Metanol còn có những tên gọi khác như metylalcol, carbinol hoặc rượu gỗ có công thức hoá học là CH3OH, khối lượng phân tử M =32,042 là một trong những nguyên liệu thô rất quan trọng. Metanol được sử dụng làm nguyên liệu đầu cho các quá trình sản xuất formaldehit,clorometan,amin,metyl metacrylat,MTBE… và làm dung môi 3.
CHƯƠNG TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM I.1 METANOL I.1.1 Giới thiệu chung Metanol Metanol có tên gọi khác metylalcol, carbinol rượu gỗ có cơng thức hố học CH3OH, khối lượng phân tử M =32,042 nguyên liệu thô quan trọng Metanol sử dụng làm nguyên liệu đầu cho trình sản xuất formaldehit,clorometan,amin,metyl metacrylat,MTBE… làm dung môi [3] I.1.2 Lịch sử phát triển Metanol Lần vào năm 1661 Robert-Boyle thu Metanol từ trình cất giấm gỗ sữa vơi, suốt khoảng 1830 đến 1923 phương pháp chủ yếu dùng để tổng hợp Metanol Năm 1985 Berthelot tổng hợp Metanol phương pháp xà phịng hố Metylclorua phương pháp khơng có ý nghĩa thực tế ngày để sản xuất Metylclorua người ta từ nguyên liệu Metanol Vào khoảng năm 1923 Metanol sản xuất phương pháp tổng hợp từ CO H2 ngày phương pháp ưu việt sử dụng để sản xuất Metanol công nghiệp Dưới góc độ kỹ thuật, Metanol thay xăng để chạy động cơ, làm dung môi cho sơn, vecni, làm chất kết dính, điều chế phẩm nhuộm dược phẩm quốc gia Nam Mỹ, Châu Á, Metanol sử dụng làm nhiên liệu động thay cho xăng [2] I.1.3 Tính chất metanol I.1.3.1 Tính chất vật lý Metanol (CH3OH) chất lỏng khơng màu, có mùi đặc trưng tương tự Etanol (C2H5OH), trung tính, tan tốt nước, rượu, este hầu hết dung mơi hữu khác, hoà tan ch ất béo d ầu b ởi tính phân cực Ngồi ra, Metanol hoà tan nhiều h ợp ch ất h ữu loại muối khác Metanol chất dễ cháy độc với lượng nh ỏ (kho ảng 10ml) làm mù mắt, với lượng lớn gây tử vong Bảng Các thông số vật lý Metanol [7] Đại lượng Áp suất tới hạn Nhiệt độ tới hạn Thể tích tới hạn Khối lượng riêng tới hạn Giới hạn nổ khơng khí Nhiệt độ đóng rắn Nhiệt độ điểm ba Áp suất điểm ba Nhiệt hoá 101,3 Kpa Điểm bắt cháy cốc hở Điểm bắt cháy cốc kín Độ dẫn điện (ở 250C) Nhiệt độ bắt cháy Giá trị 8,098 239,49 117,9 0,2715 5,5÷44 97,68 -97,56 0,10768 1128,8 15,6 12,5 (2÷7).10-9 470 Đơn vị MPa C cm /mol g/cm3 %V C C Pa kJ/kg C C -1 Ω cm-1 C Áp suất Metanol xác định theo phương tr ình: 512,64 lnp = 8,999 + T (-8,65371.q3/2 – 2,479q5/2 – 1,024q5) Trong đó: T q=1- 512,64 T: Nhiệt độ tuyệt đối, K P: áp suất, KPa I.1.3.2 Tính chất hóa học Metanol (CH3OH) rượu no đơn chức Đặc trưng cho loại hợp chất khả phản ứng định nhóm chức (-OH) phản ứng Metanol xảy thông qua việc phân chia mối liên k ết C-O OH, mà đặc trưng thay (-H) (-OH), oxi có đ ộ âm ện (3,5) lớn cacbon (2,5) hydro (2,2) nên liên k ết (C-O) (O-H) phân c ực 1,2 1050 1,5 O mạnh phía oxi Cδ+→Oδ-←Hδ+ Sự phân cực thể momen lưỡng cực CH3 H (µ, D) a.Tính axit, phản ứng tạo muối [2] Metanol ln thể tính chất axit yếu, phân ly yếu nước gốc alkyl có hiệu ứng +I Hiệu ứng làm giảm phân cực liên kết O-H Khi thay nguyên tử H nhóm -CH3 metanol thay đổi Metanol có tính axit yếu, tác dụng với kim loại kiềm Ví dụ: CH3OH + Na → CH3ONa + 1/2H2 b Phản ứng tạo thành ete este [2] - Phản ứng tạo thành ete: Metanol phân hủy có mặt H2SO4 đặc tạo thành ete: H SO 4d → CH3OH CH3-O-CH3 + H2O - Phản ứng tạo thành este: Metanol tác dụng với axit cacboxylic, với xúc tác axit