Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Mở đầu Xăng nhiên liệukhông thể thiếu cho phát triển kinh tế - xã hội quốc phòng quốc gia Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, nhà nghiên cứu tìm nhiều loại động xăng có u điểm tỷ số nén cao, tốn nhiên liệu, hiệu suất cao nhằm đáp ứng đòi hỏi sống đại Cùng với phát triển động xăng kdmf theo đòi hỏi nhiên liệu xăng có chất lợng tốt cho loại động Một tiêu chất lợng quan trọng nhiên liệu xăng tiêu khả chống lại cháy kích nổ Đặc trng cho tiêu gọi trị số octan Nh ta biết xăng động đợc lấy trực tiếp từ trình chng cất trực tiếp dầu mỏ có Izo - parafin thơm, nhiều n - parafin nên có trị số octan thấp (khoảng 30 - 60) yêu cầu trị số octan cho xăng động tiên tiến phải lớn 70 Vì xăng chng cất trực tiếp từ dầu mỏ không đáp ứng đợc yêu cầu cho động mà phải dùng biện pháp khác để nâng cao chất lợng xăng Có nhiều biện pháp nâng cao trị số octan nhiên liệu xăng nh dùng phù gia chì: Tertrametyl chì (TML), Tetraetyl chì (TEL) nhng vấn đề nảy sinh thải có PBO độc hại với ngời Do ngày nay, phụ gia chì không đợc sử dụng Qua trình nghiên cứu phụ gia pha xăng, nhà sản xuất tìm loại phụ gia nh MTBE, TBA, Etanol, Metanol Trong MTBE đợc sử dụng nhiều với u điểm bật: + An toàn + Pha chế lớn + Sử dụng nguy hiểm + gây cháy nổ Đề tài "thiết kế phân xởng sản xuất MTBE với suất 25000t/năm" đề tài phức tạp công nghệ nguyên liệu sản xuất Em cố gắng tìm tòi tài liệu vận dụng kiến thức thầy cô truyền đạt để hoàn thành đồ án Song với kiến thức hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót, em mong thầy, cô bạn đóng góp ý kiến bảo nhiều Em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Phần I Giới thiệu MTBE I Giới thiệu chung MTBE (Metyl - tert - Butyl - E ther) có công thức cấu tạo là: CH3 H3C - C - O - CH3 CH3 Là chất lỏng không màu, có mùi nh Terpence tan nớc, khả bay thấp Nó có tính chất pha trộn tơng tự nh tính chất xăng, pha vào xăng làm giảm lợng co giảm lợng khói xả II Tính chất vật lý tính chất hóa học MTBE II.1 Tính chất vật lý [1-243] Trọng lợng phân tử 88,15 (g) Nhiệt độ nóng chảy - 108,6 (0C) Nhiệt độ sôi 55,3 (0C) Tỷ trọng 20oC 1,3692 Hằng số điện môi (200C) 0,36 (Mpa/s) Sức căng bề mặt (200C) 20 (mN/m) Nhiệt nóng chảy (200C) 2,18 (Kj/kg.k) Nhiệt hóa 337 (kj/mol) Nhiệt tạo thành (250C) - 314 (kJ/mol) Nhiệt cháy - 34,88 (Mj/kg) Nhiệt độ chớp cháy - 280C Nhiệt độ bóc cháy xi lanh 4600C Giới hạn nổ không khí 1,65 - 8,4 Nhiệt độ tới hạn áp suất tới hạn 2240C 3,43(Mpa) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Bảng 1: áp suất hơi, tỷ trọng độ hòa tan nớc MTBE [1-243] T0 C Phơi (kPa) Tỷ trọng 10 12 15 20 30 40 10,8 17,4 26,8 40,6 60,5 0,7613 0,751 0,7489 0,7458 0,7407 0,7304 Độ hòa tan % khối lợng Nớc MTBE MTBE nớc 1,19 7,3 1,22 5,0 1,28 3,3 1,36 2,2 1,47 1,5 II.2 Tính chất hóa học [1-342] MTBE có đầy đủ tính chất ete thông thờng tồn môi trờng axit, bazơ nhẹ, trung tính môi trờng bazơ mạnh bị phân hủy thành metenol izobuten Bảng 2: Hỗn hợp đẳng phí hai cấu tử Hỗn hợp MTBE - nớc MTBE - Metanol MTBE - Metanol (1MPa) MTBE - Metanol (2,5MPa) Nhiệt độ sôi 0C 52,6 51,6 130 175 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Lợng MTBE % khối lợng 96 86 