Đồ án Công nghệ sản xuất formalin trên hệ xúc tác oxit

n tháng ta phải thay mới xúc tác hoặc tiến hành tái sinh xúc tác bằng phương pháp điện hoá. Dung dịch fomandehit có khả năng ăn mòn thép cacbon rất mạnh, do đó tất cả các thiết bị phản ứng đường ống dẫn dung dịch fomandehit phải chế tạo từ thép chống gỉ. Ngoài ra tất cả các đường ống dẫn khí, hơi nước và các dung dịch khác cũng phải được chế tạo thép hợp kim tránh hiện tượng cuốn theo vết kim loại theo làm nhiễm bẩn và làm ngộ độc xúc tác. Nếu lưu lượng dòng của các chất phản ứng và nhiệt độ của quá trình được khống chế ở mức tối ưu thì năng suất của thiết bị sẽ tăng tỷ lệ với đường kính của thiết bị. Thiết bị phản ứng sản suất fomandehit lớn nhất của hãng BASF có đường kính 3.2m năng suất 72.000 tấn/năm. Hình 1. Chuyển hóa hoàn toàn metanol trên hệ xúc tác bạc (công nghệ BASF). 1. Thiết bị bay hơi. 2. Quạt gió 3. Thiết bị phản ứng 4. Thiết bị đun nóng 5. Thiết bị trao đổi nhiệt 6. Tháp hấp thụ 7. Nồi hơi 8. Thiết bị làm lạnh 9. Thiết bị đun nóng bằng hơi quá nhiệt. 4.2 Công nghệ chuyển hóa không hoàn toàn kết hợp với chưng cất thu hồi metanol. [5-626] Quá trình tiến hành oxi hoá và dehydro hoá một phần metanol với không khí và hơi nước trong sự có mặt của xúc tác bạc ở dạng tinh thể hoặc ở dạng lưới, quá trình được tiến hành với lượng dư nguyên liệu metanol, nhiệt độ của quá trình thường duy trì ở 600-650oc. Độ chuyển hoá metanol trong quá trình chuyển hoá sơ cấp đạt khoảng 77-87%. Quá trình thứ hai là quá trình chưng cất phân tách sản phẩm formandehit và nguyên liệu metanol chưa chuyển hoá, sau đó lượng metanol chưa chuyển hoá này được tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng. Hiệu suất thu hồit fomandehit đạt 91-92%. Công nghệ này được áp khá rộng rãi tại các hãng như ICI, BORDEN, DEGUSA Hỗn hợp metanol và không khí được dẫn vào trong thiết bị bay, thiết bị được gia nhiệt gián tiếp bằng dòng hơi nước quá nhiệt, hơi metanol và không khí sạch hoà trộn với nhau tạo thành hỗn hợp phản ứng. Hỗn hợp phản ứng chứa lượng dư metanol và hơi nước giống như trong công nghệ BASF. Hỗn hợp phản ứng được dẫn vào thiết bị tổng hợp fomandehinhiệt độ, hỗn hợp khí được dẫn qua lớp xúc tác bạc dạng tinh thể và dạng lưới. Quá trình chuyển hoá không hoàn toàn ở nhiệt độ 590-650 oc. Quá trình thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn cho phép hạn chế được một số phản ứng phụ không mong muốn. Sau khi qua lớp xúc tác hỗn hợp sản phẩm phản ứng được làm lạnh nhanh gián tiếp bằng nước, nhiệt của quá trình được tận dụng để sản suất hơi nước bão hoà hoặc hơi nước quá nhiệt. Sau đó hỗn hợp phản ứng được làm lạnh sâu bằng một số hệ thống làm gián tiếp bằng nước lạnh. Hỗn hợp sản phẩm sau khi làm lạnh được dẫn tới tháp hấp thụ phân tách fomandehit và metanol chưa phản ứng ra khỏi dòng khí. Fomandehit được tách ra hầu hết trong đoạn phía dưới của tháp hấp thụ nhờ dòng dung dịch fomandehit hồi lưu tưới trựctiếp vào dòng khí sản phẩm, lượng fomandehit còn lại trong hỗn hợp khí được tách lần cuối bằng dòng nước tưới tùe trên đỉnh tháp. Dòng khí off-gas thoát ra khỏi tháp hấp