1. Tính toán cân bằng vật chất Năng suất của cyclohexan là G = 17000 tấn/năm Năng suất trung bình theo mỗi ngày làm việc: − Số ngày trong một năm: 365 ngày. − Số ngày sửa chữa nhỏ: 5 ngày. − Số ngày sửa chữa lớn: 10 ngày. − Số ngày nghỉ lễ tết: 10 ngày. Như vậy: Tổng số ngày làm việc trong một năm là: 365 - (10 + 10 + 5) = 340 ngày Năng suất tính trong 1 giờ: 2. Tính toán sơ bộ vế lượng benzen sử dụng Sản phẩm cuối có độ tinh khiết là 99,5%. Vậy khối lượng cyclohexan trong sản phẩm cuối là: Số mol của cyclohexan trong sản phẩm cuối Theo phản ứng Lượng benzen cần cho quá trình sẽ bằng với lượng cyclohexan sản phẩm tính theo mol: Benzen sử dụng trong quá trình là benzen thương mại với độ tinh khiết 99,8% với hiệu suất của các quá trình khá cao nên có thể coi lượng benzen đủ cho quá trình là: 3. Tính toán cân bằng vật chất của quá trình 3H 2 Dựa vào kết quả được tính toán sơ bộ ở trên ta lựa chọn nguyên liệu như sau: Loại nguyên liệu Benzen thương phẩm Thành phần Benzen 99,8% khối lượng Tạp chất (thiophen, lưu huỳnh tự do) 0,2% khối lượng Lưu lượng tổng 2400 kg/h Bng 1: Thành phần nguyên liệu Benzne Khí hydro sử dụng trong quá trình là khí hydro kỹ thuật lấy từ quá trình reforming xúc tác trong tổ hợp lọc hóa dầu với độ tính khiết của khí là 86,5% thể tích và lưu lượng là 1200 kg/h. Khí hydro kỹ thuật có lẫn các hydrocacbon nhẹ bao gồm: metan, etan, propan, butan và pentan. Các khí này chiếm 14,5% thể tích còn lại của hỗn hợp khí. Có thành phần các khí thể hiện ở bảng: Thành phần % mol M Lưu lượng (kg/h) H 2 0,865 2 326,72 CH 4 0,038 16 114,83 C 2 H 6 0,048 30 271,95 C 3 H 8 0,029 44 240,98 C 4 H 10 0,01 58 109,54 C 5 H 12 0,01 72 135,98 Tổng 1 1200 Bng 2: Thành phần nguyên liệu khí Hydro kỹ thuật 3.1. Cụm thiết bị phản ứng Để duy trì nhiệt độ ở các dòng sản phẩm ra khỏi mỗi tháp phản ứng là ổn định và duy trì tỷ lệ số mol H 2 :C 6 H 6 trong khoảng từ 9:1 đến 13:1 (giúp tăng hiệu suất chuyển hóa của benzen) ta chia dòng benzen ban đầu thành 3 dòng G 1 , G 2 , G 3 lần lượt đi vào các thiết bị phản ứng 1, 2, 3. Với G 1 = G 2 = 950 kg/h, G 3 = 500 kg/h. 3.1.1. Thiết bị phản ứng 1 − Dòng benzen đi từ bể chứa vào thiết bị 1 có G 1 = 950 kg/h trộn với dòng khí hydro kỹ thuật, được gia nhiệt lên 180 0 C, sau đó đi và thiết bị. − Điều kiện trong tháp phản ứng: 210 0 C; 33 at. − Hiệu suất 85%. Số mol benzen phản ứng là: Phản ứng xảy ra trong tháp: 10,03.10 3 3. 10,03.10 3 10,03.10 3 mol Số mol cyclohexan tạo thành trong thiết bị 1: Số mol hydro phản ứng trong thiết bị 1: Ngoài ra còn xuất hiện phản ứng phụ: phản ứng hydro hóa thiophen có mặt trong nguyên liệu benzen S thiophene Lượng thiophen phản ứng trong thiết bị 1 là: Suy ra số mol n-butan được tạo thành thêm và hydro phản ứng hết: Vậy lượng hydro phản ứng trong thiết bị 1 Sau thiết bị 1, benzen và hydro bị giảm đi do phản ứng xảy ra. Ta có cân bằng vật chất tại thiết bị 1 như sau: Đi vào thiết bị Ra khỏi thiết bị Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 947,95 44,09 142,19 6,61 3H 2 4H 2 H 2 S H 2 328,08 15,26 265,52 12,35 CH 4 114,69 5,33 