I. SO SÁNH CÁC CÔNG NGHỆ:
1. Tính cân báng vât chát chung:
Quá trình sản xuất MTBE qua 2 giai đoạn: giai đoạn đề hyđro hóa isobutan và giai đoạn tổng hợp MTBE. Ta tính cân bằng vật chất từng giai đoạn:
*Giai đoạn tổng hợp MTBE:
Cân bằng: X khối lượng vào = X khối lượng ra
- Các dòng khối lượng đi vào phần tổng hợp MTBE gồm có: + Hỗn họp C4 lỏng đi ra từ phần đề hyđro hóa: G|, kg/h + Dòng nguyên liệu Metanol : GMeOH,
Văn Huy Vương 42 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan. + Hỗn hợp khí C4 chưa phản ứng : Gc 4 chưa phản ứng, kg/h
+ Sản phẩm MTBE : GMTBE, kg/h
H2 o do trong nguyên liệu Metanol chứa 0,1% (W).
Ớ đây để đưon giản ta coi rằng trong qúa trình hấp thụ Metanol và qúa trình chưng tách thu hồi Metanol và nước, lượng H20 sử dụng không bị mất mát và được tuần hoàn lại cho qúa trình hấp thụ Metanol và lượng H20 lấy ra bằng lượng nước đưa vào dây chuyền do có ở trong nguyên liệu Metanol và bằngGn2o, kg/h
Tính toán các khối lượng G„ GME0H , Gc4 chua phản ứng, GMTBE, như sau:
+ Khối lượng sản phẩm MTBE đi ra phải là năng suất quy định của toàn dây chuyền sản xuất và bằng 6313,13 kg/h.
Vậy GMTBE = 6313,13 kg/h
+ Ớ giai đoạn tổng họp, phản ứng tổng họp như sau: Iso-buten + MeOH MTBE
Đây là phản ứng thuận nghịch, tuy vậy khi qua tháp phản ứng chưng cất (tháp CD) theo công nghệ CD Tech thị độ chuyển hóa chung đạt 99%, độ chọn lọc đạt 100% (tính theo iso buten).
Vậy để tạo ra MTBE đạt năng suất yêu cầu là 71,74 kmol/h thì lượng iso buten cần tạo ra từ phần đề hyđro hóa để tiêu thụ cho phản ứng tổng hợp là:
71,74 ^ „ ■^9 72’46
(0,99 là độ chuyển hóa của phản ứng tổng hợp theo iso buten)
Ớ đây đơn giản trong tính toán ta coi độ chọn lọc MTBE đạt 100% và iso buten không tiêu thụ cho phản ứng phụ tạo ra TBA và DIB.
Vậy G1B =72,46.56 = 4057,76 kg/h (MIB=56)
+ Khối lượng Metanol đưa vào thiết bị phản ứng MTBE theo tỉ lệ: Metanol
7—7—— = 1,1 (tỉ lê mol). iso buten
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Vậy lượng Metanol đưa vào là: 72,46. 1,1 = 79,706 kmol/h Hay 79,706.32 = 255,60 kg/h
Lượng Metanol đưa vào thiết bị = lượng metanol (99,9% W) mới đưa vào + lượng metanol tuần hoàn. Trong đó:
Lượng Metanol tuần hoàn = lượng Metanol còn lại sau phản ứng- lượng Metanol trong sản phẩm MTBE. Lượng Metanol còn lại sau phản ứng = Lượng Metanol đưa vào - Metanol tiêu thụ cho phản ứng. Lượng Metanol tiêu hao cho phản ứng cũng bằng số kmol MTBE tạo ra (theo phản ứng tổng hợp) và bằng 71,74 kmol/h.
Vậy lượng Metanol còn lại sau phản ứng là:
79,76 -71,74 = 7,966 kmol/h Hay 7,17. 32 = 254,91 kg/h.
Ta coi các sản phẩm phụ khác trong MTBE sản phẩm chỉ gồm có Metanol và không chứa DIB, TBA... Lượng Me còn lại trong sản phẩm MTBE chiếm 1% khối lượng tức là bằng:
0,01.6313.13 = 63,13 kg/h.
Coi rằng Metanol được thu hồi theo dòng sản phẩm chính ra khỏi tháp phản ứng 2 là 100%.
Như vậy lượng Metanol tuần hoàn là: 254,91.63.13 = 191.78 kg/h.
Lượng Metanol (100% W) mới cần đưa vào là: 2550,60 - 191,78 = 2358,82 kg/h.
