MỤC LỤCMỤC LỤC1Danh mục viết tắt4Danh mục hình ảnh4Danh mục bảng5MỞ ĐẦU6CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT71.1.Tính chất vật lý, hóa học của EG71.1.1.Cấu tạo và danh pháp71.1.2.Tính chất vật lý71.1.3.Tính chất hóa học101.2.Ứng dụng, quy mô sản xuất và tiêu thụ EG141.2.1.Ứng dụng của EG141.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ EG171.3.Các phương pháp sản xuất EG181.3.1.Oxy hóa trực tiếp Ethylene191.3.2.Sản xuất Ethylene Glycol từ C1201.3.3.Thủy phân Ethylene Oxide (EO)211.3.4.So sánh và lựa chọn phương pháp231.4.Cơ sở hóa học của phương pháp thủy phân EO241.5.Một số công nghệ sản xuất EG theo phương pháp thủy phân EO261.5.1.Công nghệ Shell OMEGA (Shell International Chemicals V.B.)261.5.2.Công nghệ Shell MASTER (Shell International Chemicals V.B.)291.5.3.Công nghệ Dow’s Meteor (Union Carbide Corp)321.5.4.So sánh và chọn công nghệ341.6.Nguyên liệu sản xuất EG351.6.1.Công thức cấu tạo361.6.2.Tính chất vật lý361.6.3.Tính chất hóa học371.6.4.Ứng dụng381.6.5.Sản xuất EO40CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ432.1.Sơ đồ công nghệ432.2.Thuyết minh quy trình công nghệ43CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ453.1. Cân bằng vật chất453.1.1. Cân bằng vật chất trong thiết bị phản ứng chuyển hóa453.1.2. Cân bằng vật chất trong thiết bị bay hơi thứ nhất463.1.3. Cân bằng vật chất trong thiết bị bay hơi thứ hai463.1.3. Cân bằng vật chất trong thiết bị bay hơi thứ ba463.1.4. Cân bằng vật chất trong thiết bị bay hơi thứ tư463.1.5. Cân bằng vật chất trong thiết bị chưng tách nước463.1.6. Cân bằng vật chất trong thiết bị chưng tách MEG473.1.7. Cân bằng vật chất trong thiết bị thu hồi MEG tinh khiết473.1.8. Cân bằng vật chất trong toàn sơ đồ473.2. Cân bằng năng lượng483.2.1. Cân bằng năng lượng trong thiết bị phản ứng chuyển hóa483.2.2. Cân bằng năng lượng trong thiết bị bay hơi thứ nhất483.2.3. Cân bằng năng lượng trong thiết bị bay hơi thứ hai483.2.3. Cân bằng năng lượng trong thiết bị bay hơi thứ ba483.2.4. Cân bằng năng lượng trong thiết bị bay hơi thứ tư493.2.5. Cân bằng năng lượng trong thiết bị chưng tách nước493.2.6. Cân bằng năng lượng trong thiết bị chưng tách MEG493.2.7. Cân bằng năng lượng trong thiết bị thu hồi MEG tinh khiết493.2.8. Cân bằng năng lượng trong toàn sơ đồ503.3. Tính toán thiết bị chính503.3.1. Chiều cao và đường kính thiết bị phản ứng503.3.2. Tính số ống phản ứng513.3.3. Tính toán chiều dày thân tháp523.3.4. Tính toán nắp thiết bị553.3.5. Tính toán đáy thiết bị573.4.6. Tính toán lượng nước cần dùng để giữ phản ứng ở đẳng nhiệt593.4. Bản vẽ và thuyết minh nguyên lý hoạt động của thiết bị chính623.4.1. Bản vẽ chi tiết thiết bị chính623.4.2. Thuyết minh nguyên lý hoạt động62KẾT LUẬN64TÀI LIỆU THAM KHẢO67
