Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE - Trịnh Huy Thắng

ỉnh, sau khi làm lạnh thì đi vào thiết bị phản ứng thứ hai (3) tiếp tục phản ứng ete hóa tạo MTBE. Hỗn hợp từ đáy (3) được chia làm 2 phần: một phần quay trở lại tháp phân tách (2) để tách sản phẩm MTBE, một phần đi vào tháp (4) để tách methanol ra khỏi hỗn hợp C4. Hỗn hợp C4 đã tách metanol ở trên đỉnh tháp (4) được đưa tới thiết bị dehydro hoá còn metanol được dẫn tới thiết bị (5) để thu hồi metanol rồi cho quay trở lại thiết bị phản ứng (1) để trộn vào dòng metanol và iso-buten. Dưới đáy tháp (5) là nước, một phần cho hồi lưu đáy, phần còn lại dẫn qua tháp (4) để hấp thụ methanol. Như vậy đối với công nghệ ete hoá của Philipps có điểm đặc biệt là mặc dù có 1 thiết bị phản ứng sơ cấp và 1 cột cất phân đoạn nhưng sau đó còn bố trí thêm một thiết bị phản ứng nữa, điều này nhằm mục đích tăng độ chuyển hoá lên tối đa, biến đổi triệt để những cấu tử không phản ứng, tạo thêm điều kiện cho chúng phản ứng với nhau tạo sản phẩm MTBE. Quá trình này đã đạt được độ chuyển hoá hơn 99%. 4-Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE của Hulls (hình4). [25] a-Thuyết minh dây chuyền Isobuten (hoặc isoamylen) cùng với metanol qua thiết bị gia nhiệt vào thiết bị phản ứng ống chùm (1), toàn bộ sản đáy của thiết bị (1) được đưa sang tháp (2). Hỗn hợp thu được ở đáy thiết bị phản ứng (2) qua tháp chưng luyện thứ nhất (3). Phần sản phẩm đáy của tháp (3) cho qua tháp tách hỗn hợp đẳng phí (4), ở đáy tháp (4) thu được MTBE. Phần sản phẩm đỉnh của tháp (3) vào thiết bị phản ứng thứ cấp (5), hỗn hợp thu được ở đáy tháp (5) cho qua tháp chưng luyện thứ hai (6), sản phẩm đáy của tháp (6) cho tuần hoàn trở lại, sản phẩm đỉnh của tháp (6) cho qua tháp hấp thụ (7) để thu hồi metanol, Khí ngưng qua đỉnh tháp (7) ra ngoài. Metanol thu được ở tháp (4) và (8) được tuần hoàn lại. Đây là dây chuyền phản ứng hai giai đoạn, độ chuyển hoá đạt 99,9%, chỉ có 300ppm phần trọng lượng của isobuten trong khí thải. Sản phẩm MTBE có độ tinh khiết cao. Trong sản phẩm thu được có các thành phần: + MTBE: 98 –99% wt + Rượu (CH3OH và TBA): 0,5 – 1%wt + Hydrocacbon C5, C6: 0,1 – 1%wt + Nước: 50 – 1500ppm (tính theo trọng lượng) + Tổng lượng sulfua tối đa: 10ppm (tính theo trọng lượng) + Cặn trong hơi tối đa: 10ppm (tính theo trọng lượng). Dây chuyền này cho MTBE, TAME có chất lượng cao nhưng có nhược điểm là thiệt bị cồng kềnh, tốn nhiều nhiệt năng. 5-Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE của IFP(hình5). a-Thuyết minh dây chuyền Đây là công nghệ để sản xuất ra các hợp chất chứa oxy ( MTBE, ETBE, TAME, các ete có phân tử lượng cao ) từ: rượu C1 ữ C3 và hydrocacbon C4 ữ C6, xúc tác nhựa trao đổi ion. Hydrocacbon và rượu sau khi được tinh chế được cho vào thiết bị phản ứng (4), hỗn hợp thu được ở đáy thiết bị phản ứng (4) cho sang thiết bị chưng tách (5), ở đây MTBE thu được ở đáy còn phần sản phẩm đỉnh một phần hồi lưu trở lại (5), phần còn lại cho qua tháp hấp thụ (6). Đỉnh tháp (6) thu dược phần hydrocacbon chưa phản ứng, phần sản phẩm đáy tháp (6) cho qua tháp chưng tách (7) để thu hồi metanol. 