Lượng Metanol (99,9%) mới cần đưa vào dây chuyền là:
iso-C4H10 -> C2H6 + C2H4 (1) (kmol/h) X X
iso-C4H10 —> CH4 + C4H6 (2) (kmol/h) X X
Giso-C4H]0 nguyên liệu = ^-
= 218’78 kmol/h S
T Tên cấu tử % kmol/h kg/h
1 iso-C4Hl0 90 196,90 196,90. 58= 11420,2 2 3 0,03.218.78 = 6,56 6,56. 44 = 288,79 3 n- C4H10 60,06.218,78 = 13,127 13,127.58 = 761,35 4 Tổng n- C4H8 0, 50,005.218 78 = 1,09 1,09.56 = 61,26 5 0,4 95 0,495. 10 2.218,78 = 1,08 1,08.72 = 77,97 6 H2Svà Meroaptan 0,005 0,005.10 2.218,78 = 0,01 0,01. MTB = 0,45 Tổng 10 0 1 = 218,78 Với MTB-M^+^-^-34+4Lll 2 2 QH8 —> C,H6 + (3) 2,62 n-C4H10 -> n-C4H8 (4 5,25
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
GH2O = 2361,18 - 2358,82 = 2,36 kg/h. Cân bằng ta có:
GỊ + GMe0H (99 9%) = GC4 chua phản ứng + GMTBE + GMe0H trong MTBE + GH 20
Hay G! + 2361,18 = GC4 chua phản ứng + 6313,13 + 63,13 + 2,36 Đê tĩnh G, và Gc+ ta tĩnh cân bằng vật chất cho giai đoạn đề hyđro hóa. * Cân bằng vật chất giai đoạn đề hyđro hóa:
Khi cân bằng: z khối lượng vào = z khối lượng ra. - Các dòng vật chất đi vào phần đề hyđro hóa gồm: + Hỗn hợp C4 lỏng iso butan nguyên liệu: Gịso_c H , kg/h - Các dòng vật chất đi ra gồm:
+ Hỗn hợp lỏng C4 sản phẩm có chứa iso buten: Gjso_CH , kg/h + Hỗn hợp khí thải giàu H2: Gkhíthải,
kg/h
Vậy cân bằng ta có:
p p 1 p
'Jiso-C4H|0 nguyên liệu — 'Jiso-C4H8 sản phấm ' '^khí thải Tĩnh toán các khối lượng như sau:
'jriso-C4H8 nguyên liệu • Ta CÓ phản ứng:
iso-C4H10 —> iso-C4Hg + H2 (*)
Lượng iso-C4H8 cần tạo ra ở giai đoạn đề hyđro hóa để tổng hợp được 6313,13 kg MTBE/ như ta đã tính: 72,46 kmol/h.
Văn Huy Vương 45 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Vì độ chuyển hóa của (*) đạt 40%, vậy lượng iso-C4H10 nguyên chất cần đưa vào dây chuyền là:
1ỀÊẾ. -196,90 kmol/h.
0, 4
Trong đó 72,46 kmol/h iso-C4Hl0 sẽ tiêu hao cho phản ứng chính (*) để tạo ra 72,46 kmol/h iso-C4H8 và 78,76 - 72,46 = 6,3 kmol/h sẽ tham gia phản ứng phụ iso-C4Hl0.
Giả sử iso-C4Hl0chỉ tham gia các phản ứng phụ cracking:
Để đơn giản ta giả sử các phản ứng (1) và (2) xảy ra với tốc độ như nhau, tiêu thụ lượng iso-C4Hl0 như nhau, các phản ứng có hiệu suất như nhau và bằng 100%.
Vậy lượng iso-C4Hl0tiêu thụ cho mỗi phản ứng là: X = — = 3,15 kmol/h.
2
Lượng iso-C4Hl0 còn lại không chuyển hóa là: 196,90 - 78,76 = 118,14 kmol/h.
Về khối lượng nguyên liệu iso-C4H10 còn chứa các thành phần khí khác như propan, n-butan, buten... và iso-C4Hl0 chỉ chiếm 90% thể tích.
Vậy lượng khí iso-C4H10 nguyên liệu cần đưa vào là:
n _196,90_1187C,
Vậy thành phần và khối lượng khí iso-C4Hl0 nguyên liệu đưa vào như sau:
Văn Huy Vương 46 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Bảng 13: Thành phần và khối lượng khí iso-C4Hl0 nguyên liệu đưa vào:
Vậy Giso-C4H10 nguyên liệu - 11420,2 + 288,79 + 761,35 +31,26
+77,97 +0,45
= 12610,02 kg/h.
