CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Lựa chọn công nghệ.
2.3.Sơ đồ công nghệ
Thuyết minh quy trình công nghệ
Khí axetylen sạch và khí axetylen tuần hoàn sẽ được bơm khí (1) bơm vào thiết bị tách sơ bộ (2). Tại đây các khí thải và hơi nước sẽ được tách ra ngoài. Khí đã được tách sẽ đi vào dưới đáy của thiết bị phản ứng (3). Tại nhiệt độ 97oC, áp suất 2at axetylen bị hydrat hóa tạo ra axetaldehyt và một số sản phẩm phụ khác. Sản phẩm được lấy ra trên đỉnh tháp. Xúc tác được lấy ra giữa thân tháp và được đưa đến thiết bị tái sinh (7). Tại đây xúc tác được tái sinh và được bơm (6) bơm trở lại tháp phản ứng. Hỗn hợp khí sản phẩm, xúc tác bị lôi cuốn đi ra từ đỉnh tháp phản ứng sẽ đi vào đỉnh thiết bị làm lạnh (4). Tác nhân làm lạnh là nước. Dòng sản phẩm sẽ được lấy ra ở đáy tháp làm lạnh và được đưa đến thiết bị phân tách và hồi lưu (5). Tại thiết bị này sản phẩm sẽ được tách ra 2 phần riêng biệt. Phần lỏng là dung dịch xúc tác sẽ được đưa trở lại tháp phản ứng. Phần khí là CH3CHO, C3H5CHO, CH3COOH, C2H2dư. Hỗn hợp khí này sẽ đi qua thiết bị làm lạnh bổ sung (8). Hỗn hợp đi ra khỏi tháp làm lạnh bổ sung sẽ đi vào tháp rửa khí bằng nước(9). Tại đây các khí CH3CHO, CH3COOH,C3H5CHO, sẽ bị hấp thụ hết và đi xuống đáy tháp, phần khí không bị hấp thụ là C2H2 đi ra khỏi
đỉnh tháp và nhập vào dòng hồi lưu quay trở lại làm nguyên liệu. Sản phẩm lỏng của tháp rửa (9) được đưa đến thùng chứa axetaldehyt thô(10). Axetaldehyt thô này sẽ được bơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) đi vào giữa thân tháp chưng cất sơ bộ (12). Hơi quá nhiệt sẽ đi vào đáy tháp gia nhiệt cho tháp. Tại tháp chưng cất sơ bộ này phần nhẹ hơn sẽ được lấy ra ở đỉnh tháp phần lỏng là dung dịch chứa CH3COOH được lấy ra ở đáy tháp và đi đến thiết bị trao đổi nhiệt làm chất tải nhiệt. Hỗn hợp khí khi đi ra khỏi tháp chưng cất sơ bộ (12) được đưa đến thiết bị ngưng tụ, phần khí được đưa trở lại dòng nguyên liệu. Phần lỏng đưa vào giữa thân tháp tinh luyện (15). Một phần được hồi lưu lại tháp (12). Tại tháp tinh luyện axetaldehyt sẽ được tách trên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và đi ra bể chứa axetylen thành phẩm. Một phần được hồi lưu lại tháp. Sản phẩm lỏng được lấy ra dưới đáy tháp và qua thiết bị đun sôi đáy tháp (14). Dòng lỏng nóng được bơm đưa trở lại tháp tinh luyện một phần lấy ra ngoài. Đây là hỗn hợp gồm C3H5CHO, CH3COOH.
Tính cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và tính toán thiết bị chính
Số liệu ban đầu:
- Năng suất 50.000 tấn /năm
- Thành phần hỗn hợp khí nguyên liệu vào: • C2H2 = 98.95% • H2O = 0,04% • O2 = 0,01% • N2 = 1% -Thành phần sản phẩm : • CH3CHO = 95% • CH3COOH = 5%
- Mức độ chuyển hóa mỗi lần đưa nguyên liệu vào là 55% - Nhiệt độ phản ứng là: 97oC
- Tổn thất CH3CHOlà: 6%
- Nước công nghiệp xem như đã loại tạp chất.
Vậy : Ttt = T - Tngh = 365 - 30 = 335 (ngày)
Thiết bị làm việc liên tục trong 335 ngày nên số giờ làm việc trong 1 năm sẽ là: 335 × 24 =8040 (giờ/năm)
Tính tiêu hao nguyên liệu.
Tính lượng C2H2 cần dùng để sản xuất CH3CHO:
Năng suất thiết bị sản xuất CH3CHO trong 1 giờ tính bằng kg là:
Trong quá trình sản xuất do bị tổn thất một lượng CH3CHO là 6% cho nên lượng CH3CHO tổn thất là:
Vậy năng suất thực tế của thiết bị là:
N thực tế = 6218,905+ 373,134 =6592,039(kg/h) Phương trình phản ứng xảy
C2H2 + H2O CH3CHO (1) 26 18 44
x y 6592,039
Lượng C2H2 cần dùng cho quá trình tạo thành 6592,039( kg) CH3CHO trong 1 giờ là:
Ta có mức độ chuyển hóa của C2H2 là 55% đối với mỗi lần đưa nguyên liệu vào, vậy lượng C2H2 cần dùng là:
Mặt khác theo đề ra thì độ chuyển hóa của C2H2 thành CH3CHO đạt 95% nên lượng C2H2 kỹ thuật cần dùng là:
Lượng C2H2 dư là:
Mà nồng độ của C2H2 đưa vào là 98,95% nên lượng C2H2 thực tế đưa vào thiết bị là:
Do trong phần khí C2H2 nguyên liệu đưa vào có chứa 0,04% hàm lượng nước. Vậy lượng nước (H2O) chiếm là:
Trong phần khí C2H2 nguyên liệu đưa vào có lẫn một lượng khí Oxi (O2) là 0,01% do đó lượng khí O2 chiếm là:
Lượng khí Nitơ (N2 ) lẫn trong khí nguyên liệu chiếm 1%. Vậy lượng khí N2 chiếm là:
Tính lượng nước cần dùng cho quá trình:
Nước công nghiệp xem như đã loại tạp chất. Vậy lượng H2O cần dùng tính theo phản ứng (1) là:
Tính tiêu hao nguyên liệu cho sản phẩm phụ: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong phản ứng tạo thành CH3CHO ngoài sản chính con có những sản phụ khác như là: axit axetic(CH3COOH), andehyt crotonic(C3H5CHO).
CH3CHO + 1/2O2→ CH3COOH (2)
Theo phản ứng (2) ta thấy cứ 44 (kg) CH3CHO cộng với 16 (kg) O2 thì tạo thành 60 (kg) CH3COOH.
Vậy cứ 6592,039 (kg) CH3CHO cộng với m (kg) O2 tạo thành n (kg) CH3COOH. CH3CHO + CH≡CH → CH2=CH-CH2-CHO (3)
Trong phản ứng (3) ta thấy cứ 44 (kg) CH3CHO cộng với 26 (kg) C2H2 thì tạo thành 70 (kg) C3H5CHO.
Vậy cứ 6592,039 (kg) CH3CHO sẽ cần p (kg) C2H2 và tạo ra q (kg) C3H5CHO Theo yêu cầu tính toán ta có 5% lượng CH3CHO tham gia phản ứng phụ: Vậy lượng CH3CHO tham gia vào các phản ứng phụ là:
5692,039 × 0,05 = 329,602 (kg/h)
Do đó thực tế thu được lượng CH3CHO của quá trình là: 5692,039– 329,602 =6262,437 (kg/h)
Lượng CH3CHO tham gia phản ứng phụ (2) là:
Từ phản ứng (2) thì lượng CH3COOH tạo thành sẽ là:
Lượng CH3CHO tham gia phản ứng (3) sẽ là: 329,602 –1,947 = 327,655 (kg/h)
Và từ phản ứng (3) thì lượng C3H5CHO tạo thành sẽ là:
Lượng C2H2 cần dùng cho phản ứng (3) sẽ là:
Trong quá trình phản ứng thì Σ Gra = Σ Gvào
Cân bằng vật chất cho thiết bị Hydrat hoá
C2H2 kt 7455,112 CH3CHO 6262,437 C2H2(p/ư phụ) 193,614 CH3COOH 2,655 O2 0,708 C3H5CHO 521,269 N2 70,822 C2H2 (dư) 3559,816 H2O (p/ư) 2696,743 N2 70,822 H2O (lẫn) 2,833 H2O (lẫn) 2,833 Tổng vào 10419,832 Tổng ra 10419,832 Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ.
Sản phẩm sau khi ra khỏi tháp hydrat hóa qua hệ thống làm lạnh, phần ngưng tụ của thiết bị làm lạnh chủ yếu là nước được cho quay trở lại tháp hydrat hóa. Dung dịch axetandehyt cùng với hơi và không khí không ngưng khác được đưa sang tháp hấp thụ. Tại tháp hấp thụ ta dùng nước (H2O) để hấp thụ axetylen dư. Nguyên liệu vào tháp hấp thụ gồm có: CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO, C2H2 (dư), và N2.
