Chọn thiết bị clo hoỏ trực tiếp etylen ở nhiệt độ thấp, ỏp suất trung bỡnh, làm việc liờn tục. Thiết bị chỉ nghỉ làm việc khi đến kỳ sửa chữa. Trong một năm cú 365 ngày thỡ ta dành:
- 5 ngày dành để nghỉ tết và cho việc kiểm tra sửa chữa nhỏ. - 15 ngày cho việc duy trỡ, bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa lớn. Như vậy, trong một năm thỡ số ngày làm việc của thiết bị là:
365 – 5 - 15 = 345 ngày.
Suy ra số giờ làm việc trong một năm của thiết bị là: 345 x 24 = 8280 giờ.
Ta cú cỏc số liệu ban đầu là: - - - - - Năng suất: Lượng DE tổn thất:
Lượng tricloetan tạo thành: Lượng etylen lấy dư:
Hiệu suất chung:
20.000 tấn/năm. 3%
4,6% 10% 95% - Thành phần khớ ban đầu tớnh theo % thể tớch:
+ Etylen kỹ thuật: 92%CH2; 5%C2H6; 3%C3H6
+ Clo kỹ thuật: 82%Cl2; 10,4%N2; 3%O2; 1,6%CO2. Trong DE hoà tan 50% HCl (khớ) tạo thành trong phản ứng.
+ Năng suất DE tớnh theo 1 giờ là:
20000.1000 8280 = 2415, 46kg / h + Lượng DE tổn thất là 3% là: 2415,46.0,03 = 72,46 kg/h + Lượng DE tạo ra là 2415,46 + 72,46 = 2487,92 kg/h
Đồng thời lượng TCE (tricloetan) tạo thành chiếm 4,6% lượng DE nờn lượng TCE tạo ra là:
2487,92.0,046 = 114,44 kg/h
CH2= CH2 + Cl2 CH2= CH2 + 2Cl2 ClCH2- CH2Cl (DE) ClCH2- CHCl2 + HCl (2) (1) (TCE) Ngoài ra clo cũn phản ứng với propylen
CH2= CH- CH3 + Cl2 CH2Cl- CHCl- CH3 (3) Diclopropylen (DCP)
I.1. Tớnh lượng chất đi vào thiết bị clo hoỏ.
Cỏc chất đi vào gồm: • Etylen kỹ thuật: + Etylen + Etan + Propylen • Clo kỹ thuật + Clo + Nitơ + Oxi + Cacbon dixit
I.1.1. Tớnh lượng etylen cần để tạo thành DE và TCE.
+ Theo phản ứng (1). Cứ 28kg C2H4 thỡ tạo thành 99kg DE X1kg C2H4 thỡ tạo thành 2487,92 kg DE Vậy X1 = 28.2487,9299 = 703, 65kg / h + Theo phản ứng (2). Cứ 28 kg C2H4 thỡ tạo thành 133,5 kg TCE X2 kg C2H4 thỡ tạo thành 114,44 kg TCE Vậy X 2 = 28.114,44133,5 = 23,99kg / h
Tổng lượng C2H4 tiờu tốn cho 2 phản ứng (1) và (2) là: X1+ X2 = 23,99 + 703,65= 727,46 kg/h
Hiệu suất của quỏ trỡnh là 95% nờn lượng C2H4 thực tế là. 727,46: 0,95 = 765,94 kg/h
Trong thực tế người ta lấy dư 10%, do đú lượng etylen tổng cộng là. 765,94 + 765,94. 0,1= 842,53 kg/h
Trong etylen kỹ thuật cú chứa 92% C2H4 nờn ta cú: + Lượng etylen kỹ thuật cần dựng là;
842,53: 0,92 = 915,79 kg/h
+ Lượng etan cú trong etylen kỹ thuật là: 915,79. 0,05 = 45,79 kg/h
+ Lượng propylen cú trong etylen kỹ thuật là: 915,79. 0,03 = 27,47 kg/h
I.1.2. Tớnh lượng clo để tạo thành DE, TCE và DCP.