Thành phần % Kmol/h Kg/h iso-C4H8 33,6 72,46 4057,76 4Hi0 54,8 118,14 6582,12 n-C4H10 3,7 7,88 456,87 n-C4H8 2,9 6,34 355,04 1,8 3,94 173,36 C,Ht 2,7 5,77 242,34 0,5 1,08 77,97 Tổng 100 215,61 12215,46 Thành phần % Kmol/h Kg/h iso-C4H8 0,5 0,72 40,32 4H10 82,1 118,14 6852,12 n-C4H|0 5,5 7,88 456,87 n-C4Hg 4,4 6,34 355,04 2,7 3,94 173,36 4,0 5,77 242,34 0,8 1,08 77,97 143,87 8198,02
Các dòng vật chất đi vào (kg/h) Các dòng vật chất đi ra (kg/h) GÌSO-C4HIO nguyên liệu =
12610,02
GMeOH (99,9%) = 2361,18
GMTBE = 6313,13
G£ cha phản ứng = 8198,02 GMeOH trong MTBE = 63,13
GH 2O =2,36 Gkhí thải = 394,21 Tổng 1= 14971,20 Tổng 1= 14970,85 Thành phần % Kmol/h Kg/h 1SO-C4H,0 90 78,76 4568,08 3 0,03. 87,51=2,63 2,63.44= 115,51 n-C4H)0 0,06. 87,51=5,256 5,25. 58= 304,54 Tổng n-C4H8 0,005. 87,51=0,440,5 0,44. 56= 24,50 0,49 5 0,495. 10'2. 87,51=0,43 0,43.72= 31,19 Lượng C3H8 tham gia phản ứng (3) là:
0,4. 6,56 = 2,62 kmol/h.
Lượng n-C4H8 tham gia phản ứng (4) là: 13,127. 0,4 = 5,25 kmol/h.
1
'Jiso- C4H8 sản phẩm :
Dòng vật chất đi ra khỏi thiết bị đề hyđro hóa sẽ được ngưng tụ các cấu tử
từ C3 trở lên sẽ ngưng khi bị nén ở áp suất. Các cấu tử C2 trở xuống sẽ không
Văn Huy Vương 47 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Vậy hỗn hợp lỏng Iso- C4H8 sản phẩm đi ra khỏi phần đề hyđro hóa có khối lượng và thành phần như sau:
• Iso- C4H8: là lượng Iso- C4Hg tạo ra: 72,46 kmol/h = 405,76 kg/h • Iso- C4H10: bằng lượng Iso- C4H10còn lại chưa chuyển hóa và bằng:
196,90 - 78,76 = 118,14 kmol/h = 6852,12 kg/h .n-C4H10: bằng lượng có ban đầu - lượng tham gia phản ứng và bằng:
13,127 - 5 25 = 7 88 kmol/h = 456,87 kg/h.
• n-C4H8: bằng lượng có ban đầu trong nguyên liệu + lượng tạo ra ở phản ứng (4):
1,09 + 5 25 = 6 34 kmol/h = 355,04 kg/h.
• C3H8 : bằng lượng có ban đầu trong nguyên liệu - lượng phản ứng theo (3):
6,56 - 2,62 = 3,94 kmol/h = 177,36 kg/h.
• C3H6: bằng tổng lượng tạo ra do phản ứng (2) và (3): 3,16 + 2,62 = 5,77 kmol/h = 242,34 kg/h.
.Cj: bằng lượng có ban đầu: 1,08 kmol/h = 77,97 kg/h.
Vậy GiS0.c4Hs sân phám = 12215,46 kg/h.
+Gkh( : khí thải gồm có H2, CH4, C2H4, C2H6, H2S và Mercaptan khối lượng và thành phần hỗn họp khí thải như sau:
•H2 là tổng lượng khí thải tạo ra do các phản ứng (*), (3) và (4) bằng: 72,46 + 2,62 + 5,25 = 80,33 kmol/h = 160,66 kg/h.
• CH4: là lượng tạo ra do phản ứng (2) là: 3.15 kmol/h =50,4 kg/h.
• C9H4: là lượng C2H4 tạo ra do phản ứng (1):
Văn Huy Vương 48 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.
