Производство карбоксиметилцеллюлозы

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Осложнения, возникающие в процессе бурения на нефть и газ, снижают темпы работ и значительно удорожают проводку скважин. Большая их часть происходит из-за несоответствия свойств буровых растворов геологическим условиям при проводке скважин. На борьбу с осложнениями чаще затрачивается больше времени и средств, чем на профилактические мероприятия по их предупреждению.

От качества буровых растворов зависит успех ведения работ, сокращение сроков бурения скважин и ввода их в эксплуатацию. Правильный подбор химических реагентов для обработки бурового раствора, в том числе химических состав фильтрата, способствует сохранению диаметра ствола скважин, близкого к номинальному диаметру долота, росту механической скорости и проходки на долото, оказывает минимальное влияние на изменение коллекторских свойств продуктивных отложений.

Для буровых растворов на водной основе разработка новых и соверщенствование существующих реагентов-стабилизаторов имеет первостепенное значение. В настоящее время для стабилизации буровых растворов на водной основе применяют реагенты гуматного, лигносульфонатного, акрилового, крахмального ряда и др. Однако, при наличии такого разнообразия реагентов, водорастворимые эфиры целлюлозы (в особенности карбоксиметилцеллюлоза) на сегоднящний день остаются самыми распространенными и эффективными стабилизаторами буровых растворов, как в Российской Федерации, так и за рубежом.

Химические реагенты, используемые для приготовления буровых растворов, должны удовлетворять следующим требованиям:

- возможности получения гибких в управлении и технологичных в применении систем буровых растворов, обеспечивающих качественное вскрытие продуктивных пластов;

- возможности получения буровых растворов со специальными свойствами - транспортирующей и удерживающей способностью, используемых при бурении наклонных и горизонтальных стволов;

- экологической безопасности буровых растворов, что важно при бурении скважин в экологически уязвимых районах.

Реагенты на полисахаридной основе, в частности производные целлюлозы и крахмала, полностью удовлетворяют вышеперечисленным требованиям, проявляют высокие эксплуатационные свойства, вследствие низкой токсичности и быстрой биодеградации, - являются экологически безопасными системами буровых растворов.

В настоящее время производятся как традиционные технические марки реагентов КМЦ и ПАЦ с содержанием основного вещества порядка 50%, так и серии реагентов с повышенным содержанием основного вещества (70…80%) и улучшенными характеристиками для регулирования фильтрационных и вязкостных свойств буровых растворов.

Возможности традиционных марок реагентов КМЦ и ПАЦ хорошо известны. Данные полисахаридные реагенты на основе целлюлозы наиболее широко применяются в буровых растворах для регулирования реологических и фильтрационных характеристик.

Низковязкие марки реагентов могут быть эффективно использованы для пресных и минерализованных буровых растворов, а также могут быть использованы в качестве полимерного стабилизатора реологических и фильтрационных свойств минерализованного биополимерного бурового раствора. Высоковязкие марки реагентов КМЦ и ПАЦ используются в соленасыщенных буровых растворах при температурах до 150°С.

Применение реагентов ПАЦ обеспечивает улучшение фильтрационных свойств при одновременной стабилизации реологических показателей бурового раствора. Инкапсулирующие свойства ПАЦ уменьшают набухание глин, снижают накоплений твердой фазы в растворе, способствуют стабилизации стеной скважины. Отметим, что высоковязкие марки ПАЦ могут быть использованы для получения малоглинистых и безглинистых псевдопластических растворов. Реагенты придают безглинистым буровым растворам оптимальные структурно-реологические свойства и высокую выносящую способность, регулируют фильтрационные свойства.

Наряду с традиционными и новыми марками карбоксиметилцеллюлозы ЗАО "Полицелл" выпускает реагент Полицелл КМЦ-ТС, содержащий легирующие добавки, обеспечивавшие повышенную термо- и солестойкость.
Все выпускаемые крахмальные реагенты растворимы в холодной пресной и минерал изорванной воде, образуя однородный гель. В последнее время проводится работа по повышению боистабильности производных крахмальных реагентов, что гарантирует сохранение реологических и фильтрационных характеристик буровых растворов на их основе в течение длительного времени.

Реагенты ЗАО "Полицелл" могут быть использованы в хлоркальциевых и калиевых буровых ингибиторущих растворах. В KCl-содержащих ингибирующих буровых растворах в качестве полимерного стабилизатора реологических и фильтрационных свойств эффективно используются реагенты реагенты ПАЦ. Использование Na-ПАЦ, однако, неизбежно приводит к постепенному накапливанию в системе буровой раствор/стенка скважины ионов Na и уменьшению ингибирующего эффекта ионов К. В ЗАО "Полицелл" разработаны специальные реагенты: К-КМЦ (калиевая соль карбоксиметилцеллюлозы) и К-ПАЦ (калиевая соль полианионной целлюлозы). Глинистые суспензии, стабилизированные К-КМЦ и К-ПАЦ, обладают комплексом реологических и фильтрационных свойств, аналогично случаю использования Na-КМЦ и Na-ПАЦ, при этом К-КМЦ и К-ПАЦ проявляют хорошие ингибирующие свойства в KCl-содержащих ингибирующих растворах.

