Đồ án Sản xuất Poly vinylclorua (viết tắt là PVC)

đỉnh tháp và phần sản phẩm nặng ( sản phẩm phụ ) thu được ở đáy tháp chưng cất. 4. Ưu nhược điểm của phương pháp đây là phương pháp được xử dụng khá phổ biến để tổng hợp VC trong công nghiệp bởi nó có hiệu suất chuyển hoá cao, axít HCl trong quá trính tồn tại ở pha đã làm giảm độ ăn mòn thiết bị, làm giảm chi phí trong việc chế tạo thiết bị phản ứng. Mặt khác trong quá trình này lượng sản phẩm phụ sinh ra là nhỏ, do đó sẽ giảm được chi phí cho các quá trình tinh chế sản phẩm, tăng chất lượng sản phẩm thu được. Hình 5: Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất VC từ C2H2 và HCl trong pha khí Phần iii : Tính toán công nghệ Các số liệu ban đầu : - Năng suất : 65000 tấn/năm - Thành phần khí C2H2 ( nồng độ thể tích ) : C2H2 : 99% H2O : 0,03% O2 : 0,01% N2 : 0,96% - thành phần khí HCl ( nồng độ thể tích ) : HCl : 97,3% H2 : 0,15% N2 : 2,4% H2O : 0,05% - mức độ chuyển hoá : Giả thiết độ chuyển hoá VC của quá trình là 98% độ chuyển hoá diclo etan là 0,2 % Coi lượng sản phẩm bị mất mát trong các quá trình là không đáng kể. Đồng thời trong quá trình sản xuất lượng VC thu được ở đỉnh của thiết bị chưng cất tách sản phẩm VC là 99% (hay hiệu suất phân tách VC đạt 99%) A. xác định thời gian làm việc của phân xưởng Giả thiết quá trình sản xuất là liên tục và chỉ dừng lại để bảo dưỡng, tái sinh (thay thế) xúc tác định kỳ. Như vậy thời gian sản xuất của phân xưởng được tính như sau : Ttt = Tlt – Tng Trong đó : Ttt là thời gian làm việc của phân xưởng ( giờ/năm ) Tlt là thời gian của một năm ( giờ/năm ) Tng là thời gian nghỉ của một năm ( giờ/năm ) Thời gian nghỉ (Tng) là thời gian dây chuyền ngừng hoạt động vì lý do kỹ thuật, bao gồm : thời gian nghỉ để thay đổi xúc tác, thời gian bảo dưỡng sửa chữa định kỳ và thời gian sửa chữa do hỏng hóc đột xuất. Giả thiết thời gian nghỉ là 30 ngày Như vậy thời gian làm việc của phân xưởng là: Ttt = 365 – 30 = 335 (ngày/năm) một ngày làm việc được chia làm 3 ca, mỗi ca làm việc là 8 tiếng. Vậy thời gian làm việc trong một năm của phân xưởng là : T = 335 H 24 = 8040 (giờ/năm) B. Cân bằng vật chất I. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng chính 1. Tiêu hao nguyên liệu Axetylen Năng suất của dây chuyền là 60000 tấn/năm. Vậy năng suất tính theo kg/giờ của dây chuyền là : = 7462,69 (kg/ giờ) Theo như giả thiết lượng VC ra khỏi tháp chưng cất tách sản phẩm là 99% so với lượng VC vào tháp nên lượng VC được tạo ra tại thiết bị phản ứng là: = 7538,07 (kg/ giờ) Phương trình của phản ứng tạo : C2H2 + HCl CH2= CHCl (1) 26 36,5 62,5 Theo phản ứng (1) thì lượng axetylen tinh khiết tiêu hao (khi hiệu suất chuyển hoá đạt 100%) là : = 3135,84 (kg/ giờ) Do hiệu suất chuyển hoá của axetylen là 98% vì vậy lượng axetylen tinh khiết tiêu hao thực tế là : = 3199,84 (kg/ giờ) Lượng axetylen còn dư là: 3199,84 – 3135,84= 64 (kg/ giờ) Khối lượng mol trung bình của nguyên liệu axetylen ( có thành phần về thể tích: 99% C2H2; 0,03% H2O; 0,01% O2; 0,96% N2 ) là : 0,9926 + 0,000132 + 0,000318 + 0,009628 = 26,0174 (kg/kmol) Độ tinh khiết của axetylen nguyên liệu là 99% thể tích nên tiêu hao