H 2SO4 tạo thành este H SO 4d→ CH3OH + CH3COOH CH3COOCH3 + H2O c.Phản ứng tạo thành dẫn xuất halogen [2] Metanol tác dụng với Hidrohalogen tạo thành Metylhalogenua CH3OH + HBr → CH3OBr + H2O d.Phản ứng dehydrat hoá tạo thành alken Tương tự alkyl halogen bị dehydrohalogen hóa tạo thành alkyl Metanol bị dehydrat hoá theo phản ứng CH 3OH → C2H2 + H2O Để thực phản ứng người ta cho Metanol qua Al 2O3 nung nóng đun Metanol với axitsunfuric đặc e.Phản ứng dehydro hoá Hơi Metanol qua cột chứa xúc tác đồng (Cu) nhiệt độ 300 0C, bị tách hydro tạo thành aldehyt: CH3OH → HCHO + H2 f.Phản ứng oxi hố Phản ứng oxi hố dùng cơng nghiệp, ều kiện phịng thí nghiệm người ta dùng chất oxi hoá nh KMnO + H2SO4 K2Cr2O7 + H2SO4 , đó: CH 3OH +1/2O2 → HCHO + H2O Các phản ứng quan trọng metanol công nghiệp đ ược mô tả hình sau : CH3OH HCOOCH3 CH3(CH2)n-OH (CH3)3COCH3 +CO (catalyst) +CO (catalyst) +nCO/H2 (catalyst) CH3Cl +H2C=C(CH3)2 (catalyst) CH3NH2,(CH3))3NH, CH3))3NH +HCl +NH3 CH3OH Acrylic axit CH3 Terephtalic axit C6H4(COOCH3)2 -H2O (catalyst) +H2SO4 SO2(CH3O)2 CH3-O-CH3 C2H4 C3H6 -H2 (Ag) or +O2(Mo) HCHO CH2=C-COOCH3 Hình 1: mơ tả phản ứng quan trọng metanol I.1.4 Bảo quản, tồn chứa, vận chuyển metanol I.1.4.1.Tính chất cháy nổ, đề phòng cháy nổ Khả bắt lửa Metanol vấn đề quan trọng an toàn cháy nổ Điểm chớp lửa cốc kín Metanol vào khoảng 12,2 0C nhiệt độ bốc cháy 4700C Hơi Metanol dễ dàng bốc cháy nồng độ khoảng 5,5 đến 44% thể tích Áp suất riêng phần 200C 128KPa, hỗn hợp Metanol - Khơng khí dễ dàng bắt lửa khoảng nhiệt độ rộng Metanol tinh khiết có tính dẫn điện Do vậy, việc xác định điện tích trở nên quan trọng vận chuyển tồn chứa methanol ♦Phòng cháy: Trong khơng gian kín chứa đựng lượng lớn Metanol việc kiểm tra giới hạn cháy nổ cần thiết Cần đặt thiết bị cứu hoả kho chứa Phun nước lên bể chứa để làm mát bể, tránh tiếp xúc với lửa ♦Chống cháy: Nước khơng thích hợp làm tác nhân cứu hoả lượng lớn Metanol Nên dùng tác nhân cứu hoả như: cát, CO2 dập tắt đám cháy nhỏ.[6] I.1.4.2.Tồn chứa vận chuyển ♦Tồn chứa với lượng nhỏ: Với lượng nhỏ Metanol dùng phịng thí nghiệm nên đựng can kim loại Một lượng lớn chứa bom thép Không nên dùng thùng chứa nhựa để đựng Metanol chúng có tính thấm ♦Tồn chứa với lượng lớn: Lượng lớn Metanol chứa bể thép hình trụ tương ứng bể chứa sản phẩm dầu mỏ Các bể chứa hình trụ tích khoảng vài trăm đến 10000m3 Với bể có mái cố định, phép đo đặc biệt phải thường xuyên tiến hành để ngăn chặn hình thành khí dễ bắt lửa bề mặt chất lỏng Để tránh vấn đề trên, bể lớn người ta thường lắp mái phải ý bảo vệ sản phẩm tránh nước mưa, hệ thống ống bơm chế tạo từ loại thép thơng thường Các van khố làm từ khống grafit kim loại Cao su buna-styren, cao su butadien-clo sử dụng làm trục khố ♦ Vận chuyển số lượng lớn: Trên giới khoảng 30% Metanol vận chuyển đường biển tới nhiều quốc gia giới Các bể chứa có dung tích khoảng 40000 sử dụng nhằm phục vụ mục đích Các tàu dùng để vận chuyển sản phẩm dầu mỏ sử dụng Ngoài ra, metanol vận chuyển đường khơng hay đường Nhưng cần phải ý đến điều kiện an toàn cháy nổ cho người thiết bị vận chuyển [6] I.1.5 Ứng dụng metanol Ngày nay, metanol dùng nhiều cơng nghiệp hóa chất đời sống Hiện nay, metanol có xu hướng thay dần dầu mỏ Metanol sử dụng làm nguyên liệu đầu cho trình tổng hợp formaldehit clorometan ,amin, metyl