Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Vinyl Axetat (VA) từ Axetylen với Axit axetic trên xúc tác Axetat kẽm trên than hoạt tính với năng suất 80000 tấn/năm

á trình tính toán, các lượng nhỏ này ta tính ẩn vào các lượng VA và CH3COOH đi ra. Còn về số liệu ta sẽ tính ở phần vật chất đi ra của tháp chưng luyện. II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA THIẾT BỊ LÀM LẠNH 1. Tính cân bằmg vật chất của thiét bị làm lạnh (7) a. Tính cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (7) Đi vào thiết bị làm lạnh (7) chính là lượng sảm phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng: Lượng VA 10.000 (kg/h) Lượng EDA 1476,239 (kg/h) Lượng CH3COOH dư 82,728 (kg/h) Lượng C2H2 dư 14638,252 (kg/h) Lượng N2 523,929 (kg/h) Lượng O2 93,016 (kg/h) Lượng C4H4 375,862 (kg/h) Lượng tạp chất do CH3COOH mang vào 167,145 (kg/h) Tổng lượng vật chất đi vào thiết bị (7) 27357,836 (kg/h) b. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị làm lạnh (7) Khi đi vào thiết bị làm lạnh (7) thì chỉ có VA, EDA, CH3COOH và tạp chất do CH3COOH mang vào là bị ngưng tụ, các chất còn không bị ngưng tụ. Hệu suất của thiết bị (7) là 70% nên ta có: + Luợng VA được ngưng tụ và đi vào thùng (12): 000.7100 70000.10 =× (kg/h) Suy ra lượng VA không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (8). 10.000 – 7.000 = 3.000 (kg/h) + Lượng EDA được ngưng tụ và đi vào thùng (12). 367,1033100 70239,1476 =× (kg/h) Suy ra lượng EDA không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (8). 9 1476,239 – 1033,367 = 442,872 (kg/h) + Lượng CH3COOH dư được ngưng tụ và đi vào thùng (12). 910,57100 70728,82 =× (kg/h) Suy ra lượng CH3COOH dư không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (8). 82,728 – 57,910 = 24,818 (kg/h) + Lượng tạp chất do CH3COOH mang vào bị ngưng tụ và đi đến thùng (12). 002,117100 70145,167 =× (kg/h) Suy ra lượng tạp chất do do CH3COOH mang vào không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (8): 167,145 – 117,002 = 50,143(kg/h) c. Cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (7) Cấu tử vào T.lượng(kg/h) Cấu tử ra T.lượng(kg/h) VA 10.000 VA đi vào thùng (12) 7.000 EDA 1476,293 EDA đi vào thùng (12) 1033,367 CH3COOH 82,728 CH3COOHđi vào thùng (12) 57,910 C2H2 14638,252 Tạp chất của CH3COOH đi ra vào thùng (12) 117,002 N2 523,929 VA đi sang thiết bị (8) 3.000 O2 93,016 EDA đi sang thiết bị (8) 442,872 C4H4 375,862 CH3COOHđi sang thiết bị (8) 24,818 Tạp chất của CH3COOH 167,145 Tạp chất của CH3COOH đi sang thiết bị (8) 50,143 C2H2 đi sang thiết bị (8) 14638,252 N2 đi sang thiết bị (8) 523,929 O2 đi sang thiết bị (8) 93,016 C4H4 đi sang thiết bị (8) 375,862 Tổng vào 27357,225 Tổng ra 27357,225 10 2. Tính cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (8) a. Lượng vật chất của thiết bị (8). Tổng lượng vật chất vào thiết bị (8) là toàn bộ phần khối lượng ngưng tụ ở thiết bị (7) Lượng VA 3.000 (kg/h) Lượng EDA 442,872 (kg/h) Lượng CH3COOH 24,818 (kg/h) Lượng tạp chất của CH3COOH 50,143 (kg/h) Lượng C2H2 14638,252 (kg/h) Lượng N2 523,929 (kg/h) Lượng O2 93,016 (kg/h) Lượng C4H4 375,862 (kg/h) Tổng