В качестве полимерного компонента KCl-содержащих ингибирующих буровых растворов возможно использование K-КМК (калиевая соль карбоксиметилкрахмала).
В CaCl2-содержащих буровых ингибирующих растворах в качестве полимерной составляющей можно эффективно использовать реагент марки Сульфацелл-2. Реагент является эффективным стабилизатором реологических и фильтрационных свойств в высокоминерализованных по NaCl и CaCl2 буровых растворах, при этом обеспечивает высокие ингибирующие свойства.

Характеристика КМЦ

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ, целлюлозогликолевая кислота), называемая тилозои?, валоцелом, бланозои?, а также эдифасом, в общем случае представляет собои? продукт взаимодеи?ствия целлюлозы с монохлоруксуснои? кислотои? и описывается химическои? формулои? [C6H7O2(OH)3-x(OCH2COOH)x]n. Впервые синтезирована и запатентована немецким химиком Янсеном в 1918 г.

Соединение является аморфным бесцветным веществом, обладающим свои?ствами слабои? кислоты.

КМЦ имеет следующие характеристики:

- легко растворяется в воде, способствует загустению всех водных растворов;

- вязкость не изменяется в течение длительного времени;

- удерживает воду;

-обладает устои?чивыми стабилизирующими и связывающими свои?ствами;

- проявляет эффект синергизма с биополимерами белковои? природы (казеин, соевыи? протеин);

- образует прозрачную и прочную пленку;

- не растворяется в органических растворителях, маслах и жирах;

-не имеет запаха и вкуса, физиологически безвредна.

Обычно под карбоксиметилцеллюлозои? подразумевают ее натриевую соль (Na-КМЦ), которая имеет наибольшее практическое значение. Соль представляет собои? белое тве?рдое вещество с насыпнои? массои? 400-800 кг/м3.

Плотность соли 1,59 г/см3, температура размягчения 170°C. Натриевая соль КМЦ растворима в воде, а также в водных растворах щелочеи?, аммиака и хлорида натрия, причем степень растворимости обуславливается степенью этерификации целлюлозы. В органических растворителях и минеральных маслах продукт не растворяется.

При растворении в воде натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы образует вязкие прозрачные растворы, характеризуемые псевдопластичностью, а для некоторых сортов продукта - и тиксотропиеи? (т.е. способностью самопроизвольно восстанавливать разрушенную механическим воздеи?ствием исходную структуру). В водных растворах натриевая соль КМЦ, проявляя свои?ства поверхностно-активного вещества (ПАВ), хорошо совмещается с другими водорастворимыми эфирами целлюлозы, природными и синтетическими полимерами, а также многими солями щелочных, щелочноземельных металлов и аммония. Соединение деструктируется в водных растворах минеральных кислот и щелочеи? в присутствии кислорода.

Из водных растворов натриевои? соли КМЦ формируются прозрачные пленки, характеризующиеся относительным удлинением 8-15%. При обработке их би- и полифункциональными соединениями, пленки становятся нерастворимыми.

Под деи?ствием солеи? поливалентных и тяжелых металлов из водных растворов натриевои? соли карбоксиметилцеллюлозы осаждается соответствующая нерастворимая в воде соль КМЦ, под воздеи?ствием минеральных кислот - сама карбоксиметилцеллюлоза.

Сухая натриевая соль КМЦ оказывает слабое коррозионное деи?ствие; она биологически неактивна и устои?чива к биодеструкции - однако ее водные растворы при длительном хранении на воздухе подвергаются ферментному гидролизу. В качестве консервантов таких растворов используются бензои?ная и сорбиновая кислоты и их соли, хлорированные фенолы, формальдегид или и?од.

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы выпускается различных марок и модификации?. На область применения Na-КМЦ существенно влияет характер распределения продукта по молекулярнои? массе, по степени замещения в макромолекулярнои? цепи гидроксильных групп карбоксиметильными. В отличие от других простых эфиров целлюлозы Na-КМЦ является ионным полимером и в водных растворах обладает свои?ствами полиэлектролита, что и определяет области ее? использования. Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы повышает вязкость воднои? системы, влияет на свои?ства текучести или реологию такои? системы. Она деи?ствует в качестве суспендирующего или водоудерживающего агента, также используется в качестве стабилизаторов, пленкообразующих или связующих агентов.

Полианионная целлюлоза (ПАЦ) представляет собои? разновидность натриевои? соли карбоксиметилцеллюлозы с повышеннои? степенью замещения. Легкосыпучии? порошок от белого до светло-желтого цвета, без запаха, без вкуса, не токсичен. Имеет высокую термостои?кость и солестои?кость.

