Đồ án Thiết kế một nhà máy sản xuất Vinyl Axetat

theo phương trình phản ứng sau ta có: Gọi x ( kg / h) là lượng C2H2 tinh khiết đã phản ứng để tạo ra VA (với độ chuyển hoá 95%) và EDA HC º CH + CH3COOH CH3COO - CH = CH2 (1) Theo PT 26 kg / h 86 kg / h (hiệu suất 100 %) Thực tế x kg / h 20 542 kg / h (hiệu suất 95%) Vì trong lượng C2H2 tinh khiết được đưa vào thì chỉ có 92% là chuyển hóa thành VA (với độ chuyển hóa là 95%) còn 8% là chuyển hóa thành EDA. Do đó x ở đây chính là 92% lượng C2H2 tinh khiết được đưa vào nên ta có Theo phương trình x . 86 = 26 . 20 542. Suy ra ( kg / h ). Và lượng C2H2 tinh khiết tham gia phản ứng tạo thành VA và EDA là: ( kg / h ). Suy ra 8% lượng C2H2 tinh khiết tham chuyển hoá thành EDA là : 8% ´ 6750,4 = 540 ( kg / h ). Nhưng do mức độ chuyển hoá của C2H2 chỉ đạt 95% nên lượng C2H2 tinh khiết cần đưa vào thiết bị phản ứng cho 1 lần phản ứng là : ( kg / h ) Lượng C2H2 còn lại không tham gia chuyển hoá tạo VA và EDA là : 7105,68 - 6750,4 = 355,28 ( kg / h ) Lượng này sẽ tham gia phản ứng tạo thành axetaldehyt ( CH3 CHO ). Giả sử trong 355,28 ( kg CH3 CHO / h ) chỉ có 5% lượng này tức là : 5%´ 355,28 ( kg / h) tham gia phản ứng tạo thành CH3 CHO theo phương trình : C2H2 + H2O CH3 CHO 26 kg C2H2 / h 44 kg CH3CHO / h 5%´ 355,28 kg C2H2 / h kg CH3CHO / h Do đó lượng CH3 CHO tạo thành là : ( kg / h ) Tính lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành VA và EDA Tính lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành VA Theo phương trình (1) ta có Cứ cho 60 kg CH3COOH / h tham gia phản ứng thì tạo thành 86 kg VA / h nên khi cho y kg CH3COOH / h tham gia ứng sẽ tạo thành 20542 kg VA / h. Suy ra lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành VA là: ( kg / h ) Tính lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành EDA HC º CH + 2CH3COOH CH3CH (OCOCH3)2 Theo PT: 26 kg / h 120 kg / h 146 kg / h Theo đề bài : 540 kg / h y1 kg / h y2 kg / h Suy ra lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành EDA là: ( kg / h ) Và lượng EDA tạo thành là ( kg / h ) Do đó lượng CH3COOH tinh khiết cần phản ứng với C2H2 để tạo thành VA và EDA là : ( kg / h ) + Nhưng do hiệu suất chuyển hoá của CH3COOH là 99% nên lượng CH3COOH tinh khiết thực tế cần dùng là : ( kg / h ) tương ứng với ( kmol / h ). Lượng CH3COOH còn lại không tham gia chuyển hoá tạo VA và EDA là : 16993,88 - 16823,94 = 169,94 ( kg / h ). Lượng này sẽ tham gia phản ứng tạo thành axeton ( (CH3)2 CO ). Giả sử trong 27,49 ( kg (CH3)2 CO / h ) chỉ có 15% lượng này tức là 15%´ 169,94(kg / h) tham gia phản ứng tạo thành (CH3)2 CO theo phương trình : 2CH3 COOH (CH3)2 CO + CO2 + H2O 120 kg CH3COOH / h 58 kg (CH3)2 CO / h 15%´ 169,94 kg CH3COOH / h kg (CH3)2 CO / h Do đó lượng (CH3)2 CO tạo thành là : ( kg / h ) Và lượng CH3COOH còn dư là : 169,94 - 25,491 = 144,45 ( kg / h ) Vậy tổng lượng CH3COOH tinh khiết thực tế cần đưa vào là: 16993,88 ( kg / h ). Lượng CH3COOH tinh khiết này chiếm 98% khối lượng của CH3COOH kỹ thuật đưa vào , do đó lượng CH3COOH kỹ thuật đưa vào là : ( kg / h ) Tính lượng C2H2 kỹ thuật cần cho toàn bộ quá trình trong 1 giờ Trong thực tế