Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE (Metyltert butyl ete)

bão hoà olefin (CSP) Bất kỳ olefin nào trong dòng raffinat đều gây ngộ độc xúc tác BUTAMER . Do vậy chúng phải được tách ra trong một thiết bị bão hoà olefin , đối với ở cả trong dòng Raffinat từ thiết bị tổng hợp MTBE hay trực tiếp từ đỉnh của thiết bị BUTAMER . Cả ORU và CSP đều là những phần rất nhỏ của dây chuyền sản xuất và nó không nhất thiết phải có trong công nghiệp sản xuất MTBE 3/ Công nghệ ete hoá với độ chuyển hóa cao của hãng Phillip:[8] Công nghệ ete hoá của hãng Phillip đã sản xuất MTBE , ETBE , TAME, TAEE. Công nghệ được thiết kế dựa trên việc tính độ chuyển hoá của mỗi một sản phẩm tại độ chuyển hoá lớn hơn 99% của IsoButylen và hơn 90% isoamylen chuyển hoá thành ete tương ứng . Sơ đồ công nghệ được trình bày ở hình 1 . Xúc tác nhựa trao đổi ion , phản ứng thực hiện trong pha lỏng dưới nhiệt độ và áp xuất bình thường , hệ thống thiết bị phản ứng không có thiết bị làm lạnh , thiết bị phản ứng loại có lớp xúc tác cố định có dòng nguyên liệu hướng xuống dưới , thiết bị phản ứng thứ nhất được làm lạnh bên ngoài , thiết bị phản ứng thứ hai được đặt trong vòng hồi lưu của tháp cất phân đoạn ete , điều này theo Phillip là hiệu quả hơn thiết bị chưng cất . Để đảm bảo tỉ lệ alcohol/ iso_olefin , thiết bị phản ứng chưng cất hoạt động nhờ thêm alcohol vào hệ thống hoặc tăng hệ số hồi lưu của lỏng trên bề mặt xúc tác Những tiến bộ của quá trình xử lý chuyển hoá cao TAME/MTBE gồm : Thu được trên 90% TAME của iso amylen phản ứng . Cùng với quá trình sử lý theo giản đồ dòng chảy như nhau sẽ cùng thu được trên 99% MTBE hoặc ETBE từ quá trình chuyển hoá iso Butylen . Quá trình sản xuất , tinh chế và bảo dưỡng nhà máy vô cùng đơn giản . Quá trình xử lý sử dụng dòng chảy xuống , các lò phản ứng được gắn cố định và không cần kỹ thuật “Sự chưng cất phụ gia ’’ và không cần có cuộn làm lạnh hoặc hệ thống ống phụ phức tạp , như vậy tránh được những vấn đề liên quan đến các loại hình bộ chưng cất phụ gia . Quá trình xử lý có khả năng hoạt động cao , bởi vì bất kỳ một bộ phận nào của hệ thống phản ứng đều có thể tạm ngừng trong khi dây chuyền đang hoạt động , duy trì dây chuyền còn lại thấp quá trình chuyển đổi chất . Tỷ lệ phân tử gam để chuyển đổi Metanol thành olefin hoạt tính ở mức 1,1/1 để nâng cao sự chuyển đổi và giảm sự tạo thành sản phẩm phụ và thu hồi lại Metanol không phản ứng . Quá trình xử lý bằng công nghệ Phillip được thực hiện ở các nhà máy tinh chế và các đơn vị đã được cấp phép . Phillip đẩy mạnh tính công bằng rộng rãi và số liệu năng động để giúp đỡ cho việc thiết kế và hoạt động ete hoá có hiệu quả kinh tế cao 4/Công nghệ tổng hợp MTBE của UOP: [8] a/ ứng dụng: Để sản xuất MTBE , ETBE(etyl tert_butyl ete ) ,TAME (tertrary amyl methyl ete) . Nguồn nguyên liệu đặc trưng là là sản phẩm từ quá trình Crácking xúc tác FCC và các nguồn tinh chế butađien . b/Quá trình tổng hợp MTBE : Quá trình xử lý ETHERMAX kết hợp với isobutylen với metanol để tạo MTBE , hoặc nó kết hợp iso amylen với metanol để tạo TAME . Phần lớn phản ứng ete hoá được thực hiện trong một lò phản ứng đoạn nhiệt và