Thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE năng suất 25000t/năm: Đồ án tốt nghiệp

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

MỞ ĐẦU

Xăng là nhiên liệukhông thể thiếu cho sự phát triển kinh tế - xã hội -

quốc phòng của mỗi quốc gia. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ

thuật, các nhà nghiên cứu đã tìm ra nhiều loại động cơ xăng có ưu điểm là tỷ

số nén cao, tốn ít nhiên liệu, hiệu suất cao nhằm đáp ứng những đòi hỏi về

cuộc sống hiện đại. Cùng với sự phát triển của động cơ xăng thì cũng kdmf

theo sự đòi hỏi về nhiên liệu xăng có chất lượng tốt cho các loại động cơ này.

Một trong những chỉ tiêu chất lượng quan trọng về nhiên liệu xăng là chỉ tiêu

về khả năng chống lại sự cháy kích nổ. Đặc trưng cho chỉ tiêu này gọi là trị số

octan.

Như chúng ta ta biết xăng động cơ được lấy trực tiếp từ quá trình chưng

cất trực tiếp dầu mỏ có rất ít Izo - parafin và thơm, nhiều n - parafin nên có trị

số octan rất thấp (khoảng 30 - 60) trong khi đó thì yêu cầu về trị số octan cho

xăng động cơ tiên tiến phải lớn hơn 70. Vì vậy xăng chưng cất trực tiếp từ dầu

mỏ không đáp ứng được yêu cầu cho động cơ mà chúng ta phải dùng các biện

pháp khác nhau để nâng cao chất lượng xăng.

Có nhiều biện pháp nâng cao trị số octan của nhiên liệu xăng như dùng

phù gia chì: Tertrametyl chì (TML), Tetraetyl chì (TEL) nhưng vấn đề nảy

sinh ra là trong khi thải có PBO rất độc hại với con người. Do đó ngày nay,

phụ gia chì không còn được sử dụng. Qua các quá trình nghiên cứu về phụ gia

pha xăng, các nhà sản xuất đã tìm ra các loại phụ gia như MTBE, TBA,

Etanol, Metanol ... Trong đó MTBE được sử dụng nhiều với các ưu điểm nổi

bật:

+ An toàn

+ Pha chế lớn

+ Sử dụng ít nguy hiểm

+ ít gây cháy nổ

Đề tài "Thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE với năng suất 25000t/năm" là đề tài khá phức tạp về công nghệ và nguyên liệu sản xuất. Em đã hết sức cố gắng tìm tòi về tài liệu và vận dụng những kiến thức của thầy cô

đã truyền đạt để hoàn thành đồ án này. Song với kiến thức còn hạn chế nên

không tránh khỏi các thiếu sót, em rất mong thầy, cô và các bạn đóng góp ý

kiến và chỉ bảo nhiều hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô và các bạn.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

PHẦN I

GIỚI THIỆU VỀ MTBE

I. GIỚI THIỆU CHUNG

MTBE (Metyl - tert - Butyl - E ther) có công thức cấu tạo là:

CH3

H3C - C - O - CH3

CH3

Là một chất lỏng không màu, có mùi như Terpence ít tan trong nước,

khả năng bay hơi thấp. Nó có tính chất pha trộn tương tự như đối với tính chất

của xăng, khi pha vào xăng nó làm giảm lượng co và giảm lượng khói xả.

II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA MTBE

II.1. Tính chất vật lý [1-243]

Trọng lượng phân tử

Nhiệt độ nóng chảy

88,15 (g) - 108,6 (0C) 55,3 (0C)

1,3692

0,36 (Mpa/s)

20 (mN/m)

Nhiệt độ sôi Tỷ trọng ở 20oC Hằng số điện môi (200C) Sức căng bề mặt (200C) Nhiệt nóng chảy (200C) 2,18 (Kj/kg.k)

337 (kj/mol)

Nhiệt hóa hơi Nhiệt tạo thành (250C) - 314 (kJ/mol)

Nhiệt cháy

- 34,88 (Mj/kg) - 280C Nhiệt độ chớp cháy Nhiệt độ bóc cháy trong xi lanh 4600C

Giới hạn nổ trong không khí 1,65 - 8,4.

Nhiệt độ tới hạn 2240C

áp suất tới hạn 3,43(Mpa)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 1: áp suất hơi, tỷ trọng và độ hòa tan trong nƣớc của MTBE [1-243].

T0C Độ hòa tan % khối lượng Phơi (kPa) Tỷ trọng

Nước trong MTBE MTBE trong

nước

0 10,8 0,7613 1,19 7,3

10 17,4 0,751 1,22 5,0

12 ... 0,7489 ... ...

15 .... 0,7458 ... ...

20 26,8 0,7407 1,28 3,3

30 40,6 0,7304 1,36 2,2

40 60,5 .... 1,47 1,5

II.2. Tính chất hóa học [1-342]

MTBE có đầy đủ tính chất của một ete thông thường nó tồn tại trong

môi trường axit, bazơ nhẹ, trung tính còn trong môi trường bazơ mạnh nó bị

phân hủy thành metenol và izobuten.

Bảng 2: Hỗn hợp đẳng phí hai cấu tử

Hỗn hợp Nhiệt độ sôi 0C Lượng MTBE % khối lượng

MTBE - nước 52,6 96

MTBE - Metanol 51,6 86

MTBE - Metanol (1MPa) 130 68

MTBE - Metanol (2,5MPa) 175 54

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

PHẦN II

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MTBE TỪ TBA

I. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT MTBE

I.1. Metanol [1]

a) Giới thiệu về Metanol

Metanol còn gọi là metyl alkol hoặc carbinol hoặc rượu gỗ có công

thức hóa học là CH3OH. Khối lượng phần tử là 32,042.

Metanol là rượu đơn giản nhất trong dãy đồng đẳng của các rượu no

đơn chức. Lần đầu tiên vào năm 1661 Robert Boyle đã thu được Metanol cất

giấm gỗ bằng rửa vôi.

Công thức cấu tạo của Metanol:

H - C - OH

b) Tính chất vật lý của metanol

Khối lượng riêng, f(101,3 KPa) lỏng. + ở 00 + ở 250C + ở 500C 0,81 (g/cm3) 0,78664 (g/cm3) 0,7637 (g/cm3)

áp suất tới hạn

Nhiệt tới hạn

Tỷ trọng tới hạn

Thể tích tới hạn 8,097 (MPa) 239,490C 0,2715 (g/cm3) 117,9 (cm3/mol)

Nhiệt độ nóng chảy (101,3 KPa)

Nhiệt độ sôi 100,3 (Kj/kg) 64,70C

1128,8 (Kj/kg)

Nhiệt độ bay hơi (101,3KPa) Độ nhớt (250C)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

+ Lỏng

0,5513 (MPa.s) 9,68.10-3 (MPa.s)

+ Hơi Hằng số điện môi (250C)

Nhiệt độ chớp cháy cốc kín

32,65 12,20C 15,60C

Nhiệt độ chớp cháy cốc hở Sức căng bề mặt trong không khí (250C) 22,1 (mN/m)

Giới hạn nổ trong không khí

Nhiệt độ bốc cháy 5,5 - 44 4700C

c) Tính chất hóa học

Metanol là chất lỏng không màu, phân cực.

Nó có khả năng phản ứng được quyết định bởi nhóm chức hydroxit

(- O.H). Các phản ứng của metanol xảy ra giữa các liên kết C - H hoặc O-H,

được đặc trưng bởi sự thay thế các gốc: - H và gốc - OH. Các phản ứng quan

trọng trong công nghiệp của metanol .

1. Phản ứng đề hydrohóa, oxy hóa

2. Phản ứng với các axit

3. Phản ứng este hóa

4. Phản ứng công hợp với các liên kết không no.

5. Phản ứng xảy ra với góc hydroxyl (-OH)

d) Phương pháp tổng hợp metanol [12]

+ Oxy hóa trực tiếp metan (CH4)

2CH4 + O2  2CH3OH

Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc

CH3 + O  CH3O

CH3O  HCHO + H

CH3O + CH4  CH3OH + CH3

Phản ứng thực hiện ở T0 = 400 - 7000C.

P = 0,1 - 0,15 MPa

Xúc tác Fe, Ni, Cu ...

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

+ Tổng hợp metanol từ khi tổng hợp

Metanol được sản xuất theo các phản ứng sau:

CO + 2H2 = CH3OH

CO2 + 2H2 = CH3OH +H2O

CO2 + H2 = CO + H2O

Quá trình thực hiện ở T0 = 200 - 400 MPa.

+ Nếu là áp suất cao P = 25 - 30MPa.

+ Nếu là áp suất trung bình P = 10 - 25 MPa.

+ Nếu là áp suất thấp P = 5 - 10 MPa.

Xúc tác là Cu, Cu - Al2O3, Cu - ZnO

Hỗn hợp khí tổng hợp sử dụng nhận được từ quá trình Refoming hơi

nước gồm 15% CO, 8% CO2, 74% H2, 3% CH4

I.2. Terbutyl - Ancol (TBA)

a) Tính chất vật lý của TBA [3]

TBA là một chất lỏng không màu, nó hòa tan TBA hoàn toàn trong

nước, hòa tan với các dung môi hữu cơ. Các đại lượng vật lý cơ bản của

TBA.

Nhiệt độ nóng chảy

25,60C 82,550C

0,7867

Nhiệt độ sôi Tỷ trọng (200C) Độ nhớt (200C) 3,3 (mPa.S)

Nhiệt nóng chảy 3,035 (J/g.k)

Nhiệt hóa hơi 535,78 (J/g)

Nhiệt bốc cháy 91,61 (J/g)

Nhiệt cháy

Nhiệt độ chớp cháy

Nhiệt độ bốc cháy trong xi lanh 35,588 (kj/g) 110C 4700C

b) Tính chất hóa học [3]

TBA có công thức cấu tạo:

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

CH3

H3C - C - OH

CH3

+ Tham gia phản ứng dehydrat hóa

CH3 CH3

H3C - C - OH H2C = C + H2O

CH3 CH3

+ Tham gia phản ứng ankyl hóa

+ Tham gia phản ứng với axit hữu cơ và axit vô cơ.

c. Các nguồn TBA [13]

+ TBA có thể lấy từ quá trình hydrat hóa

2 - metyl propen, xúc tác H2SO4 65%.

+ TBA có thể lấy từ quá trình sản xuất propylen oxit

CH3 CH3 CH3

H3C - C - H + 3O2 2CH3 - C - O - OH + 2H3C - C - OH

CH3 CH3 CH3

CH3

H3C - C - OOH + CH2 = CH - CH3  H3C - CH - CH2

O CH3

CH3

+ H3C - C - OH

CH3

Quá trình sản xuất propylen oxit (PO) theo phương pháp này cho sản

lượng propylen (PO) khoảng 1000000 (tấn/năm) và sản phẩm phụ TBA thu

được rất lớn khoảng 2,5 - 3,5 kg (TBA) trên 1 kg (PO).

I.3. Izobuten [3]

a. Tính chất vật lý [3]

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

iZobuten là chất khí không màu, có thể cháy ở nhiệt độ thường và áp

suất khí quyển. Nó có thể hòa tan vô hạn trong rượu, ete và các hydrocacbol

nhưng ít tan trong nước.

Dưới đây là một số tính chất lý học: Nhiệt độ sôi (101,3 Kpa) - 6,90C Nhiệt độ nóng chảy 101,3 KPa) - 140,30C.

