Thiết kế phân xưởng sản xuất dme

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME Bộ Giáo dục Đào tạo Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội ******** Cộng hoà xà hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập Tự Hạnh phúc NHIệM Vụ THIếT Kế Đồ áN TốT NGHIệP Hoù tên: Tô Đình Sơn Khoá học: Hoá dầu QN K46 Khoa: Công nghệ hoá học Ngành học: Công nghệ hữu – Hoá dầu Đầu đề thiết kế: Thiết kế phân xưởng sản xuất Dimetyl ete(DME) Năng suất 100.000 tấn/năm Nội dung phần thuyết minh tính toán: *Tổng quan lý thuyết nguyên liệu sản phẩm *Công nghệ trình tổng hợp DME *Tính toán công nghệ * Tính xây dựng kinh tế *An toàn lao động Các vẽ(Ghi rõ loại vẽ) 01 Dây chuyền công nghệ sản xuất (Khổ A0) 01 Thiết bị (Khổ A1) 01 Mặt phân xưởng (KhổA0) Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành thiết kế: Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hiền Ngày tháng năm 2006 Cán hướng dẫn Chủ nhiệm môn (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) Hiền Kết điểm đánh giá PGS.TS Nguyễn Thị Minh Quá trình thiết kế: Điểm duyệt : Bản vẽ thiết kế : Ngày tháng năm 2006 Chủ tịch hội đồng Sinh viên hoàn thành Ngày tháng năm 2006 Tô Đình Sơn Mơc lơc Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xửụỷng saỷn xuaỏt DME Mở đầu.4 Phần tổng quan lý thuyết5 Chơng I giới thiệu sản phẩm nguyªn liƯu I Giíi thiƯu chung vỊ DME……………………………………… I.1 TÝnh chÊt vËt lý…………………………………………………6 I.2 TÝnh chÊt ho¸ häc ………………………………………………7 I.3 Các đặc trng DME I.4 ứng dụng cđa DME…………………………………………….8 II Giíi thiƯu khÝ tỉng hỵp………………………………………….10 II.1 TÝnh chÊt cña H2….……………………………………………10 II.1.1 TÝnh chÊt vËt lý………………………………………………10 II.1.2 TÝnh chÊt ho¸ häc…………………………………………….10 II.2 TÝnh chÊt cđa CO……………………………………………….11 II.2.1 TÝnh chÊt vËt lý……………………………………………… 11 II.2.2 TÝnh chÊt ho¸ häc…………………………………………… 11 III Giới thiệu methanol 12 Chơng ii Sơ lợc khí tự nhiên công nghệ chuyển hoá khí tự nhiên thành khí tổng hợp I Giới thiệu khí tự nhiên.13 II Các phơng pháp sản xuất khí tổng hợp.14 III Công nghệ chuyển hoá khí tự nhiên thành khí tổng hợp14 III.1 Cơ chế trình14 III.2 Các công nghệ sản xuất15 IV Quá trình làm khí tổng hợp.17 Chuongiii Công nghệ sản xuất DME I Cơ sở hoá lý trình 18 I.1 Phơng pháp cổ điển18 I.2 Phơng pháp đại19 II Nguyên liệu tổng hợp DME 21 III Phân tích, so sánh, lựa chọn chế độ công nghệ.21 III.1 Sản xuất pha láng………………………………………… 22 III.2 S¶n xuÊt pha khÝ……………………………………………22 III.3 Lựa chọn xúc tác23 III.4 Công nghệ sản xuất DME 24 Phần tính toán cân công nghệ Chơngi tính cho thiết bị chuyển hoá khí tự nhiên I Tính cân cho thiết bị chuyển hoá26 II Các số liệu cân 32 Chơngii tính toán cân cho thiết bị I Tính cân vật chất cho thiết bị tổng hợp DME33 I.1 Các phản ứng xảy thiết bị tổng hợp33 I.2 Tính cân vật chất cho thiết bị tổng hợp DME.34 II Tính cân nhiệt lợng cho thiết bị tổng hơp DME.36 II.1 Tính lợng nhiệt vào thiết bị phản ứng36 II.2 Tính lợng nhiệt khỏi thiết bị phản ứng 39 Chơngiii Tính toán công nghệ I Tính toán kÝch thíc cho thiÕt bÞ chÝnh…………………………… 42 I.1 TÝnh thĨ tích cấp xúc tác.43 I.2 Tính đờng kính chiều cao thiết bị phản ứng44 I.3 Tính chiều dày thiết bị phản ứng Toõ ẹỡnh Sụn