Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання матеріальних та технологічних розрахунків у дипломному проектуванні проектів бакалавра та спеціаліста для студентів спеціальності 7,091605 «Хімічна технологія високомолекулярних сполук»

денної та заочної форм навчання

Затверджено

редакційно-видавничою

радою університету

Протокол № від 2013р.

Харків, 2013

Методичні вказівки до виконання матеріальних та технологічних розрахунків у дипломному проектуванні проектів бакалавра та спеціаліста для студентів спеціальності 7,091605 «Хімічна технологія високомолекулярних сполук» денної та заочної форм навчання /Укладачі: А.М. Каратєєв, Т.М. Токар, Г.І. Гуріна. – Харків: НТУ «ХПІ», 2013. - с.

Укладачі: А.М. Каратєєв

Т.М. Токар

Г.І. Гуріна

Рецензент: Л.А.Макарова

Кафедра технології полімерних композиційних матеріалів та покриттів

ЗМІСТ

1. Загальні положення

2. Аналіз та корегування рецептур поліестерних смол

2.1. Розрахунок надлишку ОН-груп

2.2. Встановлення ступеня завершеності реакції полі етерифікації та кислотного числа в момент гелеутворення

2.3. Корегування рецептур поліестерних смол

2.4. Визначення гідроксильного числа поліестеру

2.5. Аналіз рецептури основи лаку ПФ-053

3. Матеріальний баланс виробництва

3.1. Рекомендації щодо розрахунків матеріального балансу, кількості побічних продуктів та втрат сировини

3.2. Приклад розрахунку матеріального балансу алкідного лаку

3.3. Приклад розрахунку матеріального балансу алкідної емалі

3.4. Визначення норм технологічного режиму

4. Технологічний розрахунок устаткування

4.1. Вихідні дані щодо розрахунку устаткування

4.2. Послідовність виконання технологічного розрахунку

4.3. Вибір типу реакційного апарату.

3. Матеріальний баланс виробництва

3.1. Рекомендації щодо розрахунку матеріального балансу, кількості побічних продуктів, втрат сировини

Матеріальний баланс виробництва складається з метою визначення витратних норм сировини та матеріалів як на одну тону готового продукту, так і для розрахунку потреби у сировині та матеріалах на добу, місяць, рік. Матеріальний баланс дозволяє проаналізувати по кожній стадії виробництва рух сировини, матеріалів, проміжних продукції і готового продукту, втрат або відходи виробництва виявити вузькі місця технології, тощо. Матеріальний баланс є основою для подальшого складання теплового розрахунку ємності та продуктивності основного та допоміжного устаткування, для проведення економічних розрахунків.

Для періодичного процесу матеріальний баланс складається походячи із завантаження основних та допоміжних апаратів, а при безперервному технологічному процесі – на підставі годинної продуктивності даного апарату. Якщо по ходу технологічного процесу рух матеріальних складових продукту відбувається з одного апарату до другого та при цьому вводяться ті або інші добавки у вигляді сировинних компонентів, то в цьому випадку допускається складання наскрізного матеріального балансу з урахуванням усіх послідовно розміщених згідно технологічній схемі апаратів. Якщо ж технологічна схема розгалужена та в окремих апаратах готуються напівпродукти для подальшого змішування з основним продуктом, то на кожен такий апарат необхідно складати свій матеріальний баланс находячи з разового завантаження або годинного рас ходу з послідуючим перерахунком витрат на одну тону напівпродукту, тобто фактично з розрахунком витратних норм на одну тону напівпродукту.

При розрахунку матеріального балансу необхідно визначити кількість компонентів, що завантажуються, втрат та виходу продукції по кожній стадії процесу з обґрунтуванням завантаження, втрат та виходу за стадіями, а потім зробити перерахунок на 1 т готового продукту та звести усі розрахунки до зведеної таблиці.

Розрахунок завантаження сировини до апарату здійснюється у відповідності з наведеною рецептурою з урахуванням ємності або продуктивності апарату, коефіцієнту завантаження.

Втрати сировини при завантаження апарату залежать від багатьох факторів: кількості сировини, що завантажується, її фізичного стану (тверде або рідинне, низьков’язке або високов’язке, чи підлягає воно попередньому здрібненню або плавленню, ємності тари у якій поступає сировина, тощо). Наприклад, втрати твердої сипучої сировини, що поступає у паперових або поліетиленових мішках вагою до 30 кг, можуть складати 100±50 г на кожний мішок. Ці втрати складаються з втрат при завантаженні та транспортуванні сировини зі складу до цеху, а також при його завантаженні до апарату. Втрати сировини, що поступає у гумово кордових контейнерах, приблизно у два рази нижче в перерахунку на 1 тону сировини. Втрати твердої сировини, що підлягає здрібненню перед завантаженням, можливо прийняти у 2-3 рази більше, ніж при його надходженні у сипучому вигляді у мішках. При плавленні твердої сировини у плавителях його витрати можно прийняти такими, що відповідають втратам сипучих матеріалів у мішках.

Втрати рідинної сировини при завантаженні залежать від ємності тари, у якій вона надходить до заводу, та від її в’язкості. Чим менше ємність тари та вище в’язкість сировини, тим більше її втрати.

При надходженні сировини у залізничних цистернах з послідуючим перекачуванням її зі складу до цеху по трубопроводу втрати можна прийняти рівними навколо 2 кг на 1 тону. При надходженні тієї ж сировини в бочках ємністю 200-300 літрів втрати складають 5-10 кг на 1 тон. Якщо в’язкість сировини підвищена, то це призводить до зростання втрат за рахунок неповного спорожнення тари, у якій поступає сировина. Так, наприклад, втрати рицинової та тунгової олії, гліцерину та інших в’язких рідин, які надходять у бочках, можуть складати до 2-3 кг на кожну бочку. В умовах низьких температур для зменшення втрат сировини при її завантаженні з тари, потрібен попередній підігрів.

