CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ QUY TRÌNH TỔNG HỢP DME
II. Quy trình sản xuất
Sơ đồ quy trình công nghệ a) Cấu trúc dòng vào – ra:
REACTOR
CH3OH CH3OCH3
H2O
b) Cấu trúc dòng hoàn lưu:
c) Sơ đồ mô phỏng quy trình công nghệ sản xuất DME
Hình 9. Sơ đồ mô phỏng quy trình công nghệ sản xuất DME
Thuyết minh quy trình
Nhập liệu gồm một dòng 1 Methanol (tinh khiết) với lưu lượng là 3573 kg/h, được đưa bơm P-100 chuyển đến thiết bị MIX-100 để hoà trộn với dòng Methanol hoàn lưu có lưu lượng 2333 kg/h. Dòng 3 đi ra khỏi thiết bị sẽ tiếp tụ được gia nhiệt bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-100, dòng 3 đi vào có tổng suất lượng khối lượng là 5906 kg/h và nhiệt độ dòng là 25.66oC. Dòng 4 đi ra khỏi thiết bị E-100 có nhiệt độ là 250 oC.
Sau đó tiếp tục đi qua lò phản ứng C, độ chuyển hóa một lần của metanol trong lò phản ứng là 60% và dòng 5 ra có tổng suất lượng khối lượng vẫn là 5906 kg/h, nhiệt độ dòng là 340 oC.
Trước khi vào cột chưng cất T-100, dòng sẽ được làm lạnh bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-101, cho ra dòng 7 có tổng suất lượng khối lượng 5906 kg/h, nhiệt độ dòng là 89 oC.
CH3OCH3
CH3OH
Phản ứng Tách
Chưng cất
CH3OH hoàn lưu
H2O
Tại đỉnh cột (4/5 khoảng cách từ đáy cột), ta ngưng tụ thu được DME có tổng suất lượng khối lượng 2545 kg/h với nhiệt độ 46.45 oC. Phần chất lỏng tại đáy cột (dòng 8) được chuyển sang cột chưng cất T-101 với tổng suất lượng khối lượng 3361 kg/h, nhiệt độ 146.8 oC. Sau đó lại qua van, dòng 9 có nhiệt độ 134 oC và qua thiết bị gia nhiệt làm tăng nhiệt độ lên 140 oC (dòng 10).
Tại cột T-101 này, ta thu hồi được Methanol chưa phản ứng (dòng 11), đưa hoàn lưu trở lại với suất lượng khối lượng là 2351 kg/h, nhiệt độ dòng là 124.7 oC và loại nước (dòng 12) với suất lượng khối lượng 1010.21 kg/h có nhiệt độ dòng 167.8 oC. Cả hai dòng 11 và 12 đều lần lượt được đi qua hai thiết bị trao đổi nhiệt E-104 và E-103, nhằm hạ nhiệt độ. Dòng 13 có nhiệt độ 25oC và dòng WasteWater có nhiệt độ 40 oC.
Giải quyết bài toán cân bằng vật chất Lựa chọn quy trình và thông số thiết kế
Lựa chọn quy trình:
Công nghệ sản xuất DME bằng methanol (CH3OH), qua phản ứng dehydrat hoá là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất, dễ ứng dụng trong quy mô sản xuất công nghiệp nên ta lựa chọn thiết kế theo quy trình này.
Thông số thiết kế:
Thời gian vận hành: 7800 giờ/ năm
Sản xuất Dimethyl Ether 99.3% với năng suất 20000 tấn/năm Phản ứng dehydrat hoá có:
- Độ chuyển hoá: x = 0.6 - Độ chọn lọc: S = 0.9989 - Năng suất: Y = Sx= 0.5993
Việc sản xuất DME thông qua phản ứng dehydrat hoá metanol trên xúc tác acid zeolit. Phản ứng chính:
3 3 2 2
2CH OH CH O H O
Trong phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường, không có phản ứng phụ đáng kể. Phản ứng xảy ra tỏa nhiệt nhẹ với nhiệt tiêu chuẩn của phản ứng
(25 )0 11700
react
H C kJ
kmol
Nhiệt độ hoạt động xảy ra trong khoảng 250oC đến 370oC, phản ứng không thể xảy ra quá 400oC vì chất xúc tác sẽ bị phá huỷ.
Phản ứng diễn ra trên chất xúc tác alumina giáp được xử lý với 10,2% silica.
Ở hơn 250oC, phương trình tốc độ được đưa ra bởi Bondiera và Naccache là:
0
0 exp
met hanol
met hanol
r k E p
RT
Trong đó
6
0 1.21 10 3 ; 0 80.48 . .
kmol kJ
k E
m cat h kPa mol
và pmethanol là áp suất riêng phần của metanol (kPa)
Chuyển đổi k0 và E0
3
6 8
0 3 3 3
3 0
1.21 10 1 0.5 . 14.7 100 8.89 10 ;
. . .