Tỷ trọng:

+ Trạng thái lỏng (250C) 0,5879

+ Trạng thái khí 2,582

Nhiệt hóa hơi (250C) 366,9 (j/kg)

Nhiệt dung riêng

+ Khí lý tưởng 1589 (J/kg.k)

+ Lỏng (101,3 KPa) 2335 (J/kg.k)

b. Tính chất hóa học của izobuten

+ Phản ứng công nước tạo tert - bytyl - Ankol (TBA)

CH3 CH3

H+ H2C = C + H2O H3C - C - OH

CH3 CH3

+ Phản ứng với rượu tạo ete.

CH3 CH3

H+ H2C = C+ CH3OH H3C - C - O - CH3

CH3 CH3

+ Tham gia phản ứng oligome hóa tạo olefin mạch dài:

+ Tham gia phản ứng trùng hợp tạo polyme

+ Tác dụng với O2 (phản ứng oxy hóa)

c. Các nguồn izobuten hiện nay [13]

+ izobuten lấy từ phân đoạn C4 từ quá trình crăcking hơi (Raffirat - 1)

Hỗn hợp hơi bytylen ở đây có hàm lượng izobutylen đủ lớn, hàm lượng

izobuten chiếm tới hơn 40%.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

+ izobuten lấy từ phân đoạn C4 của quá trình crăcking xúc tác lớp vôi.

Nồng độ izobuten ở đây khá thấp.

+ Izobuten lấy từ quá trình dehydrat hóa TBA. + Izobuten từ quá trình dehydro hóa izobutan trên xúc tác ở T0= 500 -

7000C.

+ Nguồn đầu đáp ứng được 24% cho sản xuất MTBE.

+ Nguồn thứ hai đáp ứng khoảng 28% cho sản xuất MTBE

+ Nguồn thứ hai là nguồn cung cấp chủ yếu cho sản xuất MTBE nhưng

nguồn này là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất protylen oxit.

+ Nguồn thứ tư bị hạn chế do điều kiện tiến hành không thuận lợi (xúc

tác nhanh giảm hoạt tính )

Nguồn thứ nhất và thứ hai đang có nhiều triển vọng vì quá trình

crăcking hơi và crăcking xúc tác không thể thiếu được trong các nhà máy chế

biến dầu.

Bảng 3: Hàm lƣợng các cấu tử trong phân đoạn C4 của quá trình cracking xúc tác.

Các cấu tử Raffinat - 1 % V FCC - BB (%V)

Izobutan 4 36

N - butan 12 13

Izobuten 44 15

Buten 1 24 12

Cis - buten - 2 6 9

Tran - buten - 2 9 14

Butadien 1-3 0,5 0,3

Bảng 4: Công suất MTBE năm 1995 ở vùng vịnh

Công suất Nguồn nguyên liệu Tấn (năm) Thùng (ngày)

Khí mỏ bu tan 800.000 20.000

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Khí crăcking hơi nước 100.000 2.500

Khí crăcking xúc tác 80.000 2.000

TBA 1.000.000 25.000

II. CÁC HƢỚNG SẢN XUẤT MTBE [13]

Hƣớng 1 CH3OH

Phân xưởng sản xuất MTBE Rafinat - 1(C4)

Hƣớng 2:

CH3OH MTBE

Phân xưởng sản xuất MTBE FCC(C4)

Đây là nguồn nguyên liệu truyền thống thường được sử dụng trong các

phân xưởng sản xuất MTBE trên thế giới. Sở dĩ quá trình sản xuất đi từ hỗn

hợp khí rafinat hoặc FCC là quá trình phổ biến trước đây là do quá trình này

có giá thành sản xuất rẻ, nguyên liệu là sản phẩm thứ yếu của các quá trình

lọc dầu. Và có thể sử dụng làm nguyên liệu trực tiếp để sản xuất MTBE. Tuy

nhiên do sợi hạn chế về kỹ thuật và số lượng nguyên liệu mà phương pháp

này đang dần được thay thế.

- Một số công nghệ dùng nguyên liệu này là:

+ Công nghệ của CD - TECH

+ Công nghệ của Philips

+ Công nghệ của Sramprogetti.

CH3OH

Hƣớng 3:

izobutan

Quá trình PXSX Quá trình

MTBE

dehydro hóa MTBE izome hóa n butan

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Đây là hướng sản xuất mới sử dụng nguyên liệu là n- butan tách từ khí

tự nhiên với trữ lượng lớn.

Quá trình này gồm 3 bước cơ bản.

+ Quá trình izome hóa thành Izobuten gồm có các công nghệ: ABB-

lummus .

Công nghệ quá trình Butamer.

+ Quá trình dehydro hóa Izobutan thành Izobutylen.

Có các công nghệ: Catofin

Công nghệ quá trình oleflex của UOP

Công nghệ tái sinh xúc tác Dehydro hóa.

+ Quá trình ete hóa: có công nghệ của Ethemar

CH3OH

Hƣớng 4:

MTBE

Izobuten

Quá trình đề hydrat hóa PX sản xuất MTBE TBA

* Sản xuất theo hướng 4:

Quá trình này gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: dehydrat hóa TBA, tạo izebuten. Đây là quá trình tách

nước phân tử xảy ra thuận nghịch. Điều kiện tiến hành phản ứng đề hydrat TBA tạo izobuten là : T0 quá trình 300 - 4000C.

P = 1 atm.

Xúc tác Al2O3, H2SO4, H3PO4/ chất mong.

- Giai đoạn 2: Ete hóa izobuten với metanol tạo MTBE với điều kiện

T = 40 - 1000C; P = 15 - 20 atm

Xúc tác nhựa trao đổi ion.

Công nghệ hãng TEXACO.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

III. QUÁ TRÌNH DEHYDRAT [11]

Quá trình dehydrat hóa TBA xảy ra trong pha hơi nhiệt độ là T =300-

400C với áp suất P = 20 psia và xúc tác Al2O3, H2SO4, H3PO4/chất mang.

III.1. Phản ứng hóa học

CH3 CH3

H2C = C + H2O H3C - C - OH

3000C Al2O3 CH3 CH3

(TBA) (izobuten)

III.2. Áp suất của quá trình

- Quá trình đề hydrat hóa TBA là quá trình làm tăng thể tích do vậy ta

giảm áp suất phản ứng sẽ xảy ra theo chiều tạo izobuten.

- Với áp suất thấp: xúc tác được chia ra làm 4 tầng nhỏ để đảm bảo quá

trình đẳng nhiệt và các yếu tố động học. Các điều kiện của quá trình như sau:

T = 300 - 4000C; P = 20PSia.

Tốc độ nạp liệu riêng là 10, 20, 30, 40. - Với quá trình áp suất cao: Thiết bị phản ứng được chất 100cm3 xúc

tác trong một tầng, với các điều kiện: T0 = 300 - 4500C , P = 110 psia.

Tốc độ nạp liệu riêng 2,0 (LHSV)

III.3. Xúc tác

Xúc tác cho quá trình là Al2O3, H2SO4 Xúc tác được nghiền nhỏ, diện tích bề mặt cao khoảng 256m2g.

III.4. Nhiệt độ và tốc độ nạp liệu

Quá trình đề hydrat hóa là quá trình thu nhiệt do đó tăng nhiệt độ sẽ

thuận lợi cho quá trình. Trong quá trình đề hydrat hóa do có nhiệt độ khá cao

nên sẽ xuất hiện các sản phẩm phụ là Diizobuten, Triizobuten. Mức độ chuyển hóa TBA tăng từ 8 - 88%V khi nhiệt độ tăng từ 300 - 4000C với tốc

độ nạp liệu riêng là 40 LHSV. Nếu mức độ chuyên hóa TBA tăng từ 72 -

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

99,7% thì tốc độ nạp liệu là 10 LHSV khi nhiệt độ tưang 350-4000C. Mức độ

chuyển hóa TBA tăng khi tốc độ nạp liệu vào thiết bị giảm.

Mức độ chuyển hóa TBA phụ thuộc vào tốc độ nạp liệu.

III.5. Thiết bị phản ứng [14]

Do xúc tác Al2O3 có độ bền cơ không cao nên chọn thiết bị có lớp xúc

tác cố định.

Do phản ứng là thu nhiệt nên ta phải cấp nhiệt cho phản ứng do đó ta

chọn thiết bị ống chùm với xúc tác đặt trong ống.

IV. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MTBE TỪ METANOL VÀ IZOBUTEN

IV.1. Phản ứng tổng hợp MTBE

CH3 CH3

H+ H2C = C + CH3OH H3C - C - O - CH3

CH3 CH3

(MTBE)

IV.2. Các sơ chế của phản ứng

a. Cơ chế với xúc tác axit

CH3

CH3 H2C = C + H+ H2C = C - H+

CH3 CH3

CH3

H3C - C

CH3

MTBE CH3OH (CH3)2C+ - CH3

CH3 - O - C (CH3)2 (CH3)2 - C =

H CH2

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Theo cơ chế này thì izobuten sẽ hấp thụ lên bề mặt xúc tá sau đó nó sẽ hình thành nên ion cacboni hoạt động đó tạo ra bán sản phẩm, trả lại H+ cho môi trường và H+ này sẽ tạo thành ion cacboni với phần tử izobuten mới hấp

phụ vào xúc tác khi mà sản phẩm MTBE đã tách khỏi bề mặt xúc tác.

b. Cơ chế langmuir - Hinshelwal: khi nồng độ metanol thấp thì khi đó

izobuten và metanol được giữ gần nhau trên bê mặt xúc tác sẽ phản ứng với

nhau tạo ra MTBE.

MeOH +   MeOH . 

IB +   IB. 

MeOH .  + IB .  +   MTBE .  + 2

MTBE.   MTBE + 

c. Cơ chế Eley - Ridial

Khi nồng độ metanol cao thì metanol bị hấp thụ lên trên bề mặt xúc tác.

Sau đó izobuten từ môi trường phản ứng sẽ phản ứng với metanol được giữ

trên bề mặt xúc tác để tạo ra MTBE.

MeOH +   MeOH. .

MeOH + IB + 2  MTBE .  + 2

MeOH .  + IB + 2  MTBE + 2

MTBE .   MTBE + .

Khi nồng độ metanol trung bình thì phản ứng xảy ra theo cả hai cơ chế

trên.

IV.3. Chế độ công nghệ [1,2-6]

- Nhiệt độ phản ứng T = 40  100 0C

- áp suất P = 15 - 20atm

- Tỷ lệ izobeten/metanol = 1/1,1

- Xúc tác: do phản ứng tổng hợp MTBE trên quy mô công nghiệp thực

hiện trong pha lỏng với xúc tác là các loại nhựa trao đổi ion. Với nhiệt độ tối

ưu cho phản ứng đối với xúc tác nhựa trao đổi ion là khoảng 79800C.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Nhựa trao đổi ion là polime đồng trùng hợp có nhóm - SO3H (Sulforic

styren divingl benzen). Nhựa trao đổi ion có tính axit mạnh (do nhóm - SO3H

quyết định) và có các mao quản lớn chúng thường có 3 loại mao quản cấu trúc

chứa những đám lớp của mao quản vi cầu có (đường kính d = 100 - 200nm).

Mỗi cấu trúc vi cầu thường nhỏ hơn hạt nhân nuclei (10-30nm chúng ngưng

tụ với nhau thành các đám.

Giữa khoảng không của các nhân nuclei có một loại mao quản rất nhỏ

(d = 5 - 15nm) có bề mặt riêng rất lớn. Giữa các vi cầu có một loại mao quản trung gian có kích cỡ 20 - 25nm có bề mặt riêng xấp xỉ 100m2/g. Loại mao

quản còn lại có kích thước lớn 50 - 100nm nằm giữa các đám khối kết tụ có

bê mặt riêng thấp nhưng thể tích mao quản lớn.