sản xuất thì để hiệu suất quá trình đạt được cao nhất thì tỷ lệ số mol C2H2 / CH3COOH phải là 4 : 1. Do đó lượng C2H2 theo tỷ lệ là : 4 ´ 283,23 = 1132,92( kmol / h ). Tương ứng với : 1132,92 ´ 26 = 29 455,92 ( kg / h ). Số vòng có thể phản ứng của toàn bộ lượng C2H2 là : vòng Theo đề bài , lượng C2H2 tổn thất trong toàn bộ quá trình là 2% tương ứng với : ( kg / h ). Do đó lượng C2H2 bị mất mát sau 1 lần tham gia phản ứng là : ( kg / h ). Do vậy tổng lượng C2H2 tinh khiết đưa vào thiết bị phản ứng trong 1 giờ là : 29 455,92 + 589,12 = 30 045,04 ( kg / h ). Theo đề bài , lượng C2H2 chiếm 94,77% khối lượng C2H2 kỹ thuật được đưa vào thiết bị phản ứng. Từ đó suy ra : Lượng C2H2 kỹ thuật được đưa vào thiết bị phản ứng là : ( kg / h ) Vậy tổng lượng C2H2 kỹ thuật cần cho toàn bộ quá trình trong1giờ là: 31 962,81( kg ). Lượng tạp chất do nguyên liệu đầu mang vào Do C2H2 mang vào Lượng N2 : = ( kg / h ) Lượng O2 : = ( kg / h ) Lượng Vinyl axetylen ( C4H4 ) : = ( kg / h ) Do CH3COOH mang vào: Trong lượng CH3COOH kỹ thuật mang vào có 2 % là tạp chất , suy ra lượng tạp chất do CH3COOH mang vào là : Tạp chất của CH3COOH m = ( kg / h ) Do đó tổng lượng tạp chất do nguyên liệu đầu ( C2H2 và CH3COOH kỹ thuật) mang vào là: Tạp chất m = + + + mTạp chất của CH3COOH = 882,17 + 156,62 + 632,86 + 346,81 = = 2 018,46 ( kg / h ) 2. Lượng vật chất đi ra khỏi thiết bị phản ứng Theo các số liệu tính toán có được từ phần trên , ta có : Lượng sản phẩm VA đi ra là : 20 542 ( kg / h ) Lượng sản phẩm phụ EDA tạo thành là : 3 032,31 ( kg / h ) Lượng CH3COOH tinh khiết còn dư và đi ra là bằng lượng CH3COOH tinh khiết thực tế đưa vào trừ đi lượng CH3COOH tinh khiết tham gia phản ứng tạo VA và EDA và (CH3)2CO , suy ra ta có : CH3COOH dư m =16 993,88-(14 331,63 + 2 492,31+25,491) = 144,45( kg / h ) Lượng C2H2 tinh khiết còn dư và đi ra là bằng lượng C2H2 tinh khiết thực tế đưa vào trừ đi lượng C2H2 tinh khiết tham gia phản ứng tạo VA và EDA và CH3CHO, suy ra ta có : C2H2 dư m = 30 045,04 – ( 7 105,68 + 5%´ 355,28 ) = 23 276,88 ( kg / h ) Lượng tạp chất đi ra bằng lượng tạp chất mang vào nên ta có : Lượng tạp chất của CH3COOH kỹ thuật là : 346,81 ( kg / h ) Lượng tạp chất của C2H2 kỹ thuật là : 1 671,65 (kg/h ). Bảng cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng Lượng vật chất vào Lượng vật chất ra Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) C2H2 tinh khiết 30 045,04 Sản phẩm VA 20 542 CH3COOH tinh khiết 16 993,81 Sản phẩm phụ EDA 3 032,31 N2 882,17 C2H2 tinh khiết còn dư 23 276,88 O2 156,62 CH3COOH tinh khiết còn dư 144,45 Vinyl axetylen (C4H4) 632,86 N2 882,17 Tạp chất của CH3COOH 346,81 O2 156,62 Vinyl axetylen (C4H4) 632,86 Tạp chất của CH3COOH 349,81 CH3CHO 30,06 (CH3)2CO 12,32 Tổng lượng vật chất vào 49 057,38 Tổng lượng vật chất ra 49 056,48 II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO HỆ THỐNG NGƯNG TỤ: 1. Lượng vật chất đi vào hệ thống ngưng tụ: Lượng vật chất đi vào hệ thống ngưng tụ chính là lượng vật chất đi ra khỏi thiết bị phản ứng. Do đó lượng vật chất đi vào hệ thống ngưng tụ là : Bảng cấu tử đi vào thiết bị ngưng tụ Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Sản