Аннотация

В данном дипломном проекте производится разработка стадии синтеза в производстве эпоксидной смолы марки ЭД-16.

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графической части.

В пояснительной записке представлены такие разделы как: Описание технологической схемы производства эпоксидной смолы марки ЭД-16, устройство и принцип работы реактора, выбор конструкционных материалов, технологические и прочностные расчёты элементов реактора, технология изготовления крышки.

В графической части содержится: принципиальная технологическая схема, сборочный чертёж реактора, чертеж сборочной единицы и технологическая карта изготовления детали.

Графическая часть состоит из 4 листов формата А1.

Пояснительная записка содержит 45 страниц напечатанного текста.

Введение

В данной курсовой работе производится разработка основного оборудования производства эпоксидных смол – реактора синтеза .

Эпоксидные смолы представляют собой группу искусственных смол, обладающих способностью переходить в твердое состояние при взаимодействии с рядом соединений, приобретая новые ценные физико-химические и диэлектрические свойства. Благодаря этому эпоксидные смолы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: электро- и радиотехнике, приборостроении, авиационной промышленности, судо-, автомобиле-, машиностроении.

Преимущественно эпоксидные смолы применяются для приготовления герметизирующих, пропиточных и заливочных изоляционных материалов, связующих для стеклопластиков, для изоляционных и защитных покрытий, клеев, а также для заливки малогабаритных изделий, изготовления пластмассовых штампов, форм и инструментальной оснастки для ремонтных работ и других целей.

В курсовом проекте производится выбор схемы производства, выбор и расчет реактора синтеза.

1. Характеристика вопроса по литературным и производственным данным. Технико-экономическое обоснование

1. Анализ литературных и производственных данных

Реакционные аппараты – основное оборудование химических цехов. По сравнению с аппаратурой для физико-химических процессов они имеют ряд особенностей: химические реакции, как правило, сопровождаются значительным тепловым эффектом, следовательно, возникает проблема подвода или отвода тепла и регулирования температуры; большинство химических процессов протекает в присутствии катализаторов, что создает, в свою очередь, проблемы хорошего контакта реагирующих продуктов с катализатором, его загрузки, выгрузки и регенерации [1].

В зависимости от формы реактора, наличия или отсутствия перемешивающих устройств, вязкости и плотности реакционной смеси в реакторе могут создаваться различные гидравлические условия, от которых существенно зависит течение реакции.

Используют два типа проточных, т.е. непрерывного действия, реакторов с существенно различными условиями: емкостной реактор (реактор смешения) и трубчатый (реактор вытеснения), [7].

Емкостное реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой, как правило, один два диаметра, снабженный вращающейся мешалкой, установленной на вертикальном валу и штуцерами для отвода и подвода реагентов. Такой аппарат используют для проведения реакций в жидкой фазе. При интенсивной работе мешалки условия в нем близки к идеальному смешению и характеризуются постоянством концентраций реагирующих веществ и температуры по всему объему реактора, [8].

Трубчатые реакторы, в отличие от емкостных, не имеют перемешивающих устройств, в них перемешивание сведено к минимуму. Приблизительной теоретической моделью такого реактора является реактор вытеснения, в котором среда движется с постоянной скоростью подобно поршню. Концентрации веществ, участвующих в реакции плавно изменяется по длине аппарата и это изменение обусловлено только реакцией.

Выбор аппарата с перемешивающими устройствами и конструктивные особенности определяются характеристикой процесса, свойствами перемешиваемой среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением при котором процесс осуществляется.

При перемешивании в среду вводится дополнительная энергия, которая используется для перемешивания.

Известны различные методы ввода энергии в перемешиваемую среду: механический, циркулярный, струйный, пульсационный, барботажный, электромагнитный и магнитновихровой. В практике наибольшее распространение получил механический способ перемешивания жидких сред, осуществляемый путем механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду, [8].

Итак, исходя из описанной далее в п.3.1 технологии производства продукта, определяем, что реакцию процесса необходимо и целесообразно проводить именно в аппарате с перемешивающим устройством, так как для осуществления процессов в жидкой неоднородной среде используются именно такие аппараты. Под жидкой неоднородной средой понимается одно или многокомпонентная среда с неравномерной концентрацией и температурой, а также жидкая неоднородная система состоящая из дисперсной фазы распределяемой в жидкой среде. Такие реакторы являются наиболее распространенным видом аппаратов, применяемых в химической промышленности, они часто стандартизированы и выпускаются серийно, [8].