lượng vật chất vào thiết bị (8): 19148,890 (kg/h) b. Tính lượng vật chất đi ra khỏi thiết bị làm lạnh (8) Tại thiết bị làm lạnh (8) thì VA, EDA, CH3COOH được ngựng tụ một phần và đi vào thùng (12), phần còn lại thì cùng khí không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (8) là 66% nên ta có: + Lượng VA ngưng tụ và đi vào thùng (12): 1980100 66000.3 =× (kg/h) Suy ra lượng VA không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (9): 3.000 – 1980 = 1020 (kg/h) + Lượng EDA ngưng tụ và đi vào thùng (12): 296,292100 66872,442 =× (kg/h) Suy ra lượng EDA không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (9): 442,296 – 292,296 = 150,576 (kg/h) + Lượng CH3COOH ngưng tụ và đi vào thùng (12): 11 380,16100 66818,24 =× (kg/h) Suy ra lượng CH3COOH không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (9): 24,818 – 16,380 = 8,438 (kg/h) + Lượng tạp chất của CH3COOH ngưng tụ và đi vào thùng (12). 094,33100 66143,50 =× (kg/h) Suy ra lượng tạp chất của CH3COOH không ngưng tụ đi sang thiết bị làm lạnh (9): 50,143 – 33,094 = 17,049 (kg/h) c. Cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (8) Cấu tử vào T.lượng(kg/h) Cấu tử ra T.lượng(kg/h) VA 3.000 VA đi ra vào thùng (12) 1980 EDA 442,872 EDA đi ra vào thùng (12) 292,296 CH3COOH 24,818 CH3COOH đi ra vào thùng (12) 16,380 Tạp chất của CH3COOH 50,143 Tạp chất của CH3COOH đi ra vào thùng (12) 33,094 C2H2 14638,252 VA đi sang thiết bị (9) 1020 N2 523,929 EDA đi sang thiết bị (9) 150,576 O2 93,016 CH3COOH đi sang thiết bị (9) 8,438 C4H4 375,862 Tạp chất của CH3COOH đi sang thiết bị (9) 17,049 C2H2 đi sang thiết bị (9) 14683,252 N2 đi sang thiết bị (9) 523,872 O2 đi sang thiết bị (9) 93,006 C4H4 đi sang thiết bị (9) 375,821 Tổng vào 19148,892 Tổng ra 19148,748 3. Tính cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (9) 12 a. Lượng vật chất vào thiết bị làm lạnh (9) Lượng vật chất vào thiết bị làm lạnh (9) là phần không ngưng tụ ở thiết bị làm lạnh (8) đi sang: Lượng VA 1020 (kg/h) Lượng EDA 150,576 (kg/h) Lượng CH3COOH 8,438 (kg/h) Lượng tạp chất của CH3COOH 17,049 (kg/h) Lượng C2H2 14683,252 (kg/h) Lượng N2 523,929 (kg/h) Lượng O2 93,016 (kg/h) Lượng C4H4 375,862 (kg/h) Tổng lượng vật chất vào thiết bị (9): 16827,122 (kg/h) b. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị (9) Tại thiết bị (9) thì VA, EDA, CH3COOH và tạp chất của CH3COOH mang vào được ngưng tụ và đưa vào thùng (12). Phần không ngưng tụ như: C2H2, N2, O2, C4H4… được đưa đến máy nén khí (21) tuần hoàn trở lại. Hiệu suất của thiết bị (9) là >99% để ngưng tụ triệt để hơn (lấy khoảng 95%). + Lượng VA ngưng tụ đi vào thiết bị (12) 969 100 951020 =× (kg/h) Suy ra, lượng VA không ngưng tụ đi tới máy nén (21): 1020 – 969 = 51 (kg/h) + Lượng EDA ngưng tụ đi vào thiết bị (12): 047,143100 95576,150 =× (kg/h) Suy ra lượng EDA không ngưng tụ đi tới máy nén (21): 150,576 – 143,047 = 7,529 (kg/h) + Lượng CH3COOH ngưng tụ đi vào thiết bị (12): 016,8100 95438,8 =× (kg/h) 13 Suy ra lượng CH3COOH không ngưng tụ đi tới máy nén (21): 8,438 – 8,016 = 0,416 (kg/h) + Lượng tạp chất của CH3COOH ngưng tụ đi vào thiết bị (12): 