114,69 5,33 C 2 H 6 271,55 12,63 271,55 12,63 C 3 H 8 240,59 11,19 240,59 11,19 C 4 H 10 109,35 5,09 110,55 5,14 C 5 H 12 135,74 6,31 135,74 6,31 C 6 H 12 0,00 0,00 868,15 40,38 Thiophen 2,05 0,10 0,31 0,01 H 2 S 0,00 0,00 0,70 0,03 Tổng 2150,00 100,00 2150,00 100,00 Bng 3: Cân bằng vật chất tại thiết bị phn ứng thứ nhất 3.1.2. Thiết bị phản ứng 2 − Lượng benzen được bổ sung vào từ bể chứa 1 lưọng G 2 = 950 kg/h để duy trì nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ H 2 :C 6 H 6 − Điều kiện phản ứng: 210 0 C; 33 at. − Hiệu suất 88%. Lượng benzen sau khi được trộn với dòng bổ sung có lưu lượng Tính toán tương tự thiết bị phản ứng 1 với nguyên liệu vào là hỗn hợp ra từ thiết bị phản ứng 2. Số mol benzen phản ứng: 12,3.10 3 3. 12, 3.10 3 12,3.10 3 mol Phản ứng phụ xảy ra trong quá trình: S thiophene Lượng thiophen phản ứng trong thiết bị 2 là: Suy ra số mol n-butan được tạo thành thêm và hydro phản ứng hết: 3H 2 4H 2 H 2 S Có cân bằng vật chất ở thiết bị 2: Đi vào thiết bị Ra khỏi thiết bị Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 1090,15 35,17 130,82 4,22 H 2 265,52 8,57 191,04 6,16 CH 4 114,69 3,70 114,69 3,70 C 2 H 6 271,55 8,76 271,55 8,76 C 3 H 8 240,59 7,76 240,59 7,76 C 4 H 10 110,55 3,57 111,98 3,61 C 5 H 12 135,74 4,38 135,74 4,38 C 6 H 12 868,15 28,00 1901,76 61,35 Thiophen 2,35 0,08 0,28 0,01 H 2 S 0,70 0,02 1,54 0,05 Tổng 3100,00 100,00 3100,00 100,00 Bng 4: Cân bằng vật chất tại thiết bị phn ứng thứ hai 3.1.3. Thiết bị phản ứng 3 − Tiếp tục bổ sung lượng benzen G 3 = 500 kg/h theo như đã tính toán ở trên. Lúc này toàn bộ lượng benzne nguyên liệu đã được đưa vào thiết bị phản ứng. − Điều kiện phản ứng: 210 0 C; 33 at. − Hiệu suất 91%. Tương tự có nguyên liệu cho thiết bị 3 là hỗn hợp sản phẩm từ tháp phản ứng 2, số mol benzen phản ứng: 12,3.10 3 3. 12, 3.10 3 12,3.10 3 mol Suy ra Xét phản ứng phụ: S thiophene 3H 2 4H 2 H 2 S Lượng thiophen đi vào thiết bị này: Có cân bằng vật chất tại tháp 3: Đi vào thiết bị Ra khỏi thiết bị Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 629,74 17,49 56,68 1,57 H 2 191,04 5,31 146,55 4,07 CH 4 114,69 3,19 114,69 3,19 C 2 H 6 271,55 7,54 271,55 7,54 C 3 H 8 240,59 6,68 240,59 6,68 C 4 H 10 111,98 3,11 112,84 3,13 C 5 H 12 135,74 3,77 135,74 3,77 C 6 H 12 1901,76 52,83 2519,20 69,98 Thiophen 1,36 0,04 0,12 0,00 H 2 S 1,54 0,04 2,04 0,06 Tổng 3600,00 100,00 3600,00 100,00 Bng 5: Cân bằng vật chất tại thiết bị phn ứng thứ ba 3.2. Cụm thiết bị tách, tinh chế 3.2.1. Thiết bị phân tách lỏng khí Thiết bị tách pha lỏng khí của hỗn hợp sản phẩm từ tháp 3. Các cấu tử được tách ra ở thiết bị này là các khí: H 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8, C 4 H 10 , H 2 S ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng. Hiệu suất tách ở thiết bị là 93%. Xét pha khí, các chất khí thoát ra từ hỗn hợp phản ứng chiếm 93% thể tích của khí đó trong hỗn hợp phản ứng, phần còn lại 7% còn lại trong dòng lỏng ra khỏi tháp tách pha. Tương tự, 1 phần dòng lỏng cũng bị cuốn ra khỏi thiết bị theo dòng khí. Qua đó ta tính toán được lưu