Материал: Производство лака ПФ-060

Расчет ρ_смеси, кг/м³:

ρ_cм= ρ₂= ;                               (4.5)

Где:

G_i - массовая доля компонента в смеси, кг;

ρ_i- плотность компонента, кг/м³ ;

V_р=6,3 м³;

ρ₂= ρ_{подсол.масла}=925 кг/м³, [2];

К_зап=0,8.

G₂ =6,3• 925•0,8=7284,375 кг

Q₂=7284,375• 1,84•(150-20)=1742422,5кДж

Расчет тепла, необходимого на нагрев реактора Q₃, кДж

Q₃ = G_3·C₃·(t_3б -t_3м )                                   (4.6)

Где:

G₃ -масса пустого реактора;

С₃ - теплоемкость стали , кДж/кг·К;

t_3б - большая температура реактора;

t_{3м -} меньшая температура реактора ;

G₃= 5800кг;

С₃ =504 Дж/кг·К=0,504 кДж/кг·К;

Q₃=5800·0.504·(155-20)=394632 кДж.

Расчет количества выделяемого/поглощаемого тепла в ходе химической реакции Q₄, кДж

₄ = G₄·q₄ ;                                (4.7)

Где:

G_{4 -} масса веществ, участвующих в реакции, кг;

q₄- тепловой эффект реакции, Дж/кг;

q₄= О Дж/кг, так как нет реакции;

Q₄ =0 кДж

Расчет количества потерь тепла в окружающую средуQ₅, кДж

Принимается равным 5% от суммы полезно затраченного тепла.

Q₅=0,05 ;                                      (4.8)

Q₅ =0.05·(1742422,5+39462)=106852,3 кДж;

Расчет суммарного расхода тепла Q₁, кДж

Q₁ =1742422,5+39462+106852,255 =2243907,3кДж;

Расчет теплового потока Q_сек, кВт

Тепловой поток- это расход тепла в единицу времени

Q_сек =                                     (4.9)

Где:

τ - время нагрева, ч.

Q_сек ==139 кВт

Расчет теплового баланса на стадии нагрева реакционной массы от 150 до 250^о С

Здесь нагрев производится электроиндуктором

Q₁ =Q₂+Q₃ ±Q₄ +Q₅                                                         (4.10)

Где:

Q₁ -суммарный расход тепла, кДж;

Q₂ -суммарный расход тепла на нагрев смеси, кДж;

Q₃ -тепло на нагрев реактора, кДж;

Q₄ -количество тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции, кДж;

Q₅ -потеря в окружающую среду, кДж.

Расчет Q₂ суммарного расхода тепла на нагрев смеси считаем по формуле (4.2)

Расчет ρ смеси проводим по формуле (4.5):

ρ_{подсол.масла}=925 кг/м³, [2];

ρ_{пентаэритрита} =1400 кг/м³, [2];

ρ₂₌==969,77кг/м³;

Теплоёмкость смеси считаем по формуле (4.3);

х_{подсол. масла}== 0,864;

х_{пентаэритрит}=1-0, 864=0,136;

С_{подсол. масла}=1,84 кДж/кг·К, [2];

С_{пентаэритрит}=2,27   кДж/кг·К, [2];

С₂=1,84·0,864+2,27·0,136=1,898 кДж/кг·К;

Массу смеси считаем по формуле (4.4);

G₂=6.3·969,77·0.8=4887,641 кг;

Q₂ = 4887,641•1,898 (250-150)=927674,22 кДж;

Расчет тепла на нагрев реактора Q₃ по формуле (4.6)

Q₃=5800·0,504·(255-150)=306936 кДж;

Расчёт количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄по формуле (4.7);

Q₄ =0 кДж, так как нет реакции;

Расчет потери тепла в окружающую среду Q₅ по формуле (4.8)

Q₅=0,05·(927674,22 +306936)=61730,511 кДж;

Расчет суммарного расхода тепла Q₁ по формуле (4.10)

Q₁=927674,22 +306936+61730,511 =1296340,371кДж;

Расчет теплового потока Q_сек, кВт по формуле (4.9)

Q_сек = = 111 кВт;

Расчет теплового баланса на стадии выдержки (реакция переэтерификации)

Q₁ =Q₂+Q₃ ±Q₄                                                                                (4.11)

Где:

Q₁ - общий расход тепла, кДж;

Q₂ - расход тепла на выдержку реакционной массы, кДж;

Q₃ - расход тепла на реактор, кДж;

Q₄ - расход тепла выделяющееся или поглощаемое в ходе химической реакции, кДж;

Расчет суммарного расхода тепла на нагрев смеси Q₂по формуле (4.2)

Q₂=0 кДж;

Чтобы исключить нагрев реакционной массы (должны поддерживать 250^о С).

Расчет тепла на нагрев реактора Q₃по формуле (4.6)

Q₃=0 кДж;

Чтобы не было перегрева.