- Theo phản ứng (1). Cứ 28 kg C2H4 tỏc dụng hết với 71 kg clo 703,65kg C2H4 tỏc dụng hết với Y1 kg clo. Vậy Y1 = 703,65.71 28 = 1784, 26kg / h - Theo phản ứng (2) Cứ 28 kg C2H4 tỏc dụng hết với 142 kg clo 23,99 kg C2H4 tỏc dụng hết với Y2 kg clo Vậy Y2 = 23,99 .142 28 = 121, 66kg / h - Theo phản ứng (3)
Cứ 42 kg propylen tỏc dụng hết với 71 kg clo 27,47 kg propylen tỏc dụng hết với Y3 kg clo Vậy Y3 = 27,47 .7142 = 46, 44kg / h
Vậy tổng lượng clo cần thiết dựng cho 3 phản ứng trờn là. Y1+ Y2+ Y3 = 1784,26 + 121,66 + 46,44 = 1952,36 kg/h Hiệu suất chung của quỏ trỡnh là 95% nờn lượng clo thực tế là.
1952,36: 0,95 = 2055,12 kg/h.
Trong kỹ thuật cú 82% clo, do đú lượng khớ clo kỹ thuật là. 2055,12: 0,82 = 2506,24 kg/h
Lượng N2 cú trong clo kỹ thuật là 2506,24. 0,104 = 260,65 kg/h Lượng O2 cú trong clo kỹ thuật là
Lượng CO2 cú trong clo kỹ thuật là 2506,24. 0,016 = 40,10 kg/h
I.2. Tớnh lượng chất đi ra thiết bị clo hoỏ.
Cỏc chất đi ta bao gồm: • DE tạo thành • TCE tạo thành • DCP tạo thành • Etylen dư • Clo dư • Nitơ • Oxi • CO2 • Etan • HCl
+ Lượng etylen dư là.
867,70 - 749,38 = 118,32 kg/h + Lượng clo dư là.
2116,55 - 2010,72 = 105,83 kg/h + Lượng DCP tạo thành theo phản ứng (3) là.
Cứ 42 kg C3H6 thỡ tạo thành 113 kg DCP 28,29 kg C3H6 thỡ tạo thành Z1 kg DCP Vậy Z1 = 113.28,29
42 = 76,11kg / h
+ Lượng HCl tạo thành theo phản ứng (2) là. Cứ 28 kg C2H4 thỡ tạo thành 36,5 kg HCl 24,72 kg C2H4 thỡ tạo thành Z2 kg HCl Vậy Z2 = 24,72 .36,528 = 32, 22kg / h
Trong đú cú 50% HCl hoà tan trong pha lỏng, lượng HCl trong pha lỏng là:
32,22.0,5=16,11 kg/h
Bảng 6. Cõn bằng vật chất của thiết bị clo hoỏ.
B. cõn bằng nhiệt lượng của thiết bị clo hoỏ
Ta cú phương trỡnh cõn bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng. Qngliệu + Qpư = Qra + Qtt + Qll [5-196] Trong đú:
Qngliệu: nhiệt lượng do nguyờn liệu mang vào, kcal/h Qpư: nhiệt toả ra do cỏc phản ứng clo hoỏ, kcal/h Qra: nhiệt do sản phẩm mang ra, kcal/h
Qtt: nhiệt tổn thất mang ra mụi trường xung quanh, kcal/h Qll: nhiệt do tỏc nhõn làm lạnh mang vào, kcal/h
I. Tớnh lượng nhiệt do nguyờn liệu mang vào.
I.1. Lượng nhiệt do etylen kỹ thuật mang vào.
Q1 = QC2 H 4 + QC2 H 6 + QC3H 6 , kcal / h
mà Q = G.C.t [5]
Trong đú:
G: lượng hỗn hợp đầu, kg/h C: nhiệt dung riờng, kcal/h t: nhiệt độ đầu của chất, oC
Lượng chất đi vào Lượng chất đi ra
Thành phần Khối lượng (kg/h) Thành phần Khối lượng (kg/h)
Etylen kỹ thuật C2H4 C2H6 C3H6 Clo kỹ thuật Cl2 N2 O2 CO2 (943,15) 867,70 47,16 28,29 (2581,16) 2116,55 268,44 77,43 41,30 Pha lỏng DE TCE DCP HCl Khớ ra Clo dư C2H4dư C2H6 N2 O2 CO2 HCl DE tổn thất 2487,56 117,86 76,11 16,11 105,83 118,32 47,16 268,44 77,43 41,30 16,11 74,63 Σ vào = 3446,87 Σ ra = 3446,86
Trong quỏ trỡnh này ta lấy to= 25oC Ta cú bảng số liệu sau.
Bảng 7. Nhiệt lượng etylen kỹ thuật mang vào.
Vậy tổng nhiệt lượng do etylen kỹ thuật mang vào là. Q1= 8243,15+ 459,81+ 257,44= 8960,4 kcal/h
I.2. Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào.
