2.Расчетная часть

Производство поликонденсационных олигомеров на деревообраба­тывающих предприятиях осуществляется периодическим или полунепре­рывным способом. В производстве синтез олигомеров ведут в строгом со­ответствии с технологическим регламентом. Поэтому, цеха по производст­ву смол в деревообрабатывающей промышленности обычно работают без остановок в три смены по скользящему графику.

Таблица 2.1

Годовой фонд рабочего времени

Нерабочие дни	Количество
Праздничные дни Капитальный ремонт Профилактический ремонт	8 10 22
Итого нерабочих дней Число рабочих дней в году	40 325

Часовой фонд рабочего времени рассчитывается по формуле

Т_год=Т _дн х Q_см х Т _см

Где: Т_дн - число рабочих дней в году (325);

Q_см - количество смен (3);

Тсм - количество часов в смену (8).

Т_год=325×3×8=7800 часов/год

2.2. Расчет годовой программы

Мощность цеха смол определяется количеством ре­акторов.

Расчет производительности реактора (П) осуществляется по

формуле:

V × T_год ×К_и 10,24×7800×0,85

П=^{__________________} = ^{___________________________} = 10445 (т/год)

τ_с 6,5

Выбираем реактор марки РСЭрн 10-3.

где V- полезный выход одного синтеза, т;

V = V_р × ρ_см× К_з;

V = 10 × 1,28×0,8=10,24 (т).

К_з – коэффициент заполнения реактора, 0,8

V_р – емкость реактора, V_р = 10 м³ ;

ρ_см – плотность смолы т/м³, ρ_см=1,28 т/м³;

Т_год - годовой фонд рабочего времени, ч;

К_и - коэффициент использования оборудования, 0,75 - 0,9;

τ_с – продолжительность одного синтеза, 6 ч.

τ_с = τ_р + τ_всп; τ_с = 6 + 0,5=6,5 (ч).

где τ_всп - вспомогательное время, которое складывается из затрат време­ни на загрузку исходных мономеров, выгрузку готовых олигомеров, охлаждение или нагрев реактора и принимается равным 30 - 40 мин (0,5-0,75 ч); τр - время проведения синтеза по технологическому регламенту.(прибл. 6 ч).

Реакторы, используемые для проведения процесса поликонденсации, различаются по номинальной вместимости от 3,2 до 16 м³. Выбор реактора производится с учетом необходимой производительности цеха смол для обеспечения выполнения производственной программы основного произ­водства, при этом желательно иметь минимальное количество реакторов одного объема.

Количество реакторов (n) определяется по формуле

n = Р/П; n =15000 / 10445 =1,43.

Выбираем 2 ректора марки РСЭрн 10-3.

где П - производительность одного реактора, т;

Р - необходимое количество олигомера для выполнения программы, т.

2.3.1. Расчет потребного количества сырья и материалов

Расчет количества сырья и материалов начинается с рас­чета рецептуры смол.

Расчет рецептуры смол.

Расчет рецептуры производится на 100 массовых частей основного реагента, используемого для проведения синтеза (карбамида, фенола, ме-ламина и т.д.). Исходными данными для проведения этого расчета являют­ся мольное соотношение используемых для синтеза мономеров и их моле­кулярная масса:

100 × М_м × g

G_м = –––––––––––––,

М_р

где 100 - массовые части основного реагента;

М_м - молекулярная масса мономера, для которого производится рас­чет;

g - мольная доля мономера;

М_р - молекулярная масса основного реагента (фенола или карбамида);

G_M - количество в массовых частях определяемого мономера.

Рассчитаем массовую часть формальдегида:

100 × 30× 1,66

G_м = –––––––––––––––– = 83 м.ч.,

60

Некоторые мономеры используются для проведения синтеза в виде растворов (формальдегид применяют в виде 37%-ного водного раствора формалина), необходимо полученные расчетные количества этих мономе­ров перевести в массовые части их растворов:

G_м

G_мр = –––– × 100, (2.8)

K

где G_M - количество мономера в массовых частях; К - концентрация мономера в растворе, % (для формальдегида K =37%); G_Mp - количество мономера в массовых частях в виде раствора.

