Thiết kế phân xưởng sản xuất Mtbe với năng suất 25000t/năm

t độ Phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt nên khi ta giảm nhiệt độ phản ứng (giữ nguyên các điều kiện khác) thì cân bằng chuyển dịch theo hướng tạo MTBE vì vậy giảm nhiệt độ có lợi cho quá trình. Tuy nhiên các loại xúc tác đều có thể cho độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao trong khoảng nhiệt độ T = 40 - 1000C. Nhưng nhiệt độ tối ưu là 80-900C. b) Tỷ lệ nguyên liệu metanol/izobutan Tỷ lệ izobuten/metanol khống chế trong khoảng 1,1/1 vì izobuten khá hoạt động nên nếu izobuten dư thì có thể xảy ra các phản ứng tạo sản phẩm phụ. Do đó tỷ lệ metanol/izobuten ảnh hưởng lớn đến độ chuyển hóa do độ chuyển hóa của metanol thấp hơn izobuten. c) áp suất áp suất làm việc 15 - 20 atm, áp suất ít ảnh hưởng tới quá trình. d) Xúc tác [1,26] Xúc tác ảnh hưởng lớn đến quá trình tổng hợp MTBE vì mức độ chuyển hóa phụ thuộc vào hoạt tính của xúc tác. Hoạt tính xúc tác được quyết định bởi số tâm hoạt động (số tâm axit trên xúc tác). Do đó độ axit của xúc tác và sự phân tán các tâm axit trên bề mặt xúc tác ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp MTBE. Quá trình tổng hợp MTBE trên xúc tác nhựa trao đổi ion dùng xúc tác dạng cần có đường kính d = 9m8 - 1,2 mm. Và để đảm bảo trở lực trong thiết bị phản ứng có lớp xúc tác tĩnh không quá lớn thì xúc tác được sản xuất dưới dạng các hạt đệm. Trong quá trình làm việc nếu xúc tác tiếp xúc với các hợp chất có tính bazơ (lẫn trong nghiệm) thì sẽ làm giảm hoạt tính xúc tác khoảng thời gian 10-12 năm ta phải tái sinh xúc tác bằng H2SO498% dễ bão hòa. e) Thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng MTBE là thiết bị dạng ống, xúc tác tĩnh. Dùng thiết bị ống chùm hoặc đoạn nhiệt để tận dụng cho quá trình chung tacvhs sản phẩm. IV.5. Lựa chọn sơ đồ công nghệ a) Sơ đồ công nghệ [13] Quá trình ETE hóa để sản xuất MTBE bao gồm 3 giai đoạn + giai đoạn 1: Tổng hợp MTBE trên xúc tác + giai đoạn 2: chưng tác sản phẩm + giai đoạn 3: xử lý và thu hồi nguyên liệu b) Lựa chọn sơ đồ công nghệ tổng hợp MTBE Coi nồng độ ban đầu của metanol là 99% và izobuten sau quá trình tách nước của TBA có nồng độ 99% do vậy phản ứng tổng hợp MTBE có hiệu suất khá cao. Phản ứng tổng hợp MTBE là hpản ứng tỏa nhiệt nên ta chọn sơ đồ công nghệ gồm hai thiết bị. Một thiết bị đoạn nhiệt và một thiết bị chưng cất xúc tác (CD). Tại thiết bị chưng cất xúc tác cân bằng chuyển dịch về phía tạo MTBE. Với hai thiết bị này độ chuyển hóa cho MTBE có thể đạt tới 99% vì sau thiết bị một cho ta mức chuyển hóa khoảng 85% ta cho vào thiết bị thứ hai mà không cần gia nhiệt (tận dụng nhiệt ). Thuyết minh sơ đồ công nghệ tổng hợp MTBE từ TBA TBA từ bể chứa nguyên liệu được bơm (6) đưa lên thiết bị gia nhiệt (5) để tận dụng nhiệt của sản phẩm và tiếp tục đưa sang hai thiết bị gia nhiệt (4) để tận dụng nhiệt của khó lò. Sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng (3) tại đây quá trình tách nước xảy ra (nhiệt độ lò phản ứng là 300 - 4000C) TBA đi trong ống chùm từ trên xuống, xúc tác Al2O3 đặt trong ống, khói cháy được cung cấp từ lò đốt (1) bằng