Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Dicloetan

ra ở đỉnh được chuyển sang thiết bị tách khí lỏng trong môi trường khí trơ để tránh phản ứng nổ. Phần khí ra ở đỉnh được bổ sung thêm clo điều chỉnh tỷ lệ và đưa vào thiết bị phản ứng thứ cấp tại đây xúc tác clorua sắt III (FeCl3) được bổ sung sản phẩm ở thiết bị này được dùng làm môi trường phản ứng clo hóa và điều chế dung dịch xúc tác FeCl3 khối sản phẩm tạo thành dẫn xuống thiết bị phản ứng chính. Sản phẩm lỏng ra khỏi thiết bị tách khí lỏng được đun nóng ổn định nhờ tháp chưng cất, phần khí dư ở trên đỉnh được đưa đi xử lý còn EDC thô ở dưới được đưa đi làm sạch đến 99,8% khối lượng. Trong bộ phận tinh chế sản phẩm để đạt được kết quả này ta phải cho thêm một lượng nước vào để thúc đẩy quá trình tách FeCl3. Pha lỏng thu được ở phía trên tháp lắng chứa nước có lẫn một lượng nhỏ EDC hòa tan được đưa sang tháp tách EDC ra khỏi nước và tuần hoàn lại tháp lắng. Lớp lỏng phía dưới tháp lắng giàu EDC được đưa sang thiết bị trung hòa bằng amoniac sau đó sấy bằng chưng cất đẳng phí. Phía trên tháp chưng cất đẳng phí, EDC sau khi qua thùng lắng nặng hơn nước sẽ được hồi lưu lại tháp, phần nước có lẫn một lượng nhỏ EDC được tuần hoàn lại tháp tách nước. EDC khan thu được ở đáy tháp chưng cất đẳng phí được đưa sang tháp tách sản phẩm nặng, để tách EDC khỏi các sản phẩm phụ như tricloetan, percloetan, percloetylen. Các sản phẩm nặng có thể được tách và và sử dụng làm dung môi. II.3. Công nghệ clo hóa trực tiếp etylen ở nhiệt độ cao [ 7] Sơ đồ công nghệ: Hình6: Công nghệ clo hóa trực tiếp etylen ở nhiệt độ cao 1.Thiết bị phản ứng 3. Tháp ổn định 2.Tháp hồi lưu 4. Lò nung Hoạt động của sơ đồ: Nguyên liệu là clo và etylen được đưa vào thiết bị cùng dòng tuần hoàn, tại thiết bị phản ứng này xảy ra phản ứng clo hóa trực tiếp etylen ở nhiệt độ t= 85-90°C gần với nhiệt độ sôi của EDC (nhiệt độ sôi t= 83,7°C) thì sản phẩm lấy ra ở thể khí điều này có lợi là tránh được sự kéo theo của xúc tác cho phép lấy được nhiệt tạo ra bởi phản ứng bay hơi từng phần và làm đơn giản bằng công đoạn chưng cất. Tuy nhiên có sự mất mát tương đối nhỏ là do một phần của nó khoảng 5% khối lượng được làm sạch cùng với hệ thống xúc tác. Vì vậy mà các thiết bị phản ứng điều có cột hồi lưu, pha lỏng được tách đồng thời tuần hoàn sản phẩm nặng đưa đến thiết bị làm sạch thu hồi EDC tinh khiết. Sản phẩm khí của quá trình chưng tách này đưa đi đun nóng và EDC thô được đưa đi ổn định nhờ thiết bị chưng cất còn phần khí thu hồi trên đỉnh đưa tới phần cất ngọn. III. So sánh và lựa chọn phương pháp sản xuất Khi nghiên cứu và xây dựng dây chuyền sản xuất EDC đạt hiệu quả cao và chất lượng tốt cần lựa chọn được phương pháp sản xuất phù hợp vì quá trình sản xuất EDC có nhiều phương pháp khác nhau.Vậy việc lựa chọn dây chuyền sản xuất phù hợp rất quan trọng. Trong thực tế có 4 phương pháp sản xuất EDC Phương pháp oxi clo hóa etylen dùng xúc tác CuCl2 trên chất mang Al2O3 ở nhiệt độ t = 220-225°C với nguồn nguyên liệu oxy nguyên chất hoặc không khí và tận dụng được nguồn HCl trong nhiều quá trình, thường dùng thiết bị tầng sôi hoặc tầng cố định