Độ axit càng mạnh thì hoạt tính xúc tác càng cao. Độ axit phụ thuộc

vào kiểu loại và số nhóm axit trên nhựa trao đổi ion và bị ảnh hưởng bởi độ

nối ngang. Độ hoạt động của xúc nhựa phụ thuộc chủ yếu vào hình thái ban

đầu của nhựa và vào tương tác của dung môi và những phần tử hấp phụ với

nhóm định chức.

Cấu trúc nhựa trao đổi ion:

O O O

SO3H SO3H SO3

O O O

SO3H

SO3H SO3H

Kích thước

Đường

Độ axits C -

Thể tích mao

Tốc độ phản

Các xúc tác

trung bình

kính mao

(mequi/g)

Diện tích bề mặt (m2/g)-A)

quản ml/g-V-

ứng

d(nm)

quản TB

Bảng 4: Một số loại xúc tác đang đƣợc sử dụng

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

mol/hmequy

D (A0)

Bayer K2631

4,83

41,5

0,0143

0,63

650

0,67

Bayer OC - 1501

5,47

25,0

0,0200

0,66

832

0,52

Amberlyst 15

4,75

42,0

0,0151

0,74

343

0,36

Amberlyst 35

5,32

34,0

0,0195

0,51

329

0,28

Dowex M35

4,78

29,0

0,0143

0,63

455

0,33

Prolite CT 151

5,4

25,0

0,0150

0,43

252

0,30

Purolite CT 165

5,0

6,2

0,0081

0,43

1148

0,16

Purolite CT 169

4,90

48,1

0,00158

0,43

342

0,38

Purolite CT 171

4,94

31,0

0,0158

0,40

597

0,47

Purolite CT 175

4,98

29,0

0,0164

0,40

662

0,48

Purolite CT 75/2824

5,3

24,1

0,0196

0,43

386

0,44

Purolite CT 179

5,25

35,0

0,0182

0,43

745

0,33

Độ axit trên bề mặt xúc tác ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tổng hợp

MTBE. Ngoài ra đường kính mao quản trên xúc tác phải đủ lớn để phân tử

izobuten, Metanol, MTBE khuếch tán vào ra dễ dàng. Nhưng không lớn quá

vì lớn quá sẽ làm giảm bề mặt xúc tác tức làm giảm tâm hoạt tính của xúc tác.

Xúc tác mới [10]

- Xúc tác zeolit: Hiện nay, MTBE được sản xuất trên xúc tác nhựa trao

đổi ion tuy nhiên phương pháp này cho độ chọn lọc chưa cao do có những sản

phẩm phụ từ quá trình dime hóa, polyme hóa của izobuten. Do đó gần đây các

nhà khoa học đã đưa ra một loại xúc tác mới là ZSM5 có nhiều ưu điểm.

+ Hoạt tính cao

+ Độ chọn lọc cao

+ Độ bền cao

+ Không có sự kết tụ các kim loại hoạt động

+ Không có lốc bên trong và ngoài lỗ mao quản của zeolit

+ Không mất đi kim loại hoạt động

+ Không có phản ứng phụ

Hình dạng, kích thước và sự sắp xếp các lỗ mao quản trong zeolit có

một vai trò quan trọng trong việc khống chế các phản ứng phụ như dime hóa

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

và polyme hóa. Hoạt tính của xúc tác sẽ tăng lên khi tăng số tâm axit. Nhiệt độ của phản ứng tối ưu là 800C.

Ngoài ra còn loại xúc tác Ti - ZSM5 là loại xúc tác hai chức năng dùng

cho việc tổng hợp trực tiếp từ iZubutan do một số quá trình dehydro hóa

izobutan có nhiều hạn chế.

IV.4. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tốc độ phản ứng

a) Nhiệt độ

Phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt nên khi

ta giảm nhiệt độ phản ứng (giữ nguyên các điều kiện khác) thì cân bằng

chuyển dịch theo hướng tạo MTBE vì vậy giảm nhiệt độ có lợi cho quá trình.

Tuy nhiên các loại xúc tác đều có thể cho độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao trong khoảng nhiệt độ T = 40 - 1000C. Nhưng nhiệt độ tối ưu là 80-900C.

b) Tỷ lệ nguyên liệu metanol/izobutan

Tỷ lệ izobuten/metanol khống chế trong khoảng 1,1/1 vì izobuten khá

hoạt động nên nếu izobuten dư thì có thể xảy ra các phản ứng tạo sản phẩm

phụ. Do đó tỷ lệ metanol/izobuten ảnh hưởng lớn đến độ chuyển hóa do độ

chuyển hóa của metanol thấp hơn izobuten.

c) Áp suất

Áp suất làm việc 15 - 20 atm, áp suất ít ảnh hưởng tới quá trình.

d) Xúc tác [1,26]

Xúc tác ảnh hưởng lớn đến quá trình tổng hợp MTBE vì mức độ

chuyển hóa phụ thuộc vào hoạt tính của xúc tác. Hoạt tính xúc tác được quyết

định bởi số tâm hoạt động (số tâm axit trên xúc tác). Do đó độ axit của xúc tác

và sự phân tán các tâm axit trên bề mặt xúc tác ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

MTBE.

Quá trình tổng hợp MTBE trên xúc tác nhựa trao đổi ion dùng xúc tác

dạng cần có đường kính d = 9m8 - 1,2 mm. Và để đảm bảo trở lực trong thiết

bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh không quá lớn thì xúc tác được sản xuất dưới

dạng các hạt đệm. Trong quá trình làm việc nếu xúc tác tiếp xúc với các hợp

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

chất có tính bazơ (lẫn trong nghiệm) thì sẽ làm giảm hoạt tính xúc tác khoảng

thời gian 10-12 năm ta phải tái sinh xúc tác bằng H2SO498% dễ bão hòa.

e) Thiết bị phản ứng

Thiết bị phản ứng MTBE là thiết bị dạng ống, xúc tác tĩnh. Dùng thiết

bị ống chùm hoặc đoạn nhiệt để tận dụng cho quá trình chung tacvhs sản phẩm.

IV.5. Lựa chọn sơ đồ công nghệ

a) Sơ đồ công nghệ [13]

Quá trình ETE hóa để sản xuất MTBE bao gồm 3 giai đoạn

+ giai đoạn 1: Tổng hợp MTBE trên xúc tác

+ giai đoạn 2: chưng tác sản phẩm

+ giai đoạn 3: xử lý và thu hồi nguyên liệu

b) Lựa chọn sơ đồ công nghệ tổng hợp MTBE

Coi nồng độ ban đầu của metanol là 99% và izobuten sau quá trình tách

nước của TBA có nồng độ 99% do vậy phản ứng tổng hợp MTBE có hiệu

suất khá cao. Phản ứng tổng hợp MTBE là hpản ứng tỏa nhiệt nên ta chọn sơ

đồ công nghệ gồm hai thiết bị. Một thiết bị đoạn nhiệt và một thiết bị chưng

cất xúc tác (CD). Tại thiết bị chưng cất xúc tác cân bằng chuyển dịch về phía

tạo MTBE. Với hai thiết bị này độ chuyển hóa cho MTBE có thể đạt tới 99%

vì sau thiết bị một cho ta mức chuyển hóa khoảng 85% ta cho vào thiết bị thứ

hai mà không cần gia nhiệt (tận dụng nhiệt ).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP MTBE TỪ TBA

TBA từ bể chứa nguyên liệu được bơm (6) đưa lên thiết bị gia nhiệt (5)

để tận dụng nhiệt của sản phẩm và tiếp tục đưa sang hai thiết bị gia nhiệt (4)

để tận dụng nhiệt của khó lò. Sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng (3) tại đây quá trình tách nước xảy ra (nhiệt độ lò phản ứng là 300 - 4000C) TBA đi

trong ống chùm từ trên xuống, xúc tác Al2O3 đặt trong ống, khói cháy được

cung cấp từ lò đốt (1) bằng cách đốt dầu với không khí và được dẫn sang thiết

bị phản ứng (3). Sản phẩm của phản ứng tách nước của TBA được đưa qua

thiết bị trao đổi nhiệt (5) (cấp nhiệt cho nguyên liệu)sau đó được đưa qua thiết

bị làm lạnh (7) ngưng tụmột phần hơi nước. Tiếp đó nó được đưa qua thiết bị

phân ly (8) tách nước khỏi hơi Izobuten. Hơi Izobuten ra khỏi đỉnh (8) được

đưa vào thiết bị sấy khô (9), ở đây thiết bị sấy dùng chấp hấp phụ là than họat

tính hơi Izobuten tiếp tục được máy nén (10) nén đến khoảng 1,5 - 2MPa.

Izobuten ra khỏi đáy thiết bị (11) được đưa về thiết bị phân ly (12) để tách

không khí ngưng và đưa vào bể chứa Izobuten.

Metanol lỏng từ bể chứa và Izobuten từ quá trình để hydra hóa được

tồn tại ở trạng thái lỏng và được bơm vào cùng một đường ống và đưa vào thiết bị gia nhiệt (13) để nâng nhiệt độ đến khoảng 600C rồi đưa vào thiết bị

phản ứng số (15). Tại (15) với lượng xúc tác cần thiết (xúc tác nhựa trao đổi ion), nhiệt độ khoảng 50-1000C và áp suất là 15-20atm sẽ chuyển hóa hỗn hợp

nguyên liệu thành sản phẩm MTBE với mức độ chuyển hóa khoảng 85% thiết

bị phản ứng (15) được chia thành 3 vùng phản ứng. (việc thiết kế phải đảm

bảo mức độ chuyển hóa ở cả 3 vùng là 85%) và nhiệt độ hỗn hợp lỏng ra khỏi các vùng không vượt quá 1000C. Vì phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng

trả nhiệt nên để có nhiệt độ thích hợp coh phản ứng xảy ra ở vùng thứ hai và

thứ ba thì phải hạ bớt nhiệt độ hỗn hợp lỏng ra khỏi vùng 2 bằng cách cho

qua thiết bị làm lạnh trung gian (14) và hỗn hợp khi ra khỏi vùng phản ứng 1

cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (13). Sau khi ra khỏi thiết bi phản ứng chính

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

(15) hỗn hợp lỏng (hỗn hợp sản phẩm và nguyên liệu) được sang thiết bị

chưng tách xúc tác (16). Tại (16) xảy ra hai quá trình chưng tách và phản ứng

tiếp phần nguyên liệu còn lại. Sản phẩm MTBE được lấy ra ở đáy (16), một

phần được hồi lưu trở lại qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại

đưa qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại đưa qua thiết bị làm

lạnh (14) làm lạnh đến nhiệt độ thường rồi đưa về bể chứa của MTBE. Sản

phẩm đỉnh củat hiết bị số (16) bao gồm chủ yếu là metanol dư, các tạp chất C4

(buten - 1) buten và một phần nhỏ izobuten chưa chuyển hóa, chúng được đưa

qua thiết bị làm lạnh ngưng tự (14), ra khỏi (14) phần lỏng ngưng tụ được hồi

lưuvề (16), phần còn lại được đưa đi thu hồi metanol nhờ tháp hấp thụ 18.