При введении в водную фазу бурового раствора снижает показатель фильтрации и выполняет роль эффективного загустителя. Применяется в качестве регулятора вязкости; понизителя водоотдачи для всех типов буровых растворов на воднои? основе; препятствует размытию глины и глинозема водои?, предотвращая их смачивание и оползание в скважину; потерь напора на трение потока, которые обычно возникают при вертикальном и горизонтальном бурении. ПАЦ является эффективным реагентом в насыщенных солевых и магниевых растворах. Проявляет стои?кость к загрязнению ионами кальция.

Производство КМЦ

В промышленности натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) получают взаимодеи?ствием щелочнои? целлюлозы с монохлоруксуснои? кислотои? (или ее натриевои? солью) в присутствии каустическои? соды [NaOH], причем отношение реакционных способностеи? групп OH в элементарном звене целлюлозы у атомов C-2, C-3 и C-6 составляет 2,14:1:1,58.

К настоящему времени наибольшее распространение получили две схемы ведения процесса - периодическая (классическая) и моноаппаратная. При этом технология производства КМЦ в общем случае включает несколько стадии?. На первои? стадии получают щелочную целлюлозу, обрабатывая древесную или хлопковую целлюлозу водным раствором каустика в присутствии органических растворителеи?, в качестве которых обычно применяются низшие спирты (реже процесс ведется без растворителеи?). На следующеи? стадии проводится обработка щелочнои? целлюлозы монохлоруксуснои? кислотои? при температуре 80-100оC в случае использования растворителеи? (и при 70-80оC без их применения) с последующеи? сушкои?, измельчением и упаковкои? продукции.

Одним из важнеи?ших условии? получения качественнои? продукции является обеспечение условии?, исключающих сминание и сдавливание целлюлозного волокна, что приводит к снижению (а в некоторых случаях - и к нулевои? скорости) проникновения химических агентов к нему в процессе карбоксиметилирования.

В общем случае техническии? продукт содержит порядка 50-70% эфира, для получения более чистои? карбоксиметилцеллюлозы он промывается водными растворами низших спиртов.

Описание технологической схемы процесса

Приготовление водного раствора едкого натра

Твердый чешуированный едкий натр в мешках или барабанах с материально-технического склада электро- или автопогрузчиками доставляют в цех и взвешивают, после чего по частям загружают в реактор 1. Конденсат из магистрали подают в реакторы по счетчику перед загрузкой едкого натра. Реактор 1 представляет собой аппарат вместительностью 2 м3, снабжен рубашкой и перемешивающим устройством. Реактор 1 используют для приготовления раствора NaOH, а реактор 2 как расходную смесь. При растворении NaOH выделяется значительное количество тепла. Тепло растворения едкого натра снимается подачей в рубашки реакторов нахоложенной воды с температурой 5-25°С. Содержимое реакторов охлаждают при постоянном перемешивании до температуры 2-24°С. Готовый раствор едкого натра насосами 3 передают передают в реактор 2, их которого раствор NaOH дозировочным насосом 4 под давлением 0,05-0,30 МПа дозируют в реакторно-смесительную машину 26 и 27.

Получение измельченной целлюлозы

Кипы целлюлозы доставляют с материально-технического склада электропогрузчиком к весам. С помощью специального приспособления кипы целлюлозы распаковывают, взвешивают порцию, рассчитанную на одну загрузкой массой 118кг, и с помощью захвата переносят на загрузочный стол. Роспуск целлюлозы в воде или водном растворе NaOH проводят в аппарате с мешалкой - гидропульпере 5 вместимостью 10м3. В аппарат 5 для роспуска целлюлозы самотеком в течение не более 15 мин подают воду из емкости 15 и при работающей мешалке загружают расчетную порцию целлюлозы. Продолжительность роспуска целлюлозы 12-15 минут с момента окончания загрузки целлюлозы. Полученную в гидропульпере 5 суспензию целлюлозы перекачивают насосом 16 в разбавитель пульпы 6 вместимостью 24м3, снабженный мешалкой и датчиками максимального и минимального уровня. Из приемника пульпы 7 насосом 18 суспензию целлюлозы непрерывно подают в черпачковый дозатор 8 с превышением расхода на 25-30%. Избыток суспензии самотеком самотеком возвращается в приемник пульпы 7. Отдозированная черпачковым дозатором 8 суспензия целлюлозы самотеком поступает в сгуститель пульпы 9, в котором происходит концентрирование суспензии целлюлозы: вода, содержащая волокна целлюлозы, из сгустителя 9 самотеком стекает в приемную емкость 13. Слабощелочную воду из емкости 13 насосами 19 непрерывно подают в емкости 14. Сгущенная масса целлюлозы из сгустителя пульпы 9 подается по течке в отжимной шнек-пресс 10. Вода, отделенная от целлюлозы в отжимном прессе 10, самотеком стекает в приемную емкость 13. Из отжимного пресса 10 поступает в измельчитель 11, в котором спрессованная целлюлоза измельчается и разрыхляется. Измельченная целлюлоза с потоком воздухом, создаваемого вентилятором 12, поступает в разделитель 20, в котором целлюлоза отделяется от воздуха и подается в конвейер 25. Влажный воздух выбрасывается в атмосферу через антициклон. Целлюлозу шнековым конвейером 25 подают в реакторно-смесительную машину 26 или 27.

