tìm hiểu công nghệ sản xuất acrylonitril và tính toán cân bằng cho thiết bị phản ứng với dây chuyền công suất 200 000 tấn năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA DẦU KHÍ BỘ MƠN LỌC HĨA DẦU ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠNG NGHỆ HĨA DẦU VÀ CHẾ BIẾN POLYME ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ACRYLONITRIL VÀ TÍNH TỐN CÂN BẰNG CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG VỚI DÂY CHUYỀN CÔNG SUẤT 200.000 TẤN/NĂM Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Mở đầu Dầu mỏ khí tự nhiên tài nguyên vô quan trọng quý giá Sự phát triển ngành cơng nghệ hóa học năm qua chứng tỏ dầu mỏ khí nhũng nguyên liệu lý tưởng cho công nghiệp tổng hợp hữu – hóa dầu Từ dầu mỏ khí, qua q trình tổng hợp hữu – hóa dầu nhiều hợp chất hữu cơ, hợp chất trung gian quan trọng cho công nghiệp đời sống tổng hợp nên Bên cạnh ngành lọc dầu phát triển từ lâu cơng nghiệp hóa dầu ngày phát triển chiếm thị phần quan trọng cơng nghiệp hóa dầu góp phần làm phong phú thêm loại hóa chất vật liệu Sản phẩm có ứng dụng cao đời sống sản xuất Một sản phẩm quan trọng ngành cơng nghiệp hóa dầu Acylonitril Nó có ứng dụng cơng nghiệp đời sống: nguyên liệu để điều chế xơ polyacylat làm vải mặc, đồ dùng nhà, kéo sợi, sử dụng dạng monome sản xuất tổng hợp Polymers, đặc biệt sợi tổng hợp polyacrylonitril(nitron), copolyme với metacrylat (sợi Acrylon), vinylclorua (vilon N) sản xuất chất dẻo(copolime với styren, với butadien), cao su tổng hợp ABS(Acrylonitril-butadien-styren), sản phẩm trung gian để tổng hợp Acrylat, Acrylamin… Mục đích đồ án tìm hiểu cơng nghệ sản xuất acrylonitril tính tốn cân cho thiết bị phản ứng với dây chuyền cơng suất 200.000 tấn/năm Nội dung đồ án gồm có phần: Chương 1: Trình bày sở lý thuyết Chương 2: Trình bày phần tìm hiểu cơng nghệ liên quan đến yêu cầu đề tài Chương Tính tốn theo u cầu đề tài Qua việc tìm hiểu đề tài em hiểu tầm quan trọng phương pháp tổng hợp Acrylonitril, biết cách tính toán cân hệ thiết bị phản ứng Do mức độ hiểu biết kinh nghiệm nên chắn có vấn đề chun mơn cần nhận xét phê bình thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn Ts Nguyễn Thị Linh- người trực tiếp giảng dạy môn học hướng dẫn, cung cấp nhiều tài liệu, kiến thức để em hồn thành đồ án Em mong nhận nhận xét đóng góp ý kiến quý báu cô bạn bè để em có thêm kinh nghiệm kiến thức mà người kĩ sư tương lai cần có Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Sinh viên Lê Đức Anh SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Mục lục Chương I: Cơ sở lý thuyết Tổng quan acrylonitril .4 1.1 Cấu tạo 1.2 Tính chất 1.3 Ứng dụng Acrylonitril .5 Các phương pháp tổng hợp Acrylonitril .7 Công nghệ tổng hợp Acrylonitril a.Nguyên liệu .7 b.Công nghệ sản xuất acrylonitril c.điều kiện phản ứng 10 d.Tiến hành phản ứng 11 Chương II: Các sơ đồ công nghệ 12 1.Sơ đồ cơng nghệ ammoxi hóa propylene xúc tác tầng sơi 12 2.Cơng nghệ ammoxi hóa propylen lớp xúc tác cố định 14 Đánh giá 16 Chương III: Tính tốn 16 Tính chi phí đầu vào cho tháng sản xuất: 20 II.Tính tốn cân nhiệt cho thiết bị phản ứng 21 21 1.Tính lượng nhiệt hỗn hợp nguyên liệu mang vào (Q1) 21 4.Tính lượng nhiệt sản phẩm mang ra(Q4) .23 Kết luận 25 Tài liệu tham khảo .26 SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Chương I: Cơ sở lý thuyết Tổng quan acrylonitril 1.1 Cấu tạo Trong phân tử acrylonitril tất góc liên kết khoảng 120 o, chiều dài liên kết ước tính sau: C-H ≈ 1,09Å; C-C ≈ 1,46 Å; C=C ≈ 1,38Å; C ≡ N ≈ 1,16Å 1.2 Tính chất 1.2.1 Tính chất vật lý Là chất lỏng không màu, bay hơi, dễ cháy, sơi nhiêt độ 77,3ºC, nóng chảy -83,5°C, tan hạn chế nước (7,3% 20ºC) Acrylonitril tạo với khơng khí hỗn hợp nổ giới hạn 3-17% thể tích, d204 =0,806 1.2.2 Tính chất hóa học •Phản ứng hợp nước: Cu  → CH2=CH-C ≡ N +H2O ¬   70 −120 C SVTH: Lê Đức Anh CH2=CH-CO-NH2 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh •Phản ứng thuỷ phân: •Phản ứng tạo este: •Phản ứng khử: Ni → CH3 - CH2 - CN CH2 = CH - CN + H2  °t •Phản ứng cộng Cl2: as CH2 = CH - CN + Cl2 → CH2Cl – CHCl - CN •Phản ứng trùng hợp: - Phản ứng đồng trùng hợp: - Trùng hơp với butadien1,3: xt , t ° nCH = CH − CN + nCH = CH − CH = CH  → p [ − CH − CH = CH − CH − CH − CHCN −]n Cao su buna - N - Trùng hợp với styren: xt , t ° nCH = CH − CN + nCH = CHC6 H  → [ − CH − CH − CN − CH − CHC6 H −]n p - Trùng hợp với Butadien-Styren để tổng hợp ABS 1.3 Ứng dụng Acrylonitril Acylonitril có ứng dụng quan trọng công nghiệp đời sống: SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh - Là nguyên liệu để điều chế xơ polyacylat làm vải mặc, đồ dùng nhà, kéo sợi - Acrylonitril phần lớn sử dụng dạng monome sản xuất tổng hợp Polymers, đặc biệt sợi tổng hợp polyacrylonitril(nitron), copolyme với metacrylat (sợi Acrylon), vinylclorua (vilon N) sản xuất chất dẻo(copolime với styren, với butadien), cao su tổng hợp ABS(Acrylonitril-butadien-styren) - Ngoài Acyonitril sản phẩm trung gian để tổng hợp Acrylat, Acrylamin - Trước Acrylonitril đươc sử dụng làm thuốc trừ sâu - Sản xuất nhựa acrylonitril-styren (SAN): cao nhựa acrylonitril-styren sử dụng văn phòng, ngành cơng nghiệp cho ứng dụng đa dạng, tất loại vỏ bên ngồi ví dụ máy in, máy tính, dụng cụ đèn Ngồi SAN sử dụng phận ô tô, vỏ ắc quy, nội thất vật tư y tế -Sản xuất cao su nitril cao su nitril sử dụng ứng dụng trời cho khớp nối đường ống dẫn khí hóa chất, dây đai truyền vỏ bọc dây cáp -Sản xuất nhựa acrylonitril-butadien-styren (ABS) nhựa acrylonitril-butadien-styren sử dụng để sản xuất dụng cụ nhà bếp, phận thiết bị bao gồm điện, điện tử (ví dụ kệ lót bên máy giặt, tủ lạnh, cánh quạt điện…), hệ thống đường ống… -Sản xuất acrylamid Acrylamid sử dụng để sản xuất polyme tan nước copolyme để sản xuất giấy, xử lý chất thải, ứng dụng khai thác mỏ -Sản xuất adiponitril Adiponitril hợp chất trung gian tiếp tục chuyển đổi sang hexametyldiamin (HMDA) sử dụng để sản xuất nilon 6.6 Quá trình sử dụng đồng thời trình nhị trùng hợp hydro hóa acrylonitril để hình thành adiponitril bình điện phân Các phương pháp sản xuất adiponitril từ butadien cyclohexan -Các copolyme acrylonitril khác SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Các phương pháp tổng hợp Acrylonitril Lần công nghiệp Acrylonitril sản xuất từ etylenoxit Sau chuyển qua sản xuất từ Axetylen Axit xynilic(HCN) 80 ÷ 90° C CH ≡ CH + HCN  → CH = CH − C ≡ N Tuy nhiên hai phương pháp trở nên lạc hậu xuất phương pháp oxihóa amoni propylen, phương pháp kinh tế nhất, độ chuyển hóa đạt tới 80÷95% 450 ÷ 470 ° C CH = CH − CH + NH + O2  → CH = CH − CN + H 2O at , xt Ngoài tổng hợp Acrylonitrile số phương pháp