Tại (18) metanol và C4 đi từ dưới lên sẽ được tưới nước từ trên xuống,

metanol sẽ bị hấp thụ bởi nước còn khí không được hấp thụ đi ra ở đỉnh tháp

hấp thụ và được đưa đi sử dụng cho các mục đích khác. Hỗn hợp metanol và

nước ra khỏi tháp hấp thụ (18) được đi qua thiết bị gia nhiệt (13) và vào tháp

chưng tách (19). Tại đây metanol có nhiệt độ rơi bằng 64 còn nước có nhiệt

đọ sôi bằng 100 nên sản phẩm đỉnh chủ yếu là metanol được dẫn qua thiết bị

làm lạnh ngưng tụ (14) một phần được hồi lưu tại thiết bị (19) và phần chủ

yếu còn lại được đưa về bể chứa metanol. Nước được lấy ra ở đáy tháp (19)

một phần cho hồi lưu lại (19) phần chủ yếu được đưa đi tận dụng nhiệt bằng

cách dùng bơm (6) bơm lên thiết bị trao đổi nh iệt (13) và qua thiết bị làm

lạnh (14) vào tháp hấp thụ (18).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

PHẦN III

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

Năng suất: 25.000 (tấn/năm)

Hiệu suất dehydrat hóa 98%

Nồng độ TBA kỹ thuật : 97%

Nồng độ tạp chất trong TBA là 3%

Nồng độ CH3OH là : 99%

Nồng độ H2O trong CH3OH là: 1%

Hiệu suất quá trình tổng hợp MTBE là 99%

Nồng độ izobuten là: 99%

Nồng độ tạp chất C4 (buten - 1, buten - 2) trong izobuten là: 1%.

I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT

- Khối lượng phân tử của MTBE là : MMTB = 88 (kg/kmol)

- Số ngày nghỉ để bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị trong một năm là: 25

ngày.

Năng suất phân xưởng tính theo giờ là:

63,72 (kg/h)

Tính theo đơn vị (kmol/h) sẽ là:

= 34,81 (kmol/h)

Số mol izobuten tinh khiết cần cho phản ứng:

. 34,81 nIB =

nIB = 35,16 (kmol/h)

Khối lượng IB tinh khiết cần cho phản ứng là:

mIB = 35,16 x 56 = 196,05 (kg/h)

(MIB = 56kg/kmol)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Lượng tạp chất C4 (buten - 1, buten - 2/ trong izobuten là:

(kg/h) Mc4 =

Do trong dòng nguyên liệu cấp vào thiết bị phản ứng có tỷ lệ

(metanol/izobuten = 1,1/1).

Do đó số metanol đưa vào thiết bị sẽ là:

nMEOH = nIB x 1,1 = 35,16 x 1,1 = 38,67 (kmol/h)

Khối lượng của Metanol nguyên chất đưa vào thiết bị phản ứng là:

MMEOHn/c = 38,67 x 32 = 1237,63 (kg/h)

(do khối lượng phân tử của metanol là: MMEOH = 32(kg/kmol)

Lượng nước có trong dòng metanol đưa vào thiết bị là:

= 12,50 (kg/h) MH2O =

Vậy ta có: MC4H chất = 19,88 (kg/h)

MH2O = 12,5 (kg/h)

I.1. Cân bằng vật chất cho toàn phân xƣởng

- Quá trình sản xuất MTBE gồm hai quá trình

+ Quá trình dehydrat hóa TBA tạo izobuten

+ Quá trình ete hóa izobute với metanol tạo MTBE.

(+) Xét quá trình dehydrat hóa TBA tạo izobuten.

CH3 CH3

(1) H3C - C - OH H3C = C + H2O

Al2O3 3000C CH3 CH3

Hiệu suất quá trình dehydrat hóa là 98%

NIB tinh khiết là: 35,16 (kmol/h)

Do đó từ phản ứng dehydrat hóa TBA ta có:

x 35,16 = 35,87 (kmol/h) nTBA =

Khối lượng TBA nguyên chất cần cho phản ứng là:

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

MTBA n/c = 35,87 x 74 = 2654, 38 (kg/h)

Do đó lượng TBA kỹ thuật sẽ là:

MTBA = M TBA n/cx

MTBA = 2736,47 (kg/h)

Khối lượng tạp trong TBA là:

= 82,09 (kg/h) Mtạp chất = 2736,47

Các phản ứng phụ xảy ra khi dehydrat hóa TBA

(2) H3C - CH - CH2 - CH3  CH2 = CH - CH2 - CH3

OH + H2O

(3) H3C - CH - CH2 - CH3  CH3 - CH = CH - CH3

OH + H2O

(SBA) n - buten

Coi hiệu suất quá trình dehyrat hóa SBA là 98%.

Theo (2) và (3) ta có:

nSBA =

nSBA = 0,362 (kmol/h)

(do MC4 = 56 kg/kmol)

Vậy lượng SBA có trong TBA là:

MSBA = 0,362 x 74 = 26,806 (kg/h)

(do MSBA = 74 kg/kmol)

Lượng nước có trong TBA sẽ là:

M1,H2O = Mtạp chất - MSBA = 82,09 - 26,806

M1,H2O = 55,284 (kg/h)

Lượng SBA dư sẽ là

MSBA dư = . MSBA = 0,02 x 26,806.

MSBA dư = 0,536 (kg/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Lượng SBA dư sẽ là:

= 0,02 x 2654,38 MTBA dư =

MTBA dư = 53,087 (kg/h)

Lượng nước tạo ra từ quá trình dehydrat hóa là:

x 18 M2H2O = (nIB + nc4) x 18 =(35,16 +

M2,H2O = 639,27 (kg/h)

Vậy lượng nước ra khỏi thiết bị phân ly là:

MH2O = M1,H2O + M2,H2O = 55,284 + 639,27

MH2O = 694,554 (kg/h)

A. Tại thiết bị phản ứng chính sản xuất MTBE

Công đoạn sản xuất MTBE ở thiết bị chính đạt 85% nên ta có:

n1,MTBE = . nIB n/c =

n1,MTBE = 29,886 (kmol/h)

Lượng MTBE được sản xuất ra sẽ là:

M1,MTBE = 29,886 x 88 = 2629,968 (kg/h)

Lượng izobuten chưa chuyển hóa ra khỏi thiết bị sẽ là:

M1,IB = MIB - MIB phản ứng = 1969,05 -

M1,IB = 295,35 (kg/h)

Lượng metanol chưa chuyển hóa ra khỏi thiết bị chính sẽ là:

m1,MeOH = mMeoH n/c - mMeOH, phản ứng

. 35,16 x 32 = 281,27 (kg/h) m1,MeOH = 1237,63 -

Lượng nước ra khỏi thiết bị vẫn bằng lượng nước ba đầu và bằng: 12,5

(kg/h)

Lượng tạp chất C4 (buten - 1,buten - z) ra khỏi thiết bị vẫn bằng lượng

ban đầu là: 19,88 (kg/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

B. Tại thiết bị phản ứng chúng và tách (CO)

+ Lượng MTBE tạo ra trong thiết bị này là:

m2MTBE = (14% x nIB) x 88

= 433,171 (kg/h) m2MTBE =

Lượng MTBE ra khỏi thiết bị phản ứng và chưng tách là:

mMTBE = m1,MTBE = m2, MTBE = 2629,968 + 433,171.

mMTBE = 3063,139 (kg/h)

Lượng MeOH ra khỏi thiết bị chưng cất là:

m1,MEOH = mMeOH n/c - mMeOH phản ứng

m1 MeOH = 38,67 - 35,16 x 99%.

= 3,861 (kmol/h) = 123,57 (kg/h)

(MMeOH = 32 kg/kmol)

+ Lượng IB chưa chuyển hóa thoát ra ở sản phẩm đỉnh là:

m2,IB = mIB - mIB phản ứng = 1969,05 - 1969 x 99%.

= 19,69 (kg/h)

Lượng C4 (buten - 1, buten - 2) thoát ra khỏi thiết bị trong sản phẩm

đỉnh là 19,88 (kg/h)

Tổng lượng khí thải thoát ra ở sản phẩm đỉnh là:

m1,C4 = mc4 + m2,IB = 19,88 + 19,69 = 39,57 (kg/h).

Lượng nước ra khỏi thiết bị chưng tách (CP) là 12,5 kg/h).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 5: Bảng cân bằng vật chất cho toàn phân xƣởng

Các chất đi vào

Tên chất Tên chất Các chất đi ra Kg/h

Kg/h 2654,38 26,806 55,284 Kmol/h trong

1237,63 12,5 có

TBA SBA H2O TBA Metanol H2O trong metanol

Tổng 3986,60 IB Các C4 H2O ra khỏi thiết bị CD MTBE H2O ra khỏi thiết bị phân ly TBA dư SBA dư CH3OH dư Tổng Kmol/h 19,69 19,88 12,5 3063,13 694,55 53,08 0,536 123,57 3986,63

Bảng 6: Cân bằng vật chất cho khử nƣớc của TBA.

Các chất đi vào Các chất đi ra

Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h

TBA 2654,38 1969,05

26,806 19,88

55,284 694,55 SBA H2O trong TBA

IB Các C4 H2O ra khỏi thiết bị phân ly

TBA dư 53,08

SBA dư 0,536

Tổng 2736,16 27,36,09

Bảng 7: Bảng cân bằng vật chất cho tiết bị phản ứng chính

Chất đi vào Chất đi ra

Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h

1969,05 2629,96

1237,63 12,5

12,5 295,35

19,88 281,37

IB CH3OH H2O trong CH3OH Các C4 19,88

Tổng 3239,06 MTBE H2O IB dư CH3OH dư Các C4 Tổng 3239,64

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 8: Cân bằng vật chất cho thiết bị chƣng cất xúc tác

Chất đi vào Chất đi ra

Tên chất Tên chất Kg/h Kg/h

IB 295,35 MTBE 3063,139

281,37 12,5 CH3OH H2O

19,88 IB dư 19,69 Các C4

12,5 123,57 H2O trọng CH3OH CH3OH dư

MTBE 2629,96 19,88 Các C4

Tổng 3239,06 Tổng 3239,06

+ Tỉnh lưu lượng dòng nguyên liệu cấp cho công đoạn ở trạng thái

lỏng.

Ta đã tính được lưu lượng khối lượng nguyên liệu cấp vào là:

G0 = 3239,06 (kg/h)

Ta tính khối lượng riêng của hỗn hợp nguyênliệu theo công thức [16]

Trong đó: hh : khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu (kg/m3) 1, 2, 3, 4: khối lượng riêng của từng cấu tử (kg/m3)

a1, a2, a3, a4: Nồng độ % về khối lượng của các cấu tử.

Hỗn hợp gồm: IB, CH3OH, H2O, các C4 (buten -1, buten - 2).

Nồng độ % về khối lượng của izobute là:

= 60,79% a1 =

Nồng độ % về khối lượng của C4 (buten - 1, buten -2) là:

= 0,61% a2 =

Nồng độ % về khối lượng của MeOH là:

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

= 38,21% a3 =

Nồng độ % về khối lwngj của H2O là:

= 0,39%. a4 =

Khối lượng riêng của izobuten ở 250C là [16]

 = 587,9 (kg/m3)

Khối lượng riêng của C4 (buten-1, buten-2) ở 250C là:

2 = 1 = 587,9 (kg/m3)

Khối lượng riêng của CH3OH ở 250C là:

3 = 786,64 (kg/m3)

Khối lượng riêng của H2O ở 250C là:

4 = 996,5 (kg/m3)

Khi đó ta có thể tính được khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu là:

 = 651,87 (kg/m3)

Vậy lưu lượng dòng nguyên liệu cấp cho công đoạn ở trạng thái lỏng

là:

= 5 (m3/h)

II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG

II.1. Cân bằng nhiệt lƣợng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp phản ứng

ở trạng thái lỏng.

- Hỗn hợp lỏng ban đầu có nhiệt độ ban đầu Tđ = 250C được đun nóng đều Tc = 600C. Do thiết bị là đoạn nhiệt, ta có phương trình cân bằng nhiệt

lượng.

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

Trong đó:

Q1 : Nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào (kcal/h)

Q2 : Nhiệt lượng cần phải cung cấp cho hỗn hợp (kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Q3 : Nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang ra (kcal/h)

Q4: Nhiệt lượng do mất mát (kacal/l)

a) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào

Q = G. C. t (kcal/h)

Trong đó:

G: khối lượng của chất lỏng (kg/h)

C: nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng (kcal/kg độ) t: nhiệt độ của chất lỏng (0C).

*Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng.

Hỗn hợp đi vào thiết bị ở trạng thái lỏng gồm có IB, metanol, H2O và

C4 (buten-1, buten-2) với thành phần % về khối lượng như đã tính trong phần

cân bằng vật chất.

Q1 = QIB + QC4 + Qnước + QMeOH

Do đó ta có: Nguyên liệu vào thiết bị ở 250C nên ta tính

Q1 ở 250C (298 0K)

Ta tính Cp theo công thức sau: [16] Cop = a0 + a1T + a2T2

Ta có bảng số liệu sau:

Bảng 9: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ

p 298

Hợp chất C0 a6 a1.10-3 a2.10-6

Khoảng T0 (0K) (cal/mol)

7,2 2,7 - 273-200 8,023 H2O (k)

- - - 273-200 17,996 H2O (L)

Buten-1 5,123 61,76 -19,332 298 - 1500 21,35

2,047 Buten-2 (ưs) 64,311 - 19,834 298 - 1500 18,86

Buten-2 (trans) 4,967 59,961 - 18,147 298 - 1500 20,99

5,331 60,246 - 18,14 298 - 1500 21,3 izo - C4H8

- - - - 19,5 CH3OH (L)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

4,88 24,78 - 5,889 300 - 700 11,8 CH3OH (K)

Ngoài ra ta còn có các công thức để xác định nhiệt dung riêng của

MTBE và MeOH. CP MTBE = 53,176 + 0,7173T - 0,1533 .10-2 + 0,202 .10-5. T3 (kg/kmol

CP, MTBE = 1391,176 - 12,364. T + 3,781 . 102. T2 - 3,719 . 10-5.T3(kg/kmol

độ)

+ Tính QMCOH (nhiệt độ dòng nguyên liệu vào t1 = 250C = 2980K.

QMeOH = GMCOH . CP.MCOH . t1 (kcal/h)

Từ bảng 9 ta có:

Cp, MeOH, 298 = 19,5 (cal/mol độ) = 0,609 (kcal/kg độ)

Mà GMCOH = 1237,63 (kg/h) nên:

= 1237,63 x 0,609 x 25 = 18842,91 (kcal/h)

+ Tính Qnước:

Qnước = Gnước . Cp, nước . t1 (kcal/h)

Từ bảng 9 ta có:

Cp nước, 298 = 17,996 (cal/mol) = 0,9998 (kcal/kg độ)

Mà Gnước = 12,5 (kg/h)

 Qnước = 12,5 x 0,9998 x 25 = 312,43 (kcal/h)

+ Tính QIB

QIB = GIB . CP,IB . t1 (kcal/h)

Từ bảng 9 ta có:

CP,IB 298 = 21,3 (cal/mol độ) = 0,38 Kcal/kg độ

Mà GIB = 1969,05 (kg/h) nên

 QIB = 1969,05 x 0,38 x 25 = 18705,97 (Kcal/h)

Tính Qn-buten

Qn-buten = Gn-buten . CP, n-buten . t1 (kcal/h)

Ta có:

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Cn-buten =

(cal/mol độ) Cn-buten =

= 0,364 (kcal/kg độ)

 Qn-buten = 19,88 x 0,364 x 25 = 180,90 (kcal/h)

Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào sẽ là:

Q1 = 18842,91 + 312,43 + 18705,97 + 180,96.

Q1 = 38042,21.

b) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang ra

Hỗn hợp lỏng ra gồm IB, CH3OH, H2O, n - buten (buten-1, buten-2) có

nhiệt độ ra là t2 = 600C = 3330k.

+ Tính QMeOH

QMeOH = GMeOH . Cp.MeoH . t2 (kcal/h)

Ta có:

CpMeOH = 1391,56 - 12,364 x 333 + 3,781 x 10-2 . 3332 - 3,719.10-3 . 3333

= 93,79 (kj/kg độ) = 0,70 (kcal/kg độ)

Mà BP,MeOH = 1237,63 (kg/h)

 QMeOH = 1237,63 x 0,7 x 60 = 51993,54 (kcal/kg độ)

+ Tính Qnước

Qnước = Gnước . Cp nước . t2 (kcal/h)

Ta có: Cp nước = 17,996 (cal/mol độ) = 0,9998 (kcal/kg độ)

Mà : Gnước = 12,5

 Qnước = 12,5 x 0,9998 x 60 = 749,85 (kcal/h)

Tính Qn-buten : Qn - buten = Gn-buten - CP, n-buten . t2 (kcal/h)

Tại 3330k theo bản 9 ta có:

CP,buten-1 = 5,132 + 61,76 x 10-3 x 333 - 19,322 x 10-6 . 3332

= 23,54 (kcal/kmol độ) = 0,41 (kcal/kg độ)

CP, buten-2 cis = 2,047 + 64,311 . 10-3 x 333 - 19,834 x 10-6 x 333 (kcal/kg độ).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

= 21,267 (kcal/kmol độ) = 0,37 (kcal/kg độ.

CP, buten-2, trans = 4,976 + 59,961 .10-3 x 333 - 18,147 x 10-6 x 333

= 22,92 (kcal/kmol độ) = 0,41 (kcal/kg độ)

 Cp, n-buten =

(kcal/kg độ)  Cp, n-buten =

Mà Gn-buten = 19,88 (kg/h)

 Qn-buten = 19,88 x 0,4 x 60 = 477,12 (kcal/h)

+ Tính QIB

QIB = GIB x CIB x t2 (kcal/h)

Ta có: GIB = 1969,05 (kg/h) Tại 3330k ta có:

CP,IB = 5,331 + 60,246 x 10-3 x 333 - 18,14 x 10-6 x 3332

= 23,38 (kcal/kmol độ) = 0,4 (Kcal/kg độ)

 QIB = 1969,05 x 0,41 x 60 = 48438,63 (kcal/h)

Vậy nhiệt lượng hỗn hợp lỏng mang ra là:

Q3 = QMeOH + Qnước + Qn, buten + QIB

Q3 = 51993,54 + 749,85 + 477,12+48438,63

= 101659,14 (kcal/h)

c) Nhiệt mất mát ra môi trường

Lượng nhiệt ở đây ta lấy 1% so với lượng do hỗn hợp lỏng mang ra. Do

đó.

Q4 = 1% x 101659,14 = 1016,59 (kcal/h)

Từ phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4

 Q2 = Q3 + Q4 - Q1

 Q2 = 101659,14 + 1016,59 - 38042,21

 Q2 = 64633,52 (Kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 10: Bảng cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đến 600C.

Vào Ra

Tên Kcal/h Tên Kcal/h

38042,21 101659,14 Q1 Q3

64633,52 1016,59 Q2 Q4

102675,73 Tổng 102675,73 Tổng

II.2. Tính cân bằng nhiệt lƣợng cho các vùng phản ứng trong thiết bị

phản ứng

Nguyên liệu được gia nhiệt đến 600C được đưa vào thiết bị phản ứng

chính đề sản xuất MTBE.

Có 3 vùng phản ứng đoạn nhiệt trong thiết bị phản ứng là zon1, zon 2,

zon 3.

Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 1 (zon 1) : x%

Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 2 (zon 2) : y%

Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 3 (zon 3) : z%

Khi đó ta có: x + y + z = 85.

Ta chia thiết bị thành 3 vùng phản ứng để đảm bảo nhiệt độ của nguyên

liệu vào các vùng phải đạt điều kiện 500C < t < 1000C.

Nguyên liệu và sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng chính được đưa

sang thiết bị chưng cất xúc tác (CD) nên ta phải tính được lượng nhiệt do hỗn

hợp lỏng mang ra khỏi thiết bị phản ứng chính để khi nhiên liệu lỏng vào thiết

bị chưng cất xúc tác (CD) đủ để được thực hiện quá trình chưng cất mà không

cần qua một thiết bị gia nhiệt nào. Do đó ta chọn nhiệt độ ra khỏi vùng phản ứng zôn 2 và zon 3 là t = 1000C.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

a) Đối với vùng phản ứng 1 (zon 1) Hỗn hợp nguyên liệu lỏng đưa vào ở 600C và thiết bị phản ứng là đoạn

nhiệt do đó ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng sau:

Q11 + Q12 = Q13 + Q14

Trong đó:

Q11: nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào zon 1 ở 600C (kcal/h)

Q12: Nhiệt lượng do hỗn hợp phản ứng sinh ra ở zon 1 (kcal/h)

Q13: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang ra khỏi zon1

(kcal/h)

Q14: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường (Kcal/h)

*Tính nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào zon1:

Q11 = Q3 = 101659,14 (Kcal/h)

*Tính nhiệt lượng do phản ứng sinh ra ở zon1

Do nhiệt phản ứng toả ra là: - 37 (KJ/mol) nên ta có:

Q12 = Qphản ứng zon 1 = (-H)MIB%

Q12 =

Q12 = 3107,78 x (Kcal/h)

* Tính lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu sản phẩm mang ra khỏi zon

1 là:

Q13 = Q1,MTBE + Q1,MeoH + Q1,IB + Q1, n-buten + Q1, nước (Kcal/h)

Nhiệt độ ra của hỗn hợp nguyên liệu sản phẩm mang ra khỏi zon 1 ở

1000C (3730K).

+ Nhiệt lượng do MTBE mang ra khỏi zon 1 là: CP,MTBE = 53,176 + 0,7173 x 337 - 0,1533 . 10-2 x 3372

+ 0,202 x 10-5 x 3373

= 212,59 (kJ/kmol độ) = 0,576 (kcal/kg độ)

G1,MTBE = 35,16 x X% x 88 (kg/h)

Q1,MTBE = 35,16 x X% x 88 x 0,576 x 100 = 1782,19 . x (kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

+ Nhiệt lượng do IB mang ra khỏi zon 1.

(Kcal/h).

= 1969,05 - 1969,05 x X% (kg/h).

= 5,331 + 60,246 x 103 x 373 - 18,44 x 10-6 x 3732

= 25,28 (Cal/mol. độ) = 0,45 (kcal/kg.độ)

 = (1969,05 - 19,69 x X) x 0,45 x 100 (Kcal/h)

= 88607,25 - 886,07 X (KCal/h).

+ Nhiệt lượng do n-buten mang ra khỏi zon 1 là:

Q1,n-buten = G1,n-buten x Cp,n-buten x t1 (Kcal/h)

G1,n-buten = 19,88 (kg/h).

Cp,n-buten =

Cp,n-buten 1 = 5,123 + 61,76 x 10-3 x 373 - 19,323 x 10-6 x 3732

= 25,47 (cal/mol. độ) Cp,buten-2cis = 2,047 + 64,311 . 10-3 . 373 - 19,834 . 10-6 . 3732.

= 23,28 (Cal/mol. độ).

Cp,buten-2,trans = 4,967 + 59,961 . 10-3 x 373 - 19,834 x 10-6. 3732.

= 24,47 (Cal/mol . độ).

(Cal/mol độ).  Cp,n-buten =

= 0,44 (Kcal/kg.độ).

 Q1,n-buten =19,88 x 0,44 x 100 = 874,72 (Kcal/h).

+ Nhiệt lượng do H2O mang ra khỏi zon 1 là:

Q1,nước = G1nước x Cp,nước x t1 (KCal/h).

Cp, nước = 0,9998 (Kcal/kg.độ).

Q1, nước = 0,9998 x 12,5 x 100 = 1249,75 (Kcal/h).

+ Nhiệt lượng do MeoH mang ra khỏi zon 1 là:

Q1, MeoH = G1, MEoH x Cp,MeoH x t1 (Kcal/h).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

G1, MeoH = 1237,63 - 35,16 x 32 x X%.