Получение реакционной смеси, карбоксиметилирование целлюлозы

Реакционную смесь получают путем смешивания влажной целлюлозы, водного раствора NaOH, Nа-соли монохлоруксусной кислоты (Na-МХУК) в реакторно-смесительной машине - (РСМ) 26 или 27, представляющей собой двухшнековый аппарат, на валах которого последовательно расположены самоочищающиеся шнековые насадки - зоны принудительного транспорта материала и кулачковые насадки - зоны интенсивного перемешивания материала. Аппарат снабжен рубашкой для охлаждения захоложенной воды. Непрерывную подачу отдозированных сыпучих компонентов в РСМ 26,27 осуществляют системой шнековых конвейеров 23, 24, 25. В шнековый конвейер 25 одновременно с влажной целлюлозой непрерывно подают Nа-МХУК из бункера 21, 22. Одновременно с сыпучими реагентами в РСМ 26 или 27 дозировочным насосом 4 подают раствор едкого натра. Поступающие в РСМ компоненты подвергаются циклическому воздействию сжатия и сдвига и по мере принудительного прохождения через рабочие органы образуют реакционную смесь. Качество перемешивания обеспечивается смешиванием компонентов в тонком слое при больших сдвиговых условиях. Выделяющееся тепло от трения смешивания реагентов и начинающейся экзотермической реакции карбоксиметилирования отводится охлаждающей водой с температурой 5-25°С, подаваемой в рубашку аппарата по давлением 0,25МПа. Температура реакционной массы на выходе из РСМ не должны превышать 65°С, продолжительность пребывания реакционной смеси в РСМ составляет 1-2 минуты.

Сушка Na-КМЦ

Реакционную смесь из РСМ 26 или 27 с помощью шнекового конвейера 28 непрерывно и попеременно подают в 4-х секционные аппараты 29 или 30 для дозревания и сушки, в которых совмещаются процессы карбоксиметилирования и сушки КМЦ. Секции представляют собой горизонтальные цилиндрические аппараты с одновальным перемешивающим устройством. Удаление паров воды осуществляется потоком горячего воздуха, направленного противоположно потоку продукта. Воздух подают вентиляторами через калориферы, в которых он нагревается паром до температуры не менее 120°С и затем поступает в нижние 4-х секционных аппаратов 29,30. Влажный воздух, выходящий из аппаратов, содержащих пыль КМЦ направляется в циклон 34, где отделяются пары воды и влажный воздух. Далее твердые частицы целлюлозы и вода с растворенным полимером поступаеют в сепаратор 36, где сверху отделяются твердые частицы полимера. Высушенный продукт поступает в приемник 31, и через шлюзовый питатель 32 шнековым конвеером 37 подается в измельчитель 33, откуда поступает на упаковку и расфасовку.

Описание сушилки

Аппарат предназначен для сушки Na-КМЦ. Секции представляют собой горизонтальные цилиндрические аппараты с одновальным перемешивающим устройством (с частотой вращения 20 об/мин), снабженные рубашками для подвода обогревающего пара давлением 0,3МПа. Удаление паров воды осуществляется потоком горячего азота, направленного противоположно потоку продукта, который предварительно нагревают до температуры 120°С, и поступает в нижние секции четырехсекционных аппаратов. Рабочий объем аппарата не более 0,6 м3, рабочее давление в корпусе сушилки атмосферное, а в рубашке 0,6МПа при температуре не более 160°С. Среда в корпусе - порошок Na-КМЦ в среде азота (не пожароопасная, не токсичная). В рубашке - пар. Производительность сушилки по готовому продукту не менее 350 кг/час. Масса аппарата в рабочем состоянии 2463кг. Потребляемая мощность не более 3кВт.

Расчет материального баланса производства Na-КМЦ

Выданы руководителем курсового проекта на основании данных производства Nа-КМЦ ЗАО «Полицелл», г.Владимир.

Принципиальная технологическая схема также соответствует схеме производства Nа-КМЦ на ЗАО «Полицелл».