thụ hầu như không còn chứa fomandehit, hoặc chứa dưới dạng vết. Dòng khí off-gas được đem đi đốt cấp nhiệt cho quá trình sản suất hơi nước bão hoà và hơi nước quá nhiệt. Dòng dung dịch fomandehit lấy ra từ đáy tháp hấp thụ được trích ra làm hai dòng, dòng thứ nhất chiếm 58% được đua tuần hoàn tưới vào tháp hấp thụ, dòng thứ hai chiếm 42% đưa sang tháp chưng cất. Tháp chưng cất được gia nhiệt đáy tháp bằng dòng hơi nước quá nhiệt, trên đỉnh tháp duy trì dòng hồi lưu metanol. Metanol thu được trên đỉnh tháp một phần hồi lưu lại tháp, phần còn lại đưa về thiết bị bay hơi, lượng metanol đưa về tháp bay hơi và lượng metanol nguyên liệu duy trì theo tỷ lệ 0.25-0.5. Sản phẩm fomandehit thu được ở đáy tháp có nồng độ khỏang 55% kl, nồng độ metanol khoảng 1%kl, sản phẩm sau khi chưng cất được đua qua thiết bị trao đổi anion để khử lượng axit formic còn lẫn trong sản phẩm, quá trình khử axit formic đảm bảo nồng độ của axit formic trong sản phẩm dưới 50mg/kg. Nếu nồng độ fomandehit yêu cầu từ 50-55% khối lượng và lượng metanol có trong sản phẩm cao hơn 1.5% khối lượng thì lượng hơi nước đưa vào sẽ khống chhé ở mức thấp hơn đồng thời lượng metanol sẽ duy trì ở mức dư cao hơn. Nếu nồng độ fomandehit yêu cầu thấp hơn từ 40-44% khối lượng thì quá trình chưng cất không cần thiết phải tiến hành sâu do đó năng lượng tiêu tốn cho quá trình chưng cất sẽ giảm đi, giảm được chi phí sản suất. Một số hãng ngày nay đã cải tiến chút ít công nghệ sản suất trên, quá trình thực hiện oxi hoá không hoàn toàn metanol qua hai giai đoạn, trong giai đoạn đầu metanol thực hiện chuyển hoá thành fomandehit trên hệ xúc tác bạc ở nhiệt độ khoảng 600oc. Sau đó hỗn hợp phản ứng được làm lạnh, không khí được đưa vào thực hiện chuyển hoá metanol giai đoạn hai. Hình 2. Công nghệ chuyển hóa không hoàn toàn kết hợp với chưng cất thu hồi metanol. 1. Thiết bị bay hơi 2. Quạt gió 3. Thiết bị phản ứng 4. Reboiler 5. tháp chưng cất 6. Tháp hấp thụ 7. Tb sản xuất hơi nước 8. Tb làm lạnh 9. Tb đun nóng bằng hơi quá nhiệt 10. Tb khử axit formic 5. Công nghệ Fomox thực hiện chuyển hoá metanol thành fomandehit trên hệ xúc tác oxit. [5-628] Quá trình oxi hoá metanol trong môi trường không khí với sự có mặt của hệ xúc tác oxit của sắt, molipden và vanadi. Quá trình thường tiến hành ở nhiệt độ 250-400oc, độ chuyển hoá của metanol đạt 98-99%. Hệ xúc tác thực hiện chuyển hoá metanol thanh fomandehit trong Công nghệ Fomox trên cơ sở hai oxit chính là molipden oxit và sắt oxit, tỷ lệ giữa hai loại oxit nay là 1.5¸2, ngoài ra con một lượng nhỏ các oxit khác như vanadi oxit, crôm oxit, đồng oxit, coban oxit, phốt pho oxit Công nghệ của Fomox thực hiện qua hai giai đoạn oxi hoá, tác tác nhân phản ứng ở trạng thái khí tương tác với các tâm hoạt động trên bề mặt xúc tác, tâm oxi hoá Kox và tâm khử Kred . CH3OH + Kox CH2O + H2O + Kred Kred + 0.5O2 Kox ∆H = -159 kj/mol Nhiệt độ của quá trình được khống chế trong khoảng 270-400oc, áp suấtduy trì bắng áp suất khí quyển. Quá trình chuyển hoá phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, khi nhiệt độ quá trình khoảng 470oc một số phản ứng