phương pháp này hiệu suất quá trình thấp và tạo ra nhiều sản phẩm phụ như monocloetan, 1,1-dicloetan nên khó thu được EDC tinh khiết vì vậy mà phương pháp này vẫn bị hạn chế. Phương pháp oxi clo hóa ở nhiệt độ cao 80-90°C yêu cầu thiết bị phức tạp do một phần của sản phẩm ở thiết bị phản ứng chính (khoảng 5%) được đưa đi làm sạch vì vậy thiết bị phản ứng yêu cầu phải có cột hồi lưu để tránh sự mất mát. Song hiệu suất của phản ứng cũng không cao nên phương pháp này cũng ít được sử dụng. Phương pháp clo hóa etylen ở nhiệt độ thấp (50-60°C) sản phẩm thu được ở dạng lỏng và quá trình tiến hành trong môi trường lỏng nên rất an toàn vì vậy hệ thống thiết bị cũng đơn giản hơn. Để khống chế sự tạo thành sản phẩm phụ ta có thể khống chế nhiệt và điều chỉnh dòng vào của nguyên liệu clo và etylen, tỷ số clo/etylen càng lớn thì sản phẩm phụ tạo ra càng nhiều nên quá trình này thường dùng thiếu clo để điều chỉnh lượng sản phẩm phụ tạo ra ít. Qúa trình clo hoá trực tiếp sự rút nhiệt phản ứng tương đối tốt, tránh được sự nung nóng cục bộ, phản ứng xảy ra nhanh và khống chế nhiệt độ dễ dàng vì vậy quá trình này đạt hiệu quả cao, thu được sản phẩm có độ tinh khiết lớn và độ chuyển hóa của tác nhân phản ứng có thể đạt tới 100% và lúc này sự lựa chọn thể tích khí theo mol lớn hơn 99% và xúc tác của quá trình thường dùng là muối sắt III một loại xúc tác có giá thành không cao và rất dễ tìm nên hiệu suất của sản phẩm cao. Vậy phương pháp clo hóa etylen ở nhiệt độ thấp là phương pháp tối ưu nhất.Vì vậy em chọn phương pháp này để tìm hiểu và tính toán. Phần II: Tính Toán Chương I: tính cân bằng vật chất của quá trình clo hóa trực tiếp etylen Khi sục dòng nguyên liệu etylen và clo vào thiết bị phản ứng chính có chứa xúc tác FeCl3 trong môi trường EDC sinh ra sản phẩm chính là EDC và một số sản phẩm phụ như tricloetan(TCE), diclopropylen (DCP)... theo các phương trình phản ứng sau: CH2=CH2 + Cl2 đ Cl - CH2- CH2- Cl (1) CH2=CH2 + Cl2 đ Cl -CH2-CH -Cl + HCl (2) Cl CH2=CH-CH3+ Cl2 đ Cl-CH2- CH-CH3 (3) Cl I. Xác định thời gian và năng suất làm việc. Dây chuyền em lựa chọn, thiết kế xây dựng là dây chuyền sản xuất EDC bằng phương pháp clo hóa trực tiếp Etylen ở nhiệt độ thấp với năng suất 50.000 tấn/năm. Ta thấy năng suất làm việc rất lớn nên thiết bị phải làm việc liên tục. Song thiết bị cũng phải nghĩ để sữa chữa khi hỏng hóc bất thường hoặc thay thế sửa chữa theo định kỳ. Trong 1 năm có 365 ngày gồm 4 quí: chọn mỗi quí có 3 ngày sửa chữa theo định kỳ và 2 ngày để sửa chữa hỏng hóc bất thường Số ngày không làm việc trong năm là: 4 .(3+2) = 20 (ngày) Mà yêu cầu thiết bị làm việc liên tục (vì năng suất lớn) Nên số giờ làm việc trong năm của thiết bị là: 345.24 = 8280 (giờ) Năng suất làm việc của thiết bị là 50.000 tấn/năm Nên năng suất tính theo giờ là: = 6,03864(tấn/h)=6038,64(kg/h) Mà theo bài ra lượng tổn thất của cả quá trình là 3%: Ta thấy công đoạn làm sạch là công đoạn tiêu hao nhiều nhất nên Chọn lượng tổn hao ở công đoạn này là 2% Lượng tổn hao ở thiết bị ổn định là 0,5% Lượng tổn hao ở thiết bị tách khí/lỏng là 0,5% Vậylượng EDC trước khi vào hệ thống làm sạch = lượng EDC phản ứng sinh sản phẩm + 2 % EDC tổn hao = 6038,647 . 