68 54 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Phần II Công nghệ sản xuất MTBE từ TBA I Nguyên liệu sản xuất MTBE I.1 Metanol [1] a) Giới thiệu Metanol Metanol gọi metyl alkol carbinol rợu gỗ có công thức hóa học CH3OH Khối lợng phần tử 32,042 Metanol rợu đơn giản dãy đồng đẳng rợu no đơn chức Lần vào năm 1661 Robert Boyle thu đợc Metanol cất giấm gỗ rửa vôi Công thức cấu tạo Metanol: H H - C - OH H b) Tính chất vật lý metanol Khối lợng riêng, f(101,3 KPa) lỏng + 00 + 250C + 500C áp suất tới hạn Nhiệt tới hạn Tỷ trọng tới hạn Thể tích tới hạn Nhiệt độ nóng chảy (101,3 KPa) Nhiệt độ sôi Nhiệt độ bay (101,3KPa) Độ nhớt (250C) + Lỏng + Hơi Hằng số điện môi (250C) Nhiệt độ chớp cháy cốc kín Nhiệt độ chớp cháy cốc hở Sức căng bề mặt không khí (250C) Giới hạn nổ không khí SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 0,81 (g/cm3) 0,78664 (g/cm3) 0,7637 (g/cm3) 8,097 (MPa) 239,490C 0,2715 (g/cm3) 117,9 (cm3/mol) 100,3 (Kj/kg) 64,70C 1128,8 (Kj/kg) 0,5513 (MPa.s) 9,68.10-3 (MPa.s) 32,65 12,20C 15,60C 22,1 (mN/m) 5,5 - 44 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Nhiệt độ bốc cháy c) Tính chất hóa học 4700C Metanol chất lỏng không màu, phân cực Nó có khả phản ứng đợc định nhóm chức hydroxit (- O.H) Các phản ứng metanol xảy liên kết C - H O-H, đợc đặc trng thay gốc: - H gốc - OH Các phản ứng quan trọng công nghiệp metanol Phản ứng đề hydrohóa, oxy hóa Phản ứng với axit Phản ứng este hóa Phản ứng công hợp với liên kết không no Phản ứng xảy với góc hydroxyl (-OH) d) Phơng pháp tổng hợp metanol [12] + Oxy hóa trực tiếp metan (CH4) 2CH4 + O2 2CH3OH Phản ứng xảy theo chế chuỗi gốc CH3 + O CH3O CH3O HCHO + H CH3O + CH4 CH3OH + CH3 Phản ứng thực T0 = 400 - 7000C P = 0,1 - 0,15 MPa Xúc tác Fe, Ni, Cu + Tổng hợp metanol từ tổng hợp Metanol đợc sản xuất theo phản ứng sau: CO + 2H2 = CH3OH CO2 + 2H2 = CH3OH +H2O CO2 + H2 = CO + H2O Quá trình thực T0 = 200 - 400 MPa + Nếu áp suất cao P = 25 - 30MPa + Nếu áp suất trung bình P = 10 - 25 MPa SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu + Nếu áp suất thấp P = - 10 MPa Xúc tác Cu, Cu - Al2O3, Cu - ZnO Hỗn hợp khí tổng hợp sử dụng nhận đợc từ trình Refoming nớc gồm 15% CO, 8% CO2, 74% H2, 3% CH4 I.2 Terbutyl - Ancol (TBA) a) Tính chất vật lý TBA [3] TBA chất lỏng không màu, hòa tan TBA hoàn toàn nớc, hòa tan với dung môi hữu Các đại lợng vật lý TBA Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sôi Tỷ trọng (200C) Độ nhớt (200C) Nhiệt nóng chảy Nhiệt hóa Nhiệt bốc cháy Nhiệt cháy Nhiệt độ chớp cháy Nhiệt độ bốc cháy xi lanh b) Tính chất hóa học [3] 25,60C 82,550C 0,7867 3,3 (mPa.S) 3,035 (J/g.k) 535,78 (J/g) 91,61 (J/g) 35,588 (kj/g) 110C 4700C TBA có công thức cấu tạo: CH3 H3C - C - OH CH3 + Tham gia phản ứng dehydrat hóa CH3 H3C - C - OH CH3 H2C = C + H2O CH3 CH3 + Tham gia phản ứng ankyl hóa + Tham gia phản ứng với axit hữu axit vô c Các nguồn TBA [13] + TBA lấy từ trình hydrat hóa - metyl propen, xúc tác H2SO4 65% SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu + TBA lấy từ trình sản xuất propylen oxit CH3 H3C - C - H + 3O2 CH3 CH3 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 phơng pháp cho sản lợng propylen (PO) khoảng 1000000 (tấn/năm) sản phẩm phụ TBA thu đợc lớn khoảng 2,5 - 3,5 kg (TBA) kg (PO) I.3 Izobuten [3] a Tính chất vật lý [3] iZobuten chất khí không màu, cháy nhiệt độ thờng áp suất khí Nó hòa tan vô hạn rợu, ete hydrocacbol nhng tan nớc Dới 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 (250C) 366,9 (j/kg) Nhiệt dung riêng + Khí lý tởng 1589 (J/kg.k) + Lỏng (101,3 KPa) 2335 (J/kg.k) b Tính chất hóa học izobuten SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu + Phản ứng công nớc tạo tert - bytyl - Ankol (TBA) CH3 H2C = C + H2O H+ CH3 H3C - C - OH CH3 CH3 + Phản ứng với rợu tạo ete CH3 H2C = C+ CH3OH H+ CH3 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 [13] + izobuten lấy từ phân đoạn C4 từ trình crăcking (Raffirat - 1) Hỗn hợp bytylen có hàm lợng izobutylen đủ lớn, hàm lợng izobuten chiếm tới 40% + izobuten lấy từ phân đoạn C4 trình crăcking xúc tác lớp vôi Nồng độ izobuten thấp + Izobuten lấy từ trình dehydrat hóa TBA + Izobuten từ trình dehydro hóa izobutan xúc tác T 0= 500 7000C + Nguồn đầu đáp ứng đợc 24% cho sản xuất MTBE + Nguồn thứ hai đáp ứng khoảng 28% cho sản xuất MTBE + Nguồn thứ hai nguồn cung cấp chủ yếu cho sản xuất MTBE nhng nguồn sản phẩm phụ trình sản xuất protylen oxit + Nguồn thứ t bị hạn chế điều kiện tiến hành không thuận lợi (xúc tác nhanh giảm hoạt tính ) Nguồn thứ thứ hai có nhiều triển vọng trình crăcking crăcking xúc tác thiếu đợc nhà máy chế biến dầu Bảng 3: Hàm lợng cấu tử phân đoạn C4 trình cracking xúc tác SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Các cấu tử Izobutan N - butan Izobuten Buten Cis - buten - Tran - buten - Butadien 1-3 Raffinat - % V 12 44 24 0,5 FCC - BB (%V) 36 13 15 12 14 0,3 Bảng 4: Công suất MTBE năm 1995 vùng vịnh Công suất Nguồn nguyên liệu Khí mỏ bu tan Tấn (năm) 800.000 Thùng (ngày) 20.000 Khí crăcking nớc 100.000 2.500 Khí crăcking xúc tác 80.000 2.000 1.000.000 25.000 TBA II Các hớng sản xuất MTBE [13] Hớng Phân xưởng sản xuất MTBE CH3OH Rafinat - 1(C4) Hớng 2: CH3OH Phân xưởng sản xuất MTBE MTBE FCC(C4) Đây nguồn nguyên liệu truyền thống thờng đợc sử dụng phân xởng sản xuất MTBE giới Sở dĩ trình sản xuất từ hỗn hợp khí rafinat FCC trình phổ biến trớc trình có giá thành sản xuất rẻ, nguyên liệu sản phẩm thứ yếu trình lọc dầu Và sử dụng làm nguyên liệu trực tiếp để sản xuất MTBE Tuy nhiên sợi hạn chế kỹ thuật số lợng nguyên liệu mà phơng pháp dần đợc thay - Một số công nghệ dùng nguyên liệu là: SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu + Công nghệ CD - TECH + Công nghệ Philips + Công nghệ Sramprogetti Hớng 3: Quá trình izobutan izome hóa n butan Quá trình CH3OH dehydro hóa PXSX MTBE MTBE Đây hớng sản xuất sử dụng nguyên liệu n- butan tách từ khí tự nhiên với trữ lợng lớn Quá trình gồm bớc + Quá trình izome hóa thành Izobuten gồm có công nghệ: ABBlummus Công nghệ trình Butamer + Quá trình dehydro hóa Izobutan thành Izobutylen Có công nghệ: Catofin Công nghệ trình oleflex UOP Công nghệ tái sinh xúc tác Dehydro hóa + Quá trình ete hóa: có công nghệ Ethemar Hớng 4: TBA Quá trình đề hydrat hóa CH3OH Izobuten PX sản xuất MTBE MTBE * Sản xuất theo hớng 4: Quá trình gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: dehydrat hóa