cách đốt dầu với không khí và được dẫn sang thiết bị phản ứng (3). Sản phẩm của phản ứng tách nước của TBA được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (5) (cấp nhiệt cho nguyên liệu)sau đó được đưa qua thiết bị làm lạnh (7) ngưng tụmột phần hơi nước. Tiếp đó nó được đưa qua thiết bị phân ly (8) tách nước khỏi hơi Izobuten. Hơi Izobuten ra khỏi đỉnh (8) được đưa vào thiết bị sấy khô (9), ở đây thiết bị sấy dùng chấp hấp phụ là than họat tính hơi Izobuten tiếp tục được máy nén (10) nén đến khoảng 1,5 - 2MPa. Izobuten ra khỏi đáy thiết bị (11) được đưa về thiết bị phân ly (12) để tách không khí ngưng và đưa vào bể chứa Izobuten. Metanol lỏng từ bể chứa và Izobuten từ quá trình để hydra hóa được tồn tại ở trạng thái lỏng và được bơm vào cùng một đường ống và đưa vào thiết bị gia nhiệt (13) để nâng nhiệt độ đến khoảng 600C rồi đưa vào thiết bị phản ứng số (15). Tại (15) với lượng xúc tác cần thiết (xúc tác nhựa trao đổi ion), nhiệt độ khoảng 50-1000C và áp suất là 15-20atm sẽ chuyển hóa hỗn hợp nguyên liệu thành sản phẩm MTBE với mức độ chuyển hóa khoảng 85% thiết bị phản ứng (15) được chia thành 3 vùng phản ứng. (việc thiết kế phải đảm bảo mức độ chuyển hóa ở cả 3 vùng là 85%) và nhiệt độ hỗn hợp lỏng ra khỏi các vùng không vượt quá 1000C. Vì phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng trả nhiệt nên để có nhiệt độ thích hợp coh phản ứng xảy ra ở vùng thứ hai và thứ ba thì phải hạ bớt nhiệt độ hỗn hợp lỏng ra khỏi vùng 2 bằng cách cho qua thiết bị làm lạnh trung gian (14) và hỗn hợp khi ra khỏi vùng phản ứng 1 cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (13). Sau khi ra khỏi thiết bi phản ứng chính (15) hỗn hợp lỏng (hỗn hợp sản phẩm và nguyên liệu) được sang thiết bị chưng tách xúc tác (16). Tại (16) xảy ra hai quá trình chưng tách và phản ứng tiếp phần nguyên liệu còn lại. Sản phẩm MTBE được lấy ra ở đáy (16), một phần được hồi lưu trở lại qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại đưa qua thiết bị đun bốc hơi ở đáy, phần chủ yếu còn lại đưa qua thiết bị làm lạnh (14) làm lạnh đến nhiệt độ thường rồi đưa về bể chứa của MTBE. Sản phẩm đỉnh củat hiết bị số (16) bao gồm chủ yếu là metanol dư, các tạp chất C4 (buten - 1) buten và một phần nhỏ izobuten chưa chuyển hóa, chúng được đưa qua thiết bị làm lạnh ngưng tự (14), ra khỏi (14) phần lỏng ngưng tụ được hồi lưuvề (16), phần còn lại được đưa đi thu hồi metanol nhờ tháp hấp thụ 18. Tại (18) metanol và C4 đi từ dưới lên sẽ được tưới nước từ trên xuống, metanol sẽ bị hấp thụ bởi nước còn khí không được hấp thụ đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ và được đưa đi sử dụng cho các mục đích khác. Hỗn hợp metanol và nước ra khỏi tháp hấp thụ (18) được đi qua thiết bị gia nhiệt (13) và vào tháp chưng tách (19). Tại đây metanol có nhiệt độ rơi bằng 64 còn nước có nhiệt đọ sôi bằng 100 nên sản phẩm đỉnh chủ yếu là metanol được dẫn qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ (14) một phần được hồi lưu tại thiết bị (19) và phần chủ yếu còn lại được đưa về bể chứa metanol. Nước được lấy ra ở đáy tháp (19) một phần cho hồi lưu lại (19) phần