phụ xảy ra, điển hình là phản ứng: CH2O + 0.5O2 CO + H2O ∆H = -215 kj/mol Nguyên liệu liên metanol liên tục được dưa vào thiết bị bay hơi, thiết bị bay hơi được gia nhiệt bằng hơi nước quá nhiệt, dòng không khí sạch sau khi trao đổi nhiệt với dòng dung dịch fomandehit nóng có nhiệt độ khá cao được dẫn vào thiết bị bay hơi cùng với metanol tao thành hỗn hợp phản ứng. Hỗn hợp phản ứng được dẫn tới thiết bị phản ứng dạng ống chùm, bên là các ống xúc tác. Đường kính thiết bị phản ứng khoảng 2.5m các ống xúc tác dài khoảng 1-1.5m. Các phản ứng tỏa nhiệt rất lớn, nhiệt của tách đi bằng dòng dầu nóng tuần hoàn, nhiệt độ của dòng dầu ổn định ở mức 340oc. Dòng dầu nóng này được đưa đi sản suất hơi nước quá nhiệt. Sau khi rời khỏi thiết bị phản ứng dòng khí sản phẩm được làm lạnh xuống 110oc và được đưa sang tháp hấp thụ fomandehit. Quá trình phân tách xảy ra chủ yếu tại đáy tháp dòng khí sản phẩm giàu fomandehit được hấp thụ bằng dòng fomandehit tuần hoàn tưới vào, dòng khí sản phẩm nghèo được rửa bằng nước nhằm tách triệt để lượng fomandehit con lẫn trong dòng khí sản phẩm. Nồng độ dung dịch fomandehit sau khi hấp thụ có thể đạt được nồng độ 55%, nồng độ metanol lẫn trong sản phẩm có thể lên tới 0.5-1.5% khối lượng, độ chuyển hoá metanol đạt 95-99% mol phụ thuộc rất nhiều vào độ chọn lọc của xúc tác. Hiệu suất chung của quá trình đạt khoảng 88-91%. Hình 3. Công nghệ Fomox thực hiện chuyển hoá metanol thành fomandehit trên hệ xúc tác oxit. 1. Tb bay hơi. 2. Quạt gió 3. Tb phản ứng 4. Reboiler 5. Tb gia nhiệt 6. Tháp hấp thụ 7. Hệ thống làm mát 8. Tb làm lạnh 9. Tb khử axit formic Thuyết minh dây chuyền sản xuất theo công nghệ Formox Nguyên liệu metanol đi vào trong thiết bị bốc hơi (1), không khí sạch và dòng khí tuần hoàn được đun nóng sơ bộ (5) trước khi đua vào thiíet bị bốc hơi. Thiết bị bốc hơi được gia nhiệt bằng hơi quá nhiệt. Hỗn hợp hơi sau khi ra khỏi thiết bị bốc hơi được dẫn vào thiết bị phản ứng dạng ống chùm (3). Quá trình phản ứng xảy ra trong các ống xúc tác, nhiệt độ của dòng khí sản phẩm khoảng 400oC, dòng khí sản phẩm có nhiệt đọ cao đi sản xuất hơi nước. Sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng dòng khí sản phẩm được làm lạnh xuống 110oC và được tiếp tục làm lạnh bằng các hệ thống trao đổi nhiệt (5) với dòng khí nguyên liệu. Sau đó dòng khí được đưa tới đáy tháp hấp thụ formandehit, phía dưới của tháp hấp thụ dòng khí sản phẩm được tưới bằng dòng formandehit tuần hoàn, hầu hết lượng formandehit được tách ra ở đây. Dòng khí nghèo còn chứa một lượng nhỏ formandehit được tách lần cuối bằng dòng nước trên đỉnh tháp. Dòng khí thoát ra khỏi đỉnh tháp một phần được tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng và phần còn lại được đưa đi xử lý trước khi thải ra môi trường. Dòng dung dịch formandehit thu được ở đáy tháp được dẫn tới thiết bị trao đổi ion để khử axit formic trong sản phẩm. Dung dịch formandehit thương phẩm được sản xuất ra từ công nghệ Formox có nồng độ 50% , hàm lượng metanol khoảng 0.5-1.5%. V. SO SÁNH VỀ MẶT KINH TẾ CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FORMANDEHIT