Lụựp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xửụỷng saỷn xuaỏt DME Chơngiv tính thiết bị sản xuất khí tổng hợp I Tính thiết kế lò reforming nớc.50 II Tính thông số ống reforming nớc.51 Phần3 phần xây dựng A Chọn địa điểm I Những sở để xác định địa điểm xây dựng53 II Các yếu tố địa điểm xây dựng 54 III Đặc điểm địa điểm xây dựng 55 B Các nguyên tắc thiết kế xây dựng 56 C Bố trí mặt nhà máy 57 I Đặc điểm dây chuyền sản xuất 57 II Mặt phân xởng57 Phần tính toán kinh tế I Các loại chi phí59 II Xác định kết phơng án kỹ thuật 62 Phần an toàn lao động I An toàn lao động.64 II Công tác vệ sinh lao động 65 Kết luận67 Mở Đầu Để đáp ứng đợc mục tiêu công nghiệp hóa, đại hãa ®Êt níc thêi kú khoa häc kü tht phát triển mạnh mẽ nh nay, phảI đáp ứng nhu cầu lớn nguyên liệu, nhiên liệu cho trình phát triển công nghiệp kinh tế Ngành công nghiệp hóa học nói riêng ®ãng mét vai trß quan träng nỊn kinh tÕ quốc dân, mà đặc biệt ngành công nghiệp tổng hợp hữu Ngành đà tạo nhiều sản phẩm hóa học, nh nguồn nguyên liệu, nhiên liệu đáp ứng đợc nhu cầu tiêu dùng cá nhân xà hội, nhằm thúc đảy phát triển đất nớc Một sản phẩm quan trọng ngành công nghiệp tổng hợp hữu dimethyl ether(DME) Đây loại sản phẩm đợc tổng hợp từ lâu có nhiều ứng dụng đời sống DME đợc sử dụng nh nguồn nguyên liệu để sản xuất dimethyl sulfate, axit axetic, olefin, làm nhiên liệu phản lực, dung môi hữu cơ, thuốc nhuộm, tác nhân lạnh đặc biệt làm nhiên liệu Một tính trội DME làm nhiên liệu cho động cơ, thay cho nhiên liệu động diesel, giảm đợc ô nhiễm môi trờng Theo chuyên gia kỷ XXI, DME trở thành dạng nhiên liệu phổ biÕn trªn thÕ giíi Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng saỷn xuaỏt DME Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME phong phú, từ khí tổng hợp, từ khí tự nhiên, từ methanol, từ dầu nặng phế thải khí metan DME đợc sản xuất từ nhiều phơng pháp khác nhau, nhng đặc biệt phải phơng pháp tổng hợp trực tiếp DME từ khí tổng hợp Phơng pháp thực năm gần nhờ thành tựu đà đạt đợc lĩnh vực chất xúc tác Đây phơng pháp khả thi có đợc công nghệ tổng hợp trực tiếp hai hÃng Châu Âu Topsoe Haldor Air Product, có công nghệ sản xuất hÃng JPE(Nhật), công nghệ cho hiệu suất thu hồi DME cao tõ ngn nguyªn liƯu rÊt phỉ biÕn, cã khả đáp ứng đợc lợng nhu cầu DME thÞ trêng PHẦN 1:TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG1: GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM VÀ NGUYÊN LIỆU l Giới thiệu chung Dimetyl ete: Dimetyl ete(DME) ete béo đơn giản loại ete.DME co công thức phân tử CH3-O-CH3 Trong thời gian dài DME sản xuất công nghiệp từ sản phẩm phụ trình sản xuất metanol áp suất cao,trong trinh khoảng 3-5% DME tạo thành.Về sau công nghệ áp suất cao thay trìng sản xuất thấp,ngoài DME thu đựoc tinh khiết cách chưng luyện metanol thô.Trong phương pháp san xuất phương pháp sản xuất hãng Lurgi ICI tương đối hoàn thiện ,nó thay hầu hết tất phương pháp sản xuất áp suất cao kể từ năm 1980.Trong trình sản xuất metanol áp suất thấp với điều kiện mềm như:chi phí,đầu tư,…nhưng sản lượng DME tạo lượng nhỏ Trong năm 1980 ,các loai xúc tác đặt biệt nhằm tổng hợp DME dă phát triển Viêc sản xuất DME từ metanol với có mặt cũa xúc tác axít phòng thí nghiêm biết đến nhiều năm Phần lớn