sau: - Tách nước từ hợp chất amin bậc 1: - Điều chế trực tiếp từ acrylic : CH = CH − COOH + NH  → CH = CH − CN + H 2O Tuy nhiên tổng hợp Acrylonitril phương pháp lợi kinh tế ngun liệu acrylic đắt khó điều chế acrylonitril Công nghệ tổng hợp Acrylonitril Như đề cập phần trên, có nhiều phương pháp để tổng hợp acrylonitrile Nhưng phương pháp oxihóa amoni propylen hiệu kinh tế cả! Phương pháp lần Andrussov phát minh vào năm 30 metan Sau vào năm 50-60 ứng dụng với olefin metylbenzen Sau em xin trình bày phương pháp tổng hợp acrylonitrile việc oxi hóa amoni propylen a Nguyên liệu Nguyên liệu để tổng hơp Acrylonitril gồm: - Propylen: đươc lấy từ dầu mỏ sản phẩm cracking từ dầu mỏ như: Sản xuất từ cracking naphta nước, cracking dầu thơ có xúc tác, Dehydro hóa khí propan,… - Amoniac lỏng: tổng hợp từ khí nitơ hydro với xúc tác Fe 2O3, Al2O3,K2O Nhiệt độ tháp phản ứng 400÷500 oC, áp suất 300 atm Trong phản ứng cần cho lượng dư để làm giảm hiệu suất tạo thành andehit CO SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Fe2O3 , Al2O3 , K 2O  → NH N + 3H 400 ữ500 C ,300 atm - Oxy lấy từ khơng khí, q trình phản ứng cần dùng lượng dư oxy để đảm bảo tính chất OXH- khử mơi trường phản ứng, tạo điều kiện tăng tính lựa chọn cho xúc tác - Hệ chất xúc tác: Trước để sản xuất Acrylonitril người ta dùng xúc tác molipdat bismut: Bi2O3 : MoO3 = 1: Sau người ta thêm chất hoạt xúc tác P 2O5 Hiện dùng nhiều loại chất xúc tác khác như: vanadimolipdat bismut, uran-antimor(xúc tác 21)…trên chất màng SiO ,Al2O3 …Hệ xúc tác thứ tư (xúc tác 49) đời đáp ứng u cầu tính bền học • Công nghệ hai giai đoạn: - Trong giai đoạn đầu: xúc tác sở oxit selen đồng - Trong giai đoạn thứ hai: xúc tác MoO3 hợp chất khác •Cơng nghệ giai đoạn: - xúc tác oxit molipden có sử dụng chất xúc tiến NaOH coban molipden oxit telu kết hợp với oxit antimo thiếc Ngày nay: hệ xúc tác sở coban, sắt molipden Mới hệ xúc tác tẩm antimon sắt (ký hiệu NS733A hay xúc tác 13) Các chất làm việc theo chế Oxy hố - khử Ngồi có chất ức chế a Q trình oxi hóa amoni propylene Qúa trính oxyhóa amoni propylen thực thiết bị với xúc tác giả lỏng Nhiệt độ thiết bị khoảng 420÷470 oc, áp suất khoảng 0,2mpa CH2=CH-CH3+ O2 → CH2=CH-CN+3H2O ∆ H0298=-515Kj/mol Phản ứng xảy qua giai đoạn tạo hợp chất trung gian acrolein sau: CH2=CH-CH3+O2 → CH2=CH-CHO+H2O CH2=CH-CHO+NH3 → CH2=CH-CH=NH+H2O CH2=CH-CH=NH+ O2 → CH2=CH-CN+H2O SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Một số phản ứng phụ: 2CH2=CH-CH3+3O2+3NH3 → 3CH3CN+6H2O CH2=CH-CH3 +3O2+3NH3 → 3HCN+6H2O CH2=CH-CH3+3O2 → 3CO+3H2O 2CH2=CH-CH3+9O2 → 6CO2+6H2O Qúa trình OXH amoni propylen cho số sản phẩm phụ: Axit xynilic (HCN), CH3CN, lượng nhỏ andehyt focmic (HCHO), axetandehyt (CH 3CHO), dioxit cacbon (CO2) b Công nghệ sản xuất acrylonitril SVTH: Lê Đức Anh Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Hiện công nghệ sản xuất acrylonitril theo hướng: sử dụng lớp xúc tác cố định xúc tác tầng sôi c điều kiện phản ứng - Về nguyên tắc: Công nghệ thực pha khí, phản ứng ammoxi hố propylen xảy với lượng dư amoniac oxi so với hệ số tỷ lượng - Độ tinh khiết nguyên liệu đầu vào: + Propylen >90% KL + Amoniac: 99,5% KL - Thành phần nguyên liệu cho công nghệ sử dụng chất xúc tác khác Xúc tác Thành phần Propylen Amoniac Khơng khí Hơi nước Sohio 1,5 – 10 – 20 