nguyên liệu axetylen thô là : = 3234,32 (kg/ giờ) Trong thành phần nguyên liệu axetylen thô nước chiếm 0,03% thể tích, do đó lượng nước là : = 0,67 (kg/ giờ) Lượng O2 trong thành phần nguyên liệu axetylen thô chiếm 0,01% thể tích, do đó lượng O2 là : = 0,4 (kg/ giờ) Lượng N2 trong thành phần nguyên liệu axetylen thô chiếm 0,96% thể tích, do đó lượng N2 là : = 33,42 (kg/ giờ) 2. Tiêu hao nguyên liệu HCl Theo phản ứng (1) tiêu hao HCl tinh khiết là : = 4402,22 (kg/ giờ) Mặt khác như đã nói ở phần trước, để quá trình làm việc đạt hiệu quả cao ta chọn tỷ lệ C2H2/HCl = 1/1,1. Như vậy lượng tiêu hao HCl tinh khiết là : = 4941,29 (kg/ giờ) Vậy lượng HCl còn dư là : 4941,29 – 4402,22 = 539,07 (kg/ giờ) Trong thành phần nguyên liệu HCl thô bao gồm : 97,3% HCl; 0,15% H2; 2,4% N2; 0,05% H2O. Hay nói cách khác độ tinh khiết của nguyên liệu HCl thô là 97,3%. Khối lượng mol trung bình của nguyên liệu HCl là : 0,973H36,5 + 0,0015H2 + 0,024H28 + 0,0005H18 = 36,1985 (kg/kmol) Tiêu hao nguyên liệu HCl thô là: = 5036,46 (kg/ giờ) Lượng nước có chứa trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 1,25 (kg/ giờ) Lượng N2 có trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 93,5 (kg/ giờ) Lượng H2 có trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 0,42 (kg/ giờ) II. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng phụ Trong tổng hợp hữu cơ nói riêng và tổng hợp hoá học nói chung ta thường gặp những phản ứng phụ không mong muốn. Nó không những làm giảm chất lượng của sản phẩm, tiêu tốn nguyên liêu, gây khó khăn cho việc phân tách, tinh chế sản phẩm mà còn có thể gây tác hại trực tiếp cho phản ứng chính của quá trình. Tuy nhiên việc loại bỏ hoàn toàn các phản ứng phụ là rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được. Giải pháp đặt ra là giảm thiểu đến mức thấp nhất các phản ứng phụ đó. Trong quá trình sản xuất VC này có các phản ứng phụ sau : CH CH + 2HCl CH3CH(Cl)2 (2) 26 73 99 CH CH + H2O CH3CHO (3) 26 18 44 Ngoài ra còn nhiều phản ứng phụ khác như: các phản ứng trùng hợp của axetylen, phản ứng trùng hợp của VC… Tuy nhiên trong quá trình sản xuất này ta coi lượng sản phẩm tạo thành của các phản ứng đó là không đáng kể so với hai phản ứng phụ trên. Vì vậy trong quá trình tính toán ta không tính đến lượng sản phẩm của của các phản ứng đó mà chỉ tính toán lượng sản phẩm tạo thành của hai phản ứng (2) và (3). Theo như hai phản ứng phụ trên thì sản phẩm phụ tạo ra sẽ là diclo etan và axetal dehit. Ta sẽ tiến hành tính toán lượng tiêu hao nguyên liệu cho hai phản ứng phụ này và lượng sản phẩm phụ tạo ra. Do hiệu suất chuyển hoá 1,1 dicloetan tính theo axetylen là 0,2% suy ra lượng axetylen tham gia vào phản ứng (2) là : = 6,4 (kg/ giờ) Lượng HCl tham gia phản ứng (2) là : = 17,97 (kg/ giờ) Lượng sản phẩm 1,1 dicloetan : = 24,37 (kg/ giờ) Xét phản ứng (3) (phản ứng phụ của axetylen với nước tạo axetan dehit. Giả thiết khí nguyên liệu axetylen thô khi qua hệ thống sấy khí đã loại bỏ được hoàn toàn lượng hơi nước. Như vậy lượng nước tham gia vào phản ứng (3) là nước do khí nguyên liệu HCl thô mang vào thiết bị phản ứng. Do lượng hơi nước là rất ít so với lượng axetylen nên ta coi như hơi nước phản ứng hết. Theo phản ứng (3) thì lượng axetylen tham gia phản ứng là : = 1,81 kg/ giờ) Khi đó theo phản ứng (3) lượng axetandehit tạo thành là : = 3,06 (kg/ giờ) Lượng axetylen còn dư (trong hỗn hợp khí sản phẩm ở đầu ra của thiết bị phản ứng) là: 64 - 6,4 – 1,81 = 55,79 (kg/ giờ) Lượng HCl còn dư (trong hỗn hợp khí sản phẩm ở đầu ra của thiết bị phản ứng) là: 539,07 – 17,97 = 521,1 (kg/ giờ) III. Cân bằng vật chất 1. Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng Tính toán đối với lượng vật chất đi vào thiết bị : Lượng O2 là : 0,4 (kg/ giờ) Lượng N2 là : 33,42 + 93,5 = 126,92 (kg/ giờ) - Lượng H2 là : 0,42 (kg/ giờ) Do O2, N2 và H2 không tham gia phản ứng nên lượng vào cũng chính là lượng ra khỏi thiết bị phản ứng Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng được thể hiện ở bảng 5 Bảng 5 : Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng chính Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) C2H2 3199,84 55,79 HCl 4941,29 521,10 O2 0,40 0,40 N2 126,92 126,92 H2 0,42 0,42 H2O 1,25 0 VC 0 7538,07 CH3CHCl2 0 24,37 CH3CHO 0 3,06 Tổng cộng 8270,12 8270,13 2. Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl Hỗn hợp khí sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa qua hệ thống tách HCl dư gồm 2 tháp : tháp thứ nhất dùng nước để rửa, tháp thứ hai dùng dung dịch NaOH. Khí sản phẩm sau khi đi qua hệ thống này sẽ không còn HCl đồng thời trong quá trình này cụng loại bỏ được sản phẩm phụ là axetaldehit do sản phẩm phụ này tan trong nước. Tuy nhiên trong quá trình này không có phản ứng hoá học nào xảy ra. Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl : Bảng 6 : Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) C2H2 55,97 55,97 HCl 521,10 521,10 O2 0,4 0,4 N2 126,92 126,92 H2 0,42 0,42 VC 7538,07 7538,07 CH3CHCl2 24,37 24,37 CH3CHO 3,06 3,06 Tổng cộng 8270,13 8270,13 3. Cân bằng vật chất tại tháp chưng cất sản phẩm VC Hỗn hợp đi vào tháp chưng cất tách VC có thành phần gồm : VC và diclo etan và các sản phẩm phụ khác. Tuy nhiên như theo phần trước đã trình bày lượng sản phẩm phụ của các phản ứng phụ (trừ hai phản ứng (2) và (3)) không đáng kể so với lượng sản phẩm phụ do hai phản ứng (2) và (3) tạo thành. Vì vậy ta sẽ coi hỗn hợp đi vào tháp chưng cất VC gồm VC và dicloetan. Hỗn hợp này được đưa vào tháp chưng cất nhiệt độ thấp sẽ phân tách riêng từng cấu tử. Cụ thể VC sẽ được tách ra ở đỉnh tháp và diclo etan được lấy ra ở đáy tháp. Cân bằng vật chất ở tháp tinh chế sản phẩm VC. Do theo giả thiết lượng VC được phân tách tại đây đạt 99% tổng lượng VC. Như vậy thành phần sản phẩm tại đỉnh tháp chỉ có VC. Thành phần đáy tháp bao gồm toàn bộ lượng diclo etan và 1% lượng VC. - Lượng VC được tách ra tại đỉnh tháp theo tính toán là: 7462,69 (kg/giờ) - Thành phần sản phẩm đáy của tháp bao gồm : + Lượng VC là: 7538,07 - 7462,69 = 75,38 (kg/giờ) + Lượng dicloetan là : 24,37 (kg/giờ) Bảng 7 : Cân bằng vật chất tại tháp chưng cất sản phẩm VC Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) VC 7538,07 7538,07 CH3CHCl2 24,37 24,37 Tổng cộng 7562,44 7562,44 C. Cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng Hỗn hợp khí khi đi vào thiết bị đã được gia nhiệt tới nhiệt độ cần thiết. ở đây ta chọn nhiệt độ tại đầu vào thiết bị phản ứng của hỗn hợp khí là 110OC. Nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp sản phẩm : 160OC Chất làm mát (chất tải nhiệt) chọn ở dây là dầu có : Nhiệt độ đầu vào là : 30oC Nhiệt độ đầu ra là : 100oC Nhiệt dung riêng của chất tải nhiệt dầu Cp = 0,43 kcal/kg.