TỪ METANOL. Chi phí cho mỗi đơn vị sản phẩm được tính bằng toàn bộ chi cho nguyên liệu sản suất, chi phí đầu tư xây dựng nhà máy, chi phí bảo dưỡng thiết bị, chi phí trả lương cho nhân công. Với giả thiết giá nguyên liệu và giá sản phẩm bán ralà như nhau. Hiệu quả kinh tế trước tiên không phụ thuộc vào chi phí mua công nghệ sản xuất mà phụ thuộc chủ yếu vào giá thành mua nguyên liệu metanol thô. Theo tính toán chi phí mua nguyên liệu thô chiếm tới 80% tổng chi phí của toán nhà máy. [ 5-629 ] Bảng 7. so sánh các chỉ tiêu kinh tế của các quá trình sản xuất formalin Chi phí CN BASF CN chuyển hoá không hoàn toàn kết hợp vơi chưng cất thu hồi metanol. CN FORMOX Chi phí nguyên liệu Metanol, t/t Nước công nghệ, t/t Xúc tác mất mát g/t Tái sinh xúc tác Kg/mẻ 1.215 1.38 0.07 170 1.176 0.32 0.05 200 1.162 1.96 135 Chi phí phụ trợ Điện kw.h/t Nước làm mát m3/t Nước nguyên liệu T/t Hơi , t/t 111 41 3 0 74 148 1.5 2.2 230 26 Sản phẩm hơi Từ qt tận dụng nhiệt, t/t Từ khí off-gas, t/t 1.7 1.3 1.5 1.85 Chi phí tổng Chi phí sp $/t Vốn đầu tư 106$ 174.5 3.3 211.6 3.7 183.9 4.0 Trong công nghệ của BASF, dung dịch fomandehit 50% được tuần hoàn trong tháp hấp thụ, trong khi đó nhiệt của quá trình hấp thụ được tách bằng sự bay hơi metanol- nước do đó làm giảm được lượng hơi nước cần thiết làm bay hơi nguyên liệu đầu, đồng thời tiết kiệm được lượng nước làm lạnh. Quá trình vận hành đơn giản, nhà máy có thể khởi động lại nhanh chóng sau khi dừng nhà máy do sự cố xảy ra. Ngoài ra, công nghệ của BASF con một số ưu điểm khác. Fomandehit nhận được từ quá trình tổng hợp chỉ cần cho metanol nguyên liệu đi một lần qua lớp xúc tác. Nều nồng độ fomandehit yêu cầu thấp khoang 40% thì hiệu suất của quá trình có thể tăng lên bằng cách sử dụng nguyên liệu metanol thô thay vì sử dụng metanol tinh khiết, trong khi đó giá thành của metanol thô lại rẻ hơn rất nhiều so với metanol tinh khiết. Quá trình không cần thiết sử dụng thiết bị khử axit formic trong dòng sản phẩm, vì hàm lượng axit formic trong sản phẩm rất thấp. Khí off-gas khong gây bất kỳ vấn đề gì cho môi trường. Khí off-gas được tận dụng làm nguyên liệu sản xuất hơi nước hoặc chạy tuabin phát điện. Thời gian thay xúc tác rất nhanh chóng từ 8-12 h, quá trình tái sinh hoàn toàn xúc tác rất thuận lợi, lượng xúc tác mất mát rất thấp. Hệ thống thiết bị phản ứng dung dịch bố trí tối ưu, thể tích thiết bị nhỏ gọn, không gian yêu cầu cho nhà máy nhỏ, điều đó đồng nghĩa với việc giảm chi phí vốn xây dựng nhà máy. Sản xuất fomandehit bằng công nghệ chuyển hoá không hoàn toàn metanol kết hợp với chưng cất thu hồi nguyên liệu metanol. Từ bảng số liệu cho thấy, lượng hơi nước và lượng nướclàm lạnh tiêu tốn thấp hơn so vơi công nghệ của BASF. Hiệu suất của công nghệ BASF thấp hơn một chút so với công nghệ này tuy nhiên còn rất nhiều khí cạnh khác trong công nghệ náy cần được lưu ý. Trong công nghệ này, lượng hơi nước trong hỗn hợp nguyên liệu đầu cao hơn do đó chi phí về hơi nước tăng, nhiệt độ của phản ứng thấp hơn hạn chế bớt được một số phản ứng phụ xảy ra. Lượng hydro trong khí off-gas cao hơn do đó nhiệt cháy