2–4 Sohio 1,05 – 1,2 10 – 15 - PCUK/Distillers 1,1 – 1,2 12 - 15 - • • • • Kinh nghiệm: Hiệu suất acrylonitril tăng theo tỷ lệ NH3/propylen Thực tế tỷ lệ NH3/propylen =1 0,8 Nhiệt độ phản ứng khoảng 400 – 500oC Áp suất 0,3 MPa SVTH: Lê Đức Anh 10 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Chương II: Các sơ đồ công nghệ Sơ đồ cơng nghệ ammoxi hóa propylene xúc tác tầng sơi Sơ đồ dòng cơng nghệ có thiết bị sau: • Thiết bị Phản ứng • Thiết bị làm nguội sản phẩm thu hồi • Thiết bị thu hồi sản phẩm • Thiết bị tinh chế sản phẩm acrylonitril Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ: SVTH: Lê Đức Anh 12 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh - Hỗn hợp đầu vào gồm: propylene, NH 3, khơng khí nén propylene NH3 gia nhiệt từ 150-200 oC cho vào thiết bị amoxi hóa xúc tác tầng sơi - Sản phẩm khỏi thiết bị amoxi hóa (gồm acrylonitrin, propylene, khơng khí dư, NH3 dư, h/c xyanua…) làm lạnh nhanh gián tiếp để tránh phản ứng phụ, sau hóa áp suất thấp, sau chuyển sang thiết bị làm lạnh trực tiếp để hạ nhiệt độ xuống 80-85 oC Quá trình diễn tháp làm lạnh: phần tiếp xúc với d2 H2SO4 ( NH4)2SO4 axit hóa để trung hòa NH3 dòng sản phẩm Ở phần nhờ rửa nước để loại bỏ axit dư ( NH 4)2SO4 tạo xử lý tách lại hợp chất hữu có lẫn.Sau dòng sản phẩm khỏi thiết bị làm lạnh trực tiếp làm lạnh trực tiếp đến 40-45 oC; khí trung hòa chuyển sang trạng thái hấp thụ nước lạnh ( oC) để thu hồi hydroxyanua, axetonitril, acrylonitrile cấu tử nặng Dòng khí lại chứa lượng nhỏ nitril hydrocacbon đốt cháy.Dòng nước hấp thụ hợp chất hữu tiếp tục chuyển sang chưng tách dị đẳng phí để tách riêng acrylonitrile axetonitril Hỗn hợp dị đẳng phí thu đỉnh tháp tách ( 70-80 đĩa) sau để lắng phân thành pha: pha nước hồi lưu, pha hữu giàu acrylonitrile hydroxyanua đưa đến khu vực tinh chế Axetonitril pha nước thu đáy tháp tách làm giàu tới nồng độ 97% khối lượng nhờ chưng đẳng phí tháp 60 đĩa.Nước lại sử dụng để làm chất hấp thụ sau làm lạnh xuống oC - Tinh chế acylonitril: thực dãy tháp chưng liên tiếp: tách hydroxyanua(40-50 đĩa), loại bỏ tạp chất cacbonyl axetol, propional dehyt, acrolein ( 50-60 đĩa), tinh chế acrylonotril môi trường chân không(20-30 đĩa) SVTH: Lê Đức Anh 13 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Công nghệ ammoxi hóa propylen lớp xúc tác cố định Sơ đồ dòng q trình bao gồm phận sau: • Thiết bị phản ứng • Bộ phận làm lạnh • Bộ phân phân tách sản phẩm • Bộ phận tinh chế sản phẩm Thuyết minh sơ đồ Phản ứng: Nguyên liệu cho trình phản ứng gồm ammoniac, propylene khơng khí nén 0,3Mpa với tỉ lệ định đun nóng tới 220 0C Chuyển hóa xảy thiết bị phản ứng loại ống chùm(kích thước ống xúc tác, đường kính 25-30 mm, chiều cao 3-3,5 m), có dòng tuần hồn muối nóng chảy bên SVTH: Lê Đức Anh 14 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh vỏ ống để tách nhiệt phản ứng Dòng lưu chất làm nguội nhờ trình tạo áp suất cao Làm lạnh: khí khỏi tháp ammoxi hóa làm lạnh nhanh xuống 3804000C nhờ đưa qua thiết bị đun sôi nước tạo áp suất thấp, sau tháp tiếp xúc trực tiếp nhờ làm lạnh axit sunfuric đáy để trung hòa ammoniac nước lạnh đỉnh Amoni sunfat lấy ra, xử lý tách hợp chất hữu có lẫn Phân tách: Qúa trình phân tách thu hồi sản phẩm tiến hành tương tự công nghệ Sohio: làm lạnh xuống 400C, ngưng tụ phần, hấp thụ nitril