Phương trình cân bằng vật chất của quá trình . G.(yđ - yc ) = L(xc- xđ ) Trong đó:
- L: lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h. - G: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h.
- yđ , yc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hổn hợp khí (kg/kg khí trơ).
- xc, xđ: nồng độ đầu và nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (kg/kg dung môi).
Khối lượng hổn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ là:
Xem như C2H2 bị hấp thụ là 90%. Vậy lượng C2H2 bị hấp thụ là:
Lượng C2H2 không bị hấp thụ là:
Mặt khác ta biết dung dịch axetandehyt đi ra khỏi tháp hấp thụ chứa 8,95%. Vậy lượng dung dich đi ra khỏi tháo hấp thụ là:
Hổn hợp ra khỏi đáy gồm có: CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO, C2H2( bị hấp thụ), H2O
Theo phương trình cân bằng vật chất
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho thiết bị hấp thụ:
Cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ.
Cấu tử vào Kg/h Cấu tử ra Kg/h (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CH3CHO 6262,437 CH3CHO 6262,437 CH3COOH 2,655 CH3COOH 2,655 C3H5CHO 521,269 C3H5CHO 521,269 C2H2 3559,816 C2H2 ( bị hấp thụ) 3203,834 N2 70,822 C2H2( Không bị hấp thụ) 355,982 H2O 62829,020 N2 70,822 H2O 62829,020 73246,026 73246,026
Tính cân bằng vật chất cho tháp chưng.
Sau khi ra khỏi tháp hấp thụ hổn hợp được đưa sang tháp bốc hơi tại đây axetylen ra khỏi đỉnh tháp.
Hỗn hợp vào thiết bị phản ứng gồm có: CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO, C2H2(Bị hấp thụ) và H2O.
Do vậy lượng vào thiết bị phản ứng là:
Ra khỏi đỉnh tháp của thiết bị phản ứng bao gồm: dung dịch CH3CHO C3H5CHO và khí C2H2 thoát ra ở đỉnh.
- Lượng dung dịch CH3CHO, C3H5CHO ra khỏi tháp là:
Đi ra ở đáy của thiết bị phản ứng là CH3COOH và H2O.
Theo phương trình cân bằng vật chất
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho thiết bị:
Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng
Cấu tử vào Kg/h Cấu tử ra Kg/h
CH3CHO 6262,437 CH3CHO 6262,437 CH3COOH 2,655 C3H5CHO 521,269 C3H5CHO 521,269 Hổn hợp ra ở đáy 62831,675 C2H2 3203,834 C2H2 3103,834 H2O 62829,020 72819,215 72819,215
Tính cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Hổn hợp đi vào thiết bị phản ứng gồm có: CH3CHO,C3H5CHO. Lượng hổn hợp đi vào đỉnh tháp:
Ra khỏi đỉnh tháp tinh luyện ta thu được axetandehyt 98,95%. Vậy lượng axetandehyt ra khỏi đỉnh tháp là:
Còn 1,05% axetandehyt đi ra cùng C3H5CHO. Do vậy lượng hổn hợp ra khỏi đáy tháp là:
Gđáy= 521,269 + (0,0105 6262,437) = 587,025(Kg/h)
Dung dịch C3H5CHO ra khỏi đáy tháp tinh luyện được hồi lưu một phần ( khoảng 5%). Do đó lượng dung dịch C3H5CHO hồi lưu:
Gđáy= 587,025 – 29,351= 557,674 (Kg/h) Theo phương trình cân bằng vật chất
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Các cấu tử vào Kg/h Các cấu ra Kg/h
CH3CHO 6262,437 CH3CHO 6196,681
C3H5CHO 521,269 Hổn hợp ra ở đáy 587,025
6783,706 6783,706
Tính cân bằng nhiệt lượng
Phản ứng tạo thành axetandehyt là một phản ứng tỏa nhiệt. Do đó để duy trì phản ứng liên tục ta cần phải cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt cần thiết.
Ở đây ta chọn:
- Nhiệt độ nguyên liệu vào là 25oC. - Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm là 97oC. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo cân bằng thì Σ nhiệt vào = Σ nhiệt ra. Hay ∑QV + ∑Qpư =∑QR + ∑Qm
Trong đó:
∑QV: tổng nhiệt lượng do các chất mang vào phản ứng, Kcal/h ∑Qpư: tổng nhiệt lượng do các phản ứng tỏa ra, Kcal/h
∑Qr : tổng nhiệt lượng do các chất mang ra, Kcal/h
∑Qm: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, Kcal/h
Tính nhiệt lượng do các chất tham gia mang vào.