được kết hợp với cột chưng tách sản phẩm nhằm nâng cao độ chuyển hoá của isobutylen . Quá trình được trình bày theo hình 7 5/Công nghệ tổng hợp MTBE của hãng CATACOL:[8] a/ ứng dụng: Để sản xuất MTBE , ETBE(etyl tert_butyl ete ) ,TAME (tertrary amyl methyl ete) . b/Quá trình tổng hợp MTBE : Quá trình tổng hợp MTBE được thực hiện như trong sơ đồ hình 8 6/Công nghệ tổng hợp MTBE của ARCO.LP:[8] a/ ứng dụng : Dùng để sản xuất các hợp chất chứa ôxy nhằm tăng trị số ốctan của xăng và làm tái tạo xăng để đáp ứng những yêu cầu làm sạch xăng của nước Mỹ . Các hợp chất chứa ôxy thường là : MTBE , ETBE , TAME, TAEE. b/ Quá trình tổng hợp MTBE : Quá trình tổng hợp MTBE được biểu diễn theo sơ đồ hình3 7/Công nghệ sản xuất MTBE từ TBA của hãng TEXACO : hình11 VI/ Đánh giá và lựa chọn công nghệ : 1 / So sánh các công nghệ : Có thể thấy rằng việc sử dụng các công nghệ sử dụng nguồn khí isoButan trực tiếp từ khí Cracking hơi nước , sử dụng nguyên liệu FCC-BB để sản xuất MTBE chỉ áp dụng với qui mô sản xuất nhỏ do nguồn nguyên liệu bị hạn chế . Công nghệ sản xuất MTBE từ các nguyên liệu khác nhau có thể thấy ở dưới bảng sau : Bảng 9 : Công nghệ sản xuất MTBE năm 1995 ở Vùng Vịnh [8] Nguồn nguyên liệu Công suất (1000tấn / năm) Khí Butan mỏ 800.000 Khí Cracking hơi nước 100.000 Khí Cracking xúc tác 80.000 Nguyên liệu từ phân xưởng PO/TPA 1.000.000 Có thể sử dụng công nghệ CDTech , công nghệ UOP, .. để sản xuất MTBE từ nguồn nguyên liệu hỗn hợp Raffinat C4 hoặc từ quá trình FCC-BB để đạt độ chuyển hoá cao và đơn giản , hay được lắp đặt trong các nhà máy lọc dầu . Về kinh tế đây là công nghệ có vốn đầu tư thấp khoảng 14,3 triệu USD . Tuy nhiên hiện nay công nghệ sản xuất mơí để sản xuất MTBE có triển vọng là công nghệ sản xuất MTBE đi từ khí Butan mỏ . Song đầu tư ban đầu cho dây chuyền công nghệ là khá tốn kém , nhưng có thể sản xuất được với một công xuất lớn . Công nghệ mới của hãng UOP gồm các quá trình : quá trình Butamer , Olefex , Ethermax , có nhiều ưu điểm hơn các quá trình ABBLUMMUS vì quá trình tái sinh xúc tác được tiến hành liên tục do đó xúc tác luôn có độ hoạt tính cao . Hiện nay với quá trình sản xuất MTBE với công suất lớn chủ yếu đi theo công nghệ này . Về kinh tế và vốn đầu tư cho công nghệ này là khoảng 193 triệu USD , giá thành sản phẩm là 206USD/1tấn MTBE . Sản xuất MTBE theo công nghệ ARCO của Texaco có vốn đầu tư là 67,8 triệu USD , giá thành sản xuất 264 USD / 1tấn MTBE , phương pháp này cũng có thể sản xuất với công suất lớn song giá thành sản xuất đắt hơn và phải kết hợp với quá trình sản xuất Propylen ôxit (PO). Qua đó ta thấy rằng sử dụng công nghệ của UOP tỏ ra là có ưu việt hơn cả so với các công nghệ của các hãng sản xuất khác . Do vậy ta chọn công nghệ sản xuất MTBE từ khí isobutylen của hãng UOP. 2/ So sánh lựa chọn thiết bị chính cho quá trình sản xuất MTBE : Ta biết rằng phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng toả nhiệt , do đó để phản ứng xảy ra với độ chuyển hoá cao ta phải lấy nhiệt của phản ứng ra khỏi vùng phản ứng . Để tận dụng nhiệt toả ra từ phản ứng tổng hợp MTBE cho các quá trình khác trong dây chuyền như : quá trình dehydro hoá isobutan thành isobutylen ta chọn thiết bị phản ứng chính là thiết bị đoạn nhiệt . Để giảm số lượng các thiết bị làm lạnh ta chọn thiết bị phản ứng dạng ống chùm , xúc tác đặt trong ống , nước làm lạnh đi bên ngoài ống . Tóm lại với nguồn nguyên liệu đầu là isobutan và Metanol ta chọn thiết bị tổng hợp MTBE của hãng UOP với thiết bị phản ứng chính là thiết bị đoạn nhiệt dạng ống chùm . Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE được thiết kế như hình sau : 3/ Thuyết minh sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE : Nguyên liệu isobutan 91% từ bể chứa (18) có nhiệt độ xấp xỉ 250C được bơm đến thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt của sản phẩm từ quá trình đehydro hoá isobutan thành isobutylen rồi được đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (1) . Tại đây nhiệt độ của nguyên liệu được đốt nóng đến nhiệt độ của phản ứng dehydro hoá thường đạt khoảng từ 550—650 0C rồi được đưa vào hệ thống dehydro hoá gồm ba thiết bị dehydro hoá nối tiếp nhau nhằm mục đích tăng độ chuyển hoá của isobutan . Sản phẩm của quá trình dehydro hoá có nhiệt độ xấp xỉ 6000C được làm mát nhờ quá trình trao đổi nhiệt với nguyên liệu isobutan ban đầu , sau đó được làm lạnh bằng không khí (4) . Sau khi được làm lạnh hỗn hợp sản phẩm được nén nhờ máy nén (5) rồi được đưa vào thiết bị xấy khô (6) . Hỗn hợp ra khỏi tháp xấy khô (6) được làm lạnh rồi đưa vào tháp phân ly lỏng khí (8) . Tại tháp phân ly (8) khí nhẹ phần lớn là H2 , C2 được lấy ra ở đỉnh tháp rồi được qua máy dãn khí (7) đến thiết bị làm lạnh (14) sau đó được đem đi xử lý để sử dụng với các mục đích khác nhau . Phần lỏng ở tháp phân ly (8) được đưa sang tháp phân ly (9) , tại tháp phân ly (9) các khí nhẹ như : C2 , C3 được tách ra ở đỉnh tháp . Phần lỏng ở đáy tháp chứa chủ yếu là isobutan , iso butylen , n_butan , n_buten được đi ra ở đáy tháp , một phần được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi quay trở lại đáy tháp (9) . Phần lớn được làm lạnh đến nhiệt độ môi trường rồi được đưa đến bể chứa isobutylen (17) . Hỗn hợp isobutylen từ bể chứa (17) được nén và chộn cùng với nguyên liệu Metanol theo tỷ lệ 1:1,1 về số mol rồi được đưa vào thiết bị gia nhiệt (19) . Hỗn hợp nguyên liệu đi ra khỏi thiết bị gia nhiệt (19) có nhiệt độ xấp xỉ 6000C rồi đi vào thiết bị tổng hợp MTBE thiết bị đoạn nhiệt loại ống chùm .Tại đây khoảng 80% iso butylen tham gia phản ứng tổng hợp MTBE . Hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng này có nhiệt độ đạt xấp xỉ 800C được đưa sang tháp phản ứng chưng tách sản phẩm MTBE (11) . Tại tháp chưng tách sản phẩm (11) MTBE có nhiệt độ sôi cao hơn được lấy ra ở đáy tháp , một phần MTBE được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi quay trở lại thiết bị chưng tách (11) . Phần còn lại được làm lạnh đến nhiệt độ môi trường rồi được đưa về bể chứa sản phẩm MTBE (15) . Tại tháp chưng tách (11) cũng diễn ra phản ứng tổng hợp MTBE đối với phần nguyên liệu chưa phản ứng hết ở tháp phản ứng (10) . Hỗn hợp khí có nhiệt độ sôi thấp được tách ra ở đỉnh tháp chưng tách (11) bao gồm : Mêtanol , hỗn hợp khí C4 được đi qua thiết bị