TBA, tạo izebuten Đây trình tách nớc phân tử xảy thuận nghịch Điều kiện tiến hành phản ứng đề hydrat TBA tạo izobuten : T0 trình 300 - 4000C P = atm SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 10 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Q3,IB = 34855,2 - 886,07 z (Kcal/h) + Lợng nhiệt H2O mang khỏi zon là: Q3,nớc = G3,nớc CP,nớc t3 (Kcal/h) Q3,nớc = 12,5 0,9998 100 = 1250 (Kcal/h) + Lợng nhiệt n-buten (buten -1, buten -2) khỏi zon 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,nớc = 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 phơng trình cân nhiệt ta có: Q31 + Q32 = Q33 + Q34 100827,94 + 3107 = 188620,23 - 119,5.z + 1886,20 - 1,195.z 3238,47 y = 91388,54 z = 28,4 Bảng 11: Cân nhiệt lợng cho zon Vào Q11 Q12 Tổng Ra 101659,14 8888,50 190541,64 Q13 Q14 Tổng 188801,11 1888,01 190689,12 Bảng 12: Cân nhiệt lợng cho zon Vào Q21 Ra 101228,91 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 Q23 185953,13 42 Đồ án tốt nghiệp Q22 Tổng Bộ môn Hữu hoá dầu 87017,84 Q24 188246,75 Tổng Bảng 13: Cân nhiệt lợng cho zon Vào 100827,94 88263,50 189091,14 Q31 Q32 Tổng 1859,53 188246,66 Ra Q33 Q34 Tổng 187491,02 1874,12 189071,14 II.3 Cân nhiệt lợng thiết bị làm lạnh trung gian thiết bị đẳng nhiệt Ta có phơng trình cân nhiệt thiết bị làm lạnh trung gian Q41 + Q42 = Q43 + Q44 Trong đó: Q41: nhiệt lợng hỗn hợp lỏng mang vào Thiết bị làm lạnh trung gian (kcal/h) Q43: Nhiệt lợng hỗn hợp lỏng mang 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 khoảng nhiệt độ 60 0C < t < 1000C cần phải lấy - 84116,92 (kcal) II.4 Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp phản ứng khỏi zon vào zon a) Xác định nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu khỏi zon Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu khỏi zon 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) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 43 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu + H2O: GH2O = 12,5 (kg/h) + n- buten : Gn - buten = 19,88 (kg/h) Nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu khỏi zon đợc xác định theo công thức sau: T* = Q 13 G i C i Do cha biết xác nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm nguyên liệu nên ta xác định CP 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, nớc = 0,9998 (kcal/kg độ) CP, n - buten = 0,44 (kcal/kg độ) GiCi = 1915,13 T* = 18801,11 = 98,72 C 1915,13 Ta thấy T tăng Cp tăng nhiệt độ thực tế hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu khỏi zon lớn T* Do ta chọn nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm nguyên liệu khỏi zon = 1000 b) Xác định nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm vào zon3 Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu vào zon bao gồm: + MTBE : GMTBE = 1754,24 (kg/h) + 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 cha biết xác nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu vào zon nên ta lấy nhiệt dung riêng 1000C để tính SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 44 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu GiCi = 1861,88 (Kcal/kg.