoxy 1.2.1 Hàm lợng nhóm epoxy Hàm lợng nhóm epoxy (HLE) trọng lợng nhóm epoxy có 100g nhựa đợc biểu thị % 1.2.2 Giá trị epoxy Giá trị epoxy(GTE) số đơng lợng oxy epoxy có 100g nhựa GTE = SVTH: Lê Quang Huy Hàml ợngoxyepoxy 16 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Hàm lợng oxy epoxy = HLE 16 43 1.2.3 Đơng lợng epoxy Đơng lợng epoxy (DLE) số gam nhựa epoxy chứa đơng lợng nhóm epoxy: 43.100 HLE Ngoài có số thông số kỹ thụât đợc giới thiệu cho loại nhựa epoxy nh: độ nhớt, số khúc xạ, đơng lợng hydroxyl DLE = Chơng 2: trình tổng hợp nhựa epoxy 2.1 Nguyên liệu để tổng hợp nhựa epoxy Nguyên liệu để sản xuất este glyxit polymer chúng phenol đa chức hợp chất chứa epoxy Những chất chứa nhóm hydroxyl dùng đợc lµ: rezosin, hydro quinol, xaligenin, dioxydiphenyl propan(bis phenol A), dioxy diphenyl sunfon, nhựa phenol-focmaldehit dạng novolac rezolic Nhng sản xuất rộng rÃi công nghiệp nớc giới loại nhựa ngng tụ từ bis phenol A epiclohydrin môi trờng kiềm 2.1.1 Epiclohydrin Trong công nghiệp epiclohydrin đợc sản xuất theo phơng pháp 2.1.1.1 Đi từ propylene qua ba giai đoạn CH3-CH=CH2 +Cl2 6000C,18atm CH2=CH-CH2Cl CH2=CH-CH2Cl +HOCl Cl-CH2CH-CH2 OH Cl CH2-CH-CH2Cl + NaOH Cl OH SVTH: LªOQuang Huy Cl-CH2-CH CH2 +NaCl +H2O O (EP) Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh Diệu Đồ án tốt nghiệp 2.1.1.2 Đi từ glixerin qua giai đoạn CH2-CH-CH2 + HCl xt CH2-CH-CH2 + H2O OH OH OH Cl OH Cl o CH2-CH-CH2 +NaOH t =12oc CH2-CH CH2 +NaCl+H2O Cl OH Cl Cl O (EP) Sản phẩm epyclohydrin nhận đợc chất lỏng không màu, mùi hắc, độc, tỷ trọng 1,18 g/ml, nhiệt độ sôi 1170C 2.1.2 Bis-phenol A (diphenylol propan) Bis-phenol A nhận đợc từ phản ứng phenol axeton môi trờng axit mạnh 10-500C theo phản ứng: CH3 | HO + CH3 C CH3 HO C OH Bis-phenol A dạng bột |màu trắng ,không tan nớc, tan axeton, | | O1570C CH3 rợu, nhiệt độ nóng chảy 1550C+ H2O 2.2 Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy 2.2.1 Phản ứng tổng hợp nhựa epoxy dian từ epiclohydrin bis phenol A Phản ứng xảy môi trờng kiềm, hệ thống phản ứng xảy nối tiếp song song phản ứng xảy theo giai đoạn Giai đoạn 1: nhóm hydroxyl diphenylol propan kết hợp với nhóm epoxy epyclohydrin môi trêng kiỊm, ph¶n øng to¶ nhiƯt ΔH=-17 kcal/mol CH3 | 2CH2 CH CH2Cl + HO O C CH3 ClCH2 CH CH2O | C | OH | CH3 SVTH: Lª Quang Huy OH | CH3 O CH2 CH CH2Cl + 2H2O | OH Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Giai đoạn 2: clohydringlycol tạo thành chứa nhóm hydroxyl vị trí so với nguyên tử clo với cách bố trí nhóm chức nh vậy, HCl dễ dàng tách tạo thành nhãm epoxy míi theo c¬ chÕ thÕ nucleofin cđa halozen b»ng Ion alc«glat CH3 ClCH2 CH CH2O | C O CH2 CH CH2Cl | OH | CH3 | OH NaOH CH3 | C CH2 CH CH2O O CH2 CH CH2 + 2NaCl | O CH3 + 2H O Glyxydylete diphenylol propan chøa nhãm epoxy ph¶n øng tiÕp víi2 nhãm hydroxyl cña diphenylol propan O CH2 CH CH2ORO CH2 CH CH2 + HOROH O O CH2 CH CH2ORO CH2 CH CH2 OROH | OH O CH3 | R: C | CH3 Hợp chất trung gian tiếp tục phản ứng với để tạo thành nhựa epoxy có công thức tổng qu¸t nh sau: CH2 CH CH2 [ORO CH2 CH CH2 ]nORO