ngưng tụ làm lạnh (20) , một phần được quay trở lại tháp chưng tách (11) , phần còn lại được đưa xang tháp hấp thụ Metanol (12) . Tại tháp hấp thụ Metanol (12) , Metanol được hấp thụ và giữ lại trong tháp , còn hỗn hợp khí nhẹ C4 đi ra khỏi tháp ở đỉnh tháp và được quay trở lại bể chứa nguyên liệu isobutan ban đầu . Phần Metanol bị hấp thụ đi ra ở đáy tháp rồi được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi được đưa vào tháp tách Metanol (13) . Tại tháp tách (13) Metanol được đi ra ở đỉnh tháp do có nhiệt độ sôi thấp hơn nước và được đi qua thiết bị ngưng tụ làm lạnh (20) một phần Metanol được đưa quay trở lại tháp tách . Phần còn lại được đưa về bể chứa Metanol (16) . Nước có lẫn một lượng nhỏ Metanol ở dưới đáy tháp tách , một phần gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi quay trở lại tháp chưng tách . Phần còn lại được bơm xang thiết bị hấp thụ Metanol (12) . Đây là một chu trình sản xuất MTBE từ hỗn hợp nguyên liệu isobutan và Metanol. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Năng xuất : 30 000 tấn / năm Nguyên liệu : Isobutan : 91% n-butan : 6% propan : 2% buten : 0,5% pen tan : 0,5% I/Tính toán cân bằng vật chất : Năng xuất phân xưởng sản xuất MTBE với công suất 30 000 tấn / năm , nguyên liệu là khí Isobutan . Dây chuyền sản xuất liên tục 24h/ngày , thời gian sửa chữa và bảo dưỡng các thiết bị trong dây chuyền là 30 ngày . Vậy số ngày sản xuất của dây chuyền là 335 ngày Vậy năng suất phân xưởng tính theo giờ là : 30 000 000 / (335 x 24) = 3731,34( kg/h) Tính theo kmol / h: 3731,34/88,15 = 42,33 (kmol/h) ( khối lượng phân tử của MTBE là 88,15 ) Thành phần nguyên liệu . Bảng 10 : Thành phần nguyên liệu đầu Thành phần %V Iso butan 91% n-butan 6% Propan 2% Buten 0,5% pentan 0,5% Metanol kỹ thuật nồng độ 99% trọng lượng Nước kỹ thuật nồng độ 1% 1/ Tính toán cân bằng vật chất chung : Quá trình sản xuất MTBE đi từ isobutan gồm hai giai đoạn : *Giai đoạn dehydro hoá isobutan * Giai đoạn tổng hợp MTBE 1.1. Tính cân bằng vật chất cho từng giai đoạn : Giai đoạn tổng hợp MTBE: Cân bằng : Skhối lượng vào = Skhối lượng ra Ở giai đoạn tổng hợp có phản ứng chính sau : iso C4H8 + CH3OH MTBE Đây là phản ứng thuận ngịch , độ chuyển hoá chung đạt 99% , độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% tính theo iso C4H8 Thành phần vào của quá trình tổng hợp MTBE có : *Hỗn hợp C4 lỏng đi từ quá trình dehydro hoá với một lượng là G1(kg /h ). * Hỗn hợp nguyên liệu Metanol 99% có khối lượng là GMeOH (kg/h) * Thành phần hỗn hợp ra khỏi vùng phản ứng của quá trình tổng hợp MTBE gồm có : (+) Hỗn hợp khí C4 chưa phản ứng : G2 (kg/h) (+) Sản phẩm MTBE 99% : GMTBE (kg / h.) (+) Nước : GH2O (kg/h) Ở đây để cho đơn giản ta giả sử trong quá trình hấp thụ Mêtanol và quá trình chưng tách Metanol và nước , lượng nước sử dụng không bị mất mát và được tuần hoàn trở lại nhờ quá trình hấp thụ Metanol và lượng nước lấy ra bằng lượng nước đưa vào quá trình và cũng bằng lượng nước có trong nguyên liệu Metanol và bằng GH2O . Để tạo ra sản phẩm MTBE đạt năng suất yêu cầu là 42,33 kmol/h thì lượng Isobutylen cần được đưa vào cho quá trình tổng hợp MTBE cũng