An toàn về trang thiết bị trong nhà máy hoá chất từ khâu thiết kế đến khâu vận hành

MTBE là tên viết tắt của Metyl tert butyl ete là hợp chất chứa oxy có công thức cấu tạo: MTBE được tổng hợp từ TBA hoặc tổng hợp từ isobutylen với metanol ( đây là hai phương pháp chính trong công nghiệp). MTBE là cấu tử có trị số octan rất cao do vậy được sử dụng chủ yếu để pha vào xăng nhằm cải thiện chất lượng xăng và giảm ô nhiễm môi trường. MTBE có nhiều ưu điểm hơn so với phụ gia Pb ở chỗ MTBE vừa có tác dụng nâng cao trị số ON của xăng vừa làm tăng khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu, do đó giảm khí thải gây ô nhiễm( khí CO ), không làm tăng áp suất hơi b•o hoà của nhiên liệu, ổn định tốt có tính tương thích khi pha chộn với nhiên liệu, tan tốt trong nhiên liệu… Nhu cầu tiêu thụ MTBE đang tăng nhanh, MTBE là một trong những hoá chất tăng trưởng mạnh nhất trên thế giới với tốc độ tăng trưởng trung bình 20% mỗi năm (1989--1994).Dự báo đến năm 2010 nhu cầu về MTBE trên toàn thế giới có thể lên tới 29000 tấn/năm. Có nhiều công nghệ sản xuất MTBE của các h•ng khác nhau trên thế giới, ví dụ như qui trình công nghệ sản xuất MTBE của Snamprogatti (Mĩ) sử dụng nguyên liệu là hỗn hợp khí C4 chứa isobutylen. Qui trình công nghệ sản xuất MTBE của Huls ( Cộng hoà liên bang Đức). quá trình của CD Tech dùng nguyên liệu C1 và C5 ( hỗn hợp khí). Quá trình ARCO với nguyên liệu từ quá trình đehydrat hoá Tert Butyl Alcohol.

Mở Đầu MTBE tên viết tắt Metyl tert butyl ete hợp chất chứa oxy có công thức cấu tạo: MTBE đợc tổng hợp từ TBA tổng hợp từ isobutylen với metanol ( hai phơng pháp công nghiệp) MTBE cấu tử có trị số octan cao đợc sử dụng chủ yếu để pha vào xăng nhằm cải thiện chất lợng xăng giảm ô nhiễm môi trờng MTBE có nhiều u điểm so với phụ gia Pb chỗ MTBE vừa có tác dụng nâng cao trị số ON xăng vừa làm tăng khả cháy hoàn toàn nhiên liệu, giảm khí thải gây ô nhiễm( khí CO ), không làm tăng áp suất bÃo hoà nhiên liệu, ổn định tốt có tính tơng thích pha chộn với nhiên liệu, tan tốt nhiên liệu Nhu cầu tiêu thụ MTBE tăng nhanh, MTBE hoá chất tăng trởng mạnh giới với tốc độ tăng trởng trung bình 20% năm (1989 1994).Dự báo đến năm 2010 nhu cầu MTBE toàn giới lên tới 29000 tấn/năm Có nhiều công nghệ sản xuất MTBE hÃng khác giới, ví dụ nh qui trình công nghệ sản xuất MTBE Snamprogatti (Mĩ) sử dụng nguyên liệu hỗn hợp khí C4 chứa isobutylen Qui trình công nghệ sản xuất MTBE Huls ( Cộng hoà liên bang Đức) trình CD Tech dùng nguyên liệu C1 C5 ( hỗn hợp khí) Quá trình ARCO với nguyên liệu từ trình đehydrat hoá Tert Butyl Alcohol Chơng I: Tổng quan lý thuyết A.GiƠí thiệu MTBE : I.TÝnh chÊt cña MTBE:[8,9,10] 1.TÝnh chÊt lÝ häc: [9] MTBE chất lỏng không màu, linh động, độ nhớt thấp, dễ cháy, tan vô hạn dung môi hữu hydrocacbon Bảng Tính chất vật lý MTBE M t0s Sức căng bề mặt Nhiệt dung riêng ( 200C) Nhiệt hoá Nhiệt cháy ĐIểm bốc cháy cháy Giới hạn nổ với không khí Nhiệt độ tới hạn Nhiệt độ tự bốc cháy Độ nhít (g/s.cm) Tû träng §é tan cđa MTBE níc Nhiệt độ kết tinh Tỷ trọng bay tơng đối áp suất tới hạn 88.15 55.30C 20 mN/Kg.độ 2.18KJ/Kg.