phẩm VA 20 542 Sản phẩm phụ EDA 3 032,31 C2H2 tinh khiết còn dư 23 276,88 CH3COOH tinh khiết còn dư 144,45 N2 882,17 O2 156,62 Vinyl axetylen (C4H4) 632,86 Tạp chất của CH3COOH 346,81 CH3CHO 30,06 (CH3)2CO 12,06 2. Lượng vật chất đi ra hệ thống ngưng tụ Khi đi vào hệ thống ngưng tụ thì các cấu tử sau bị ngưng tụ, đó là : VA, EDA, CH3COOH tinh khiết và tạp chất của CH3COOH, CH3CHO và (CH3)2 CHO. Còn lại C2H2 , N2 , O2 và C4H4 thì không bị ngưng tụ. Do hiệu suất làm việc của hệ thống ngưng tụ chỉ đạt 98% nên ta có : Lượng VA được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( số (12) ) là : ( kg / h ) Suy ra lượng VA không bị ngưng tụ và được đưa tới thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) là : 20 542 –20 131,16 = 410,84 ( kg / h ) Lượng EDA được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( số (12) ) là : ( kg / h ) Suy ra lượng EDA không bị ngưng tụ và được đưa tới thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) là : 3 032,31 – 2 971,66 = 60,65 ( kg / h ) Lượng CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( số (12) ) là : ( kg / h ) Suy ra lượng CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) không bị ngưng tụ và được đưa tới thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) là : ( 144,45 + 346,81 ) –481,43 = 9,83( kg / h ) Lượng CH3CHO được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( số (12) ) là : ( kg / h ) Suy ra lượng CH3CHO không bị ngưng tụ và được đưa tới thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) là : 30 - 29,4 = 0,6 ( kg / h ) Lượng (CH3)2CO được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( số (12) ) là : ( kg / h ) Suy ra lượng (CH3)2CO không bị ngưng tụ và được đưa tới thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) là : 12,32 - 12,07 = 0,25 ( kg / h ) Vậy ta có bảng cân bằng vật chất cho hệ thống ngưng tụ như sau : Lượng vật chất vào Lượng vật chất ra Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 542 VA ngưng tụ và vào (12) 20 131,16 EDA 3 032,31 EDA ngưng tụ và vào (12) 2 971,66 CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) 491,26 CH3COOH tinh khiết và tạp chất ngưng tụ và vào (12) 481,43 CH3CHO 30,06 CH3CHO ngưng tụ và vào bể chứa (12) 29,4 (CH3)2CO 12,32 (CH3)2CO ngưng tụ và vào bể chứa (12) 12,07 C2H2 23 276,88 VA không ngưng và được đưa tới (11) 410,84 N2 882,17 EDA không ngưng và được đưa tới (11) 60,65 O2 156,62 CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) không ngưng và được đưa tới (11) 9,83 Vinyl axetylen (C4H4) 632,86 CH3CHO không ngưng và được đưa tới (11) 0,6 (CH3)2CO không ngưng và được đưa tới (11) 0,25 C2H2 23 276,88 N2 882,17 O2 156,62 Vinyl axetylen (C4H4) 632,86 Tổng vào 49 056,48 Tổng ra 49 056,34 Tại thiết bị phân riêng khí ( thiết bị số (11) ) thì các cấu tử : VA không ngưng, EDA không ngưng, CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) không ngưng, CH3CHO không ngưng, (CH3)2CO không ngưng, N2 , O2 , C4H4 sẽ được tách ra nhằm thu được C2H2 tinh khiết và cho lượng C2H2 này tuần hoàn trở lại thiết bị trộn C2H2 ( thiết bị số (1) ) nhờ máy nén khí ( thiết bị số (10) ). Do vậy lượng C2H2 được tuần hoàn trở lại thiết bị trộn C2H2 là 23 276,88 ( kg / h ) III. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO THIẾT BỊ CHƯNG 1.cân bằng vật chất cho thiết bị chưng số ( 15 ) Lượng vật chất vào Lượng vật chất đi vào tháp chưng ( 15 ) chính là lượng vật chất đã được ngưng tụ và đi vào bể chứa ( 12 ), do đó ta có lượng vật chất đi vào tháp chưng ( 15 ) là : Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 131,16 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 481,43 CH3CHO 29,4 (CH3)2CO 12,07 Lượng vật chất ra Tháp chưng ( 15 ) dùng để tách các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là CH3CHOvà (CH3)2CO. Do hiệu suất làm việc của tháp chưng ( 15 ) là 96% nên : Lượng CH3CHO được tách ra là : ( kg / h ) Suy ra lượng CH3CHO còn lẫn trong hỗn hợp và đi sang tháp chưng ( 16 )là : 29,4 - 28,22 = 1,18 ( kg / h ) Lượng (CH3)2CO được tách ra là : ( kg / h ) Suy ra lượng (CH3)2CO còn lẫn trong hỗn hợp và đi sang tháp chưng ( 16 )là : 12,07 - 11,09 = 0,48 ( kg / h ) Vậy ta có bảng cân bằng vật chất cho tháp chưng ( 15 ) như sau : Lượng vật chất vào Lượng vật chất ra Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 131,16 VA 20 131,16 EDA 2 971,66 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 481,43 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 481,43 CH3CHO 29,4 CH3CHO được tách ra 28,22 (CH3)2CO 12,07 (CH3)2CO được tách ra 11,59 CH3CHO còn lại và sang ( 16 ) 01,18 (CH3)2CO còn lại và sang ( 16 ) 0,48 Tổng vào 23 625,75 Tổng ra 23 625,72 2. cân bằng vật chất cho thiết bị chưng số ( 16 ) Lượng vật chất vào Lượng vật chất vào tháp chưng ( 16 ) chính là lượng vật chất đi ra từ đáy tháp chưng ( 15 ) , do đó lượng vật chất đi vào tháp chưng ( 16 ) là : Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 131,16 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 481,43 CH3CHO 1,18 (CH3)2CO 0,48 Lượng vật chất ra Tháp chưng ( 16 ) dùng để tách CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ).Ta sẽ thu được CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) ở đáy tháp, còn hỗn hợp khí sẽ đi ra từ đỉnh tháp. Nhưng do hiệu suất làm việc của tháp chưng ( 16 ) là 96% nên lượng CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) được tách ra là : ( kg / h ) Lượng CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) sẽ được đưa tuần hoàn trở lại thiết bị trộn CH3COOH ( thiết bị ( 2 ) ). Suy ra lượng CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) còn lẫn trong hỗn hợp và đi sang tháp chưng ( 17 ) là : 481,43 - 462,17 = 19,26 ( kg / h ) Vậy ta có bảng cân bằng vật chất cho tháp chưng ( 16 ) như sau : Lượng vật chất vào Lượng vật chất ra Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 131,16 VA 20 131,16 EDA 2 971,66 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 481,43 CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất) được tách ra 481,43 CH3CHO 1,18 CH3CHO 1,18 (CH3)2CO 0,48 (CH3)2CO 0,48 CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) đi sang tháp (17) 19,26 Tổng vào 23 585,91 Tổng ra 23 585,91 3. Cân bằng vật chất cho thiết bị chưng số ( 17 ) Lượng