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol MỤC LỤC SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Danh mục viết tắt EG – Ethylene Glycol MEG – Mono Ethylene Glycol DEG – Di Ethylene Glycol TEG – Tri Ethylene Glycol EO – Ethylene Oxide PET – Poly Ethylene Telephthalate Danh mục hình ảnh Hình 1.1a Cấu trúc dạng rỗng EG Hình 1.1b Cấu trúc dạng đặc EG Hình 1.2 Ethylene Glycol trạng thái lỏng Hình 1.3a Đồ thị ứng dụng MEG năm 2011-12 Hình 1.3b Đồ thị ứng dụng MEG năm 2013 Hình 1.4 Biểu đồ phân bố sản xuất EG giới năm 2012 Hình 1.5 Biểu đồ thị trường tiêu thụ EG giới năm 2011 Hình 1.6 Biểu đồ nguồn nguyên liệu sản xuất EG năm 2013 Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát cho trình sản xuất EG từ nguyên liệu đầu CO Hình 1.8: Sơ đồ thủy phân Ethylene oxyt sản xuất Ethylene glycol Hình 1.9: Thành phần sản phẩm thu từ trình thủy phân theo tỉ lệ H2O/EO ban đầu SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Hình 1.10 Sơ đồ khối cơng nghệ Shell OMEGA Hình 1.11 Sơ đồ khối cơng nghệ Shell MASTER Hình 1.12: Sơ đồ khối cơng nghệ Dow’s Meteor Hình 1.13a Cơng thức cấu tạo EO Hình 1.13b Cấu trúc dạng rỗng EO Hình 1.14 Biểu đồ ứng dụng EO năm 2012 tồn giới Hình 1.15 Biểu đồ phân bố lượng EO sản xuất giới năm 2012 Danh mục bảng Bảng 1: Một số thông số vật lý loại Ethylene Glycol Bảng 1.2 Sản lượng EG sản xuất năm 2013 Bảng 1.3 Một số thông số vật lý EO SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol MỞ ĐẦU Ethylene Glycol (EG) hay 1,2-ethanediol thường gọi Glycol, hợp chất diol đơn giản Ethylene Glycol điều chế lần nhà hóa học người Pháp Charles – Adolphe Wurtz vào năm 1859 phản ứng 1,2 – dibromoethane với bạc acetate (CH3COOAg) tạo sản phẩm Diethylene acetate este Sau ơng sử dụng H 2O để phân hủy este đó, thu EG Đến năm 1860 nhà khoa học điều chế EG từ phản ứng thủy phân Ethylene Oxide (EO) [6.] Trước chiến tranh giới thứ nhất, EG khơng sản xuất để phục vụ mục đích thương mại Nó sản xuất phương pháp tổng hợp từ Ethylene dichloride để sử dụng chất thay cho Glycerol công nghiệp chế tạo vật liệu nổ (Ethylene Glycol Dinitrate) Tuy nhiên sau Ethylene Glycol trở thành sản phẩm phổ biến quan trọng cơng nghiệp hóa chất [6.] Tại Mỹ, MEG sản xuất bán thương mại từ ethylene chlorohydrin vào năm 1917 Nhà máy sản xuất Ethylene glycol cho thương mại quy mô lớn xây dưng vào năm 1925 South Charleston, West Virginia công ty Carbide and Carbon Chemicals (nay công ty Union Carbide Corp) Đến năm 1929 hầu hết công ty thuốc nổ sử dụng MEG Năm 1937, công ty Carbide bắt đầu xây dựng nhà máy dựa quy trình Lefort - oxi hóa khí ethylene cho ethylene oxide, phương pháp trì đến năm 1953 mà quy trình thiết kế khoa học cấp phép thương mại hóa Hiện Mono Ethylene Glycol (MEG) có nhiều ứng dụng rộng rãi, đặc biệt công nghệ chống đông, chất tải lạnh sản xuất sợi polyester (chủ yếu PET) Do đặc tính rẻ sẵn có nên MEG sử dụng nhiều mục đích Trong đồ án này, em xin trình bày vấn đề lý thuyết liên quan đến EG sở tính tốn, thiết kế phân xưởng sản xuất EG với số liệu giao SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tính chất vật lý, hóa học EG 1.1.1 Cấu tạo danh pháp Ethylene glycol có cơng thức cấu tạo là: HO-CH 2-CH2-OH, tên thường gọi: Glycol EG rượu hai nhóm chức đơn giản Tên gọi theo IUPAC là: Ethane-1,2-diol [6] Công thức cấu tạo : Cấu trúc khơng gian: Hình 1.1a Cấu trúc dạng rỗng Hình 1.1b Cấu trúc dạng đặc 1.1.2 Tính chất vật lý EG chất lỏng khơng màu, khơng mùi có vị EG háo nước tan hồn tồn nhiều dung môi phân cực nước, rượu, EO aceton Tuy nhiên dung môi không phân cực Benzene, Toluen, Diclo Ethan, Cloroform,…thì khả