độ 337KJ/Kg -34.88 mJ/Kg -280C 1.65-8.4 %V 2240C 4600C 0,003-:- 0,004 0,74044-:- 0,7478 48% -1090C 3,1 3.43MPa MTBE tạo hỗn hợp đẳng phí với nớc với metanol Bảng Các hỗn hợp đẳng phí MTBE t0s, 0C 52.6 51.6 (2.5 MPa) 68 175 ( 1.0MPa) MTBE - Metanol Hàm lợng MTBE, %Kl 96 86 130 Hỗn hợp đẳng phí MTBE - nớc MTBE - Metanol MTBE- Metanol 54 2.TÝnh chÊt ho¸ häc: [9] MTBE kh¸ ỉn định dới điều kiện axit yếu, môi trờng kiềm trung tính, môi trờng axit mạnh có cân sau: CH3 CH3 + H CH3 - O - C - CH3 CH3OH + CH2 = C CH3 CH3 CH3 Tính chất hoá học MTBE: Nguyên tử oxy O phân tử MTBE có cặp điện tử không chia nguyên tử gốc alkyl -CH3 -C(CH3)3 có hiệu ứng cảm ứng dơng (+I) đà tạo cho MTBE ( ete) mang đặc tính bazơ Do MTBE tham gia phản ứng hoá học với axit 2.1.Phản ứng với axit vô mạnh: MTBE phản ứng với axit vô mạnh nh HCl, H2SO4 t¹o muèi CH3OC4H9 + HCl → [ CH3OC4H9]HCl 2.2.Ph¶n øng víi HI: MTBE ph¶n øng víi HI , s¶n phÈm cđa ph¶n øng phơ thc vào nhiệt độ (-) điều kiện nhiệt độ thờng: CH3 CH3 C O CH + HI CH3 CH3I + CH3 CH3 C OH CH3 (-) ë ®iỊu kiƯn nhiƯt ®é cao ( ®un nãng) CH3 CH3 C O CH + 2HI CH3 CH3I + (CH3)3CI + H2O ((CH3)3C - - CH3) 2.3.Ph¶n øng víi oxi: (-) nhiệt độ thấp tạo hợp chất peroxyl không bỊn, dƠ g©y nỉ CH3 CH3 CH3 C O CH3 + O CH3 C CH2 CH3 CH3 O - OH (-) nhiệt độ cao : phản ứng cháy: CH3 – O – C(CH3)3 + 15/2 O2 CO2 + H2O + Q Trong điều kiện phản ứng môi trờng axit, MTBE gần nh trơ với tác nhân khác nh: buten,isobutylen,n-butan,isobutan.Điều làm giảm sản phẩm phụ tăng độ chọn lọc Tuy cân chuyển dịch sang phải tạo isobutylen metanol, dẫn tới làm giảm độ chuyển hoá Do ta phải lấy MTBE khỏi môi trờng phản ứng liên tục để cân chuyển dịch sang trái MTBE có đầy đủ tính chất hoá học ete thông thờng nh: phản ứng với axit vô mạnh nh HCl, H2SO4,tạo muối ( hợp chất oxoni) Ph¶n øng víi HI, ph¶n øng víi O ( nên dễ gây nổ) ; tham gia phản ứng vơi halogen ho¸ víi Cl 2, Br2 ë gèc H- C II øng dơng cđa MTBE:[1,8,9] 1/ øng dơng lµm phơ gia cao octan xăng nhiên liệu Hiện 90% MTBE sản xuất đợc làm phụ gia nhằm tăng trị số octan xăng MTBE có trị sè octan cao : RON : 115 -:- 135 MON : 90 -:- 120 Sự pha trộn đạt hiệu cao MTBE trộn với xăng dầu parafino ngợc laị trộn với xăng xăng giàu olefin áp xuất bÃo hoà xăng giảm Điều ảnh hởng trực tiếp đến khả pha trộn Butan vào nhiên liệu làm giảm tính kinh tế Khi áp xuất bÃo hoà giảm xuống khả pha trộn Butan vào xăng tăng lên , làm tăng triển vọng kinh tế Butan cấu tử dễ tìm , rẻ tiền có trị số octan cao Ngoài mục đích tăng trị số octan cho xăng Khi thêm MTBE vào xăng làm giảm áp xuất bÃo hoà xăng làm giảm tính bay đồng thời cháy tạo CO giảm hàm lợng Hydrocacbon không cháy hết Mặc dù MTBE có nhiệt cháy thấp chút so với xăng nhng trộn khoảng 20%V không làm giảm công suất động mức tiêu hao nhiên liệu Đồng thời có tác dụng làm khởi động động dễ dàng lúc nhiệt độ thấp ngăn cản trình tạo muội xilanh 2/Những ứng dụng khác : MTBE đợc sử dụng làm nguyên liệu hợp chất trung gian công nghiệp tổng hợp hũ hoá dầu MTBE bị bẻ gÃy tạo Metanol Ngoài MTBE đợc làm nguyên liệu để sản xuất hợp chất quan trọng khác nh Metacrolein , axitMetacrylic , iso_pren , dùng làm dung môi trình phân tích làm dung môi triết 3/ Những u, nhợc điểm MTBE sử dụng : Ưu điểm : +Trị số octan cao +Độ bay thấp +Khả