metacrylat,MTBE… làm dung môi [3] I.1.5.1.Metanol dùng làm nguyên liệu cho trình tổng hợp hoá học [3] [6] Metanol sử dụng ngun liệu cho q trình tổng hợp hố học, khoảng 70% Metanol dùng để sản xuất formandehyt, metyl tert butylete (MTBE), axit axetic, metylmetacrylat, dimetylterephthalate - Formandehyt (HCHO): Là sản phẩm quan trọng tổng hợp từ Metanol.Metanol dùng để tổng hợp formandehyt; việc sản xuất formandehyt hàng năm tăng khoảng 3%, tăng trưởng sản phẩm khác cao nên lượng Metanol dùng tổng hợp formandehyt giảm Các trình phân huỷ dựa oxihóa metanol với oxi khí Chúng khác nhiều so với nhiệt độ tính tự nhiên loại xúc tác sử dụng - Axit axetic (CH3COOH): Khoảng 9% Metanol dùng để tổng hợp axit axetic ước tính tốc độ gia tăng hàng năm 6% Axit axetic sản phẩm q trình cacbonyl hóa Metanol CO pha lỏng với xúc tác đồng niken-iodua, coban- iodua Công nghệ BASF làm việc 6,5MPa, số công nghệ đại Monsanto làm việc 5Mpa Bằng cách thay đổi điều kiện việc tổng hợp trợ giúp để tạo alhydric axit họăc metyl axetat - Metyl tert butyl ete (MTBE ): Ete tạo phản ứng Metanol với iso-buten dựa trao đổi ion axit Ete có trị số octan cao, cấu tử quan trọng việc sản xuất xăng khơng dùng phụ gia chì Vì mà lượng Metanol sử dụng cho mục đích ngày tăng, năm 1988 có 20% Metanol dùng cho việc tổng hợp MTBE Người ta dự tính tốc độ gia tăng lên đến 12% hàng năm Sự có mặt iso penten gây khó khăn cho việc tổng hợp MTBE Mặc dù người ta cải tiến cách xây dựng nhà máy đồng phân Butan Hydro hóa iso butan - Các sản phẩm tổng hợp khác: Các hướng tổng hợp khác trở nên quan trọng dầu mỏ ngày khan Quá trình tổng hợp Metanol thành hợp chất thơm (MTA) hợp chất olefin (MTO) Các sản phẩm ứng dụng rộng rãi gây ảnh hưởng đến môi trường Cùng giống hỗn hợp butan - propan, metanol sử dụng nhiên liệu phản lực, ứng dụng phổ biến Vì có đặc tính quan trọng tính phân cực cao nên hịa tan mạnh sản phẩm có mặt bình phun, dimetylete sử dụng làm dung môi Metanol sử dụng để tổng hợp số hợp chất hữu như: + HCHO: Là tác nhân bảo quản đặc biệt, có khả làm đơng tụ protit nên dùng để ướp xác y học + Các metyleste axit vô cơ: làm thuốc thử cho q trình metyl hóa, thuốc nổ thuốc trừ sâu + Các metylamin: Các dược phẩm chất phụ trợ , hấp thụ chất lỏng q trình rửa làm khí + Tri metyl photphua: dùng để điều chế loại dược phẩm, loại vitamin,các loại hương phẩm hóa chất tinh khiết +Natri metoxit (CH3ONa) Các hợp chất trung gian hữu cơ, hợp chất trung gian, xúc tác, dung môi, nhiên liệu phản lực +Metyl halogenua (CH3X): dùng để điều chế hợp chất hữu trung gian, dung môi nhiên liệu phản lực +Etylen: Các hợp chất trung gian hữu cơ, polime, I.1.5.2.Metanol sử dụng nguồn lượng [5] Metanol chất thay lý tưởng cho sản phẩm dầu mỏ Khi dầu mỏ trở nên khan hay đắt đỏ Metanol sử dụng nguồn nguyên liệu thay Sau khủng hoảng dầu lửa vào đầu năm 1970 Một số dự án ứng dụng triển khai dựa giả thiết ứng dụng Metanol sản xuất từ than đá có giá trị kinh tế cao ước tính vào đầu năm 1980 trở nên tối ưu Tuy nhiên vấn đề giá vượt trội mặt kỹ thuật vấn đề mơi trường làm cản trở q trình sản xuất khí tổng hợp từ than đá; cịn giá ích lợi dầu thơ khơng đáng kể Gần đây, tất dự án có quy mơ lớn tình hình sử dụng than đá bị ngừng lại Các nhà máy có quy mơ vận hành lớn bị đóng cửa họăc cải biến để sử dụng nguyên liệu khác Metanol sử dụng