sản phẩm nặng nhờ nước lạnh(5 0C) đốt cháy khí dư Chưng dị đẳng phí(20-30 đĩa) loại bỏ lượng lớn nước sản phẩm chưng cất sản phẩm đáy Tinh chế: trình phát minh thứ hai cơng nghệ PCKU/Distillers giúp loại bỏ sản phẩm phụ acrolein nhờ xúc tiến hình thành xyanohydrin hydroxyanua có thành phần sản phẩm Phản ứng xảy nhiệt độ thấp(200C) thiết bị phản ứng có khuấy liên tục( sử dụng xúc tác đồng) bán liên tục môi trường phản ứng dạng kiềm( them NaOH) sau trung hòa axit sùnuric Các bước xử lý gồm có: chưng tách hydro xyanua(40-45 đĩa), chưng tách axetonitril hai tháp tách( tách hỗn hợp dị đẳng phí acrylonitril với nước 45-50 đĩa axetonitril với nước 60-65 đĩa, chưng tách cấu tử nhẹ nước dư áp suất khí (50-60 đĩa), tách cấu tử nặng môi trường chân không(25-30 đĩa) SVTH: Lê Đức Anh 15 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Đánh giá Đánh giá Cơng nghệ amoxy hóa propylen xúc tác tầng sôi - Ưu điểm - - Nhược điểm - Cơng nghệ amoxy hóa propylen xúc tác cố định Thuận lợi cho trình tản nhiệt cho phản ứng, đồng hóa nhiệt độ mơi trường phản ứng giúp cho việc kiểm soát nhiệt độ tốt tăng hiệu làm việc chất xúc tác Hiệu suất cao thực tỷ lệ amoniac/propylen cao Lượng xúc tác nhỏ Quá trình tái sinh thu hồi dễ dàng Thiết bị đơn giản lên giá thành rẻ Kéo dài tính bền học xúc tác Thiết Thiết kế thiết bị phản ứng khó khăn lên giá thành cao Độ bền học chất xúc tác giảm - Hiệu suất thấp - Garadien nhiệt lớn, phá hủy xúc tác nhanh chóng di chuyển pha hoạt động hao mòn xúc tác → Ta thấy cơng nghệ amoxy hóa propylen xúc tác tầng sơi có ưu điểm vượt trội hơn, giá thành cao hiệu suất cao, tái sinh thu hồi xúc tác dễ dàng Tùy theo điều kiện cụ thể mà lựa chọn phương phá Chương III: Tính tốn  Các thông số Thành phần nguyên liệu đầu vào: SVTH: Lê Đức Anh 16 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Nguyên liệu đầu vào Thành phần (%V) Propylen 8,20 Amoniac 9,25 Khơng khí 82,00 propan 0,5 Tạp chất amoniac 0,05 Biết: - Độ chuyển hóa tính theo propylen 95%, 92% chuyển hóa thành acrylonitril, 8% chuyển hóa thành sản phẩm phụ axetonitril Coi tổn thất nguyên liệu 2% - Hiệu suất đạt 80% - Số ngày làm việc thực tế: 330 ngày Biết: - Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 28 - Phản ứng tỏa nhiệt với hiệu ứng nhiệt – 515 kJ/mol - Nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm đầu là: 400oC Giả sử dùng dòng dầu tản nhiệt cho phản ứng: - Nhiệt độ đầu vào dòng dầu: 110oC - Nhiệt độ đầu dòng dầu tản nhiệt: 200oC -Coi mát nhiệt cho môi trường 5% nhiệt đầu vào  Nội dung cần tính tốn • Tính cân vật chất cho thiết bị phản ứng + Tính lượng propylen cần dùng cho tháng sản xuất? + Giá propylen amoniac thời điểm tại? + Tính chi phí đầu vào cho tháng sản xuất • Tính cân nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng + I Tính lượng dầu tản nhiệt cần dùng cho thiết bị phản ứng? Tính cân vật chất SVTH: Lê Đức Anh 17 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Năng suất acrylonitril 200000 tấn/kg → Năng suất dây chuyền tính theo giờ: GAN = 200000000 = 25252,525 (kg/h) 330.24 → Số mol acrylonitril là: nAN= 25252,525 = 476,463 (kmol/h) 53 Theo : Độ chuyển hóa tính theo propylene 95% 92% tạo thành acrynotril 8% tạo thành axetonnitrit phản ứng trình gồm: O2+ NH3 → CH2=CH-CN +H2O (1) Phản ứng phụ : 2CH3-CH=CH2 + O2+ 