của khí off-gas trong công nghệ này cao hơn khoang 2140 kj/ m3 ( so với 1970 kj/m3 của công nghệ BASF). Bên cạnh đó lượng axit formic trong sản phẩm còn tương đối lớn do đó bắt buộc phải tiến hành khử axit trong sản phẩm dẫn đên chi phí sản phẩm tăng. Công nghệ Formox. Quá trình sử dụng lượng không khí dư trong hỗn hợp nguyên liệu với metanol, lượng không khí yêu cầu dư so với lượng metanol, tỷ lệ không khí trên metanol ít nhất phải đạt tỷ lệ 13/1. Công nghệ này sử dụng metanol với nồng độ thấp hơn do đó lưu lượng khí trog quá trình tổng hợp là rất lớn, so với công nghệ chuyển hóa trên hệ xúc tác bạc thì công nghệ này sử dụng lưu lượng khí trong quá trình tổng hợp cao gấp 3-3.5lần. Do đó các thiết bị cũng có thể tích lớn hơn, đòi hỏi không gian làm việc củầnhmáylớn hơn, chi phí cho thiết bị và mặt bằng sản xuất cao hơn. Một điểm hạn chế khác của công nghệ này là dòng khí thải (khí off-gas) không có khả năng cháy, do đó nếu không được sử lý khi thải ra môi trường thì khí này sẽ gây những tác động nguy hiểm. Để hạn chế tác hại của khí thải cho môi trường, tiến hành sử lý bằng hơi nước khử lượng lưu huỳnh tự do khí. Một trong những thuận lợi của công nghệ này là nhiệt độ chuyển hóa thấp sẽ ngăn ngừa được một số phản ứng phụ, đồng thời cho phép sử dụng xúc tác có hoạt tính cao, quá trình tái sinh xúc tác ở nhiệt độ thấp cũng thuận lợi hơn. Quá trình vận hành sản xuất cũng đơn giản hơn, các thông số công nghệ của quá trình dễ điều khiển. [ 5-630 ] VI. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FORMALIN TRÊN HỆ XÚC TÁC OXIT. Các thiết bị trong dây chuyền sản xuất formalin trên hệ xúc tác oxit. Thiết bị làm mềm nước. Thùng chứa nước mềm. Thùng chứa dầu. Thùng chứa metanol. Thiết bị lọc metanol. Thiết bị đun nóng không khí. Máy nén không khí. Thiết bị traođổi ion. Thùng chứa formalin. Thiết bị bay hơi nước. Thiết bị phản ứng. Thiết bị bay hơi metanol. Tháp hấp thụ formandehit. Thiết bị bão hòa hơi nước. Thiết bị lọc không khí. Thiết bị xử lý khí thải. Thiết bị trao đổi nhiệt. Thùng cao vị. Van. Thiết bị trao đổi nhiệt. Lưu lượng kế. Bơm dung dịch formalin. Bơm dầu. Bơm nước. Bơm tuye. Thuyết minh dây chuyền sản xuất formalin trên hệ xúc tác oxit. Metanol kỹ thuật chứa ở thùng chứa (4) được bơm qua thiết bị lọc, nhằm loại bỏ các tạp chất cơ học còn lẫn trong nguyên liệu. Không khí được dẫn qua thiết bị lọc (15) sau đó được đưa sang thiết bị bão hòa hơi nước. Không khí có nhiệt độ đầu khoảng 30oc, khi ra khỏi thiết bị bão hòa hơi nước có nhiệt độ khoảng 45oc và được trộn với dòng khí thải theo một tỷ lệ nhất định trước khi vào máy nén (7). Hỗn hợp khí sau khi qua máy nén được đưa thiết bị gia nhiệt không khí, ra khỏi thiết bị gia nhiệt không khí, dòng không khí đạt nhiệt độ khoảng 1000C. Dòng không khí được đưa tới phần phía dưới của thiết bị bay hơi metanol (12), dòng không khí có nhiệt độ và áp suất cao được đưa tới bơm tuye (25) để cuốn theo và làm bay hơi dung dịch metanol kỹ thuật. Hỗn hợp hơi metanol và không khí được đưa lên phần trên của thiết bị bay hơi metanol (12). Tại thiết bị bay hơi metanol dòng hơi sản phẩm có