bằng 42,33kmol/h Vì độ chuyển hoá của quá trình tổng hợp MTBE là 99% tính theo số mo lisobutylen do đó lượng isobutylen cần đưa vào quá trình sẽ là : Gisobuten = 42,33/0,99 = 42,76 kmol/h. Ở đây để đơn giản cho tính toán ta coi độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% và Isobutylen không bị tiêu thụ cho phản ứng tạo ra TBA và DIB. Lượng Isobutylen là : GIB = 42,76 x 56 = 2394,42 kg/h. Để độ chuyển hoá trong quá trình tổng hợp MTBE đạt kết quả như thiết kế ta đưa lượng Metanol vào quá trình tổng hợp theo tỉ lệ Metanol/isobutylen = 1,1 (phần mol ). Vậy lượng Mêtanol đưa vào quá trình là : 42,76 x 1,1 = 47,0 ( kmol/h.) hay bằng : 47,0 x 32 = 1505 (kg/h.) Lượng Metanol còn lại sau phản ứng bằng lượng Metanol đưa vào quá trình trừ đi lượng Metanol tiêu thụ cho phản ứng . 47,0 – 42,33 = 4,67 (kmol/h) hay tính theo kg/h được : 4,67 x 32 = 149,44 (kg/h.) Ta giả sử các sản phẩm phụ trong sản phẩm MTBE chỉ có Metanol , một lượng nhỏ TBA và DIB ,… sản phẩm phụ này chiếm 1% khối lượng của toàn bộ lượng sản phẩm thu được từ quá trình tổng hợp MTBE . Vậy bằng : 3731,34 x 0,01 = 37,313 (kg/h.) Lượng Metanol tuần hoàn bằng lượng Metanol còn lại sau phản ứng trừ đi lượng Metanol nằm trong sản phẩm MTBE . Bằng : 149,44 – 37,313 = 112,13 ( kg/h. ) Lượng Metanol mới 99% cần đưa vào là : GMeOH = 1505,2 – 112,13 = 1393,07 ( kg/h) Do đó lượng Metanol 99% cần đưa vào để tổng hợp MTBE là : 1393,07/0,99 = 1406 ( kg/h.) Lượng nước đưa vào quá trình tổng hợp là : GH2O = 1406,0 – 1406,0 x 0,99 = 14,06 (kg/h.) Từ kết quả tính toán trên ta có bảng kết quả như sau : Bảng 11 : Thành nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng chính Thành phần vào Lượng , kg/h 1/ Metanol : GMeOH 1406,0 2/ I sobutylen : GIB G1 Thành phần ra khỏi vùng phản ứng 1/ MTBE : GMTBE 3731,34 2/ Nước : GH2O 14,06 3/ Metanol trong MTBE 37,31 4/ G2 G2 Để tính G1 và G2 ta đi tính cân bằng vật chất cho quá trình dehydro hoá : Cân bằng vật chất cho cả quá trình : ålượng chất vào = ålượng chất đi ra . (*) Lượng chất đi vào bao gồm : (+) Hỗn hợp Isobutan nguyên liệu Gisobutan .(kg/h) (+) Hỗn hợp khí thải giàu H2 : Gkhí thải (kg/h) Vậy : Gisobutan = Giso buten + Gkhí thải Lưu lượng Iso butylen cần được tạo ra ở giai đoạn dehydro hoá để tổng hợp MTBE là 42,76 kmol/h . Phản ứng dehydro hoá thực hiện trong dây truyền phản ứng đạt độ chuyển hoá 50% và độ chọn lọc đạt xấp xỉ 92% mol tính theo Iso_butylen Do đó lượng Isobutan nguyên chất cần để dehydro hoá là : 42,76/0,91 = 46,48 (kmol/h). Do độ chuyển hoá của phản ứng dehydro hoá đạt 50% . Do vậy lưu lượng Iso butan nguyên chất cần đưa vào dây chuyền là : 46,48/0,5 = 92,96 (kmol/h.) Lượng Isobutan không chuyển hoá là : 92,96 – 46,48 = 46,48 (kmol/h) Lượng Isobutan 42,76 (kmol/h) sẽ tiêu hao cho phản ứng chính tạo ra 42,76 (kmol/h) Iso butylen sản phẩm theo phương trình phản ứng sau : IsoC4H10 ® IsoC4H8 + H2 (1) Lượng isoC4H10 còn lại tham gia phản ứng phụ đó là phản ứng Cracking hoá theo phản ứng sau : Iso C4H10 ® C2H6 + C2H4 (2) Iso C4H10 ® CH4 + C2H6 (3) Giả sử phản ứng (2) và phản ứng (3) xảy ra với tốc độ như nhau , hiệu suất và lượng isoC4H10 phản ứng ở cả