pha trộn với xăng tốt +Giảm tạo CO cháy hết Hydrocabon +Tính kinh tế không phụ thuộc vào trợ giá +Sản phẩm thay chất khác có giá trị tơng đơng +Đợc chấp nhận thị trờng Nhợc điểm : + Nguyên liệu isobutylen khó tìm đắt tiền +Độc hạt với môi trờng nớc Tuy phụ gia MTBE đợc đánh giá phụ gia đợc sử dụng rộng giới để thay cho phụ gia chì III Nhu cầu sản lợng MTBE Thế giới năm gần đâ y: [8] Năm 1987, sản lợng MTBE 1.6 triệu tấn, xếp thứ 32 số sản phẩm hàng hoá sử dụng Mĩ Nhu cầu MTBE giới tăng hàng năm khoảng 8.1% từ năm 1994 đến Tuy nhiên theo dự đoán chuyên gia khoảng từ năm 2000 đến năm 2010, mức độ tăng trởng hàng năm MTBE khoảng 1.7% Qua bảng số liệu ta thấy đợc nhu cầu MTBE giới lớn khu vực khác khả tiêu thụ MTBE khác Khả cung cấp MTBE giới không thay đổi năm 2010 nh nớc Trung Đông nơi xuất chủ yếu MTBE Tuy nhiên với nớc mẻ lịch sử sản xuất hợp chất trở nên cấp thiết nhu cầu MTBE tăng không đợc đáp ứng kịp thời nh Mĩ nớc Đông Bảng 3- Nhu cầu MTBE giới( đơn vị: nghìn tấn)[8] Tốc độ tăng trởng hàng 1994 1995 1996 1998 2000 Mĩ 7790 10921 12174 12246 12477 7.7 Canada 183 238 286 292 297 8.4 MÜLaTinh 538 1065 1115 1186 1262 15.3 Nhật 388 427 434 444 471 3.3 Viễn Đông 1312 1669 1963 2472 2472 14.9 Ch©u óc 0 0 TrungĐông 0 147 200 Châu phi 70 70 7070 70 70 Tây Âu 2259 2064 2419 2449 2478 1.6 Đâng Âu 388 505 542 594 624 8.2 Tổng 13128 17003 19003 19898 20895 8.1 năm (%) Bảng4: Tổng giá trị thơng mại MTBE giới ( đơn vị: tấn) [8] Mĩ Canada Mĩ LaTinh Nhật Viễn Đông Châu úc TrungĐông Châu phi Tây Âu Đâng Âu 1994 1348 376 113 15 434 1257 126 74 1995 2453 259 139 18 533 2062 607 63 1996 310 260 639 25 590 2319 518 45 IV Các phơng pháp tổng hỵp MTBE:[8,19,22] 2000 3491 276 660 25 972 2986 17 603 53 Cơ sở hoá học trình sản xuất MTBE:[1,8] MTBE đợc tạo thành phản ứng cộng hợp metyl alcohol(metanol) vào liên kết đôi hoạt động isobutylen, phản ứng nh sau: CH3 C CH2 CH3OH + CH3 CH3 xt CH3 C t = 40ữ100 C O CH3 CH3 (MTBE) Phản ứng xảy pha lỏng điều kiện nhiệt độ 40ữ 1000 áp suất 100ữ 150psig, phản ứng toả nhiệt nhẹ H=-37KJ/Kmol Xúc tác nhựa trao đổi ion mang tính axit, phản ứng xảy nhanh nhiều theo số lợng Đây phản ứng thuận nghịch, phản ứng có c¸c cÊu tư C kh¸c nh: buten, butan,isobutan,… Vì phản ứng thuận nghịch, để thu đợc độ chuyển hoá cao (tức thu đợc nhiều MTBE) ta phải lấy lợng metanol so với hệ số tỉ lợng , đồng tìm cách lấy MTBE khỏi môi trờng phản ứng Quá trình tổng hợp MTBE trình dị thể Langmuri-Hinshel(L-R) 2.Động học chế phản ứng tổng hợp MTBE [19,22] Phản ứng tổng hợp MTBE phản ứng thuận nghịch, xúc tác axit động học chế phản ứng phụ thuộc vào môi trờng phản ứng Điều có nghĩa lµ phơ thc vµo tØ lƯ R=isobutylen /metanol Cã thĨ xem phản ứng xảy theo chế ion víi sù proton ho¸ Isobutylen tríc: CH3 C CH2 + +H CH3 CH3 +C (1) CH3 CH3 Sau ®ã ion cacbon tơng tác với metanol: CH3 CH3 C+ CH3 CH3 + O CH3 H CH3 + C O CH3 CH3 H (2) Sau ®ã : CH3 CH3 + C CH3 O CH3 CH3 CH3 H C O CH3 + H+ (3) CH3 Ta xét trờng hợp sau: tỉ lệ R 0,7, lợng metanol chủ yếu môi trờng phản ứng, metanol có xu hớng hấp thụ lên xúc tác nhựa trao đổi ion, hầu hết nhóm sulffonic nhựa bị solffat hoá rợu: Me+OH2 + R – SO3- R – SO3H + MeOH Khi ®ã sù hấp phụ anken lên nhựa nhỏ Do thấy tiến trình phản ứng tổng hợp MTBE theo chế Eley-Redeal (E-R).Tức phản ứng xảyra bề mặt nhựa isobutylen từ dung dịch với metanol đà hấp thụ Phản ứng bề mặt giai đoạn định tốc độ : MeOH + δ MeOH.