1,02 = 6159,42 (kg/h) Lượng EDC trước khi vào thiết bị ổn định là: 6159,42 . 1,005 = 6190,217 (kg/h) Lượng EDC trước khi vào thiết bị tách khí/lỏng là: 6190,217. 1,005 = 6221,168 (kg/h) Mà lượng EDC trước khi vào thiết bị tách khí/lỏng = EDC tạo ra ở thiết bị phản ứng chính Vậy lượng EDC tạo ra ở thiết bị phản ứng chính là: 6221,168 (kg/h) Theo bài ra ta có lượng tricloetan tạo thành trong quá trình này chiếm 4,6% nên lượng EDC sinh ra là: 6221,168.1,046 = 6507,34(kg/h) Nên lượng tricloetan tạo thành là: II. Tính cân bằng vật chất 1. Tính lượng vật chất vào và ra thiết bị clo hóa. a. Tính lượng etylen vào thiết bị phản ứng chính + Theo phản ứng (1) ta có: Cl2 + CH2= CH2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) MClo= 71 Metylen=28 Cứ 28 kg C2H4 thì tạo thành 99 kg EDC X1 kg C2H4 thì tạo thành 6221,168 kg EDC Lượng etylen tham gia phản ứng tạo thành EDC là: +Theo phản ứng (2 ) ta có: CH2 = CH2 + 2Cl2 đ Cl-CH2-CH-Cl + HCl (2) Cl Cứ 28kg C2H4 thì tạo thành 133,5 kg TCE Nên X2kg C2H4 thì tạo thành 299,337 kg TCE Lượng etylen tham gia phản ứng tạo TCE là: Tổng lượng Etylen cần để sinh ra EDC và TCE là: X= X1+ X2 = 1759,52 + 62,782 = 1822,3 (kg/h) Chọn hiệu suất quá trình là h= 95% Ta có lượng sản phẩm sinh ra thì TCE chiếm 4,6% nên độ chọn lọc của quá trình là: s = 100- 4,6 = 95,4 % Vậy độ chuyển hóa của quá trình là: c = h/s= 95/95,4=0,9958 Mà theo bài ra lượng etylen lấy dư 10% nên lượng etylen tổng cộng là: 1822,3 . 1,1 = 2004,53 (kg/h) Nhưng độ chuyển hóa của quá trình là c=0,9958 nên Lượng etylen thực tế là: Nhưng theo bài ra ta có trong etylen kỷ thuật chỉ có 92% etylen, nên lượng etylen kỹ thuật cần đưa vào là: Lượng etan chiếm 5% nên lượng etan có trong etylen kỹ thuật là: 2188,02 . 0,05 =109,4 (kg/h) Lượng propylen chiếm 3% nên lượng propylen có trong etylen kỹ thuật là: 2188,02. 0,03 = 65,64 (kg/h) Mà ta có hiệu suất của quá trình là h= 95% nên lượng propylen tham gia phản ứng là: 65,64 .0,95 = 62,358 (kg/h) Nên lượng propylen dư là: 65,64 - 62,358 = 3,282 (kg/h) b. Tính lượng clo vào thiết bị clo hóa +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl Cứ 28 kg etylen cần 71 kg clo phản ứng Nên cứ X1=1759,52 kg C2H4 cần Y1 kg Clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo EDC là: Y1= +Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl Cl Cứ 28 kg C2H4 cần 142 kg clo phản ứng Nên cứ X2=62,782 kg C2H4 cần Y2 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo TCE là: Y2= + Theo phản ứng (3) ta có : CH2=CH- CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 cần 71 kg clo Nên 62,385 kg C3H6 cần Y3 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo DCP là: Y3= Vậy tổng lượng clo đưa vào quá trình là: Y=Y1+Y2+Y3=4461,64 + 318,39 + 105,41 = 4885,44 (kg/h) Mà ta có trong clo kỹ thuật lượng clo chỉ chiếm 85% nên lượng clo cần đưa vào là: Lượng nitơ có trong clo kỹ thuật là: 0,104 . 5747,57 = 597,75 (kg/h) Lượng oxi có trong clo kỹ thuật là: 0,03 . 5747,57 = 173,03 (kg/h) Lượng cacbonnic có trong clo kỹ thuật là: 0,016 . 