197,16100 95049,17 =× (kg/h) Suy ra lượng tạp chất của CH3COOH không ngưng tụ đi tới máy nén (21): 17,049 – 16,197 = 0,852 (kg/h) c. Bảng cân bằng vật chất của thiết bị làm lạnh (9) Cấu tử vào T.lượng(kg/h) Cấu tử ra T.lượng(kg/h) VA 1020 VA đi ra vào thùng (12) 969 EDA 150,576 EDA đi ra vào thùng (12) 143,047 CH3COOH 8,438 CH3COOH đi ra vào thùng (12) 8,016 Tạp chất của CH3COOH 17,049 Tạp chất của CH3COOH đi ra vào thùng (12) 16,197 C2H2 14638,252 VA đi sang máy nén (21) 51 N2 523,929 EDA đi sang máy nén (21) 7,529 O2 93,016 CH3COOH đi sang máy nén (21) 0.422 C4H4 375,862 Tạp chất của CH3COOH đi sang máy nén (21) 0,839 C2H2 đi sang máy nén (21) 14683,252 N2 đi sang máy nén (21) 523,872 O2 đi sang máy nén (21) 93,006 C4H4 đi sang máy nén (21) 375,821 Tổng vào 16827,122 Tổng ra 16827,122 III. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN Hoón hụùp saỷn phaồm tửứ caực thieỏt bũ ngửng tuù (7), (8), (9) ủi vaứo thuứng chửựa (12) ủửụùc cho theõm hydroquinol ủeồ traựnh sửù truứng hụùp. Sau ủoự hoón hụùp ủửụùc ủửa ủeỏn thieỏt bũ gia nhieọt baống hụi nửụực (10) 14 ủeồ ủun noựng hoón hụp ủeỏn nhieõt ủoọ caàn thieỏt trửụực khi vaứo thaựp chửng luyeọn. 1. Tớnh lửụùng chaỏt vaứo thaựp chửng luyeọn Lửụùng vaọt chaỏt vaứo thaựp chửng luyeọn chớnh laứ toồng soỏ VA, EDA, CH3COOH vaứ taùp chaỏt cuỷa CH3COOH kỹ thuật trong thùng (12). Lượng VA đi vào tháp chưng luyện: 7.000 + 1980 + 969 = 9949 (kg/h) Lương EDA đi vào tháp chưng luyện: 1033,367 + 292,296 + 143,047 = 1468,71 (kg/h) Lương CH3COOH đi vào tháp chưng luyện: 57,910 + 16,380 + 8,016 = 82,306 (kg/h) Lương tạp chất của CH3COOH đi vào tháp chưng luyện: 117,002 + 33,094 + 16,197 = 166,313 (kg/h) Tổng lượng vật chất đi vào chưng luyện: 9949 + 1468,71 + 82,306 + 166,313 = 11666,329 (kg/h) 2. Tính lượng vật chất đi ra khỏi tháp chưng luyện Ở lượng vật chất đi ra khỏi thiết bị phản ứng, có 1 lượng nhỏ các sản phẩm phụ như: PVA, axeton, axetalđehyd…được tạo ra do VA trùng hợp, thủy phân và CH3COOH phân hủy. Tại đây ta sẽ tính toán các lượng sản phẩm phụ này. Tháp chưng luyện phân tách các hỗn hợp sản phẩm với các thông số hiệu suất làm việc như sau: - Đối với VA: có 1,5% trùng hợp và tạo cặn, 0,2% đi vào thùng chứa EDA (19), 0,3% phân hủy tạo ra acid axetic và axetaldehyd, còn lại đi vào thùng chứa VA (18). + Lượng VA trùng hợp và tạo cặn: 235,149100 5,19949 =× (kg/h) + Lượng VA đi vào thùng chứa EDA (19): 898,19100 2,09949 =× (kg/h) 15 + Lượng VA phân hủy tạo ra acid axetic và axetaldehyd: 847,29100 3,09949 =× (kg/h) Theo phương trình phản ứng thuỷ phân VA: CH2=CHOCOCH3 + H2O CH3COOH + CH3CHO 86 kg VA sẽ phản ứng với 18 kg nước sinh ra 60 kg acid axetic và 44 kg axetaldehyd. Vậy từ 29,847 kg VA sẽ phản ứng với 6,155 kg nước sinh ra 20,511 kg Acid axetic và 15,041 kg Axetaldehyd . Lượng nước dùng cho phản ứng thủy phân lấy từ lượng hơi nước do tạp chất mang theo. Trong 15,041 kg axetaldehyd thì có 0,752 kg đi vào thùng chứa (18) còn 14,290 kg đi ra phía trên đỉnh tháp. => Lượng VA đi vào thùng chứa (18): 9949 – (147,044 + 19,606 + 29,409) = 9752,941 (kg/h) - Đối với EDA: có 3% tạo cặn ra ngoài, 0,1% đi vào