Расчет количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄по формуле (4.7)

Q₄=G₄·q₄;

q₄=-10771,47 Дж/кг ;

₄=V_р•ρ_см•К_зап;                                                                                 (4.12)

Где:

V_р- вместимость реактора, м³;

ρ₂ -плотность масла, кг/м³;

К_зап- коэффициент заполнения реактора.;

Расчет ρ смеси проводим по формуле (4.5):

ρ_{подсол.масла}=925 кг/м³;

ρ_{пентаэритрита} =1400 кг/м³;

ρ₂= ==969,77кг/м³;

Расчет массы смеси по формуле (4.4);

G₄=6,3•969,77•0,8=4887,641кг

Q₄=-10771,47•4887,641= -52647081,28Дж= -52647,081кДж

Q₁= Q₄ =-52647,081кДж

Расчет теплового баланса на стадии охлаждения переэтерификата от 250 до 180^оС

Q₁ =Q₂+Q₃ ±Q₄                                                                                                                                     (4.13)

Где:

Q₁ - общий расход тепла, кДж;

Q₂ - расход тепла на охлаждение переэтерификата, кДж;

Q₃ - расход тепла на охлаждение реактора, кДж;

Q₄ - расход тепла выделяющееся или поглощаемое в ходе химической реакции, кДж;

Расчет Q₂ суммарного расхода тепла на охлаждение переэтерификата по формуле (4.2)

ρ₂₌=969,77кг/м³;

С₂=1,898 кДж/кг·К;

G₂=4887,641 кг;

Q₂ = 4887,641•1,898 (250-180)=649371,98 кДж;

Расчет тепла на нагрев реактора Q₃ по формуле (4.6)

Q₃=5800·0,504·(255-180)=219240 кДж;

Расчёт количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄, кДж

Q₄ =0 кДж, так как нет реакции;

Расчет суммарного расхода тепла Q₁по формуле (4.13)

Q₁=649371,98 +219240=868611,98кДж;

Расчет теплового потока Q_сек, кВт по формуле(4.9)

Q_сек = = 193 кВт;

Расчет теплового баланса на стадии нагрева реакционной массы от 180 до 250^о С, (реакция этерификации)

Q₁ =Q₂+Q₃ ±Q₄ +Q₅                                                         (4.14)

Где:

Q₁ -суммарный расход тепла, кДж;

Q₂- расход тепла на нагрев реакционной массы, кДж;

Q₃ -расход тепла на нагрев реактора, кДж;

Q₄ -количество тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции, кДж;

Q₅ -потеря в окружающую среду, кДж.

Расчет Q₂ суммарного расхода тепла на нагрев смеси считаем по формуле (4.2)

Расчет ρ смеси проводим по формуле (4.5):

ρ_{подсол.масла}=925 кг/м³;

ρ_{пентаэритрита} =1400 кг/м³;

ρ_{фталевого ангидрида} =1530 кг/м³, [2];

ρ₂₌==1057,318 кг/м³;

Теплоёмкость смеси считаем по формуле (4.3);

х_{подсол. масла}== 0,669;

х_{пентаэритрит}==0,105;

х_{фталевого ангидрида}==0,266;

С_{подсол. масла}=1,84 кДж/кг·К;

С_{пентаэритрит}=2,27   кДж/кг·К;

С_{фталевого ангидрида}=1,07 кДж/кг·К;[…]

С₂=1,84·0,669+2,27·0,105+1,07·0,226=1,711 кДж/кг·К;

Расчет массы смеси по формуле (4.4);

G₂=6.3·1057,318·0.8=5328,883 кг;

Q₂ = 5328,883•1,711 (250-180)=638240,32 кДж;

Расчет тепла на нагрев реактора Q₃по формуле (4.6)

Q₃=5800·0,504·(255-180)=219240 кДж;

Расчёт количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄по формуле (4.7)

Q₄=G₄·q₄;

q₄=219178,08 Дж/кг ;

₄=V_р•ρ_см•К_зап

Где:

G₄=6,3•1057,318•0,8=5328,883кг

Q₄=5328,883•219178,08= 1167974,356кДж

Расчет потери тепла в окружающую среду Q₅ по формуле (4.8)

Q₅=0,05·(638240,32 +219240+1167974,356)=101272,73 кДж;

Расчет суммарного расхода тепла Q₁по формуле (4.14)

Q₁=638240,32 +219240+1167974,356+101272,73 =2126727,41кДж;

Расчет теплового потока Q_сек, кВт по формуле (4.9)

Q_сек = = 197 кВт;

Расчет теплового баланса на стадии выдержки (реакция п поликонденсации)

Q₁ =Q₂+Q₃ ±Q₄ +Q₅                                                                         (4.15)

Где:

Q₁ - общий расход тепла, кДж;

Q₂ - расход тепла на выдержку реакционной массы, кДж;

Q₃ - расход тепла на реактор, кДж;

Q₄ - расход тепла выделяющееся или поглощаемое в ходе химической реакции, кДж;

Q₅ - потери тепла в окружающую среду, кДж.