5747,57 =91,96 (kg/h) c. Lượng chất ra khỏi thiết bị Ta có: Lượng etylen đưa vào là: 2012,98 kg/h Lượng etylen tham gia phản ứng (1) và (2) là: 1822,302 (kg/h) Nên lượng etylen dư: 2012,98 - 1822,302 = 190,68(kg/h) Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 + 2Cl2 đ Cl-CH2-CH-Cl + HCl Cl Cứ 28kg C2H4 tạo thành 36,5 kg HCl Nên 62,783 kg C2H4 tạo thành A kg HCl Vậy lượng HCl tạo thành là: A = Theo phản ứng (3) ta có CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2- CH-CH3 Cl Cứ 42 kg C3H6 phản ứng tạo thành 113 kg DCP 62,358 kg C3H6 phản ứng tạo thành B kg DCP Nên lượng diclopropylen tạo thành là: B = Lượng C3H6 đưa vào là 65,64 (kg/h) Còn lượng C3H6 phản ứng là 62,358 (kg/h) Nên lượng C3H6 dư là: 65,64 -62,358 = 3,282 (kg/h) Từ các số liệu này ta lập dược bảng sau: Bảng2 : Cân bằng vật chất của thiết bị phản ứng chính (kg/h) Thành phần Lượng vào(kg/h) Lượng ra (kg/h) C2H4 2012,98 190,68 C2H6 65,64 3,282 C3H6 109,4 109,4 Cl2 4885,44 - N2 597,75 597,75 O2 172,43 172,43 CO2 91,96 91,96 EDC - 6221,168 TCE - 299,337 DCP - 167,77 HCl - 81,84 Tổng 7935,6 7935,6 2.Tính lượng chất vào và ra thiết bị tách khí/lỏng. Vì ở thiết bị phản ứng chính không có tổn hao nên lượng ra ở thiết bị phản ứng chính là lượng vào thiết bị tách khí/lỏng. Để tính lượng ra của thiết bị tách khí/lỏng ta biết: Các khí CO2,N2,O2 vào thiết bị bao nhiêu thì ra một lượng bấy nhiêu. Nhưng lượng EDC vào thiết bị tách khí lỏng thì không thể tách hoàn toàn được mà còn một phần EDC chưa ngưng tụ kịp sẽ tách ra ở thể khí tuần hoàn xuống thiết bị phản ứng chính làm môi trường cho quá trình. Giả sử lượng EDC hao hụt do chưa ngưng tụ là 0,5% Ta có lượng EDC tổn hao là: 0,005 . 6221,168 = 31,105 (kg/h) Vậy lượng EDC ra khỏi thiết bị tách khí/lỏng là: 6221,168 - 31,105 = 6190,063 (kg/h) + Mà theo bài ra: Trong EDC hòa tan 50% khí HCl tạo thành trong phản ứng nên lượng EDC tạo thành ở thiết bị phản ứng chính có 50% bị kéo theo cùng với dòng EDC còn 50% lượng EDC còn lại tách ở thể khí. Ta có tổng lượng HCl sinh ra ở thiết bị phản ứng chính là: 81,84 (kg/h) Vậy lượng HCl tách khỏi thiết bị tách khí/lỏng là: 81,84 : 2 = 40.92 (kg/h) Qua quá trình tính toán trên ta lập được bảng cân bằng vật chất của thiết bị tách khí/lỏng như sau: Bảng3: Cân bằng vật chất của thiết bị tách khí/lỏng Thành phần Lượngvào Lượng ra Tổn hao C2H4 190,68 190,68 - C2H6 109,4 109,4 - C3H6 3,282 3,282 - Cl2 - - - N2 597,75 597,75 - O2 172,43 172,43 - CO2 91,96 91,96 - EDC 6221,168 6190,073 31,105 TCE 299,337 299,337 - DCP 167,77 167,77 - HCl 81,84 40,92 40,92 Tổng 7935,61 7863,6 72,205 3. Tính lượng chất vào và ra ở thiết bị phản ứng thứ cấp a.Lượng vào thiết bị thứ cấp * Lượng etylen vào thiết bị thứ cấp: Lượng vào ở thiết bị thứ cấp là phần khí tách ra ở thiết bị tách khí/lỏng gồm: C2H4, C3H6, C2H6, HCl, CO2, N2, O2 + lượng clo bổ sung vào và một lượng nhỏ xúc tác Để tránh quá trình sinh sản phẩm phụ do xảy ra phản ứng oxi hóa sâu người ta dùng dư etylen ở thiết bị phản ứng chính và bổ sung clo vào thiết bị phản ứng thứ cấp để phản ứng hết etylen làm tăng hiệu suất quá trình. Để phản ứng clo hóa triệt để người ta điều chỉnh tỷ lệ clo/etylen phù hợp tỷ lệ ở thiết bị này thường lấy tỷ lệ clo/etylen=1/1,01.Với tỷ lệ này clo phản ứng với etylen theo phản ứng sau. Cl2 + C2H4 đ Cl-CH2-CH2-Cl Vì tỷ lệ clo/etylen=1/1,01 nên lượng etylen tham gia phản ứng là: ) Do độ chuyển hóa đạt 99,58% nên lượng etylen thực tế là: 188,79 . 