CH2 CH CH2 | OH O SVTH: Lª Quang Huy O Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Công thức tổng quát không phản ánh đợc phản ứng phụ xảy trình tổng hợp nhựa nhiều trờng hợp làm cho nhựa có cấu tạo phân nhánh cuối phân tử chứa nhóm hydroxyl phenol clohydrin Các phản ứng phụ xảy trình tổng hợp nhựa epoxy: Nhóm epoxy phản ứng với hydroxyl phenol mà phản ứng với nhóm hydroxyl tạo thành trình phản ứng: OH + CH2 CH OCH2 CH O CH2 CH | OH O OCH2 CH | O CH2 CH | OH kiỊm: Ph¶n øng trïng hợp nhóm epoxy môi trờng nCH2-CH-R-CH-CH2 O O -CH2-O- CH3 C ~CH2-CH R O CH2-CH CH-CH2~ O R CH-CH2 O O ~CH2-CH-R-CH-CH2~ -O-CH2- O O CH3 Phản ứng làm cho polymer có cấu trúc không gian Quá trình tổng hợp nhựa trở lên phức tạp làm cho nhựa bị keo lại R= Ngoài có phản ứng phụ xảy trình tổng hợp nhựa epoxy nh: phản ứng thuỷ phân epyclohdrin dới tác dụng kiềm d tạo thành acogel glyxit glyxerin, phản ứng thuỷ phân nhóm epoxy tạo thành nhãm hydroxyl bËc ë ci ph©n tư Do cã nhiều phản ứng xảy trình tổng hợp nhựa chọn điều kiện kĩ thuật chế tạo ete glyxit đồng thời phải ý đến điều kiện khác có ảnh đến trình phản ứng Khi tổng hợp nhựa epoxy trọng lợng phân tử thấp thờng hoà tan diphenylol propan vào lợng thừa epyclohdrin thêm dần dung dịch kiềm SVTH: Lê Quang Huy Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp nớc, nhiệt độ phản ứng 60-700C Có thể tổng hợp nhựa môi trờng khí trơ, thêm kiềm ngắt quÃng, khuấy 16h, điều chỉnh để PH=7, nh tránh đợc phản ứng trùng hợp nhóm epoxy Có thể dùng phơng pháp giai đoạn cho diphenylol propan kết hợp với epyclohdrin xúc tác Fridel-craff nh ZnCl2, ph¶n øng x¶y nh sau: CH2 CH CH2Cl + HOROH ZnCl2 HORO CH2 CH CH2Cl | OH Sau khử HCl môi trờng nớc sư dơng Na2SiO3: O HORO CH2 CH CH2Cl Na2SiO3 HORO CH2 CH CH2 + HCl | OH O CH3 | R: C | 2.2.2 phản ứng tạo thành polyepoxy từ epyclohydrin nhựa phenol-focmaldehyt CH3 dạng novolac rezolic OH HH OH CH2 R + n Cl-CH2-CH-CH2 O CH2 R CH2 OH n R O O-CH2CH-CH2 CH-CH2 -O O O-CH2-CH CH2 CH2 CH2 O n R R R Quá trình tạo nhựa polyepoxy gồm hai giai đoạn: Giai đoạn một: epyclohydrin kết hợp với nhóm hydroxyl phenol Giai đoạn hai: khử clohydrin sản phẩm trung gian SVTH: Lê Quang Huy Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Để dễ dàng phản ứng cần dùng thừa epyclohydroxy KOH thể rắn hay pha thành dung dịch rợu Thực tế thờng dùng dung dịch kiềm nớc kinh tế dễ dàng khống chế Điều chế nhựa polyepoxy tiến hành theo hai phơng pháp: Phơng pháp thứ nhất: cho epyclohydrin tác dụng trực tiếp với nhựa phenolfocmaldehyt dạng novolac rezolic Phơng pháp thứ hai: cho phenol tác dụng với epyclohydrin trớc đa tụ với focmaldehyt Trong trờng hợp thứ hai, NaOH có tác dụng khử HCl tạo thành sản phẩm trung gian cho thêm NaCl làm xúc tác (đảm bảo nồng độ kiềm không đổi ) chọn điều kiện tiến hành phản øng nh sau: Phenol : epoclohydrin : NaOH = 1:1:1 ( tỷ lệ phân tử nồng độ NaOH 10%) Nhiệt ®é ph¶n øng: 95% Thêi gian ph¶n øng: 2h 2.2.3 Phản ứng tạo thành nhựa epoxy cách epoxy hoá hợp chất không no Epoxy hoá hợp chất không no theo hai cách: Epoxy hoá hợp chất không