hai phản ứng là như nhau . Ta có lượng isoC4H10 tham gia phản ứng (2) và (3) là : 46,48 – 42,76 = 3,72 ( kmol/h.) Vậy lượng isoC4H10 tiêu hao cho phản ứng (2) cũng bằng lượng isoC4H10 tiêu hao cho phản ứng (3) và bằng : n = 3,72/2 = 1,86 ( kmol/h.) Do thành phần IsoC4H10 chỉ chiếm 91% trong hỗn hợp nguyên liệu đi dehydro hoá . Do vậy lượng hỗn hợp nguyên liệu đem đi để dehydro hoá là : 92,96 / 0,91 = 102,15 (kmol/h) Bảng 12: Thành phần hỗn hợp khí đi vào thiết bị dehydro hoá STT Tên cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 IsoC4H10 91,0 92,96 5391,68 2 n_C4H10 6,0 6,122 355,5 3 C3H8 2,0 2,043 89,89 4 n_C4H8 0,5 0,511 28,62 5 C5H12 0,5 0,511 36,79 Tổng cộng 100 102,15 5902,482 Vậy Giso C4H10 = 5902,482 (kg/h) Giả sử khí C3H8 và n_C4H8 cũng tham gia vào phản ứng dehydro hoá và độ chuyển hoá cũng đạt 50% theo các phản ứng sau : C3H8 ® C3H6 + H2 (4) n_ C4H10 ® C4H8 + H2 (5) C5H12 ® C2H6 + C3H6 (6) Lượng C3H8 tham gia phản ứng (4) là : 2,043x 0,5= 1,022 (kmol/h). Lượng n_C4H8 được tạo ra từ phản ứng (5) chính bằng lượng n C4H10 tham gia phản ứng (5) và bằng : 6,129 x 0,5 = 3,064 (kmol/h) Do vậy tổng lượng n_C4H8 có trong thiết bị dehydro hoá là : 3,064 + 0,551 = 3,575 (kmol/h) hay 3,575 x 56 = 200,2 (kg/h) Hỗn hợp lỏng iso C4H8 sản phẩm đi ra khỏi quá trình dehydro hoá và đi vào thiết bị tổng hợp MTBE có thành phần như sau : (+)Iso C4H8 được tạo ra bằng 42,76 (kmol/h) Hay 42,76 x 56 = 2394,42 (kg/h) , cộng với 42,84 (kg/h) có trong hỗn hợp nguyên liệu ban đầu (+Iso C4H10 còn lại chưa phản ứng bằng 46,68 (kmol/h) Hay 46,68 x 58 = 2695,04 (kg/h) (+)n_ C4H10 còn lại chưa phản ứng bằng : 6,129 – 3,064 =3,064(kmol/h) Hay 3,064 x 58 = 177,71 (kg/h) (+) C3H8 còn lại chưa phản ứng bằng 2,043 - 1,022 = 1,022 (kmol/h) hay 1,022 x 44 = 44,968 (kg/h) (+) C3H6 được tạo ra bằng 1,022 + 1,86 = 2,882 (kmol/h) Hay 2,882 x 42 = 121,04 (kg/h) Vậy tổng lượng hỗn hợp Iso C4H8 đi vào thiết bị tổng hợp MTBE là : åiso C4H8nguyên liệu = 2394,42 + 2695,04 + 177,71 + 200,2 + 414,968 + 121,04 + 36,79 = 5674,46 (kg/h) Khối lượng và thành phần khí thải : (+) H2 : Số mol H2 là : nH2 = nH2 ở (1) + nH2 ở(2) + nH2 ở (3) nH2 = 42,76 + 1,022 + 3,084 = 46,85 (kmol /h ) Hay khối lượng của khí H2 là mH2 = 46,85 x 2 = 93,69 (kg/h ) (+) CH4 có số mol là : nCH4 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với : mCH4 = 1,86 x 16 = 29,76 (kg/h) (+) C2H4 có số mol là : nC2H4 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với hay ứng với : mC2H4 =1,86 x 28 = 52,08 (kg/h) (+) C2H6 có số mol là : nC2H6 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với : mC2H6 = 1,86 x 30 = 55,8 (kg/h) Vậy ta có tổng số mol lượng khí thải là : nKhíthải =1,86 x 3 + 46,85 = 52,43 (kmol/h) Hay hay ứng với : mKhíthải = 93,69 + 29,76 + 52,08 + 55,8 = 231,33 (kg/h). Ta có cân bằng sau : Giso C4H10 ng/l = Giso C4H8sp + GKhí thaỉ =5670,968 + 231,33 = 5902,298 (kg/h) Hỗn hợp lỏng C4 (iso C4H8 ) sản phẩm đi ra khỏi thiết bị dehydro hoá có khối lượng Giso C4H8sp và cũng chính là G1 = 5670,968 (kg/h) Bảng 13 : Thành phần của hỗn hợp nguyên liệu ra khỏi thiết bị dehydro hoá Tên chất Kmol/h Kg/h Iso C4H8 42,76 