0,9958= 187.98 (kg/h) Nên lượng etylen dư là: 190,68 - 187,98= 2,7 (kg/h) Theo tính toán ở thiết bị phản ứng chính ta có: Tổng lượng C2H4 tham gia phản ứng tạo EDC, TCE, là: X= X1+X2=1822,3(kg/h) Trong đó lượng C2H4 tham gia phản ứng (1) là: 1759,52 (kg/h) Chiếm mà tổng lượng C2H4 dư vào thiết bị thứ cấp là 187,98 (kg/h) nên lượng etylen tham gia phản ứng thứ cấp là: 187,98 .0,9655 = 181,49 (kg/h) Nên lượng etylen tham gia phản ứng tạo TCE là: 187,98 - 181,49 = 6,49 (kg/h) Ta có lượng DCP vào thiết bị thứ cấp là: 3,282 (kg/h) Vì độ chuyển hóa đạt 99,58% nên lượng propylen tham gia phản ứng là: 0,9958 . 3,282 = 3,268 (kg/h) Lượng propylen dư là: 3,282 - 3,268 = 0,014 *Lượng clo vào thiết bị thứ cấp: +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) Cứ 28 kg etylen cần 71 kg clo phản ứng Nên cứ 181,49 kg C2H4 cần X1 kg Clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo EDC là: X1 +Theo phản ứng (2) ta có CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl (2) Cl Cứ 28 kg C2H4 cần 142 kg clo phản ứng Nên cứ 6,49 kg C2H4 cần X2 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo TCE là: X2 + Theo phản ứng (3) ta có: CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 cần 71 kg clo Nên 3,268 kg C3H6 cần X3 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo DCP là: X3 Vậy tổng lượng clo tham gia phản ứng là: X=X1+X2+X3= 460,206 + 32,91 + 5,524 = 498,64 (kg/h) b. Lượng ra ở thiết bị thứ cấp: +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) Cứ 28 kg etylen phản ứng tạo ra 99 kg EDC Nên cứ 181,49 kg C2H4 phản ứng tạo ra A kg EDC Lượng EDC sinh ra là: A Tổng lượng EDC = lượng EDC chưa ngưng tụ + EDC mới sinh ra = 31,105 + 641,696 = 672,8 (kg/h) Theo đầu bài giả sử sự mất mát ở thiết bị này là 0,5% Nên lượng EDC tổn hao ở thiết bị này là: 672,8 . 0,005 = 3,364 (kg/h) Vậy lượng EDC ra khỏi thiết bị thứ cấp là: 672,8- 3,364 = 669,43 (kg/h) +Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2- CH- Cl + HCl (2) Cl Cứ 28 kg C2H4 tạo thành 133,5 kg TCE Vậy cứ 6,49kg C2H4 tạo thành B kg TCE Lượng TCE tạo thành là: Dựa vào phản ứng (2) ta cũng tính được lượng HCl sinh ra: Ta có: Cứ 28 kg C2H4 phản ứng thì tạo thành 36,5 kg HCl 6,49 kg C2H4 phản ứng thì tạo thành C kg HCl Lượng HCl sinh ra là: Mà ta có: Tổng HCl ra khỏi thiết bị = khối lượng HCl tạo thành + mHCl đưa vào: = 8,46 + 40,92 = 49,38 (kg/h) + Theo phản ứng (3) ta có : CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 tham gia phản ứng tạo thành 113 kg DCP Nên 3,268 kg C3H6 tham gia phản ứng tạo thành D kg DCP Nên lượng DCP tạo ra là: . Từ các số liệu tính toán ta có bảng sau : Bảng 4: Cân bằng vật chất ở thiết bị thứ cấp (kg/h) Thành phần Lượngvào (kg/h) Lượng ra (kg/h) Tổn hao C2H4 190,68 190,68 - C2H6 109,4 109,4 - C3H6 3,282 0,014 - Cl2 498,64 - - N2 597,75 597,75 - O2 172,43 172,43 - CO2 91,96 91,96 - EDC 31,105 669,43 3,364 TCE - 30,94 - DCP - 8,7924 - HCl 40,92 49,38 - Tổng 1736,167 1732,806 3,364 4. Tính lượng chất vào và ra ở thiết bị ổn định. Lượng chất vào thiết bị ổn định bằng lượng phần lỏng ra ở thiết bị tách khí lỏng gồm: EDC, TCE, DCP, HCl = 7261,585 (kg/h) Theo bài ra ta giả sử tổn hao EDC trong thiết bị này là 0,5% Mà lượng EDC vào là 6190,73(kg/h) Nên lượng tổn hao EDC ở thiết bị này là: 0,005 . 