chủ yếu được đưa đi tận dụng nhiệt bằng cách dùng bơm (6) bơm lên thiết bị trao đổi nh iệt (13) và qua thiết bị làm lạnh (14) vào tháp hấp thụ (18). Phần III Tính toán công nghệ Năng suất: 25.000 (tấn/năm) Hiệu suất dehydrat hóa 98% Nồng độ TBA kỹ thuật : 97% Nồng độ tạp chất trong TBA là 3% Nồng độ CH3OH là : 99% Nồng độ H2O trong CH3OH là: 1% Hiệu suất quá trình tổng hợp MTBE là 99% Nồng độ izobuten là: 99% Nồng độ tạp chất C4 (buten - 1, buten - 2) trong izobuten là: 1%. I. Cân bằng vật chất - Khối lượng phân tử của MTBE là : MMTB = 88 (kg/kmol) - Số ngày nghỉ để bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị trong một năm là: 25 ngày. Năng suất phân xưởng tính theo giờ là: 63,72 (kg/h) Tính theo đơn vị (kmol/h) sẽ là: = 34,81 (kmol/h) Số mol izobuten tinh khiết cần cho phản ứng: nIB = . 34,81 nIB = 35,16 (kmol/h) Khối lượng IB tinh khiết cần cho phản ứng là: mIB = 35,16 x 56 = 196,05 (kg/h) (MIB = 56kg/kmol) Lượng tạp chất C4 (buten - 1, buten - 2/ trong izobuten là: Mc4 = (kg/h) Do trong dòng nguyên liệu cấp vào thiết bị phản ứng có tỷ lệ (metanol/izobuten = 1,1/1). Do đó số metanol đưa vào thiết bị sẽ là: nMEOH = nIB x 1,1 = 35,16 x 1,1 = 38,67 (kmol/h) Khối lượng của Metanol nguyên chất đưa vào thiết bị phản ứng là: MMEOHn/c = 38,67 x 32 = 1237,63 (kg/h) (do khối lượng phân tử của metanol là: MMEOH = 32(kg/kmol) Lượng nước có trong dòng metanol đưa vào thiết bị là: MH2O = = 12,50 (kg/h) Vậy ta có: MC4H chất = 19,88 (kg/h) MH2O = 12,5 (kg/h) I.1. Cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng - Quá trình sản xuất MTBE gồm hai quá trình + Quá trình dehydrat hóa TBA tạo izobuten + Quá trình ete hóa izobute với metanol tạo MTBE. (+) Xét quá trình dehydrat hóa TBA tạo izobuten. Al2O3 3000C CH3 CH3 H3C - C - OH H3C = C + H2O (1) CH3 CH3 Hiệu suất quá trình dehydrat hóa là 98% NIB tinh khiết là: 35,16 (kmol/h) Do đó từ phản ứng dehydrat hóa TBA ta có: nTBA = x 35,16 = 35,87 (kmol/h) Khối lượng TBA nguyên chất cần cho phản ứng là: MTBA n/c = 35,87 x 74 = 2654, 38 (kg/h) Do đó lượng TBA kỹ thuật sẽ là: MTBA = M TBA n/cx MTBA = 2736,47 (kg/h) Khối lượng tạp trong TBA là: Mtạp chất = 2736,47 = 82,09 (kg/h) Các phản ứng phụ xảy ra khi dehydrat hóa TBA (2) H3C - CH - CH2 - CH3 Û CH2 = CH - CH2 - CH3 OH + H2O (3) H3C - CH - CH2 - CH3 Û CH3 - CH = CH - CH3 OH + H2O (SBA) n - buten Coi hiệu suất quá trình dehyrat hóa SBA là 98%. Theo (2) và (3) ta có: nSBA = nSBA = 0,362 (kmol/h) (do MC4 = 56 kg/kmol) Vậy lượng SBA có trong TBA là: MSBA = 0,362 x 74 = 26,806 (kg/h) (do MSBA = 74 kg/kmol) Lượng nước có trong TBA sẽ là: M1,H2O = Mtạp chất - MSBA = 82,09 - 26,806 M1,H2O = 55,284 (kg/h) Lượng SBA dư sẽ là MSBA dư = . MSBA = 0,02 x 26,806. MSBA dư = 0,536 (kg/h) Lượng SBA dư sẽ là: MTBA dư = = 0,02 x 2654,38 MTBA dư = 53,087 (kg/h) Lượng nước tạo ra từ quá trình dehydrat hóa là: M2H2O = (nIB + nc4) x 18 =(35,16 + x 18 M2,H2O = 639,27 (kg/h) Vậy lượng nước ra khỏi thiết bị phân ly là: MH2O = M1,H2O + M2,H2O = 55,284 + 639,27 MH2O = 694,554 (kg/h) Tại thiết bị phản ứng chính sản xuất MTBE Công đoạn sản xuất MTBE ở thiết bị chính đạt 85% nên ta có: n1,MTBE = . nIB n/c = n1,MTBE = 29,886 (kmol/h) Lượng MTBE được sản xuất ra sẽ là: M1,MTBE = 29,886 x 88 = 2629,968 (kg/h) Lượng izobuten chưa chuyển hóa ra khỏi thiết bị sẽ là: M1,IB = MIB - MIB phản ứng = 1969,05 - M1,IB = 295,35 (kg/h) Lượng metanol chưa chuyển hóa ra khỏi thiết bị chính sẽ là: m1,MeOH = mMeoH n/c - mMeOH, phản ứng m1,MeOH = 1237,63 - . 