Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME

Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1, Giới thiệu chung về TAME 3 1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng 3 1.2, Tính chất của TAME 6 2. Quá trình tổng hợp 8 2.1, Cơ sở hóa học 8 2.2, Nguồn nguyên liệu 18 2.3, Các phương pháp sản xuất 22 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN 29 1. Mô phỏng công nghệ bằng phần mềm HYSYS 29 1.1, Xây dựng cơ sở mô phỏng 29 1.2, Xây dựng lưu trình PFD 30 1.3, Cân bằng vật chất, nhiệt lượng 34 1.5, Các yếu tố ảnh hưởng 37 2. Tính toán thiết bị chính 44 2.1, Các thông số từ phần mềm mô phỏng Hysys 44 2.2, Đường kính các dẫn 44 2.3, Chiều dày thiết bị 45 2.4. Chiều dày đáy, nắp thiết bị 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 2 LỜI MỞ ĐẦU Trước vấn đề bảo vệ và chống ô nhiễm môi trường đang ngày càng được quan tâm nhiều hiện nay, việc thay thế xăng pha chì, gây ô nhiễm môi trường, bằng xăng không pha chì là xu hướng chung của nhiều quốc gia trên thế giới. Để tăng trị số octan của xăng, người ta thay thế sử dụng phụ gia chì bởi các hợp chất chứa oxi có chỉ số octan cao và không gây ô nhiễm môi trường. Những hợp chất chứa oxi thường được sử dụng là rượu và ete như Metanol, Etanol, và Tert-amyl Metyl Ete (TAME), Metyl tert Butyl Ete (MTBE), Etyl tert Butyl Ete (ETBE)…Đây là những hợp chất có trị số octan rất cao và rất thích hợp để pha với xăng nhằm làm tăng trị số octan của xăng, cải thiện chất lượng xăng. Cùng với MTBE được sử dụng phổ biến, TAME là hợp chất oxi được sử dụng nhiều để pha vào xăng hiện nay. Đây là hợp chất oxi có những tính chất nổi bật như: có trị số octan cao, độ bay hơi thấp, bền oxi hoá, có những tính chất tương thích tốt với xăng, và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường. Các quốc gia phát triển hiện nay đều sử dụng xăng có pha TAME như là: Mỹ, Anh, Đức, Nhật, Canada, Nhu cầu về TAME trên toàn thế giới đang tăng rất nhanh. Các quá trình công nghệ sản xuất TAME đã được thiết kế và lắp đặt ở nhiều nơi nhằm đáp ứng nhu cầu TAME đang tăng lên này. Hiện nay, lượng nhiên liệu tiêu thụ tại Việt Nam đang tăng cao, cùng với sức ép về môi trường vô cùng cùng lớn. Do đó việc tính toán thiết kế quy trình công nghệ sản xuất phụ gia TAME cho xăng là điều hết sức cần thiết và quan trọng. Đó cũng là lý do để em thực hiện bản đồ án này. Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1, Giới thiệu chung về TAME 1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng 1.1.1 Tình hình sản xuất Tert-amyl Metyl Ete (TAME) là hợp chất chứa oxi có chứa khối lượng phân tử là 102,18 và có công thức cấu tạo như sau: TAME là một trong những ete có vai trò quan trọng đối với công nghiệp sản xuất xăng. Nó được dùng làm chất phụ gia cho xăng để nâng cao trị số octan, nhằm đáp ứng được yêu cầu làm việc của động cơ xăng cũng như đảm bảo về yêu cầu vệ sinh môi trường và sức khoẻ con người. Trước đây, để nâng cao trị số octan người ta thường sử dụng phụ gia chì (CH 3 ) 4 Pb, (C 2 H 5 )Pb. Nó cho phép làm tăng trị số octan, giảm giá thành sản phẩm nên đã được sử dụng rộng rãi trong một thời gian dài. Tuy nhiên, với những nhược điểm như tạo cặn trong động cơ, ngộ độc xúc tác trong xử lý khí thải và đặc biệt chì là chất độc khi được tích lũy