δ MeOH.δ + isobuten + 2δ MTBE.δ MTBE.δ + MTBE + Khi tốc độ phản ứng đợc xác định theo: = k f k Me (C iB C Me − C MT /k) (1 + k Me C Me + k MT C MT ) Trong ®ã : r : tốc độ phản ứng Kf : số tốc độ phản ứng thuận KMe: số cân hÊp phơ cđa metanol K: H»ng sè c©n b»ng nhiƯt ®éng Ci: Nång ®é cđa cÊu tư i, mol/l i: isobutylen , metanol, MTBE KMT: h»ng sè c©n b»ng hÊp phụ MTBE : tâm hoạt động Khi bị hấp phụ , metanol đợc nối hydro theo ba kích thớc mạng lới ba nhóm SO3H phản ứng với isobutylen từ dung dịch mao quản pha tạo gel Sự hoạt động đồng tác dụng cđa ba nhãm - SO 3H sÏ t¹o ta ter- butyl có công thức cấu tạo giống cation trao đổi phối hợp cation xảy Theo chế này, xảy tạo thành mức độ nhỏ khả phản ứng thấp alken thẳng, buten -1 hầu nh không bị hấp phụ R 0,7 Ngoài có tạo thành dimetyl ete (DME) phản ứng hai phân tử metanol hấp phụ hai nhóm - SO3H cạnh theo ph¶n øng: H+ CH3OH CH3 – O – CH3 + H2O Khi 0,7 < R < 0,8 tức C i-B có giá trị tơng đối lớn, ®ã cã thĨ thÊy r»ng c¬ chÕ Langmuri- Hinshelwood (L-H) bắt đầu có tác dụng Theo chế L-H này, metanol isobutylen bị hấp phụ lên bề mặt xúc tác nhựa cationit để phản ứng tạo MTBE: MeOH+ δ MeOH.δ IB + δ IB.δ MeOH.δ + δ + IB.δ MTBE.δ + 2δ MTBE + δ MTBE.δ Ph¶n øng bề mặt định tốc độ chung Động lực học phản ứng đợc xác định theo phơng trình 10 Tổng Qvào= 1039,42 Qra=1039,42 III Tính thiết bị phản øng chÝnh: III.1 TÝnh thĨ tÝch lµm viƯc cđa thiÕt bị phản ứng: Phản ứng tổng hợp MTBE đợc tiến hành điều kiện t0= 60ữ800C IsoC4H8 + MeOH MTBE Đây phản ứng bậc Phơng trình động häc cđa ph¶n øng cã thĨ viÕt : r= - − dC = k.C dτ dC = k.C dτ (coi C (iso C4H8 ) = CMeOH) − dC = k.dτ C2 LÊy tÝch ph©n vÕ ta ®ỵc:  1  C − C  τ o   = k.τ   , (**) Trong ®ã: τ: thêi gian lu (s) K: h»ng sè vËn tốc phản ứng C0, C : nồng độ lúc ban đầu sau thời gian lu - Xác định số vận tốc k: Ta xác định k từ nh÷ng sè liƯu dùa theo (5) r = 0,0151 mol/h.mequiv C = 4,75 mequiv/gxt XMeOH = 7,2% Ta cã: W = k C1 C2 W ⇒ k = C C (Trong đó: C1, C2 nồng độ iso-C4H8 Metanol) Ta xác định C1 C2 nh sau: 57 Trong 1l dung dịch hỗn hợp: Vì ρMeOH = 0,7649g/cm3= 764 g/l = 23,875 mol/l ρiso- C4 H8 = 0,588 g/cm3 = 588g/l = 10,5 mol/l VËy 1l dung dịch thì: Số mol Metanol 23,875 mol/l Sè mol cđa iso-C4H8 lµ 10,5 mol/l VËy nÕu gäi x lµ thĨ tÝch cđa Metanol 1l dung dịch hỗn hợp (1-x) thể tích isoC4H8 Vì tỷ lệ mol: Metanol =1,1 nên: iso C4 H8 x 23,875 = 1,1 [(1-x) 10.5] => x = 0,326 MeOH VËy: C0 = 0,326 23,875 0,3863 = 3,0067mol/l iso -C4 H8 C0 = 3,0067 1,1 = 2,7334mol/l Phản ứng: Iso-C4H8 Ban đầu + 2,7334 MeOH 3,0067 (2,7334 – 3,0067xMeOH ) 3,0067(1- xMeOH) MTBE 3,0067 xMeOH Và ta có xMeOH = 7,2% Vậy sau phản øng: C iso C4H8 = 2,7334 – 3,0067.0,072 = 2,5169 mol/l CMeOH = 3,0067(1- 0,072) = 2,7902 mol/l VËy: k= 0,0151.4,75 2,5169.2,7902 = 0,01021337 l2/mol.h.gxt k = 0,0102.10-6 ((m3)2/mol.h.gxt) Ta sử dụng loại xúc tác Amberlyst 15 với thông số nh sau: [5] dhạt= 0,74mm Bề mặt riêng A= 42m2/g 58 (mol/l) (mol/l) Trọng lợng riêng