no peraxit hữu nh: peraxetic, erformic, perpropionic… ~CH=CH~ RCOOOH ~HC O CH~ Cho axit hydro cloric tác dụng lên nối đôi, sau dùng kiềm khử HCl để tạo thành vòng epoxy CH = CH ∼ + HOCl ∼ CH CH ∼ | | OH Cl ∼ CH CH ∼ + NaOH ∼ CH CH ∼ + NaCl + H2O | | O OH Cl Đối với trờng hợp dùng peroxit để epoxy hoá, ngời ta vào trình tự điều chế peroxit để phân chia phơng pháp giai đoạn hay hai giai đoạn Phơng pháp giai đoạn: điều chế peraxit epoxy hoá đồng thời tức cho H2O2, axit hữu hợp chất không no vào giai đoạn phản ứng Theo phơng pháp rút ngắn đợc thời gian phản ứng xuống 2,5-3 lần giảm lợng axit hữu xuống 25-30 lần SVTH: Lª Quang Huy 10 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Phơng pháp giai đoạn: điều chế peraxit trớc từ H2O2 axit hữu dùng peraxit hữu vừa nhận đợc để epoxy hoá Phản ứng tiến hành nhiệt độ 25-60oC, dung môi hữu (benzene, toluene, clorofoc ) hay dung môi, tiến hành trình epoxy hoá nh lần lợt xảy ba phản ứng sau: Tạo thành peraxit RCOOH + H2O2 RCOOOH + H2O Mở nối đôi tạo thành vòng epoxy CH = CH ∼ + ( RCOO)-OH+ [∼C+H CH∼] RCOO| O H+ CH CH + RCOOH O Phá vòng epoxy dới tác dụng axit hữu CH CH ∼ + RCOOH O ∼ CH CH ∼ | | HO OCOR Xúc tác tốt cho trình epoxy hoá nhựa trao đổi ion cationit: poly sunfor styrene loại nhựa chất xúc tác có hiệu ứng cho trình tạo thành peraxit hữu không làm đứt mạch polymer nh mở vòng epoxy Sư dơng nhùa trao ®ỉi ion nh vËy không tạo thành muối nên dễ dàng tách rửa sản phẩm epoxy hoá, không mang thêm độ ẩm vào môi trờng phản ứng nên không ảnh hởng tới chất lợng sản phẩm, xúc tác dễ dàng tách khỏi môi trờng phản ứng cách lọc hoàn nguyên đợc Công thức chung hợp chất epoxy hoá có dạng: CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH = CH CH2 CH2 CH CH2∼ | | O | HO OCOR CH CH2 Nh÷ng chÊt sử dụng để epoxy hoá nh: polybutadien đồng trùngOhợp butadiene với styrene, acrylonitril, metylmetacrylat polyeste tổng hợp không no, polyolefin không no số sản phẩm lấy từ dầu mỏ Sản phẩm epoxy hoá cyclopentadien dẫn xuất chúng mang lại nhiều hứa hẹn có nhiều tính chất hoá học lý học tốt 2.3 Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy Nhựa epoxy chuyển sang trạng thái không nóng chảy, không hoà tan có cấu trúc mạng lới không gian chiều dới tác dụng chất đóng rắn chất phản ứng với nhóm chức nhựa epoxy, đặc biệt víi nhãm epoxy SVTH: Lª Quang Huy 11 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Vì chất đóng rắn tham vào cấu trúc mạng lới polymer nên đóng rắn phơng pháp quan trọng để biến tính vật liệu epoxy Chất đóng rắn cho nhựa epoxy gồm hai loại: xúc tác khâu mạch (phân loại tơng đối xúc tác dÃn đến khâu mạch) Chất đóng rắn loại khâu mạch chất đóng rắn đa chức có khả phản ứng với nhóm epoxy, hydroxyl phân tử epoxy để chuyển sang mạng không gian Chất đóng rắn khâu mạch gồm có hợp chất đa chức loại amin, axit phenol, tiol, izoxianat Chất đóng rắn loại xúc tác chất có khả khơi mào phản ứng trùng hợp nhóm epoxy, điển hình amin bậc 3, axit lewis: BF 3, PF5 xúc tác phối trí Đặc biệt có hợp chất đa chức đóng rắn nhựa epoxy đồng thời phản ứng khâu