vật chất vào Lượng vật chất đi vào tháp chưng ( 17 ) chính là lượng vật chất đi ra từ đỉnh tháp chưng ( 16 ). Do đó lượng vật chất đi vào tháp chưng ( 17 ) là : Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 20 131,16 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 19,26 CH3CHO 1,18 (CH3)2CO 0,48 Do lượng VA bị mất mát khi đi trong đường ống và khi đi qua các thiết bị là 2%, do đó khi đi vào tháp chưng ( 17 ) thì lượng VA chỉ còn là 98%, tương ứng với : ( kg / h ) Lượng vật chất ra Tại tháp chưng ( 17 ) ta thu được các cấu tử có nhiệt độ sôi cao ở đáy tháp ( đó là CH3COOH ( tinh khiết và tạp chất ) và EDA ) và các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn ở đỉnh tháp ( sản phẩm chính VA và một ít CH3CHO và (CH3)2CO ). Do hiệu suất làm việc của tháp chưng ( 17 ) là 96% nên : Lượng VA thu được ở đỉnh tháp là : = 18 939,39( kg / h ) Suy ra lượng VA còn lẫn trong sản phẩm đáy là : 19 728,53 - 18 939,39 = 789,14( kg / h ) Lượng CH3CHO thu được ở đỉnh tháp là : ( kg / h ) Suy ra lượng CH3CHO còn lẫn trong sản phẩm đáy là : 1,18 - 1,13 = 0,05 ( kg / h ) Lượng (CH3)2CO thu được ở đỉnh tháp là : ( kg / h ) Suy ra lượng (CH3)2CO còn lẫn trong sản phẩm đáy là : 0,48 - 0,46 = 0,02 ( kg / h ) Vậy ta có bảng cân bằng vật chất cho tháp chưng ( 17 ) như sau : Lượng vật chất vào Lượng vật chất ra Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) Cấu tử Khối lượng ( kg / h ) VA 19 728,53 VA 19 728,53 EDA 2 971,66 EDA 2 971,66 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 19,26 CH3COOH tinh khiết và tạp chất 19,26 CH3CHO 1,18 VA còn lẫn trong sản phẩm đáy 789,14 (CH3)2CO 0,48 CH3CHO thu được ở đỉnh tháp 1,13 (CH3)2CO thu được ở đỉnh tháp 0,46 CH3CHO còn lẫn trong sản phẩm đáy 0,05 (CH3)2CO còn lẫn trong sản phẩm đáy 0,02 Tổng vào 22 721,11 Tổng ra 22 721,11 B . CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Tính cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng ( thiết bị chính số (5) ) với các thông số sau : Hỗn hợp nguyên liệu đầu sau khi đi qua thiết bị truyền nhiệt số (4) được gia nhiệt bởi nhiệt của hỗn hợp khí sản phẩm lên đến 180 O C. Do đó nhiệt độ của hỗn hợp nguyên liệu đầu đi vào thiết bị phản ứng chính ( số (5) ) là : 180 O C Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng chính ( số (5) ) là : 280 O C Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào gồm có các cấu tử : C2H2 tinh khiết , N2 , O2 , vinyl axetylen ( C4H4 ) , CH3COOH tinh khiết và tạp chất của CH3COOH. Hỗn hợp sản phẩm đầu ra gồm có các cấu tử : Sản phẩm chính VA, sản phẩm phụ EDA, C2H2 tinh khiết còn dư, CH3COOH tinh khiết còn dư và tạp chất của CH3COOH , N2 , O2 , vinyl axetylen ( C4H4 ) . Do các phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng đều toả ra một lượng nhiệt tương đối lớn nên ta cần phải khống chế được nhiệt độ trong đó để phản ứng tạo thành sản phẩm chính đạt được hiệu suất cao nhất. Vì vậy ta chọn tác nhân khống chế nhiệt độ là dầu tải nhiệt, với các thông số sau : Nhiệt độ đầu vào của dầu là : 70 O C Nhiệt độ đầu ra của dầu là : 140 O C Nhiệt dung riêng của dầu là : [ I – 192 ] +) Tại đầu vào ở 70 O C là : CP = 0,49 kcal / kg. độ +) Tại đầu ra ở 140 O C là : CP = 0,563 kcal / kg. độ Khối lượng riêng của dầu là : r = 900 kg / m3 . 