6190,073 = 30,9 (kg/h) Vậy tổng lượng EDC ra khỏi thiết bị ổn định là: 6190,073 - 30,9 = 6159,17 (kg/h) Mà tổng lượng HCl đưa vào là: 40,92 (kg/h) Theo giả thiết 50% HCl ở thể khí nên lượng HCl ở thể lỏng là : 40,92 . 0,5 = 20,46 (kg/h) Bảng5. Cân bằng vật chất ở thiết bị ổn định (kcal/h). Thành phần Lượng vào Lượng ra Tổn hao EDC 6190,073 6159,12 30,95 TCE 299,337 299,337 - DCP 167,77 167,77 - HCl 40,92 20,46 20,46 Tổng 6698,1 6646,678 51,41 5. Tính lượng chất vào và ra sở dây chuyền làm sạch. Các chất vào dây chuyền làm sạch chính là sản phẩm lỏng ra từ thiết bị ổn định gồm có: EDC, DCP, TCE, HCl lỏng,NH3 trung hòa và nước rửa. Cho nước rửa vào thiết bị theo tỷ lệ hỗn hợp/nước = 2/1, vậy nước rửa đưa vào thiết bị rửa là: Lượng Amoni trung hòa được tính theo phương trình sau: NH3 + HCl đ NH4Cl Cứ 36,5 kg HCl tác dụng hết 17 kg NH3 20,46 kg HCl tác dụng hết X kg NH3 Lượng NH3 tham gia phản ứng là: X= Nhưng để làm sạch hết lượng HCl lẫn trong EDC ta cần lấy một lượng dư Amoni (khoảng 1%). Vậy lượng Amoni cần mang vào là: 9,529 .1.01 = 9,615 (kg/h) Lượng Amoni dư là: 9,615 - 9,529 = 0,0952 (kg/h) Lượng NH4Cl tạo thành là: Cứ 36,5 kg HCl phản ứng cho ra 53,5 kg NH4Cl 20,46 kg HCl phản ứng cho ra Y kg NH4Cl Vậy lượng NH4Cl tạo thành là: Y = Mất mát ttrong quá trình làm sạch là 2% nên lượng EDC mất mát là: 6159,12. 0,02 = 123,18 (kg/h) Lượng EDC còn lại : 6159,12 - 123,18 = 6035,94 (kg/h) Còn lượng TCE, DCP mất mát trong quá trình là 1% TCE mất mát là : 299.337 . 0.01 = 2,99 (kg/h) TCE còn lại là : 299,337 - 2,99 = 296,34 (kg/h) DCP mất mát là: 167,77.0,01 = 1,677 (kg/h) DCP còn lại là : 167,77- 1,677= 166,093 (kg/h) Từ các số liệu ta lập được bảng cân bằng vật chất của quá trình rửa như sau Bảng 6: Cân bằng vật chất trong thiết bị làm sạch. Thành phần Lượng vào(kg/h) Lượng ra (kg/h) Tổn hao(kg/h) EDC 6159,12 6035,94 123,18 TCE 299,337 296,34 2,99 DCP 167,77 166,093 1,677 HCl 20,46 - - NH3 9,615 0,095 NH4Cl - 29,989 - H2O 3323,34 3323,34 - Tổng 9979,642 9851,7 127,94 Chương II: Tính toán cân bằng nhiệt lượng I. Tính cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị clo hóa. Theo sổ tay quá trình thiết bị [IX-149/ 10-196 ] ta có phương trình cân bằng nhiệt ở thiết bị phản ứng chính: QNL + Qpư = Qrasp + Qmm + Qtn Trong đó: QNL: Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào, kcal/h Qpư:: Nhiệt lượng do phản ứng clo hóa sinh ra, kcal/h Qrasp : Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, kcal/h Qmm: Nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh, kcal/h Qtn : Nhiệt lượng do chất tải nhiệt lấy đi hay mang vào qt, kcal/h 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào a. Nhiệt do etylen kỹ thuật mang vào. Ta có etylen kỹ thuật mang vào