№ п/п	Наименование показателя	Значение
1	Годовая производительность установки, G, т/год	5000
2	Число рабочих дней в году, m, дней	330
3	Потери технической NaКМЦ в процессе производства, П, %масс.	2,0
4	Влажность технической NaКМЦ, , %масс.	12
5	Содержание NaКМЦ во влажной технической NaКМЦ, , %масс.	45
6	Соли и примеси во влажной NaКМЦ, ,%	43
7	Содержание NaКМЦ в сухой технич. NaКМЦ, , %масс.	45/88=51,1
8	Соли и примеси в сухой технич. NaКМЦ, , %масс.	43/88=48,9
9	Степень замещения NaКМЦ, q	0,85
10	Влажность исходной целлюлозы, , %масс.	8
11	Содержание примесей жиров и смол в целлюлозе, , %масс.	0,35
12	Концентрация щелочи в вод.растворе NaOH, , %масс.	42
13	Содержание основного вещества в товарной форме NaМХУК, , %масс.	93
14	Влажность товарной формы, NaМХУК, , %масс	2
15	Содержание NаДХУК в товарной форме NаМХУК, , %масс.	5

Расчет материального баланса

Суточная производительность установки:

Суточная производительность установки с учетом потерь:

Суточная производительность установки по сухой технической NaКМЦ:

Суточная производительность установки в расчете на 100%-ю сухую NaKМЦ:

Карбоксиметилирование:

Основная реакция процесса протекает в соответствии с уравнением (для одного элементарного звена):

C6H7O2(OH)3+qNaOH+q(ClCH2COONa) > C6H7O2(OH)3-q(OCH2COONa)q+qNaCl+qH2O

Где q - степень замещения NaКМЦ, равная по заданию 0,85

М=12*6+1*7+32+17(3-0,85)+(16+12+2+12+32+23)*0,85=230

Суточная потребность в 100%-й целлюлозе:

кг/сут

Суточная потребность в технической целлюлозе:

В технической целлюлозе содержится:

- 4894,94 кг/сут целлюлозы

- воды кг/сут

-примеси жиров и смол

Количество хлорида натрия и воды, образовавшихся при карбоксиметилировании целлюлозы:

кг/сут

кг/сут

Количество NaМХУК, пошедшей на карбоксиметилирование целлюлозы:

кг/сут

Количество влаги на NaДХУК в товарной форме NaМХУК, пошедшей на карбоксиметилирование целлюлозы:

- вода кг/сут

- примеси кг/сут

Суточная потребность в товарной NaМХУК на карбоксиметилирование:

кг/сут

Расход щелочи на реакцию карбоксиметилирования целлюлозы:

кг/сут

Количество водного раствора щелочи заданной концентрации, пошедшей на карбоксиметилирование целлюлозы:

кг/сут

H2O в растворе NaOH _2446,02

1027,33

=1418,69 кг/сут

Расчет гидролиза Na-ДХУК

2NaOH+Cl2CHCOONa > (HO)2CHCOONa+2NaCl

Расход щелочи на гидролиз NaДХУК, содержащийся в товарной форме NaМХУК:

кг/сут

Количество водного раствора щелочи заданной концентрации, пошедшей на гидролиз NaМХУК:

кг/сут

Количество воды, внесенной в реакционную массу со щелочью, пошедшей на карбоксиметилирование целлюлозы и гидролиз NaДХУК:

Количества NaCl и дигликолята натрия, образовавшихся при гидролизе NaДХУК, содержащейся в виде примеси в NaМХУК, вступившей в реакцию карбоксиметилирования целлюлозы:

кг/сут

кг/сут

Гидролиз NaМХУК по следующему уравнению:

NaOH+ClCH2COONa > HOCH2COONa+NaCl

В соответствии с заданием и расчетом товарная форма NaКМЦ содержит:

Таблица 1

Компоненты	кг/сут	%масс.
100% NaКМЦ Соли Примеси жиров и смол Влаги	6949,6 4999,71 18,69 1632	45,0 42,84 0,16 12
ИТОГО	13600	100

На стадии карбоксиметилирования образуется:

кг/сут

кг/сут

кг/сут

Количество солей, образованных при гидролизе NaМХУК

кг/сут

Исходя из уравнений реакций гидролиза NaМХУК и NaДХУК и долевого содержания этих веществ в товарной форме NaМХУК (0,93 и 0,05 во влажной и 0,949 и 0,051 в сухой), определяем долевое содержание гликолята Na, дигликолята Na и хлорида Na в результате гидролиза, а также часть щелочи, израсходованной на эти побочные реакции.