độ) Nhiệt độ sản phẩm - nguyên liệu vào zon đợc xác định theo công thức sau: T* = 100827,94 = 550 C 1861,88 Khi tăng T Cp tăng nhiệt độ thực tế hỗn hợp sản phẩm nguyên liệu vào zon lớn T* Nên chọn nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu t = 600C III Tính toán sơ thiết bị phản ứng III.1 Tính thể tích làm việc thiết bị phản ứng *Tính số vận tốc: Quá trình ete hóa sử dụng xúc tác Amberlyst 15 Các thông số lấy từ bảng 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 số tốc độ W = K x C1 x C2 K= W C C Với C1 : nồng độ izo C4H8 sau phản ứng C2 : nồng độ CH3OH sau phản ứng K : số vận tốc Vận tốc phản ứng đo đợc phản ứng metanol izobuten nồng độ 45 ữ 55% Ta lấy 50%V, nh lít nguyên liệu: Ta có: izobuten = 0,588 (g/cm3) = 588 (g/l) = 10,5 mol/l SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 45 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu metanol = 0,764 (g/cm3) = 0,764(g/l) = 23,875 (mol/l) Vậy lít izo C4H8 có 10,5 mol C4H8 lít metanol có 23,875 mol metanol Gọi b nồng độ phần mol izo C4H8 lít dung dịch hỗn hợp (1 -x) thành phần mol metanol Với tỷ lệ metanol/izo C4H8 = 1,1/1 Ta có: (1-x) 23,875 = 1,1.x 10,5 x = 0,67 Nh lít nguyên liệu ta có: 0,67 x 10,5 x 0,5 = 3,5175 (mol IB) Số mol metanol lít hỗn hợp 3,5175 x 1,1 = 3,8693 (mol) Đó nồng độ ban đầu Co Nồng độ IB sau phản ứng C1 theo (1) XMeOH = 7,2% C1 = 3,5175 - 3,8673 0,72 C1 = 3,2371 Nồng độ metanol sau phản ứng C2 C2 = 3,8673 - 3,8673 x 0,072 = 3,5889 Vận tốc phản ứng, đọ chuyển hóa thấp - ta Tính Gbình vận tốc phản ứng W = C1TB x C2TB W 0,072 = k = C1TB C 2TB 3,2391 + 3,517 3,8673 + 3,5889 * 2 0,072 0,072 l2 = = 0,056.10 K= ữ 3,404.3,2284 12,692 mol.gxt.h = 0,0056 10-6 (m3/mol.gxt.h) Khối lợng riêng xúc tác 760 kg/m3.h m3 K = 0,0056 x 10 x 760 x 10 = m.l.h -6 -3 K = 0,004256 (m3/mol.h) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 46 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu *Tính thời gian lu nguyên liệu Phản ứng tổng hợp MTBE tiến hành điều kiện 600 ữ1000C izo C4H8 + CH3OH MTBE Đây phản ứng bậc 2, ta có biểu thức phơng trình động học: - dc dc = K.c = k.d d c Trong đó: - thời gian lu k - số vận tốc phản ứng c - nồng độ kmol/m3, mol/m3 Lấy tích phân hai vế C dc c2 C0 = k d 1 = k. (**) C C Trong đó: n izoC H : số mol C4H8 hỗn hợp vào thiết bị = 1969,05 (kg/h) = 35,16 (kmol/h) Vh 2v : thể tích hỗn hợp vào thiết bị = 5010,01 (l/h) = 5,010 (m3/h) Bảng 14: Hỗn hợp nguyên liệu vào Cấu tử Lợng (kg/h) Lợng IB CH3OH H2O 1969,05 1237,63 12,5 kmol/h 35,16 38,67 0,69 CH3OH Các C4 Tổng 19,88 3239,06 0,35 74,87 ,g/l V(mol) V,(l/h) 587,9 763,7 983 l/mol 0,095 0,042 0,018 3340,2 1624,14 1242 587,9 0,095 33,25 5010,01 35,16.10 = 7,02 103 (mol/m3) Vậy C0 = 5,01 = 7,02 (kmol/m3) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 47 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Trong nizo C4H8 : số mol Izo C4H8 hỗn hợp vào Vhr2 : Thể tích hỗn hợp khỏi thiết bị Bảng 15: Hỗn hợp sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng Cấu tử Lợng (kg/h) Lợng 2725,96 12,5 295,35 185,37 19,88 3239,06 kmol/h 30,09 0,69 5,27 5,82 0,35 44,98 MTBE H2O IB d CH3OH Các C4 Tổng ,g/l V(mol) 730,4 983 587,9 763,7 587,9 l/mol 0,121 0,018 0,095 0,042 0,095 V,(l/h) 3748,19 12,42 500,65 224,4 33,25 4538,91 Vậy Vhr2 = 4538,91 (l/h) = 4,538 (m3/h) C = 5,27.103 = 1,161.103 (mol / m3 ) 4,538 Thay CO, C , k vào công thức (**) = 1 = 0,17 (h) 0,005256 1161 7020 ữ * Tính thể tích làm việc 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 lu (h) Vr = 1,5 x x 0,17 = 1,3 (m3) Tính diện tích bề mặt ngang thiết bị phản ứng Chọn đờng kính thiết bị D = 1m Diện tích bề mặt ngang đợc tính theo công thức sau: S= D2 12 = 3,14 = 0,785 (m) 4 Chiều cao làm việc thiết bị SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 48 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Do phản ứng tổng hợp MTBE sảy bề mặt xúc tác nhựa trao đổi ion nên chiều cao lớp xúc tác thiết bị: Chiều cao thiết bị H đợc tính theo công thức: H= Vr 1,3 = = 1,7 (m) S 0,785 Tính toán cho zon phản ứng 4.1 Tính toán cho zon Gọi Vr1 thể tích làm việc zon H1 chiều cao lớp xúc tác zon Vr1 = m.1 (m3) Trong đó: m hệ số dự trữ lấy m = 1,5 lu lợng dòng vào zon (m3/h) = v = (m3/h) 1: thời gian lu nguyên liệu zon (h) = 1 ữ K C C ữ (***) + Theo tính toán K = 0,004256 (M3/mol.h) + Nồng độ izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm t = 0; C = 70,20 (mol/m3) + Nồng độ izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm t = đợc tính: Bảng 16: Hỗn hợp sản phẩm khỏi zon Cấu tử Izo C4H8 MeoH MTBE n-buten H2O Lợng Lợng (kg/h) 1388,19 911,38 897,2 19,88 12,5 (kmol/h) 24,78 28,48 10,19 0,355 0,69 (g/l) Vmol V (l/h) 578,9 763 730,4 578,9 983 0,095 0,042 0,121 0,095 0,018 2354,1 1196,16 1232,16 33,72 12,42 4828,49 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 49 Đồ án tốt nghiệp C = Bộ môn Hữu hoá dầu n IzoC H8 Vhỗn hợp zon = 24,78 = 5,132x103 (mol / m ) 4,828 thay K, C1, C0 vào (***) = 1 x = 0,012 (h) 0,004256 5132 7020 ữ Thay m, V, vào phơng trình Vr1 = m v = 1,5 x x 0,012 = 0,1 (m3) * Tính chiều cao làm việc zon phản ứng Chiều cao làm việc zon chiều cao lớp xúc tác zon Với đờng kính thiết bị D = 1(m), tiết diện ngang thiết bị S=0,785 (m2) Ta tính đợc chiều cao làm việc zon H1 = V r1 0,1 = = 0,13 (m) S 0,785 4.2 Tính toán cho zon Gọi Vr2 thể tích làm việc zon H2 chiều cao lớp xúc tác zon * Vr2 = m V2 (m3) Trong đó: m: hệ số dự trữ, m = 1,5 v2 : lu lợng dòng vào zon (m3/h) v2 = v = (m3/h) : thời gian lu nguyên liệu zon = 1 ữ K C C (**) + K = 0,004256 + Nồng độ Izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm là: C1 = 5132 (mol/m3) + Nồng độ Izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm C2: SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 50 Đồ án tốt nghiệp C2 = Bộ môn Hữu hoá dầu n IzoC H8zon2 Vhrazon2 Bảng 17: Bảng hỗn hợp khỏi zon 2; Cấu tử MTBE Izo C4H8 CH3OH H2O Các C4 (T/chất) Lợng (kg/h) 1751,24 854,56 537 12,5 19,88 Lợng (kmol/h) 20 15,26 16,68 0,69 0,355 (g/l) Vmol V (l/h) 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 Vhỗn hợp zon = 4616,4(l / h) = 41616 m3/h C = n izoC H8zon2 Vhỗn hợp zon 15,26.103 = = 3,305 103 (mol/m3) 4,616 Thay K, C2 , C1 vào phơng trình (**) = 1 = 0,026(h) 0,004256 3305 5132 ữ Thay m V2, vào phơng trình: Vr2 = m r2 = 1,5 x x 0,026 = 0,2 (m3) * Tính chiều cao làm việc zon chiều cao lớp xúc tác zon Với đờng kính thiết bị D = (m), tiết diện ngang thiết bị 0,785 (m) Ta tính đợc chiều cao H2 zon H2 = Vr2 0,2 = = 0,26 (m) S 0,785 4.3 Tính toán cho zon Gọi Vr3 thể tích làm việc zon H3 chiều cao zon lớp xúc tác * Vr3 = m V3 Trong đó: m: hệ số dự trữ m = 1,5 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 51 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu v3: lu lợng dòng vào zon (m3/h) v3 = v = (m3/h) 2: thời gian lu nguyên liệu sản phẩm zon 3 = 1 ữ (***) K C C + K = 0,004256 + Nồng độ Izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm C2=3305 (mol/m3) + Nồng độ Izo C4H8 hỗn hợp nguyên liệu thời điểm C3 Từ bảng 15 ta có: C3 = C = 1161 (mol/m3) Thay K, C2, C3 vào phơng trình (***) = 1 0,004256 1161 3305 ữ = 0,132 (h) Vậy = + + Thay m V3, vào phơng trình: Vr3 = m r3 = 1,5 x x 0,132 = (m3) Vậy Vr = Vr1 + Vr2 + Vr3 * Tính chiều cao làm việc zon Chiều cao làm việc zon chiều cao lớp xúc tác trng zon Với đờng kính D = (m), = 0,785 (m) Ta có: H3 = Vr3 = = 1,3(m) S 0,785 * Vậy kích thớc thiết bị phản ứng nh sau: Chiều cao làm việc thiết bị: H = 1,7 (m) Thể tích làm việc thiết bị Vr = 1,3 (m3) Đờng kính thiết bị D = 1(m) Diện tích bề mặt ngang thiết bị S = 0,785 (m0 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 52 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Chiều cao làm việc zon 1: H1 = 0,1 (m) Thể tích làm việc zon 1: Vr1 = 0,13 (m3) Chiều cao làm việc zon 2: H2 = 0,2 (m) Thể tích làm việc zon 2: Vr2 = 0,26 (m3) Chiều cao làm việc zon 3: H3 = 1,3 (m) Thể tích làm việc zon 3: Vr3 = (m3) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 53 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Kết luận Sau bốn tháng tìm tòi tài liệu đầu t công sức vào nghiên cứu đề tài thú vị tổng hợp MTBE từ TBA, với giúp đỡ GS.TS Trần Công Khanh bạn bè, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Qua đợt làm đồ án tốt nghiệp em cảng hiểu sâu sắc nhiều vấn đề công nghệ hóa học Tuy cố gắng nhiều, nhng với lợng kiến thức hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót em mong nhận đợc bảo, góp ý thầy cô bạn Một lần em xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Công Khanh hớng dẫn bảo tận tình để giúp em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2003 Sinh viên: Nguyễn Minh Hải SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 54 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu Tài liệu tham khảo Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A16 Applied catalytis: General 134, (1996) 21 - 36 Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A4 Hydrocacbol procesing May 2000 - 21-36 Ull Mann'S encyclopedia of industrial chemistry - Đức 1995 vol A22 Michael E Pord Marcel Dekker catalyis of organic reaction Inc 2001 ChemBtry of Petrochemical processcs 2nd ed Boston Gulf professional puble 2001 PERP Report, process Evaluation Research planning - Methyl tertiary -Butyl - Ether (MTBE) 94/95-4 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 - 14 Trần Công Khanh - Giáo trình tổng hợp hữu - ĐHBK Hà Nội 15 Phan Minh Tân - Giáo trình tổng họp hữu hóa dầu 16 Sổ tay tóm tắt số đại lợng hóa lý - Khoa chức - ĐHBK Hà Nội 17 Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa học tập 1,2 - Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1982 SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 55 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu hoá dầu mục lục Trang SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 56 [...]