35,16 x 32 = 281,27 (kg/h) Lượng nước ra khỏi thiết bị vẫn bằng lượng nước ba đầu và bằng: 12,5 (kg/h) Lượng tạp chất C4 (buten - 1,buten - z) ra khỏi thiết bị vẫn bằng lượng ban đầu là: 19,88 (kg/h) B. Tại thiết bị phản ứng chúng và tách (CO) + Lượng MTBE tạo ra trong thiết bị này là: m2MTBE = (14% x nIB) x 88 m2MTBE = = 433,171 (kg/h) Lượng MTBE ra khỏi thiết bị phản ứng và chưng tách là: mMTBE = m1,MTBE = m2, MTBE = 2629,968 + 433,171. mMTBE = 3063,139 (kg/h) Lượng MeOH ra khỏi thiết bị chưng cất là: m1,MEOH = mMeOH n/c - mMeOH phản ứng m1 MeOH = 38,67 - 35,16 x 99%. = 3,861 (kmol/h) = 123,57 (kg/h) (MMeOH = 32 kg/kmol) + Lượng IB chưa chuyển hóa thoát ra ở sản phẩm đỉnh là: m2,IB = mIB - mIB phản ứng = 1969,05 - 1969 x 99%. = 19,69 (kg/h) Lượng C4 (buten - 1, buten - 2) thoát ra khỏi thiết bị trong sản phẩm đỉnh là 19,88 (kg/h) Tổng lượng khí thải thoát ra ở sản phẩm đỉnh là: m1,C4 = mc4 + m2,IB = 19,88 + 19,69 = 39,57 (kg/h). Lượng nước ra khỏi thiết bị chưng tách (CP) là 12,5 kg/h). Bảng 5: Bảng cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng Các chất đi vào Các chất đi ra Tên chất Kg/h Kmol/h Tên chất Kg/h Kmol/h TBA 2654,38 IB Các C4 H2O ra khỏi thiết bị CD MTBE H2O ra khỏi thiết bị phân ly TBA dư SBA dư 19,69 SBA 26,806 19,88 H2O trong TBA 55,284 12,5 Metanol 1237,63 3063,13 H2O có trong metanol 12,5 694,55 53,08 0,536 Tổng 3986,60 CH3OH dư 123,57 Tổng 3986,63 Bảng 6: Cân bằng vật chất cho khử nước của TBA. Các chất đi vào Các chất đi ra Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h TBA SBA H2O trong TBA 2654,38 26,806 55,284 IB Các C4 H2O ra khỏi thiết bị phân ly TBA dư SBA dư 1969,05 19,88 694,55 53,08 0,536 Tổng 2736,16 27,36,09 Bảng 7: Bảng cân bằng vật chất cho tiết bị phản ứng chính Chất đi vào Chất đi ra Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h IB 1969,05 MTBE 2629,96 CH3OH 1237,63 H2O 12,5 H2O trong CH3OH 12,5 IB dư 295,35 Các C4 19,88 CH3OH dư 281,37 Các C4 19,88 Tổng 3239,06 Tổng 3239,64 Bảng 8: Cân bằng vật chất cho thiết bị chưng cất xúc tác Chất đi vào Chất đi ra Tên chất Kg/h Tên chất Kg/h IB 295,35 MTBE 3063,139 CH3OH 281,37 H2O 12,5 Các C4 19,88 IB dư 19,69 H2O trọng CH3OH 12,5 CH3OH dư 123,57 MTBE 2629,96 Các C4 19,88 Tổng 3239,06 Tổng 3239,06 + Tỉnh lưu lượng dòng nguyên liệu cấp cho công đoạn ở trạng thái lỏng. Ta đã tính được lưu lượng khối lượng nguyên liệu cấp vào là: G0 = 3239,06 (kg/h) Ta tính khối lượng riêng của hỗn hợp nguyênliệu theo công thức [16] Trong đó: shh : khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu (kg/m3) s1, s2, s3, s4: khối lượng riêng của từng cấu tử (kg/m3) a1, a2, a3, a4: Nồng độ % về khối lượng của các cấu tử. Hỗn hợp gồm: IB, CH3OH, H2O, các C4 (buten -1, buten - 2). Nồng độ % về khối lượng của izobute