Характерные особенности реакторов котлов следующие, [8]:

• аппарат комплектуется одним приводом, устанавливаемом на его крышке таким образом, чтобы ось выходного вала мотор-редуктора совпадала с осью вала мешалки, а ось вала мешалки совпадала с осью корпуса аппарата;

• аппарат может иметь на валу одну, две и более мешалок;

• аппарат может устанавливаться как без внутренних, так и с внутренними устройствами;

• каждый аппарат может изготавливаться и быть разделен на аппараты: гладкостенные; с отражательными перегородками; секционные и аппараты с центральной циркулярной средой.

Так как мы имеем дело с жидкой средой и процесс организован периодически, то целесообразно выбрать аппарат емкостного типа.

Емкостные реакционные аппараты применяют для процессов, где основной является жидкая фаза (системы жидкость – жидкость, жидкость – газ, жидкость – твердое тело).

Они, как правило, имеют перемешивающее устройство. Емкостные аппараты с мешалками используют не только как химические реакторы, но и для различных физико-химических процессов – получение жидких компонентов и др.

Условия работы и конструкция емкостных аппаратов с мешалками весьма разнообразны. Они имеют емкость от 0,04 до 100 м³ и рабочее давление до 10 МПа.

В настоящее время в соответствии с ГОСТ 20680-85 химическим машиностроением могут быть изготовлены аппараты десяти типов.

Разнообразие конструкций жидкостных реакторов обусловлено использованием различных перемешивающих и теплообменных устройств, в зависимости от вязкости жидкости и теплового эффекта.

Мешалки предназначены для перемешивания и передачи механической энергии от динамических элементов аппарата к перемешиваемой среде.

ГОСТом 20680-85 – регламентируется двенадцать типов мешалок. Входящие в этот ряд мешалки отличаются одна от другой значение гидродинамического коэффициента сопротивления, определяющего значение критерия Kv.

На рисунке 1.1 показаны различные конструкции быстроходных мешалок.

Рисунок 1.1- Конструкции быстроходных мешалок

а) – трехлопастная мешалка; б) – винтовая мешалка; в) – открытая турбинная;

г) – закрытая турбинная; д) – шестилопастная мешалка; е) – лопастная мешалка;

ж) – трехлопастная эмалированная.

На рисунке 1.2 показаны различные конструкции тихоходных мешалок .

Рисунок 1.2 - Конструкции тихоходных мешалок.

а- якорная; б – якорная эмалированная; в – рамная мешалка; г – шнековая; д – ленточная; ; е – ленточная мешалка со скребками.

В зависимости от числа оборотов все применяемые мешалки условно могут быть разделены на тихоходные (лопастные, рамные, листовые и якорные) и быстроходные (турбинные и пропеллерные), имеющие частоту вращения более 8-10 с^-1.

Под быстроходными понимаются мешалки, используемые для перемешивания при турбинном и переходных режимах движения жидкости, под тихоходными при ламинарном режиме движения жидкости.

Быстроходные мешалки могут использоваться в гладкостенных аппаратах, а также в аппаратах, оборудованных различными внутренними устройствами. Помимо этого мешалки с наклонными лопастями могут использоваться в аппаратах с циркуляционной трубой.

Тихоходные мешалки в основном применяют для гомогенизации и ускорения высоковязких и ньютоновских сред, интенсификации тепломассообмена и для осуществления некоторых других технологических операций.

Тихоходные мешалки, как правило, используются только в гладкостенных аппаратах, исключением является шнековая мешалка, которая может быть также использована в аппаратах с циркуляционной трубой и отражательными перегородками.

При выборе типа мешалки и ее параметров учитывают требования процесса, свойства жидкости (вязкость, наличие осадков и др.), форму аппарата и другие факторы.

Лопастные мешалки. Их относят к группе тихоходных. Недостаток – малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуется применять для взвешивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися жидкостями. Несмотря на это, лопастные мешалки широко применяют для различных процессов и в аппаратах значительного объема. Они просты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание жидкости.

Рамные мешалки. Эти мешалки применяют для аппаратов большой емкости до 100 м³. Они обеспечивают удовлетворительное перемешивание жидкостей с большой вязкостью.

Якорные мешалки. Применяют для обработки вязких, загрязненных и застывающих жидкостей. Лопасти такой мешалки создают интенсивное перемешивание непосредственно около стенок и очищают их от налипших осадков, если таковые имеются. Для особо вязких жидкостей применяют якорные мешалки с дополнительными вертикальными или наклонными планками. Общие недостатки всех тихоходных мешалок: громоздкость, значительные пусковые перегрузки, необходимость применения редукторов с большим передаточным отношением.

Листовые мешалки. Применяют сравнительно редко, в основном для маловязких сред. Для улучшения перемешивания в мешалке делают отверстия. Турбинные мешалки. Их относят к быстроходным, работающим по принципу центробежного насоса, т.е. они всасывают жидкость в середину и за счет центробежной силы отбрасывают ее к периферии. Таким образом, в отличие от лопастных, рамных и якорных мешалок, сообщающих жидкости в основном круговое движение, турбинные сообщают радиальное. Турбинные мешалки обеспечивают весьма интенсивное перемешивание.

