Tính toán cân bằng vật chất 1

Tính toán cân bằng vật chất của quá trìnhDựa vào kết quả được tính toán sơ bộ ở trên ta lựa chọn nguyên liệu như sau: Thành phần Tạp chất thiophen, lưu huỳnh tự do 0,2% khối lượng Bảng

Trang 1

1 Tính toán cân bằng vật chất

Năng suất của cyclohexan là G = 17000 tấn/năm

Năng suất trung bình theo mỗi ngày làm việc:

 Số ngày trong một năm: 365 ngày

 Số ngày sửa chữa nhỏ: 5 ngày

 Số ngày sửa chữa lớn: 10 ngày

 Số ngày nghỉ lễ tết: 10 ngày

Như vậy: Tổng số ngày làm việc trong một năm là:

365 - (10 + 10 + 5) = 340 ngày Năng suất tính trong 1 giờ:

G= 17000 ×10

3

340 ×24 =2083,333(kg/h)

2 Tính toán sơ bộ vế lượng benzen sử dụng

Sản phẩm cuối có độ tinh khiết là 99,5% Vậy khối lượng cyclohexan trong sản phẩm cuối là:

m=2083,333 ×99,5

100=2072,917 (kg /h)

Số mol của cyclohexan trong sản phẩm cuối

n=2072,917

3 (mol)

Theo phản ứng

Lượng benzen cần cho quá trình sẽ bằng với lượng cyclohexan sản phẩm tính theo mol:

n Benzen=n=24,104.103(mol)

Benzen sử dụng trong quá trình là benzen thương mại với độ tinh khiết 99,8% với hiệu suất của các quá trình khá cao nên có thể coi lượng benzen đủ cho quá trình là:

m Benzen=24,104 ×78=1880,087 (kg /h)

Trang 2

3 Tính toán cân bằng vật chất của quá trình

Dựa vào kết quả được tính toán sơ bộ ở trên ta lựa chọn nguyên liệu như sau:

Thành phần

Tạp chất (thiophen, lưu huỳnh tự do) 0,2% khối lượng

Bảng 1: Thành phần nguyên liệu Benzne

Khí hydro sử dụng trong quá trình là khí hydro kỹ thuật lấy từ quá trình reforming xúc tác trong tổ hợp lọc hóa dầu với độ tính khiết của khí là 86,5% thể tích và lưu lượng là 1200 kg/h Khí hydro kỹ thuật có lẫn các hydrocacbon nhẹ bao gồm: metan, etan, propan, butan và pentan Các khí này chiếm 14,5% thể tích còn lại của hỗn hợp khí

Có thành phần các khí thể hiện ở bảng:

Bảng 2: Thành phần nguyên liệu khí Hydro kỹ thuật

3.1 Cụm thiết bị phản ứng

Để duy trì nhiệt độ ở các dòng sản phẩm ra khỏi mỗi tháp phản ứng là ổn định và duy trì tỷ lệ số mol H2:C6H6 trong khoảng từ 9:1 đến 13:1 (giúp tăng hiệu suất chuyển hóa của benzen) ta chia dòng benzen ban đầu thành 3 dòng G1,

G2, G3 lần lượt đi vào các thiết bị phản ứng 1, 2, 3

Với G1 = G2 =950 kg/h, G3 = 500 kg/h

3.1.1 Thiết bị phản ứng 1

Trang 3

 Dòng benzen đi từ bể chứa vào thiết bị 1 có G1 = 950 kg/h trộn với dòng khí hydro kỹ thuật, được gia nhiệt lên 1800C, sau đó đi và thiết bị

 Điều kiện trong tháp phản ứng: 2100C; 33 at

 Hiệu suất 85%

Số mol benzen phản ứng là:

n Benzen1=950 103

78 × 0,998× 0,85=10,03.10

3 (mol /h )

Phản ứng xảy ra trong tháp:

10,03.103 3 10,03.103 10,03.103 mol

Số mol cyclohexan tạo thành trong thiết bị 1:

n cyclohexan 1=10,03.10 3 (mol /h)

Số mol hydro phản ứng trong thiết bị 1:

n Hydro1=10,03 103× 3=30,09.103(mol/h )