83

Для формалина : G_мр = –––– × 100 = 224,3 м.ч.,

37

Результаты расчета представляются в виде таблицы, отражающей рецептуру олигомера (в массовых частях).

Расчет выхода олигомера и количества растворителя.

Таблица 2.1

Рецептура карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-Б, м.ч.

Наименование компонентов	Абс. сух	Раствор
карбамид	100	100
формальдегид	83	-
формалин	-	224,3
Едкий натр 20%-ный раствор	0,12	0,6
Хлорид аммония	0,6	3
Выход теоретический абс.сух. олигомера	183,72	-
Выход теоретический раствора олигомера олигомера		327,9

В ходе проведения синтеза возможны производственные потери, об­разующиеся, например, за счет выделения свободного формальде­гида, а также летучих веществ. Практический выход олигомера определя­ется с учетом потерь:

ПВ = ТВ-ПП, ПВ = 183,72 – 3,67 =180,05 (м.ч.)

где ТВ - теоретический выход, м.ч.;

ПП - производственные потери, м.ч.;(можно принять 2% от ТВ),ПП = 3,67.

ПВ - практический выход, м.ч.

Производственные потери определяются как сумма содержания сво­бодных мономеров в составе олигомера и летучих веществ.

Зная практический выход сухой смолы рассчитывают количество испаренной влаги:

ПВ

В_и = (ПВ+В) − –––– × 100,

K_о

180,05

В_и = (183,72+141,3) − –––– × 100, = 50,84 (м.ч.)

67

где ПВ - практический выход олигомера, м.ч.;

К_о - требуемая концентрация олигомеров, %;

В - количество воды, вводимое с формалином, м.ч.;

В_и - количество необходимого растворителя.

Количество воды В, вводимое с формалином, рассчитывают по фор­муле:

В=Ф-ФА В=224,3-83 = 141,3(м.ч.)

где Ф - количество формалина по рецептуре, м.ч.;( G_M)

ФА - количество формальдегида по рецептуре, м.ч.( G_MP)

После выполнения данного расчета можно приступить к расчету расхода сырья на производство 1 тонны смолы.

Расчет расхода сырья на производство 1 т смолы.

Исходными данными для расчета являются: концентрация готового олигомера (К_о), количество отгоняемой в процессе вакуум сушки воды (В_и , %) и рецептура олигомера в массовых частях.

1. Расход сырья на приготовление реакционной смеси:

Р = Р_карб+Р_форм+ Р_хамон+Р_{ед.натр} , мч,

P= 100 + 224,3 +3 + 0,6 = 327,9 (м.ч.)

где Р_карб, Р_форм, Р_хамон ,Р_{ед.натр} - количество мономеров, м.ч., (ТВ раствор)

2. Выход после вакуум сушки:

Р' = Р-В_и

Р'=327,9-50,84=277,06 (м.ч.)

где Р - количество сырья в исходной реакционной смеси, м.ч.; В_и - количество испаряемой влаги, м.ч.

3. Общий выход смолы (Р ^п):

Р'

Р ^п = –––– × 100, (%)

P

277,06

Р ^п = –––––––– × 100 = 84,49 (%),

327,9

где Р' - выход после вакуум-сушки, м.ч.;

Р - количество сырья в исходной реакционной смеси, м.ч. 4. Расход мономера на 1 т товарной смолы:

G_M

X₁ = –––– × 1000,

Р'

83

для формальдегида X₁ = –––––– × 1000 = 299,57 (кг)

277,06

224,3

для формалина X₁ = –––––– × 1000 = 809,57 (кг)

277,06

100

для карбамида X₁ = –––––– × 1000 = 360,93 (кг)

277,06

0,6

для едкого натра X₁ = –––––– × 1000 = 2,165 (кг)

277,06

3

для хлористого аммония X₁ = –––––– × 1000 = 10,82 (кг)

277,06

где G_M - количество мономера в реакционной смеси, м.ч.; Р' - выход олигомера после вакуум-сушки, м.ч. 5. Расход мономера на 1 т условной сухой смолы:

X₁

X₂ = –––– × 100,

K_o

299,57

для формальдегида X₂ = –––––– × 100 = 447,11 (кг)

67

809,57

для формалина X₂ = –––––– × 100 = 1208,31 (кг)

67

360,93

для карбамида X₂ = –––––– × 100 = 538,7 (кг)

67

2,165

для едкого натра X₂ = –––––– × 100 = 3,231 (кг)

67

10,82

для хлористого аммония X₂ = –––––– × 100 = 16,14 (кг)

67

Где X₁ - расход мономера на 1 т товарной смолы, кг; К_о - концентрация готового олигомера, %.

6. Расход мономера на 1 т условно сухой смолы с учетом потерь:

Х₃=Х₂ ×К_n

для формальдегида X₃ =447,11×1,03 = 460,52

для формалина X₃=1208,31×1,03 = 1244,55 (кг)

для карбамида X₃=538,7×1,03 = 554,86 (кг)

для едкого натра X₃ =3,231×1,03 = 3,327 (кг)

для хлористого аммония X₃=16,14×1,03 = 16,62 (кг)

где Х₂ - расход мономера на 1 т условно сухой смолы, кг; К_n - коэффициент потерь (1,01 - 1,05).

Таблица 2.2

Наименование показателей	Х1	Х2	Х3
Карбамид	299,57	538,7	554,86
Формалин(37% раствор)	809,57	1208,31	1244,55
Едкий натр(20%раствор)	2,165	3,231	3,327
Хлористый аммоний(20% раствор)	10,82	16,14	16,62

2.3.2. Расчет потребного количества электроэнергии и пара

Расходуемое тепло слагается из тепла нагрева смеси Q₁ тепла нагре­ва реактора Q₂, потерь тепла в окружающую среду Q₃:

Q = Q ₁+ Q ₂+ Q₃., ккал.

Расход тепла на нагрев смеси можно определить по формуле

Q₁= mС(t₂-t₁), ккал

где т - количество смеси в реакторе, кг;

С - теплоемкость смеси, ккал/кг град.;

t₁ - начальная температура смеси,; (10 -20)°С

t₂ - конечная температура смеси, (65 – 70)°С;

Теплоемкость смеси определяется по теплоемкости исходных ком­понентов по принципу аддитивности:

(С₁ × m₁) + (С₂ × m₂) + ... + (С_n × m_n) ккал

С = –––––––––––––––––––––––––––––––––––, ––––––,

т₁+ т₂ + ... + т_п кг ∙ град

где С₁,С₂,...С_п - теплоемкость компонентов смеси, ккал/кг град.; т₁ , т₂,...т_п - масса компонентов смеси, кг.

Теплоемкость карбамида С₁= 0,37

Теплоемкость формалина С₂= 0,82

Теплоемкость едкого натра С₃= 0,15

Теплоемкость хлористого аммония С₄=0,15

(0,37 × 554,86) + (0,82 × 1244,55) +(0,15 × 3,327)+ (0,15 × 16,62)

С = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– =0,675

554,86+1244,55+3,327+16,62

Q₁= 10445×0,675×(65-10) = 384898,25 ккал

Тепло, потребное для нагрева реактора, определяют по формуле

Q₂ = m_р × С_ст × (t₂ - t₁, )

Q₂ = 8500 × 0,115 × (65- 10 ) = 53762,5 (ккал)

где m_р - вес реактора, кг;

С_ст - удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен реак­тор (для стали 0,115 ккал/кг-град), ккал/кг-град.; t₁ - температура в цехе, °С; t₂ - конечная температура смеси, °С;

Потери тепла в окружающую среду принимаются 2…5 % от Q₂

Q₃=. Q₂×0.03 = 53762,5×0,03 = 1612,875 (ккал)

Q= 384898,25 + 53762,5 + 1612,875 = 440273,625 (ккал)

Удельный расход теплоты на 1 тонну товарной смолы:

Q_уд=440273,625/10445=42,1516 (ккал/кг)

Годовой расход тепла

Q_год = 42,1516×15000000 = 632274000 (ккал/год)

Расход тепла при вакуум-сушке при остаточном давлении Р (0,2 кг/м²) составляет:

Q_и = m × Q_исп , ккал,

где т - масса отогнанной воды, кг на 1 кг товарной смолы

m =50.84/277.06 = 0.183( кг/кг)

Q_ucn – удельная теплота испарения, 510 ккал/кг.