mạch trùng hợp 2.3.1 Chất đóng rắn amin Do cã nhiỊu u ®iĨm, cã ý nghÜa thùc tiƠn nên amin chất đóng rắn phổ biến øng dơng réng r·i nhÊt cho nhùa epoxy Ph¶n øng đóng rắn nhựa epoxy bàng amim có xúc tác Trong đa số trờng hợp đóng rắn xẩy xúc tác nhờ nguyên tử Hydro linh động nhóm amin cộng hợp vào Oxy epoxy, tạo thành nhóm Hydroxyl bậc 2: ~R-NH2 + CH CH-CH ~ 2 O ~R-NH-CH2-CH-CH2~ + CH OH ~R-NH-CH2-CH-CH2~ OH O CH-CH2~ R-NCH2 -CH-CH2~ CH2 OH CH-OH Tuú điều kiện, amin bậc khởi đầu ~CH trùng2 hợp nhựa epoxy: R-CH-CH2 + NR3 R-CH-CH2-N+R3 O O+ R-CH-CH2-N R3’ + R-CH-CH2 R3’N+-CH2-CH-O-CH2-CH-R O R OOPh¶n ứng lặp lại nh sản phẩm có công thức tổng quát: R3N+-CH2-CH-O-CH2-CH-O-CH2-CH-R n R OR SVTH: Lê Quang Huy 12 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh DiƯu §å ¸n tèt nghiƯp H=D=2000 mm h =0,4.2000=800 mm Tra bảng IV-6 -16 ta có à=10-3ữ10 N.s/m2 Môi trờng khuấy =800ữ1900 kg/m3 Đờng kính cánh khuấy d (mm) 1700 Số vòng n (vòng/s) Công suất N (Kw) 0,3ữ0,85 0,09ữ6,95 Chọn số vòng quay là: n=0,4 vòng /s, công suất N=3,5 Kw Đờng kính cánh khuấy đợc tính theo công thức sau: dm = Mx 9,81 Trong Mx: momen xoắn 3.10 6.N 3,14.n Trong N: công suất tiêu tốn n: số vòng quay Mx = VËy 3.10 6.3,5 dm = = 94,8 (mm) 9,81.3,14.0,4 Lấy tròn dm =95 mm Ta tính công suất mở máy Nc=Ng+Nm Trong Nm=N=3,5 Kw công suất tiêu tốn trình làm việc, công suất dùng để thắng lực ma sát Ng=k.d5.n3. Mà N=.d5.n3. Do ®ã N c = N k + ξk = (1,5ữ2).N k Công suất động điện đợc tính nh sau: Nđc=Nc/ (IV-15-16) SVTH: Lê Quang Huy 42 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp : hiệu suất ( khả truyền lực từ động sang cánh khuấy) thờng chọn =0,6ữ0,7 ta chọn =0,7 Nđc=1,7.N/0,7=1,7.3,5/0,7=8,5 (Kw) Chọn động nhÃn hiệu AO-32-2 n=1450 vòng/phút =0,6ữ0,7 Cos = 0,84 Chọn hệ thống dẫn động pubog 3.-10-397 MH 5860-66 có tiêu kü thuËt sau: N=10 Kw W=39,7 pas/cek d (mm) H (mm) H1 (mm) Khèi lỵng (kg) P (N) 50 1884 710 330 7000 * Tính bảo ôn thiết bị Tác dụng lớp bảo ôn làm giảm truyền nhiệt môi trờng t t t T1 T2 S bo t t1: nhiệt độ chất tải nhiệt tT2: nhiệt độ thành bên bảo ôn t2: nhiệt độ không khí t: chiều dày thép bo: chiều dày lớp bảo ôn SVTH: Lê Quang Huy 43 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiƯp Lt: hƯ sè trun nhiƯt cđa thÐp Lbo: hƯ số truyền nhiệt lớp bảo ôn Ta coi trình truyền nhiệt truyền nhiệt đẳng nhiệt ổn định Nhiệt tải riêng đến thành thiết bị q1 Nhiệt tải riêng dẫn qua thành q2 Nhiệt tải riêng xạ từ thành thiết bị vào kh«ng khÝ q3 q1=q2=q3 ta cã q1=α1.∆t1 α1: hƯ sè dẫn nhiệt đun nóng (w/m2.độ) t1: hiệu số nhiệt độ thành thiết bị oC Nhiệt tải riêng qua tờng xác định theo công thức sau: q2 = ∆t ∑r (w/m2) ∆t2: chªnh lƯch nhiệt độ thành thành r: tổng trở nhiệt thành (m2.độ/w) t2=tT1-tT2=t1-t1-tT2 r = rc + δ t δ bo + λt λbo rc: lµ nhiệt trở cặn bẩn (m2.độ/w) mà q1=q2=t2/r r = ∆t t1 − ∆t1 − t T = q1 q1 Nhiệt tải riêng phía không khí xác định theo công thức sau: qk =qb=k.t3 k: hệ số cấp nhiệt phía không khí t3=tT2-t2 hiệu số nhiệt độ thành bảo ôn môi trờng k đợc tính nh sau: k=9,3+0,058.tT2 Do q1=q2 nên α1.