Q2 = QCl2 + QN 2 + QO2 + QCO2 , kcal / h
mà Q= G.C.t [5]
Nhiệt độ quỏ trỡnh là to= 25oC Ta cú bảng số liệu sau.
Bảng 8. Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào.
Tổng nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào là:
Q2= 6032,17+ 1677,75+ 387,15+ 227,15= 8324,22 kcal/h Tổng nhiệt lượng do nguyờn liệu mang vào là:
QI = Qnguyờn liệu = Q1 + Q2 = 8960,4 + 8324,22 = 17284,62 kcal/h
II. Nhiệt lượng do cỏc phản ứng clo hoỏ.
II.1. Tớnh nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành.
CH2= CH2 + Cl2 ClCH2- CH2Cl + ∆H1
Ta cú. Q1= a. ∆H1
Với a: số mol của etylen tham gia phản ứng.
a = 749,38
28 = 26, 76mol / h = 26760mol / h
∆H1: hiệu ứng nhiệt của phản ứng (1)
C2H4 C2H6 C3H6 G 867,70 47,16 28,29 C 0,38 0,39 0,364 Q 8243,15 459,81 257,44 Cl2 N2 O2 CO2 G 2116,55 268,44 77,43 41,30 C 0,114 0,25 0,2 0,22 Q 6032,17 1677,75 387,15 227,15
∆H1= - 43,8 kcal/mol
Nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành là. Q1= 26760.43,8 = 1172088 kcal/h
II.2. Tớnh nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành.
CH2= CH2 + 2Cl2 ClCH2- CHCl2 + HCl + ∆H2
∆H2: hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2) tạo thành, ∆H2 được xỏc định theo cụng thức sau: ∆H 2 = ∑ ni Ci − ∑ n j C j ∆H2= C[C=C] + 4C[C-H] + 2C[Cl-Cl] – C[C-C] – 3C[C-H] – 3C[C-Cl] – C[H-Cl] Biết:[8] C[C=C] = 101,2 kcal/mol C[C-C] = 62,8 kcal/mol C[C-H] = 85,6 kcal/mol C[Cl-Cl] = 57,8 kcal/mol C[C-Cl] = 70 kcal/mol C[H-Cl] = 102,1 kcal/mol ∆H2 = 101,2 + 4.85,6 + 2.57,8 – 62,8 – 3.85,6 – 3.70 – 102,1 ∆H2 = -72,5 kcal/mol
Số mol etylen tham gia phản ứng (2) là
a = 24,72
28 = 0,88286kmol / h = 882,86mol / h
Vậy nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành là. Q2 = a. ∆H2 = 882,86.72,5 = 64007,35 kcal/h
II. 3. Tớnh nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo thành.
CH2= CH- CH3 + Cl2 ClCH2- CHCl- CH3 + ∆H3
Ta cú Q3 = a. ∆H3
a: số mol của propylen tham gia phản ứng (3)
∆H3 = 0,876 kcal/mol : hiệu ứng nhiệt của phản ứng (3) Số mol propylen tham gia phản ứng (3) là.
a = 28,29
Vậy nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo thành là. Q3 = 673,57.0,876 = 590,05 kcal/h
Tổng nhiệt lượng tạo thành của cả 3 phản ứng là. QII = Qphản ứng = Q1 + Q2 + Q3
QII = 1172088 + 64007,35 + 590,05 = 1236685,4 kcal/h Tổng nhiệt lượng đưa vào cho quỏ trỡnh clo hoỏ là.
Qvào = Qnguyờn liệu + Qphản ứng = QI + QII
Qvào = 17284,62 + 1236685,4 = 1253970,02 kcal/h
III. Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị clo hoỏ.
III.1. Nhiệt lượng do cỏc sản phẩm khớ mang ra.
Ta cú:
QK = QC2 H 4 +Q C2 H 6 +QCO2 + QN 2 + QO2 + QHCl K + QDETT
Từ cỏc kết quả đó tớnh được ở phần trờn, ta cú nhiệt lượng của cỏc sản phẩm là. QCO2 = 170,34kcal / h QO2 = 290,4kcal / h QN 2 = 1258,31kcal / h QC2 H 6 = 344,84kcal / h Và từ cụng thức : Q = G.C.t [5]
Với nhiệt độ quỏ trỡnh là to = 25oC, ta cú.
Bảng 9. Nhiệt lượng do cỏc sản phẩm khớ mang ra
Tổng nhiệt lượng do khớ mang ra là.