Q_и =0,183×510 = 93,33 (ккал) на 1 кг товарной смолы

Расчет количества пара, используемого для нагрева реакционной смеси и реактора, а также испарения лишней воды в процессе вакуум-сушки, производится по формуле:

Q

D= ––––––– × 1,02, кг

(i_n - i_k)

где Q - расходуемое тепло, ккал;

Q = Q_и×P =93,33×15000000 = 1399950000 (ккал) ,

Q = 1399950000×4,19= 5865790500 (кДж)

Где Р- годовая программа (15000000 кг/год)

i_n - энтальпия греющего пара – 2748,5 (кДж/кг)

i_k - энтальпия конденсата на выходе – 640,1 (кДж/кг)

5865790500

D= ––––––––––––– × 1,02, = 2837747,25 (кг/год)

2748,5-640,1

Расчет расхода электроэнергии.

Для расчета удельного расхода электроэнергии суммируется мощ­ность всех электродвигателей.

Вакуум насос – 2 шт: N = 2×2,2×0,9× 2 = 7,92 кВт

Центробежный насос для формалина – 1 шт: N=1 ×2,8×0,9× 5 = 12,6 кВт

Реактор для синтеза – 2 шт : N = 2 ×4,5×0,9 ×17 = 137,7 кВт

Мешалка для олигомера – 2 шт : N = 2 ×4,54×0,9 ×10 = 81,72 кВт

Насос для перекачки готового олигомера 1 шт N = 1 ×6×0,9×4 = 48,6 кВт

Дробилка для карбамида 1 шт : N = 1 ×1,5×0,9×4 = 5,4 кВт

Элеватор 1 шт N = 1 ×1,7×0,9×4 = 6.12 кВт

Насос роторно-зубчатый для цеха потребителя смол 1 шт

N = 1 ×1,5×0,9×3 = 4,05 кВт

Лаборатория:

Муфельная печь 1 шт N = 1 ×2×0,6×6 = 7,2 кВт

Электроплитки 4 шт N = 4 ×2×0,6×8 = 38,4 кВт

Суммарный расход электроэнергии N = 349,72 кВт

Таблица 2.2

Расход электроэнергии

Наименование аппарата или механизма с электродвигателем	Кол-во аппаратов	Мощн. эл. двигателей	Коэф­фициент одноврем.	Число ча­сов работы в сутки	Суточный расход электроэнергии
Вакуум насос	2	2,2	0,9	2-3	7,92
Центробежный насос для формалина, фенола, щелочи и т.д.	1	2,8	0,9	4-5	12,6
Тельфер с мотором для подъема и передвижения
Реактор для синтеза	2	4,5	0,9	5-17	137,7
Мешалка для олигомера	2	4,54	0,9	2-10	81,72
Насос для перекачки готового олиго­мера	1	6,0	0,9	2-6	48,6
Дробилка для карбамида	1	1,5	0,9	2-5	5,4
Элеватор	1	1,7	0,9	2,5	6,12
Насос роторно-зубчатый для цеха по­требителя смол	1	2,2	0,9	2-4	4,05
Лаборатория: муфельная печь электроплитки	1 4	2,0 2,0	0,6 0,6	6 8	7,2 38,4

Удельный расход электроэнергии рассчитывается по формуле:

Σ NK × 24

N_уд = ––––––––––– , кВт ч/т

Р_сут

Где Σ NK - суммарная мощность электродвигателей, кВт;

К- коэффициент непрерывности;

Р_сут - суточная производительность цеха, т,

Р_сут = 15000/325 = 46,153 (т)

349,72 × 24

N_уд = –––––––––––– = 181,85 кВт ч/т

46,153