∆t1=∆t2/∑r = α2.∆t2=αk.∆t3 SVTH: Lª Quang Huy 44 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh DiƯu ⇒ ∆t1 = α k ∆t α1 ∑ r = rc + ∑r = Đồ án tốt nghiệp bo + λ1 λbo t1 − ∆t1 − t T t1 − t T − α k ∆t = q1 α α k ∆t ∑r = (t1 − tT ).α − α k ∆t3 α 1. k t3 Chiều dày lớp bảo ôn là: δ bo = λbo [ (t1 − tT ).α − α k ∆t δ − (rc + )] α α k ∆t λ1 Chän vật liệu bảo ôn amiăng có: bo=0,144 W/m2.độ (bảng I-125-16) Sử dụng nớc bÃo hòa áp suất P=2,025at để cung cấp nhiệt t 1=120oC (bảng I-250-16) Nhiệt độ môi trờng không khí chọn t2=25oC Giả sử nhiệt độ mặt lớp bảo ôn tT2=40oC Bề dày vỏ áo gia nhiệt ta đà tính là: 1=3 mm + tính Các thông số nớc bÃo hòa 2,025 at: Khối lợng riêng: =1,1199 kg/m3 (bảng I-250-16) Độ nhớt à=133.10-7 N.s/m2 (bảng I-121-16) Hệ số dẫn nhiệt =2,5935.10-2 W/m2.độ (bảng I-129-16) Nhiệt dung riêng Cp=0,505 Kcal/kg.độ (bảng I-149-16) Chuẩn số Nu đợc xác định nh sau: Nu=0,023.Re0,8.Pr0,4.[D/(D d)]0,45 Re = w.d tb D: đờng kính vỏ áo d: đờng kính thân thiết bị w: vận tốc nớc SVTH: Lê Quang Huy 45 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp dtđ=D-d đờng kính tơng đơng thiết diện hình khăn Pr = C p λ D=2200 mm d=2000 mm Chän w=25 m/s VËy ta cã: Re = Pr = (2,2 − 2).25.1,1199 = 4,210.10 −7 133.10 133.10 −7.0,505.4,186.103 = 1,084 2,5935.10 −2 ⇒ Nu=0,023.(4,210.105)0,8.1,0840,4.[2,2/(2,2-2)]0,45=2206,95 λ.Nu 2,5935.10 −2.2206,95 α1 = = = 286,19 w/m2.®é d td 2,2 − αk=9,3+0,058.tT2=9,3+0,058.40=11,62 (W/m2.®é) Tra bảng ta có rc=0,464.10-3 m2.độ/w Vậy ta có: bo = λbo [ δ bo (t1 − tT ).α − α k ∆t δ − (rc + )] α α k ∆t λ1 (120 − 40).286,19 − 11,62.15 3.10 −3 −3 = 0,144.[ − (0,464.10 + ] = 0,0655 (m) 286,19.11,62.15 50 Ta lÊy tròn bo=65 mm * Chọn mặt bích Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nh phận khác thiết bị ta chọn loại bích liền thép Theo đờng kính thiết bị áp suất làm việc ta chọn mặt bích nh sau: Dt=2000 mm đờng kính thiết bị P= 15,7.104 N/m2 Theo bảng XIII-27-17 ta có thông số bích nh sau (chọn kiểu bích hình 1): SVTH: Lê Quang Huy 46 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tèt nghiÖp D D D b l h D=2280 mm Db =2180 mm Dl=2120 mm Do=2015 mm Bul«ng db=M48 Sè lợng z=44 h=40 mm * Tính tai treo thiết bị Để giữ thăng cho thiết bị ta sử dụng chân đỡ hay tai treo Trong trờng hợp ta dïng tai treo nã cã nhiỊu u ®iĨm nh: gọn, nhẹ giá thành rẻ Để xác định kích thớc tai treo trớc tiên ta phải tính tải trọng thiết bị: Gtb=Gt+2Gđ+Gvỏ+Gbo+Gvl+G+Gđc Trong đó: Gt: khối lợng thân thiết bị Gđ: khối lợng đáy (lắp) Gvỏ: khối lợng vỏ áo gia nhiệt Gđc: khối lợng cấu khuấy Gbo: khối lợng lớp bảo ôn Gvl: khối lợng nguyên vật liệu G: khối lợng bích nối, bulông, ốc vít chi tiết khác Ta chọn G=500 kg Gt=.V=.(Dn2-Dt2).H./4 (kg) Khối lợng riêng thép X18H10T=7,9.103 kg/m3 H=2,32 m chiều cao thân tháp S=8 mm chiều dày thiết bị Dt=2 m đờng kính thiết bị Dn=Dt+S=2+0,008=2,008 (m) SVTH: Lê Quang Huy 47 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh DiƯu VËy Đồ án tốt nghiệp Gt=7,9.103.(2,0082-22).2,32.3,14/4=461,32 (kg) Gđ=283 kg (bảng XIII-11-17) Gvỏ=.(/4).