QIII = Qkhớ = 1124,04 + 50,34 + 369,42 +301,62= 1845,42 kcal/h
III.2. Nhiệt lượng do cỏc sản phẩm lỏng mang ra.
Qlỏng = QDE + QTCE + QDCP + QHCl
Theo cụng thức.
C2H4 dư HCl khớ DE tổn thất Clo dư
G 118,32 16,11 74,63 105,83
C 0,38 0,125 0,198 0,114
Q = G.C.t
Trong quỏ trỡnh này ta lấy nhiệt độ to = 30oC, ta cú.
Bảng 10. Nhiệt lượng do cỏc sản phẩm lỏng mang ra
Trong đú: CDCP: được xỏc định theo cụng thức. [5] M.C = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 + … [4] Với: M: khối lượng phõn tử
n1, n2, n3: nhiệt dung riờng của nguyờn tố tương ứng.
M.C = 3Cc + 6CH + 2CCl
Với: Cc = 2,8 kcal/nguyờn tử.độ CH = 4,3 kcal/nguyờn tử.độ CCl = 8 kcal/nguyờn tử.độ
Từ cỏc số liệu trờn, thay vào cụng thức ta tớnh được nhiệt dung riờng của DCP là.
C DCP = 3.2,8 + 6.4,3 + 2.8
133 = 0,444 kcal/kg.độ
Từ số liệu này, ta tớnh theo cụng thức Q = G.C.t ở nhiệt độ t o = 0oC, cũn với nhiệt độ to = 30oC thỡ nhiệt dung riờng của DCP tăng lờn 4,2%
Do đú nhiệt dung riờng của DCP là.
CDCP = 0,444.1,042 = 0,463 kcal/kg.độ
Vậy tổng lượng nhiệt do sản phẩm lỏng mang ra là. QIV = QDE lỏng + QTCE + QDCP + QHCl lỏng
QIV = 49129,31+ 1060,74+ 1069,75+ 140,96= 51391,75 kcal/h Từ đõy ta tớnh được tổng lượng nhiệt do cỏc sản phẩm lỏng và khớ mang ra khỏi thiết bị clo hoỏ là.
Qra = QIII + QIV = 1845,42 + 51391,75 = 53237,17 kcal/h
DE lỏng TCE DCP HCl lỏng
G 2487,56 117,86 76,11 16,11
C 0,79 0,36 0,56 0,35
IV. Nhiệt lượng mất mỏt ra mụi trường xung quanh.
Do phản ứng clo hoỏ etylen toả nhiệt rất lớn nờn ta cú thể coi nhiệt tổn thất là 2%. Do đú, ta cú tổng lượng nhiệt của quỏ trỡnh là.
QV = Qtt = 0,02.Qvào
QV = 0,02. 1253970,02 = 25079,40 kcal/h
V. Nhiệt lượng do tỏc nhõn làm lạnh.
Theo phương trỡnh cõn bằng nhiệt lượng Qvào = Qra + Qtt + Qll Suy ra: QVI = Qll = Qvào– Qra - Qtt QVI = 1253970,02 – 53237,17– 25079,40 QVI = 1175653,45 kcal/h Từ cỏc kết quả đó tớnh được, ta cú:
Bảng 11. Cõn bằng nhiệt lượng của thiết bị clo hoỏ
C. Tớnh kớch thước thiết bị chớnh [4], [5].
I. Tớnh thể tớch làm việc của thiết bị chớnh.
Gọi Vvào là thể tớch của hỗn hợp cỏc cấu tử đi vào thiết bị.
Vvao = VC2 H 4 + VC2 H 6 + VC3H 6 + VCl2 + VN 2 + VO2 + VCO2 Ta tớnh được thể tớch của cỏc cấu tử theo cụng thức sau:
V =
Trong đú:
m
ρ , l/h
V: thể tớch của cấu tử, l/h m: khối lượng của cấu tử, g/h
ρ: khối lượng riờng của cấu tử, g/l.
Theo chế độ cụng nghệ thiết bị làm ở 20 ữ 30oC. Chọn nhiệt độ làm việc của thiết bị ở 25oC. Từ nhiệt độ này, ta cú bảng khối lượng, khối lượng riờng và thể tớch của cỏc cấu tử như sau.