6-Sơ đồ công nghệ sản xuất MTBE của Snamprogetti (hình6) a-Thuyết minh dây chuyền Công nghệ này sản xuất phụ gia có trị số octan cao. Công nghệ Snamprogetti sử dụng nguyên liệu là hỗn hợp C4 từ qúa trình cracking hơi nứoc hoặc hỗn hợp khí FCC-BB. Thiết bị phản ứng thứ nhất là thiết bị ống chùm thực hiện phản ứng đẳng nhiệt. Thiết bị phản ứng thứ hai thực hiện đoạn nhiệt, xúc tác được xắp xếp sao cho việc điều khiển nhiệt độ là tốt nhất và độ chuyển hoá đạt xấp xỉ 100%. Sản phẩm tạo ra từ phản ứng giữa etanol hoặc metanol với tert-Olefin trong hỗn hợp hydrocacbon ở dạng khí. Các hydrocacbon khí này lấy từ qúa trình FCC, cracking hơi hoặc sản phẩm của qúa trình dehydro hoá isobutan. Sản phẩm là các Ete: MTBE, ETBE, TAME. Nguyên liệu qua hai thiết bị phản ứng: thiết bị dạng ống chùm (1) thực hiện qúa trình đẳng nhiệt và thiết bị phản ứng hình trụ (2) thực hiện qúa trình đoạn nhiệt. Các thiết bị này cho phép điều khiển áp suất đến cực đại. Mức độ chuyển hoá trong thiết bị đạt đến mức độ cao nhất và độ chọn lọc gần 100%. Từ thiết bị phản ứng (2), sản phẩm lỏng được đưa qua tháp chưng tách (3). ở đây sản phẩm ete thu được ở đáy tháp và hydrocacbon được lấy ở đỉnh tháp. Phần hydrocacbon này được đưa qua tháp hấp thụ (4), phần metanol cùng với nước qua thiết bị chưng tách hỗn hợp MeOH – H2O (5). ở tháp này metanol thu được ở đỉnh và cho tuần hoàn trở lại. Nước thu được sử dụng cho tháp (4). II.2- Sản xuất MTBE từ khí butan ở mỏ khí [25]: Đây là hướng sản xuất mới sử dụng nguyên liệu là phần butan tách từ khí tự nhiên với trữ lượng lớn. Sơ đồ khối quá trình sản xuất MTBE từ khí n-butan: Isome hoá Dehydro hoá Tổng hợp MTBE n-C4H10 i-C4H10 i-C4H8 MTBE Quá trình bao gồm 3 giai đoạn: Isome hoá khí mỏ n-butan thành isobuten, quá trình isome hóa xảy ra ở nhiệt độ thấp khoảng 150 – 200 oC và áp suất 200 – 400 psi trong pha hơi. Xúc tác cho quá trình là Pt hoặc Al2O3 hoặc Pt/ Al2O3 có tẩm một lượng chất hữu cơ có dẫn xuất Clo. Khí n-butan đưa vào sẽ chuyển hoá thành isobutan ở gần điểm cân bằng. Một số quá trình isome hoá để thực hiện isome hoá n-butan thành isobutan là: quá trình isome hoá của Lummus, quá trình Butamer – UOP. Đềhydro hoá isobutan thành isobuten: Quá trình dehydro hoá này được thực hiện ở nhiệt độ t = 540 – 760 oC và áp suất thấp. Xúc tác phản ứng có thể là Cr /Al2O3 hoặc Pt. Sản phẩm thu được chứa 75 – 85% isobuten và isobutan. Các quá trình dehydro hoá hiện nay để sản xuất isobuten là: quá trình Catofin của Lummus, quá trình Oleflex của UOP. Các quá trình này sử dụng xúc tác Crom oxit, nhiệt độ thấp cho phản ứng băng cách đốt cháy cốc tạo thành xúc tác nhờ dòng không khí nóng. Quá trình này thực hiện ở áp suất hơi chân không cho nên phải chế tạo thiết bị khó khăn. Quá trình Oleflex sử dụng xúc tác Pt, trong quá trình này, song song với việc thực hiện dehydro hoá (thiết bị tầng sôi) là việc thực hiện tái sinh xúc tác liên tục. Nhiệt cấp cho phản ứng được thực hiện bằng các thiết bị gia nhiệt ở từng giai đoạn và nhờ dòng H2 tuần hoàn mang nhiệt vào. III- xây dựng sơ đồ công nghệ của quá trình sản xuất MTBE từ iso-butan