Các phản ứng chính xảy ra trong thiết bị este hóa:
• Giai đoạn este hóa axit p-toluic bằng methanol thành p-metyl toluate (CH3)C6H4 – COOH + CH3OH CH3 – C6H4 – COO – CH3 + H2O
∆Ho
298 = -30 kJ/mol
• Giai đoạn este hóa thành dimetyl terephtalat
HOOC-C6H4-COO-CH3 + CH3OH H3C-OOC-C6H4-COO-CH3 + H2O ∆Ho
298 = -30 kJ/mol
Ta có cân bằng nhiệt như sau:
Tổng lượng nhiệt dòng vào =Tổng lượng nhiệt dòng ra Hay: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 (*)
Trong đó :
- Q1: Lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào (kJ/h) - Q2: Lượng nhiệt do nước tải nhiệt mang vào (kJ/h)
- Q3: Lượng nhiệt do các phản ứng tỏa ra (kJ/h) - Q4: Lượng nhiệt do các sản phẩm mang ra (kJ/h) - Q5: Lượng nhiệt do nước tải nhiệt mang ra (kJ/h) - Q6: Lượng nhiệt mất mát ra môi trường (kJ/h)
Tính lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào (Q1)
Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 1600C (433 K)
Nguyên liệu vào thiết bị este hóa chính là sản phẩm của quá trình oxi hóa theo các phản ứng sau:
• Giai đoạn oxi hóa bằng không khí p-xylen thành axit p-toluic C6H4-(CH3)2 + 3/2 O2 (CH3)C6H4 – COOH + H2O (1)
(CH3)C6H4 – COOH + CH3OH CH3 – C6H4 – COO – CH3 + H2O (2)
• Giai đoạn oxy hóa nhóm metyl còn lại thành metyl terephtalat
CH3 – C6H4 – COO – CH3 + 3/2 O2 HOOC-C6H4-COO-CH3 + H2O (3)
• Giai đoạn este hóa thành dimetyl terephtalat
HOOC-C6H4-COO-CH3 + CH3OH H3C-OOC-C6H4-COO-CH3 + H2O (4)
Theo phương trình phản ứng ta có, số mol của axit p-toluic, m etyl terephtalat tạo thành ở phản ứng (1), (3) bằng số mol của DMT tạo thành ở phản ứng (4). => np-toluic = nmetyl terephtalat = nDMT = 106 mol
Lượng p-toluic vào thiết bị este hóa là: 106 ×136 =11 683.76 tấn Lượng metyl terephtalat vào thiết bị este hóa là: 106×180 = 15 463.8 tấn
Số mol metanol nguyên liệu = 212.13 ×106 mol
* Nhiệt dung riêng của các chất hóa học được tính theo công thức: M.c = n1c1 + n2c2 + n3c3 + ………. (I.41, sổ tay tập 1)
Trong đó M là khối lượng mol của hợp chất, c là nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ), n1, n2,n3 …là số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất; c1, c2,c3,….là nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, J/kg nguyên tử.độ
Tra bảng I.141 ta có:
168. c = 11700 × 8 + 18000 × 8 + 2×25100 => cp-toluic = 1713 J/kg.độ - Nhiệt dung riêng của metanol là:
32. c = 11700 + 4 × 18000 + 25100 => ctoluen = 3400 J/kg.độ - Nhiệt dung riêng của metyl terephatalat là:
244 . c = 9 × 11700 + 8 × 18000 + 4 × 25100 => cmetyl terephatalat = 1433.196 J/kg.độ Ta có bảng sau: Nguyê n liệu Khối lượng (tấn/tháng) Mol xi(Phần mol) Cp (J/kg.độ) p- toluic 11 683.76 106 0.2237 1713 Metano l 212.13 ×106 0.5526 3400 Metyl terephtalat 15 463.8 106 0.2237 1433.19 6 Tổng 33935.86 383.95 ×106 1
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng được tính theo công thức sau:
CP ng.liệu = ∑ Cpi × xi (J/kg.độ)
= 0.2237×1713+ 0.5526×3400+
0.2237×1433.196
= 2582.64 J/kg.độ Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào là:
Q1 = Gng.liệu × CP ng.liệu × Tng.liệu = × 2582.64 × × 433 K = 5.27 ×1010 J/h = 5.27 ×107 kJ/h
Tính lượng nhiệt do nước tải nhiệt mang vào(Q2)
Trong đó:
- Gnước : khối lượng nước tải nhiệt đi vào, kg/h - Q2 : lượng nhiệt do nước tải nhiệt mang vào, kJ/h - Tnước : nhiệt độ nước tải nhiệt mang vào,oC
- CP(nước): nhiệt dung riêng của nước tải nhiệt, kJ/kg.k
Tra bảng I.147 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1) ta có: Cp nước = 0.99892 kcal/kg.độ = 4.1868 ×103 × 0.99892 = 4182.28 J/kg.độ ở 250C => Q2 = Gnước ×4182.28 ×25 = 104.557 ×Gnước kJ/h
Tính lượng nhiệt do các phản ứng tỏa ra (Q3):
(CH3)C6H4 – COOH + CH3OH CH3 – C6H4 – COO – CH3
+ H2O (1)
∆Ho