là: a1 = = 60,79% Nồng độ % về khối lượng của C4 (buten - 1, buten -2) là: a2 = = 0,61% Nồng độ % về khối lượng của MeOH là: a3 = = 38,21% Nồng độ % về khối lwngj của H2O là: a4 = = 0,39%. Khối lượng riêng của izobuten ở 250C là [16] s = 587,9 (kg/m3) Khối lượng riêng của C4 (buten-1, buten-2) ở 250C là: s2 = s1 = 587,9 (kg/m3) Khối lượng riêng của CH3OH ở 250C là: s3 = 786,64 (kg/m3) Khối lượng riêng của H2O ở 250C là: s4 = 996,5 (kg/m3) Khi đó ta có thể tính được khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu là: s = 651,87 (kg/m3) Vậy lưu lượng dòng nguyên liệu cấp cho công đoạn ở trạng thái lỏng là: = 5 (m3/h) II. Tính cân bằng nhiệt lượng II.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng hỗn hợp phản ứng ở trạng thái lỏng. - Hỗn hợp lỏng ban đầu có nhiệt độ ban đầu Tđ = 250C được đun nóng đều Tc = 600C. Do thiết bị là đoạn nhiệt, ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng. Q1 + Q2 = Q3 + Q4 Trong đó: Q1 : Nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào (kcal/h) Q2 : Nhiệt lượng cần phải cung cấp cho hỗn hợp (kcal/h) Q3 : Nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang ra (kcal/h) Q4: Nhiệt lượng do mất mát (kacal/l) a) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào Q = G. C. t (kcal/h) Trong đó: G: khối lượng của chất lỏng (kg/h) C: nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng (kcal/kg độ) t: nhiệt độ của chất lỏng (0C). *Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng. Hỗn hợp đi vào thiết bị ở trạng thái lỏng gồm có IB, metanol, H2O và C4 (buten-1, buten-2) với thành phần % về khối lượng như đã tính trong phần cân bằng vật chất. Do đó ta có: Q1 = QIB + QC4 + Qnước + QMeOH Nguyên liệu vào thiết bị ở 250C nên ta tính Q1 ở 250C (298 0K) Ta tính Cp theo công thức sau: [16] Cop = a0 + a1T + a2T2 Ta có bảng số liệu sau: Bảng 9: Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ Hợp chất a6 a1.10-3 a2.10-6 Khoảng T0 (0K) C0p 298 (cal/mol) H2O (k) 7,2 2,7 - 273-200 8,023 H2O (L) - - - 273-200 17,996 Buten-1 Buten-2 (ưs) Buten-2 (trans) izo - C4H8 CH3OH (L) CH3OH (K) 5,123 2,047 4,967 5,331 - 4,88 61,76 64,311 59,961 60,246 - 24,78 -19,332 - 19,834 - 18,147 - 18,14 - - 5,889 298 - 1500 298 - 1500 298 - 1500 298 - 1500 - 300 - 700 21,35 18,86 20,99 21,3 19,5 11,8 Ngoài ra ta còn có các công thức để xác định nhiệt dung riêng của MTBE và MeOH. CP MTBE = 53,176 + 0,7173T - 0,1533 .10-2 + 0,202 .10-5. T3 (kg/kmol độ) CP, MTBE = 1391,176 - 12,364. T + 3,781 . 102. T2 - 3,719 . 10-5.T3(kg/kmol độ) + Tính QMCOH (nhiệt độ dòng nguyên liệu vào t1 = 250C = 2980K. QMeOH = GMCOH . CP.MCOH . t1 (kcal/h) Từ bảng 9 ta có: Cp, MeOH, 298 = 19,5 (cal/mol độ) = 0,609 (kcal/kg độ) Mà GMCOH = 1237,63 (kg/h) nên: = 1237,63 x 0,609 x 25 = 18842,91 (kcal/h) + Tính Qnước: Qnước = Gnước . Cp, nước . t1 (kcal/h) Từ bảng 9 ta có: Cp nước, 298 = 17,996 (cal/mol) = 0,9998 (kcal/kg độ) Mà Gnước = 12,5 (kg/h) ị Qnước = 12,5 x 0,9998 x 25 = 312,43 (kcal/h) + Tính QIB QIB = GIB . CP,IB . t1 (kcal/h) Từ bảng 9 ta có: CP,IB 298 = 21,3 (cal/mol độ) = 0,38 Kcal/kg độ Mà GIB = 1969,05 (kg/h) nên ị QIB = 1969,05 