hồ tan EG với chúng không cao [6] SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Hình 1.2 Ethylene Glycol trạng thái lỏng Ethylene glycol khó để kết tinh dung dịch có tính nhớt cao,tuy nhiên ta làm lạnh, dung dịch đóng rắn tạo thành sản phẩm có trạng thái giống thuỷ tinh Ứng dụng lớn EG sử dụng làm chất chống đơng có khả hạ nhiệt độ đơng đặc xuống thấp 0oC hồ trộn với nước [6] Dưới số thông số vật lý EG: [6] Nhiệt độ điểm sôi (tại 101325 Pa) : 197.60 °C Điểm nóng chảy : –13.00 °C Khối lượng riêng 20 °C : 1.1135 g/cm3 Tỷ trọng , n D 20 : 1.4318 Nhiệt hoá (101.3 kPa) : 52.24 kJ/mol Nhiệt cháy : 19.07 MJ/kg Các giá trị tới hạn: Tc : 372 °C SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Pc : 6515.73 kPa Vc : 0.186 L/mol Điểm chớp cháy thấp : 111 °C Nhiệt độ bắt cháy : 410oC Giới hạn nổ : 3.2 % tích Giới hạn nổ : 53 % thể tích Độ nhớt 20 °C : 19.83 Ns/m 19.83 mPa • s Hệ số nở khối 20 °C : 0.62×10–3 K–1 Ethylene Glycol Mono Ethylene Glycol ( thường gọi chung cho EG) có diethyleneglycol, tri-ethyleneglycol, tetra-ethylenglycol, polyethyleneglycol Dưới số thông số vật lý loại Ethylene Glycol [6] Bảng 1: Một số thông số vật lý loại Ethylene Glycol EG chất độc người, động vật môi trường Ethylene Glycol nguy hiểm vị Sau uống, EG bị oxy hóa thành Glycolic acid bị oxy hóa thành Oxalic acid độc hại Nó sản phẩm phụ độc hại ảnh hưởng đến hệ thống thần kinh trung ương, tim, cuối thận Đối với người nuốt phải SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol EG, tùy vào lượng nuốt phải mà có ảnh hưởng định đến thể: dẫn đến tử vong nuốt phải với hàm lượng 1.4g EG/kg trọng lượng thể Tồn chứa bảo quản [6] Ở điều kiện thường, EG chất lỏng dễ vận chuyển EG có nhiệt độ sơi cao nhiệt độ đơng thấp nên bảo quản điều kiện rộng, thường không cần gia nhiệt cách li đặc biệt, không cần thiết thông áp suất tương đối thấp EG bơm đo dễ dàng q trình cơng nghiệp Thông thường EG tồn chứa phuy bồn lớn với điều kiện bảo quản tương đối mềm Có thể vận chuyển xe bồn chở phuy, tàu lớn Tuy nhiên EG chất độc hại nên trình vận chuyển, bảo quản, kiểm tra nên tránh tiếp xúc trực tiếp cẩn thận để đảm bảo an toàn cho sức khỏe 1.1.3 Tính chất hóa học [6] Ethylene Glycol rượu đa chức phân tử chứa nhóm –OH nên có đầy đủ tính chất rượu thơng thường (rượu đơn chức) tính chất rượu đa chức Các phản ứng nhóm – OH • Phản ứng với Natri kim loại Ở điều kiện 50oC EG phản ứng với Na tạo Natri ethyleneglycolate hay dinatri ethylenglycolate • Phản ứng tạo phức với Cu(OH)2 Ethylene Glycol phản ứng làm màu xanh Cu(OH) 2, tạo phức không màu Đồng (II) ethylen glicolate SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên • Phản ứng với H3BO3 • Phản ứng với acid tạo este vô hữu Sản xuất Ethylene Glycol VD : phản ứng với HCl tạo 2-methylethanol → diclo ethan • Phản ứng dehydrat hóa Do có nhóm –OH phân tử nên tách nước từ EG tạo axetandehyde Ngoài phản ứng EG có phản ứng hay sử dụng cơng nghiệp như: • Phản ứng oxy hố EG dễ dàng bị oxy hoá tác nhân oxy hố O 2, HNO3 chất oxy hóa khác…cho loạt sản phẩm : Glycol aldehyde (HOCH 2CHO), Glycolic acid (HOCH2COOH), Oxalic acid (HOOCCOOH), Glyoxilic acid (HCOCOOH), Glyoxal (CHOCHO), Formic acid (HCOOH)… [6] Ví