= 1237,63 - 12,37 x X (kg/h).

Cp,MeoH = 1391,176 - 12,364 x 373 + 3,781 x 10-2 x 3732 - - 3,719 x 10-5 x 3733.

= 109,88 (KJ/Kmol.độ) = 0,821 (Kcal/kg.độ).

 Q1,MeoH = (1237,63 - 12,37. X) x 0,821 x 100

= 101485,66 - 1015,57 (Kcal/h)

Vậy Q13 = Q1,MTBE + + Q1,n-buten +

Q13 = 1782,19 . X + 88607,25 - 886,07 X + 1249,75 + 874,72 +

+ 101485,66 - 1015,57. X.

Q13 = 192217,38 - 119,45.X (Kcal/h)

+ Nhiệt lượng mất mát ở zon 1 là:

Q14 = 1% . Q13 = 1922,1738 - 1,19.X (Kcal/h)

Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Q11 + Q12 = Q13 + Q14.

 101659,14 + 3107,78. X = 192217,38 + 1922,17 - 119,45.X - 1,19.X

3228,47.X = 92480,41.

X = 28,6

b) Đối với vùng phản ứng 2 (zon 2) Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu được đưa vào zon 2 ở 600C và ra khói

zon 2 ở 1000C.

Do thiết bị phản ứng là đoạn nhiệt nên ta có cân bằng nhiệt lượng đối

với zon 2 là:

Q21 + Q22 = Q23 + Q24

Trong đó:

Q21: lượng nhiệt do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2

(kcal/h).

Q22 : Lượng nhiệt do phản ứng sinh ra ở zon 2 (kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Q23: Lượng nhiệt do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang ra khỏi zon

2 (kcal/h).

Q24: Lượng nhiệt do mất mát ở zon 2 (kcal/h)

+ Nhiệt lượng do hỗn hợp NL - sản phẩm vào zon 1 là Q21.

+ Nhiệt lượng do phản ứng sinh ra ở zon 2 là:

= 3107,78 (kcal/h) Q22 = y% x 35,16 x 1000

+ Tính nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2

ở 600C (3330K).

Q21 = Q2,MTBE + Q2,MEOH + Q2,IB + Q2n-buten + Q2, nước

Trong đó:

Q2,MTBE : lượng nhiệt do MTBE mang vào zon 2 (kcal/h)

Q2,MeOH : Lượng nhiệt do MeOH chưa chuyển hóa mang vào zon 2 (kcal/h)

Q2,IB : lượng nhiệt do IB chưa chuyển hóa mang vào zon2 (kcal/h).

Q2,n- buten : lượng nhiệt do n-buten mang vào zon 2(kcal/h).

Q2, nước : lượng nhiệt do H2O mang vào zon 2 (kcal/h)

+ Nhiệt lượng do MTBE mang vào zon 2 là:

Q2,MTBE = G2,MTBE . Cp,MTBE. t2 (Kcal/h). Cp,MTBE = 53,176 + 0,7173 x 333 - 0,1533 x 10-2 x 3332 + + 0,202 . 10-5 . 3333.

= 212,59 (Kj/Kmol.độ) = 0,533 (Kcal/kg.độ).

G2,MTBE = 35,16 . X% . 88 (kg/h).

G2,MTBE = 35,16 . X%

Q2,MTBE = 35,16 . X% . 88 . 0,533 . 60 = 989,31. X (Kcal/h)

+ Nhiệt lượng do IB mang vào zon 2:

(Kcal/h).

Tại 600C ta có:

= 0,41 (Kcal/h).

G2,IB = 1969,05 - 1969,05 . X% (Kg/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Q2,IB = (1969,05 - 1969,05 . X%) x 0,41 . 60. = = 48438,63 - 484,38 . X. (Kcal/h). Q2,IB

+ Lượng nhiệt do MeOH mang vào zon 2 là:

Q2,MeOH = G2,MeOH x Cp,MeOH x t2 (kcal/h)

Ta có: Tại 600C ta có:

Cp,MeoH = 0,7 (Kcal/kg.độ).

G2,MeOH = GMeOH, ba đầu - GMeOH phản ứng ở zon 1,

 G2,MeOH = 1237,63 - 1237,63 . X%.

= 1237,63 - 12,37. X.

 Q2,MeOH = (1237,63 - 12,37 . X) . 0,7 . 60

= 51980,46 - 519,54 . X (Kcal/h)

- Lượng nhiệt do n-buten (buten - 1, buten - 2) mang vào zon 2 là:

Q2,n-buten = G2,n-buten . Cp,n-buten . t2.

Ta có: G2,n-buten = 19,88 (kg/h) Tại 600C (3330K) ta có:

Cp,n-buten = 0,40 (Kcal/kg.độ).

Q2,n-buten = 19,88 . 0,4 . 60 = 477,12 (Kcal/kg.độ).

+ Nhiệt lượng do H2O mang vào zon2 là: tại 600C ta có:

Cp,nước = 0,9998 (Kcal/kg.độ)

Q2,nước = 12,5 . 0,9998 . 60 = 749,85 (Kcal/h).

Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2 là:

Q21 = Q2,MTBE + Q2,MeoH + Q1,n-buten + Q2,H2O + Q2,IB

Q21 = 101646,06 - 14,61.X

= 101646,06 - 14,61. 28,6 = 101228 (Kcal/h).

* Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu - sản phẩm mang ra khỏi zon 2

là ở 1000C :

Q23 = Q2,MTBE + Q2,MeoH + Q2,IB + Q2,n-buten + Q2,nước. (Kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Trong đó:

Q2,MTBE: Lượng nhiệt do MTBE mang ra khỏi Zon 2 (Kcal/h).

Q2,MeoH: Lượng nhiệt do MeoH chưa chuyển hoá mang ra khỏi zon2

(Kcal/h).

Q2,IB: Lượng nhiệt do IB chưa chuyển hoá mang ra khỏi zon 2 (Kcal/h).

Q2,n-buten: lượng nhiệt do n-buten mang ra khỏi zon 2 (Kcal/h).

Q2,nước: Lượng nhiệt do H2O mang ra khỏi zon 2 (Kcal/h) + Lượng nhiệt do MTBE mang ra khỏi zon 2 ở nhiệt độ t2 = 1000C

Q2,MTBE = G2,MTBE . Cp,MTBE. t2 (Kcal/h).

Ta có: G2,MTBE = y%. 35,16 . 88 + 35,16 . 88 . X%.

= 30,94. y% + 884,28 (Kg/h).

Tại 1000C ta có: Cp,MTBE = 53,176 + 0,717 . 373 - 0,1533 . 10-3. 3732 + 0,202 . 10-5 .

3733.

Cp,MTBE = 212,16 (Kcal/mol. độ) = 0,576 (Kcal/kg.độ).

 Q2,MTBE = (30,94 . y + 884,28). 0,576. 100

Q2,MTBE = 1782,14 y + 50970,32 (Kcal/h).

- Lượng nhiệt do MeoH mang ra khỏi zon 2 là:

Q2,MeoH = G2,MeoH . CP,MeoH . t2 (Kcal/h).

Ta có: G2,MeoH = GMeoH, ban đầu - GMeoH, phản ứng ở zon 1, zon2.

 G2,MeoH = 1237,63 - 12,37. y - 12,37 . 28,6.

Cp,MeoH = 0,821 (Kcal/kg.độ).

 Q2,MeoH = (883,484 - 12,37 . y). 0,82 . 100

= 72580,01 - 1015,62 y (Kcal/h).

+ Lượng nhiệt do n - buten (buten -1, buten -2) mang ra khỏi zon 2 là:

Q2,n-buten = G2,n-buten . Cp,n-buten . t2

Ta có: G2,n-buten = 19,88 (Kg/h). Tại 1000C (3730K) ta có: Cp,buten-1 = 5,123 + 61,76 . 10-3 . 373 - 19,834. 10-6. 3732

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

= 25,47 (Cal/mol.độ).

Cp,buten-2, cis = 2,047 + 64,311 . 10-3 . 373 - 19,834 . 10-6. 3732

= 23,28 (Cal/mol độ).

Cp,buten-2, trans = 4,967 + 59,96 . 10-3 . 373 - 19,834 . 10-6. 3732.

= 24,47 (Cal/mol. độ).

 Cp,n-buten =

= 24,49 (Cal/mol. độ)  Cp,n-buten =

= 0,44 (Kcal/kg.độ).

 Q2,n-buten = 19,88 . 0,44 . 100 = 874,72 (Kcal/h).

- Nhiệt lượng do H2O mang ra khỏi zon 2 là:

Ta có:

Q2, nước = Gnước. Cp,nước . t2 = 12,5 . 1. 100 = 1250 (Kcal/h).

- Lượng nhiệt do IB chưa chuyển hoá mang ra:

Q2,IB = G2,IB . GIB, ban đầu - GIB, phản ứng ở zon 1 và zon 2.

 G2,IB = 1969,05 - 1969,05. . y% - 1969,05 . 28,6.

G2,IB = 1405,9 - 19,69 y (Kg/h).

Theo bảng 9 ta có: CP,IB = 5,331 + 60,246 . 10-3 . 373 - 18,14 . 10-6. 373

= 25,28 (Cal/mol) = 0,45 (Kcal/kg. độ).

 Q2,IB = (1405,9 - 19,69. y). 0,045 . 100

= 63265,14 - 886,05 . y (Kcal/h).

Vậy Q23 = 1782,14.y + 50970,32 + 72580,01 - 1015,62y + 63265,14 -

- 886,05y + 874,72 + 1250.

Q23 = 189299,19 - 119,53 y (Kcal/h)

- Lượng nhiệt mất mát ở zon 2 là:

Q24 = 1%. Q23 = 1892,99 - 1,19y (Kcal/h)

Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng zon 2 ta có:

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Q21 + Q22 = Q23 + Q24.

101228,91 + 3107,78y = 189299,19 - 119,53y + 1892,99 - 1,99y

3228,47 y = 89963,27

y = 28

c) Đối với zôn 3 Nguyên liệu và sản phẩm vào zon 3 ở 600C và ra khỏi zon 3 ở 1000C.

Do thiết bị là đoạn nhiệt nên ta có phương trình cân bằng nhiệt của zon 2.

Q31 + Q32 = Q33 + Q34

Trong đó:

Q31: Lượng nhiệt do hỗn hợp - sản phẩm nguyên liệu mang vào

zon 3 (kcal/h)

Q32: Lượng nhiệt do phản ứng tạo ra ở zon 3.

Q33: Lượng nhiệt do sản phẩm mong ra (cal/h).

Q34: Lượng nhịêt do mất mát ở zon 3 (kcal/h)

* Nhiệt lượng do phản ứng tạo ra ở zon 3.

Q32 = Z% x nIB (37/4,186)

Q32 = Z% x 35,16 x 37/4,186 x 1000

Q32 = 3107,78 (kcal/h)

* Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 3 là:

Q31 = Q3,MTBE + Q3,MeOH + Q3,IB + Q3,n-buten + Q3, nước

Trong đó:

Q3,MTBE: lượng nhiệt do MTBE mang vào zon 3 (kcal/h)

Q3,MeOH: lượng nhiệt do MeOH mang vào zon 3 (kcal/h)

Q3,IB : lượng nhiệt do IB chưa chuyển hóa (kcal/h) mang vào zon 3

(kcal/h)

Q3, n-buten: lượng nhiệt do n - buten mang vào zon 3 (kcal/h)

Q3, nước: lượng nhiệt do H2O mang vào zon 2 (kcal/h)

+ Lượng nhiệt độ MTBE mang vào zon 3 là:

Q3, MBTE = G3,MTBE x GP,MTBE x t3 (kcal/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

G3,MTBE = 35,16 . 88 . x% + 35,16 . 88 . y%

= 35,16 . 88 (x% + y%).