trong cơ thể con người nên dần dần, các quốc gia đã giảm hàm lượng và cấm sử dụng phụ gia chì trong xăng. Ngày nay, chỉ còn một số nước sử dụng xăng pha chì như Irắc, Triều Tiên, Myanma… Việt Nam đã cấm sử dụng xăng pha chì từ năm 2001. Do đó, để cải thiện trị số octan, một trong những phương pháp hay dùng là pha thêm phụ gia chứa oxy như TAME, MTBE, ETBE, etanol… Ngoài tác dụng chủ yếu làm tăng trị số octan, TAME còn có những ưu điểm sau: - Áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu giảm nên làm giảm tổn thất do bay hơi khi bảo quản, cấp liệu hay vận hành. - Tăng khả năng cháy sạch, cháy hoàn toàn của nhiên liệu, làm giảm lượng khí thải CO, NOx, hydrocacbon chưa cháy hết. - Không làm tổn hại đến các chi tiết của động cơ như gioăng, đệm cao su, bơm phun… nên không cần phải thay đổi kết cấu động cơ. - Làm giảm điểm đông đặc của nhiên liệu, động cơ dễ khởi động trong thời tiết lạnh. - Hàm lượng TAME pha trong xăng được phép tới 17% khối lượng mà không làm giảm công suất động cơ. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng còn gặp nhiều hạn chế do TAME cũng như một số phụ gia ete khác có những nhược điểm gây ảnh hưởng đến môi trường và con người. Đó là do khả năng bay hơi, tích tụ trong nước làm ô nhiêm nguồn nước ngầm. Ngoài ra, TAME còn bị phân hủy, tuy tốc độ chậm nhưng tạo ra chất độc. Quá trình phân hủy có thể do tác nhân hóa học (trong không khí) hoặc tác nhân sinh hóa (trong đất, nước) tạo thành aldehyde và alcol. Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 4 Hiện nay, TAME vẫn chưa được phát hiện gây ra nguy hại nào đáng kể cho sức khỏe con người ngoài việc có mùi vị gây cảm giác khó chịu. Tuy nhiên, người ta vẫn đặt tiêu chuẩn cho hàm lượng TAME trong nước uống là 140 ppb [3]. TAME chỉ được thực sự chú ý đến vào đầu những năm 1990 để làm thành phần pha trộn trong xăng. Năm 1991, Mỹ bắt đầu sản xuất và đến 1992 – 1994, Anh và Đức đã sản xuất nhưng với số lượng không nhiều (làm chất trung gian trong công nghệ hóa dầu). Sản lượng TAME chỉ bắt đầu tăng cao khi công nghệ NExTAME được vận hành vào năm 1995 tại Phần Lan [1]. Trong năm 2000, sản lượng TAME ước tính tại các nước EU vào khoảng 175.000 tấn. Sản lượng sản xuất đã tăng khoảng 20% hàng năm, đến năm 2002 đạt mức 250.000 tấn. 1.1.2 Sử dụng TAME được dùng chủ yếu làm phụ gia tăng trị số octan trong xăng, là phụ gia chứa oxy được dùng nhiều thứ 3 sau MTBE và ETBE. Một trong những ứng dụng khác của TAME là hợp chất trung gian sản xuất metyl buten có độ tinh khiết cao. Bảng 1.1: Các ứng dụng TAME [1] Ứng dụng Tiêu thụ, tấn Phần trăm của từng ứng dụng Phụ gia trong xăng 277.000 97 Chất trung gian 10.000 3 Tổng 287.000 100 TAME được pha trộn trong xăng cùng với những phụ gia chứa oxy khác như MTBE, ETBE, etanol… và những chất khác để cải thiện trị số octan, giúp cho xăng đạt những tính chất như yêu cầu. Thông thường, hàm lượng TAME pha trộn trong khoảng từ 1 đến 11% (Bảng 1.2b). Bảng 1.2: Lượng tiêu thụ TAME tại một số nước EU năm 2002 [1] Nước Lượng tiêu thụ (tấn) Nồng độ TAME trong xăng (%kl) Hy Lạp 2.400 3,7 % Phần Lan 55.000 4 – 11% Pháp 500 3,7% Italy 70.500 0,9 – 3,7% Hà Lan 1.200 3,7% Tây Ban Nha 7.200 3,7% Vương quốc Anh 45.100 3% Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 5 Hình 1.1: Biểu đồ tiêu thụ TAME tại một số nước EU năm 2002 TAME thương mại được tiêu thụ trên thị trường có nồng độ trên 96%. Tuy nhiên, với ứng dụng làm phụ gia thì không cần độ tinh khiết cao, nồng độ hydrocacbon cho phép lên tới 10 – 30% khối lượng [1]. Bảng 1.3: Tiêu chuẩn các thành phần trong TAME tinh khiết tại EU Chất Nồng độ Tert-amyl Metyl Ete > 96% Xiclohexan ≤ 4% Nước < 0,5% Ete C 7 < 1% 2-metyl 2-butanol 1,23% Hydrocacbon C 5 – C 6 0,5% Metanol 0,33% Metyl tert-butyl ete 0,3% Tert-butanol 0,17% Butyl Tert-butyl ete 0,06% Etyl Tert-butyl ete 0,02% 2-metyl 1-buten 2-metyl 2-buten Benzen 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 Hy Lạp Phần Lan Pháp Italy Hà Lan Tây Ban Nha Vương quốc Anh Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 6 1.2, Tính chất của TAME 1.2.1 Tính chất vật lý TAME là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có độ nhớt thấp tại nhiệt độ phòng với mùi đặc trưng. Đây làm một chất dễ cháy, phản ứng mạnh với chất oxy hóa, axit hoặc bazơ mạnh. TAME tan nhiều trong dung môi hữu cơ nhất là các dung dịch cồn, ete nhưng ít tan trong nước [1]. Một số tính chất vật lý đặc trưng của TAME được đưa ra trong bảng 1.4: Bảng 1.4: Một số tính chất vật lý đặc trưng của TAME [1,2] Công thức hóa học C 6 H 14 O Khối lượng phân tử 102 Tỉ trọng, g/cm 3 tại 15/4 o C 0,7750 tại 20/4 o C 0,7703 tại 25/4 o C 0,7636 tại 40/4 o C 0,7607 Áp suất hơi Reid (RVP), bar (psi) 0,10 (0,15) Nhiệt độ nóng chảy - 80 o C Nhiệt độ sôi tại 760mmHg, o C 86 Độ tan tại 20 o C TAME trong nước, %kl 1,15 nước trong TAME, %kl 0,6 Chiết suất tại 20 o C 1,3888 Độ nhớt ở 40 o C, mm 2 /s 0,50 Sức căng bề mặt ở 24 o C, din/cm 2 22,6 Ẩn nhiệt hóa hơi,, kcal/kg (Btu/lb) 78,0 (140) Nhiệt dung riêng tại 25 o C, cal/g. o C 0,52 Điểm chớp cháy, o C -11 Giới hạn nổ trong không khí Giới hạn dưới, % thể tích (g/m 3 ) 1,0 (42) Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 7 Giới hạn trên, % thể tích (g/m 3 ) 7,1 (300) Trị số Octan sau pha trộn * RON 112 MON 98 (RON + MON)/2 105 * Sau khi pha 10% TAME với xăng có trị số Octan RON = 94,3 và MON = 84,3 . Áp suất hơi của TAME theo nhiệt độ được đưa ra ở bảng dưới đây. P calc là áp suất tính theo phương pháp Antoine. Bảng 1.5: Áp suất hơi của TAME theo nhiệt độ [2] Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 8 1.2.2 Tính chất hóa học TAME là một chất khá ổn định trong môi trường trung tính, axit hay kiềm yếu. Trong điều kiện nhiệt độ bình thường, TAME không xảy ra quá trình trùng hợp như tạo ra peoxit. Trong môi trường axit, xảy ra phản ứng Trong điều kiện phản ứng ở môi trường axit, TAME gần như trơ với các tác nhân như metanol, 2-metyl buten… điều này làm tăng độ chọn lọc, giảm các sản phẩm phụ. Tuy nhiên, phản ứng chính là phản ứng thuận nghịch nên cần thiết phải lấy sản phẩm ra khỏi quá trình. 2. Quá trình tổng hợp 2.1, Cơ sở hóa học 2.1.1 Các phản ứng xảy ra trong quá trình tổng hợp TAME Phản ứng chính của quá trình tổng hợp TAME là phản ứng ete hóa giữa metanol và iso-amylen. Xúc tác cho quá trình là xúc tác axit rắn, thường dùng nhựa trao đổi ion, dưới dạng hạt hoặc sợi [4]. Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 9 Phản ứng ete hóa là phản ứng tỏa nhiệt, cho nên dễ hình thành vùng có nhiệt độ cao dẫn đến xảy ra các phản ứng phụ không mong muốn. Các phản ứng phụ thường là dime hóa iso-amylen, dehydrat hóa metanol thành dimetyl ete và nước. Phản ứng dime hóa iso-amylen Phản ứng dehydrat hóa metanol thành dimetyl ete 2.1.2 Cơ chế phản ứng Việc đưa ra một mô hình động học chính xác, chi tiết cho phép ta thiết kế một cách tối ưu. Dựa vào các mô hình động học, ta có thể dự đoán chính xác quá trình trong khoảng vận hành rộng, để từ đó đạt độ chuyển hóa tối đa. Có nhiều mô hình được đưa ra để mô tả phản ứng tổng hợp TAME trên xúc tác axit rắn dựa trên cơ chế phản ứng bề mặt: - Cơ chế Elay-Rideal: phản ứng giữa metanol bị hấp phụ với iso-amylen từ pha lỏng. - Cơ chế Langmuir – Himshelwood: phản ứng giữa 2 phân tử bị hấp phụ trên xúc tác. - Cơ chế Lewis – Bronsted: xúc tác chứa 2 loại axit: Bronsted – proton H + , và Lewis :O: trong nhóm –SO 3 H. Các phản ứng chính trong tổng hợp TAME được biểu diễn bằng 3 phản ứng thuận nghịch: 2 phản ứng ete hóa và 1 phản ứng biến đổi iso-amylen [4]. Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 10 Hình 1.2: Các phản ứng trong tổng hợp TAME a, Cơ chế Eley – Rideal Theo Elay – Ridael, chỉ có rượu và TAME được hấp phụ lên trên bề mặt xúc tác, iso-amylen trong pha lỏng phản ứng với metanol hấp phụ tạo thành TAME. Phản ứng trên bề mặt xúc tác được coi là phản ứng chậm nhất, quyết định tốc độ phản ứng. Trong đó: K M , K T là hằng số cân bằng hấp phụ của MeOH và TAME lên tâm hoạt tính xúc tác. [S a ] – phần tâm hoạt tính tự do [MeOHS s ], [TAMES s ] – phần tâm hoạt tính đã hấp phụ bởi MeOH và TAME Dựa vào cơ chế trên, ta có thể xây dựng được phương trình tính vận tốc phản ứng ete 2M1B với metanol như sau: 11 1 1 1 () 1 M B M T a r M M T T k K a a a K v K a K a    [...]... 11 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phản ứng đồng phân hóa iso-amylen cũng được diễn tả với cơ chế tương tự: Ta thiết lập được phương trình vận tốc phản ứng đồng phân hóa isoamylen 1 a2 B ) Ka3 vr 3  1  K M aM  K1B a1B  K 2 B a2 B  KT aT k3 K1B (a1B  với K a 3  k3 K1B k3 K 2 B c, Cơ chế Lewis-Bronsted [6] Cơ chế phản ứng tổng hợp TAME diễn ra như sau: Phạm Anh Tuấn 12 Thiết kế phân xưởng sản. .. halogenua - Oxy hóa Phạm Anh Tuấn 21 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME - Polyme hóa 2.3, Các phương pháp sản xuất 2.3.1 Các công nghệ sản xuất [4] Ngày nay, có nhiều công nghệ khác nhau trên thế giới sản xuất TAME, chủ yếu là các công ty ở Mỹ như CDTech, UOP, Phillips và các công ty châu Âu như Neste, Huls, Axens… Các công nghệ trên đều sử dụng nguồn isoamylen từ phân đoạn C5 – sản phẩm của quá trình cracking... xây dựng quá trình tổng hợp TAME Phạm Anh Tuấn 28 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN 1 Mô phỏng công nghệ bằng phần mềm HYSYS Mô phỏng công nghệ sản xuất TAME bằng phần mềm HYSYS với các dữ liệu ban đầu như sau: - Nguyên liệu: phân đoạn C5 cracking xúc tác có hàm lượng isoamylen hoạt động trên 40% Năng suất: 100.000 tấn/năm Sản phẩm: TAME có độ tính khiết 96%... cho cả quá trình a, Cân bằng vật chất b, Cân bằng nhiệt lượng Phạm Anh Tuấn 34 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME 1.3.2 Cân bằng tại vùng phản ứng (thiết bị phản ứng và chưng trích ly) a, Cân bằng vật chất Phạm Anh Tuấn 35 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME b, Cân bằng