3NH3 → 3CH3-CN+ H2O (2) Phản ứng : CH3-CH=CH2 + Tính lưu lượng khối lượng nguyên liệu đầu vào -Số mol propylene phản ứng là: Theo phản ứng 1: npropylen= nacrylonitril=476,463 (kmol/h) + Do hiệu suất phản ứng 80% độ chuyển hóa propylene 95% 92% tạo thành acrylonitril → Số mol propylene đầu vào (chưa tính tổn thất ) 476, 463 =681,44 (kmol/h) 80%.95%.92% +Theo thực tế, tổn thất trình 2%.nên lượng mol propylene đầu vào là: 681,44/98%= 695,35(kmol/h) +Propylene đầu vào chiếm 8,2% thể tích( %mol= %thể tích) → ∑ nhỗn hợp đầu vào = npropylen đầu vào/8,2%= 695,35/8,2%= 8479,878 (kmol/h) Tổng số mol hỗn hợp nguyên liệu vào 8479,878 (kmol/h) - NH3 chiếm 9,25%V nên nNH3=8479,878 9,25%=784,39(kmol/h) - Không khí chiếm 82%V nên nkhơng khí = 8479,878 82%= 6953,5(kmol/h) - Propan chiếm 0,5%V nên npropan= 8479,878 0,5%=42,4 (kmol/h) - Tạp chất chiếm 0,05% nên ntạp chất= 8479,878.0,05%= 4,238(kmol/h) Vậy lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu vào sau: - mpropylen=695,35.42=29204,7(kg/h) - mNH3= 784,39.17=13334,63 (kg/h) - mkhơng khí= 6953,5.29= 201651,5 (kg/h) - mtạp chất=4,238.17=72,046(kg/h) (coi khối lượng tạp chất khối lượng NH3) - mpropan=42,4 44=1865,6( kg/h) 2.Tính khối lượng đầu Hỗn hợp đầu gồm: - Acrytonitril: 476,463kmol/h - NH3 dư SVTH: Lê Đức Anh 18 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh - Propylen dư - Tạp chất - Axetonnitril - Nước - N2 - O2 +)naxetonnitrl= 1,5 npropylen.98%.95%.8%.80%( Tính theo phản ứng 2) =1,5 695,35 98% 95% 8%.80%= 62,15(kmol/h) (Do tổn thất nguyên liệu 2%, độ chuyển hóa propylene 95% 8% chuyển hóa thành axetonnitril hiệu suất phản ứng 80%) nH2O=3 nacrylonitril+ 2naxetonnitril= =3 476,463+2 62,15=1553,689(kmol/h) - nNH3 dư= nNH3 đầu vào-nNH3 phản ứng 1,2= nNH3 đầu vào-(nacrylonitril+naxetol nitril) =784,39-(476,463+62,15)=245,777(kmol/h) - nN2= 79%nkk=79%.6953,5 =5493,265(kmol/h) - ntạp chất= 4,238(kmol/h)( tạp chất không tham gia phản ứng) - nO2 dư=21%kk-(1,5.nacrylonitril+naxeton nitrill) =21%.6953,5 - (1,5.476,463+62,15) =683,3905( kmol/h) - npropan=42,4(kmol/h)(vì lượng propan nhỏ nên coi khơng phản ứng) - npropylen dư(là lượng mol propylene chưa chuyển hóa)= 681,44.5%=34,072(kmol/h) Vậy lưu lượng khối lượng sản phẩm đầu - macrylonitrin=476,463.53= 25252,525kg/h - mNH3 dư=245,777 17=4178,209(kg/h) - mtap chất=4,238.17=72,046(kg/h) mpropylen dư= 34,072 42=1431,024(kg/h) mH2O= 1553,689.18=27966,402(kg/h) mpropan= 1865,6 (kg/h)(bằng lượng đầu vào propan không phản ứng) mN2=5493,265 28= 153811,42(kg/h) mO2 dư= 683,3905.32= 21868.496(kg/h) maxtetonitril=62,15.41=2548,15(kg/h) Nguyên liệu đầu vào Nguyên liệu Lưu lượng khối lượng(kg/h) SVTH: Lê Đức Anh Sản phẩm đầu Nguyên liệu Lưu lượng khối lượng(kg/h) 19 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh - Propylene 29204,7 - Acrylonitril 25252,525 - NH3 13334,63 - Axetonitrin 2548,15 - Không khí 201651,5 - NH3 dư 4178,209 - Propan 1865,6 - Propylen dư 1431,024 - Tạp chất - H2O - Propan - N2 - O2 dư - Tạp chất 72,046 amoni 27966,402 1865,6 153811,42 21868,496 72,046 amoni Tổng 246128,476 238993,872 Bảng: Cân vật chất cho thiết bị amoxy hóa → Nhận xét: Tổng khối lượng sản phẩm giảm 246128, 467 − 238993,872 × 100 % 246128, 467 =2,8% so với tổng khối lượng nguyên liệu đầu vào Ta giải thích điều do: - Tổn thất ngun liệu: bị thất ngồi trình nạp nguyên - liệu vào thiết bị… Sản phẩm bám dính vào thiết bị ( khơng đáng kể)… Tính chi phí đầu vào cho tháng sản xuất: -Số làm việc bình quân tháng : h = 330 × 24 = 660 (do năm 12 làm việc 330 ngày) -Giá propylene ammoniac thời điểm tại(tháng 12/2012) 1490USD/tấn 460USD/tấn -Lượng propylene ammoniac dùng 1h + mpropylen = mpropylen đầu vào - mpropylen dư = 29204,7-1431,024=27773,676 kg + mNH3 = mNH3 đầu vào - mNH3 dư =13334,63-4178,209=9156,421 kg Vậy chi phí đầu vào cho tháng sản xuất là: CP= (1, 49 × 27773, 676 + 0, 46 × 9156, 421) × 660 = 30092552,39USD SVTH: Lê Đức Anh 20 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh II Tính toán cân nhiệt cho thiết bị phản ứng Ta có cân nhiệt sau: Tổng lượng nhiệt dòng vào =Tổng lượng nhiệt dòng Hay: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 (II) Trong : - Q1: Lượng nhiệt hỗn hợp nguyên liệu mang vào (kJ/h) - Q2: Lượng nhiệt dầu tải nhiệt mang vào (kJ/h) - Q3: Lượng nhiệt phản ứng tỏa (kJ/h) - Q4: Lượng nhiệt sản phẩm mang (kJ/h) - Q5: Lượng nhiệt dầu tải nhiệt mang (kJ/h) - Q6: Lượng nhiệt mát mơi trường (kJ/h) Tính lượng nhiệt hỗn hợp nguyên liệu mang vào (Q1) Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 2800C (553K) Ta có nhiệt dung riêng chất 2800C sau: Nguyên liệu Propylen Amoniac Khơng khí Propan Tạp chất amoniac xi(Phần mol) 0,082 0,0925 0,82 0,005 0,0005 Cp.103(kJ/kmol.K) 18015,45 26557,35 11079,3 89683,35 26557,35 (Coi tạp chất ammoniac có nhiệt dung riêng nhiệt dung riêng ammoniac) Nhiệt dung riêng hỗn hợp nguyên liệu dạng khí vào thiết bị phản ứng tính theo cơng thức sau: CP ng.liệu = ∑ Cpi × xi (kJ/kmol.K) =13480,54328.10-3 (kJ/kmol.K) Vậy lượng nhiệt hỗn hợp nguyên liệu mang vào là: Q1 = Gng.liệu × CP ng.liệu × Tng.liệu (kJ/h)= 8479,878.(13480,54328.10-3).553 =63215289,4 (kJ/h) Tính lượng nhiệt dầu tải nhiệt mang vào(Q2) Q2 = Gdầu × CP(dầu) × Tdầu SVTH: Lê Đức Anh 21 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Trong đó: - Gdầu : khối lượng dầu tải nhiệt vào, kg/h - Q2 : lượng nhiệt dầu tải nhiệt mang vào, kJ/h - Tdầu : nhiệt độ dầu tải nhiệt mang vào,oC - CP(dầu): nhiệt dung riêng dầu tải nhiệt, kJ/kg k Với nhiệt độ đầu vào 110 oC khối lượng riêng dầu 900kg/m ta có nhiệt dung riêng dầu là: CP(dầu) = 0,53 kcal/kg oC = 2,219 kJ/kg k ( Ở ta lấy cal = 4,1868 J ) → Q2 = Gdầu × 2,219 × 110 = 244,09 × Gdầu (kJ/h) Tính lượng nhiệt phản ứng tỏa (Q3): Phản ứng: CH2=CH-CH3 + O2 + NH3 → CH2=CH-CN + 3H2O (1) ∆H0298 = - 515 KJ/mol 2CH2=CH-CH3+ 3O2 + 3NH3 → 3CH3CN + 6H2O (2) Hiệu ứng nhiệt phản ứng (2) là: ∆H0298 (2)= ∑ nhiệt hình thành chất sau phản ứng - ∑ nhiệt hình thành chất trước phản ứng Ta có nhiệt hình thành chất thể khí sau: ∆Ho298 (kcal/mol) Tên khí Propylen Amoniac Acetonitril O2 H2O 4,879 -11,04 17,696 -57,8 Suy ra: (2)= -270,35 (kcal/mol)=-1131,9(kJ/mol) (Phản ứng tỏa nhiệt) Vậy tổng lượng nhiệt phản ứng tỏa là: Q3 = nacrylonitrin.