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

Наименование компонентов	Массовая доля, %
1. Эпихлоргидрин, 100%	32,2
2. Дифенилолпропан	41,9
3. Натр едкий, 100%	15,4
4. Толуол на конденсацию	10,5
Итого:	100,0
5. Толуол на растворение	(100÷130) % от количества загружаемого дифенилолпропана
6. Двуокись углерода	до полной нейтрализации

Загрузка в реактор определяется по формуле:

Загрузка = V·φ·ρсм , где (2.3)

Загрузка – масса загружаемых в реактор компонентов, кг;

V – объем реактора, м3;

φ – коэффициент заполнения;

ρсм – средняя плотность загружаемых в реактор компонентов, кг/м3.

Плотность смеси рассчитываем по формуле

ρсм = , где (2.4)

ρсм – плотность смеси, кг/м3;

ω – массовая доля i-того компонента;

ρ – плотности i-того компонента, кг/м3

Характеристика исходных веществ приведена в таблице 2.2

Таблица 2.2- Характеристика исходных веществ[5]

Наименование компонента	Плотность компонента, кг/м3	Молекулярная масса, г/моль
1. Эпихлоргидрин	1180	92,5
2. Дифенилолпропан	1038	228
3. Раствор натра едкого	1280	40
4. Толуол	867	92

ρсм = =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

Наименование компонентов	Масса компонента, кг	Массовая доля, %	Массовая доля, % в пересчете на техническое сырье
1.Дифенилолпропан 2.Эпихлоргидрин (100%) 3.Едкий натр (100%) 4.Толуол	866,9 666,2 267,1 423,7	39,0 29,9 12,0 19,1	28,5 22,4 35,2 13,9
Итого:	2223,9	100	100

5) Потери компонентов приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4 – Потери компонентов

Наименование компонента	Потери, %	Потери, кг
1.Дифенилолпропан	0,32	2,77
2.Эпихлоргидрин	0,22	1,5
3.Толуол	1,52	3,3
4.Раствор едкого натра в том числе: гидроксид натрия вода	5	63,7 15,9 47,8

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 = NaOHзагр- NaOHреакция – 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+CO2 NaHCO3

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

Взяли		Получили
Компонент	Масса, кг	Компонент	Масса, кг
1	2	3	4
1) Дифенилолпропан 2) Эпихлоргидрин в т. ч. возвратный 3) Раствор едкого натра в том числе - едкий натр - вода 4)Толуол на синтез в т. ч. возвратный 5)Толуол на растворение 6) углекислый газ	866,9 679,8 119,4 1068,2 267,1 801,1 423,7 292,3 892,9 10,2	1)Раствор эпоксидного олигомера в толуоле в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол 2)Дистиллят в т. ч. - эпихлоргидрин - толуол 3)Водная фаза в т. ч. - вода - хлорид натрия - гидрокарбонат натрия - глицерин 4) Потери в т. ч. - дифенилолпропан - эпихлоргидрин - гидроксид натрия - вода -толуол - углекислый газ	2205,2 1184,2 1021,0 411,7 119,4 292,3 1253,0 850,4 353,4 19,5 29,7 71,8 2,8 1,5 15,9 47,8 3,3 0,5
Итого:	3941,7	Итого:	3941,7

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

Взяли		Получили
Компонент	Масса, кг		Компонент	Масса, кг
1	2		3	4
Раствор эпоксидного олигомера в толуоле в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол	2205,2 1184,2 1021,0		Раствор эпоксидного олигомера в толуоле очищенный в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол Потери: -эпоксидный олигомер - толуол	2183,1 1172,6 1010,5 22,1 11,6 10,5
Итого:	2205,2		Итого:	2205,2

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 =Мпрод –М 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

Взяли		Получили
Компонент	Масса, кг		Компонент	Масса, кг
1	2		3	4
1) Раствор эпоксидного олигомера в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол	2183,1 1172,6 1010,5		1) Смола Э-40 в т. ч. - толуол - эпоксидный олигомер 2) Дистиллят 3) Потери - толуол	1234,3 61,7 1172,6 918,5 30,3
Итого:	2183,1		Итого:	2183,1

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= 10080 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

Взяли		Получили
Компонент	Масса, кг	Компонент	Масса, кг
Раствор эпоксидного олигомера в толуоле в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол	8820,8 4736,8 4084,0	Раствор эпоксидного олигомера в толуоле очищенный в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол Потери: -эпоксидный олигомер - толуол	8732,4 4690,4 4042,0 88,4 46,4 42,0
Итого:	8820,8	Итого:	8820,8

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

Взяли		Получили
Компонент	Масса, кг	Компонент	Масса, кг
1) Раствор эпоксидного олигомера в т. ч. - эпоксидный олигомер - толуол	8732,4 4690,4 4042,0	1) Смола Э-40 в т. ч. - толуол - эпоксидный олигомер 2) Дистиллят 3) Потери - толуол	4937,2 246,8 4690,4 3674,0 121,2
Итого:	8732,4	Итого:	8732,4