(Dn2-Dt2).H Trong =7850 kg/m3 khối lợng riêng thép CT3 Dt=2,2 m đờng kính vỏ áo S=5 mm chiều dày vỏ áo Dn=2,2+0,005=2,205 m H= 2,23 m chiều cao vỏ áo Gvỏ=(3,14 /4).(2,2052-2,22).7850.2,23=302,66 (kg) Gđc=330 (kg) Gv=GEp+GBis+GToluen+Gnớc+GNaOH Gv= 1976,5+2127,2+5390,3+2425+4563=16482 (kg) ta dùng nồi phản ứng nên khối lợng vật liệu vào nồi là: Gvl = Gv = 8241 (kg) Gbo=S.F.=V. Trong ta có F=12 m2 diện tích lớp bảo ôn S=65 mm chiều dày lớp bảo ôn =600 (kg/m3) khối lợng riêng amiăng dạng xốp (bảng I-1-16) Thay vào ta có Gbo=65.10-3.12.600=468 (kg) Vậy ta có khối lợng toàn tháp là: Gtb=461,32+2.283+302,66+468+8241+500+330=10868,98 (kg) Ta chän tai treo Do vËy t¶i trọng tai treo phải chịu là: G= Gtb 10868,98 = = 2717,25 (kg) 4 T¶i träng cho phÐp tai treo là: G=2717,25.9,81=26656,2 (N) Tra bảng XIII-36-17 ta có Tải Bề Tải L B trọng mặt trọng cho đỡ cho mm phép F.104 phép (m2) lên bề tai treo mặt đỡ SVTH: Lê Quang Huy B1 48 H S l a d Khèi lỵng tai treo (kg) Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH TrÇn VÜnh DiƯu G.10-4 (N) 4,0 297 q.10-6 N/m2 1,34 SVTH: Lª Quang Huy 190 Đồ án tốt nghiệp 160 170 49 280 10 80 25 30 7,35 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp 1.2.2 Thiết bị ngng tụ cho nồi phản ứng * Chức năng: Chức thiết bị ngng tụ ngng tụ bay lên từ nồi phản ứng Ta chọn loại thiết bị ống trùm có chia ngăn * Tính lợng nhiệt trao đổi Q=G.C.t Hay Q=Q1+Q2 Trong đó: Q: tổng lợng nhiệt trao đổi Q1: lợng nhiệt trình ngng tụ Q1: lợng nhiệt trình làm lạnh Toluen + H2O tạo thành hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi là: 84,1oC Thành phần H2O 19,6% Vậy lợng nhiệt cần để ngng tụ là: Q1 = G.(0,196.rH 2O + 0,804rT ) G: lỵng chÊt lỏng ngng tụ đợc rH 2O : ẩn nhiệt hóa nớc rT: ẩn nhiệt hóa Toluen Trong phần cân ta tính đợc lợng nớc ngng tụ cho mẻ sản xuất là: 2425 kg 5390,3 kg Toluen mà ta sử dụng nồi phản ứng nên có 1212,5 kg nớc ngng tơ vµ cã 2695,15 kg Toluen ngng tơ VËy G=3907,65 kg Tra b¶ng (I-212-16) ta cã Èn nhiƯt hãa nớc toluen 84,1oC là: rH 2O = 554 kcal/kg rT=90,4 kcal/kg Tõ ®ã ta cã: Q1=3907,65.(0,196.554+0,804.90,4)=708322,52 (kcal) * Tính lợng nhiệt làm lạnh Q2=G.C.t Trong đó: C=0,196.C1+0,804.C2 C1: nhiƯt dung riªng cđa níc C2: nhiƯt dung riêng Toluen Tra bảng (I-92-16) ta có C1=1 kcal/kg.oC C2=0,4 kcal/kg.oC C=0,196.1+0,804.0,4=0,5176 kcal/kg.oC SVTH: Lª Quang Huy 50 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Hỗn hợp nớc-Toluen đợc làm lạnh từ 84,1oC40oC t=84,1-40=44,1oC VËy Q2=3907,65.0,5176.44,1=89196,64 (kcal) Q=Q1+Q2=797519,16 (kcal) Ta sư dơng níc cã nhiệt độ 20oC để làm lạnh cho hỗn hợp, nớc khỏi thiết bị làm lạnh có nhiệt độ 35oC Do lợng nớc cần thiết để làm lạnh hỗn hợp Toluen-nớc từ 84,1oC40oC là: Gn = 797519,16 = 53167,94 (kg) 1.(35 − 20) TÝnh hiÖu sè nhiÖt ®é trung b×nh: ∆t ∆t = ∆t = ∆t1 − ∆t ∆t1 >2 ∆t1 2,3 lg ∆t ∆t ∆t1 + ∆t ∆t < 2 ∆t ∆t1=84,1-20=64,1oC ∆t2=84,1-35=49,1oC 64,1 + 49,1 = 56,6 o C * TÝnh hÖ sè cÊp nhiÖt HƯ sè cÊp nhiƯt chÊt láng ngng tơ ∆t = VËy Ta cã: α2 = Nu.λ d Nu = 0,025.