80.48 10 80480 /
1
kmol m cat kmol
k kPa
m cat h kPa m m h
kJ mol
E kJ kmol
mol kmol
Cân bằng vật chất:
Dòng Cấu tử Suất lượng
khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng
khối lượng (k g/h)
Suất lượng
mol (kmol/h)
Tổng suất lượng
mol (kmol/h)
Phần mol
1 Methanol 3552.8059 3573 110.88 112 0.99
Water 20.1769 1.12 0.01
Recycle Methanol 2317.802 2333 72.3366
73.7
0.99
DME 2.7401 0.0595 0.0008
Water 12.0929 0.6713 0.0092
Cần lưu ý rằng dòng methanol nhập liệu (tinh khiết) kết hợp với dòng hoàn lưu, do đó dòng đầu vào cho lò phản ứng lớn hơn 3573 kg/h. Do đó:
Tổng lưu lượng khối lượng = lưu lượng khối lượng nhập liệu + lưu lượng dòng hoàn lưu
= 3573 + 2333 = 5906 kg/h
Vì toàn bộ dòng lưu chất ở trên đi qua bộ trao đổi nhiệt → không có sự thay đổi về thành phần hoặc số lượng của tốc độ dòng khối
Ngoài ra, tổng lưu lượng khối lượng lò phản ứng đầu vào = tổng tốc độ khối lượng lò phản ứng đầu ra
Plug flow reactor (C) Dòng Cấu tử Suất lượng
khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Suất lượng mol (kmol/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Phần mol
4 Methanol 5870.6079 5906 183.2166 185.1 0.99
DME 2.7401 0.0595 0.003
Water 32.2698 1.7913 0.0097
5 Methanol 2348.2432 5906 73.2866 185.1 0.396
DME 2534.9217 55.0245 0.2973
Water 1022.4694 56.7562 0.3067
Độ chuyển hóa của Methanol
The mole of Methanol The amount of DME The amount of Methanol
183.2166 73.2866 183.2166 0.6
Distillation column (T-100) Dòng Cấu tử Suất lượng
khối lượng (kg/hr)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Suất lượng mol
(kmol/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Phần mol
7 Methanol 2348.2432 5906 73.2866 185.1 0.396
DME 2534.9217 55.0245 0.2973
Water 1022.4694 56.7562 0.3067
DME Methanol 12.2961 2545 0.3837 55.35 0.0069
DME 2532.1602 54.9645 0.993
Water 0.0671 0.0037 0.0001
8 Methanol 2335.9471 3361 72.9029 129.7 0.562
DME 2.7616 0.0599 0.0005
Water 1022.4024 56.7525 0.4375
Distillation column (T-101)
Dòng Cấu tử Suất lượng
khối lượng (kg/hr)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Suất lượng mol (kmol/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Phần mol
10 Methanol 2335.9471 3361 72.9029 129.7 0.562
DME 2.7616 0.0599 0.0005
Water 1022.4024 56.7525 0.4375
11 Methanol 2335.9463 2351 72.9029 73.64 0.99
DME 2.7616 0.0599 0.0092
Water 12.187 0.6765 0.0008
12 Methanol 0.0008 1010.21 0 56.08 0
DME 0 0 0
Water 1010.21 56.08 1
WasteWater Methanol 0.0008 1010.21 0 56.08 0
DME 0 0 0
Water 1010.21 56.08 1
Sensitivity Results Curve
TEMPERATURE (C)
CONV KG/HR
DME KMOL/HR
METHANOL KMOL/HR
160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800
-15000 -14000 -13000 -12000 -11000 -10000 -9000 -8000 -7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
METHANOL KMOL/HR DME KMOL/HR CONV KG/HR
Hình 10. Hình minh họa mối quan hệ giữa metanol, DMEvà độ chuyển hóa
Rõ ràng là lượng metanol tỉ lệ nghịch với lượng DME và độ chuyển hóa giảm. Do đó, phương pháp tối ưu là chọn nhiệt độ xấp xỉ 300oC để độ chuyển hóa đạt được khoảng 60% và độ tinh khiết của DME là 99.3%
Trình tự tách chất
Hệ số dễ tách CSE (Coefficent of Ease of Seperation) cho ta biết được cấu tử nào nên tách trước là phù hợp nhất. Hệ số này được tính theo công thức:
1 log
LK HK
CES f
d b
b d
Trong đó:
+ f B
D
với B là suất lượng dòng sản phẩm đáy, D là suất lượng dòng sản phẩm đỉnh f 1
+ T là độ chênh lệch nhiệt độ.
Bảng 5. Thông số nhiệt độ sôi và suất lượng các cấu tử cần tách Cấu tử Suất lượng mol
Nhiệt độ sôi ở 1atm (oC)
∆T
DME (A) 55,0245 -24
Methanol (B) 73,2866 64,7 88,7
Nước (C) 56,7562 100 35,3
Các phương án tách chất:
Phương án 1: Tách A trước - Hệ số dễ tách:
55.0245
CES 88.7 37.53
56.7562 73.2866
- Độ bay hơi tương đối:
37.53
1 1.3753
100
Phương án 2: Tách A và B trước - Hệ số dễ tách:
55.0245 73.2866
CES 35.3 79.804
56.7562
- Độ bay hơi tương đối:
79.804
1 1.79804
100
Bảng 6. So sánh chỉ số tách của các phương án
Phương án 1 Phương án 2
Hệ số CES 37,53 79,804
Độ bay hơi α 1,3753 1,79804