0,01 kmol/h = 0,45 kg/h. Vậy Gkh(Mi = 394,21 kg/h. Vậy cân bằng :
p __ p 1 p
^iso- C4H|0 nguyên liệu — ^iso- C4H8 sản phẩm ' ^khí thải 12610,02 = 12215,46 + 394,21 *2610,02
Hỗn hợp c (iso-C4H8) sản phẩm đi ra khỏi phần đề hyđro hóa có khối lượng Giso_c4Hs sản phẩm và cũng Ià G,:Bảng 14: Thành phần và khôi lượng khí ra khỏi phần đề hyđro hóa:
Hỗn hợp này là dòng nguyên liệu đi vào phần tổng hợp MTBE. Bây giời ta
thay G, = 12215,46 kg/h vào phương trình cân bằng vật chất cho giai đoạn tổng hợp MTBE ta có:Gị + GMe0H (99 9%) — G(+ chưa phản ứng + GMTBE + GMeOH trong MTBE + GH 20
G, = 12215,46 kg/h
GivieOH (99,9%) = 2361,18 kg/h
Văn Huy Vương 49 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.
^MeOH trong MTBE — 63,1 6 kg/h GH2O =2,36 kg/h
Ta được Gc* chlKphinứng = 8198,02 kg/h
Xác định thành phần và khối lượng dòng C4 chưa phản ứng: Phản ứng:
ISO- C4H8 + MeOH -> MTBE
71,74 71,74 71,74 (kmol/h).
Nếu coi rằng phản ứng đạt độ chuyến hóa 90% mol (theo iso-C4H8) và độ chọn lọc đạt 100% thì lượng MTBE tạo ra 71,74 kmol/h.
Lượng iso-C4H8 cần để tạo ra lượng 71,74 kmol/h MTBE là: 71,74
= 72,46 kmol/h 0,99
Lượng iso-C4H8 chưa chuyến hóa là:
Bảng 15: Thành phần và khôi lượng của khí c, chưa phản ứng.
Văn Huy Vương 50 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Tóm lại ta có bảng cân bằng vật chất chung cho toàn bộ phân xưởng ở bảng sau:
Bảng 16: Các dòng vật chất cho toàn phân xưởng.
*Tính lượng nguyên liệu mới cần thiết đưa vào dây chuyền:
Khí Raffinat-2 sau khi thu hồi được đem xử lý loại các cấu tử chứa oxi như: Metanol, MTBE, H20 (với lượng nhỏ), loại Propan và Propylen... để đạt tiêu chuẩn như khí iso-butan nguyên liệu rồi được tuần hoàn trọn với nguyên liệu mới.
Ta có:
Dòng iso-C4H10+ lượng iso-C4Hl0 tuần hoàn = lượng iso-C4H10đi vào dây
chuyền.
Tính theo cấu tử iso-butan ta có: 196,90- 118,14 = 78,76 (kmol/h).
Vì trong Iso-butan nguyên liệu thì isobutan chỉ chiếm 90% thể tích. Vậy trong isobutan nguyên liệu mới cần đưa vào dây chuyền là:
78,76 0^C1
' =87,51 kmol/h
Văn Huy Vương 51 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
H2S và Mercaptan 0,00 5 0,005. 10'2. 87,51= 4,4.10'3 4,4.103. 41= 0,18 Tổng 10 0 87,51 5044 Thành phần % Kmol/h Kg/h 4HI0 90 118,14 6852,12 3 0,03. n08ịỊ4 = 3,94 3,94. 44= 137,27 n-C4H|0 6 0,06. ^=7,88 7,88.58 = 456.81 Tổng n-C4H8 0, 5 0,005. J-^ầ=0,66 0,66. 46 = 36,75 0,495. lữ2, = 0,65 0,65.72 = 46,78 H2S và Mercaptan 0,005. 10‘2. Ulii-0,0066 0,0066. 41= 0,27 10
0 ^ÌSO-C4H10 nguyên liệu mới 5044 kg/h.131,28 7566
Isobutan tuần hoàn có thành phần giống như nguyên liệu mới và khối lượng như sau:
Bảng 18: Thành phần và khôi lượng của dòng tuần hoàn.
Thành phần Kmol/h Kg/h 1SO-C4H,0 118,14 6852,12 n-C4H|0 7,88 456,87 n-C4H8 6,34 355,04 3,94 173,36 5,77 242,34 1,08 77,97
Cấu tử Lượng vào,
kmol/h Lượng ra, kg/h
iso-C4H8 4077,76 608,66 Metanol 2550,6 579,68 MTBE 0 5420,01 ISO-C4Hi0 6852,12 6852,12 n-C4H)0 456,87 456,87 n-C4H8 355,04 355,04 CA 173,36 173,36 CA 242,34 242,34 c; 77,97 77,97 Tổng 14766,06 14766,05 H20 2,36 2,36 I 14768,42 14768,41
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Cân bằng ta có:
Lượng iso-C4Hl0mới vào+ lượng iso-C4Hl0tuần hoàn = lượng iso- C4H10vào dây
chuyền.