ε (Re) 0,8 Pr 0, 43 [ ChuÈn sè Pr = Cµ λ Pr 0, 25 (CT.V-40-17) ] Pr t (CT.V34-17) Tra bảng VII-20-16 ta có thông sè cđa níc vµ Toluen ë 60oC µníc=0,469.10-3 N.s/m2 µToluen=0,381.10-3 N.s/m2 SVTH: Lª Quang Huy 51 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Tra bảng VIII-20-16 ta có nhiệt dung riêng nớc Toluen 60oC Cnớc=4190 J/kg độ CToluen=1900 J/kg độ lgàhh=m1.lgànớc+m2lgàT Trong m1, m2: nồng độ cấu tử hỗn hợp lgàhh=0,196.lg(0,469.10-3)+0,804.lg(0,38.10-3) lgàhh=-3,4 àhh=0,398.10-3 N.s/m2 Nhiệt dung riêng hỗn hợp C=a1.C1+a2.C2 Trong đó: a1, a2 nồng độ cấu tử dung dịch C1, C2 nhiệt dung riêng cấu tử Vậy C=0,196.4190+0,804.1900=2348,84 (J/kg độ) Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp: = A.C p ρ ρ (CT I-32-16) M Trong ®ã: A: HƯ số phụ thuộc vào mức độ liên kết chất lỏng Toluen nớc chất lỏng không liên kết nên ta lấy A=4,22.10-8 : khối lợng riêng chất lỏng (kg/m3) M: khối lợng phân tử dung dịch M=0,196.18+0,804.92=77,49 ρ=0,196.ρníc+0,804.ρToluen Tra b¶ng (I-2-16) ta cã ρníc=983 kg/m3 ρToluen=828 kg/m3 ρ=0,196.983+0,804.828=858,38 (kg/m3) Do ®ã λ = 4,22.10 8.2348,34.3 858,34 854,34 = 0,19 (W/m2®é) 77,49 2348,84.0,397.10 Pr = = 4,9 0,19 Tải FULL (file word 105 trang): bit.ly/3qG3RUB Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net SVTH: Lª Quang Huy 52 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Nu = 0,025.ε (Re) 0,8 (Pr) 0, 43 ( Pr 0, 25 ) Prt Re≥104 Gi¶ thiÕt ε1=1,03, VËy Pr ≈1 Prt Nu = 0,025.1,03.(10 ) 0,8 (4,9) 0, 43 = 80,83 Ta chän ®êng kÝnh èng trun nhiƯt d=32 mm, bỊ dµy èng lµ 2,5 mm, chiỊu dài ống l=150 mm Do hệ số cấp nhiệt lµ: α = Nu λ 0,19 = 80,83 = 479,928 (W/m2®é) d 0,032 α = 2,04 A.4 r (W/m2độ) H t1 Trong r: ẩn nhiệt ngng tụ hỗn hợp t1:chênh lệch nhiệt độ hỗn hợp thành ống A: hệ số A = : khối lợng riêng hỗn hợp : hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp à=0,397.10-3 Ns/m2 Do ®ã A = 858,38 2.0,19 = 59,73 0,397.10 Giả thiết nhiệt độ t1=82,6oC (nhiệt độ thành ống tiếp xúc với dung dịch) ẩn nhiệt hỗn hợp ta tính nh sau: R=0,196.554.4,186.103+0,804.90,4.4,186.103=758777,8 (J/kg) Do hƯ sè cÊp nhiƯt lµ: α = 2,04.59,73.4 758777,8 = 2936,336 (W/m2®é) 1,5.1,5 * HƯ sè trun nhiƯt K tÝnh nh sau: SVTH: Lª Quang Huy 53 Líp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Do ống truyền nhiệt dạng tròn nên ta tính hƯ sè trun nhiƯt theo c«ng thøc sau: K= 1 δ +Σ + α1 λ α2 Trong ®ã δ: bỊ dµy thµnh èng λ: hƯ sè dÉn nhiƯt cđa vËt liƯu lµm èng α1, α2: hƯ sè cÊp nhiệt phía lỏng ngng tụ Ta chọn thép CT3 làm vật liệu thiết bị ngng tụ Tra b¶ng XII.7-17 ta cã hƯ sè dÉn nhiƯt cđa thÐp CT3 λ=50 W/m2®é Do ®ã ta cã hƯ sè trun nhiƯt K= = 404,17 0,0025 (W/m2®é) + + 2936,336 50 479,928 * TÝnh bỊ mỈt trun nhiƯt, số ống, số ngăn Bề mặt truyền nhiệt đợc tính theo c«ng thøc sau: Q 797519,16 = = 34,86 (m2) K t 404,17.56,6 Số ống thiết bị là: F= n= F 34,86 = = 214,5 (èng) Π.d tb l 3,14.0,0345.1,5 Tra b¶ng V-11-17 ta qui chuÈn sè èng n=223 ống ống xếp theo vòng tròn đồng tâm Đờng kính thiết bị trao đổi nhiệt tính theo công thức: D=t.(2.no+1) (m) Trong t: bớc ống thờng chọn t=(1,2ữ1,5)d no: số vòng tròn ta tra bảng V.11-17 ta có no=8 vòng Vậy D=1,2.d.