nhiệt độ cao trao đổi nhiệt, nâng nhiệt độ dòng hơi nguyên liệu lên khoảng 180oc. Sau đó dòng hơi nguyên liệu được đưa tới thiết bị phản ứng (11), để thực hiện chuyển hóa metanol thành formandehit. Quá trình chuyển hóa được duy trì ở nhiệt độ khoảng 300oc, nhiệt của phản ứng được tách bằng dòng dầu tuần hoàn, được tận dụng để sản xuất hơi nước cao áp (khoảng 15at). Hỗn hợp hơi sản phẩm phản ứng có nhiệt độ khoảng 300oc được đưa đi trao đổi nhiệt với dòng hơi sản phẩm tại thiết bị bay hơi metanol (12), hạ nhiệt độ xuống còn khoảng 120oc. Sau đó dòng hơi sản phẩm được đưa tới tháp hấp thụ formandehit, dòng hơi sản phẩm đi từ đáy tháp lên trên, tại phần đáy tháp dòng hơi được tưới trực tiếp bằng dung dịch formandehit hồi lưu, phía trên đỉnh tháp lượng formandehit còn lại được tách bằng dòng nước mềm tưới từ trên đỉnh tháp. Phần khí trơ tháot ra ngoài, một phần được tuần hoàn trở lại trộn với dòng không khí, phần còn lại được đem đi xử lý trước khi thải vào môi trường. Dung dịch formalin lấy ra từ đáy tháp hấp thụ, một phần được đưa tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ, phần còn lại được đưa về bồn chứa. Để đảm bảo hàm lượng axit HCOOH trong dung dịch formalin thương phẩm ở mức cho phép, trước khi đưa về bồn chứa dung dịch formalin được đưa qua thiết bị trao đổi ion tách axit HCOOH trong sản phẩm. CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT FORMALIN I. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT FORMALIN. Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình sản xuất formanlin. 1.1. Các chất than gia phản ứng. Metannol kỷ thuật 99.5% trọng lượng. Thành phần không khí. + N2 = 79 % thể tích. + O2 = 21% thể tích. Tổng cộng 100%. Thành phần khí thải. + N2 = 81.7 % thể tích + O2 = 17.3 % thể tích + CO2 = 0.2 % thể tích + CO = 0.8 % thể tích Tổng cộng 100%. Tổn thất của quá trình 1.2%. Các phản ứng hoá học xảy ra trong thiết bị phản ứng chính. + Phản ứng chuyển hoá chính : CH3OH + 0.5 O2 CH2O + H2O. (1) + Phản ứng phụ : CH2O + 0.5O2 CO + H2 (2) CH3OH + 1.5 O2 CO2 + 2H2O (3) CH2O + O2 CO2 + H2O (4) Thành phần của sản phẩm : + CH2O = 37% trọng lượng. + H2O = 62.371% trọng lượng. + CH3OH = 0.6% trọng lượng. + HCOOH = 0.029% trọng lượng. Độ chuyển hoá metanol thành sản phẩm α = 97.5%. Cân bằng vật chất của quá trình sản xuất formalin. Quá rình sản xuất fomalin liên tục từ nguyên liệu metanol có năng suất 15000 tấn / năm, thiết bị làm việc liên tục trong 330 ngày, còn 35 ngày còn lại để sửa chữa bảo dưỡng. Năng suất làm việc của nhà máy: = 1893.94 (kg/h) Lượng CH2O nguyên chất sản xuất ra trong một ngày : GCHO = = 700,7578 (kg/h) N2 là chất không tham gia vào các phản ứng nên lượng N2 trước và sau phản ứng coi như không đổi. Tính trong 100m3 khí thải, lượng không khí đưa vào thiết bị phản ứng. = 103,417 (m3) -Lượng N2 chiếm thể tích là 81.7 (m3) + Với số mol = = 3,647 (kmol) + Có khối lượng =3,647.28 = 102,116 (kg). -Lượng O2 chiếm thể tích là : 103,417-81.7= 21.717 (m3) + Với số mol = = 0,969 (kmol) + Có khối lượng là : 0,969.32 = 31,008 (kg). Thành phần 100 m3 khí thải : - Lượng N2, chiếm 81,7% thể tích hay 81,7 m3 + Với số mol = = 3,647 (kmol) + Có khối lượng là :3,647. 