nhiệt lượng 1.3.3 Cân bằng tại vùng thu hồi metanol (thiết bị hấp thụ và nhả hấp thụ) a, Cân bằng vật chất Phạm Anh Tuấn 36 ... Tuấn 27 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Nhanh Tốc độ phản ứng Thiết bị chưng phản ứng Thiết bị chưng phản ứng thấp Thiết bị bay hơi + phản ứng nhỏ Tháp chưng phản ứng có thời gian lưu cao Tháp chưng + thiết bị phản ứng cạnh sườn Tháp chưng thấp + thiết bị phản ứng cạnh sườn Thiết bị bay hơi + phản ứng Chậm Thấp Độ bay hơi tương đối Cao Hình 1.11:Đồ thị lựa chọn thiết bị chưng phản ứng [16] Thiết bị... 22 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Ta có thể phân chia chúng dựa trên đặc điểm của thiết bị phản ứng như sau: - Thiết bị phản ứng lớp xúc tác cố định: là công nghệ phổ biến, đơn giản bao gồm một hay nhiều thiết bị phản ứng nối tiếp nhau Sản phẩm sau phản ứng sẽ qua các thiết bị chưng, trích ly để phân tách - Thiết bị chưng phản ứng: có cấu tạo giống tháp chưng, vùng ở giữa được thiết kế để xảy ra... 25 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Rửa bằng nước Thiết bị phản ứng xúc tác cố định Thiết bị chưng phản ứng Hấp thụ metanol Thu hồi metanol Metanol Metanol tuần hoàn C5 Raffinat Metanol và C5 chưa phản ứng Nước KataMax Nước Phân đoạn C5 Nước và tập chất TAME Hình 1.8: Sơ đồ dây chuyền công nghệ Ethermax d, Một số công nghệ khác [4] Hình 1.9: Sơ đồ công nghệ NexTAME Công nghệ NexTAME được thiết kế. .. các phản ứng diễn ra ngay trong thiết bị đầu tiên, ở thiết bị sau chuyển hóa nốt lượng isoamylen còn lại thành ete Giữa các thiết bị phản ứng có bộ phận làm mát để nâng cao độ chuyển hóa Dòng sản phẩm chứa TAME, metanol dư, hydrocacbon C 5 không phản ứng được đưa đến thiết bị chưng, tại đó TAME tinh khiết được lấy ra dưới Phạm Anh Tuấn 23 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME đáy Hydrocacbon và metanol... Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị được duy trì ở nhiệt độ cao để giảm lượng nhiệt tiêu thụ cho quá trình tiếp theo Thiết bị chưng phản ứng gồm phần phản ứng và chưng cất trong cùng một thiết bị, nó cho phép tăng độ chuyển hóa của isoamylen Bằng cách tách sản phẩm ngay lập tức ra khỏi chất phản ứng, cân bằng được chuyển dịch Ưu điểm của thiết bị này so với Phạm Anh Tuấn 24 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME. .. trình PFD - Thiết lập các dòng Feed, Metanol với thông số sau; Name Feed Methanol Temperature 25 oC 25 oC Pressure 700 kPa 700 kPa Molar Flow 300 kgmole/h 140 kgmole/h Component Mole Fraction TAME - - Methanol - 1,000 2M-1-butene 0,300 - 2M-2-butene 0,100 - 3M-1-butene 0,050 - i-petane 0,550 - H2 O - - Phạm Anh Tuấn 30 Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Hình 2.1: Mô phỏng quy trình sản xuất TAME Dòng . Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1, Giới thiệu chung về TAME 3 1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng 3 1.2, Tính chất của TAME. trình công nghệ sản xuất phụ gia TAME cho xăng là điều hết sức cần thiết và quan trọng. Đó cũng là lý do để em thực hiện bản đồ án này. Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn. K K kK   Thiết kế phân xưởng sản xuất TAME Phạm Anh Tuấn 12 Phản ứng đồng phân hóa iso-amylen cũng được diễn tả với cơ chế tương tự: Ta thiết lập được phương trình vận tốc phản ứng đồng phân