đống: đống= 760 kg/m3 = 760.000 g/m3 Do ®ã: k = 0,0102.10 −6 k = 7,752.10-3 (m ) mol.h m3 760.10 m3 mol h Xác định C0 C : Co = (Số mol iC4H8 hỗn hợp vào)/(Thể tích hỗn hợp vào, m3) Thành phần hỗn hợp vào thiết bị phản ứng dựa vào bảng: Bảng 24 Thành phần hỗn hợp vào thiết bị phản ứng Lợng vào Cấu tử isoC4H8 Metanol isoC4H10 nC4H10 nC4H8 C3H8 C3H6 C5H12 H2O Tæng ρ, kg/m3 587,9 736,7 540 573 598,4 490 510 602 983 Kmol/h kg/h 42,76 47,0 46,48 3,065 3,575 1,0216 2,88 0,511 0,836 2394,42 1505,2 2695.09 177,71 200,2 44,968 121,04 36,79 15,05 7188,368 ThÓ tÝch mol (l/mol) 0,095 0,043 0,107 0,101 0,094 0,090 0,082 0,025 0,018 0,630 Tổng thể tích hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị là: V= 13,037 (m3/h) Vậy: C0 = 42,76.10 = 13,037 Cτ = 3,2797 (kmol/m3) Sè mol iso C4H8 hỗn hợp (nguyê n liệu) Thể tích hỗn hỵp ra, m 59 V(m3/h) 4,074 1,973 6,00 0,310 0,335 0,092 0,237 0,0013 0,016 13,037 Bảng 25 Bảng hỗn hợp sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng Lợng CÊu tö isoC4H8 Metanol MTBE isoC4H10 nC4H10 nC4H8 C3H8 C3H6 C5H12 H2O Tæng ρ,kg/m3 Kmol/h Kg/h 8,552 12,792 34,15 46,48 3,065 3,575 1,0216 2,88 0,511 0,836 478,912 409,334 3010,304 2695,04 177,71 200,2 44,968 121,04 36,79 15,05 7188,368 587,9 736,7 730,4 540 573 598,4 490 510 602 983 ThÓ tÝch mol (l/mol) 0,095 0,043 0,127 0,107 0,101 0,094 0,090 0,082 0.025 0,018 Thể tích dòng sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng là: V=12,127 (m3/h) Vậy: C = 8,552.103 =705,2(mol/m3) 12,127 = 0,7052(kmol/m3) Thay vào (**) ta đợc:   −   = 0,0199.τ 705,2 3279,7   ⇒ τ = 0,056 (h).= 3,36(phót) VËy thể tích làm việc thiết bị là: Vr =m v Trong đó: m: hệ số dự trữ (lấy m = 1,5) v: Thể tích hỗn hợp dòng vào, m3/h τ : Thêi gian lu, h VËy: Vr = 1,5.0,056.13,037 = 1, 095 (m3) 60 V(m3/h) 0,815 0,536 4,121 6,00 0,310 0,335 0,092 0,237 0,013 0,016 12,127 Vr = 1,095 (m3) = 1,1 (m3) III.2 TÝnh kÝch thíc thiÕt bị phản ứng: [4] Thiết bị phản ứng thiết bị ống chùm đoạn nhiệt, bên chứa xúc tác nhựa trao đổi ion Hỗn hợp nguyên liệu đợc đa vào thiết bị đỉnh tự chảy ống chứa xúc tác Phản ứng xảy ống t 0= 60-800C Đây phản ứng tỏa nhiệt, để đảm bảo nhiệt độ không tăng cao ta cần cho nớc làm lạnh ống để lấy nhiệt khỏi thiết bị phản ứng Tốc độ dòng thiÕt bÞ lÊy ω= 0,03 m/s VËy chiỊu cao cđa thiết bị là: h= . = 0,03 0,056.3600 = 6,04 (m) h = (m) Đờng kính thiết bị phản ứng đợc xác định dựa thể tích làm việc thiết bị, chiều cao ống dạng thiết bị Đờng kính thiết bị ống chùm D đợc xác định theo công thức sau : D = t(b-1) + 4d (m) [4] Trong ®ã : d : ®êng kÝnh ngoµi cđa èng (m) t : bíc èng , chän t = (1,2 - 1,5 )d (m) b : số ống hình cạnh Thể tích hỗn hợp đầu vào thiết bị : Vt = H S Trong ®ã : H : chiỊu cao thiết bị (m) S : diện tích bề mặt ngang thiết bị phản ứng (m 2) : S = n s Với n: số ống thiết bị phản øng s : tiÕt diƯn ngang cđa mét èng s = 3,14 d2t / dt : ®êng kÝnh cña èng , dt = (25 - 50 ) mm 61 Chän dt = 50 mm = 0,05 m Do ®ã ta cã : Vt = H S = H n s Suy n = Vt / (H s) = 1,1x / (5,04x3,14x0,0482 ) = 121 (ống ) Ta xếp ống theo hình lục giác Số ống cạnh đợc xác định theo công thức sau : n = 3a(a-1) + b = 2a - Trong ®ã n : tổng số ống b : Số ống đờng chéo a: số ống cạnh hình lục giác Thay số vào ta có : 121 = 3a2 - 3a + 3a2 - 3a – 120 = giải phơng trình ta đợc : a = 6,82 a = - 5,82 < loại Quy chuÈn a = (èng) Suy : b = 2x7 - = 13 (èng ) Thay víi a = , ta đợc n = 3x7x(7-1) + = 121 (èng) Bíc èng t = (1,2 - 1,5 )dn Víi dn = 0,048 + 0,0025x2 = 0,053 (m) Do ®ã t = 1,3 x 0,053 = 0,070(m) Tõ ®ã ta cã D = t(b-1) + 4d = 70(13 -1 ) + 4x53 = 1052 ( mm) Quy chuÈn lÊy D = 1100 (mm) VËy kÝch thíc thiÕt bÞ phản ứng nh sau : Đờng kính thiết bị D = 1100 (mm) = 1,1 ( m ) ChiÒu cao thiÕt bÞ H = (m) 62 Sè èng n = 127 (ống ) Đờng kính ống Chiều dày èng Bíc èng d = 0,048 (m) s = ,0025 (m) t = 0,070(m) III.3 Tính toán khí [4] Chiều dày thân tháp S= Dt pt 2[σ ]ϕ + pt ,m Trong ®ã: D1: ®êng kÝnh thiết bị, m : hệ số bền thành hình trụ theo phơng trục dọc C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai chiỊu dµy, m σ: øng st cho phÐp cđa vËt liệu Với thiết bị hàn dọc, tay hồ quang điện ứng với thép CT vào lớp =0,95 pt: áp suất thiết bị, N/m2 + áp suất thiết bị đợc tính theo c«ng thøc: pt = plv + ptt , N/m2 Trong đó: plv: áp suất làm việc thiết bị N/m plv = 1,6 Mpa = 1,6.106 (N/m2) ptt: ¸p st thđy tÜnh cđa níc ptt = ρ.g.Ht , N/m2 Trong ®ã: g : gia tèc träng trêng, g= 9,81 , m/s2 Ht : lµ chiỊu cao cđa cét chÊt lỏng khối lợng riêng trung bình hỗn hợp chất lỏng, = 676 kg/m3 Do đó: 63 ptt = ρ g h = 9,81 676 = 39789,36(N/m2) Vậy áp suất thiết bị là: pt = 1,6.106 + 39789,36 =16,39789.105 (N/m2).= 1,64.10-6 (N/m2) + HÖ sè bổ sung ăn mòn, bào mòn, dung sai chiỊu dµy C = C1 + C2 + C3 , m2 Với: C1: bổ sung ăn mòn: với thép CT tốc độ gỉ 0,06 mm/năm, thời gian làm việc từ 15ữ20 năm C1 = 1mm C2: bổ sung bào mòn, C2 = C3: Dung sai chiều dày, C3 = 0,8 mm Do đó: C = + + 0,8 = 1,8 mm + øng st cho phÐp cđa thÐp CT3 theo giíi h¹n bỊn đợc xác định t [ k ] = k n k η , N/m2 Trong ®ã: η: hƯ sè ®iỊu chỉnh nk: hệ số an toàn theo giới hạn bền kt: ứng suất giới hạn bền, N/m2 Thiết bị sản xuất áp suất cao nên thuộc loại I chi tiết không bị đốt nóng trực tiếp lửa, vậy: Tra bảng XIII.2 ta đợc = 0,9 Tra bảng XIII.3 ta đợc nK = 2,6 Tra bảng XII.4 ta đợc kt = 380.106 N/m2 380.10 Do ®ã: [σk ] = 2,6 0,9 = 131,54.106 (N/m2) + ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định: [ c ] = t c nc , N/m2 Trong đó: 64 ct: giới hạn chảy ë nhiƯt ®é t, σct = 240.106 N/m2 nc: hƯ số an toàn theo giới hạn chảy Tra bảng XIII.3 nC = 1,5 t σc 240.106 1,60.108 = [ σc ] = n η = N/m2 c 1,5 Để đảm bảo ta lấy giá trị bé hai kết qủa trên, tức là: [] = [k] = 1,3154.108 N/m2 Trờng hợp đờng kính thiết bị Dt = 1,1 (m), víi hµn tay b»ng hå quang cách hàn giáp hai bên [ ] Chọn ϕ= 0,95 k pt ϕh = 1,3154 10 0,95 = 77,8599 16,4.10 > 50 Do ®ã cã thĨ bỏ qua đại lợng p mẫu số công thức tính chiều dày thân tháp [17-360] S= D t p t +C [ ]ϕ σ S= 0,75.16,4.10 + 0,0018 = 4,816426.10-3 + 0,0018 (m) = 6,6 (mm) 2.1,3154.10 8.0,95 LÊy S = (mm) TÝnh chiÒu dày đáy nắp tháp:[4] Đáy nắp tháp đợc làm từ vật liệu loại với thân tháp Ta dùng loại đáy, nắp elíp có gờ cho thân hàn Chiều dày đáy nắp làm việc chịu áp suất đợc tính nh sau S= D t pt Dt + C , m 3,8[σ k] ϕh − Pt 2.h b k Trong ®ã: ϕh: hƯ sè bền mối hàn hớng tâm (nếu có) hb: chiều cao phần lồi đáy, m 