При завантаженні летючих рідин втрати підвищуються пропорційно летючості даного компоненту, але при завантаженні рідини через рідинні лічильники по трубопроводам втрати незначні та складають 2-5 кг на тону продукту.

На стадії підігріву реагентів їх втрати залежать від ряду факторів: температури кипіння даного продуту, температури підігріву реакційної маси, тривалості прибування при високих температурах, термічної стійкості реакційних компонентів, об’єму інертного газу, що приходить в одиницю часу над по верхньою реакційної маси та уносить з собою реакційні компоненти. Реакційна вода, що виділяється при високих температурах, сприяє збільшенню втрат, особливо поліолів, знижуючи їх температуру кипіння та збільшуючи летючість. Якщо технологічна схема виробництва передбачає використання зворотнього холодильника щодо конденсації парів реакційних компонентів, це сприяє зниженню втрат до 1 % на тону реакційної маси.

Особливо сильно збільшуються втрати сировини, якщо температура реакційної маси наближується або дорівнює температурі кипіння одного з компонентів. У цьому випадку втрати окремих компонентів можуть досягти 20-30 % від рецептурної кількості, якщо не використовуються заходи по їх зниженню. Часто у втрати входять і летючі домішки, що містяться у вихідній сировині. Наприклад, каніфоль може містити 10 % неомиляємих речовин, таких як терпени, які можуть частково або повністю відганяється на стадії підігріву або синтезу продукту.

Наприклад, на стадії полі етерифікації при синтезі алкідних олігомерів відбувається розклад поліолу до 10 % від завантаженої кількості. При високих температурах синтезу більш ніж 205 °С, у випадку використання олій напіввисихаючого типу при синтезі жирних або середньої жирності алкідних лаків, втрати за рахунок їх розкладу складають 3-5 %.

На стадії поліконденсації у втрати, крім побічних продуктів реакції, надходить і частка реакційних компонентів, таких як поліол, дикарбонова кислота або її ангідрид в залежності від способу синтезу (сплавлення або азеотропний спосіб), а також температури та тривалості синтезу. Так, втрати фталевого ангідриду при сплавленні можуть досягти 5-20 % від завантаженої кількості, а при азеотропному способі – 1-3 %.

При вивантажуванні основи з реактору у змішувач втрати основи складають не більше ніж 0,5 %.

При розчинені основи та постанови на «тип» втрати в основному бувають за рахунок розчинників та складають 1-5 кг на тону розчина.

При фільтрації лака втрати залежать від його чистоти, в’язкості та можуть змінюватися від 0,5 до 2 %.

При зливі готового продукту у тару втрати визначаються ємністю тари: сим вона більше, тим відносно менше втрати. При фасуванні лаку у дрібну тару ємністю 3-5 кг втрати можуть складати 1 %, а при фасовці у бочки або цистерни – 0,5 %.

У розрахунковій частині пояснювальної записки проекту наводиться рецептура продукту (основи, лаку, фарбового напівфабрикату, готової емалі) та на підставі наведеної рецептури – ті фізико-хімічні властивості сировини, які потрібні для розрахунків. Наприклад, для лаку ПФ-283 необхідні дані зведені до таблиці 7.

Таблиця 7

№ п/п	Найменування компонентів	Кількість, % мас.		Густина, кг/м3	Молярна маса
		на основу	на розчин
1	Олія соняшникова	45,93	24,33	930	894
2	Каніфоль	21,50	11,40	1100	302
3	Пентаеритрит	13,07	6,93	1369	136
4	Фталевий ангідрид	19,47	10,32	1527	148
5	Сода	0,03	0,02	-	-
6	Уайт-спирит	-	23,50	790	-
7	Сольвент	-	23,50	860	-
	Разом	100,00	100,00	-	-

При виробництві алкідних олігомерів необхідно зробити аналіз рецептури лаку з метою виявлення надлишку гідроксильних груп та обґрунтувати цей надлишок. Для цього рецептурна кількість поліолу та карбонових кислот (каніфолі, фталевого ангідриду, малеїнового ангідриду, тощо...) діляться відповідно на молекулярну масу та помножуються на кількість функціональних груп. Далі вичислюють надлишок гідроксильних груп у відсотках, приймаючи кількість карбоксильних груп за 100 %:

Наприклад, для рецептури, наведеної у таблиці 7, надлишок гідроксильних груп складає:

Цей надлишок гідроксильних груп достатній для зниження кислотного числа основи до порівняльно низького значення (~15 мг КОН/г) з урахуванням втрат поліола як на стадії алкоголізу, так і на стадії полі етерифікації. У деяких випадках припускається коректировка рецептури у бік зменшення або збільшення надлишку гідроксильних груп з урахуванням способу, температури та тривалості синтезу, а також призначення даного лаку, умов його подальшої експлуатації. Коректировка рецептури можлива за умови відхилення вмісту окремих компонентів не більше ніж на 2 % від рецептури.

Матеріальний баланс виробництва емалей або композиційних полімерних матеріалів повинен складатися на кожен апарат або групу апаратів, у яких виготовляються напівфабрикати, що входять до складу завантажувальних рецептур з послідуючих перерахунком втрат норм на одну тону напівфабрикату та готового продукту. При виготовленні емалей методом «худих паст» та при виготовленні підколірних паст необхідно урахувати, що ці продукти мають свої завантажувальні рецептури, які в основній рецептурі закладені у вигляді індивідуальної сировини, тому матеріальний баланс кінцевого продукту повинен складатися у розрахунку на напівфабрикати, та втрати на цих стадіях повинні ураховуватися у зведеній таблиці матеріального балансу.