Долевые части образовавшихся продуктов:

- гликолята натрия

116,5>98

0,949>

-дигликолята

151>114

0,051>

-хлорида натрия

116,5>58,5

0,949>

-хлорида натрия

151>117

0,051>

Таблица 2

Долевые части и количество образовавшихся продуктов

Продукты	кг/сут	доли
Гликолят натрия	1918,53	0,7983
Дигликолят натрия	92,53	0,0385
Хлорид натрия (1)	1145,15	0,4765
Хлорид натрия (2)	94,93	0,0395
ИТОГО	3251,14	1,3528

Израсходовано щелочи:

-на гидролиз NaМХУК

116,5>40

0,949>

-на гидролиз NaДХУК

151>80

0,051>

Всего на гидролиз

3251,14>1,3528

>0,3546 =852,20кг

Следовательно, раствора щелочи:

кг/сут

Соответственно воды в растворе щелочи

кг/сут

Общий расход 100% щелочи:

Расход NaМХУК на реакцию гидролиза:

116,5>98

>1918,53 =2280,70 кг/сут

Соответственно воды в NaМХУК

кг/сут

Общий расход NaМХУК:

кг/сут

Расход NaДХУК в реакции гидролиза:

151>114

>92,53 =122,56 кг/сут

Общий расход NaДХУК:

 кг/сут

Число молей реагентов: NaOH

Соотношения реагентов:

Целлюлоза : NaOH : NaМХУК=30,216 : 46,988 : 45,26=1:1,555:1,498

Таблица 3

Баланс исходных реагентов и продуктов при карбоксиметилировании целлюлозы, без учета побочной реакции гидролиза NaМХУК

№	Компоненты	кг/сут	%масс.
1.	Целлюза техническая	5340,91	47,66
	100%-я целлюлоза влага примеси смол и жиров	4894,94 427,27 18,69	43,68 3,81 0,17
2.	Тов. Форма NaМХУК	3217,35	28,71
	100%-я NaМХУК влага NaМХУК	2999,11 64,37 160,87	26,8 0,57 1,43
3.	Раствор щелочи	2648,95	23,63
	100%-я NaOH вода	1112,56 1536,39	9,9 13,71
	ИТОГО	11207,21	100
№	Продукты	кг/сут	%масс.
1 2 3 4 5	КМЦ NaCl ДГ Na Вода Примеси смол и жиров	6949,6 1627,12 121,45 2490,35 18,69	62,01 14,52 1,08 22,23 0,16
	ИТОГО	11207,21	100

Таблица 4

Баланс исходных реагентов и продуктов при карбоксиметилировании целлюлозы, с учетом побочной реакции гидролиза NaМХУК

№	Компоненты (Взято)	кг/сут	%масс.
1.	Целлюза техническая	5340,91	34,04
	100%-я целлюлоза влага примеси смол и жиров	4894,94 427,27 18,69	31,20 2,722 0,12
2.	Тов. Форма NaМХУК	5699,65	36,14
	100%-я NaМХУК влага NaМХУК	5272,81 133,41 283,43	33,54 0,84 1,80
3.	Раствор щелочи	4678	29,82
	100%-я NaOH Вода	1964,76 2713,24	12,52 17,29
	ИТОГО	*15718,56	100
№	Продукты	кг/сут	%масс.
1 2 3 4 5	КМЦ NaCl Гликолят натрия ДГ Na Вода Примеси смол и жиров	6949,6 2876,72 1918,53 213,98 3738,15 18,69	44,23 18,30 12,21 1,36 23,78 0,13
	ИТОГО	*15715,67	100

*Невязка расчета: 15718,56-15715,67=2,89кг/сутки (0,018%)

Таблица 5

Баланс исходных реагентов и продуктов при карбоксиметилировании целлюлозы с учетом побочной реакции гидролиза NaМХУК, после сушки

№	Компоненты (получено до сушки)	кг/сут	%масс.
1 2 3 4 5 6	Карбоксиметилированная целлюлоза Хлорид натрия Гликолят натрия Дигликолят натрия Вода Примеси смол и жиров	6949,6 2876,72 1918,53 213,98 3738,15 18,69	44,22 18,30 12,21 1,36 23,78 0,13
	ИТОГО:	15715,67	100
№	Количество товарной продукции (получено после сушки)	кг/сут	%масс.
1 2 3 4 5 6	Карбоксиметилированная целлюлоза Хлорид натрия Гликолят натрия Дигликолят натрия Вода Примеси смол и жиров	6949,6 2876,72 1918,53 213,98 1854,55 18,69	50,11 22,41 13,85 1,49 12,00 0,14
	ИТОГО	13868,13	100
1	Прочие компоненты: Влага, удаленная при сушке	1854,54	-
	ИТОГО:	15715,67	-

Количество влаги, удаленной при сушке находим по разности:

кг/сут

Расчет основных аппаратов

Расчет реактора карбоксиметилирования

Технологические характеристики:

1.Объем межвиткового пространства, л	16
2.Диаметр шнеков, мм	160
3.Количество шнеков	2
4.Рабочая длина шнека, мм	2700
5.Расстояние между осями шнеков, мм	141
6.Скорость вращения шнеков, об/мин	50
7.Рабочее давление пара в камерах обогрева, кгс/см (МПа)	14 (1,4)
8.Расход пара, кг/час	15
9.Робочее давление воздуха, кгс/см (МПа)	2-5 (0,2-0,5)
10.Расход воздуха, нм3/час	2000
11.Расход воды на охлаждение сальника, кг/час	500
12.Суммарня мощность электрообогрева, кВт	21,6
13.Электродвигатель тип мощность, кВт число оборотов, об/мин	АОП2-91-4УЗ 75 1480

Пропускная способность данного аппарата примерно в два раза превышает расчетную суточную загрузку аппарата, то есть он может быть использован при необходимости увеличить производительность установки.