thùng chứa VA còn lại đi vào thùng chứa EDA (9). + Lượng EDA tạo cặn ra ngoài: 061,44100 3154,1468 =× (kg/h) + Lượng EDA đi vào thùng chứa VA (18): 468,1100 1,0154,1468 =× (kg/h) => Lượng EDA đi vào thùng chứa EDA (19): 1468,154 - (44,061 + 1,468) = 1423,18 (kg/h) - Đối với CH3COOH: có 1% đi vào thùng chứa (18), 1% đi vào thùng chứa (19), 1% tạo cặn, 2% bị phân hủy còn lại thu được cho tuần hoàn trở lại thiết bị (2). + Lượng CH3COOH đi vào thùng chứa (18): 823,0100 1306,82 =× (kg/h) 16 + Lượng CH3COOH đi vào thùng chứa (19): 0,823 (kg/h) + Lượng CH3COOH tạo cặn: 0,823 (kg/h) + Lượng CH3COOH bị phân hủy theo phương trình: 2CH3COOH CH3- CO- CH3 + CO2 + H2O 646,1100 2306,82 =× (kg/h) 1,622 kg/h CH3COOH bị phân huỷ sẽ tạo thành 0,784 kg/h axeton cùng với 0,595 (kg/h) khí CO2 đi ra ở đỉnh tháp và lượng nước vào thùng (18) là 0,243 (kg/h). => Lượng CH3COOH còn lại là: 82,306 – (1,646 + 0,823×3) = 78,191 (kg/h) - Lượng tạp chất đi vào sau khi đã mất 6,155 cho phản ứng thuỷ phân VA còn lại là: 167,145 - 6,201 = 160,944 (kg/h) Lượng tạp chất này bị hoà tan và tạo thành cặn. + Tổng lượng cặn tạo thành ở đáy tháp ra ngoài: 160,944 + 148,14 + 44,061 + 0,823 = 353,968 (kg/h) + Tổng lượng CH3COOH thu được cho tuần hoàn trở lại thiết bị (2): 78,191 + 20,671 = 98,862 (kg/h) 3. Bảng cân bằng vật chất của tháp chưng luyện Cấu tử vào T.lượng (kg/h) Cấu tử ra T.lượng (kg/h) VA 9949 VA đi ra thùng chứa (18) 9752,941 EDA 1468,71 VA đi vào thùng (19) 19,898 CH3COOH 82,306 VA tạo cặn ở đáy tháp 149,253 Tạp chất của CH3COOH 166,313 EDA đi vào thùng chứa (18) 1,469 EDA đi vào thùng chứa (19) 1423,18 EDA tạo cặn 44,061 Ghi chú: Lượng VA ở đây bao gồm cả lượng VA và CH3COOH tạo ra CH3COOH thu được tuần hoàn lại (2) 98,926 17 CH3COOH đi vào thùng chứa (18) 0,823 CH3COOH tạo cặn 0,823 CH3COOH đi vào thùng chứa (19) 0,823 Lượng hơi nước đi vào thùng chứa (18) 0,267 Lượng axetaldehyd tạo thành 15,159 Axeton đi ra phía trên đỉnh tháp 0,784 CO2 đi ra phía trên đỉnh tháp 0,595 các sản phẩm phụ như : PVA, axeton, axetaldehyd … Cặn do tạp chất tạo thành 160,944 Tổng vào 11666329 Tổng ra 11666329 Tính nồng độ của VA sản phẩm trong thùng (18): 99,97%100% 0,2670,7840,8231,4699752,941 9752,941C 100% mmmmm mC VA OHCHOCHCOOHCHEDAVA VA VA 233 =×++++= ×++++= CVA = 99,97% C.TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG I. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TẠI THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Hỗn hợp nguyên liệu có nhiệt độ 1500C đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, được hỗn hợp sản phẩm phản ứng đun nóng tới nhiệt độ cần thiết trước khi đi vào thiết bị phản ứng. Hỗn hợp sản phẩm phản ứng đi vào có nhiệt độ 2100C và đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệt độ 1700C. Ta có: Q1: Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào, kcal/h. Q2: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào, kcal/h. Q3: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang ra, kcal/h. Q4: Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang ra, kcal/h. Q5: Nhiệt lượng do mất mát trong quá trình, kcal/h. Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 18 1. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Hỗn hợp nguyên liệu có nhiệt độ 1500C đi vào thết bị trao đổi nhiệt bao gồm: C2H2, N2, O2, C4H4 và CH3COOH cùng tạp chất của nó. Nhiệt lượng của từng chất được tính theo công thức: qi = Gi×Ci × ti , kcal/h. Trong đó: + Gi là khối lượng của chất i, kg/h. + Ci là nhiệt dung riêng của chất i, Kcal/h. + ti là nhiệt độ của chất i, 0C Tổng nhiệt lượng của hỗn hợp sẽ là: ∑= iqQ , kcal/h Ta có khối lượng của các chất trong hỗn hợp: 17990,129G 22HC = (kg/h) 523,992G 2N = (kg/h) 93,016G 2O = (kg/h) 375,861G 44HC = (kg/h) Đối với CH3COOH và tạp chất của nó ta coi như tính toán chung là CH3COOH: 8440,511167,6908272,821GGG c tCOOHCHch 3 =+=+= (Kg/h) Nhiệt dung của từng cấu tử 0,469C 22HCP = (kcal/kg×độ) [ 7.178-195] 0,250C 2NP = (kcal/kg×độ) [7.178-202] 0,227C 2OP = (kcal/kg×độ) [7.178-203] Nhiệt dung riêng của C4H4 được tính theo công thức: M ...CnCnCnC 332211P +++= [7.41 - 203] Trong đó: + Cp là nhiệt dung của hỗn hợp chất hoá học, kcal/kg×độ + M là khối lượng mol của hợp chất. 19 + n1, n2, n3 là số nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, kcal/kg ngtử ×độ Ở 1500C ta có: 3,465CHP = (kcal/kg ngtử×độ) 0,415CCP = (kcal/kg ngtử×độ) Với C4H4 thì M = 52 ; nC= 4; nO= 4 nên ta có: 0,29952 3,46540,4154C 44HCP =×+×= (kcal/kg×độ) Nhiệt dung của CH3COOH được tính theo công thức: CP = )(Tϕ CP = a + bT + cT2 Trong đó a, b, c là các hệ số của phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: a0 = 5,2 T = 150 + 273 = 4230K a1 = 46,16×10-3 a2 = -18,35×10-6 Thay số vào ta được: )4231035,18()4231016,46(2,5C 263COOHCHP 3 ××−××+= −− = 29,057 (kcal/kmol×độ) = 0,484 (kcal/kg×độ) Ta có : ∑ ×= t)CG(Q ii Q1 = ( COOHCHPch HC PHC O P0 N PN HC PHC 344 44 2 2 2 2 22 22 CGCGCGCGCG ⋅+×+⋅+⋅+⋅ ).t Q1 = (17990,129×0,469 + 523,929×0,250 + 93,016×0,227 + 375,862×0,299 + 8440,511×0,484) ×150 Q1 = 1918060,05 (kcal/h) 2. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào Hỗn hợp sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 2100C đi vào thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm : C2H2, N2, O2, C4H4, VA, EDA và CH3COOH cùng tạp chất của nó. Ta có khối lượng của các chất như sau: 14638,252G 22HC = (kg/h) 523,929G 2N = (kg/h) 20 93,016G 2O = (kg/h) 375,862G 44HC = (kg/h) 10.000GVA = (kg/h) 1476,293GEDA = (kg/h) 249,872167,14582,728GGG t/cCOOHCHch 3 =+=+= (kg/h) Nhiệt dung của các chất ở 2100C: 0,496C 22HCP = (kcal/kg×độ) [7.177-195] 0,253C 2NP = (kcal/kg×độ) [7.178-202] 0,234C 2OP = (kcal/kg×độ) [7.178-203] 0,414C 44HCP = (kcal/kg×độ) 0,406CVAP = (kcal/kg×độ) 0,416CCP = (kcal/kg×độ) 3,468CHP = (kcal/kg×độ) EDA có M = 146; nc =6; nH = 10; nO=4 nên: 0,261146 0,23443,468100,4166CEDAP =×+×+×= (kcal/kg.độ) Nhiệt dung của CH3COOH được tính theo công thức: CP = )(Tϕ CP = a + bT + cT2 Trong đó a, b, c là các hệ số của phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: T = 210 + 273 = 4830K Thay số vào ta được: )4831035,18()4831016,46(2,5C 263COOHCHP 3 ××−××+= −− = 31,9804 (kcal/kmol×độ) = 0,5318 (kcal/kg×độ) Vậy nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào ở 2100C là: Q2 = (14683,252×0,469 + 523,929×0,253 + 93,016×0,234 + 375,862×0,414 21 + 10.000×0,406 + 1476,293×0,261 + 249,873×0,532) ×210 Q2 = 2467765,44 (kcal/h) 3. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang ra Hỗn hợp sản phẩm phản ứng ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt có thành phần khối lượng các chất không đổi và nhiệt dung riêng của chúng ở 1700C như sau: 0,481C 22HCP = (kcal/kg×độ) 0,252C 2NP = (kcal/kg×độ) 0,230C 2OP = (kcal/kg×độ) 0,376CVAP = (kcal/kg×độ) 0,414CCP = (kcal/kg×độ) 3,468CHP = (kcal/kg×độ) C4H4 có M = 52, nC= 4; nH = 4 nên ta có: 0,29952 3,46840,4144C 44HCP =×+×= (kcal/kg×độ) EDA có M = 146; nc =6; nH = 10; nO=4 nên: 10,26146 0,23443,468100,4166CEDAP =×+×+×= (kcal/kg×độ) Nhiệt dung của CH3COOH được tính theo công thức: CP = )(Tϕ CP = a + bT + cT2 Trong đó a, b, c là các hệ số của phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: T = 170 + 273 = 4430K Thay số vào ta được : )4431035,18()4431016,46(2,5C 263COOHCHP 3 ××−××+= −− = 30,022 (kcal/kmol×độ) = 0,500 (kcal/kg×độ) Vậy nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang ra ở 1700C: Q3 = (14638,252×0,481 + 523,929×0,252 + 93,016×0,230 + 375,862×0,299 + 10.000×0,376 + 1476,293×0,261 + 249,873×0,500) ×170 22 Q3 = 1968099,35 (kcal/h) 4. Tính nhiệt lượng mất mát của quá trình Nhiệt lượng mất mát của quá trình bằng 2% tổng nhiệt lượng vào (Q1 +Q2) Q5 = (Q1 + Q2) ×2% = (1918060,05 + 2467765,44) ×0,02 Vậy Q5 = 87716,510 (kcal/h) 5. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang ra Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 => Q4 = (Q1 + Q2) – (Q3 + Q5) = (1918060,05 + 2467765,44) – (1968099,35 + 87716,510) Vậy Q4 = 2330009,64 (kcal/h) Bảng cân bằng nhiệt lượng của thiết bị trao đổi nhiệt NHIỆT LƯỢNG VÀO (kcal/h) Q1 : nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào 1918060,05 Q2 : Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào 2467765,44 TỔNG CỘNG Σ4385825,49 NHIỆT LƯỢNG RA (kcal/h) Q3 : Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang ra 1968099,35 Q4 : Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang ra 2330009,64 Q5 : Nhiệt lượng mất mát trong quá trình 87716,510 TỔNG CỘNG Σ4385825,50 II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 170ữ1800C, tại đây các phản ứng của quá trình tổng hợp VA xảy ra và có sự toả nhiệt lớn. Để không chế nhiệt độ của quá trình ta cho nước có nhiêt độ 250C đi bên ngoài các ống của thiết bị khi ra ngoài có nhiệt độ 450C. Hỗn hợp sản phẩm phản ứng đi ra có nhiệt độ 2100C. 23 Để tính toán cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng ta chọn một số thông số sau: - Nhiệt độ nguyên liệu đầu 250C. - Nhiệt độ nguyên liệu vào thiết bị 1700C. - Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị 2100C. Một số ký hiệu: Q1: Nhiệt lượng do các phản ứng toả ra, (kcal/h). Q2: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang ra, (kcal/h). Q3: Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào, (kcal/h). Q4: Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liêu mang vào, (kcal/h). Q5: Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra, (kcal/h). Q6: Nhiệt lượng mất mát của quá trình, (kcal/h). 