= 1751,24 (kg/h). G3,MTBE = 35,16 . 88

Cp,MTBE = 53,176 + 0,7173,333 - 0,1533 x 10-2 . 3332 + 0,202 . 10-5 . 3333.

= 212,59 (Kj/Kmol.độ) = 0,533 (Kcal/kg.độ)

 Q3,MTBE = 1751,24 . 0,533 . 60 = 56004,02 (Kcal/h).

+ Nhiệt lượng do IB= mang vào zon 3 là:

= G3,IB . CP,IB. t3 (Kcal/h).

Q3,IB

Ta có:

G3,IB = GIB, ban đầu - GIB, phản ứng zon 1 và zon 2.

= 1969,05 - 1969,05 . 28,6% - 1969,05 . 28%.

G3,IB = 854,56 (Kg/h). Cp,IB = 5,331 + 60,246 . 10-3 . 333 - 18,14 . 10-6. 3332

= 96,1 (Cal/mol.độ) = 0,41 Kcal/kg.độ).

Q3,IB = 854,5 . 0,41 . 60 = 21022,17 (Kcal/h).

+ Lượng nhiệt do n-buten mang vào zon 3 là:

Q3,n-buten = G3,n-buten . Cp,n-buten . t3 (Kcal/h).

G3,n-buten = 19,88 (Kg/h)

Cp,n-buten = 0,4 (Kcal/khg.độ).

 Q3,n-buten = 19,88 . 0,4 . 60 = 477,12 (Kcal/h)

+ Nhiệt lượng do H2O mang vào zon 3 là:

Q3,nước = G3,nước . Cp,nước . t3 = 12,5 x 1 x 60.

= 750 (Kcal/h)

+ Nhiệt lượng do MeoH mang vào zon 3 là:

Q3,MeoH = G3,MeoH . Cp,MeoH . t3 (Kcal/h)

G3,MeoH = 1237,63 - 12,37 (x% + y%).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

= 1237,63 - 12,3763 . = 537. (kg/h)

Cp,MeoH = 0,7 (Kcal/kg. độ).

 Q3,MeoH = 537 . 0,7 . 60 = 22574,49 (Kcal/h).

 Q31 = Q3,MTBE + Q3,IB = +Q3,n-butyen + Q3,nước + Q3,MeoH

Q31 = 100827,94 (Kcal/h).

* Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm nguyên liệu mang ra khỏi zon 3. Tại nhiệt độ 1000C (3730K)..

Q33 = Q3,MTBE + Q3,MeoH + Q3,IB + Q3,n-buten + Q3,nước.

+ Lượng nhiệt do MTBE mang ra khỏi zon 3 là:

Q3,MTBE = G3,MTBE . Cp,MTBE . t3 (Kcal/h).

G3,MTBE = 35,16 . 88 .

G3,MTBE = 1791,56 + 30,94. z (Kcal/h)

Cp,MTBE = 0,576 (Kcal/kg.độ)

 Q3,MTBE = (1751,56 + 30,94. Z). 0,576 . 100

= 103366,65 + 1782,14. Z (Kcal/h)

+ Lượng nhiệt do MeoH mang ra khỏi zon 3 là:

Q3,MeoH = G3,MeoH . Cp,MeoH . t3 (Kcal/.h)

G3,Meoh = 537 - 1237,63 . z%

= 537 - 12,37 . z (kg/h)

Cp,MeoH = 0,821 (Kcal/kg.độ)

 Q3,MeoH = 44098,48 - 1015,57 . z (kcal/h)

+ Lượng nhiệt do IB chưa chuyển hoá mang ra khỏi zon 3.

Q3,IB = G3,IB . Cp,IB + t3 (Kcal/h)

G3,IB = 854,56 - 1969,05 . z% (Kg/h).

Cp,IB = 0,45 (Kcal/kg độ).

 Q3,IB = (854,56 - 1969.05. Z%) . 0,45 . 100.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Q3,IB = 34855,2 - 886,07 . z (Kcal/h).

+ Lượng nhiệt do H2O mang ra khỏi zon 3 là:

Q3,nước = G3,nước . CP,nước . t3 (Kcal/h).

Q3,nước = 12,5 . 0,9998 . 100 = 1250 (Kcal/h).

+ Lượng nhiệt do n-buten (buten -1, buten -2) ra khỏi zon 3 là:

Q3,n-buten = Gn-buten . Cp,n-buten. T3 (Kcal/h).

G3,n-butennn = 19,88 (kg/h).

CP,n-buten = 0,44 (Kcal/kg. độ).

 Q3,n-buten = 19,88 . 0,4 . 100 = 874,72 (Kcal/h).

Q31 = Q3,MTBE + Q3,MeoH + Q3,IB + Qn-buten + Q3,nước

= 103366,65 + 1782,14 . z + 44098,48 - 1015,57 . z + 38455,2

- 886,07 . z + 1250 + 874,72

= 188620,23 - 119,3 . z (Kcal/h)

 Q34 = 1% . Q33 = 1886,2 - 1,195.z (Kcal/h)

Từ phương trình cân bằng nhiệt ta có:

Q31 + Q32 = Q33 + Q34

100827,94 + 3107 . 7 = 188620,23 - 119,5.z + 1886,20 - 1,195.z

3238,47 y = 91388,54

z = 28,4.

Bảng 11: Cân bằng nhiệt lƣợng cho zon 1

Vào Ra

101659,14 188801,11 Q11 Q13

8888,50 1888,01 Q12 Q14

Tổng 190541,64 Tổng 190689,12

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 12: Cân bằng nhiệt lƣợng cho zon 2

Vào Ra

101228,91 185953,13 Q21 Q23

87017,84 1859,53 Q22 Q24

Tổng 188246,75 188246,66 Tổng

Bảng 13: Cân bằng nhiệt lƣợng cho zon 3

Vào Ra

100827,94 187491,02 Q31 Q33

88263,50 1874,12 Q32 Q34

Tổng 189091,14 189071,14 Tổng

II.3. Cân bằng nhiệt lƣợng đối với thiết bị làm lạnh trung gian do thiết bị

là đẳng nhiệt.

Ta có phương trình cân bằng nhiệt đối với thiết bị làm lạnh trung gian.

Q41 + Q42 = Q43 + Q44

Trong đó: Q41: nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào

Thiết bị làm lạnh trung gian (kcal/h)

Q43: Nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang ra khỏi thiết bị (kcal/h)

Ta có:

Q41 = Q23 = 185953,13 (kcal/h)

Q43 = Q31 = 100827,94 (kcal/h)

Q44 = 1% . Q43 = 1008,27 (kcal/h)

Q42 = 100827,94 + 1008,27 - 185953,13 (kcal/h)

= - 84116,92 (Kcal/h) Vậy để đảm bảo cho phản ứng xảy ra ở khoảng nhiệt độ 600C < t <

1000C thì mỗi giờ cần phải lấy đi là - 84116,92 (kcal)

II.4. Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp phản ứng khi đi ra khỏi zon 1 và khi đi

vào zon 3

a) Xác định nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu đi ra khỏi zon 1

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu ra khỏi zon 1 bao gồm

+ MTBE : GMTBE = 25,16 x 28,6% x 88 = 884,9 (kg/h)

+ MeOH : GMeOH = (38,67 - 35,16 x 28,6%) x 32.

= 915,65 (kg/h)

+ IB: GIB = 35,16 x (1-28,6%) x 56 = 1405,83 (kg/h)

+ H2O: GH2O = 12,5 (kg/h)

+ n- buten : Gn - buten = 19,88 (kg/h)

Nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu ra khỏi zon 1 được xác định theo công

thức sau:

T* =

Do chưa biết chính xác nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm nguyên liệu nên ta

xác định CP ở 1000C.

Tại 1000C ta có:

CP,MTBE = 0,576 (kcal/kg độ)

CP,MeOH = 0,821 (kcal/kg độ)

CP,IB = 0,45 (kcal/kg độ)

CP, nước = 0,9998 (kcal/kg độ)

CP, n - buten = 0,44 (kcal/kg độ)

 GiCi = 1915,13

T* =

Ta thấy khi T tăng thì Cp tăng do đó nhiệt độ thực tế của hỗn hợp sản

phẩm - nguyên liệu ra khỏi zon 1 sẽ lớn hơn T*.

Do đó ta chọn nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm và nguyên liệu ra khỏi zon 1

= 1000.

b) Xác định nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm khi đi vào zon3.

Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu đi vào zon 3 bao gồm:

+ MTBE : GMTBE = 1754,24 (kg/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

+ MeOH: GMeOH = 544,91 (kg/h)

+ IB : GIB = 854,56 (kg/h)

+ H2O: GH2O = 12,5 (kg/h)

+ n - buten: Gn-buten = 19,88 (kg/h)

Do chưa biết chính xác nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu đi vào zon 3

nên ta lấy nhiệt dung riêng ở 1000C để tính.

 GiCi = 1861,88 (Kcal/kg.độ)

Nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu đi vào zon 3 được xác định theo công

thức sau:

T* =

Khi tăng T thì Cp tăng do đó nhiệt độ thực tế của hỗn hợp sản phẩm

nguyên liệu đi vào zon 3 sẽ lớn hơn T*.

Nên chọn nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu là t = 600C.

III. TÍNH TOÁN SƠ BỘ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHÍNH

III.1. Tính thể tích làm việc của thiết bị phản ứng chính

*Tính hằng số vận tốc:

Quá trình ete hóa sử dụng xúc tác Amberlyst 15.

Các thông số lấy từ bảng 4.

Vận tốc phản ứng: W = r. c

Trong đó:

r = 0,0151 mol/h . mequir

c = 4,75 mequiv/gxt

 W = 0,072 (mol/h.gxt)

Ta có vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia phản ứng

và hằng số tốc độ.

W = K x C1 x C2

K =

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Với C1 : nồng độ của izo C4H8 sau phản ứng

C2 : nồng độ của CH3OH sau phản ứng

K : hằng số vận tốc

Vận tốc phản ứng đo được là phản ứng giữa metanol và izobuten nồng

độ 45  55%.

Ta lấy 50%V, như vậy trong 1 lít nguyên liệu:

Ta có: izobuten = 0,588 (g/cm3) = 588 (g/l) = 10,5 mol/l

metanol = 0,764 (g/cm3) = 0,764(g/l) = 23,875 (mol/l)

Vậy trong 1 lít izo C4H8 có 10,5 mol C4H8

1 lít metanol có 23,875 mol metanol.

Gọi b là nồng độ phần mol của izo C4H8 trong 1 lít dung dịch hỗn hợp

thì (1 -x) là thành phần mol của metanol.

Với tỷ lệ metanol/izo C4H8 = 1,1/1.

Ta có: (1-x) . 23,875 = 1,1.x . 10,5

x = 0,67

Như vậy trong 1 lít nguyên liệu ta có: 0,67 x 10,5 x 0,5

= 3,5175 (mol IB)

Số mol metanol trong 1 lít hỗn hợp.

3,5175 x 1,1 = 3,8693 (mol)

Đó chính là nồng độ ban đầu Co.

Nồng độ IB sau phản ứng là C1 theo (1) XMeOH = 7,2%.

C1 = 3,5175 - 3,8673 . 0,72

C1 = 3,2371.

Nồng độ metanol sau phản ứng là C2

C2 = 3,8673 - 3,8673 x 0,072 = 3,5889

Vận tốc phản ứng, đọ chuyển hóa thấp - ta có thể

Tính Gbình và vận tốc phản ứng W = C1TB x C2TB

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

 k =

K =

= 0,0056 . 10-6 (m3/mol.gxt.h) Khối lượng riêng của xúc tác là 760 kg/m3.h.