Их можно применять в широком диапазоне вязкостей и плотностей перемешиваемых жидкостей, для подъема тяжелых суспензий, получения эмульсий, при химических процессах и др. Не рекомендуется применять турбинные мешалки для аппаратов большой емкости. В аппаратах с турбинными мешалками обязательная установка отражательных перегородок, если они отсутствуют, то образуется глубокая воронка, иногда доходящая до дна аппарата и перемешивание ухудшается.

Пропеллерные мешалки. Особенность их работы – значительные осевые потоки жидкости. Пропеллерные мешалки применяют для химических процессов растворения, эмульгирования, взмучивания и во многих других случаях. Пропеллерные мешалки не применяют в аппаратах с плоским дном, так как в углах образуются застойные зоны.

Поскольку в реакторе на различных стадиях присутствует не чистая эпоксидная смола, а ее растворы и эмульсии, общая вязкость среды невелика, и применяем быстроходные мешалки – трехлопастные стандартизированные (ГОСТ 20680–75) [9].

Внутреннее устройство в зависимости от условия работы также может быть весьма различным.

В качестве теплообменных элементов для аппаратов с мешалками применяют рубашки или змеевики.

Для поддержания оптимального температурного режима в реакторах используют различные теплообменные устройства, обеспечивающие нагрев или охлаждение реакционной массы. Выбор конструкции теплообменного устройства зависит прежде всего от теплового эффекта реакции, а также от температурных условий ведения процесса, гидравлического режима движения реагентов, физических, химических и теплофизических свойств теплоносителя.

Исходя из этих преимуществ выбираем для проектируемого реактора гладкую приварную рубашку в качестве теплообменного элемента и змеевик в качестве дополнительного теплообменного устройства.

В качестве приводов к аппаратам для перемешивания жидких сред обычно используются приводы моноблочные с мотор-редуктором, герметичные электроприводы и электродвигатели.

По своему конструктивному исполнению моноблочные приводы с мотор-редуктором могут быть выполнены в нормальном исполнении или в виде малогабаритных мотор-редукторов. Моноблочные приводы нормального исполнения могут иметь жесткое соединение валов мотор-редуктора и мешалки, клиноременную передачу и мотор-вариатор.

Аппараты для перемешивания жидких сред в зависимости от физико-химических характеристик и параметров этих сред, а также требований производственной санитарии, техники безопасности и пожароопасности комплектуются гидрозатворами, сальниковыми и торцовыми уплотнениями.

Гидрозатворы представляют собой уплотнительный узел предназначенный для предотвращения контакта газовой среды, заполняющей внутреннюю полость аппарата, с атмосферой.

Сальниковые уплотнения применяются для герметизации валов аппаратов при условии их работы с неагрессивными или малоагрессивными средами, находящихся под избыточным давлением, не превышающим 0,6 МПа, или под действием остаточного давления, большего 0,04 МПа.

Частота вращения валов, уплотнение которых осуществляется с помощью сальников должна находиться в пределах от 5 до 320 об/мин.

Сальниковые уплотнения без охлаждения с подводом смазывающей жидкости в зону уплотнения используются от минус 20 ⁰С до плюс 70 ⁰С, а с подводом жидкости в зону уплотнения могут работать при условном давлении до 2,5 МПа или остаточном давлении не ниже 20 мм.рт.столба.

Торцевые уплотнения получили широкое распространение благодаря следующим достоинствам:

• в отличии от сальников при нормальной работе не требуется их постоянного обслуживания;

• правильно подобранные торцовые уплотнения отличаются большой износоустойчивостью и следовательно долговечностью;

• торцовые уплотнения обладают высокой герметичностью.

Торцовые уплотнения удовлетворительно работают в предельно тяжелых условиях под давлением (от 10^-5 мм.рт.ст. до 45 МПа), температуре (от минус 200 ⁰С до плюс 450 ⁰С и выше при охлаждении), по скорости скольжения в парах трения (от 0 до 100 м/с и более), о агрессивности (концентрированные кислоты, щелочи, радиоактивные среды) и по абразивности сред (грунтовые, песковые, глинистые и т.п.), их изготавливают на валы любого размера (от нескольких миллиметров до 1500 мм и более в диаметре).

Исходя из приведенного выше обзора, целесообразно выбрать конструкцию реактора, представляющую из себя стальной цельносварной вертикальный аппарат емкостного типа, снабженный гладкой приварной теплообменной рубашкой, мешалкой турбинного типа мотор-редуктором с торцевым уплотнением.