5044 + 7566 = 12610,02
12160,00 = 12160,02
Khi cân bằng:
X Khối lượng vào = X khối lượng ra
^“*Iso-C4Hg nguyên liêu ^MeOH ^MTBE ^MeOH dư ^hỗn hợp C4 còn lại Tính toán các khối lượng như sau:
G,5O.C4H8 nguyên liệu = 12610,02 kg/h
GMeOH = Lượng Metanol mới + Lượng Metanol tuần hoàn
= 2361,18 + 191,78 = 2552,96 kg/h
^MeOH = 2552,96 kg/h
Các cấu tử đi ra thiết bị phản ứng gồm:
Văn Huy Vương 53 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
.Gmtbe: Ở thiết bị phản ứng thứ nhất độ chuyển hoá đạt 85%, độ chọn lọc đạt 100%.
ISO-C4H8 + MeOH MTBE
72,46Kmol/h 61,591 Kmol/h Lượng MTBE tạo ra là:
GMTBE = 0,85 + 72,46.88 = 5420,01 Kg/h
.Lượng ISO-C4H8 còn lại chưa phản ứng là:
72,46 - 61,591 = 10,87 Kmol/h = 608,66 Kg/h • Lượng Meta nol chưa phản ứng là:
Vậy:
Ghỗn hợp C4còn lại = 608,66 + 6852,12 + 456,87 + 355,04 + 173,36 + 242,34 + 77,97
Ghỗnhợp C4còn lại = 8766,36 kg/h.
Vậy ta tóm tắt cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ nhất theo bảng 20:
Văn Huy Vương 54 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Bảng 20: Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ nhất.
3.Tính toán cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chưng tách:
Cấu tử Lượng vào,
kmol/h Lượng ra, kg/h
iso-C4H8 608,66 40,376 Metanol 579,68 254,91 MTBE 5420,01 6313,13 ISO-C4HI0 6852,12 6852,12 n-C4H|0 456,87 456,87 n-C4H8 355,04 355,04 C3H8 173,36 173,36 C3H6 242,34 242,34 c; 77,97 77,97 H20 2,36 2,36 I 14768,41 14768,98
Thành phần Kg/h %khối lượng Kmol/h
I SO-C4H8 4057,76 27,48 72,46 I SO-C4HI0 6852,12 46,40 118,14 n-C4H|Q 456,87 3,09 7,88 n-C4H8 355,04 2,40 6,34 173,36 1,17 3,94 212,34 1,64 5,77 77,97 0,53 1,08 Metanol 2550,6 17,27 79,706 H20 (trong MeOH) 2,36 0,02 0,131 Tổng Gngliệu= 1476,42 100 G„8liệu=295, 447
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.
Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất được đưa vào thiết bị phản ứng chưng cất. Vì vậy các cấu tử và khối lượng của chúng cũng là các cấu tử và khối lượng của dòng ra thiết bị phản ứng thứ nhất.
Ta có: Gvà0 = 14768,41 Kg/h
Ớ thiết bị phản ứng chưng cất này do việc chưng tách sản phẩm MTBE liên tục khỏi môi trường phản ứng lên cân bằng chuyển hoá đạt cao hơn và làm độ chuyển hoá chung của quá trình đạt 99%.
Phản ứng:
ISO-C4H8 + MeOH MTBE
10,149Kmol/h 10,149Kmol/h 10,149Kmol/h
Sản phẩm ra khỏi thiết bị này là 71,74 Kmol/h (ứng với 6313,13 Kg/h) trong đó MTBE tạo ra ở thiết bị phản ứng thứ nhất là 61,591 Kmol/h
Lượng tạo ra ở thiết bị phản ứng chưng cất: 71,74-61,591 = 10,149 Kmol/h = 893,112 Kg/h Lượng iso-C4H8 còn lại không phản ứng là:
10,87- 10,149 = 0,721 kmol/h = 40,376 kg/h
Lượng Metanol còn lại sau tháp phản ứng chưng cất là: 579,68- 10,149. 32 = 254,912 kg/h.
Văn Huy Vương 56 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN
Đồ án môn học: Thiết kếclâỵ chuyên sản xuất MTBE từ iso- Butan. Bảng 21: Cân bằng phản ứng cho thiết bị phản ứng chưng cất.