gồm có: C2H4, C2H6, C3H6 nên nhiệt lượng do etylen kỹ thuật mang vào là: Q1= QC2H4 + QC2H6 + QC3H6, kcal/h Trong đó: Qi được xác định theo công thức [IX.15/10-196] Qi = Fi.Ci.t Với: Fi: Lượng chất vào của chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng của chất thứ i, kcal/h t: Nhiệt độ đầu của chất,°C Trong quá trình này lấy t = 25˚ C Fi tính ở phần cân bằng vật chất (bảng 1) Ci tra ở sổ tay thiết bị công nghệ hóa chất [I-177/ 9-180] Tính toán ta lập được bảng số liệu sau : Bảng 7: Nhiệt lượng do etylen kỹ thuật mang vào (kcal/h). C2H4 C2H6 C3H6 F 2012,98 109,4 65,64 C 0,4 0,45 0,38 Q 20129,8 1230,75 623,58 Vậy tổng nhiệt lượng etylen kỹ thuật mang vào là: Q1= 20129,8 + 1230,75 + 623,58 = 21984,13 (kcal/h) b.Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào. Clo kỹ thuật mang vào gồm có Cl2, CO2, O2, N2, nên ta có nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào là: Q2 = QCl2 + QCO2 +QO2+ QN2 Mà Qi = Fi.Ci.t (1) Với: Fi: Lượng chất vào của chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng của chất thứ i, kcal/h t: Nhiệt độ đầu của chất,°C Trong quá trình này lấy t = 25 °C Ci tra ở bảng [I-177/9-193] và ta có: CCl2=0,115 ; CN2=0,25 ; CO2=0,24 ; CCO2=0,21 Thay lần lượt m các giá trị C,F,t vào công thức (1) ta có Nên ta có bảng số liệu sau : Bảng 8: Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào.(kcal/h) Cl2 N2 O2 CO2 F 4885,44 597,75 172,43 91,96 C 0,115 0,25 0,24 0,21 Q 14045,64 3735,93 1034,58 482,79 Vậy tổng nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào là : Q2=14045,64+ 3735,93+1034,58+482,79 = 19298,94 (kcal/h) Do đó tổng lượng nhiệt do nguyên liệu mang vào: Qvao=Q1+Q2= 21984,13 + 19298,94 = 41283,07 (kcal/h) Vậy Q vào=41283,07 (kcal/h) 2.Nhiệt lượng do phản ứng tạo ra: a.Nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành CH2=CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl + DH1 (1) Quá trình clo hóa etylen xãy ra ở nhiệt độ 50-60 °C nên ta chọn nhiệt độ của phản ứng là 55°C, nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành được xác định theo công thức: Q1= x. DH1 Trong đó: DH1: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng, kcal/mol. x: Số mol etylen tham gia phản ứng (1). Mà ta có lượng etylen tham gia phản ứng (1) là 1759,52 kg/h nên. Số mol etylen tham gia phản ứng (1) là: DH1: có thể xác định từ công thức [II.63/10-41] Ta có: DH1= DH0 + Với Cp là nhiệt dung của EDC, tra ở bảng [I.176 - 9/230] Cp= 0,391 kcal/kgđộ = 0,00391 kcal/mol.độ DH0: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở 298°K mà theo [13-157] ta có DH0=37,64 kcal/mol Do đó: DH1 = - 37,64 + 0,00391(243-298) = 37,855(kcal/h) Vậy nhiệt lượng do phản ứng 1 tạo thành là: Q1 = 37,855.62840 = 2378808,2(kg/h) c.Nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành là: CH2 =CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl + DH2 (2) Cl DH2: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2) Ta có: Q2 = x. DH2 DH2= Trong đó: ni, nj: Số liên kết của chất tham gia tạo thành. Ei,Ej: Năng lượng của chất tham gia, tạo thành,Kcal/mol, Theo bảng [II.1/13-55] ta có các số liệu sau: E[C=C] =101,2 kcal/mol E[C-C] =62,8 kcal/mol E[C-H] =85,6 kcal/mol E[Cl-Cl] =57,8 kcal/mol E[C-Cl] =70 kcal/mol E[H-Cl] =102,1 kcal/mol Nên: DH2 = E[C=C] + 4E[C-H] + 2E[Cl-Cl] -E[C-C] -3E[C-Cl] + E[H-Cl] - 3E[C-H] DH2 = 101,2 + 4.85,6 + 2.57,8 - 3.70 - 2.85,6 - 101,2 - 62,8 DH2 = -71,2 (kcal/mol) Mà số mol etylen tham gia phản ứng (2) Vậy nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành là: Q2= x. DH2= 71,2 . 