phương pháp thão luận dựa sở khoa học Ví dụ: ete béo đươc tạo bỡi trình gia nhiệt rượu với có măt cũa ZnCl có số loại xúc tác khác phù hợp FeCl 3, CuSO4, CuCl2, MnCl2, AlCl3, Al2(SO4)3……Trong Al2O3, Al2O3.SiO2 loại xúc tác quan trọng Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME sử dụng công nghiệp Xúc tác đã dáp ứng độ chuyễn hoá cũa nguyên liệu mêtanol tạo sản phẫm DME sản lượng DME chưa đáp ứng nhu cầu cũa thị trường Phương pháp tổng hợp trực tiếp DME thực năm gần nhờ thành tựu đạt lónh vực chất xúc tác Phương pháp cho phép giãm giá thành sản xuất DME khã sử dụng DME thay cho nhiên liệu truyền thống nhiên liệu cho dộng diezel,….sẽ trở thành thực, va tương lai dem lại lợi ích đáng kể cho nhiều lỉnh vực khác Các nhà khoa học dã tìm loại xúc tác đẽ tổng hợp DME từ khí tổng hợp (H CO) và(H2 CO2), loại xúc tác lưỡng chức CuO-ZnO-Al2O3/gamma-Al2O3 CuO-ZnO-Al2O3/ NaHZSM5 xúc tác cho phép sản xuất lượng lớn DME từ khí tổng hợp Tại Nhật Bản chương trình sản xuất DME từ khí tổng hợp với qui mô lớn dược thực Nhat Bản dang gấp rút thực chương trình DME giải pháp giảm thiểu ô nhiểm môi trường đa dạng hoá nguồn lượng góp phần tăng cường an ninh lượng Một số nhà máy vào hoạt động đặc biệt nhà máy hai hảng Topsoe Haldor JPE l.1 Tính chất vật lí DME chất khí không độc, không màu, không mùi điều kiện áp suất khí nhiệt độ phòng DME có nhiệt độ sôi -24,8 C nên điều kiện thường tồn dạng khí, dễ hoá lỏng p suất hoá lỏng 200C 0,5 Mpa, 380C 0,6 Mpa Bảng Tính chất vật lý DME Tỷ trọng (kg/m3) Độ hòa tan nước(wt%) Độ nhớt(mPa.s) 0 0 20 C 50 C 20 C(1bar) 20 C(4,8bar) Khí lỏng 668,3 668,3 5,7 36 0,0091 0,11 Bảng Tỷ trọng DME lỏng theo nhiệt độ T,0C 10 20 30 40 50 60 70 80 D,kg/m 682 666 649 631 612 593 573 552 Bảng p suất DME T,0C -20 -10 10 20 50 Đo trực tiếp(Mpa) 0,124 0,184 0,266 0,375 0,512 1,149 Theotính 0,114 0,185 0,267 0,374 0,512 1,152 Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME toán(Mpa) Bảng Tính chất vật lí DME Mr 46,07 Nhiệt độ sôi 0,1 Mpa -24,80C Nhiệt độ nóng chảy 0,1 MPa -1410C p suất kết tinh 5,28 MPa(52,84bar) Nhiệt độ kết tinh 400,29 K(127,70C) Tỷ trọng dạng tinh thể 269,9 Kg/m3 Nhiệt cháy( dạng khí) 31,75 MJ/Kg Nhiệt tạo thành -183 KJ/mol Nhiệt dung riêng(-24 C) 2,26 KJ.Kg-1.K-1 Nhiệt hoá hơi(-200C) 410,2 KJ/Kg Nhiệt độ tự bốc cháy 235 0C Giới hạn nổ 3÷17% thể tích không khí Nhiệt độ chớp cháy -410C Tỷ trọng so với không khí 1,59 Sức căng bề mặt( dạng lỏng) 0,0125 N/m DME có khả hoà tan hết hợp chất có cực không cực ngược lại, hầu hết chất có cực va cực hoà tan tốt DME Nó hoà tan tốt nước(76g lít nước 180C) I.2 Tính chất hoá học DME Không giống hầu hết với ete khác, DME không dể bị oxy hoá, lí quan trọng DME việc ứng dụng công nghiệp Phần lớn nghiên cứu đả DME bền vững với oxy không khí không tạo thành peroxit I.2.1 DME chuyển đổi thành dimetyl sulphat SO3 SO3 + CH3-O-CH3 —> (CH3)2SO4 I.2.2 Khi có mặt CoI DME phản ứng với CO H 2O tạo thành CH3COOH CH3-O-CH3 + CO + H2O —> 2CH3COOH I.2.3 Phản ứng DME với H2S có mặt xúc tác, ví dụ wonfram sunfit tạo thành dimetyl sulphat CH3-O-CH3 + H2S —> CH3-S-CH3 + H2O I.2.4 Từ dimetyl ete tạo hydrocacbon không no, chẵng hạn olêfin có mặt xúc tác zeolit Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME CH3-O-CH3 —> H2C=CH2 + H2O I.2.5 Các xúc tác nghiên cứu nhằm chuyển đổi DME thành fomandehyt đả quan tâm thực CH3-O-CH3 + O2 —> 2CH2O + H2O I.3 Các đặc trưng DME I.3.1 Đối với môi trường DME khí cháy, có khả dể bắt lửa cao, DME cháy dập tắt nước bọt, cacbondioxit, bột hoá học khô Do nhiều thiết bị cứu hoả sử dụng class C (được sử dụng Châu u), Class B (được sử dụng Mỹ) Và bảo quản bình đựng DME cần phải làm lạnh Mặc dầu DME hoà tan nước bị sinh vật phân hủy dễ dàng, không để lượng lớn hợp chất vào hệ thống nước thải tạo thành hỗn hợp nổ bề mặt nước I.3.2 Chất lượng DME DME thị trường chia làm hai loại: DME chứa tới 0,05% metanol tạp chất; DME nà có mùi rỏ rệt DME có độ tinh khiết cao không chứa S tạp chất khác, DME mà mùi sử dụng công nghiệp sol khí Metanol chứa không 10mg/kg theo tiêu chuẩn Độ tinh khiết DME kiểm định máy phân tích GC Lượng dầu tro đo phương pháp hoá đốt cháy đặc biệt I.3.3 Lưu trử vận chuyển DME thường lưu trữ vận chuyển áp suất cao P =10 bar DME vận chuyển thùng bể chứa đường sắt, xe tải hạng nặng, xe containe Vận chuyển biển thùng chứa phải đạt tiêu chuẩn ISO Khi vận chuyển đường hay đường thuỷ phải tuân theo nguyên tắc: GGVS/ADR, GGVE/R1D, Class 2, no.2F; AND/ADNR Class2, no.2F; UNno.1033; IMDG code( amendment 20-82), Class2.1, p.2052 I.3.4 Độc tính DME tinh khiết không độc Những thử nghiệm tiếp xúc với DME môi trường với nồng độ lên tới 20000 ppm(2% thể tích Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME không khí) qua đường hô hấp thời gian tháng không dẫn tới tử vong Khi tiếp xúc DME không kích ứng da I.4 Ứng dụng DME Môt thời gian dài công nghiệp sử dụng DME để sản xuất dimetyl sulphát cách xử lý DME với SO Dimetyl sulphát sử dụng làm tác nhân metyl hoá Tại Tây u năm 1986 có 20000 DME sản xuất, có 9000 DME dùng sản xuất dimetyl sunphát Đến năm 1998 có 50000 ngàn DME sản xuất có khoảng 15000 dùng để sản xuất dimetyl sunphát DME sử dụng làm nhiên liệu phản lực an toàn Không độc dễ bốc chay nhiệt độ thấp Chính điều làm tăng giá trị thương mại DME năm 1980 Trong năm Tây u dùng 10000÷11000 để làm nhiên liệu phản lực Và đến năm 1998 Tây u dùng tới 35000 để làm nhiên liệu phản lực Ngày DME xem nguyên liệu thay cho nguyên liệu động Diezel So với nhiên liẹu Diezel từ dầu mỏ DME có nhiều tính vượt trội hơn:  DME có số xetan cao (55÷60 so với 40÷45)  Nhiệt độ tự bắt cháy thấp (23,50C so với 250C)  DME dể oxy hoá hơn, dạng khí dể tạo hỗn hợp đồng với không khí nên cháy trình xảy hoàn toàn  Khí thải không gây ô nhiễm môi trường, mụi than, hàm lượng Nitơ oxyt thấp nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Nói chung khí thải từ đốt chay DME không đòi hỏi phải làm sạch, làm giảm lượng khí thải NOx Không gây ô nhiễm Lưu huỳnh oxyt Theo đánh giá chuyên gia sử dụng DME làm nhiên liệu, phương tiện giao thông vận tải không gạp trở ngại nguyên tắc Theo nhà nghiên cứu Nhật Bản sử dụng DME làm nhiên liệu cho động tuốc bin khí, hiệu kinh tế lớn sử dụng nén khí Đồng thời từ DME thu xăng có chất lượng cao qua hai phản ứng hydrat hoá thành etylen phản ứng oligome hoá etylen thành hydrocacbon lỏng tức xăng Theo nhà nghiên cứu Nga trình xảy thiết bị phản ứng hay hai thiết bị phản ứng nối tiếp