dụ : (CH2OH)2 + O2 → (CHO)2 + 2H2O SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên • Sản xuất Ethylene Glycol Phản ứng tạo 1,3-dioxolan Phản ứng Ethylene glycol Orthofomates Hoặc với dialkyl carbonates • Phản ứng tạo 1,4-dioxolan Ethylene glycol thực phản ứng dehydrat hóa để tạo 1,4-dioxolan với xúc tác sunfuric acid • Phản ứng tạo Ete Este Do có nhóm –OH phân tử nên EG nên thực phản ứng ankyl hóa tạo ete thực phản ứng acyl hóa tạo este Do có nhóm hydroxyl phân tử nên sản phẩm tạo thành mono- , di- ete mono-, di-este tùy thuộc tỷ lệ chất phản ứng đưa vào lúc đầu SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 10 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Nống = = 196.6 ống Quy chuẩn thành 217 ống Sắp xếp ống theo hình lục giác Tra bảng V.11 – T.36 – Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 2, số ống tâm hình lục giác 17 Số vòng lục giác [4.36] Khoảng cách từ thân tháp tới ống gần lấy 10mm Vậy ống cách 49mm 3.3.3 Tính tốn chiều dày thân tháp Chọn thép CT3 làm thân thiết bị, Chiều dày thân thiết bị tính theo cơng thức S = [4.360] Trong S –chiều dày thân tháp, m Dt – đường kính tháp, m Ptt – áp suất tính tốn cho thiết bị, N/m2 σ – giới hạn bền, N/m2 φ – hệ số bền C – hệ số bổ sung • Tính tốn Ptt Áp suất thủy tĩnh P1 thiết bị tính theo cơng thức: P1 = g.ρ.H , N/m2 [4.360] Vậy P1 = 9.81* 0.4963*3.072 = 14.96 N/m2 Vậy áp suấp tính tốn cho thiết bị Ptt SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 49 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Ptt = Pmt + P1 Trong đó: Pmt – Áp suất môi trường, lấy 105 N/m2 Ptt = 100014.96 N/m2 • Tính ứng suất cho phép Theo cơng thức XIII.1 XIII.2 – T.355 – Sổ tay QTTB CNHC, tập ta có [σk] = [σc] = [4.355] Trong σk – giới hạn bền kéo, N/m2 σc – giới hạn bền chảy, N/m2 Với thép CT3, tra Sổ tay QTTB CNHC, tập 2, bảng XII – T.309 T.313 giá trị σk = 380.106 N/m2 σc = 240.106 N/m2 Tra bảng XIII.2, XIII.3 – T.355, ta có giá trị nk = 2.6, nc = 1.5 η =1 Thay vào công thức [σk] = 146.106 N/m2 [σc] = 160.106 N/m2 Chọn [σ] = [σk] = 146.106 N/m2 • Tính tốn hệ số bền Theo cơng thức XIII.16 – T.362 – Sổ tay QTTB CNHC, tập 2, có φ = [4.362] Trong L – chiều cao tháp hình trụ, m D – đường kính lỗ đường sinh, m SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 50 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Trên thân trụ có lỗ đường kính 200 mm để lắp cửa quan sát Do φ = = 0.87 • Hệ số bổ sung Được tính theo cơng thức XIII.17 – T.363 – Sổ tay QTTB CNHC, tập C = C1 + C2 + C3 Trong C1 - bổ sung ăn mòn, chọn = 1mm C2 - bổ sung bào mòn, trường hợp ngun liệu khơng có hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn nên bỏ qua C3 – bổ sung dung sai, chọn = 0.8 mm Vậy C = 1.8 mm Thay số liệu có vào cơng thức ta S = + 0.0018 = 0.0036 m = 3.6 mm Lấy s = mm • Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử Theo công thức XIII.26 – T.365 – Sổ tay QTTB CNHC, ta có: σ= [4.365] Trong Po áp suất thử, tính theo công thức T.360 – Sổ tay QTTB CNHC, tập 2: Po = Pth + P1 SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 51 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Với Pth áp suất thử thủy lực, tính = 1.5*P = 