65 k: hệ số không thứ nguyên hb= 200 mm h = 0,95 Hệ số k đợc xác định theo công thức sau k = d Dt Trong d đờng kính lớn lỗ không tăng cứng d= 0,15m Đáy nắp đợc hàn từ hai phía tay, hµn tõ hai nưa tÊm víi k =1 − 0,15 = 0,7917 0,72 [σ k ] kϕ pt h = 1,3154.10 0,7917.0,95 = 61,641 >30 16,05.10 Do đại lợng p mẫu số công thức tính chiều dày đáy, nắp bỏ qua S= D t pt Dt + C , m 3,8[σ k] ϕk − Pt 2.h b k s= 0,72.16,05.10 0,72 = 0,0055329 3,8.1,3154.10 8.0,7917.0,95 2.0.2 + C (m) S = 0,005533 + C ,m Đại lỵng bỉ sung C: S - C = 0,005533 (m) = 5,533 (mm) Vì S - C < 10 Nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính thân tháp Vậy: C = 0,0018 + 10-3 = 0,0038 m) S = 0,005533 + 0,0038 = 0.009333 (m) = 9,333 (mm) Quy chuẩn chiều dày đáy nắp elíp có gờ S = 10 (mm) ChiỊu cao gê h = 40 mm ChiỊu cao phÇn låi hb= 200 mm TÝnh ®êng kÝnh èng dÉn nguyên liệu sản phẩm:[4] 66 + ống dẫn nguyên liƯu: d®Ønh = V 0,785.w ,m Trong ®ã: w: vËn tốc trung bình hỗn hợp dòng chọn w= 0,2 m/s V: lu lợng thể tích hỗn hợp , m3/s V= Gp hh hh: khối lợng riêng hỗn hợp nguyên liệu 7188,368 13,0 hh = = 552 (kg/m3) Với lợng nguyên liệu vào tháp: GP = 7188,368 (kg/h) = 1,998 (kg/s)= 2(kg/s.) V= 2,0 552 d®Ønh = = 0,00362 (m3/s) 0,00362 0,785.0,2 = 0,150 (m) Ta chän d®Ønh = 150 mm + èng dÉn s¶n phÈm: ρhh: khèi lợng riêng hỗn hợp sản phẩm hh= 7188,368 12,127 = 592,8 kg/m3 Lợng sản phẩm khỏi tháp Gp = 7188,368(kg/h) = (kg/s) V= = 0,00337 592,8 dđáy = (m3/s) 0,00337 = 0,146 (m) 0,785 0,2 Chọn dđáy = 150 mm Cũng tơng tự ta chọn ống nối sang thiết bị trao đổi nhiệt trung gian kích thớc ống dẫn nguyên liệu sản phẩm 150 (mm) 67 Chọn mặt bích cho thiết bị:[4] Mặt bích phận quan trọng dùng để nối phần thiết bị nh nối phận khác với thiết bị Ta chọn bích liền kim loại đen để nối phận thiết bị ống dẫn Dựa vào bảng 24 ta chọn kiĨu bÝch øng víi kÝch thíc nh sau [17 - 409]; Chọn bích liền thép để nối nắp đáy tháp với thân thiết bị Tra bảng 25 ta đ ợc bảng sau: [17 - 147] Bảng 25 Kích thớc bích để nối nắp đáy tháp với thân thiết bị Py.10-6 Dy N/m2 mm Kích thớc nối D Db D1 Bul«ng db z D0 mm 1,6 1100 1210 1140 1080 1019 M36 Chän bÝch liÒn b»ng kim loại đen nối thiết bị với ống dẫn 28 h Cái 40 Ta gọi: ống ống dẫn nguyên liệu ống ống dẫn sản phẩm ống ống dẫn chất tải nhiệt Ta có bảng sau: Bảng 26 Kích thớc bích để nối ống với thiÕt bÞ èng èng dÉn Dy mm KÝch thíc nèi Dn D Db mm 68 D1 Bul«n g Db, mm h z, c¸i C¸i 150 150 150 159 159 159 300 300 300 250 250 250 218 218 218 M22 M22 M22 8 28 28 28 Chơng III Thiết kế Xây dựng nhà máy I Phân tích địa điểm xây dựng nhà máy [ 7] I.1 Các yêu cầu chung: Nhà máy đợc đặt khu công nghiệp Nghi Sơn Thanh Hoá với tổ hợp dự án tổ hợp Lọc Hoá dầu số cho phép tận dụng nguồn lợng, nguyên liệu hợp tác từ nhà máy lân cận Với vị trí nh vậy, lợng nguyên liệu cho nhà máy lấy từ phân xởng nhà máy Hoá dầu Tổ hợp lọc hoá dầu số khu công nghiệp Nghi Sơn - Thanh Hoá dự án lớn Trong nhà máy phần lọc dầu đợc thiết kế sử dụng nguyên liệu dầu Trung Dông, có nhiều phân xởng Hoá Dầu sản xuất nhiều loại hoá chất thiết yếu cho ngời Tại tập chung nhiều kỹ s Việt Nam Tuy nhiên trình độ kỹ thuật Việt Nam thấp, xây dựng vận hành cần có số chuyên gia nớc