2394,42 Iso C4H10 46,68 2695,04 n _C4H10 3,064 177,71 n _C4H8 3,575 200,2 C3H8 1,022 44,968 C3H6 2,882 121,04 C5H12 0,511 36,79 Tổng số 99,983 5670,968 Hỗn hợp này là dòng nguyên liệu đi vào thiết bị tổng hợp MTBE Thay G1 = 5670,968 kg/h vào phương thình cân bằng vật chất cho giai đoạn tổng hợp MTBE ta có : G1 + GMeOH(99%) = G2 + GMTBE + GMeOHtrongMTBE + GH2O Suy ra : G2 = G1 + GMeOH(99%) - (GMTBE + GMeOHtrongMTBE + GH2O ) G2 = 5670,968 + 1406,0 – (3731,34 + 14,06 + 37,31 ) = 3295,18 (kg/h) Xác định thành phần và khối lượng C4 ra khỏi quá trình tổng hợp MTBE : Phản ứng tổng hợp MTBE như sau : Iso C4H8 + MeOH MTBE Nếu coi độ chuyển hoá của phản ứng đạt 99% mol tính theo iso C4H8 và độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% thì lượng MTBE tạo ra theo tính toán ban đầu là 42,33 (kmol /h ) Theo phương trình phản ứng tổng hợp MTBE thì số mol của iso C4H8 tham gia phản ứng chính bằng số mol MTBE tạo thành và bằng 42,33 mol/h. Do vậy ta có số mol isoC4H8 chưa phản ứng sẽ là : n iC4H8 chưa phản ứng = 42,76 – 42,33 = 0,43 (kmol/h) Ta giả sử rằng các cấu tử khác là không phản ứng Vậy thành phần hỗn hợp C4 đi ra khỏi quá trình tổng hợp MTBE là : Bảng 14 : Thành phần hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị tổng hợp MTBE Tên chất Kmol/h Kg/h Iso C4H8 0,43 24,08 Iso C4H10 46,68 2695,04 n _C4H10 3,064 177,71 n _C4H8 3,575 200,2 C3H8 1,022 44,968 C5H12 0,511 36,79 C3H6 2,882 121,04 Tổng số 58,164 3256,11 Bảng 15: Cân bằng vật chất chung Các dòng vật chất đi vào (kg/h) Các dòng vật chất đi ra (kg/h) GisoC4H8 ng/l = 5902,5 GMeOH (99%) = 1406,0 Tổng : 7309,5 1. GMTBE = 3731,34 2. G2 = 3295,18 3. GMeOHtrongMTBE = 37,31 4. GH2O = 14,06 5. GKhíthải = 231,33 Tổng : 7309,5 Tính lượng iso Butan mới cần đưa vào dây chuyền : Khí hỗn hợp C4 không phản ứng sau khi thu hồi đem xử lý loại các cấu tử chứa ôxy như Metanol ,MTBE , H2O (với một lượng nhỏ ) , loại các khí nhẹ như : propan ,propylen , etylen , metan , . . . để đạt được tiêu chuẩn gần như hỗn hợp khí Iso_Butan ban đầu rồi được quay trở lại thiết bị dehydro hoá cùng với hỗn hợp Iso_Butan mới . Ta có lượng iso_Butan tinh khiết đi vào dây chuyền bằng lượng iso Butan mới đưa vào cộng với lượng iso Butan tuần hoàn . Do vậy lượng isoButan mới tinh khiết cần được đưa vào dây chuyền là : 93,09 – 46,48 = 46,48 ( kmol/h) Do đó lượng iso Butan nguyên liệu cần đưa vào dây chuyên bằng : 46,48 / 0,91 = 51,08 (kmol/h) Bảng 16 –Thành phần hỗn hợp nguyên liệu tuần hoàn STT Tên cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 IsoC4H10 91,0 46,48 2695,84 2 n_C4H10 6,0 3,065 177,71 3 C3H8 2,0 1,022 44,95 4 n_C4H8 0,5 0,2554 14,302 5 C5H12 0,5 0,2554 18,39 Tổng cộng 100 51,08 2951,252 Bảng 17 –Thành phần lượng nguyên liệu isoButan cần đưa vào dây chuyền STT Tên cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 IsoC4H10 91,0 46,48 2695,84 2 n_C4H10 6,0 3,065 177,71 3 C3H8 2,0 1,022 44,95 4 n_C4H8 0,5 0,2554 14,302 5 C5H12 0,5 0,2554 18,39 Tổng cộng 100 51,08 2951,252 1.2 / Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng tổng hợp MTBE thứ nhất : Ta có phương trình cân bằng vật chất : Tổng hỗn hợp vào = Tổng hỗn hợp ra GtsoC4H8 + GMeOH = GMTBE dư + G2 Trong đó GtsoC4H8 : Dòng nguyên liệu đi vào ,kg/h GMeOH : Lưu lượng Mêtanol đi vào , kg/h GMeOHdư : lượng mêtanol chưa phản ứng G2 : Lưu lượng hỗn hợp C4 còn lại -Lượng Mêtanol đi vào thiết bị phản ứng, GMeOH GMeOH = GMeOH mới + GMeOHtuần hoàn = 1406 kg/h -Lượng sản phẩm MTBE đi ra sau phản ứng , GMTBE ở thiết bị phản ứng này độ chuyển hoá đạt 80% ,độ chọn lọc 100% phản ứng sau .