độ Khối lượng riêng của dầu = 900 kg/m3 Hỗn hợp khí đi vào thiết bị phản ứng gồm các khí : C2H2, HCl, O2, N2, H2, H2O Hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng gồm các khí: VC, C2H2 dư, HCl dư, O2, N2, H2, CH3CHO, CH3CHCl2 Nhiệt dung riêng của các khí : tra sổ tay hoá công 1 Bảng 8 : Nhiệt dung riêng của các khí ở điều kiện đầu vào và đầu ra của thiết bị phản ứng Nhiệt độ tại đầu vào ( t = 25oC ) Nhiệt độ tại đầu ra ( t = 160oC ) Cấu tử Cp (kcal/kg.độ) Cấu tử Cp (kcal/kg.độ) C2H2 0,41 C2H2 0,46 HCl 0,19 HCl 0,19 O2 0,24 O2 0,24 H2 3,5 H2 3,5 H2O 0,44 H2O 0,22 N2 0,25 N2 0,255 VC 0,22 CH3CHO 0,38 CH3CHCl2 0,24 1. tính nhiệt lượng do hỗn hợp khí mang vào Nhiệt lượng do hỗn hợp khí mang vào thiết bị phản ứng là : Qhhvào = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Trong đó : Q1 : nhiệt lượng do khí axetylen mang vào (kcal/h) Q2 : nhiệt lương do khí HCl mang vào (kcal/h) Q3 : nhiệt lượng do khí O2 mang vào (kcal/h) Q4 : nhiệt lượng do khí N2 mang vào (kcal/h) Q5 : nhiệt lượng do hơi nước mang vào (kcal/h) Q6 : nhiệt lượng do H2 mang vào (kcal/h) Nhiệt lượng của các cấu tử được tính toán theo công thức : Q = m Cp t (kcal/h) Trong đó : m : là lưu lượng khí (kg/h) Cp : là nhiệt dung riêng của cấu tử (kcal/kg.độ) t : là nhiệt độ của cấu tử (oC) Như vậy nhiệt lượng của các cấu tử mang vào là : Q1 = 3199,84 0,41110 = 144312,78 (kcal/h) Q2 = 4941,29 0,19110 = 103272,96 (kcal/h) Q3 = 0,4 0,24110 = 10,56 (kcal/h) Q4 = 126,92 0,25110 = 3490,3 (kcal/h) Q5 = 1,25 0,44110 = 60,5 (kcal/h) Q6 = 0,423,5110 = 161,7 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do hỗn hợp khí nguyên liệu mang vào là : Qhhvào = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 144312,78 + 103272,96 + 10,56 + 3490,3+ 60,5+ 161,7 = 251308,8 (kcal/h) 2. Nhiệt lượng do các phản ứng toả ra a. Nhiệt lượng lượng do phản ứng chính toả ra: C2H2 + HCl CH2= CHCl + 23700 kcal/kmol Vậy nhiệt lượng do phản ứng chính toả ra là : Q9 = = 2858436,14 (kcal/h) b. Nhiệt lượng do phản ứng phụ toả ra : - Nhiệt lượng do phản ứng tạo thành 1,1- diclo etan C2H2 + 2HCl CH3CHCl2 + 40200 (kcal/kmol) Nhiệt lượng toả ra là : Q7 = = 9895,7 (kcal/h) - Nhiệt lượng do phản ứng tạo thành axetan dehit : C2H2 + H2O CH3CHO + 36130 (kcal/kmol) Nhiệt lượng toả ra là: Q8 = = 2512,68 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do các phản ứng của quá trình sinh ra là : Qpư = Q7 + Q8 + Q9 = 2858436,14 + 9895,7 + 2512,68 = 2870844,52 (kcal/h) 3. Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang ra khỏi thiết bị Nhiệt lượng do hỗn hợp khí sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng : Qhhra = Q1’ + Q2’ + Q3’+ Q4’ + Q5’ + Q6’+ Q7’+ Q8’ Trong đó : Q1’ : nhiệt lượng do khí C2H2 dư mang ra (kcal/h) Q2’ : nhiệt lượng do khí HCl dư mang ra (kcal/h) Q3’ : nhiệt lượng do khí O2 mang ra (kcal/h) Q4’ : nhiệt lượng do khí N2 mang ra (kcal/h) Q5’ : nhiệt lượng do khí H2 mang ra (kcal/h) Q6’ : nhiệt lượng do khí VC mang ra (kcal/h) Q7’ : nhiệt lượng do khí CH3CHO mang ra (kcal/h) Q8’ : nhiệt lượng do khí CH3CHCl2 mang ra (kcal/h) Tính toán các giá trị nhiệt lượng : Q1’ = 55,970,46160 = 4106,14 (kcal/h) Q2’ = 521,10,19160 = 15841,44 (kcal/h) Q3’ = 0,40,24160 = 15,36 (kcal/h) Q4’ = 126,920,255160 = 5178,34 (kcal/h) Q5’ = 0,423,5160 = 235,2 (kcal/h) Q6’ = 7538,070,22160 = 265340,06 (kcal/h) Q7’ = 3,060,38160 = 186,05 (kcal/h) Q8’ = 24,370,24160 = 935,81 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do hỗn hợp khí sản phẩm mang ra là : Qhhra = Q1’ + Q2’ + Q3’+ Q4’ + Q5’ + Q6’+ Q7’+ Q8’ = 4106,14+ 15841,44 + 15,36 + 5178,34 + 235,2 + 265340,06 + + 186,05+ 935,81 = 291838,4 (kcal/h) 4. Tính toán lượng chất tải nhiệt dầu cần dùng Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng : Qhhvào + Qdv + Qpư = Qdr + Qhhra + Qm Trong đó : Qdv : là nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng (kcal/h) Qdr : là nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra khỏi thiết bị phản ứng (kcal/h) Qm : nhiệt lượng mất mát trong quá trình (kcal/h) - Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng là : Qdv = md Cpdtdv (kcal/h) Trong đó : md : là khối lượng của chất tải nhiệt dầu (kg/h) tdv : nhiệt độ của dầu tại đầu vào (chọn là 30oC) - Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra: Tính toán tương tự như đối với đầu vào Qdr = md Cpdtdr (kcal/h) Nhiệt độ dầu ra chọn là 100oC - Nhiệt lượng mất mát (chọn bặng 5% tổng lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng) Suy ra : Qm = 0,05( Qhhvào + Qdv + Qpư) (kcal/h) Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng thay số vào ta có: 251308,8 + 2870844,52 + md 0,4330 = 291838,4 + md 0,43100 + + 0,05(251308,8 + 2870844,52 + md 0,4330) (*) Giải phương trình (*) ta được : md = 86980,23 (kg/h) Nhiệt lượng do dầu mang vào là : Qdv = 86980,230,4330 = 1122044,97 (kcal/h) Nhiệt lượng do dầu mang ra là : Qdr = 86980,230,43100 = 3740149,89 (kcal/h) Nhiệt lượng mất mát là : Qm = 0,05(251308,8 + 2870844,52 + 86980,230,4330) = 212209,91 (kcal/h) Bảng 9: Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng chính Lượng nhiệt vào Lượng nhiệt ra Nhiệt lượng Kcal/h Nhiệt lượng Kcal/h Qhhvào 251308,80 Qhhra 291838,40 Qdv 1122044,97 Qdr 3740149,89 Qpư 2870844,52 Qm 212209,91 Tổng cộng 4244198,29 Tổng cộng 4244198,20 D. tính toán thiết bị chính Như đã giới thiệu ở phần trước, các phản ứng trong quá trình sản xuất VC đều là những phản ứng toả nhiệt mạnh vì vậy thiết bị phản ứng lựa chọn ở đây là thiết bị loại ống chùm. Trong đó xúc tác được đặt bên trong ống và quá trình phản ứng xảy ra bên trong ống. Chất tải nhiệt đi bên ngoài ống sẽ có nhiệm vụ dẫn nhiệt của phản ứng ra bên ngoài. Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là ta phải tính toán xem thiết bị phản ứng ở đây được chế tạo như thế nào để phù hợp với quá trình sản xuất nhất. Vật liệu để chế tạo thiết bị chính là thép không gỉ X18H10T. và thiết bị có cấu tạo hình trụ đứng. 1. Tính thể tích cấp xúc tác Giả thiết điều kiện làm việc của thiết bị là tại 160oC và 1at. Như vậy thể tích cấp xúc tác được tính : Vxt = ( m3) Trong đó: : là lưu lượng hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng (m3/s) : là thời gian lưu của hỗn hợp khí trong thiết bị Đối với quá trình này ta chọn thời gian lưu là 1 (s) ( thích hợp cho quá trình sản xuất đó là vừa đảm bảo về độ chuyển hoá vừa đảm bảo về năng suất). Thể tích hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng (hay vận tốc thể tích) được tính theo công thức : = (m3/h) Trong đó : G : là lượng khí đi qua thiết bị trong thời gian 1 giờ (kg/h) : là khối lượng riêng của khí (kg/m3) = (kg/m3) Với : M : là khối lượng mol của khí (kg/kmol) T : là nhiệt độ tuyệt đối của khí (oK) P, Po : là áp suất khí trong thiết bị phản ứng và ở điều kiện tiêu chuẩn. Hỗn hợp khí đi trong thiết bị phản ứng bao gồm: C2H2, HCl, N2, O2, H2, H2O - Thể tích khí C2H2 đi qua thiết bị phản ứng : = 3199,84 (kg/h) = 26 (kg/kmol) Nhiệt độ T = 273 + 160 = 433 (oK) áp suất P = 1 at Suy ra: = = 0,7318 (kg/kmol) Vận tốc thể tích của C2H2 đi qua thiết bị phản ứng là: = = 4372,561 (m3/h) - Vận tốc thể tích của HCl đi qua thiết bị phản ứng: = 4941,29 (kg/h) = 36,5 (kg/kmol) = = 1,0273 (kg/m3) Vận tốc thể tích của HCl đi qua thiết bị phản ứng : = = 4809,978 (m3/h) - Vận tốc thể tích của N2 đi qua thiết bị phản ứng : = 126,92 (kg/h) = 28 (kg/kmol) = = 0,7881 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của N2 qua thiết bị phản ứng : = = 161,046 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của O2 đi qua thiết bị phản ứng: = 0,4 (kg/h) = 32 (kg/kmol) = = 0,9006 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của O2 qua thiết bị phản ứng : = = 0,444 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của H2 qua thiết bị phản ứng : = 0,42 (kg/h) = 2 (kg/kmol) = = 0,0562 (kg/m3) Vận tốc thể tích của H2: = = 7,473 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của H2O qua thiết bị phản ứng : = 1,25 (kg/h) = 18 (kg/kmol) = = 0,5066 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của H2O qua thiết bị phản ứng là : = = 2,467 ( m3/h) Như vậy tổng lưu lượng hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng là : = + + + + + = 4372,561 + 4809,978 + 161,046 + 0,444+ 7,473 +2,467 = 9353,969 ( m3/h) = 2,598 (m3/s) Do đây là hỗn hợp khí ở cùng điều kiện nhiệt độ áp suất vì vậy lưu lượng thể tích của hỗn hợp khí đi qua lớp xúc tác là : = = 2,598 (m3/s) Thể tích của xúc tác là : Vxt = = 2,5981 = 2,598 (m3) 2. Kích thước của thiết bị phản ứng Lưu lượng của hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng như đã tính ở trên là : = 2,598 (m3/s) Tổng tiết diện ngang của các ống trong thiết bị phản ứng là: S = (m2) Trong đó: : là lưu lượng hỗn hợp khí đi qua thiết bị phản ứng (m3/s) : là tốc độ hơi đi trong thiết bị (m/s) Chọn tốc độ hơi đi trong thiết bị phản ứng là = 3 (m/s) suy ra tổng diện tích của các ống trong thiết bị phản ứng là : S = = = 0,866 (m2) Chiều cao lớp xúc tác Hxt = = = 3 (m) Chọn chiều cao ống phản ứng là 3,2 (m). Chọn ống có kích thước là d = 503,5 (mm) Suy ra số ống trong thiết bị phản ứng là: n = = = 442 (ống) Theo sổ tay hoá công 2 ta quy chuẩn tổng số ống trong thiết bị phản ứng là: n = 517 ống Các ống trong thiết bị phản ứng ở đây được bố trí sắp xếp theo hình sáu cạnh (hình lục giác đều). Trong đó số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình sáu cạnh là 25 ống, số ống trên một cạnh của hình lục giác đều lớn là 13 ống. Tổng số ống không kể trong các hình viên phân là 469 ống. Số hình sáu cạnh là 12 hình. Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân là 48 ống. Tính toán đường kính thiết bị Đường kính thiết bị được tính theo công thức : D = t(b – 1) + 4d. Trong đó: d : là đường kính ngoài của ống phản ứng trong thiết bị phản ứng ống chùm d = 50 + 3,52 = 57 (mm) t : là bước ống t = (1,2 – 1,5) d Chọn t = 1,3d = 1,357 = 74,1 (mm) b : là số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình sáu cạnh b = 25 Đường kính của thiết bị là: D = 74,1(25 – 1) + 457 = 2006,4 (mm) Quy chuẩn theo sổ tay hoá công 2 trang 359 ta chọn đường kính thiết bị là: D = 2000 (mm) = 2 (m) Kích thước thiết bị phản ứng : Đường kính D = 2 (m) Chiều cao thân hình trụ H = 3,2 m Số ống trong thiết bị phản ứng n = 517 ống. Trong đó kích thước ống là : ds = 503,5 (mm), chiều dài ống là 3,2 (m), bước ống là t = 74,1 (mm). Do áp lực của khí nguyên liệu khi qua ống phản ứng là khá mạnh nên ta thiết kế hai đầu của các ống phản ứng thừa ra 10 (cm) nhằm mục đích để nhồi thêm đệm trơ vào để giữ không lớp xúc tác không bị đẩy ra ngoài. Đồng thời ở hai đầu của ống phản ứng được bịt bởi những tấm lưới có mắt lưới nhỏ. 3. Tính chiều dày thân thiết bị phản ứng Thân thiết bị phản ứng ở đây là hình trụ, làm việc ở áp suất khí quyển vì vậy chiều dày của nó được tính theo công thức : S = + C (m) Trong đó Dt : đường kính trong của thiết bị (m) Dt = 2 (m) P : áp suất trong của thiết bị. Do thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên P = 1.105 N/m2 : là hệ số bền hàn của hình trụ theo phương dọc, do hàn giáp mối nên hệ số chọn bằng 0,95 C : là đại lượng bổ xung do ăn mòn và dung sai về chiều dày (m) C = C1 + C2 + C3 Với : C1 : là số bổ xung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Do thiết bị ở đây được chế tạo bằng thép không gỉ nên ta chọn C1 = 1 (mm) ( tính theo thời gian làm việc là từ 10 – 20 năm). C2 : đại lượng bổ xung do hao mòn. Do thiết bị phản ứng ở đây không có những hạt rắn chuyển động, vì vậy có thể bỏ qua đại lượng C2 C3 : là đại lượng bổ xung dung sai chiều dày (phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu (chọn C3 = 1 mm) : ứng suất của thiết bị (N/m2) Gọi : là ứng suất cho phép giới hạn bền kéo của vật liệu thép X8H10T, giới hạn bền kéo xác định theo công thức : = N/m2 Trong đó : : là ứng suất giới hạn bền kéo của thép X18H10T = 550.106 N/m2 : là hệ số hiệu chỉnh theo sổ tay hoá công ta có = 1,0 do đây là thiết bị loại II : là hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, = 2,6 Khi đó : = = 211,5106 (N/m2) Gọi là ứng suất cho phép giới hạn bền chảy của vật liệu thép X18H10T, giới hạn bền chảy xác định theo công thức: = (N/m2) Trong đó : : là ứng suất giới hạn bền chảy của thép X18H10T = 220106 (N/m2) : hệ số hiệu chỉnh tương tự trên = 1 : là hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy, =1,5 Khi đó : = = 146,7106 (N/m2) Để đảm bảo về độ bền ta lấy giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị tính được ở trên. Như vậy giá trị ứng suất = = 146,7106 (N/m2) Xét tỷ số : = = 1393,65 >> 50 Vậy có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số trong biểu thức tính chiều dày của thân thiết bị chính. Suy ra chiều dày của thân thiết bị chính là : S = + C = = 2,710-3 (m) Quy chuẩn lấy S = 6 (mm) Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử bằng nước theo công thức : = (N/m2) Trong đó Po : là áp suất thử tính toán được xác định theo công thức : Po = Pth + P1 (N/m2) Với : Pth : là áp suất thủy lực ( Pth = 1,5P) P1 : là áp suất thủy tĩnh của nước P1 = Hg (N/m2) Trong đó : H: là chiều cao cột chất lỏng (H= 3 m) : là khối lượng riêng của chất lỏng (= 1000kg/m3) g : là gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2) Suy ra : P1 = 10009,813 = 29,43103 (N/m2) Po = 1,5105 + 29,43103 = 1,7943105 (N/m2) Thay vào ta có: = = 47,31106 (N/m2) = = 183,33106 (N/m2) Nhận thấy: Như vậy giá trị chiều dày thân của thiết bị phản ứng là thoả mãn điều kiện về độ an toàn thiết kế (chấp nhận được). Vậy chiều dày thân thiết bị phản ứng là : S = 6 mm 4. Tính toán đường kính các ống dẫn a. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị phản ứng Đường kính ống dẫn nguyên liệu được tính theo công thức : d = (m) Trong đó : : là tốc độ trung bình của khí (hơi) đi trong ống (m/s) : lưu lượng thể tích (m3/s) Như đã tính toán ở phần trước lưu lượng thể tích của khí nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng là: = 2,598 (m3/s) Chọn vận tốc trung bình của khí nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng là : = 20 (m/s). Đường kính ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị phản ứng là: d = = 0,4068 (m) Quy chuẩn lấy d = 0,4 (m) b. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm Cũng theo công thức : d = (m) : tốc độ của khí sản phẩm đi trong ống (m/s) Chọn = 20 (m/s) : Lưu lượng của khí nguyên liệu của hỗn hợp khí ra (m3/s) Như ta đã tính toán, hỗn hợp khí ra có thành phần gồm các khí : VC, EDC, CH3CHO, C2H2 dư, HCl dư, N2, O2, H2. Nhiệt độ tại đầu ra của hỗn hợp khí là 160oC và coi như áp suất của hỗn hợp khí ra là 1at. Ta sẽ đi tính toán lưu lượng của hỗn hợp khí ra. - Tính lưu lượng khí C2H2 dư: Ta có lượng khí C2H2 dư theo tính toán ở trên là : = 55,79 (kg/giờ) Khối lượng riêng của khí C2H2 dư là : = = = 0,7318 (kg/m3) Lưu lượng thể tích của khí C2H2 dư là: = = = 76,237 (m3/h) - Lưu lượng thể tích của khí HCl dư : = 521,1 (kg/h) = =1,0274 (kg/m3) Lưu lượng thể tích khí HCl dư là : == 507,203 (m3/h) - Lưu lượng thể tích khí N2 là: = 161,046 (m3/h) - Lưu lượng thể tích khí O2 = 0,444 (m3/h) - Lưu lượng thể tích khí H2 là: =7,473 (m3/h) Lưu lượng thể tích khí VC = 4538,07 (kg/h) = = 1,7592 (kg/m3) Lưu lượng thể tích khí VC là: = = 4284,942 (m3/h) - Lưu lượng thể tích khí EDC = 24,37 (kg/h) = = 2,7865 (kg/m3) = = 8,746 (m3/h) - Lưu