x 0,38 x 25 = 18705,97 (Kcal/h) Tính Qn-buten Qn-buten = Gn-buten . CP, n-buten . t1 (kcal/h) Ta có: Cn-buten = Cn-buten = (cal/mol độ) = 0,364 (kcal/kg độ) ị Qn-buten = 19,88 x 0,364 x 25 = 180,90 (kcal/h) Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào sẽ là: Q1 = 18842,91 + 312,43 + 18705,97 + 180,96. Q1 = 38042,21. b) Tính nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang ra Hỗn hợp lỏng ra gồm IB, CH3OH, H2O, n - buten (buten-1, buten-2) có nhiệt độ ra là t2 = 600C = 3330k. + Tính QMeOH QMeOH = GMeOH . Cp.MeoH . t2 (kcal/h) Ta có: CpMeOH = 1391,56 - 12,364 x 333 + 3,781 x 10-2 . 3332 - 3,719.10-3 . 3333 = 93,79 (kj/kg độ) = 0,70 (kcal/kg độ) Mà BP,MeOH = 1237,63 (kg/h) ị QMeOH = 1237,63 x 0,7 x 60 = 51993,54 (kcal/kg độ) + Tính Qnước Qnước = Gnước . Cp nước . t2 (kcal/h) Ta có: Cp nước = 17,996 (cal/mol độ) = 0,9998 (kcal/kg độ) Mà : Gnước = 12,5 ị Qnước = 12,5 x 0,9998 x 60 = 749,85 (kcal/h) Tính Qn-buten : Qn - buten = Gn-buten - CP, n-buten . t2 (kcal/h) Tại 3330k theo bản 9 ta có: CP,buten-1 = 5,132 + 61,76 x 10-3 x 333 - 19,322 x 10-6 . 3332 = 23,54 (kcal/kmol độ) = 0,41 (kcal/kg độ) CP, buten-2 cis = 2,047 + 64,311 . 10-3 x 333 - 19,834 x 10-6 x 333 (kcal/kg độ). = 21,267 (kcal/kmol độ) = 0,37 (kcal/kg độ. CP, buten-2, trans = 4,976 + 59,961 .10-3 x 333 - 18,147 x 10-6 x 333 = 22,92 (kcal/kmol độ) = 0,41 (kcal/kg độ) ị Cp, n-buten = ị Cp, n-buten = (kcal/kg độ) Mà Gn-buten = 19,88 (kg/h) ị Qn-buten = 19,88 x 0,4 x 60 = 477,12 (kcal/h) + Tính QIB QIB = GIB x CIB x t2 (kcal/h) Ta có: GIB = 1969,05 (kg/h) Tại 3330k ta có: CP,IB = 5,331 + 60,246 x 10-3 x 333 - 18,14 x 10-6 x 3332 = 23,38 (kcal/kmol độ) = 0,4 (Kcal/kg độ) ị QIB = 1969,05 x 0,41 x 60 = 48438,63 (kcal/h) Vậy nhiệt lượng hỗn hợp lỏng mang ra là: Q3 = QMeOH + Qnước + Qn, buten + QIB Q3 = 51993,54 + 749,85 + 477,12+48438,63 = 101659,14 (kcal/h) c) Nhiệt mất mát ra môi trường Lượng nhiệt ở đây ta lấy 1% so với lượng do hỗn hợp lỏng mang ra. Do đó. Q4 = 1% x 101659,14 = 1016,59 (kcal/h) Từ phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 ị Q2 = Q3 + Q4 - Q1 ị Q2 = 101659,14 + 1016,59 - 38042,21 ị Q2 = 64633,52 (Kcal/h) Bảng 10: Bảng cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đến 600C. Vào Ra Tên Kcal/h Tên Kcal/h Q1 38042,21 Q3 101659,14 Q2 64633,52 Q4 1016,59 Tổng 102675,73 Tổng 102675,73 II.2. Tính cân bằng nhiệt lượng cho các vùng phản ứng trong thiết bị phản ứng Nguyên liệu được gia nhiệt đến 600C được đưa vào thiết bị phản ứng chính đề sản xuất MTBE. Có 3 vùng phản ứng đoạn nhiệt trong thiết bị phản ứng là zon1, zon 2, zon 3. Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 1 (zon 1) : x% Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 2 (zon 2) : y% Gọi mức độ chuyển hóa ở vùng phản ứng 3 (zon 3) : z% Khi đó ta có: x + y + z = 85. Ta chia thiết bị thành 3 vùng phản ứng để đảm bảo nhiệt độ của nguyên liệu vào các vùng phải đạt điều kiện 500C < t < 1000C. Nguyên liệu và sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng chính được đưa sang thiết bị chưng cất xúc tác (CD) nên ta phải tính được lượng nhiệt do hỗn hợp lỏng mang ra