làm nhiên liệu cho động xăng: Bảng So sánh tính chất metanol xăng sử dụng động Ơtơ [6] Tính chất Tỷ trọng (kg/l) Giá trị lượng (kj/kg) Tiêu thụ khơng khí (kg/kg) RON MON RON hỗn hợp Xăng 0,739 44300 14,59 97,7 89 Metanol 0,793 21528 6,5 108,7 88,6 120÷130 MON hỗn hợp 91÷94 Áp suất bão hịa Reid(Kpa) 64 32 Giới hạn điểm sơi, 0C Nhiệt hóa (kj/kg) Làm lạnh dạng với tỷ 30-÷190 335 65 1174 20 122 lượng khơng khí, 0C Metanol ứng dụng nhiều hỗn hợp với sản phẩm dầu mỏ thông thường -M13: Hỗn hợp 13% metanol với 2÷3% chất hịa tan (ví dụ iso propyl alcol) nhiên liệu ôtô Hỗn hợp sử dụng thuận lợi hệ phân bố nhiên liệu bị thay đổi -M15: Là hỗn hợp 15% metanol phần cịn lại chất hồ tan với nhiên liệu Ơtơ Sự biến đổi nhiên liệu mơtơ cần thiết trường hợp Sự sử dụng M15 để tăng trị số octan xăng khơng chì thay cách tăng cường sử dụng MTBE - M85: Metanol chứa khoảng 15% hydro cacbon C 4÷C5 dùng để cải tiến tính chất, cải thiện điểm đơng đặc Ngồi M85 cịn thích hợp cho việc sử dụng làm nhiên liệu cho phương tiện cải tiến thay đổi hệ số phân bố nhiên liệu -M100: Metanol nguyên chất nhiên liệu cải biến điều chỉnh hoàn thiện để sử dụng 100% Metanol làm nhiên liệu Một số thay đổi cần thiết cho trình xử lý metanol làm giảm lượng chất dẻo sử dụng hệ thống nhiên liệu Hệ thống phát tia lửa điện đốt xăng chế hịa khí vòi phun nhiên liệu điều chỉnh Với M85 M100 hỗn hợp nhiên liệu phải đun nóng sơ hóa lượng Metanol chế hịa khí có tác dụng làm mát 120K -Metanol làm nhiên liệu cho động Diezen -Metanol tinh khiết sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho động diezen có trị số xetan thấp (xấp xỉ 3) khó tự bốc cháy Để tự bốc cháy phải phun thêm vào phụ gia để làm tăng trị số xetan Các ứng dụng khác metanol nhiên liệu ngành đặc biệt Trái ngược với metanol nguyên chất, việc sử dụng metanol nhiên liệu động tơ khơng bị giới hạn xét đến tính hịa lẫn áp suất Việc sử dụng metanol để tổng hợp MTBE vượt số lượng mức bình thường Arco - nhà sản xuất MTBE lớn giới thúc đẩy việc sử dụng oxinol hỗn hợp metanol tert butanol Một phát triển việc sử dụng metanol trình Lurgi Octamix Quá trình sử dụng xúc tác bôi trơn điều kiện bổ trợ (nhiệt độ cao, nồng độ CO2 thấp, nồng độ CO cao) trình tổng hợp metanol, etanol alcol cao Hỗn hợp sử dụng trực tiếp nhiên liệu động Sự có mặt alcol cao đáng giá khơng làm tăng trị số octan màchúng cịn có tác dụng chất hòa tan Metanol Tuy nhiên, q trình khơng sử dụng cơng nghiệp quy mơ lớn Ngồi ra, metanol sử dụng làm tác nhân làm lạnh hệ thống làm lạnh Nó sử dụng chất chống đơng, chu trình gia nhiệt làm mát, metanol có độ nhớt thấp nhiệt độ thấp Tuy nhiên không sử dụng rộng rãi làm chất chống đông động Metanol dùng làm tác nhân hấp phụ thiết bị rửa khí Tách CO2 H2S nhiệt độ thấp ưu điểm metanol trình tinh chế khí mà khơng cần q trình chuyển hóa khác sâu Một lượng lớn metanol sử dụng làm chất bảo vệ đường ống dẫn khí tự nhiên chống lại hình thành hydrat nhiệt độ thấp Metanol thêm vào khí tự nhiên trạm bơm, để tạo thành lỏng ống dẫn thu lại cuối đường ống Metanol ứng dụng làm dung mơi có giới hạn dù hỗn hợp sử dụng rộng rãi I.1.6 Thị trường Metanol giới Việt Nam I.1.6.1 Tình hình thị trường methanol giới Methanol với chất đồng dung môi pha trộn vào xăng, phục vụ giao thông vận tải loại nhiên liệu phổ biến, giới sử dụng từ nhiều thập kỉ qua