Lượng nhiệt vào, kcal/h Lượng nhiệt ra, kcal/h
Thành phần Lượng nhiệt Thành phần Lượng nhiệt
QI = Qngliệu 17284,62 QIII + QIV = Qra 53237,17
QII = Qphản ứng 1236685,4 QV = Qtt 25079,40
QVI = Qll 1175653,45
Bảng 12. Khối lượng, khối lượng riờng của cỏc cấu tử vào.
Vậy thể tớch hỗn hợp nguyờn liệu đi vào thiết bị Vvào = 2,21323 m3/h = 2213,23 l/h
Thiết bị làm việc là thiết bị khuấy trộn hỡnh trụ. Theo nguyờn tắc thể tớch làm việc của thiết bị chiếm 70 ữ 80% thể tớch của thiết bị để đảm bảo năng suất của quỏ trỡnh làm việc và đảm bảo tuyệt đối vấn đề an toàn khi làm việc.
Vậy thể tớch hỗn hợp vào thiết bị gồm cú: Thể tớch hỗn hợp nguyờn liệu đi vào cộng với thể tớch dung mụi dicloetan đưa vào thiết bị. Lượng dung mụi dicloetan lỏng đưa vào ban đầu bằng thể tớch làm việc của thiết bị.
Giả thiết trong một giờ, lượng hỗn hợp nguyờn liệu vào cộng với lượng dung mụi Dicloetan đưa vào trong thiết bị bằng thể tớch làm việc của thiết bị.
Chọn thể tớch làm việc của thiết bị là 75% thể tớch của thiết bị VDE = 2487,56/1253 =1,98528 m3/h
VLàm việc = 2,21323 +1,98528 = 4,19851 m3h Vậy ta cú thể tớch thực của thiết bị là:
Vtb = 4,19851. 100
75 = 5,598 m3/h
II. Tớnh kớch thước của thiết bị.
Thiết bị phản ứng là loại thiết bị khuấy trộn hỡnh trụ đứng, cú vỏ bọc làm lạnh ngoài và cú ống xoắn ruột gà làm lạnh trong để rỳt nhiệt phản ứng.
Dựng bộ phận khuấy trộn cú cỏnh khuấy mỏi chốo.
Với thể tớch của thiết bị là V = 5,598 m3/h, ta chọn đường kớnh thiết bị là 1.4 m Khi đú theo cụng thức:
V = H.S Trong đú:
Tờn cấu tử Khối lượng riờng Khối lượng Thể tớch
3 ρ, kg/m kg/h m /h3 C2H4 1261,4 867,70 0,68786 C2H6 1356,7 47,16 0,03476 C3H6 510 28,29 0,05547 Cl2 3220,4 2116,55 0,65723 N2 1250,7 268,44 0,21463 O2 1428,9 77,43 0,54188 CO2 1976,8 42,30 0,02140 2,21323
H: chiều cao của thiết bị, m
S: diện tớch bề mặt ngang của thiết bị, m2
S = => V = H . π .D 2 4 π .D 2 4
Trong đú: D là đường kớnh của thiết bị. => H = 4.V
π .D
4.5,598
2 2
Ta chọn thiết bị cú chiều cao là: H = 3,64m. = = 3, 64 m
Kết luận.
Sau 3 tuần tỡm tài liệu và nghiờn cứu thiết kế, cựng với sự giỳp đỡ của cỏc thầy cụ trong bộ mụn Tổng hợp Hữu cơ - Hoỏ dầu, cụ giỏo hướng dẫn
PGS.TS. Đinh Thị Ngọ đến nay em đó hoàn thành bản đồ ỏn mụn học với đề tài là: Thiết kế phõn xưởng sản xuất dicloetan, năng xuất 20.000 tấn/năm, với những nội dung chớnh sau:
- Phần tổng quan lý thuyết giới thiệu về tớnh chất của nguyờn liệu để sản xuất Dicloetan, tớnh chất của sản phẩm đicloetan, cỏc phương phỏp điều chế dicloetan và cỏc ứng dụng của dicloetan trong cỏc ngành cụng nghiệp tổng hợp hữu cơ… Qua đú, đó lựu chọn phương phỏp và dõy chuyền cụng nghệ để sản xuất dicloetan cho năng suất 20.000 tấn/năm: “sơ đồ dõy chuyền sản xuất dicloetan bằng phương phảm clo hoỏ trực tiếp etylen trong pha lỏng ở nhiệt độ 20-300C”, phự hợp với điều kiện thực tế của nước ta. Vẽ dõy chuyền sản xuất và thiết bị phản ứng chớnh.
- Phần tớnh toỏn đó tớnh được cõn bằng vật chất, cõn bằng nhiệt và tớnh