(2.8+1)=1,2.0,032(2.8+1)=0,6528 (m) Lấy D=65 mm 1.2 Tính toán thùng phân tầng SVTH: Lê Quang Huy 54 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp Thùng phân tầng dùng để tách hỗn hợp Toluen Nớc giai đoạn chng cất Nớc Trong phần cân vật chất ta tính đợc lợng nớc công đoạn chng cất nớc, lợng nớc là: 2400,1 kg lợng Toluen là: 5336,4 kg Tra b¶ng (I-2-16) ë 30oC dïng néi suy ta cã: nớc=995 kg/m3 Toluen=856,5 kg/m3 Vậy thể tích nguyên liệu vào thùng phân tầng mẻ là: V = 2400,1 5336,4 + = 8,64 (m3) 995 856,5 Gi¶ thiÕt giai đoạn chng nớc là: thời gian phân tầng phút, thời gian tháo nớc 10 phút Vậy ta tích thùng phân tầng là: Vt=8,64.(1/2).(15/60)=1,08 (m3) Hệ số điền đầy 0,8 thể tích thực thùng là: Vtt=Vt/0,8=1,08/0,8=1,35 (m3) Mặt khác ta có Vtt = D H Trong H: chiều cao phần trụ thiết bị D: đờng kính thiết bị Chọn H=2.D Nh vËy ta cã D3=4.Vtt/2π hay D = Thay sè ta cã: D=3 4Vtt 2π 4.1,35 = 0,95 (m) 2.3,14 LÊy chßn D=1 m vËy ta cã H=2.D=2 m * Tính chiều dày thùng phân tầng Dùng thép CT3 để chế tạo thùng phân tầng vận tốc rỉ thép CT 0,06mm/năm tra bảng XII-4-17 ta cã: δk=380.106 N/m2 δc=240.106 N/m2 Tải FULL (file word 105 trang): bit.ly/3qG3RUB Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net Th©n thïng chÕ tạo cách hàn dọc thân, nối thân với đáy nón hệ số bền hàn n=0,75 áp suất tính toán thùng là: SVTH: Lê Quang Huy 55 Lớp: CNVLPolyme_ K45 GVHD: GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu Đồ án tốt nghiệp P=Pt+Pmt Trong đó: Pt: áp suất thuỷ tĩnh lợng chất lỏng tạo Pmt: áp suất khối trơng Pt=ρ.g.H ë 30oC ta cã ρníc =995 kg/m3 ρToluen =856,5 kg/m3 ρ=0,196 ρníc +0,804 ρToluen =0,196.995+0,804.856,5 ρ=883,65 kg/m3 H=2m lµ chiỊu cao th¸p VËy ta cã Pt=883,65.9,81.2=0,17.105 N/m2 Pmt=105 N/m2 VËy P= (1+0,17).105=1,17.105 N/m2 HƯ sè an toµn bỊn cđa thép CT3 (bảng XIII-3-17) k=2,6 c=1,5 Hệ số điều chỉnh =0,9 Giới hạn bền kéo, bền chảy thép CT3 cho phÐp lµ: δk 380.10 [δ k ] = η = 0,9 = 131,54.10 (N/m2) ηk 2,6 [δ c ] = δc 240.10 η = 0,9 = 144.10 (N/m2) c 1,5 Chiều dày thùng phân tầng đợc tính theo công thức sau: S= Ta tính Dt P + C (m) 2.[δ ].ϕn − P δk 131,54.10 ϕ n = 0,95 = 1068 > 50 ®ã ta cã thÓ bá qua P ë P 1,17.10 mẫu số Vậy chiều dày thân tính nh sau: Dt P 1.1,17.10 S= +C = +C 2.[δ ].ϕ n 2.131,54.10 6.0,95 S=0,0005+C SVTH: Lª Quang Huy 3547883 56 Líp: CNVLPolyme_ K45 ... phối liệu cân vật chất 1. 1 .1 Lựa chọn phơng pháp sản xuất nhựa ED- 16 Các phơng pháp sản xuất nhựa ED- 16 : - Ngng tụ từ Epiclohydrin với Bis Phenol A - Phản ứng tạo thành Polyepoxy SVTH: Lª Quang... thiết diện hình khăn Pr = C p λ D= 2200 mm d =2000 mm Chän w=25 m/s VËy ta cã: Re = Pr = (2,2 − 2).25 .1, 119 9 = 4, 210 .10 −7 13 3 .10 13 3 .10 −7.0,505.4 ,18 6 .10 3 = 1, 084 2,5935 .10 −2 ⇒ Nu=0,023.(4, 210 .10 5)0,8 .1, 0840,4.[2,2/(2,2-2)]0,45=2206,95... là: 1= 3 mm + tính Các thông số nớc bÃo hòa 2,025 at: Khối lợng riêng: =1, 119 9 kg/m3 (bảng I-250 -16 ) Độ nhớt à =13 3 .10 -7 N.s/m2 (bảng I -12 1 -16 ) Hệ số dẫn nhiệt =2,5935 .10 -2 W/m2.độ (bảng I -12 9 -16 )