III.1) Dây chuyền công nghệ: (Hình sau) Chú thích: Thiết bị gia nhiệt. Thiết bị phản ứng dehydro hoá. Thiết bị tái sinh xúc tác. Thiết bị làm lạnh. Máy nén. Thiết bị sấy. Máy giảm áp. Tháp tách khí nhẹ. Thiết bị làm lạnh. Thiết bị phản ứng ống chùm. Thiết bị phản ứng - chưng tách (RWD). Thấp hấp thụ MeOH Tháp tách CH3OH – H2O Thiết bị trao đổi nhiệt Bể chứa MTBE Bể chứa MeOH Bể chứa Iso-buten Bể chứa isobutan Thiết bị gia nhiệt đáy tháp Thiết bị ngưng tụ hồi lưu Bơm Van điều chỉnh lưu lượng III.2) Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Khí isobutan lỏng được chứa trong thùng chứa nguyên liệu (18), khí isobutan được trao đổi nhiệt với sản phẩm để nâng nhiệt độ và đi vào thiết bị gia nhiệt (1). Khí isobutan nguyên liệu được trộn lẫn với khí isobutan tuần hoàn từ thiết bị MTBE (đã xử lý) và được gia nhập để nâng nhiệt độ đến nhiệt độ yêu cầu. Sau đó isobutan được đưa vào đỉnh thiết bị phản ứng cùng với xúc tác rơi từ đỉnh tháp xuống. Hệ thống thiết bị phản ứng gồm nhiều thiết bị nối tiếp nhau. Hệ thống tái sinh cũng được bố trí bên cạnh hệ thống thiết bị phản ứng. Trong quá trình phản ứng dehydro có thể lấy một lượng nhỏ xúc tác đã giảm hoạt tính từ đáy thiết bị phản ứng, cuối cùng đưa sang tái sinh, còn từ đáy thiết bị khác được đưa trở lại đỉnh của thiết bị phản ứng sau đó. Dòng ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất được gia nhập và đưa vào thiết bị thứ hai. Sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng thứ hai, dòng sản phẩm được gia nhập ở thiết bị gia nhiệt thứ ba và đưa vào thiết bị phản ứng thứ ba và cứ tiếp tục. Dòng ra khỏi hệ thống thiết bị phản ứng dehydro được trao đổi nhiệt với nguyên liệu, làm mát, sấy khô và trao đổi nhiệt với dòng khí thải trước khi đi vào tháp tách khí thải giàu H2. Khí thải này là phần không ngưng trong thiết bị tách được nén và một phần tuần hoàn lại, một phần lớn được đưa đi thu hồi, sản xuất điện cho phân xưởng hoặc dùng cho các quá trình làm lạnh hoặc sử dụng làm nhiên liệu khí hoặc dùng để sản xuất H2 tinh khiết. Sản phẩm đáy của thiết bị làm lạnh (9) là phần lỏng ngưng tụ chứa chủ yếu là C4 và isobuten. Còn lại là isobutan chưa phản ứng, n-butan, propan, C3H6,... được đưa sang phần tổng hợp MTBE nhờ bơm. Dòng khí giàu H2 tuần hoàn lại để duy trì ổn định xúc tác đốt cháy cốc tạo ra và giúp cho quá trình cấp nhiệt tốt hơn. Phần hỗn hợp lỏng chứa isobuten được bơm sang thiết bị trộn và gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 60oC. Metanol sạch từ bể chứa được bơm lên và trộn với nguyên liệu C4 và đi sang thiết bị phản ứng thứ nhất . ở thiết bị phản ứng thứ nhất, xúctác được bố trí trong các ống chùm và nhiệt toả ra của phản ứng được lấy đi bằng nước làm lạnh. Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất được đưa sang thiết bị phản ứng - chưng tách để nâng nhiệt độ chuyển hoá isobuten lên 99%, đồng thời MTBE cũng được tách ra ở đáy thiết bị phản ứng - chưng tách này. Những tác nhân chưa phản ứng, Metanol và hỗn hợp C4 từ đỉnh thiết bị phản ứng chưng tách được ngưng tụ, một phần hồi lưu, phần khác được đưa sang tháp hấp thụ metanol. Tại đây nước được phun từ dưới lên, hỗn hợp hơi metanol + C4s được đi từ trên xuống, metanol bị tan vào nước và thu được ở đáy tháp, khí C4 chưa phản ứng không tan được thu hồi trên đỉnh tháp và được đưa đi xử lý trước khi tuần hoàn về dây chuyền dehydro hoá. Hỗn hợp metanol - H2O ở đáy tháp hấp thụ được đưa sang tháp chưng tách. Tại đây metanol được tách khỏi nước và đi lên đỉnh tháp, metanol được ngưng tụ làm mát và tuần hoàn về cùng với metanol nguyên liệu. Nước thu ở đáy tháp chưng tách được bơm lại tháp hấp thụ. Một phần nước chứa trong nguyên liệu rượu không phản ứng cũng được thu hồi ở tháp này. MTBE thu được sẽ được đưa về bể chứa MTBE. Chương III: tính toán A- Tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng I- Các số liệu ban đầu: Năng suất: 40.000 tấn/năm. Thành phần nguyên liệu:(% thể tích) iso- C4H10 91% n-C4H10 6% C3H8 2% C4H8 0,5% C5 0,5% Thành phần CH3OH:(% khối lượng) CH3OH 99% H2O 1% Nồng độ sản phẩm: MTBE 99% kl Rượu (metanol) ằ 1% kl H2O 50 – 1500ppm Tổng S 10ppm II- Tính cân bằng vật chất dây chuyền sản xuất MTBE: * Tính toán: Dây chuyền hoạt động 24/24 ngày đêm. Trong một năm có 365 ngày, thời gian nghỉ vì lý do kỹ thuật bao gồm: + Nghỉ 8 ngày để thay đổi xúc tác. + Một năm có 4 lần sửa chữa định kỳ, mỗi lần là 3 ngày. Như vậy số ngày để sửa chữa định kỳ trong một năm là: 4 . 3 = 12 ngày Như vậy thời gian làm việc của phân xưởng trong một năm là: 365 – ( 12 + 8) = 345 ngày Phân xưởng hoạt động liên tục 24 giờ/ngày. Do đó năng suất làm việc của phân xưởng tính theo giờ là: Tính theo kmol/h: 1. Tính toán cân bằng vật chất chung: Quá trình sản xuất MTBE từ iso-butan qua hai giai đoạn, giai đoạn dehydro hoá isobutan và giai đoạn tổng hợp MTBE, ta tính cân bằng vật chất cho từng giai đoạn như sau: 1.1) Quá trình dehydro hoá: Ta có cân bằng: Tổng khối lượng vào = Tổng khối lượng ra. * Các dòng vật chất đi vào quá trình dehydro hoá gồm: Hỗn hợp C4 lỏng isobutan nguyên liệu: Gisobutan , Kg/h. * Các dòng vật chất đi ra gồm: + Hỗn hợp C4 lỏng sản phẩm có chứa isobuten: Gisobuten, Kg/h + Hỗn hợp khí thải giàu H2: Gkhí thải, Kg/h. Như vậy: Gisobutan = Gisobuten + Gkhí thải - Gisobuten nguyên liệu: iso- C4H10 đ iso- C4H8 + H2 (1) Khối lượng sản phẩm MTBE đi ra phải là năng suất qui định của toàn dây chuyền sản xuất và bằng: 4830,918 (Kg/h) = 54,804 (Kmol/h). Như vậy GMTBE = 4830,918 (Kg/h). Phản ứng tổng hợp MTBE iso- C4H8 + CH3OH MTBE Để đạt được năng suất MTBE theo yêu cầu là 54,804 (Kmol/h) thì lượng isobuten cần tạo ra từ quá trình dehydro hoá để cung cấp cho quá trình tổng hợp MTBE là: (Kmol/h) (0,99 là độ chuyển hoá của quá trình tổng hợp MTBE theo iso buten). ở đây để đơn giản trong quá trình tính toán, ta coi độ chọn lọc MTBE đạt xấp xỉ 100% và isobuten không tiêu thụ cho phản ứng phụ tạo TBA và DIB Lượng isobuten là: GIB = 55,358 . 56 = 3100,05 (Kg/h). Phản ứng dehydro hoá thực hiện trong dây chuyền đạt độ chuyển hoá 40% và độ chọn lọc là 92% mol.