1.5*100014.96 = 150022.44 N/m2 Vậy Po = 150048.33 + 14.96 = 150037.40 N/m2 Thay vào cơng thức có σ = = 121.89x106 N/m2 Ta có = 200x106 N/m2 Vậy điều kiện thỏa mãn thử Chiều dày thân tháp chọn = mm 3.3.4 Tính tốn nắp thiết bị Ống dẫn sản phẩm vào nắp thiết bị Ta có V = , m3/s => d = , m Trong V – lưu lượng thể tích khí ống, m3/s ω – vận tốc trung bình khí qua ống, m/s Từ bảng số liệu Hysys, ta thay số vào công thức d = = 0.507 m Quy chuẩn dtr = 500 mm SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 52 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Chọn nắp dạng elip có gờ lắp với thân thiết bị cách ghép bích, tâm có đục lỗ để đưa sản phẩm vào Vật liệu CT3 Chiều dày nắp tính theo cơng thức XIII.47 – T.385 – Sổ tay QTTB CNHC S = , m [4.385] Trong + hb – chiều cao phần nồi đáy nắp, tra bảng XIII.10 – T.382 – Sổ tay QTTB CNHC tập hb = 500 mm + φh – hệ số bền mối hàn hướng tâm Chọn nắp hàn từ nửa tấm, hàn điện phía tay, tra bảng XIII.8 – T.362 – Sổ tay QTTB CNHC tập 2, φh = 0.95 + K – hệ số không thứ nguyên, theo công thức XIII.48 – Sổ tay QTTB CNHC tập 2, có K = - = - = 0.756 Xét = = 1037.38 > 30 => bỏ qua P mẫu công thức Vậy chiều dày nắp S = + C = 1.06*+ C Lấy S + C – C = 1.06 mm < 10 mm, ta thêm mm vào C tính thân tháp Vậy C có giá trị = 3.8 mm Vậy chiều dày nắp = 4.86 mm Chọn S = mm • Thử ứng suất Theo công thức T.386 – Sổ tay QTTB CNHC tập có σ = [4.386] SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 53 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Thay giá trị có vào ta σ = = 64.7* N/m2 Mặt khác = 200*N/m2 Vậy phép thử thỏa mãn Chọn Snắp = mm 3.3.5 Tính tốn đáy thiết bị Ống dẫn sản phẩm khỏi tháp đáy thiết bị Ta có V = , m3/s => d = ,m Trong V – lưu lượng thể tích khí ống, m3/s, V = G/ρ ω – vận tốc trung bình khí qua ống, m/s Từ bảng số liệu Hysys, ta thay số vào công thức d = = 0.496 m Quy chuẩn dtr = 500 mm Chọn nắp dạng elip có gờ lắp với thân thiết bị cách ghép bích, tâm có đục lỗ để đưa sản phẩm vào Vật liệu CT3 Chiều dày nắp tính theo cơng thức XIII.47 – T.385 – Sổ tay QTTB CNHC S = , m [4.385] Trong + hb – chiều cao phần nồi đáy nắp, tra bảng XIII.12 – T.384 – Sổ tay QTTB CNHC tập hb = 500 mm SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 54 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol + φh – hệ số bền mối hàn hướng tâm Chọn nắp hàn từ nửa tấm, hàn điện phía tay, tra bảng XIII.8 – T.362 – Sổ tay QTTB CNHC tập 2, φh = 0.95 + K – hệ số không thứ nguyên, theo công thức XIII.48 – Sổ tay QTTB CNHC tập 2, có K = - = - = 0.756 Xét = = 1037.38 > 30 => bỏ qua P mẫu công thức Vậy chiều dày nắp S = + C = 1.06*+ C Lấy S + C – C = 1.06 mm < 10 mm, ta thêm mm vào C tính thân tháp Vậy C có giá trị = 3.8 mm Vậy chiều dày nắp = 4.86 mm Chọn S = mm • Thử ứng suất Theo cơng thức T.386 – Sổ tay QTTB CNHC tập có σ = [4.386] Thay giá trị có vào ta σ = = 64.7* N/m2 Mặt khác = 200*N/m2 Vậy phép thử thỏa mãn Chọn Snắp = mm 3.4.6 Tính tốn lượng nước cần dùng để giữ phản ứng đẳng nhiệt Nhờ công cụ Hysys tính tốn lượng nhiệt nước cần cấp vào để trì phản ứng đằng nhiệt Q = 1.973*106 kJ/h = 1.973*109 J/h SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 55 