... HD2 - K7 16 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu cơ hoá dầu 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: chng tác sản phẩm +... 22 Đồ án tốt nghiệp MTBA d = Bộ môn Hữu cơ hoá dầu 2 M TBA n / c = 0,02 x 2654,38 100 MTBA d = 53,087 (kg/h) Lợng nớc tạo ra từ quá trình dehydrat hóa là: M2H2O = (nIB + nc4) x 18 =(35,16 + 19,88 ) x 18 56 M2,H2O = 639,27 (kg/h) Vậy lợng nớc 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. .. 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 17 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 đợc bơm (6) đa lên thiết bị gia nhiệt (5) để tận dụng nhiệt của sản. .. chọn sơ đồ công nghệ tổng hợp MTBE Coi nồng độ ban đầu của metanol là 99% và izobuten sau quá trình tách nớc 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 chng cất xúc tác (CD) Tại thiết bị chng cất xúc tác cân bằng chuyển dịch về phía tạo MTBE Với... khỏi thiết bị vẫn bằng lợng nớc ba đầu và bằng: 12,5 (kg/h) Lợng tạp chất C4 (buten - 1,buten - z) ra khỏi thiết bị vẫn bằng lợng ban đầu là: 19,88 (kg/h) B Tại thiết bị phản ứng chúng và tách (CO) SV: Nguyễn Minh Hải - Lớp HD2 - K7 23 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu cơ hoá dầu + Lợng MTBE tạo ra trong thiết bị này là: m 2MTBE = (14% x nIB) x 88 14 35,16 .88 = 433,171 (kg/h) 100 m 2MTBE = Lợng MTBE. .. 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 trờng phản ứng sẽ phản ứng với metanol đợc 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... MTBE Công đoạn sản xuất MTBE ở thiết bị chính đạt 85% nên ta có: n1 ,MTBE = 85 85 35,16 nIB n/c = 100 100 n1 ,MTBE = 29,886 (kmol/h) Lợng MTBE đợc sản xuất ra sẽ là: M1 ,MTBE = 29,886 x 88 = 2629,968 (kg/h) Lợng izobuten cha chuyển hóa ra khỏi thiết bị sẽ là: M1,IB = MIB - MIB phản ứng = 1969,05 - 85 1969,05 100 M1,IB = 295,35 (kg/h) Lợng metanol cha chuyển hóa ra khỏi thiết bị chính sẽ là: m1,MeOH =... HD2 - K7 18 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn Hữu cơ hoá dầu Tại (16) xảy ra hai quá trình chng tách và phản ứng tiếp phần nguyên liệu còn lại Sản phẩm MTBE đợc lấy ra ở đáy (16), một phần đợc hồi lu trở lại qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại đa qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại đa qua thiết bị làm lạnh (14) làm lạnh đến nhiệt độ thờng rồi đa về bể chứa của MTBE Sản phẩm đỉnh... nguyên liệu)sau đó đợc đa qua thiết bị làm lạnh (7) ngng tụmột phần hơi nớc Tiếp đó nó đợc đa qua thiết bị phân ly (8) tách nớc khỏi hơi Izobuten Hơi Izobuten ra khỏi đỉnh (8) đợc đa vào thiết bị sấy khô (9), ở đây thiết bị sấy dùng chấp hấp phụ là than họat tính hơi Izobuten tiếp tục đợc máy nén (10) nén đến khoảng 1,5 - 2MPa Izobuten ra khỏi đáy thiết bị (11) đợc đa về thiết bị phân ly (12) để tách không... một đờng ống và đa vào thiết bị gia nhiệt (13) để nâng nhiệt độ đến khoảng 600C rồi đa vào thiết bị phản ứng số (15) Tại (15) với lợng 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) đợc chia thành 3 vùng phản ứng (việc thiết kế phải đảm bảo mức độ