Thành phần cấu tử sản phẩm ta tính đ ược ph ần trước là: GCH3OH = 406,25 kmol/h GCH3OCH3 = 1,059 kmol/h GCH4 = 73,978 kmol/h GH2O = 60,639 kmol/h GCO2du = 134,875 kmol/h GCOdu = 7,199 kmol/h GH2du = 895,512 kmol/h Từ số liệu ta tính nhiệt lượng sản ph ẩm mang là: Q3 = 493(406,250 x 158,3 + 1,059 x 92,44 + 73,978 x 48,23 + 60,639 x 80,39 + 134,875 x 50,01 + 7,199 x 31,11+895,512 x 29,09) Q3 = 52,194.106 Kj/h 4.2.4 Nhiệt lượng mát Q5 Vì trình ln có truyền nhiệt thiết bị phản ứng với mơi trường xung quanh nên xảy mát nhiệt L ượng nhi ệt mát nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ: Nhiệt thất ngồi mơi trường, nhiệt th ất b ảo ơn khơng tốt Nhiệt mát sản phẩm theo khí thải Ta giả thiết lượng nhiệt mát chiếm khoảng 5% tổng nhiệt lượng vào, Qmm = Q5 = 0,05Qvào = 0,05 x 65,803.103 = 3,2902.106Kj/h 4.2.5 Nhiệt lượng chất tải nhiệt mang Q4 Từ phương trình cân nhiệt ta có: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Suy Q4 = (Q1 +Q2 ) - (Q3 + Q5) Thay số: Q4 = 65,803.106 - (52,1940 + 3,2902) 106 = 10,319.106Kj/h 4.2.6 Lượng chất tải nhiệt tiêu hao Vì yêu cầu thiết bị phản ứng làm việc điều kiện đẳng nhi ệt Do vậy, nhiệt độ phản ứng điều chỉnh xác áp su ất h nước Khi đầu vào thiết bị n ước sôi, đầu c thi ết b ị h nước nhiệt Giả thiết đầu vào, nước sôi có nhiệt độ, áp suất sau: T = 373K, P = 1,03at Tại đầu thiết bị, h n ước nhiệt có : T = 411K, P = 1,03at Nhiệt lượng Q4 tác dụng làm cho nước tăng nhiệt độ lên cịn có tác dụng chuyển nước từ thể lỏng sang thể Như vậy: Q4 = Qhh + Q4’ [13] Trong đó: Qhh : nhiệt lượng chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi, Q hh = rhh GH2O’ rhh: Nhiệt hoá nước áp suất 1,03at, rhh = 2264 kj/kg GH2O’: Lượng chất tải nhiệt tiêu hao, kg Q4’: Lượng nhiệt dùng để tăng nhiệt độ từ 373K ÷ 411K Q4’ = Chh GH2 O (T’ - T) Chh: nhiệt dung riêng đẳng áp nước Với giả thiết khoảng áp suất thay đổi hẹp (từ 1,03 at ÷ 1,46 at) Ta coi q trình đẳng áp Chh = 0,496 Kcal/kg độ = 2,077 kj/kmol.độ Q4 = Q4’ + Qhh = 2264.GH2O + 2,077.GH2O.(411- 373) = 10,319.106 Suy ra: GH2O = 4404,32 kg/h Vậy để đảm bảo cho thiết bị hoạt động gần nh đẳng nhiệt lượng nước dùng để tải nhiệt cần phải tiêu hao 4404,32 kg Bảng 9: Bảng cân nhiệt lượng thiết bị tổng hợp methanol Đầu vào Q.106, kj/h Đầu Q.106 kj/h Nhiệt lượng khí Nhiệt lượng sản 37,488.10 52,194.10 tổng hợp mang ph ẩ m ph ả n ứ ng mang 6 vào :Q1 Nhiệt lượng phản ứng tổng hợp 28,315 106 toả ra: Q2 Q3 Nhiệt lượng nước mang Q4 Nhiệt mát Q5 Tổng lượng 65,803.10 Tổng nhiệt lượng vào 10,319.10 3,290.106 65,803.10 6 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 5.1.TÍNH SỐ ỐNG TRUYỀN NHIỆT Ta có : GKTH = 2399,727 kmol/h Tại thiết bị phản ứng : t= 220oC=493K, P=8MPa=80atm Lưu lượng thể tích khí tổng hợp vào thiết bị ph ản ứng là: n= Áp dụng công thức: PV RT với R=0.082 Suy : VT = 1212,64 m3/h Vì thể tích làm việc thiết bị phản ứng khoảng 70 ÷ 80% thể tích thực nó, để đảm bảo chế độ an toàn cho thiết bị ph ản ứng, tránh gây nổ nên ta chọn thể tích làm việc thiết bị 75% Do l ưu l ượng thể tích hỗn hợp phản ứng vào thiết bị là: VT = 1212,64 × 75 = 909,48( m / h) 100 Tiết diện ngang thiết bị phản ứng tính theo cơng thức: S= VT ω × 3600 Trong đó: (m2) [13] + ω : Tốc độ thiết bị phản ứng, chọn ω = 2(m/s) 909,48 = 0,126(m ) × 3600 S= Vậy : Thể tích xúc tác xác định theo