(tính theo iso C4H8 ) IsoC4H8 + CH3OH MTB E 34,208 34,208 42,76x 80% =34,208 (kmol/h) Lượng MTBE được tạo ra = 34.208 x 88 = 3010.304 (kg/h) GMeOH dư = 47.0 – 34.208 =12.792 (kmol/h ) hay 12.792 x 32 = 409.344(kg/h) Lượng isoC4H8 chưa phản ứng = ( 42.76 – 34.208) x 56 = 478.912 (kg/h) Hay 8,552 (kmol/h) Tên chất Lượng vào (kg/h) Lượng ra (Kg/h) Iso C4H8 2394,42 478,912 Iso C4H10 2695,04 2695,04 n _C4H10 177,71 177,71 n _C4H8 200,2 200,2 C3H8 44,968 44,968 C3H6 121,04 121,04 C5H12 36,79 36,79 H2O 14,06 14,06 CH3OH 1505,2 409,344 MTBE 0 3010,304 Tổng số 7188,368 7188,368 Bảng 18 –Cân bằng vật chất của thiết bị phản ứng chính 2.2/ Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chưng tách MTBE : Lượng MTBE được tạo ra ở thiết bị phản ứng chưng tách là : nMTBE chưng tách = 42,33 – 34,208 = 8,122 (kmol/h) Hay mMTBE chưng tách = 8,122 x 88,15 = 714,716 (kg/h) IsoC4H8 + CH3OH ® MTB E 8,122 8,122 8,122 (kmlo/h) Vậy lượng iso Butylen còn lại trong hỗn hợp do không phản ứng là : niButen khôngphảnứng= 8,552 – 8,112 = 0,44 (kmol/h) Hay miButen khôngphảnứng = 0,44 x 56 = 24,64 (kg/h) Lượng Metanol còn lại sau quá trình chưng cất là : nMeOH khôngphảnứng = 12,792 – 8,112 = 4,68 (kmol/h) Hay mMeOH khôngphảnứng = 4,68 x 32 = 149,76 (kg/h) Vậy ta có cân bằng vật chất cho thiết bị chưng tách MTBE Bảng 19: Cân bằng vật chất cho thiết bị chưng tách MTBE Tên chất Lượng vào (kg/h) Lượng ra (Kg/h) Iso C4H8 478,912 24,64 Iso C4H10 2695,04 2695,04 n _C4H10 177,71 177,71 n _C4H8 200,2 200,2 C3H8 44,968 44,968 C3H6 121,04 121,04 C5H12 36,79 36,79 H2O 14,06 14,06 CH3OH 409,344 149,76 MTBE 3010,304 3731,34 Tổng số 7188,368 7188,368 II. Tính cân bằng nhiệt lượng: Ở đây ta tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng chính. Ta có phương trình cân bằng nhiệt : Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 Trong đó : Q1 : Nhiệt lương do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Q2 : Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào Q3 : Nhiệt lượng toả ra do các phản ứng hoá học toả ra Q4 : Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra Q5 : Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào. Q1 = G1. C1. t1 Với : t1 : nhiệt độ nguyên liệu mang vào , t1 = 600C G1 : lưu lượng khối lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào C1 : Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp C1 được xác định theo công thức : C1 = åC1i.ai ai : Nồng độ phần trăm khối lượng của cấu tử i Tính C1i của từng cấu tử như sau : [3,4,6] CP (i-C4H8) = 596,89 – 4,6378T + 1,44.10-2T2 – 1,372.10-5T3, Kj/kmol.độ CP(i-C4H10) = 9,597 + 344,46.10-3T – 162,15.10-6T2, Kj/kmol.độ. CP(n-C4H8) = 20,762 + 250,637.10-3T – 75,854.10-6T2, Kj/kmol.độ. CP(MTBE) = 5