1. Tính nhiệt dung riêng của các cấu tử ( ở trạng thái khí ) Tính nhiệt dung riêng của các cấu tử đi vào thiết bị phản ứng ở 180 O C Sử dụng toán đồ của [ I – 197 ] ta có : Nhiệt dung riêng của C2H2 ở 180 O C là : = 0,4808 kcal / kg.độ Nhiệt dung riêng của N2 ở 180 O C là : = 0, 251 kcal / kg.độ Nhiệt dung riêng của O2 ở 180 O C là : = 0, 2289 kcal / kg.độ Đối với CH3COOH và tạp chất của nó thì do lượng tạp chất chiếm một lượng không đáng kể và có tính chất hoá lý gần giống với CH3COOH , do đó khi tính toán ta coi như tính toán chung cho CH3COOH. Vì vậy , sử dụng công thức thực nghiệm CP = ao + a1T + a2T 2 [ V – 9] Với : ao , a1 , a2 là các hệ số của phương trình được tra trong bảng T : nhiệt độ O K Tra bảng [ V – 20] ta có : Chất Hệ số của phương trình Khoảng to( O K ) CH3COOH ao a1.10 3 a2.10 6 300 ¸ 700 5,2 46,16 -18,35 Thay các hệ số vào phương trình ta có nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 180 O C (tương ứng với T = 453 O K ) là : = 5,2 + . 453 + . 453 2 = 0,3724 kcal / kg.độ Đối với Vinyl axetylen ( C4H4) , do đây là một hợp chất hoá học nên việc tra trực tiếp giá trị nhiệt dung riêng là khó khăn. Bởi vậy ta có thể tính theo công thức thực nghiệm sau đây Mc = n1c1 + n2c2 + n3c3 + … [ I – 152 ] Trong đó: M là khối lượng mol của hợp chất , kg / kmol c là nhiệt dung riêng của hợp chất , J / kg.độ n1 , n2 , n3 …là số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất c1 , c2 , c3 …là nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng trong hợp chất , J / kg nguyên tử . độ Bảng nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố [ I – 152 ] Nguyên tố C H O Nhiệt dung nguyên tử ( J / kg nguyên tử . độ ) 11700 18000 25100 Từ đó ta có : . = nC . cC + nH . cH Với : = 52 kg / kmol ; nC = 4 ; cC = 11700 ; nH = 4 ; cH = 18000. Suy ra: = = 2284,62 (J / kg.độ) == 0, 545 (kcal/ kg.độ) Vậy = 0, 545 ( kcal / kg. độ ) Tính nhiệt dung riêng của các cấu tử đi ra thiết bị phản ứng ở 220 O C Nhiệt dung riêng của Vinyl Axetat ( VA ) ở trạng thái khí tại áp suất khí quyển ( p = 1 atm ) và to = 220 O C là = 0,406 kcal / kg. độ [ III – 535 ] Etyliden diaxetat ( EDA) là một hợp chất hoá học , do đó nhiệt dung riêng của EDA ( C6H10O4 ) được tính tương tự như của Vinylaxetylen ( C4H4 ) . Sử dụng công thức thực nghiệm ở phần trên và bảng số liệu ta có : . = nC . cC + nH . cH + nO . cO Với : = 146 kg / kmol ; nC = 6 ; cC = 11700 ; nH = 10 ; cH = 18000 ; nO = 4; cO = 25100 . Suy ra = = 2401,37 ( J / kg.độ) = = 0, 573 ( kcal / kg. độ ) Vậy = 0, 573 ( kcal / kg. độ ) Sử dụng toán đồ và tra bảng ở [ I – 197 ] ta có : Nhiệt dung riêng của C2H2 ở 220 O C là : = 0,4961 kcal / kg.độ Nhiệt dung riêng của N2 ở 220 O C là : = 0, 2523 kcal / kg.độ ( Nhiệt dung riêng của khí N2 không thay đổi trong khoảng nhiệt độ 0 ¸1400 O C ) Nhiệt dung riêng của O2 ở 220 O C là : = 0, 2381 kcal / kg.