cơng th ức: VXT = ΦV × T (m3) [13] Trong đó: + ΦV : Lưu lượng thể tích dịng khí vào thiết bị phản ứng (m 3/h) + T : Thời gian phản ứng (s), chọn thời gian làm việc 1(s) Φ V = VT = 909,48( m / h) = Vậy : 909,48 = 0,253(m / s ) 3600 V XT = × 0,253 = 0,253(m ) Chiều cao lớp xúc tác: L= V XT 0,253 = = 2( m ) S 0,126 [13] Vì xúc tác đặt ống nên chiều cao lớp xúc tác chiều cao c ống xúc tác chiều cao thân thiết bị Số ống thiết bị phản ứng xác định theo công thức: n= S 3,14 × ( dt ) [13] Trong đó: + S : Tiết diện ngang thiết bị phản ứng (m 2) , S = 0,126(m2) + dt : Đường kính ống chứa xúc tác (m), dt = 0,030(m) n= Vậy : 0,126 = 178,34 0,030 3,14 × ( ) (ống) Quy chuẩn n = 187 ống Phân bố ống thiết bị sau: Số ống đường chéo hình cạnh đều: b = 15 ống Số ống cạnh hình cạnh ngồi cùng: a Từ b = 2a - → a= b +1 =8 ống Tổng số ống bố trí hình cạnh: n = 3a (a - 1) + = + = 169 ống [13] Như số ống cịn lại xếp theo hình viên phân xung quanh: n’ = 187 - 169 = 18 ống 5.2.TÍNH SỐ NGĂN Trong thiết bị người ta chia ngăn để đảm bảo trình trao đổi nhiệt tốt Số ngăn thiết bị phản ứng xác định theo công thức : ω m = gt ωt [13] Trong đó: + ωgt : Tốc độ chảy giả thiết hỗn hợp phản ứng (m/s) + ωt : Tốc độ chảy thực tế hỗn hợp phản ứng (m/s) − Tốc độ chảy thực tế xác định theo công th ức: ωt = Thay số: ωt = π × VT × n × 3600 × dt2 (m/s) [13] × 909,48 = 1,9(m / s) 3,14 × (0,030) × 187 × 3600 − Tốc độ chảy giả thiết xác định theo công thc: gt = Reì dt ì (m/s) [13] Trong đó: + Re : Chuẩn số Raynol, để đảm bảo trình cấp nhiệt đ ược t ốt, ta chọn hỗn hợp khí làm việc chế độ xốy có Re 104, chọn Re = 5.104 + µ: Độ nhớt hỗn hợp phản ứng nhiệt độ 220oC + ρ : Khối lượng riêng hỗn hợp phản ứng (kg/m 3) ρ= G VT (kg/m3) Với G = GKTH = 23229,352 kg/h VT = 909,48 (m3/h) ρ= 23229,352 = 25,5( kg / m ) 909,48 Vậy: Độ nhớt hỗn hợp phản ứng xác định theo công th ức : M hh nCO × M CO nCO × M CO n H × M H nCH × M CH = + + + µ hh µ CO µ CO2 µ H2 µ CH Trong đó: + cấu tử M hh , M CO , M CO , M CH , M H [13] : Khối lượng mol hỗn hợp µ hh , µ CO , µ CO , µ CH , µ H + : Độ nhớt hỗn hợp khí cấu tử Tra giản đồ [117-12] nhiệt độ 2200C, ta có:[12] µCO = 0,028.10-3 (N.S/m2) µCO2 = 0,021.10-3 (N.S/m2) µH2 = 0,011.10-3 (N.S/m2) µCH4 = 0,014.10-3 (N.S/m2) Thay số: 9,68 0,15 × 28 0,08 × 44 0,74 × 0,03 × 16 = + + + µ hh 0,028 × 10 −3 0,021 × 10 −3 0,011 × 10 −3 0,014 ì 10 àhh = 0,20.10-4 (N.S/m2) gt = Vậy: × 10 × 0,20 × 10 −4 = 1,31( m / s ) 0,03 × 25,5 m= 1,31 = 0,69 1,9 Khi đó: (ngăn) Quy chuẩn : m = (ngăn) 5.3.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ CHÍNH Đường kính thiết bị: D = t (b - 1) + 4d, m [13] Trong đó: d: đường kính ngồi ống d = 30 + = 34 mm t: bước ống, t = 1,2 ÷ 1,5d [9-49] t = 1,5 34 = 51 mm = 0,051 m Như đường kính thiết bị là: D = 51 (15 - 1) + 34 = 850 mm Quy chuẩn D = 0,9 m 5.4 TÍNH BỀ DÀY THÂN THIẾT BỊ CHÍNH Chiều dày ống phản ứng làm việc chịu áp suất P t xác định công thức S= Dt Pt + C, m 2.