Ngoài ra còn xuất hiện phản ứng phụ: phản ứng hydro hóa thiophen có mặt trong nguyên liệu benzen

S

thiophene

Lượng thiophen phản ứng trong thiết bị 1 là:

n Thiophen 1=950 103

84 × 0,002× 0,85=19,23 (mol /h)

Suy ra số mol n-butan được tạo thành thêm và hydro phản ứng hết:

n Thiophen 1=n n−butan 1=19,23(mol/h)

n Hydro1.1=4 × n Thiophen1=4 ×19,23=76,92(mol /h)

Vậy lượng hydro phản ứng trong thiết bị 1

∑n hydro=30,09 103+76,92=3016692(mol h )

Trang 4

Sau thiết bị 1, benzen và hydro bị giảm đi do phản ứng xảy ra

Ta có cân bằng vật chất tại thiết bị 1 như sau:

Đi vào thiết bị Ra khỏi thiết bị Lưu lượng

(kg/h)

% khối lượng

Lưu lượng (kg/h)

% khối lượng

Bảng 3: Cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng thứ nhất

 Lượng benzen được bổ sung vào từ bể chứa 1 lưọng G2 = 950 kg/h

để duy trì nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ H2:C6H6

 Điều kiện phản ứng: 2100C; 33 at

Lượng benzen sau khi được trộn với dòng bổ sung có lưu lượng

m benzen 2=142,19+950.0,998=1090,29( kg/h)

Tính toán tương tự thiết bị phản ứng 1 với nguyên liệu vào là hỗn hợp ra

từ thiết bị phản ứng 2 Số mol benzen phản ứng:

n Benzen2=1090,29 103

78 ×0,88=12,3.10

3 (mol )=n Cyclohexan 2

12,3.103 3 12, 3.103 12,3.103 mol Phản ứng phụ xảy ra trong quá trình:

Trang 5

4H2 H2S

S

thiophene

Lượng thiophen phản ứng trong thiết bị 2 là:

n Thiophen 1= (1090,29× 0,002+0,31) 103

84 × 0,88=27,98 (mol /h)

Suy ra số mol n-butan được tạo thành thêm và hydro phản ứng hết:

n Thiophen 1=n n−butan 1=27,98 (mol/h)

Có cân bằng vật chất ở thiết bị 2:

(kg/h)

% khối lượng

Bảng 4: Cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng thứ hai

 Tiếp tục bổ sung lượng benzen G3 = 500 kg/h theo như đã tính toán

ở trên Lúc này toàn bộ lượng benzne nguyên liệu đã được đưa vào thiết bị phản ứng

 Điều kiện phản ứng: 2100C; 33 at

Tương tự có nguyên liệu cho thiết bị 3 là hỗn hợp sản phẩm từ tháp phản ứng 2, số mol benzen phản ứng:

n Benzen3= 130,82+500.0,998

3

× 0,91=7,35 103(mol)

Trang 6

12,3.103 3 12, 3.103 12,3.103 mol Suy ra nCyvlohexan 2=7,35.103(mol/l)

Xét phản ứng phụ:

S

thiophene

Lượng thiophen đi vào thiết bị này:

n Thiophen 1= (0,28+500 ×0,002).103

84 ×0,88=16,19( mol/h)

Có cân bằng vật chất tại tháp 3:

(kg/h)

% khối lượng

Bảng 5: Cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng thứ ba

3.2 Cụm thiết bị tách, tinh chế

3.2.1 Thiết bị phân tách lỏng khí

Thiết bị tách pha lỏng khí của hỗn hợp sản phẩm từ tháp 3 Các cấu tử được tách ra ở thiết bị này là các khí: H2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, H2S ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng

Hiệu suất tách ở thiết bị là 93%

Trang 7

Xét pha khí, các chất khí thoát ra từ hỗn hợp phản ứng chiếm 93% thể tích của khí đó trong hỗn hợp phản ứng, phần còn lại 7% còn lại trong dòng lỏng ra khỏi tháp tách pha

Tương tự, 1 phần dòng lỏng cũng bị cuốn ra khỏi thiết bị theo dòng khí Qua đó ta tính toán được lưu lượng các dòng ở trong 2 pha là như sau:

Có cân bằng vật chất của tháp:

% khối lượng

C6H12 2519,20 69,98 176,34 17,36 2342,85 90,66

Tổng 3600,00 100,00 1015,91 100,00 2584,09 100,00

Bảng 6: Cân bằng vật chất tại thiết bị tách pha lỏng - khí

3.2.2 Thiết bị chưng ổn định

Thiết bị chưng ổn định tách các khí còn lại trong phần lỏng dưới áp suất cao 5 – 6 at

Hiệu suất của tháp là 94%

Vì hiệu suất của tháp chỉ đạt 94% nên các khí như H2, CH4, C2H6, C3H8,

C4H10, H2S cũng được tách ra 1 phần, 1 phần nhỏ còn lại 6% tiếp tục bị lẫn vào trong khí Ngoài ra các cấu tử trong dòng lỏng như C5H12, C6H12, Thiophen, C6H6

cũng bị lỏng

Sau tính toán với hiệu suất là 94% ta có thành phần cân bằng vật chất của tháp:

Trang 8

Đi vào thiết bị Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy Lưu

lượng (kg/h)

% khối lượng

C6H12 2342,85 90,66 140,57 67,01 2202,28 92,75

Tổng 2584,09 100,00 209,76 100,00 2374,33 100,00

Bảng 7: Cân bằng vật chất tại thiết bị chưng ổn định

3.2.3 Thiết bị chưng tinh chế

Hiệu suất thiết bị là 94,5%

Thiết bị cuối là thiết bị dùng để chưng tinh chế sản phẩm, thu sản phẩm với độ tinh khiết yêu cầu

Thiết bị này thực chất là tháp chưng, với phần đỉnh là các khí nhẹ cùng với cấu tử có nhiệt độ sôi nhỏ hơn cyclohexan là C6H6 và C5H12

Còn phần đáy thu được là sản phẩm cyclohexan (94,5%) Bên cạnh đó, do thiophene có nhiệt độ sôi cao hơn các thành phần khác nên cũng lẫn vào sản phẩm thu được

Cân bằng vật chất ở thiết bị chưng tinh chế:

Đi vào thiết bị Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy Lưu

lượng (kg/h)

% khối lượng

Trang 9

C3H8 1,01 0,04 0,95 0,34 0,06 0,00

C6H12 2202,28 92,75 121,13 42,71 2081,16 99,54

Tổng 2374,33 100,00 283,62 100,00 2090,71 100,00

Bảng 8: Cân bằng vật chất tại thiết bị chưng tinh chế thu sản phẩm

Năng suất của quá trình trong năm là:

G=2090,71 ×24 × 340 ×10−3=17060(tấn/năm)

Ta thấy có có sự sai khác giữa yêu cầu là 17000 tấn/năm với năng suất

tính toán được, nên cần hệ số hiệu chỉnh ε

ε=17000

17060=0,9965

Cần hiệu chỉnh thay đổi lưu lượng nguyên liệu ban đầu để có thể thu được

năng suất sản phẩm theo yêu cầu

Ta thu được sơ đồ cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình

Thiết bị phản ứng thứ nhất

Thiết bị phản ứng thứ hai

Thiết bị phản ứng thứ ba

Dòng

Lưu

lượng

(kg/h)

V1 946,66

V2 1195,78

Dòng Lưu lượng(kg/h)

V3 946,66

V4 498,24

R3 282,62

Trang 10

Thiết bị chưng tinh chế

Thiết bị chưng ổn định

Thiết bị

tách pha

R4 2083,36

R1 1012,34

R2 209,02

Trang 11

Sau khi nhân với hệ số hiệu chỉnh, ta có bảng cân bằng vật chất của cả quá trình như sau:

Lúc này sản phẩm cuối

cùng sẽ có thành phần

như sau:

Cấu tử Lưu lượng (kg/h)

C6H12 2073,84 Thiophe

Bảng 10: Thành phần khối lượng của sản phẩm cuối

Vậy độ tính khiết của sản phẩm là:

K=2073,84

2083,36×100=99,54 %

Năng suất của quá trình là:

G=2083,36 × 24 ×340 ×10−3=17000 (tấn/năm)

Bảng 9: Cân bằng vật chất cả quá trình

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	103,48 KB