Тепловой расчет

Исходные данные:

1.Заданная температура смеси, оС	65
2.Температура входа компонентов, оС	35
3.Теплоноситель в рубашке	Вода
4.Температура входа воды, оС	20
5.Диаметр рубашки внутренний, мм	130
6.Диаметр рабочего цилиндра внутренний, мм	110
7.Длина цилиндра, мм	6500
8.Толщина стенки цилиндра, мм	5
9.Материал цилиндра	Ст.3
10.Диаметр штуцера входа воды, мм	20

Так как реакция карбоксиметилирования экзотермична, то необходимо отводить избыток тепла, выделяющегося в процессе реакций, и поддерживать температуру массы не более 65оС.

Тепловой баланс

Приход:

1.Тепло объединенного потока (целлюлоза, NаМХУК и щелочь)

=654,82*1,89*35=43316,34кДж/ч=12032,3Вт

Где - теплоемкость смеси, равная 1,89 кДж/(кг*град);

- температура входа смеси, равная 35оС;

- приход объединенного потока, кг/час:



=654,82кг/ч

2.Тепло реакции карбоксиметилирования целлюлозы,

,

Где - тепловой эффект процесса, кДж/моль;

- количество NаМХУК, которое прореагировало в процессе реакции, кг/ч

=5272,81/24=219,7 кг/ч

Расход:

1.Тепло реакционной массы на выходе,

,

Где - теплоемкость смеси, 2,808 кДж/(кг*град)

- температура выхода смеси, равная 65оС;

- количество веществ, образовавшихся в результате реакции, кг/час, равная =1560,24 кг/ч;

2.Тепло, отводимое с охлаждающей водой (),

Уравнение теплового баланса:

, откуда =12032,3+43845,75-33199,4=

=22678,6 Вт=81642 кДж/ч

Таблица 6

Тепловой баланс реактора карбоксиметилирования

№	наименования	кДж/ч
1 2	Приход: Тепло объединенного потока Тепло реакции карбоксиметилирования	43316,00 157844,00
	Итого	201160,00
1 2	Расход: Тепло реакционной массы на выходе Тепло, отводимое с охлаждающей водой	119517,7 81642,3
	Итого	201160,00

Максимальный расход воды в рубашке

,

Где - скорость воды в штуцере, равная 4 м/с;

- площадь сечения штуцера, м2;

- диаметр штуцера, равный 0,01м;

Так как в головке два штуцера ввода воды, суммарный расход составит:

GB=4521,6*2=9043,2 кг/ч

Температура выхода воды

Где - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг*град);

- температура выхода и входа воды соответственно, оС.

Откуда:

= (81642,3/4,19*9043,2)+20=22,16°С

Скорость течения воды в рубашке

Vp=(9043,2*4)/(3,14*1000*3600*(0,1292-0,112)=0,7м/с

Где - площадь живого сечения канала рубашки, м2;

- наружный и внутренний диаметр полости рубашки, м;

Расчет времени пребывания смеси

Так как реактор содержит в основном транспортирующие витки, расчет времени пребывания производится по формуле:

Где n - число оборотов шнеков, 50 об/мин;

, - количество транспортирующих витков с шагом 36 и 24, равны , ;

С учетом двух зон с обратными витками время пребывания в реакторе составит 1,9мин.

Коэффициент теплопередачи (линейный)

Где , - частные коэффициенты теплопередачи, ккал/(м2*ч*град);

, - наружный и внутренний диаметр рабочего цилиндра, м;

- коэффициент теплопроводности стенки цилиндра, равный 40 ккал/(кг*град) для Ст.3.

Смесительная головка со шнекоштырьевой мешалкой по структуре потоков относится к аппаратам идеального перемешивания. Поэтому с учетом очищающегося действия мешалки температура стенки в рабочей полости принимается равной заданной температуре смеси 65оС.

Коэффициент теплопередачи преобразуется к виду:

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра к охлаждающей воде.

Режим течения определяется по критерию Re:

Re=(0,7*0,02*1000)/(10000-4*9,8)=14381

Где - скорость течения воды в рубашке, м/с;

- эквивалентный диаметр рубашки, равный 0,02м;

- плотность воды, кг/м3;

-динамический коэффициент вязкости воды при t=20оС равен 10-4 кгс/м2;

- ускорение свободного падения, равное 9,8м/с2;

Режим течения переходный.