[ σ ] ϕ − Pt [13] Trong đó: Pt : áp suất thiết bị Pt = MPa = 8.10 N/m2 ϕ : hệ số hàn bền hình trụ theo phương dọc Do hàn giáp m ối hồ quang điện nên chọn ϕ = 0,95 C : đại lượng bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai chi ều dày C = C1 + C2 + C3 , m C1: đại lượng bổ sung ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu môi trường thời gian làm việc thiết bị Vì vật li ệu làm thiết bị vật liệu bền (thép không gỉ X18H10T) nên ta chọn C = mm = 0,001 m C2: đại lượng bổ sung bào mịn ngun liệu khơng chứa hạt rắn, lớp xúc tác tĩnh nên ta chọn C2 = mm C3: đại lượng bổ sung ăn mòn âm sai chi ều dày đ ược chọn theo chiều dày Vậy C = 0,001 + C (m) σ: Ứng suất cuả thành thiết bị , thép X18H10T: + Giới hạn bền kéo xác định theo công th ức σ σ k = k η ( N / m ) nk [13] Trong đó: σk = 550.106 (N/m2) η: hệ số hiệu chỉnh, thiết bị thiết bị loại hai nhóm II nên η = 0,95 Nk: hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, nk = 2,6 Thay số, ta có giới hạn bền vật liệu là: σK 550.106 [σ K ] = η = = 211,5.106 nK 2,6 N/m2 [13] Ứng suất cho phép cho giới hạn chảy thép X18H10T đ ược xác định theo công thức: [σ C ] = σC η nC [13] Trong đó: σC: Giới hạn bền chảy thép X18H10T, σC = 220 106, m/s nC: Hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy , nC = 1,5 Thay số vào ta có giới hạn bền chảy: 220.106 σC = = 146,7.106 1,5 N/m2 Để đảm bảo an toàn độ bền ta lấy giá trị nhỏ hai giá tr ị độ bền xét tỷ số: σP 146,7.106 ϕ = 0,95 = 18,3375 P h 8.106 < 50 Do ta khơng thể bỏ qua đại lượng Pt mẫu số cơng thức tính chiều dày, ta có: S= + 0,001 +C3 , m Suy ra: S = 0,0267 + 0,0014 = 0,0281 m Để đảm bảo cho trình làm việc thiết bị ta chọn S = 30 mm Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo phương pháp thử thuỷ lực: P0 = Pth + P1 , N/m2 Pth: áp suất thử thuỷ lực, Pth = 1,25 106 = 107N/m2 P1: áp suất thuỷ tĩnh nước, P1 = gρH, N/m2 [9-360] Thay số: P1 = 2,4 x 9,81 x 1000 = 0,0235.106 N/m2 Vậy P0 = 10 + (0,0235).106 = 10,0235.106 N/m2 Thay vào công thức kiểm tra: = =154,59 , N/m2 [13] σC Nhận xét:σ = 154,59.106 N/m2 < 1, = 183,333.106 N/m2 Như vậy, với chiều dày thân thiết bị 32 mm thiết bị đ ảm b ảo an tồn làm việc Chọn bích để nối thiết bị: Bảng 10:Chọn bích liền thép, kiểu I [13] Đường kính Dt Kích thước 900 Bu lơng db = M48 D 1180 z = 24 Db 1090 h = 40 mm D1 1030 D0 1019 5.5 TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ CHÍNH [13] Nắp đáy thiết bị dạng elip có kích th ước, có chi ều dày chọn theo đường kính thiết bị Nắp đáy đ ều có l ỗ có đường kính 150 mm Đường kính ngồi D n = 159 mm Vật liệu chế tạo thép không gỉ X18H10T có [σ] = 146,7.106 N/m2 Dt = 900 mm S = 30 mm Hb = 0,25 Dt = 225 mm H = 70 mm Chiều dày đáy vắp elip xác định công th ức: S= Dt Pt D t +C 3,8 σ k k.ϕn − Pt 2hb , m [13] Trong đó: Dt : đường kính thiết bị phản ứng, m Pt : áp suất làm việc, N/m2 ϕh : hệ số bền hàn mối hàn hướng tâm C : hệ số bổ sung [σk] : giới hạn bền kéo k : hệ số khơng thứ ngun tính theo công thức: =1Kiểm tra lại k theo công thức: D k < t < 2,5 0,6 2hb 0,85 1000 = 0,142 < = < 2,5 500 Ta có: 0,6 Vậy với k = 0,833 chấp nhận Áp suất làm việc Pt = 8MPa = 8.106 N/m2 Vì k = 0,833.0,95 =14,51 30 Nên đại lượng P mẫu số cơng th ức tính chiều dày đáy n ắp elip không bỏ qua Do chiều dày tính theo cơng thức: S= = +C +C = 0,03325+ C , m Chọn C1 = mm C2 = C3 = 0,6 mm Vậy S = 33,25 + 1,6 = 34,85 mm Chọn S = 36 mm Kiểm tra ứng suất theo áp suất thuỷ lực: = 177,75.106 N/m2 σc = 183,33.106 Ta có: 177,75.106 < 1,2 N/m2 Vậy chiều dày máy thoả mãn điều kiện thử chiều dày đáy 36 mm 5.6.TÍNH CHIỀU CAO CỦA THIẾT BỊ CHÍNH Chiều cao thiết bị tổng chiều cao ống phản ứng chiều cao đáy nắp : H = L + 2.( h + hb ) [13] H = L + 2.