độ ( Nhiệt dung riêng của khí O2 không thay đổi trong khoảng nhiệt độ 0 ¸500 O C ) Đối với CH3COOH và tạp chất của nó , tương tự như phần trên , ta dùng công thức thực nghiệm và bảng số liệu : CP = ao + a1T + a2T 2 [ V – 9 ] Với : ao , a1 , a2 là các hệ số của phương trình được tra trong bảng T : nhiệt độ O K Tra bảng [ V – 20 ] ta có : Chất Hệ số của phương trình Khoảng to ( O K ) CH3COOH ao a1.10 3 a2.10 6 300 ¸ 700 5,2 46,16 -18,35 Thay các hệ số vào phương trình ta có nhiệt dung riêng của CH3COOH ở 220 O C (tương ứng với T = 493 O K ) là : = 5,2 + . 493 + . 49 2 = 0,392cal / kg.độ Với C4H4 , như đã tính ở phần trên ta có = 0, 545 ( kcal / kg. độ ). Với CH3CHO, đây cũng là một hợp chất hoá học , do đó nhiệt dung riêng của CH3CHO cũng được tính tương tự như của Vinylaxetylen ( C4H4 ). Sử dụng công thức thực nghiệm ở phần trên và bảng số liệu ta có : . = nC . cC + nH . cH + nO . cO Với : = 44 kg / kmol ; nC = 2 ; cC = 11700 ; nH = 4 ; cH =18000 ; nO = 1; cO = 25100 . Suy ra = = 2738,64 ( J / kg.độ) = = 0, 654 ( kcal / kg. độ ) Vậy = 0, 654 ( kcal / kg. độ ) Với ( CH3 )2CO, theo [ I – 195 ] ta có = 1725 ( J / kg.độ) = ( kcal / kg. độ ) Vậy = 0,412 ( kcal / kg. độ ) và giá trị này không thay đổi trong khoảng nhiệt độ 130 ¸230 OC. Bảng nhiệt dung riêng của các cấu tử ở các nhiệt độ khác nhau Đầu vào tại nhiệt độ 180 O C Đầu ra tại nhiệt độ 220O C Cấu tử Nhiệt dung riêng CP ( kcal / kg .độ) Cấu tử Nhiệt dung riêng CP (kcal/ kg.độ) VA 0,406 EDA 0, 573 C2H2 tinh khiết 0,4808 C2H2 tinh khiết 0,496 CH3COOH kỹ thuật ( bao gồm cả lượng tinh khiết và tạp chất ) 0,3724 CH3COOH kỹ thuật ( bao gồm cả lượng tinh khiết và tạp chất) 0,392 N2 0,27 N2 0,27 O2 0,24 O2 0,24 Vinyl axetylen (C4H4) 0,545 Vinyl axetylen (C4H4) 0,545 CH3CHO 0,654 (CH3)2CO 0,412 2. Tính nhiệt lượng ở đầu vào của thiết bị phản ứng Nhiệt lượng ở đầu vào của thiết bị phản ứng là tổng nhiệt lượng của hỗn hợp khí nguyên liệu đầu mang vào, nhiệt lượng do các phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng tạo ra và nhiệt lượng do dầu tải nhiệt mang vào : Qvào = Qhỗn hợp khí + QCác phản ứng + Qdầu tải nhiệt Nhiệt lượng do hỗn hộp khí mang vào là : Qhỗn hợp khí = + + + + ( kcal / h ) Nhiệt lượng từng cấu tử được tính theo công thức : Qi = Gi.CPi.ti ( kcal / h ) ( * ) Trong đó : Gi : Khối lượng cấu tử i , kg/h. CPi : Nhiệt dung riêng của cấu tử i , kcal / kg.độ. ti : Nhiệt độ của cấu tử i , O C áp dụng công thức trên cho từng cấu tử ta có = 30 045,04 ´ 180 = 2 600 217,94 kcal / h. = 882,17 ´ 0,27 ´ 180 = 42 873,46kcal / h. = 156,62 ´ 0,24 ´ 180 = 6 765,98 kcal / h. = 632,86´ 0,545 ´ 180 = 62 083,57 kcal / h. Đối với CH3COOH , như đã giả thiết ở trên là việc tính toán cho CH3COOH được coi như là tính toán chung cho CH3COOH nên ta đặt : = + = 16 993,88+ 346,81 = 17340,69( kg / h ) Suy ra = 17340,69 ´ 0,3724 ´ 180 = 17340,69 ( kcal / h ) Do đó Qhỗn hợp khí = 2 600 217,94 +42 873,46 +6 765,98+62 083,57 +1162381,132 = 3 874 322,089 (Kcal/h) vậy Qhỗn hợp khí = 3 874 322,082 ( kcal / h ) Nhiệt lượng do các phản ứng tạo ra trong thiết bị phản ứng Nhiệt lượng do phản ứng chính tạo ra CH3COOH + HC º CH CH3COO - CH = CH2 + 28,3 Kcal / mol Đây là phản ứng toả nhiệt với DH = - 28,3 Kcal / mol Theo phản ứng thì khi tạo thành 1 mol VA ( hay 86 g VA ) thì lượng nhiệt toả ra