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Giả thiết nước dùng để làm lạnh phản ứng nước nhiệt độ thường T đ = 25oC Sau trao đổi nhiệt khỏi thiết bị có nhiệt độ Tc = 90oC Cơng thức tính nhiệt lượng dùng để làm nguội phản ứng Q = GF*Cp*(Tc – Tđ) Trong GF – lượng nước cần dùng để giữ phản ứng đẳng nhiệt, kg/s Cp – nhiệt dung riêng hỗn hợp nhiệt độ trung bình, J/kgđộ Tra bảng số liệu Hysys có Cp hỗn hợp = 2.003 kJ/kgđộ = 2003 J/kgđộ Vậy lượng nước cần dùng để giữ cho phản ứng điều kiện đẳng nhiệt GF = = = 4.2 kg/s = 15154.19 kg/h Tính cửa dẫn nước vào tháp Ta có V = , m3/s => d = , m Trong + V – lưu lượng thể tích nước thiết bị, m3/s, V = G/ρ với G lưu lượng khối lượng nước (kg/s) ρ khối lượng riêng nước nhiệt độ vào tháp 25 oC Nội suy theo bảng I.2 – T.9 – Sổ tay QTTB CNHC ρ nước 25oC = 996.5 kg/m3 Vậy V = = 0.0042 m3/s + ω – vận tốc trung bình nước qua ống, m/s Chọn ω = 0.2 m/s (theo bảng II.2 – T.370 – Sổ tay QTTB CNHC tập 1) Từ bảng số liệu Hysys, ta thay số vào công thức SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 56 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol d = = 0.164 m Quy chuẩn dtr = 165 mm Tính cửa dẫn nước khỏi tháp tháp Ta có V = , m3/s => d = , m Trong + V – lưu lượng thể tích nước thiết bị, m3/s, V = G/ρ với G lưu lượng khối lượng nước (kg/s) ρ khối lượng riêng nước nhiệt độ khỏi tháp tháp 90oC Nội suy theo bảng I.2 – T.9 – Sổ tay QTTB CNHC ρ nước 90 oC = 965 kg/m3 Vậy V = = 0.0043 + ω – vận tốc trung bình nước qua ống, m/s Chọn ω = 0.2 m/s (theo bảng II.2 – T.370 – Sổ tay QTTB CNHC tập 1) Từ bảng số liệu Hysys, ta thay số vào công thức d = = 0.165 m Quy chuẩn dtr = 165 mm Tính vách ngăn Gọi vận tốc thực tế khí ống, tính theo cơng thức = = 12.57 m/s Ban đầu chọn vận tốc lý thuyết ωlt vào khí 25 m/s Vậy số ngăn = = 1.99 SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 57 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Vì số ngăn ln lấy chẵn nên chọn n = ngăn 3.4 Bản vẽ thuyết minh nguyên lý hoạt động thiết bị 3.4.1 Bản vẽ chi tiết thiết bị Bản vẽ A3 chi tiết thiết bị 3.4.2 Thuyết minh nguyên lý hoạt động Trong công nghệ sản xuất EG Shell MASTER, sử dụng thiết bị dạng ống Thiết bị phản ứng dạng ống sử dụng rộng rãi công nghệ, dùng cho phản ứng pha khí đồng nhất, tiến hành điều kiện nhiệt độ cao, dòng vào có điều kiện định nhiệt trao đổi trình phản ứng lớn Một số phản ứng pha lỏng có u cầu dòng vào sử dụng thiết bị dạng Quá trình sản xuất EG phương pháp thủy phân EO ví dụ điển hình cho thiết bị dạng ống với quy mơ lớn [12] Hỗn hợp nguyên liệu đầu gồm có EO nước trộn lẫn với thể lỏng sau trao đổi nhiệt với dòng nước qua thiết bị đun nóng đến nhiệt độ 200 oC, đưa vào cửa đỉnh tháp (10) Sau vào thiết bị, hỗn hợp dạng khí vào 217 ống phản ứng (4) Các ống phản ứng làm vật liệu CT3, xếp theo hình lục giác, gắn chặt vào ghi đỡ ống hai đầu thiết bị mối hàn Trong ống xảy phản ứng phản ứng thủy phân EO sinh EG, ngồi có phản ứng phụ tạo DEG TEG Hỗn hợp sản phẩm sinh lấy cửa đáy tháp (1) gồm có MEG, DEG, TEG lượng lớn nước dư Trong trình phản ứng, cần đưa nước lạnh vào để lấy bớt lượng nhiệt tỏa ra, giúp phản ứng trì 200 oC, tránh tượng nhiệt độ tăng cao dẫn đến phân hủy nguyên