( h + hb ) = + 2.( 0,07 + 0,225 ) = 2,59 (m) Vậy chiều cao thiết bị : H = 2,59 (m) 5.7.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN Đường kính ống dẫn ngun liệu sản phẩm Theo phần tính cân vật chất, tổng lượng nguyên liệu vào thiết bị phản lượng sản phẩm Nên đường kính ống dẫn nguyên liệu vào đường kính ống dẫn sản phẩm Xét phương trình lưu lượng: π ×d2 V V= ×ω ⇒ d = 0,785 × ω (m) [13] Trong : + V : Lưu lượng thể tích hỗn hợp khí vào thiết bị phản ứng V = 0,253(m3/s) + ω : Tốc độ chảy trung bình hỗn hợp phản ứng ống d ẫn Chọn : ω = 20(m/s) Thay số : d= 0,253 0,785 × 20 = 0,127 (m) Quy chuẩn : d = 0,15 (m) = 150 (mm).Chọn chiều dài l=150mm Đường kính ống dẫn chất tải nhiệt Xét phương trình lưu lượng: π ×d2 V V= ×ω ⇒ d = 0,785 × ω (m) [13] Trong : + V : Lưu lượng thể tích chất tải nhiệt nước sơi vào thiết bị Gnước = 4404 kg/h, ρnước 100 = 958kg/m3 V = 1,28.10-3(m3/s) + ω : Tốc độ chảy trung bình chất tải nhiệt Chọn : ω = 0.3(m/s) Thay số : d= 0,00128 0,785 × 0.3 = 0,074 (m) Quy chuẩn : d = 0,08 (m) = 80 (mm).Chọn chiều dài l=130mm Bảng 11:chọn bích liền nối ống dẫn [13] Đường kính Kích thước Bu lơng Dt 80 db = M22 D 230 z=8 Db 180 h = 20 mm D1 150 Các thông số thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng loại thiết bi trao đổi nhiệt có dạng ống chùm đ ược cấu tạo từ vật liệu thép cacbon không gĩ X18H10T Thiết bị có vịng bù giãn nở nhiệt cách ghép vào vỏ thiết bị vành đàn hồi - Đường kính thiết bị : Dt = 0.9 (m) - Chiều cao : H = 2,59 (m) - Bề dày thân thiết bị : S = 32 (mm) - Số ngăn : m = (ngăn) - Số ống truyền nhiệt : 187 (ống) - Chiều dài ống : L = (m) - Bề dày đáy nắp : S = 36 (mm) - Chiều cao gờ : h = 70 (mm) - Chiều cao phần lồi : hb = 0,225 (m) TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thị Minh Hiền,Công nghệ chế biến khí tự nhiên khí đồng hành.Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - 2010 Lê Mậu Quyền.Hố học vơ Nhà xuất Khoa học kỹ thuật - 2005 Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên, Cơng nghệ tổng hợp hữu – Hóa dầu, NXB KHKT, 2006 Đăng Trọng Yêm, Hóa học hữu cơ, tập 2, NXB KHKT, 2000 PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng, GS.TS Đinh Thị Ngọ, Hóa học dầu mỏ & khí, NXB KHKT, 2009 Đồn Thiên Tích.Dầu khí Việt Nam Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh- 2001 Donald W.Breck – Ullmanns Encyclopedia Chemistry,Wiley - VCH, Weinheim, Germany , 2007 Petrochemical-Processes-2010 Handbook-Of-Petroleum-Refining-Processes 10 Chemistry-Of-Petrochemical-Processes of Industrial 11 Tập thể tác giả,Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội, 2006 12 Tập thể tác giả,Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội, 2006 ... huỳnh bước tính tốn, ta tính ln nguyên liệu vào thiết bị oxy hóa sơ cấp Trong phần tính tốn ta lấy nhiệt độ vào 500 OC nhiệt độ 850OC • Tính tốn lượng vào thiết bị * Khí tự nhiên vào : Lượng khí... thiết bị phản ứng gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp khí nóng sau phản ứng Phản ứng tạo thành metanol phản ứng toả nhiệt xảy thiết bị phản ứng (1) nhiệt độ 200 - 3000C Nhiệt phản ứng phân tán... lượng khí, đặt đại lượng cần tính sau: Lượng khí CO2 khỏi trình l? ?: =x ( kmol/h ) Lượng CO khỏi trình l? ?: =y ( kmol/h ) Lượng H2 khỏi trình l? ?: =z ( kmol/h ) Lượng H2O khỏi trình l? ?: =t ( kmol/h )