 K = 0,0056 x 10-6 x 760 x 10-3 =

K = 0,004256 (m3/mol.h)

*Tính thời gian lưu của nguyên liệu

Phản ứng tổng hợp MTBE tiến hành trong điều kiện 600 1000C.

MTBE izo C4H8 + CH3OH

Đây là phản ứng bậc 2, ta có biểu thức phương trình động học:

Trong đó:

 - thời gian lưu

k - hằng số vận tốc phản ứng c - nồng độ kmol/m3, mol/m3

Lấy tích phân hai vế

 (**)

Trong đó: : số mol C4H8 trong hỗn hợp vào thiết bị

= 1969,05 (kg/h) = 35,16 (kmol/h)

: thể tích hỗn hợp đi vào thiết bị

= 5010,01 (l/h) = 5,010 (m3/h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Cấu tử

Lượng

V(mol)

V,(l/h)

Lượng

,g/l

(kg/h)

l/mol

kmol/h

1969,05

587,9

0,095

3340,2

35,16

1237,63

763,7

0,042

1624,14

38,67

CH3OH

12,5

983

0,018

1242

0,69

H2O trong

CH3OH

19,88

587,9

0,095

33,25

0,35

Các C4

Tổng

3239,06

5010,01

74,87

Bảng 14: Hỗn hợp nguyên liệu vào

. 103 (mol/m3) Vậy C0 =

= 7,02 (kmol/m3)

Trong đó nizo C4H8 : số mol Izo C4H8 trong hỗn hợp vào

: Thể tích hỗn hợp ra khỏi thiết bị.

Cấu tử

Lượng

V(mol)

V,(l/h)

,g/l

(kg/h)

kmol/h

l/mol

MTBE

2725,96

30,09

0,121

3748,19

730,4

12,5

0,69

0,018

12,42

983

H2O

IB dư

295,35

5,27

0,095

500,65

587,9

185,37

5,82

0,042

224,4

763,7

CH3OH

19,88

0,35

0,095

33,25

587,9

Các C4

Tổng

3239,06

44,98

4538,91

Bảng 15: Hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng

Vậy = 4538,91 (l/h) = 4,538 (m3/h)



Thay CO, C , k vào công thức (**)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

(h)

* Tính thể tích làm việc của thiết bị

Vr = m . V .  (m3)

Trong đó:

m: hệ số dự trữ, lấy m = 1,5

V : thể tích hỗn hợp dòng vào (m3/h)

 : thời gian lưu (h)

 Vr = 1,5 x 5 x 0,17 = 1,3 (m3)

2. Tính diện tích bề mặt ngang thiết bị phản ứng.

Chọn đường kính thiết bị là D = 1m.

Diện tích bề mặt ngang được tính theo công thức sau:

S = = 0,785 (m)

3. Chiều cao làm việc của thiết bị.

Do phản ứng tổng hợp MTBE sảy ra trên bề mặt xúc tác nhựa trao đổi

ion nên chiều cao của các lớp xúc tác trong thiết bị:

Chiều cao thiết bị H được tính theo công thức:

H = (m)

4. Tính toán cho các zon phản ứng.

4.1. Tính toán cho zon 1.

Gọi Vr1 là thể tích làm việc của zon 1.

H1 là chiều cao của lớp xúc tác trong zon 1.

Vr1 = m.1. 1 (m3).

Trong đó: m là hệ số dự trữ lấy m = 1,5.

1 là lưu lượng dòng vào zon 1 (m3/h).

1 = v = 5 (m3/h)

1: thời gian lưu của nguyên liệu trong zon 1 (h)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

(***) 1 =

+ Theo tính toán thì K = 0,004256 (M3/mol.h).

+ Nồng độ izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu ở thời điểm t = 0; C0 =

70,20 (mol/m3).

+ Nồng độ izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu ở thời điểm t = 1 được

tính:

Bảng 16: Hỗn hợp sản phẩm ra khỏi zon 1.

Lƣợng Lƣợng Cấu tử Vmol V (l/h) (g/l) (kg/h) (kmol/h)

1388,19 24,78 578,9 2354,1 0,095 Izo C4H8

MeoH 911,38 28,48 763 1196,16 0,042

MTBE 897,2 10,19 730,4 1232,16 0,121

n-buten 19,88 0,355 578,9 33,72 0,095

12,5 0,69 983 12,42 0,018 H2O

4828,49

thay K, C1, C0 vào (***)

 = 0,012 (h)

Thay m, V, 1 vào phương trình

Vr1 = m. v. 1 = 1,5 x 5 x 0,012 = 0,1 (m3)

* Tính chiều cao làm việc của zon phản ứng 1.

Chiều cao làm việc của zon 1 chính là chiều cao của lớp xúc tác trong zon 1.

Với đường kính thiết bị D = 1(m), tiết diện ngang của thiết bị là

S=0,785 (m2). Ta tính được chiều cao làm việc của zon 1.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

(m) H1 =

4.2. Tính toán cho zon 2.

Gọi Vr2 là thể tích làm việc của zon 2.

H2 là chiều cao của lớp xúc tác trong zon 2.

* Vr2 = m . V2 . 2 (m3).

Trong đó: m: hệ số dự trữ, m = 1,5.

v2 : lưu lượng dòng vào zon 2 (m3/h) v2 = v = 5 (m3/h)

2 : thời gian lưu của nguyên liệu trong zon 1.

(**) 2 =

+ K = 0,004256

+ Nồng độ Izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu ở thời điểm 1 là: C1 = 5132 (mol/m3)

+ Nồng độ Izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu thời điểm 2 là C2:

C2 =

Bảng 17: Bảng hỗn hợp ra khỏi zon 2;

Cấu tử Vmol V (l/h) (g/l)

MTBE Izo C4H8 CH3OH H2O Các C4 (T/chất) Lƣợng (kg/h) 1751,24 854,56 537 12,5 19,88 Lƣợng (kmol/h) 20 15,26 16,68 0,69 0,355 730,4 587,9 763,7 893 587,9 0,121 0,095 0,042 0,018 0,095 2420 1449,7 700,56 12,42 33,72 4616,46

= 41616 m3/h

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Thay K, C2 , C1 vào phương trình (**)

= 3,305 . 103 (mol/m3). 



Thay m V2, 2 vào phương trình: Vr2 = m. r2. 2 = 1,5 x 5 x 0,026 = 0,2 (m3)

* Tính chiều cao làm việc của zon 2 là chiều cao của lớp xúc tác trong

zon 2.

Với đường kính thiết bị D = 1 (m), tiết diện ngang của thiết bị là 0,785

(m). Ta tính được chiều cao của H2 của zon 2.

= 0,26 (m) H2 =

4.3. Tính toán cho zon 3.

Gọi Vr3 là thể tích làm việc của zon 3.

H3 là chiều cao của zon 3 lớp xúc tác.

* Vr3 = m . V3 . 3.

Trong đó: m: là hệ số dự trữ m = 1,5.

v3: lưu lượng dòng vào zon 3 (m3/h)

v3 = v = 5 (m3/h)

2: thời gian lưu của nguyên liệu và sản phẩm trong zon 3.

(***)

+ K = 0,004256.

+ Nồng độ Izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu ở thời điểm 2 là

C2=3305 (mol/m3)

+ Nồng độ Izo C4H8 trong hỗn hợp nguyên liệu ở thời điểm 3 là C3. Từ bảng 15 ta có: C3 = C = 1161 (mol/m3).

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Thay K, C2, C3 vào phương trình (***)

 3 =

3 = 0,132 (h)

Vậy  = 1 + 2 + 3.

Thay m V3, 3 vào phương trình: Vr3 = m. r3. 3 = 1,5 x 5 x 0,132 = 1 (m3)

Vậy Vr = Vr1 + Vr2 + Vr3.

* Tính chiều cao làm việc của zon 3.

Chiều cao làm việc của zon 3 là chiều cao của lớp xúc tác trng zon 3.

Với đường kính D = 1 (m), 5 = 0,785 (m)

Ta có:

H3 =

* Vậy kích thước thiết bị phản ứng như sau:

Chiều cao làm việc của thiết bị: H = 1,7 (m) Thể tích làm việc của thiết bị Vr = 1,3 (m3)

Đường kính thiết bị D = 1(m)

Diện tích bề mặt ngang của thiết bị S = 0,785 (m0

Chiều cao làm việc của zon 1: H1 = 0,1 (m) Thể tích làm việc của zon 1: Vr1 = 0,13 (m3)

Chiều cao làm việc của zon 2: H2 = 0,2 (m) Thể tích làm việc của zon 2: Vr2 = 0,26 (m3)

Chiều cao làm việc của zon 3: H3 = 1,3 (m) Thể tích làm việc của zon 3: Vr3 = 1 (m3)

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

KẾT LUẬN

Sau hơn bốn tháng tìm tòi tài liệu và đầu tư công sức vào nghiên cứu đề

tài thú vị là tổng hợp MTBE từ TBA, cùng với sự giúp đỡ của GS.TS Trần

Công Khanh và bạn bè, nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Qua đợt làm đồ án tốt nghiệp này em cảng hiểu sâu sắc hơn về nhiều

vấn đề của công nghệ hóa học. Tuy đã cố gắng rất nhiều, nhưng với lượng

kiến thức còn hạn chế nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy

em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn.

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Công Khanh đã

hướng dẫn và chỉ bảo tận tình để giúp em hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2003

Sinh viên: Nguyễn Minh Hải

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A16.

2. Applied catalytis: General 134, (1996) 21 - 36.

3. Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A4.

4. Hydrocacbol procesing. May 2000 - 21-36.

5. Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A22.

6. Michael E. Pord Marcel Dekker catalyis of organic reaction. Inc. 2001 7. ChemBtry of Petrochemical processcs. 2nd ed Boston Gulf professional

puble 2001.

8. PERP Report, process Evaluation Research planning - Methyl tertiary -

Butyl - Ether (MTBE) 94/95-4.

9. Catalgsis to day 66 (2001) 225 - 232.

10. Raymond E. kivk and Donald F. othMer. Encyclophdia of Chemifcal

technology 1989,vol7.

11. Hydro/processing. Feb 1992, vol 79. N. S. cabol

12. Nguyễn Thị Minh Hiền - CN chế biến khí - ĐHBK Hà Nội.

13. Process Cvaluation réeach plaining (MTBE) 95/95 - 4.

14. Trần Công Khanh - Giáo trình tổng hợp hữu cơ - ĐHBK Hà Nội.

15. Phan Minh Tân - Giáo trình tổng họp hữu cơ hóa dầu

16. Sổ tay tóm tắt một số đại lượng hóa lý - Khoa tại chức - ĐHBK Hà Nội.

17. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 1,2 - Nhà xuất bản khoa

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE với năng suất 25000t/năm

Chủ đề:

Thuyết trình đề tài

Thuyết trình giới thiệu sản phẩm mô hình

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

MỞ ĐẦU

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

PHẦN I

GIỚI THIỆU VỀ MTBE

I. GIỚI THIỆU CHUNG

II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA MTBE

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 1: áp suất hơi, tỷ trọng và độ hòa tan trong nƣớc của MTBE [1-243].

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

PHẦN II

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MTBE TỪ TBA

I. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT MTBE

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

Bảng 3: Hàm lƣợng các cấu tử trong phân đoạn C4 của quá trình cracking xúc tác.

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

II. CÁC HƢỚNG SẢN XUẤT MTBE [13]

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

III. QUÁ TRÌNH DEHYDRAT [11]

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

IV. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MTBE TỪ METANOL VÀ IZOBUTEN

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP MTBE TỪ TBA

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu

SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bộ môn Hữu cơ hoá dầu