Nguyên liệu đầu vào gồm có axetylen và nước. Lượng nhiệt do các chất mang vào được tính theo công thức: ∑Qv = Qaxetylen + Qnước
Trong đó:
Qaxetylen:là nhiệt lượng do axetylen nguyên liệu mang vào, trong đó bao gồm cả H2O, N2, O2 , Kcal/h.
Qnước: là nhiệt lượng do nước mang vào, Kcal/h
(1) Trong đó:
Qi: là nhiệt lượng của cấu tử thứ i, Kcal/h Ti : là nhiệt độ của cấu tử thứ i, 0C
Gi: là lưu lượng của cấu tử thứ i, kg/h
Ci: là nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i ở nhiệt độ Ti, kcal/kg.độ
Ta tra bảng I.177,[6,193]:Bảng nhiệt dung riêng của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, Ta nội suy thì được nhiệt dung riêng của các cấu tử N2, O2, C2H2,và nước ở 25oC ta có bảng giá trị sau:
Nhiệt dung riêng của các chất
Cấu tử C2H2 H2O O2 N2
CP, Kcal/kg.độ 0,410 0,9988 0,2199 0,2489
Áp dụng công thức (1) ta tính được nhiệt lượng từng cấu tử vào tháp. Nhiệt lượng do C2H2 nguyên liệu mang vào là:
Nhiệt lượng do nước mang vào:
Như vậy tổng nhiệt lương do các chất mang vào là:
∑QV = 76415,001 + 440,689 + 3,892 + 70,740 + 67337,673 = 144267,995(kcal/h).
Tính nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng nguyên liệu ban đầu đến nhiệt độ phản ứng.
Nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng được xác định theo công thức:
Trong đó:
- Ci: là nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i trong nguyên liệu tại nhiệt độ trung bình, Kcal/kg.độ.
- t1= 250C là nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu. - t2 = 970C là nhiệt độ phản ứng của quá trình.
- mi: là khối lượng của cấu tử thứ i, kg/h - ∆t = t2- t1 = 97- 25 = 720C
Tại 610C ta tra bảng và ta nội suy thu được nhiệt dung riêng các cấu tử ở bảng sau:
Nhiệt dung riêng của các chất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấu tử C2H2 H2O O2 N2
CP, Kcal/kg.độ 0,430 1,00115 0,22134 0,249
Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hơi nước đến nhiệt độ phản ứng là:
Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng C2H2 kỹ thuật đến nhiệt độ phản ứng là:
Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nước lẫn O2, N2, có trong khí nguyên liệu là:
Vậy nhiệt lượng đun nóng khí nguyên liệu và nước đến nhiệt độ phản ứng là:
Tính nhiệt lượng do các phản ứng tỏa ra.
Tính nhiệt lượng tỏa ra do phản ứng chính tạo axetandehyt (Q1):
Phản ứng chính diễn ra như sau:
Vậy nhiệt tạo thành axetandehyt là: Q1= |∆H1| × n Trong đó:
n: là số mol CH3CHO được tạo thành trong 1 giờ mol/h
∆H1: là hiệu ứng nhiệt tạo thành 1 mol sản phẩm axetandehyt, Kj/mol
Vậy:
Tính nhiệt phản ứng phụ tạo axit axetic(Q2).