khỏi thiết bị phản ứng chính để khi nhiên liệu lỏng vào thiết bị chưng cất xúc tác (CD) đủ để được thực hiện quá trình chưng cất mà không cần qua một thiết bị gia nhiệt nào. Do đó ta chọn nhiệt độ ra khỏi vùng phản ứng zôn 2 và zon 3 là t = 1000C. a) Đối với vùng phản ứng 1 (zon 1) Hỗn hợp nguyên liệu lỏng đưa vào ở 600C và thiết bị phản ứng là đoạn nhiệt do đó ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng sau: Q11 + Q12 = Q13 + Q14 Trong đó: Q11: nhiệt lượng do hỗn hợp lỏng mang vào zon 1 ở 600C (kcal/h) Q12: Nhiệt lượng do hỗn hợp phản ứng sinh ra ở zon 1 (kcal/h) Q13: Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang ra khỏi zon1 (kcal/h) Q14: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường (Kcal/h) *Tính nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào zon1: Q11 = Q3 = 101659,14 (Kcal/h) *Tính nhiệt lượng do phản ứng sinh ra ở zon1 Do nhiệt phản ứng toả ra là: - 37 (KJ/mol) nên ta có: Q12 = Qphản ứng zon 1 = (-DH)MIB% Q12 = Q12 = 3107,78 x (Kcal/h) * Tính lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu sản phẩm mang ra khỏi zon 1 là: Q13 = Q1,MTBE + Q1,MeoH + Q1,IB + Q1, n-buten + Q1, nước (Kcal/h) Nhiệt độ ra của hỗn hợp nguyên liệu sản phẩm mang ra khỏi zon 1 ở 1000C (3730K). + Nhiệt lượng do MTBE mang ra khỏi zon 1 là: CP,MTBE = 53,176 + 0,7173 x 337 - 0,1533 . 10-2 x 3372 + 0,202 x 10-5 x 3373 = 212,59 (kJ/kmol độ) = 0,576 (kcal/kg độ) G1,MTBE = 35,16 x X% x 88 (kg/h) Q1,MTBE = 35,16 x X% x 88 x 0,576 x 100 = 1782,19 . x (kcal/h) + Nhiệt lượng do IB mang ra khỏi zon 1. (Kcal/h). = 1969,05 - 1969,05 x X% (kg/h). = 5,331 + 60,246 x 103 x 373 - 18,44 x 10-6 x 3732 = 25,28 (Cal/mol. độ) = 0,45 (kcal/kg.độ) ị = (1969,05 - 19,69 x X) x 0,45 x 100 (Kcal/h) = 88607,25 - 886,07 X (KCal/h). + Nhiệt lượng do n-buten mang ra khỏi zon 1 là: Q1,n-buten = G1,n-buten x Cp,n-buten x t1 (Kcal/h) G1,n-buten = 19,88 (kg/h). Cp,n-buten = Cp,n-buten 1 = 5,123 + 61,76 x 10-3 x 373 - 19,323 x 10-6 x 3732 = 25,47 (cal/mol. độ) Cp,buten-2cis = 2,047 + 64,311 . 10-3 . 373 - 19,834 . 10-6 . 3732. = 23,28 (Cal/mol. độ). Cp,buten-2,trans = 4,967 + 59,961 . 10-3 x 373 - 19,834 x 10-6. 3732. = 24,47 (Cal/mol . độ). ị Cp,n-buten = (Cal/mol độ). = 0,44 (Kcal/kg.độ). ị Q1,n-buten =19,88 x 0,44 x 100 = 874,72 (Kcal/h). + Nhiệt lượng do H2O mang ra khỏi zon 1 là: Q1,nước = G1nước x Cp,nước x t1 (KCal/h). Cp, nước = 0,9998 (Kcal/kg.độ). Q1, nước = 0,9998 x 12,5 x 100 = 1249,75 (Kcal/h). + Nhiệt lượng do MeoH mang ra khỏi zon 1 là: Q1, MeoH = G1, MEoH x Cp,MeoH x t1 (Kcal/h). G1, MeoH = 1237,63 - 35,16 x 32 x X%. = 1237,63 - 12,37 x X (kg/h). Cp,MeoH = 1391,176 - 12,364 x 373 + 3,781 x 10-2 x 3732 - - 3,719 x 10-5 x 3733. = 109,88 (KJ/Kmol.độ) = 0,821 (Kcal/kg.