liệu sản phẩm không mong muốn Nước 25oC đưa vào từ cửa (3) sau trao đổi nhiệt lấy cửa (8) SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 58 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol KẾT LUẬN Ethylene Glycol (EG) hay 1,2-ethanediol thường gọi Glycol, hợp chất diol đơn giản Nó ngày phổ biến sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp hóa chất Ứng dụng MEG dùng để sản xuất Polyester, chủ yếu Poly Ethylene Telephthalate, gọi PET Có đến khoảng 86% sản lượng MEG sử dụng vào mục đích này, ngồi khoảng 7% lượng tiêu thụ MEG dùng làm chất SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 59 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol chống đơng, tải lạnh Do đặc tính rẻ sẵn có nên MEG sử dụng nhiều mục đích Trong đồ án này, em xin trình bày vấn đề lý thuyết liên quan đến EG sở tính tốn, thiết kế phân xưởng sản xuất EG với số liệu giao dựa cơng cụ mơ Hysys Đồ án gồm có nội dung sau: Chương 1: Tổng quan Tính chất vật lý, hóa học EG Ứng dụng, quy mô sản xuất tiêu thụ EG Các phương pháp sản xuất EG So sánh lựa chọn phương pháp sản xuất EG tối ưu Hóa học phương pháp sản xuất chọn Các công nghệ sản xuất EG theo phương pháp chọn (sơ đồ công nghệ, thuyết minh) So sánh lựa chọn cơng nghệ Tính chất vật lý, hóa học nguồn cung cấp nguyên liệu (EO) để sản xuất EG theo phương pháp công nghệ chọn Chương 2: Thiết kế dây chuyền sản xuất Bản vẽ A3 dây chuyền sản xuất thuyết minh chi tiết Chương 3: Tính tốn cơng nghệ Trên sở số liệu giao, sử dụng Hysys mơ q trình thủy phân EO thu EG Sau 3.1 Tính cân vật chất giai đoạn toàn hệ thống phân xưởng 3.2 Tính cân nhiệt lượng giai đoạn tồn hệ thống phân xưởng 3.3 Tính tốn thiết kế thiết bị Bản vẽ A3 cấu tạo, mặt cắt, chi tiết thiết bị Thuyết minh chi tiết hoạt động thiết bị SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 60 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Sau tìm hiểu, mơ tính tốn, kết em thu sau: Để sản xuất EG có nhiều phương pháp, phương pháp thủy phân EO không cần xúc tác – công nghệ Shell MASTER hãng Shell International Chemicals V.B phương pháp sử dụng rãi Sau tìm hiểu so sánh với phương pháp công nghệ khác nhau, em chọn sản xuất EG theo công nghệ Shell MASTER từ EO Ưu điểm lớn phương pháp thiết bị đơn giản, không cần xúc tác, chất lượng sản phẩm xếp vào hạng tốt giới Đồng thời kết hợp với trình sản xuất EO từ Ethylene để đạt hiệu cao độ chọn lọc hiệu suất kinh tế Với số liệu giao, em tiến hành mô trình sản xuất EG từ EO dựa sở công nghệ Shell MASTER Kết thu sau: Để sản xuất 10000 EG/năm có độ tinh khiết 95% với hiệu suất giai đoạn số liệu cho, cần sử dụng 984.6 kg/h, tức 7876.8 EO/năm 8053 kg/h, tức 64424 nước/ năm Ngoài để đảm bảo cho phản ứng đẳng nhiệt, cần sử dụng thêm 15154.19 kg/h, tức 121233.52 nước/năm để lấy nhiệt phản ứng Thiết bị phản ứng thiết bị dạng ống có thông số thiết kế sau: Chiều cao tháp : 3.072 m Đường kính tháp : 2.048 m Chiều dày thân tháp : mm Chiều dày nắp đáy : mm Phần nồi nắp đáy : 500 mm Số ống : 217 ống Kích thước ống : 73x4 mm Cửa vào nguyên liệu, sản phẩm : 165 mm SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 61 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Hỗn