298 = -30 kJ/mol HOOC-C6H4-COO-CH3 + CH3OH H3C-OOC-C6H4-COO- CH3 + H2O (2) ∆Ho 298 = -30 kJ/mol Q3 = np-toluic ×∆Ho 298(1) + nDMT ×∆Ho 298(2)
Q3 = 106 mol ×30 kJ/mol + 106 mol× 30 kJ/mol
=> Q3 = 5154.6 ×106 kJ/tháng = 7.16 ×106 kJ/h
Tính lượng nhiệt do các sản phẩm mang ra(Q4)
Hỗn hợp sản phẩm đầu ra có nhiệt độ là 220 oC (493K) Ta có nhiệt dung riêng của các chất ở 2200C như sau: Sản phẩm Khối lượng Tấn/tháng Mol (106 mol) xi(Phần mol) Cp(J/kg.độ) DMT 16666.67 85.91 0.33 2048.45 H2O 3092.76 171.8 0.67 4506.25
2
Tổng 17 059.43 257.73 1
- Nhiệt dung riêng của DMT :
194 cDMT = 11700 ×10+18000×10+25100×4 => cDMT = 2048.45 J/kg.độ - Tra bảng I.147 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1) ta có: Cp nước = 1.00763 kcal/kg.độ = 4.1868 ×103 × 1.00763 =4506.25 J/kg.độ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm là:
CP(sản phẩm) = ∑ Cpi × xi (J/kg.độ)
= 0.33 ×2048.45+0.67×4506.25 = 3685.176 J/kg.độ
Vậy: Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra là:
Q4 = Gsp × CP(sp) × Tsp (kJ/h) = ×
× 493 K
4.3 ×1010 J/h = 4.3 ×107 kJ/h
Nhiệt lượng do nước tải nhiệt mang ra(Q5)
Q5 = Gnước × CPnước × Tnước
Trong đó:
- Gnước : khối lượng nước tải nhiệt đi ra, kg/h - Q2 : lượng nhiệt do nước tải nhiệt mang ra, kJ/h - Tnước : nhiệt độ nước tải nhiệt ra,oC
- CP(nước): nhiệt dung riêng của nước tải nhiệt, kJ/kg.k Nhiệt dung riêng của nước ở 450C là :
Cp nước = 0.9989 kcal/kg.độ = 0.9989 × 4.1868 ×103 J/kg.độ = 4182.2 J/kg.độ
=> Q5 = Gnước ×4182.2 × 45 =188.199 Gnước kJ/h
Nhiệt lượng do mất mát(Q6).
Do coi mất mát nhiệt cho môi trường là 5% nhiệt đầu vào nên: Q6=0,05(Q1+Q2+Q3)
=> Q6 = 0.05 (5.27 ×107 + 104.557 ×Gnước + 7.16 ×106) = 0.3 ×107 + 5.228 Gnước
Thay các giá trị Q1, Q2, Q3, Q4,Q5, Q6 vào biểu thức (*) ta có: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
5.27×107+ 104.557 ×Gnước +7.16 ×106 =4.3 ×107 +188.199 Gnước +0.3×107
+5.228 Gnước
5.986 ×107 + 104.557 Gnước = 4.6 ×107 + 193.427 Gnước
Gnước = 155 958. 14 kg/h
Vậy lượng nước tải nhiệt cần dùng cho quá trình là 155 958. 14 kg/h hay 11236.8 tân/tháng
Kết luận
Sau khi hoàn thành đồ án, em đã:
- Tìm hiểu được cấu tạo, tính chất của acrylonitril - Các ứng dụng quan trọng của acrylonitri
- Hiểu và đánh giá các công nghệ sản xuất acrylonitril trong công nghiệp
- Tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất trong thiết bị phản ứng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] http://www.en.wikipedia.org/wiki/Dimethyl Terephthalate;
[2]http://www.gtctech.com/technology-licensing/polyester- technologies/dimethyl-terephthalate-technology/
[3]Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, “Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 &2”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2006.
[4]Nhiều tác giả, ‘Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập I &II”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1999.
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...2
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...3
I. Giới thiệu về Dimethyl terephthalate...3
II. Các phương pháp sản xuất Dimethyl Terephthalate...7
III. Cơ sở của phản ứng este hóa tạo DMT...10
Chương II CÁC QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ...13
I. Công nghệ đơn giản sử dụng áp lực...13
II. Lựa chọn phương pháp sản xuất Dimethyl Terephthalate (DMT)...13
III. Xây dựng quy trình sản xuất Dimethyl terephthalate...14
IV. Các thiết bị trong sơ đồ công nghệ sản xuất DMT...18
V. Thiết kế sơ đồ công nghệ sản xuất DMT...20
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN...21
I. Lựa chọn thiết bị chính...21
II Tính cân bằng vật chất...23
III. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị este hóa...27
Kết luận...33