độ). ị Q1,MeoH = (1237,63 - 12,37. X) x 0,821 x 100 = 101485,66 - 1015,57 (Kcal/h) Vậy Q13 = Q1,MTBE + + Q1,n-buten + Q13 = 1782,19 . X + 88607,25 - 886,07 X + 1249,75 + 874,72 + + 101485,66 - 1015,57. X. Q13 = 192217,38 - 119,45.X (Kcal/h) + Nhiệt lượng mất mát ở zon 1 là: Q14 = 1% . Q13 = 1922,1738 - 1,19.X (Kcal/h) Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q11 + Q12 = Q13 + Q14. ị 101659,14 + 3107,78. X = 192217,38 + 1922,17 - 119,45.X - 1,19.X 3228,47.X = 92480,41. X = 28,6 b) Đối với vùng phản ứng 2 (zon 2) Hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu được đưa vào zon 2 ở 600C và ra khói zon 2 ở 1000C. Do thiết bị phản ứng là đoạn nhiệt nên ta có cân bằng nhiệt lượng đối với zon 2 là: Q21 + Q22 = Q23 + Q24 Trong đó: Q21: lượng nhiệt do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2 (kcal/h). Q22 : Lượng nhiệt do phản ứng sinh ra ở zon 2 (kcal/h) Q23: Lượng nhiệt do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang ra khỏi zon 2 (kcal/h). Q24: Lượng nhiệt do mất mát ở zon 2 (kcal/h) + Nhiệt lượng do hỗn hợp NL - sản phẩm vào zon 1 là Q21. + Nhiệt lượng do phản ứng sinh ra ở zon 2 là: Q22 = y% x 35,16 x 1000 = 3107,78 (kcal/h) + Tính nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2 ở 600C (3330K). Q21 = Q2,MTBE + Q2,MEOH + Q2,IB + Q2n-buten + Q2, nước Trong đó: Q2,MTBE : lượng nhiệt do MTBE mang vào zon 2 (kcal/h) Q2,MeOH : Lượng nhiệt do MeOH chưa chuyển hóa mang vào zon 2 (kcal/h) Q2,IB : lượng nhiệt do IB chưa chuyển hóa mang vào zon2 (kcal/h). Q2,n- buten : lượng nhiệt do n-buten mang vào zon 2(kcal/h). Q2, nước : lượng nhiệt do H2O mang vào zon 2 (kcal/h) + Nhiệt lượng do MTBE mang vào zon 2 là: Q2,MTBE = G2,MTBE . Cp,MTBE. t2 (Kcal/h). Cp,MTBE = 53,176 + 0,7173 x 333 - 0,1533 x 10-2 x 3332 + + 0,202 . 105 . 3333. = 212,59 (Kj/Kmol.độ) = 0,533 (Kcal/kg.độ). G2,MTBE = 35,16 . X% . 88 (kg/h). G2,MTBE = 35,16 . X% Q2,MTBE = 35,16 . X% . 88 . 0,533 . 60 = 989,31. X (Kcal/h) + Nhiệt lượng do IB mang vào zon 2: (Kcal/h). Tại 600C ta có: = 0,41 (Kcal/h). G2,IB = 1969,05 - 1969,05 . X% (Kg/h) Q2,IB = (1969,05 - 1969,05 . X%) x 0,41 . 60. Q2,IB= = 48438,63 - 484,38 . X. (Kcal/h). + Lượng nhiệt do MeOH mang vào zon 2 là: Q2,MeOH = G2,MeOH x Cp,MeOH x t2 (kcal/h) Ta có: Tại 600C ta có: Cp,MeoH = 0,7 (Kcal/kg.độ). G2,MeOH = GMeOH, ba đầu - GMeOH phản ứng ở zon 1, ị G2,MeOH = 1237,63 - 1237,63 . X%. = 1237,63 - 12,37. X. ị Q2,MeOH = (1237,63 - 12,37 . X) . 0,7 . 60 = 51980,46 - 519,54 . X (Kcal/h) - Lượng nhiệt do n-buten (buten - 1, buten - 2) mang vào zon 2 là: Q2,n-buten = G2,n-buten . Cp,n-buten . t2. Ta có: G2,n-buten = 19,88 (kg/h) Tại 600C (3330K) ta có: Cp,n-buten = 0,40 (Kcal/kg.độ). Q2,n-buten = 19,88 . 0,4 . 60 = 477,12 (Kcal/kg.độ). + Nhiệt lượng do H2O mang vào zon2 là: tại 600C ta có: Cp,nước = 0,9998 (Kcal/kg.độ) Q2,nước = 12,5 . 0,9998 . 60 = 749,85 (Kcal/h). Vậy nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm - nguyên liệu mang vào zon 2 là: Q21 = Q2,MTBE + Q2,MeoH + Q1,n-buten + Q2,H2O + Q2,IB= Q21 = 101646,06 - 14,61.X = 101646,06 - 14,61. 28,6 = 101228 (Kcal/h). * Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu - sản phẩm mang ra khỏi zon 2 là ở 1000C : Q23 = Q2,MTBE + Q2,MeoH + Q2,IB + Q2,n-buten + Q2,nước. (Kcal/h) Trong đó: Q2,MTBE: Lượng nhiệt do MTBE mang ra khỏi Zon 2 (Kcal/h). Q2,MeoH: Lượng nhiệt do MeoH chưa chuyển hoá mang ra khỏi zon2 (Kcal/h). Q2,IB: Lượng nhiệt do IB chưa chuyển hoá mang ra khỏi zon 2 (Kcal/h). Q2,n-buten: lượng nhiệt do n-buten