2242= 159630,4 (kcal/h) d.Nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo thành là: CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 + DH3 (3) Cl Ta có: Q3= x. DH3 Với: x số mol C3H6 tham gia phản ứng. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (3) DH3= E[C=C] + 6E[C-H]+ E[C-C]+ E[Cl-Cl] - 6E[C-H]- 2E[C-Cl] - 2E[C-C] DH3=101,2 + 6.85,6 +57,8 + 62,8 - 6.85,6 -2.70 2.62,8 DH3= - 43,8(kcal/h) Vậy nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo ra là: Q3= 43,8.1484= 64999,2 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng tạo thành ở 3 phản ứng là: QII = Q1+ Q2+ Q3 = 2378808,2 + 159630,4 + 64999,2 = 2603437,8(kcal/h) Qvào = QNL+Qpư = 41283,07 + 2603437,8 = 2644720,87 (kcal/h) Vậy tổng nhiệt lượng vào: Qvào = 2644720,87 (kcal/h) 3. Tính nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị clo hoá. Sản phẩm clo hoá ra ở thể hơi nên nhiệt lượng của sản phẩm mang ra gồm: Qra= QEDC + QTCE + QDCP + QCO2 +QN2+QHCl+QO2+QC2H4dư +QC2H6 Theo tính toán ở trên ta có QN2 = 3735,93(kcal/h) QCO2 = 482,79(kcal/h) QO2 =1034,58(kcal/h) QC2H6 = 1230,75(kcal/h) Ta cần phải tính: QEDC, QDCP, QTCE, QHCl , QC2H4dư Ta có: Qi = Fi.Ci.t Fi: Lượng ra chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng chất thứ i, Kcal/h t: Nhiệt độ của chất, trong quá trình này lấy t=55 °C * Tính nhiệt dung riêng Ci của hợp chất hoá học: Theo [I-141/9-230] ta có: MC=n1c1+n2c2+n3c3 (1) Trong đó: M: Khối lượng mol của hợp chất C: Nhiệt dung riêng của hợp chất n1, n2, n3: Số nguyên tố của nguyên tử trong hợp chất c1, c2, c3..: Nhiệt dung riêng của các nguyên tố trong hợp chất Tra bảng [I-141/9-180 ] ta có: Đơn vị C H Cl J/kg nguyên tử độ 11700 18000 33500 Kcal/kg nguyên tử độ 2,794 4,3 8 (ta có 1 Kcal/kg độ= 4,1868.103 J/kg độ) Thay vào (1) ta có: Tính tương tự ta có: CTCE= 0,42 CDCP=0,38 CHCl=0,19 Ta có bảng số liệu sau: Bảng 9: Nhiệt lượng do các sản phẩm mang ra ở thể hơi: ( Kcal/h) EDC TCE DCP HCl C2H4 C2H6 CO2 O2 N2 G 6221,168 299,337 167,77 81,84 190,68 109,4 91,96 172,3 597,75 C 0,39 0,42 0,38 0,19 0,4 0,45 0.21 0,24 0,25 Q 133444,05 6914,68 3506,393 855,228 4194,96 1230,75 482,79 1034,58 3735,93 Vậy tổng nhiệt lượng do các sản phẩm mang ra là: Qra= QEDC+QTCE+QDCP+QCO2+QO2+QN2+QHCl+QC2H4dư+QC2H6 Qra = 133444,05 + 5235,404 +4060,034 + 855,228 + 4194,96 + 1230,75 + 482,79 + 1034,58 + 3735,93 = 154273,726 (kcal/h) 4. Nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh. Ta thấy phản ứng clo hoá etylen toả nhiệt mạnh nên ta chọn nhiệt mất mát là 5% nhiệt lượng đưa vào. Tổng lượng nhiệt mất mát của quá trình này: Qmm = 0,05.Qvào = 0,05.2644720,87 = 132236,043 (kcal / h) 5. Tính nhiệt lượng chất tải nhiệt. Ta có Qnl + Qfư = Qra + Qmm + Qtn Mà Qnl = 41283,07