Xăng thu theo đường tốt: số octan Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME 92÷93, hàm lượng benzen 0,04%, hàm lượng iso parafin gần 70%, hydrocacbon không no 1% dủol iso durol Do khả làm nhiên liệu lí tưởng thế, nên DME đầu tư triển vọng phatù triển sản xuất qui mô lớn kích thích nổ lực lớn nghiên cứu đẻ tăng hiệu sử dụng va sử dụng, nghiên cứu xúc tác Ngoài DME có nhiều ứng dụng công nghiệp đời sống như:  DME tan nước hoà tan nhiều chất dùng làm dung môi hữu  Phản ứng DME với CO H 2O dùng sản xuất CH3COOH với qui mô lớn Phản ứng thay phản ứng giữu CH3OH với CO xảy qua giai đoạn Phản ứng sử dụng kim loai nhóm thay cho xúc tác axit phân cực  Sử dụng DME đẻ sản xuất olefin, đặc biệt etylen, propen, buten có mặt xúc tác zeolit Sử dụng xúc tác ZSM_5 với thay đổi tỉ lệ SiO2/Al2O3  DME ứng dụng công nghiệp sơn phun, bình xịt tóc, làm mát không khí, công nghiệp phun tự động,trong loại phun thuốc trừ sâu sản xuất tác nhân dimetyl sulphát tinh khiết cao  DME sử dụng công nghiệp nhuộm loại lónh vực công nghiệp hoá học khác dung môi cho trình trích li  DME đươc sử dung thành công lỉnh vực tác nhân lạnh DME đïc sùng cho freon máy lạnh hay dùng để sản xuất mol khí Nó không gây “hiệu ứng nhà kính” II Giới thiệu khí tổng hợp (H2, CO) II.1 Tính chất H2 II.1.1 Tính chất vật lí Ở điều kiện thường H chất khí gồm có phân tử nguyên tử hidrô Đó chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ không khí gần 14,5 lần (dH2/KK =2/29) Hydro khí nhẹ so với khí khác nên khuếch tán nhanh Nó chất khí dẩn nhiệt tốt Ở nhiệt độ cao hydro khuếch tán qua kim loại Phân tử huro có mo men lưỡng cực O, Tô Đình Sơn Lớp hóa dầu QN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất DME kích thước nhỏ,nên có nhiệt độ nóng chảy ( -259.1 0C)và nhiệt độ sôi ( 252.60C), tan nước va dung môi hưu II.1.2 Tính chất hoá học a Tính bền nhiệt Hro Phân tử Hro bền no chi bắt đầu phân huỷ thành nguyên tử nhiệt độ khoảng 20000Ktheo phản ứng ΔHH 298=423 (KJ) H2 t0 2H Ở áp suất 2000o K phân hủy thành phân tử nhiệt độ khoảng 0.1 % 5000oK 95 % Do tính bền nhiệt nên Hro hoạt động nhiệt độ thường, trừ sốù trường hợp có mặt xúc tác b Tính khử Hro Ở nhiệt độ thường vắng mặt chất xúc tác Hydro phản ứng với Flo tạo thành HF Hỗn hụùp cuứng theồ tớch Hydro vụựi Flo noồ nhiệt độ thường Ở nhiệt độ cao Hydro chiếm Oxy nhiều hợp chất, Oxyt kim loaïi: H2(K) + CuO(R) —> Cu(R) + H2O(K) Phản ứng khử Oxyt kim loại Hydro thường để điều chế số kim loại Mo,W … Hydro cháy khí Clo tạo HCl, phương pháp điều chế Axit Clohidríc công ngiệp Hydro phản ứng với Brom, Iot, Lưu huỳnh nhiệt độ cao Phản ứng Hydro Nitơ dùng công nghiệp tổng hợp Amoniac Phản ứng thực nhiệt độ cao, áp suất cao có mặt chất xúc tác c.Tính Oxihoá Hydro Khi cho dòng khí Hydro qua kim loại kiềm kiềm thổ nhiệt độ cao thu Hydrua chứa anion H2Na+ H2—> 2NaH ( nhiệt độ gần 4000C) II.2 Tính chất CO II.2.1 Tính chất vật lí Cacbon Oxyt (CO) chất khí không màu,không mùi, khó hoá lỏng nhiệt độ tnc=-205,10C, nhiệt độ sôi =-191,5 0C tan nước bền với nhiệt độ, tham gia phản ứng nhiệt độ cao, Cacbon Oxyt chất khí độc, nhiệt độ thường CO hoạt động, phản ứng nhiệt độ cao II.2.2 Tính chất hoá học a.Phản ứng với Oxy Tô Đình Sơn 10 Lớp hóa dầu QN