Nguồn công nhân chủ yếu kỹ s tốt nghiệp trờng đại học nớc, nh Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Đại Học Mỏ.v.v I.2 Các yêu cầu khu đất xây dựng:[7] 69 1.Về địa hình: -Khu đất có hình dạng chữ nhật (180 x 250), thuận tiện cho xây dựng bố trí mặt sản xuất -Khu đất tơng đối phẳng, có độ dốc tự nhiên 0,7 o, chi phí cho san lấp không đáng kể, mặt khác lại thuận lợi cho việc cấp thoát nớc mùa ma -Khu đất nằm vị trí cao ráo, tránh đợc ngập lụt mùa ma Về địa chất: Khu đất nằm vùng đất ruộng (đất sét) đợc san lấp nên giảm tối đa chi phí gia cố móng hạng mục công trình I.3 Các yêu cầu vệ sinh công nghiệp:[7] Do khu đất nằm quy hoạch khu công nghiệp nên yếu tố bảo vệ môi trờng đà đợc tính toán nhà máy trớc II Phân tích thiết kế tổng mặt nhà máy:[7] II.1 Nguyên tắc phân vùng: Do có nhiều hạng mục công trình đặc điểm thiết kế, nhà máy đợc phân chia theo đặc điểm sử dụng Nguyên tắc có u điểm sau: + Dễ dàng quản lý theo xởng, công đoạn dây chuyền sản xuất + Đảm bảo đợc yêu cầu vệ sinh công nghiệp, dễ dàng xử lý phận phát sinh điều kiện bất lợi trình sản xuất Điều đặc biệt quan trọng nhà máy sản xuất chất dễ cháy nổ nh MTBE + Dễ dàng bố trí hệ thống giao thông nhà máy + Thuận lợi trình phát triển nhà máy + Phù hợp với đặc điểm khí hậu Việt Nam ã Nhợc điểm: + Hệ thống đờng ống kỹ thuật mạng lới giao thông tăng lên 70 + Hệ số xây dựng, sử dụng đất thấp ã Tổng mặt nhà máy đợc phân làm vùng: + Vùng 1: Vùng trớc nhà máy bao gồm nhà hành chính, phục vụ sinh hoạt, gara ôtô, xe đạp, khu thể thao, đợc xây dựng đầu hớng gió chủ đạo, gần trục giao th«ng chÝnh cđa khu c«ng nghiƯp + Vïng 2: Bố trí dây chuyền sản xuất nhà máy, khu vực đ ợc bố trí khu đất u tiên địa hình, địa lý, địa chất + Vùng 3: Vùng kho tàng phục vụ giao thông Do đặc điểm nhà máy, nơi bố trí nhà sản xuất MTBE , gara ôtô, nhà khí, nhà xe cứu hoả, nhà kho, + Vùng 4: Nơi bố trí công trình phụ bao gồm trạm điện xử lý nớc thải II.2 Các hạng mục công trình: 1) Bảng thống kê hạng mục: (hình vẽ) 2) Các liệu kinh tế kỹ thuật: Khu đất xây dựng có dạng chữ nhật gồm: Tổng diện tích 45000m2 Diện tích chiếm đất nhà công trình 9702m Diện tích cho kho bÃi lộ thiên 1692m2 Diện tích chiếm đất đờng sắt, bộ, hè, rÃnh thoát nớc 18454m2 III Thiết kế nhà sản xuất:[7] Phân xởng sản xuất đợc xây dựng khu đất đợc u tiên đặc biệt địa hình, địa thế, đảm bảo có độ chịu lực cho phép xây dựng vận hành, t ơng đối cao , thuận tiện cho cấp thoát nớc tránh ngập lụt mùa ma lũ Do quy mô dây chuyền lớn gồm giai đoạn dehydro hóa ete hoá nối tiếp nên tiềm lực lao động phân xởng bao gồm: Một quản đốc 71 ... IsoButylen từ thiết bị dehydro hoá đợc kết hợp với lợng Metanol từ nguồn dự trữ cố định kết hợp với Metanol tuần hoàn từ thiết bị thu hồi Metanol dây chuyền tổng hợp MTBE Hỗn hợp đợc đa vào thiết bị. .. :[9,12] Metanol chất lỏng không màu, trung tính, độc tan vô hạn nớc, tan nhiều rợu,este tan hầu hết dung môi hữu cơ, tan chất béo dầu metanol hợp chất có cực nên hoà tan đợc nhiều chất vô nh... từ phản ứng tổng hợp MTBE cho trình khác dây chuyền nh : trình dehydro hoá isobutan thành isobutylen ta chọn thiết bị phản ứng thiết bị đoạn nhiệt Để giảm số lợng thiết bị làm lạnh ta chọn thiết