là 28,3 kcal. Do đó khi tạo thành 20 542 ( kg VA / h ) tương ứng với 20 542 ´ 1000 = 20 542 000 ( g VA/ h ) thì lượng nhiệt toả ra là : ( kcal / h ) Vậy lượng nhiệt do phản ứng chính toả ra là : Qphản ứng chính = 6 688 093,023 ( kcal / h ) Nhiệt lượng do phản ứng phụ tạo ra Các phản ứng phụ tạo thành một lượng quá nhỏ CH3CHO và (CH3)2CO, do đó nhiệt lượng do các phản ứng phụ này tạo ra cũng sẽ rất bé và có thể bỏ qua. Do vậy nhiệt lượng duy nhất do phản ứng phụ tạo ra ở đây có thể coi là phản ứng phụ tạo thành Etyliden diaxetat ( EDA ) theo phản ứng sau : [ III – 552 ] CH3COO - CH = CH2 + CH3COOH CH3 - CH(OCOCH3)2 + DH. Đây là phản ứng thu nhiệt với DH = - 6,2 Kcal / mol Theo phản ứng thì khi tạo thành 1 mol EDA ( hay 146 g EDA ) thì thu vào một lượng nhiệt là 6,2 kcal. Do đó khi tạo thành 490,56 ( kg EDA / h ) tương ứng với : 3032,31 ´ 1000 = 3 032310 ( g EDA/ h ) thì thu vào một lượng nhiệt là : ( kcal / h ) Vậy lượng nhiệt do phản ứng phụ thu vào là : Qphản ứng phụ = 128 769,33 ( kcal / h ) Suy ra ta có nhiệt lượng do các phản ứng tạo ra trong thiết bị phản ứng là : QCác phản ứng = Qphản ứng chính + Qphản ứng phụ = 6 688 093,023 + 128 769,33 = 6 816 862,35 ( kcal / h ) Vậy nhiệt lượng do các phản ứng tạo ra trong thiết bị phản ứng là : QCác phản ứng = 6 816 862,35 ( kcal / h ) Nhiệt lượng do dầu tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng là dầu tải nhiệt dùng để khống chế nhiệt độ trong thiết bị phản ứng trước khi vào thiết bị phản ứng được nâng lên nhiệt độ là 70 OC nên lượng nhiệt do dầu mang vào là : QDầu mang vào = mDầu . CP Dầu vào. t Dầu vào ( kcal / h ). = mDầu . 0,49 . 70 ( kcal / h ). = 34,3 . mDầu ( kcal / h ). Vậy tổng nhiệt lượng ở đầu vào của thiết bị phản ứng là : Qvào = Qhỗn hợp khí + QCác phản ứng + QDầu mang vào ( kcal / h ) = 3 874 322,082 +6 816 862,35 + QDầu mang vào ( kcal / h ) = 10 691 184,43 + QDầu mang vào ( kcal / h ) 3. Tính nhiệt lượng ở đầu ra của thiết bị phản ứng Nhiệt lượng ở đầu ra của thiết bị phản ứng là tổng nhiệt lượng của hỗn hợp khí sản phẩm mang ra, nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh và nhiệt lượng do dầu không chế nhiệt độ mang ra Qra = Qhỗn hợp khí sản phẩm + Qmất mát + QDầu ra Nhiệt lượng do hỗn hộp khí sảnphẩm mang ra là Qhỗn hợp khí sản phẩm = + + + + + + + + + ( kcal / h ) Tương tự như trên ta áp dụng công thức ( * ) để tính nhiệt lượng của từng cấu tử = 20 542 ´ 0,406 ´ 220 = 1 834 811,44 kcal / h. = 3032,31 ´ 0,573 ´ 220 = 382 252,99 kcal / h. = 23 276,88 ´ 0,496 ´ 220 = 2 539 973,146 kcal / h. = 882,17 ´ 0,27 ´ 220 = 52 400,89 kcal / h. = 156,62 ´ 0,24 ´ 220 = 8 269,536 kcal / h. = 632,86 ´ 0,545 ´ 220 = 75 879,91 kcal / h. = 30,06 ´ 0,654 ´ 220 = 4 325,03 kcal / h. = 12,32 ´ 0,412 ´ 220 = 1 116,68 kcal / h. Đối với CH3COOH, tính toán chung cho CH3COOH nên ta đặt : = + = 144,45 + 346,81 = 491,26 ( kg / h ) Suy ra = 491,26 ´ 0,387 ´ 220 = 42366,26 ( kcal / h ) Do đó ta có : Qhỗn hợp khí sản phẩm = 1834 811,44 + 382 252,99 + 2 539 973,146 + 52 400,89 + +8 269,54+75879,814+ 4 325,03 + 1116,68 + 42 366,26 = 4 941 395,89 Vậy Qhỗn hợp khí sản phẩm = 4 941 395,89 ( kcal / h ) Nhiệt