hợp nguyên liệu gồm có nước EO vào cửa đỉnh, sau phản ứng điều kiện đẳng nhiệt, sản phẩm lấy đáy Trong trình phản ứng, nước đưa vào để làm mát Việc thực đồ án giúp em có tư tốt mặt tổng quan lý thuyết làm quen với việc thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất hóa phẩm cơng nghiệp Tuy nhiên hạn chế thời gian kiến thức nên đồ án nhiều sai sót áp dụng vào thực tế, em mong nhận bảo thầy cô để đồ án em tốt Em xin chân thành cảm ơn cô giáo – PGS TS Nguyễn Hồng Liên thầy cô giáo mơn Cơng nghệ Hữu – Hóa dầu tận tình hướng dẫn em để em hồn thành đồ án có kiến thức quý giá suốt thời gian qua TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phạm Thanh Huyền, PGS.TS Nguyễn Hồng Liên “Cơng nghệ tổng hợp hữu cơ-hóa dầu ” Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật Hà Nội, 2006 (146 – 151) [2] PGS.TS Nguyễn Hữu Tùng “ Kỹ thuật tách tỗn hợp nhiều cấu tử ” Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2011 SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 62 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol [3] Nguyễn Trọng Khuông, Đinh Trọng Xoan, Đỗ Văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa “ Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất ” tập I Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1992 [4] Nguyễn Trọng Khuông, Đinh Trọng Xoan, Đỗ Văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa “ Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất” tập II Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1992 [5] Hydrocarbon Processing’s PetroChemiscal Processes 2005 (84 – 86) [6] Ullmann’s Encyclopeda of industry chemistry Volume A10: Ethanolamines and propanolamines to Fibers, 4.Synthetic organic (101 -132) [7] Georges A.Melhem, Arturo Gianetto, Marc E Levin, Harold G Fisher, Simon Chippett, Surendra K Singh and Peter I Chipman “Kinetic of the Reactions of Ethylene Oxide with Water and Ethylene Glycols” December 2001 [8] “The Essential Chemiscal Industry Online” (9/2013) [9] V F Shvets, R A Kozlovskiy, I A Kozlovskiy, M G Makarov, J P Suchkov, and A V Koustov “The Model of Catalytic Reactor of Ethylene Glycol Production” (Article) [10] Bằng sáng chế US3028434 - Catalytic production of ethylene glycol [11] Nguyễn Thị Minh Hiền “Mơ q trình cơng nghệ hóa học” Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2014 [12] Ullmann’s Encyclopeda of industry chemistry Volume B4: Principles of chemiscal reaction engineering and plant design (181) SVTH: Nguyễn Thị Phương – 20113209 – KTHH – K56 Page 63 ... Hình 1.6 Biểu đồ nguồn nguyên liệu sản xuất EG năm 2013 Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát cho trình sản xuất EG từ nguyên liệu đầu CO Hình 1.8: Sơ đồ thủy phân Ethylene oxyt sản xuất Ethylene glycol Hình... Hồng Liên Sản xuất Ethylene Glycol Hình 1.5 Biểu đồ thị trường tiêu thụ EG giới năm 2011 1.3 Các phương pháp sản xuất EG Đã có nhiều phương pháp sản xuất EG tìm áp dụng giới Có thể sản xuất EG... tính 1.2.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ EG Tình hình sản xuất EG giới Theo số liệu “The Essential Chemiscal Industry Online” (Tháng 9/2013), sản lượng Ethylene Glycol sản xuất hàng năm phân bố