1. Nhiệt lượng do phản ứng toả ra Trong quá trình tổng hợp VA ngoài phản ứng chính còn xảy ra các phản ứng phụ. Nhiệt lượng toả ra chủ yếu là do 2 phản ứng sau: C2H2 + CH3COOH → CH2CHOCOCH3 + 28,3 (kcal/mol) CH2 = CHOCOCH3 + CH3COOH → CH3CH(OCOCH3)2 + 6,2 (kcal/mol) Nhiệt lượng toả ra do phản ứng tạo VA là: 116,3273915 86 3,2810009949 =×× (kcal/h) Nhiệt lượng toả ra do phản ứng tạo EDA là: 895,62691 146 2,61000293,1476 =×× (kcal/h) Nhiệt lượng do các phản ứng toả ra là: Q1 = 3273915,116 + 62691,895 = 3336607,011 (kcal/h) 2. Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang ra Nhiệt lượng này chính là nhiệt lượng đi vào thiết bị trao đổi nhiệt để đun nóng hỗn hợp nguyên liệu. Do đó: Q2 = 2467765,44 (kcal/h) 3. Tính nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào Gọi lượng nước cần đưa vào là OH2G (kg/h) 24 Nhiệt dung riêng của nước ở 250C là =OHP 2C 0,999 (kcal/kg×độ) Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào là: OHOH OH POH3 22 2 2 G24,975250,999G25CGQ ×=××=××= (kcal/h) 4. Tình nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Nhiệt lượng này chính là nhiệt lượng của hỗn hợp phản ứng mang ra từ thiết bị trao đổi nhiệt. Do đó Q4 = 2330009,64 (kcal/h) 5. Tính nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra Nước đi ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ t = 450C. Nhiệt dung riêng của nước ở 450C là: =OHP 2C 0,998 (kcal/h) Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra: OHOH OH POH5 22 2 2 G44,91450,998G45CGQ ×=××=××= (kcal/h) 6. Tính nhiệt lượng mất mát trong quá trình Lượng nhiệt mất mát trong quá trình là 2%. Ta có: Q6 = (Q1 + Q2 + Q3) ×2% Q6 = (3336607,011 + 2467765,44 + 24,975 OH2G× )×0,02 Q6 = 116087,449 + 0,499 OH2G× Theo phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q3 + Q4 = Q2 + Q5 + Q6 3336607,011 + 24,975 OH2G× + 2330009,64 = 2467765,44 + 44,91 OH2G× +116087,449 + 0,499 OH2G× => =OH2G 150864,43 (kg/h) Thay vào trên ta có: Q3 = 24,975×150864,43 = 3767839,138 (kcal/h) Q5 = 44,91×150864,43 = 6775321,551 (kcal/h) Q6 = 116087,449 + 0,499×150864,43 = 191368,800 (kcal/h) 25 Bảng15. Bảng cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng NHIỆT LƯỢNG ĐẦU VÀO(kcal/h) Nhiệt lượng do các phản ứng tảo ra Q1 3336607,011 Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào Q3 3767839,138 Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Q4 2330009,64 TỔNG Σ 9434455,789 NHIỆT LƯỢNG ĐẦU RA(kcal/h) Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra Q2 2467765,44 Nhiệt lượng do mất mát Q5 6775321,551 Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra Q6 191368,800 TỔNG Σ9434455,791 III. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ LÀM LẠNH 7 Hỗn hợp sản phẩm đi vào thiết bị làm lạnh (7) có nhiệt độ 1700C. Tại đây, 70% lượng chất ngưng được ngưng tụ với tác nhân làm lạnh là nước. Nước làm lạnh cá nhiệt độ vào là 250C và nhiệt độ ra là 450C. Hỗn hợp sản phẩm ngưng tụ đi ra có nhiệt độ 700C. Q1: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang vào, kcal/h. Q2: Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào, kcal/h. Q3: Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra, kcal/h. QL: Nhiệt lượng do phần lỏng ngưng tụ mang ra, kcal/h. QK: Nhiệt lượng do phần khí chưa ngưng tụ mang ra, kcal/h. QH: Nhiệt lượng của phần hơi chưa ngưng tụ mang ra, kcal/h. Q4: Nhiệt lượng mất mát trong quá trình, kcal/h. Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q1+ Q2 = Q3+ QL + QK + QH + Q4 1. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang vào thiết bị làm lạnh (7) 26 Bỏ qua ma sát trung gian ta có nhiệt lượng này chính là nhiệt lượng của sản phẩm phản ứng đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt. Do đó: Q1 = 1968099,35 (Kcal/h) 2. Tính nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm ngưng tụ đi ra Các chất được ngưng tụ gồm có: VA và tạp chất của nó. Lượng chất được ngưng tụ chiếm đến 70% lương chất ngưng được tách bởi thiết bị phân riêng khí- lỏng và đưa đến thùng chứa (12). Phần khí không ngưng và hơi chưa ngưng tụ được đưa sang thiết bị làm lạnh (8). a. Tính nhiệt lượng của phần lỏng được ngưng tụ mang ra Lượng vật chất ngưng tụ: 7.000GVA = (kg/h) 1033,367GEDA = (kg/h) 174,912117,00257,910GGG t/cCOOHCHch 3 =+=+= (kg/h) Nhiệt dung riêng của từng chất ở 700C là: 60,48CVAP = (kcal/kg×độ) 0,414CCP = (kcal/kg×độ) 3,456CHP = (kcal/kg×độ) 0,223COP = (kcal/kg×độ) EDA có M = 146, nc =6; nH = 10, nO=4 nên: 00,26146 0,22343,456100,4146CEDAP =×+×+×= (kcal/kg×độ) Nhiệt dung của CH3COOH được tính theo công thức: CP = )(Tϕ CP = a + bT + cT2 Trong đó a, b, c là các hệ số của phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: T = 70 + 273 = 3430K Thay số vào ta được : )3431035,18()3431016,46(2,5C 263COOHCHP 3 ××−××+= −− 27 = 25,048 (kcal/kmol×độ) = 0,418 (kcal/kg×độ) Nhiệt lượng của phần lỏng ngưng tụ mang ra ở 700C: QL= 07)CGCGC(G COOHCH PCOOHCH EDA PEDA VA PVA 3 3 ××+×+× = (7.000×0,486 + 1033,367×0,260 + 174,912×0,418) ×70 QL = 262048,5 (kcal/h) b. Tính nhiệt lượng của phần khí không ngưng tụ mang ra Lượng vật chất không ngưng tụ: 14638,252G 22HC = (kg/h) 523,992G 2N = (kg/h) 93,016G 2O = (kg/h) 3750862G 44HC = (kg/h) Nhiệt dung riêng của các khí không ngưng tụ ở 700C: 0,419C 22HC = (kcal/kg×độ) 0,249C 2NP = (kcal/kg×độ) 0,223C 2OP = (kcal/kg×độ) 0,414C 44HCP = (kcal/kg×độ) Nhiệt lượng do hỗn hợp khí không ngưng tụ mang ra: QK = 70)CGCGCGC(G 4444 2 2 2 2 22 22 HC PHC O PO N PN HC PHC ××+×+×+× = (14638,525×0,419 + 523,929×0,249 + 93,016×0,223 + 375,862×0,414) ×70 = 451236,520 (Kcal/h) c. Tính nhiệt lượng của hơi chưa ngưng tụ mang ra. Lượng hơi chưa ngưng tụ: 3.000GVA = (kg/h) 422,872GEDA = (kg/h) 961,74143,50818,24Gch =+= (kg/h) 28 Nhiệt dung riêng của hơi sản phẩm ở 700C: 0,486CVAP = (kcal/kg×độ) 0,260CEDAP = (kcal/kg×độ) 0,418C COOHCHP 3 = (kcal/kg×độ ) Nhiệt hoá hơi của các chất ở 700C: rVA = 78,040 (kcal/kg) [7.216-261] rEDA = 33,017 (kcal/kg) [7.216-261] 600,90r COOHCH3 = (kcal/kg) [7.213-256] Nhiệt lượng do hỗn hợp hơi chưa ngưng tụ mang ra: QH = )r70(CG)r70(CG)r70(CG COOHCHCOOHCHPchEDAEDAPEDAVAVAPVA 33 +×++×++×⋅ QH = 3.000× (0,486×70 + 78,040) + 442,872×(0,26×70 + 33,017)