[8] Vậy lượng iso-C4H10 cần để dehydro hoá là : (Kmol/h). Vì độ chuyển hoá của phản ứng (1) đạt 40% nên lượng iso-C4H10 thực tế cần được đưa vào dây chuyền là: (Kmol/h). Trong đó 55,358 Kmol/h iso-C4H10 sẽ tiêu hao cho phản ứng (1) để tạo ra 55,358 Kmol/h iso-C4H8 và còn lại 60,172 – 55,358 = 4,814 Kmol/h iso-C4H10 sẽ tham gia các phản ứng phụ. Giả sử iso- C4H10 chỉ tham gia các phản ứng phụ cracking: iso- C4H10 đ C2H6 + C2H4 (2) iso - C4H1 0 đ CH4 + C3H6 (3) Giả sử phản ứng (2) và (3) xảy ra với tốc độ như nhau, tiêu thụ lượng iso- C4H10 như nhau, các phản ứng có hiệu suất như nhau và bằng 100%. Vậy lượng iso- C4H10 tiêu thụ cho mỗi phản ứng là: (Kmol/h) Khi đó ta có: iso- C4H10 đ C2H6 + C2H4 (2) 2,407 Kmol/h 2,407 Kmol/h 2,407 Kmol/h iso - C4H10 đ CH4 + C3H6 (3) 2,407 Kmol/h 2,407 Kmol/h 2,407 Kmol/h Lượng iso- C4H10 còn lại không chuyển hoá là: 150,430 – 60,172 = 90,258 (Kmol/h) Vì khí nguyên liệu iso- C4H10 còn chứa các thành phần khí khác như: n- C4H10, C3H8, C4H8, C5 và iso- C4H10 chỉ chiếm 91% thể tích. Như vậy lượng khí iso- C4H10 nguyên liệu cần đưa vào dehydo là: (Kmol/h). Bảng 8: Thành phần hỗn hợp khí đưa vào quá trình dehydro hoá: STT Cấu tử % tt Kmol/h Kg/h 1 iso- C4H10 91 150,430 8724,940 2 n- C4H10 6 9,918 575,244 3 n- C4H8 0,5 0,827 46,312 4 C3H8 2 3,306 145,464 5 C5 0,5 0,827 57,890 Tổng 100% 165,308 9549,850 Như vậy lượng iso C4H10 nguyên liệu đưa vào quá trình dehydro hoá là: 9549,850 (Kg/h). Giả sử C3H8 và C4H10 cũng tham gia phản ứng phụ dehydro hoá và các phản ứng này cũng có độ chuyển hoá đạt 40%. C3H8 đ C3H6 + H2 (4) 3,306 Kmol/h 1,322 Kmol/h 1,322 Kmol/h n- C4H10 đ n-C4H8 + H2 (5) 9,918 Kmol/h 3,967 Kmol/h 3,967 Kmol/h Lượng C3H8 tham gia phản ứng (4) là: 3,306 . 0,4 = 1,322( Kmol/h) Lượng n- C4H10tham gia phản ứng (5) là: 9,918. 0,4 = 3,967( Kmol/h) - Giso-C4H8 sản phẩm : Dòng vật chất đi ra khỏi thiết bị dehydro hoá được ngưng tụ, các cấu tử từ C3 trở lên sẽ ngưng tụ khi bị nén ở áp suất cao. Các cấu tử từ C2 trở xuống không ngưng và sẽ đi ra khỏi dây chuyền ở thể khí (khí thải). Như vậy, hỗn hợp lỏng iso- C4H8 sản phẩm đi ra khỏi phần dehydro hoá có khối lượng và thành phần như sau: • iso- C4H8: là lượng iso- C4H8 tạo ra: 55,358 (Kmol/h) = 3100,050( Kg/h). • iso- C4H10 : là lượng iso- C4H10 chưa chuyển hoá = 90,258 (Kmol/h) = 5234,964 (Kg/h). • n- C4H10: lượng có ban đầu – lượng tham gia phản ứng (5): 9,918 – 3,967 = 5,951 (Kmol/h) = 345,158 (Kg/h). • n- C4H8: bằng lượng có ban đầu trong nguyên liệu + lượng tạo ra ở phản ứng (5): 0,827 + 3,967 = 4,794 (Kmol/h) = 268,464 (Kg/h) • C3H8 : bằng lượng có ban đầu trong nguyên liệu – lượng đã phản ứng theo (4): 3,306 – 1,322 = 1,984 (Kmol/h) = 87,298 (Kg/h) • C3H6: bằng tổng lượng tạo ra ở phản ứng (3) và (4): 2,407 + 1,322 = 3,729 (Kmol/h) = 156,618 (Kg/h) • C5: bằng lượng có ban đầu = 0,827 (Kmol/h) = 57,890 (Kg/h). Vậy ta có: G1 = Giso-C4H8 sản phẩm = Giso-C4H8 + Giso-C4H10 + Gn-C4H10 + Gn-C4H8 + GC3H8 + GC5 = 3100,050 + 5234,964 + 345,158 + 268,464 + 87,298 + 156,618 + 57,890 = 9250,438 (Kg/h). - Gkhi thải : khí thải gồm có H2, CH4, C2H4, C2H6 . Khối lượng và thành phần hỗn hợp khí thải như sau: • Tổng lượng H2 tạo ra từ các phản ứng (1), (4), (5): 55,358 + 1,322 + 3,967 = 60,647 (Kmol/h) = 121,294 (Kg/h) • Lượng CH4 tạo ra ở phản ứng (3) là: 2,407 (Kmol/h) = 38,512 (Kg/h). • Lượng C2H4 tạo ra ở phản ứng (2) là: 2,407 (Kmol/h) = 67,396 (Kg/h). • Lượng C2H6 tạo ra ở phản ứng (2) là 2,407 (Kmol/h) = 72,210 (Kg/h). Vậy Gkhí thải = GH2 + GCH4 + GC2H4 + GC2H6 = 121,294 + 38,512 + 67,396 + 72,210 = 299,412 (Kg/h). Vậy ta có cân bằng: Giso-C4H10 ngl = Giso-C4H8 SP + Gkhí thải 9549,850 (kg/h) = 9250,438 + 299,412 Bảng 9: Thành phần và khối lượng của hỗn hợp lỏng C4 sản phẩm của quá trình dehydro hoá: STT Cấu tử Thành phần %V Kmol/h Kg/h 1 Iso-C4H8 33,983 55,358 3100,050 2 iso-C4H10 55,406 90,258 5234,964 3 n-C4H10 3,653 5,951 345,158 4 n-C4H8 2,943 4,794 268,464 5 C3H8 1,218 1,984 87,298 6 C3H6 2,290 3,729 156,618 7 C5 0,507 0,827 57,890 Tổng 100 162,901 9250,438 Bảng 10: Thành phần khí thải: STT Cấu tử Kmol/h Kg/h 1 H2 60,647 121,294 2 CH4 2,407 38,512 3 C2H4 2,407 67,396 4 C2H6 2,407 72,210 Tổng 67,868 299,412 Bảng 11: Cân bằng vật chất cuả quá trình dehydro hoá STT Cấu tử Lượng vào(Kg/h) Lượng ra (Kg/h) 1 iso- C4H10 8724,940 5234,964 2 n- C4H10 575,244 345,158 3 n- C4H8 46,312 268,464 4 C3H8 145,464 87,298 5 C5 57,890 57,890 6 iso-C4H8 0 3100,050 7 C3H6 0 156,618 8 H2 0 121,294 9 CH4 0 38,512 10 C2H4 0 67,396 11 C2H6 0 72,210 Tổng 9549,850 9549,850 1.2) Giai đoạn tổng hợp MTBE: Ta có cân bằng: tổng khối lượng vào = tổng khối lượng ra ở giai đoạn tổng hợp, phản ứng tổng hợp xảy ra: iso- C4H8 + CH3OH MTBE Đây là phản ứng thuận nghịch toả nhiệt, độ chuyển hoá chung đạt 99%, độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% (tính theo iso buten). * Các dòng khối lượng đi vào phần tổng hợp MTBE gồm có: + Hỗn hợp C4 lỏng thu được từ quá trình dehydro hoá: G1, kg/h + Dòng nguyên liệu metanol: GCH3OH, kg/h *Các dòng sản phẩm đi ra khỏi phần tổng hợp MTBE gồm có: + Hỗn hợp khí Raffinat-2: GRaf-2, kg/h + Sản phẩm MTBE: GMTBE, Kg/h + H2O: do trong nguyên liệu metanol chứa 1% khối lượng. ở đây, để đơn giản ta coi rằng trong quá trình hấp thụ metanol và quá trình chưng tách thu hồi metanol và nước, lượng nước sử dụng không bị mất mát và tuần hoàn lại cho quá trình hấp thụ metanol và lượng nước lấy ra bằng lượng nước đưa vào dây chuyền, do có ở trong nguyên liệu metanol và bằng GH2O, Kg/h. Tính toán các khối lượng G1, GCH3OH, GRaf-2, GMTBE, GH2O như sau: Khối lượng sản phẩm MTBE đi ra phải là năng suất qui định của toàn dây chuyền sản xuất và bằng: 4830,918 (Kg/h) = 54,804 (Kmol/h). Như vậy GMTBE = 4830,918 (Kg/h). Như tính ở phần trước để đạt được năng suất MTBE theo yêu cầu là 54,804 (Kmol/h) thì lượng isobuten cần tạo ra từ quá trình dehydro hoá để cung cấp cho quá trình tổng hợp MTBE là 55,358 (Kmol/h) Lượng isobuten là: GIB = 55,358 . 56 = 3100,05 (Kg/h). Lượng metanol đưa vào quá trình tổng hợp MTBE theo tỷ lệ là: Metanol/IB = 1,1/1 (theo tỷ lệ mol) Như vậy lượng metanol đưa vào quá trình là: 55,358. 1,1 = 60,894 (Kmol/h) = 60,894 . 