28 = 102,116 (kg). - Lượng O2, chiếm 17,3% thể tích hay 17.3 m3 + Với số mol = = 0,772 (kmol) + Có khối lượng là :0,772. 32 = 24.704 (kg). - Lượng CO2, chiếm 0.2% thể tích hay 0,2 m3 + Với số mol = = 0,0089 (kmol) + Có khối lượng là :0,0089. 44 = 0.392 (kg). - Lượng CO chiếm 0.8 % thể tích hay 0.8 m3 + Với số mol = = 0,357 (kmol) + Có khối lượng là :0,357. 28 = 1 (kg) Bảng 8. Thành phần các cấu tử trong không khí và trong khí thải Cấu tử Kkối lượng 103.417 m3 không khí 100m3 khí thải % thể tích M3 Kg Kmol % thể tích M3 Kg Kmol N2 28 79 81,7 102,116 3,647 81,7 81,7 102,116 3,647 O2 32 21 21,717 31,008 0,969 17.3 17.3 24,704 0,772 CO2 44 - - - - 0,2 0,2 0,392 0,0089 CO 28 - - - - 0,8 0,8 1 0,0357 100 103,417 133,124 4,616 100 100 128,212 4,4636 * Lượng oxi cần thiết cho phản ứng : 0,969-0,772 = 0,197 (kmol) 31,008- 24,704= 6,304 (kg) * Tính lượng metanol cần thiết cho phản ứng oxi hoá. Theo phản ứng (3) ta có n = n = 0,0089 (kmol) Theo phản ứng (1), (2) ta có số mol của CH3OH là : 3.[0,197-(1,5.0,0089 + 0,5.0,0357)] = 0,331 Lượng CH3OH cần dùng cho phản ứng oxi hoá : n = 0,331+ 0,0089 = 0,34 (kmol) m = 0,34.32 = 10,88 (kmol) * Tính lượng CH2O tạo thành. Theo phản ứng (1), (2) ta có lượng CH2O bị tiêu tốn là n = 0,331 (kmol). Lượng ch2o bị tiêu tốn theo phản ứng (4) là nCH2O = 0,0357 (kmol) Lượng CH2O tạo thành là : n = 0,331- 0,0357 = 0,2953 (kmol) m = 0,2953. 30 = 8,859 (kg) Khối lượng dung dịch fomalin nhận được là : = 23,943 (kg) lượng HCOOH chứa trong 23,943 formalin là: nHCOOH = = 0,007 (kmol) nHCOOH = = 0,00015 (kmol) Lượng CH2O bị oxi hóa thành HCOOH: Theo phản ứng (2) : nCH2O = nHCOO H = 0,00015 (kmol) Lượng CH2O còn lại là : 0,295-0,00015= 0,2952 Trong quá trình sản xuất CH2O hao phí 1,2% tương ứng với số mol : = 3,5.10-3 (kmol) Lượng CH2O bị hao phí là: 3,5.10-3.30 = 0,106 (Kg) Lượng CH2O thực tế thu được là : 8,859-0,106 = 8,753 (Kg) Lượng formalin thu được từ 8,753 kg formandehit nguyên chất là : = 23,656 (kg) Lượng CH3OH có trong 23,656 kg formalin là: = 0,142 (kg) Lượng CH3OH còn lại trong sản phẩm là: = 0,071(kg) Lượng CH3OH bổ xung vào là : 0,142 – 0,071(kg) Toàn bộ lượng CH3OH tiêu tốn trong quá trình sản xuất formandehit là: 0,071 + 10,88 = 10,951(kg) * Lượng nước có trong quá trình: Lượng nước có trong 23,656 kg sản phẩm : = 14,754 (kg) Lượng nước có trong CH3OH : = 0,055 (kg) Lượng nước thành sau phản ứng (1), (3), (4) : Từ phản ứng (1) : 0,331 (kmol) Từ phản ứng (3) : 2.0,0089 = 0,0178 (kmol) Từ phản ứng (4) : 0,0357 (kmol) Tổng cộng = 0,384 (kmol) (hoặc 6,921 (kg) ) Lượng nước công nghệ sử dụng trong quá trình: 14,754- (6,921+ 0,055 ) = 7,843 (kg) 2.1. Cân bằng vật chất cho toàn bộ phân xưởng : 2.1.1. Các chất đầu vào: * CH3OH CH3OH dùng cho phản ứng : = 871,071 (kg/h) CH3OH thêm vào : = 5,684 (kg/h) * Không khí = 10658,13 (kg/h) * Nước Lượng nước thêm vào : = 672,92 (kg/h) Lượng nước có trong dung dịch CH3OH : = 4,403 (kg/h) Tổng khối lượng các chất đầu vào : 871,071 + 5,684 + 10658,13 + 627,92 + 4,403 = 12167,208 (kg/h) 2.1.2. Các chất đầu ra : * Lượng formalin : Khối lượng formalin tạo thành sau quá trình tổng hợp là: 1893,94 (kg/h) * Khối lượng khí thải = = 10204,87 (kg/h) * Khối lượng CH2O mất mát = = 8,4865 (kg/h) * Tổng khối lượng sản phẩm đầu ra 1893,94 + 10264,87 + 8,486 = 12167,296 (kg/h) Bảng 9. Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình sản xuất. Các chất đầu vào Các chất đầu ra Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h * CH3OH + CH3OH đầu vào + CH3OH thêm vào 871,071 5,684 * Formalin 1893.94 * Không khí 10658,13 * Khí thải 10264,87 * Nước + Nước hấp thụ (thêm vào) + Nước trong CH3OH 627,92 4,403 * CH2O 8,486 Tổng cộng 12167,205 Tổng cộng 12167,296 2.2. Cân bằng vật chất cho từng thiết bị. 2.2.1. Cân bằng vật chất cho thiết bị gia nhiệt không khí. * Các cấu tử đầu vào: + Khối lượng N2 = = 8175,58 (kg/h) + Khối lượng O2 = = 2482,55 (kg/h) + Tổng khối lượng các cấu tử đầu vào: 8175,58 + 2482,55 = 10658,13 (kg/h) * Các cấu tử đầu ra: + Khối lượng N2 = 8175,58 (kg/h) + Khối lượng O2 = 2482,55 (kg/h) + Tổng khối lượng các cấu tử đầu ra = 10658,13 (kg/h) 2.2.2. Cân bằng vật chất cho thiết bị bay hơi. * Các cấu tử đầu vào: + Lượng CH3OH = 871,071 (kg/h) + Lượng H2O trong CH3OH = 4,403 (kg/h) + Lượng không khí = 10658,13 (kg/h) * Các cấu tử đầu ra: + Lượng hơi CH3OH = 871,071 (kg/h) + Lượng hơi nước = 4,403 (kg/h) + Lượng không khí = 10658,13 (kg/h) 2.2.3. vật chất cho thiết bị phản ứng. * Các cấu tử đầu vào: + Metanol hơi = 871,071 (kg/h) + Hơi nước = 4,403 (kg/h) + Không khí = 10658,13 (kg/h). Trong đó : + Khối lượng N2 = 8175,58 (kg/h) + Khối lượng O2 = 2482,55 (kg/h) + Tổng khối lượng các cấu tử đầu vào 871,071 + 4,403 + 10658,13 = 11533,604 (kg/h) * các cấu tử đầu ra: + Khối lượng CH2O = = 700,780 (kg/h) + Khối lượng HCOOH = = 0,5604 (kg/h) + Khối lượng N2 = 8175,58 (kg/h) + Khối lượng O2 = = 1977,84 (kg/h) + Khối lượng CO2 = = 31,384 (kg/h) + Khối lượng CO = = 80,060 (kg/h) + Khối lượng CH3OH chưa chuyển hóa = = 5,684 (kg/h) + Khối lượng nước sinh ra sau phản ứng = = 554,107 (kg/h) + Khối lượng nước có trong metanol = 4,403 (kg/h) + Khối lượng CH2O mất mát trong quá trình = = 8,486 (kg/h) + Tổng khối lượng các cấu tử đầu ra: 700,780 + 0,564 + 8175,83 + 1977,84 + 33,384 + 80,061 + 5,684 + 554,101 + 4,403 + 8,486 = 11541,133 (kg/h) Bảng 10. Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng. Các cấu tử đầu vào Các cấu tử đầu ra Cấu tử (kg/h) Cấu tử (kg/h) Metanol hơi 871,071 CH2O 700,780 HCOOH 0,560 Không khí + N2 + O2 8175,58 1977,84 CH3OH 5,684 Nước sinh ra sau phản ứng 554,102 Nước trong nguyên liệu 4,403 N2 8175,58 O2 1977,84 CO2 31,384 Hơi nước 4,403 CO 80,061 CH2O mất mát 8,484 Tổng 11533,604 Tổng 11538,933 Cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ sản phẩm. * các cấu tử đầu vào. + Khối lượng CH2O = 700,780 (kg/h) + Khối lượng HCOOH = 0,560 (kg/h) + Khối lượng CH3OH trong nguyên liệu = 5,684 (kg/h) + Khối lượng CH3OH thêm vào = 5,684 (kg/h) + Khối lượng nước sinh ra sau phản ứng = 554,102 (kg/h) + Khối lượng nước trong nguyên liệu = 4,403 (kg/h) + Khối lượng nước thêm vào trong quá trình hấp thụ =