CH3CHO + O2→ CH3COOH (2)
Ta tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2) theo nhiệt cháy: ∆H2 = ∆Hcđ- ∆Hcc
Trong đó:
∆Hcc: là nhiệt cháy cuối. Kj/mol ∆Hcđ: là nhiệt cháy đầu. Kj/mol Ta có:
Nhiệt cháy của CH3CHO, ∆Hc= -1168,79 Kj/mol. Nhiệt cháy của CH3COOH, ∆Hc= -874,80 Kj/mol Nhiệt cháy của O2, ∆Hc= 0 Kj/mol
Như vậy: ∆H2= -1168,79 - (-847,80)= -293,99 Kj/mol Hay ∆H2 = 70,2183 Kcal/mol
Vậy nhiệt tỏa ra ở phản ứng (2) khi tạo thành 4,249 Kg/h axit axetic(CH3COOH) là:
Trong đó:
∆H= -70,2183 Kcal/mol
Q2 = 70,2183 × 44,250 = 3107,159(Kcal/h)
Tính nhiệt lượng tạo ra do phản ứng phụ tạo andehyt crotonic:
CH3CHO + CH ≡ CH → CH3CH = CH − CHO (3) Ta có công thức xác định như sau:
Tại 25oCtra sổ tay ta được nhiệt cháy của các chất như sau: Nhiệt cháy của CH3CHO ở 2980K, ∆H298= -39,76(Kcal/mol) Nhiệt cháy của CH≡CH ở 2980K, ∆H298= 54,19(Kcal/mol) Nhiệt cháy của CH3=CH=CHO, ∆H298= -65,13(Kcal/mol) Nhiệt dung riêng của CH3CHO, CP(298)=15,0(Kcal/kg.độ) Nhiệt dung riêng của CH≡CH, CP(298) = 10,5(Kcal/kg.độ) Nhiệt dung riêng của CH3=CH=CHO, CP(298) = 40,2 (Kcal/kg.độ) Vậy hiệu nhiệt dung riêng phản ứng là:
= 40,2-(15,0 +10,5) = 14,7 Kcal/kg.độ =14,7×10-3 Cal/kg.độ Nhiệt cháy phản ứng (3) là:
∆H298(pư)=∆H298(CH2=CH-CH2-CHO)-[∆H298(CH3CH)+∆H298(CH≡CH)] ∆H298(pư) = -65,13 -(-29,76 + 54,19) = -79,564(Kcal/mol)
Khi đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
∑QPứ = Q1+Q2+Q3= 4698037,966+ 3107,159 + 584607,652 = 5285752,777 (Kcal/h)
Tính nhiệt lượng do các chất mang ra.
Sản phẩm đi ra khỏi thiết bị : CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO, C2H2 dư, nước, N2.
Nhiệt dung riêng của các chất được xác định theo công thức I.41[6,152]: Mc = n1C1 + n2C2 + n3C3 + ...
Trong đó:
M- là khối lượng mol của hợp chất, Kmol/kg.
C- là nhiệt dung riêng nguyên tử của hợp chất hóa học, j/kg.nguyên tử.độ.
C1, C2 , C3 , …là nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, j/kg.nguyên tử.độ.
n1, n2, n3.... là số nguyên tử của các nguyên tố trong các hợp chất.Tra bảng I.141[6,152] nhiệt dungcủa các nguyên tố ta có:
CC = 11700 j/kg.nguyên tử. độ = 11,7 Kj/kg.nguyên tử. độ CH = 18000j/kg.nguyên tử. độ = 18,0 Kj/kg.nguyên tử. độ CO = 25100 j/kg.nguyên tử. độ = 25,1 Kj/kg.nguyên tử. độ Như vậy: Kj/kg.nguyêntử.độ Kcal/kg.nguyên tử. độ ( Kcal/kg.độ) = 145,6 Kj/kg.nguyên tử.độ Kcal/kg.nguyên tử.độ = Kcal/kg.độ = 179,9 j/kg.nguyên tử. độ
Kcal/kg.nguyên tử.độ
= Kcal/kg.độ
Các cấu tử C2H2(dư), N2, H2O, ta tra theo bảng I.176 [6,183] bảng I.177[6,193] ở 970C = 0,41480 Kcal/kg.độ
= 0,24924 Kcal/kg.độ = 1,0068 Kcal/kg.độ Ta có bảng tổng hợp sau:
Nhiệt dung riêng các chất ra khỏi thiết bị ở 970C
Cấu tử CH3CHO CH3COOH CH3CH=C H=CHO
C2H2 N2 H2O CP ,
Kcal/kg.độ
0,654 0,5796 0,6138 0,4148 0,24924 1,00684
Vậy tổng nhiệt lượng do các cấu tử mang ra là:
Áp dụng công thức (*) ta có:
Do vậy:
ΣQR = 397337,224 + 149,267 +31035,626 + 157112,497 + 276,681 + 1712,213 = 587623,508(Kcal/h)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh ta lấy bằng 2% nhiệt độ vào, nhiệt phản ứng cùng với nhiệt đun nóng:
Ta có: QTT = 2%( Qpứ + QV + Qđn)
Qm = 0,02×(5285752,777 + 144267,995 + 426684,554) = 117134,107(Kcal/h)
Tính nhiệt lượng do nước của dung dịch xúc tác mang ra:
Qnước xúc tác = ( QV + Qđn + Qpứ ) - ( QR + Qm)
Qnướcxúctác=(5285752,777+144267,995+426684,554)-(587623,508+ 117134,107) Qnước xúc tác = 5151947,711 (Kcal/h)
Cân bằng nhiệt lượng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiệt lượng vào Nhiệt lượng ra
Q Kcal/h Q Kcal/h
Qvào 5285752,777 Qra 587623,508
Qđun nóng 426684,554 Qnước xúc tác 5151947,711