(- (1))+ 1/3 naxetonitrin (2)) =(476,463.103).515+1/3 (62,15.103).1131,9 =268827640 (kJ/h) SVTH: Lê Đức Anh 22 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Tính lượng nhiệt sản phẩm mang ra(Q4) Hỗn hợp sản phẩm đầu có nhiệt đọ 400 oC (673K) Ta có nhiệt dung riêng chất 2800C sau: Sản phẩm xi (Phần mol) CP.103(kJ/kmol.K) Acrylonitril 0,0554 38912,7 -3 Propylen 3,964.10 72871,45 Amoniac 0,0286 28014,43 -3 Acetonitril 7,23.10 45665,32 N2 0,639 10322,5 O2 0,0795 13403,95 H2O 0,181 92421,53 -3 4,933.10 18521,95 Propan -4 3,73.10 28014,43 Tạp chất amoniac Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm là: CP(sản phẩm) = ∑ Cpi × xi (kJ/kmol.K) =28067,806.10-3 (kJ/kmol.K) Vậy: Nhiệt lượng dòng sản phẩm mang là: Q4 = Gsp × CP(sp) × Tsp (kJ/h) =8595,4445.(28067,806.10-3).673 =162364795,8 (kJ/h) Nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang ra(Q5) Q5 = Gdầu × CP(dầu) × Tdầu Trong đó: - Gdầu : khối lượng dầu tải nhiệt ra, kg/h - Q5 :lượng nhiệt dầu tải nhiệt mang ra, kJ/h - Tdầu :nhiệt độ dầu tải nhiệt ra,oC - CP(dầu): nhiệt dung riêng dầu tải nhiệt, kJ/kg oC Với nhiệt độ đầu vào 200 oC khối lượng riêng dầu 900kg/m ta có nhiệt dung riêng dầu là: CP(dầu) = 2,623, kJ/kg oC Suy ra: Q5=524,6 Gdầu (kJ/h) Nhiệt lượng mát(Q6) Do coi mát nhiệt cho môi trường 5% nhiệt đầu vào nên: Q6=0,05(Q1+Q2+Q3) SVTH: Lê Đức Anh 23 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh =0.05.( 63215289,4+244,09 × Gdầu +268827640) =16602146,47+12,2045.Gdầu (kJ/h) Thay giá trị Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6 vào biểu thức (II) ta có: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 ↔ 332042929,4+244,09.Gdầu=178966942,27+536,8045.Gdầu Suy ra: Gdầu=522953,21 (kg/h) Vậy lượng dầu tản nhiệt cần dùng cho thiết bị phản ứng 522953,21 (kg/h) Nhiệt dòng vào (kJ/h) Q1 = 63215289,4 Nhiệt dòng (kJ/h) Q4 = 162364795,8 Q2 = 127647649 Q5 = 274341254 Q3 = 268827640 Qvào = 459690578,4 Q6=22984528,92 Qra = 459690578,7 Bảng: Cân nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng amoxy hóa SVTH: Lê Đức Anh 24 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Kết luận Sauk hi hoàn thành đồ án, em đã: - Tìm hiểu cấu tạo, tính chất acrylonitril - Các ứng dụng quan trọng acrylonitri - Hiểu đánh giá công nghệ sản xuất acrylonitril công nghiệp - Tính tốn cân nhiệt cân vật chất thiết bị phản ứng SVTH: Lê Đức Anh 25 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Đồ án: Cơng nghệ hóa dầu chế biến polime GVHD: Ts Nguyễn Thị Linh Tài liệu tham khảo Giáo trình cơng nghệ hóa dầu Ths Nguyễn Thị Linh Cơng nghệ tổng hợp hữu – hóa dầu Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên- NXB Khoa học kĩ thuật-2006 Sổ tay hóa cơng 1,2 Petrochemical process- vol 2-A Chauvel, G Lefebvre Tổng hợp hữu hoá dầu , Phan Minh Tân , NXB ĐH Quốc gia TP.Hồ Chí Minh Tổng hợp hưu , Nguyễn Minh Thái, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh http://en.wikipedia.org (“ Acrylonitrile”) Ngơ Thị Nga Kỹ thuật phản ứng -2006 SVTH: Lê Đức Anh 26 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 ... hợp Acrylat, Acrylamin… Mục đích đồ án tìm hiểu cơng nghệ sản xuất acrylonitril tính tốn cân cho thiết bị phản ứng với dây chuyền công suất 200. 000 tấn/ năm Nội dung đồ án gồm có phần: Chương... dùng cho tháng sản xuất? + Giá propylen amoniac thời điểm tại? + Tính chi phí đầu vào cho tháng sản xuất • Tính cân nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng + I Tính lượng dầu tản nhiệt cần dùng cho thiết. .. hiểu cấu tạo, tính chất acrylonitril - Các ứng dụng quan trọng acrylonitri - Hiểu đánh giá công nghệ sản xuất acrylonitril cơng nghiệp - Tính tốn cân nhiệt cân vật chất thiết bị phản ứng SVTH: Lê