Для определения коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение для вынужденного движения в кольцевом канале:

Где - внутренний диаметр рубашки, м;

- наружный диаметр цилиндра, м;

- теплопроводность воды при 20оС, ккал/(м*ч*град);

- коэффициент, учитывающий режим течения, равный 0,6.

Критерий Прандтля находится по формуле:

Pr=(3600*4*10-4*9,9)/0,54=9,5

Коэффициент теплопередачи находится из выражения:

Nu=125,7

Коэффициент теплопередачи равен

=3226,75 кДж/(м2*ч*град)

Потребная длина рабочего цилиндра

Средняя разность температур определяется из температурной схемы:

Дtcp=(45+41,1)/2=43,2°C

Так как длина выбранного рабочего цилиндра равна 2,7 м, то указанный аппарат успешно справится с задачей отвода тепла/

Расчет сушилки

Исходные данные

1.Количество сырой реакционной массы, поступающей на сушилку, , кг/ч	654,82
2.Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2*град); ккал/ (м2*град);	150;129,3
3.Начальная влажность , %	23,9
4.Конечная влажность , %	10
5.Теплоемкость воды , ккал/(кг*град); кДж/(кг*град)	1; 4,19
6.Начальная температура , оС	65
7.Конечная температура , оС	80
8.Телоемкость готового продукта , ккал/(кг*град); кДж/(кг*град)	0,9; 3,59
9.Теплоемкость воздуха , кДж/(кг*град)	1,05
10.Скорость воздуха в сушилке, м/с, не более	2
11.Коэффициент теплопотерь,	1,1

Тепловой баланс

Приход:

1.Тепло с сырой массой,

Где - количество сырой массы, поступающей в сушилку, кг/ч;

- теплоемкость смеси, равная 2,808 кДж/(кг*град);

- температура выхода смеси, равная 65оС.

Q1=654,82*2,808*65=119517,8 кДж/ч = 33106,4 Вт

2.Тепло с горячим воздухом,

Где - количество воздуха, поступающей в сушилку, кг/ч;

- теплоемкость воздуха, равная 1,05 кДж/(кг*град);

- температура поступающего воздуха, равная 120оС.

Расход

1.Тепло с сухой NaКМЦ,

Где - теплоемкость NaКМЦ, равная 3,59кДж/(кг*град);

- температура на выхода продукта, равная 80оС

- количество NаКМЦ, выходящей из сушилки, кг/ч:

Q3=269*3,59*80=77256,8 кДж/ч = 21460,2Вт

2. Тепло с парами воды (в отработанном воздухе):

Где - теплоемкость воды, равная 4,19кДж/(кг*град);

- температура отработанного воздуха, равная 80оС

- количество воды, удаляемой в процессе сушки, кг/ч:

Q4=77,27*4,19*80=25900,9кДж = 7174,5Вт

3.Тепло отработанного воздуха:

Где - количество воздуха, кг/ч;

- теплоемкость воздуха, равная 1,05 кДж/(кг*град);

- температура поступающего воздуха, равная 80оС.

Уравнение теплового баланса:

Откуда,

Gвозд=389,5кг/ч

С учетом теплопотерь при =1,1 горячего воздуха на одну секцию потребуется:

Gвозд=389,5*1,4/4=107,1 кг/час

Таблица 7

Тепловой баланс сушки реакционной массы

№	Наименование	кДж/ч
1 2	Приход: Тепло с сырой массой Тепло с горячи воздухом	119517,8 124640,0
	Итого	244157,8
1 2 3	Расход: Тепло с сухой NаКМЦ Тепло с парами воды Тепло отработанного воздуха	77256,8 25900,9 141000,1
	Итого	244157,8

Скорость потока воздуха

Где,

Молярная масса воздуха:

н возд=13,5*32/0,144*3600=1,3 м/с

Молярный расход воздуха на одну секцию:

Nвозд=389,5/28,8=13,52 моль/ч

Литература

карбоксиметилцеллюлоза химический раствор натр

С.А. Низова, О.П. Лыков, М.В.Чепикова. Методические указания для курсового и дипломного проектирования. Производство карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и полианионной целлюлозы (ПАЦ). 2-ое изд. дополн. и перераб.- М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2009.- 30 с.

Тесленко В.Н., Тимохин И.М., Иванов Ю.А. Водорастворимые эфиры целлюлозы - основа обработки буровых растворов при бурении на нефть и газ.-М.:ВНИГНИ, 2008.-166с.

С.И. Смирнов, В.Н. Кряжев, В.В. Романов Традиционные и новые марки полисахаридных буровых реагентов ЗАО «Полицелл»/Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №12, 2010. - с.19-22.

Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Изд-во стандартов, 1969. - 408 с.

Проектирование и расчет аппаратов основного органического и нефтехимического синтеза / Под ред. Н.Н.Лебедева: Учебное пособие. - М.: Химия,1995. - 256 с.

Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677 с.

Размещено на Allbest.ru

...