32 = 1948,608 (Kg/h) Lượng CH3OH đưa vào thiết bị = lượng CH3OH (99%) mới đưa vào + lượng CH3OH tuần hoàn. Trong đó: Lượng CH3OH tuần hoàn = lượng CH3OH còn lại sau phản ứng tổng hợp – lượng CH3OH trong sản phẩm MTBE. Lượng CH3OH còn lại sau phản ứng bằng lượng CH3OH đưa vào quá trình – lượng CH3OH tiêu thụ cho phản ứng là 60,894 – 54,804 =6,09(Kmol/h) =194,88 (Kg/h) Ta coi các sản phẩm phụ trong MTBE chỉ có CH3OH và không chứa DIB, TBA... Lượng CH3OH còn lại trong sản phẩm MTBE chiếm 1% trọng lượng, tức bằng: 4830,918. 0,01 = 48,309 (Kg/h) Ta coi rằng CH3OH được thu hồi theo dòng sản phẩm đỉnh ra khỏi tháp phản ứng là 100%. Như vậy lượng CH3OH tuần hoàn là: 194,880 – 48,309 = 146,571( Kg/h). Lượng CH3OH tinh khiết cần đưa vào là: 1948,608 – 146,571 = 1802,037 (Kg/h). Lượng CH3OH kỹ thuật cần đưa vào dây chuyền là: (Kg/h). Vậy lượng H2O đưa vào dây chuyền là: GH2O = (Kg/h) Bảng 12: Thành phần nguyên liệu vào và thành phần sản phẩm ra của quá trình tổng hợp MTBE: Thành phần nguyên liệu vào Lượng, Kg/h Thành phần sản phẩm ra Lượng, Kg/h Hỗn hợp lỏng C4 9250,438 GMTBE 4830,918 GCH3OH 1820,239 GH2O 18,202 CH3OH trong MTBE 48,309 Raffinat-2 GRaf-2 Để tính GRaf-2 ta làm như sau Ta có phương trình cân bằng vật chất cho quá trình ete hoá : G1 + GCH3OH = GRaf-2 + GMTBE + GCH3OH trong MTBE + GH2O => GRaf-2 = G1 + GCH3OH - GMTBE – GCH3OH trong MTBE - GH2O = 9250,438 + 1820,239 – 4830,918 – 48,309 – 18,202 = 6181,630 (Kg/h) Xác định thành phần và khối lượng dòng Raffinat-2: Ta có phản ứng: iso- C4H8 + CH3OH đ MTBE 54,804 54,804 54,804 Nếu coi rằng phản ứng đạt độ chuyển hoá là 99% mol (theo isobuten) và độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% thì lượng iso- C4H8 cần để tạo ra 54,804 Kmol/h MTBE là : (Kmol/h) Như vậy lượng iso- C4H8 chưa chuyển hoá là: 55,358 – 54,804 = 0,554 (Kmol/h). Còn các cấu tử khác trong hỗn hợp Raffinat-2 là trơ không phản ứng: Bảng 13: Thành phần và khối lượng của hỗn hợp khí Raffinat-2 như sau: STT Cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 iso-C4H8 0,512 0,554 31,024 2 iso-C4H10 83,497 90,258 5234,964 3 n-C4H10 5,505 5,951 345,158 4 n-C4H8 4,435 4,794 268,464 5 C3H8 1,835 1,984 87,298 6 C3H6 3,451 3,729 156,618 7 C5+ 0,765 0,827 57,890 Tổng 100 108,097 6181,416 Bảng 14: Cân bằng vật chất chung cho toàn bộ quá trình sản xuất MTBE như sau: STT Cấu tử vào Lượng, Kg/h Cấu tử ra Lượng, Kg/h 1 CH3OH 1820,239 MTBE 4830,918 2 iso- C4H10 8724,940 Raffinat-2 6181,416 3 n- C4H10 575,244 CH3OH trong MTBE 48,309 4 n- C4H8 46,312 H2O 18,202 5 C3H8 145,464 Khí thải 299,412 6 C5 57,890 Tổng 11370,089 11370,225 *Tính lượng nguyên liệu iso-C4H10 mới cần đưa vào dây chuyền:Khí rafinat-2 sau khi thu hồi được đem đi xử lý loại các loại các cấu tử chứa oxy như: metanol, MTBE, H2O( với lượng nhỏ), C3H8, C3H6... để đạt tiêu chuẩn như khí iso-C4H10 nguyên liệu. Nó được tuần hoàn trộn với dòng nguyên liệu mới. Ta có: lượng iso-C4H10 mới + lượng iso-C4H10 tuần hoàn = lượng đi vào dây chuyền. Tính lượng iso-C4H10 mới cần đưa vào là: 150,430 – 90,258 = 60,172 (Kmol/h). Vì trong hỗn hợp C4H10 nguyên liệu, iso-C4H10 chỉ chiếm 90% thể tích. Vậy lượng iso-C4H10 nguyên liệu mới cần đưa vào dây chuyền là: (Kmol/h) Bảng15: Thành phần của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu mới: STT Cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 iso-C4H10 91 60,172 3498,976 2 n-C4H10 6 3,967 230,086 3 n-C4H8 0,5 0,331 18,536 4 C3H8 2 1,33 58,52 5 C5 0,5 0,331 23,170 Tổng 66,131 3840,288 Gi-C4H10 nguyên liệu mới = 3840,288 (Kg/h) iso-C4H10 tuần hoàn có thành phần giống như nguyên liệu mới và khối lượng như sau: Bảng 16: Thành phần của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu tuần hoàn STT Cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 iso-C4H10 91 90,258 5234,964 2 n-C4H10 6 5,951 324,278 3 n-C4H8 0,5 0,496 27,776 4 C3H8 2 1,984 87,296 5 C5 0,5 0,496 34,720 Tổng 99,185 5709,034 Lượng Giso-C4H10 tuần hoàn = 5709,034 (Kg/h) Cân bằng: lượng iso-C4H10 mới vào + lượng iso-C4H10 tuần hoàn = Lượng iso-C4H10 vào dây chuyền 3840,288 (Kg/h) + 5709,034 (Kg/h) = 9549,850 (Kg/h) 2. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị ete hoá (dạng ống chùm): Ta có cân bằng: Tổng khối lượng vào = Tổng khối lượng ra Gi-C4H8 ngl + GCH3OH = GMTBE + GCH3OH dư + Ghh C4 còn lại Ta tính toán các khối lượng như sau: Gi-C4H8 ngl = 9250,438 (Kg/h ) GCH3OH = lượng metanol mới + lượng metanol tuần hoàn = 1802,239 + 146,571 = 1948,810 (Kg/h). Các cấu tử đi ra khỏi thiết bị phản ứng gồm: + GMTBE: ở thiết bị phản ứng thứ nhất có độ chuyển hoá đạt 85%, độ chọn lọc là 100%. iso- C4H8 + CH3OH đ MTBE 55,358 Kmol/h 55,358.85/100 Kmol/h Theo phản ứng trên thì lượng MTBE tạo ra là: GMTBE = (Kmol/h) = 4147,811 (Kg/h) => Lượng iso-C4H8 còn dư = 55,358 – 47,054 = 8,304 (Kmol/h) = 465,024 (Kg/h) Lượng CH3OH chưa phản ứng là: 60,894 – 47,054 = 13,840 (Kmol/h) = 442,880 (Kg/h) Bảng 17: Thành phần các cấu tử khác không tham gia phản ứng: Cấu tử Kmol/h Kg/h iso-C4H10 90,258 5234,964 n-C4H10 5,951 345,158 n-C4H8 4,794 268,464 C3H8 1,984 87,298 C3H6 3,729 156,618 C5 0,827 57,890 Ghh C4 còn lại = 465,024 + 5234,964 + 345,158 + 268,464 + 87,298 + 156,618 + 57,890 = 6615,416 (Kg/h) Bảng 18: Cân bằng vật chất cho thiết bị ete hoá: STT Cấu tử Lượng vào, Kg/h Lượng ra, Kg/h 1 iso-C4H8 3100,050 465,024 2 CH3OH 1929,322 438,451 3 MTBE 0 4147,811 4 iso-C4H10 5234,964 5234,964 5 n-C4H10 345,158 345,158 6 n-C4H8 268,464 268,464 7 C3H8 87,298 87,298 8 C3H6 156,618 156,618 9 C5 57,890 57,890 10 H2O 19,488 4,429 Tổng 11207,070 11207,930 3. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chưng tách: Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị ống chùm được đưa vào thiết bị phản ứng chưng tách. Vì vậy các cấu tử đầu vào ở thiết bị phản ứng cũng là các cấu tử và khối lượng của dòng ra của thiết bị phản ứng ống chùm. Ta có: Gvào = 11207,930 (Kg/h). ở thiết bị phản ứng chưng tách, do việc chưng tách sản phẩm MTBE liên tục khỏi môi trường phản ứng, làm độ chuyển hoá chung của quá trình đạt 99%. Sản phẩm MTBE ra khỏi thiết bị này là 54,804 (Kmol/h), trong đó MTBE tạo ra ở thiết bị phản ứng thứ nhất là 47,054 (Kmol/h). Như vậy lượng MTBE tạo ra ở thiết bị phản ứng chưng tách là: 54,804 - 47,054 = 7,750 (Kmol/h) = 683,163 (Kg/h) Lượng iso-C4H8 còn lại không phản ứng là: 8,304 – 7,750 = 0,554 (Kmol/h) = 31,024 (Kg/h) Lượng CH3OH còn lại sau tháp phản ứng chưng tách là: 442,880