Расчет суммарного расхода тепла на нагрев смеси Q₂ (по формуле (4.2)

Q₂=0 кДж;

Чтобы исключить нагрев реакционной массы (должны поддерживать 250^о С).

Расчет тепла на нагрев реактора Q₃ по формуле (4.6)

Q₃=0 кДж;

Чтобы не было перегрева.

Расчет количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄по формуле (4.7)

Q₄=G₄·q₄;

q₄=-35787,67 Дж/кг ;

₄=V_р•ρ_см•К_зап

₄=6,3•1057,318•0,8=5328,883кг

Q₄=35787,67•5328,883= 190708,306 кДж

Расчет потери тепла в окружающую среду Q₅ по формуле (4.8)

Q₅=0,05•190708,306=9535,415 кДж

Расчет суммарного расхода тепла Q₁ по формуле (4.15)

Q₁= 190708,306 +9535,415 =200243,721 кДж

Расчет теплового потока Q_сек, кВт по формуле (4.9)

Q_сек = = 9 кВт;

Расчет стадии охлаждения готового алкида от 250^о до 180^оС

Q₁= Q₂ + Q₃±Q₄                                                                     (4.16)

Q₁ - общий расход тепла, кДж;

Q₂ - расход тепла, на охлаждение алкида, кДж;

Q₃ - расход тепла на охлаждение реактора, кДж;

Q₄ - расход тепла выделяющееся или поглощаемое в ходе химической реакции, кДж;

Расчет суммарного расхода тепла на охлаждение алкидаQ₂ (по формуле (4.2)

G₂=592,6 кг (таблица 2.7)

Теплоёмкость алкида считаем по формуле:

С=                                                                                                  (4.17)

Где:

a_i- количество атомов итого компонента;

С_i-теплоемкость итого компонента, кДж/(кг•К), [2];

Мм_алкида-молекулярная масса алкид;

Мм_алкида=3858

С==2,678 кДж/(кг•К);

Q₂=592,6•2,678•(250-180)=111088,796 кДж;

Расчет тепла на охлаждение реактора Q₃по формуле (4.6)

Q₃=5800•0,504•(250-180)=204624 кДж;

Расчёт количества тепла, выделяющегося или поглощаемого в ходе химической реакции Q₄по формуле (4.7)

Q₄ =0 кДж, так как нет реакции;

Расчет суммарного расхода тепла Q₁по формуле (4.16)

Q₁= 111088,796 +204624=315712,796 кДж

Расчет теплового потока Q_сек, кВт по формуле (4.9)

Q_сек = = 103,17 кВт;

Расчет змеевика

Расчет поверхности теплообмена змеевика, м

F=                                           (4.18)

Где:

Q_сек- тепловой поток стадии охлаждения, кВт;

Q_сек =103,17 кВт;

Δt_ср- разница между температурой алкида и температурой теплоносителя на данной стадии, ^о С;

К- коэффициент теплопередачи, принимаем 190 Вт/(м²•градус), [2];

Δt_ср=t_{ср(алкида)}-t_{ср(воды)};

Δt_ср= =155 ^о С

F= =3,5 м²

Расчет длины змеевика, м

= ;                                                 (4.19)

Где:

d_трубы - наружный диаметр трубы, м;

F - поверхность теплообмена змеевика, м;

d_трубы=0,06 м;

L== 18,5м;

Расчет диаметра витка змеевика, м

d_витка= + d_м;                                       (4.20)

Где:

D - внутренний диаметр реактора;

d_м - диаметр, который описывает мешалка, м;

_м =0.5•D;

_м =0.5•2.5=1.25 м;

d_витка=+1.25=1,875м;

Расчет длины одного витка

l=d_витка·π;                                        (4.21)

Где:

d_витка - диаметр витка змеевика, м;

l= 1,875·3,14=5,89 м;

Расчет числа витков

n=L/l;                                              (4.22)

Где:

L-длина змеевика, м;

l-длина витка змеевика, м;

n=18.5/5.89=3.14

Расчет шага витка (расстояние между витками), м

t=(1.5..2)·d_тр                                              (4.23)

Где:

d_тр - наружный диаметр трубы змеевика м;

t=2·0.06=0.12 м;

Расчет высоты змеевика , м

H_зм = n·t                                          (4.24)

Где:

n - число витков змеевика

t - шаг змеевика, м;

H_зм =3.14·0,12=0,38 м

4.2 Механические расчеты

4.2.1 Расчет мощности привода мешалки

Выбираем лопастную мешалку с вертикальными прямыми высокими лопатками.

μ=0,497 Па•с, [2];

n=0.5 сек^-1, [3];

Мощность привода мешалки рассчитывается по формуле:

_м=K_N•ρ_c•n³•d_м⁵                                                                                                                            (4.25)