lượng các dòng ở trong 2 pha là như sau: Có cân bằng vật chất của tháp: Đi vào thiết bị Pha khí Pha lỏng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 56,68 1,57 3,97 0,39 52,71 2,04 H 2 146,55 4,07 136,29 13,42 10,26 0,40 CH 4 114,69 3,19 106,66 10,50 8,03 0,31 C 2 H 6 271,55 7,54 252,54 24,86 19,01 0,74 C 3 H 8 240,59 6,68 223,75 22,02 16,84 0,65 C 4 H 10 112,84 3,13 104,94 10,33 7,90 0,31 C 5 H 12 135,74 3,77 9,50 0,94 126,24 4,89 C 6 H 12 2519,20 69,98 176,34 17,36 2342,85 90,66 Thiophen 0,12 0,00 0,01 0,00 0,11 0,00 H 2 S 2,04 0,06 1,90 0,19 0,14 0,01 Tổng 3600,00 100,00 1015,91 100,00 2584,09 100,00 Cân bằng 3600 (kg/h) 3600 (kg/h) Bng 6: Cân bằng vật chất tại thiết bị tách pha lỏng - khí 3.2.2. Thiết bị chưng ổn định Thiết bị chưng ổn định tách các khí còn lại trong phần lỏng dưới áp suất cao 5 – 6 at. Hiệu suất của tháp là 94%. Vì hiệu suất của tháp chỉ đạt 94% nên các khí như H 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8, C 4 H 10 , H 2 S cũng được tách ra 1 phần, 1 phần nhỏ còn lại 6% tiếp tục bị lẫn vào trong khí. Ngoài ra các cấu tử trong dòng lỏng như C 5 H 12 , C 6 H 12 , Thiophen, C 6 H 6 cũng bị lỏng. Sau tính toán với hiệu suất là 94% ta có thành phần cân bằng vật chất của tháp: Đi vào thiết bị Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 52,71 2,04 3,16 1,51 49,55 2,09 H 2 10,26 0,40 9,64 4,60 0,62 0,03 CH 4 8,03 0,31 7,55 3,60 0,48 0,02 C 2 H 6 19,01 0,74 17,87 8,52 1,14 0,05 C 3 H 8 16,84 0,65 15,83 7,55 1,01 0,04 C 4 H 10 7,90 0,31 7,42 3,54 0,47 0,02 C 5 H 12 126,24 4,89 7,57 3,61 118,67 5,00 C 6 H 12 2342,85 90,66 140,57 67,01 2202,28 92,75 Thiophen 0,11 0,00 0,01 0,00 0,11 0,00 H 2 S 0,14 0,01 0,13 0,06 0,01 0,00 Tổng 2584,09 100,00 209,76 100,00 2374,33 100,00 Cân bằng 2584,09 (kg/h) 2584,09 (kg/h) Bng 7: Cân bằng vật chất tại thiết bị chưng ổn định 3.2.3. Thiết bị chưng tinh chế Hiệu suất thiết bị là 94,5% Thiết bị cuối là thiết bị dùng để chưng tinh chế sản phẩm, thu sản phẩm với độ tinh khiết yêu cầu. Thiết bị này thực chất là tháp chưng, với phần đỉnh là các khí nhẹ cùng với cấu tử có nhiệt độ sôi nhỏ hơn cyclohexan là C 6 H 6 và C 5 H 12 . Còn phần đáy thu được là sản phẩm cyclohexan (94,5%). Bên cạnh đó, do thiophene có nhiệt độ sôi cao hơn các thành phần khác nên cũng lẫn vào sản phẩm thu được. Cân bằng vật chất ở thiết bị chưng tinh chế: Đi vào thiết bị Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C 6 H 6 49,55 2,09 46,82 16,51 2,73 0,13 H 2 0,62 0,03 0,58 0,21 0,03 0,00 CH 4 0,48 0,02 0,46 0,16 0,03 0,00 C 2 H 6 1,14 0,05 1,08 0,38 0,06 0,00 C 3 H 8 1,01 0,04 0,95 0,34 0,06 0,00 C 4 H 10 0,47 0,02 0,45 0,16 0,03 0,00 C 5 H 12 118,67 5,00 112,14 39,54 6,53 0,31 C 6 H 12 2202,28 92,75 121,13 42,71 2081,16 99,54 Thiophen 0,11 0,00 0,01 0,00 0,10 0,00 H 2 S 0,01 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 Tổng 2374,33 100,00 283,62 100,00 2090,71 100,00 Cân bằng 2374,33 (kg/h) 2374,33 (kg/h) Bng 8: Cân bằng vật chất tại thiết bị chưng tinh chế thu sn phẩm Năng suất của quá trình trong năm là: Ta thấy có có sự sai khác giữa yêu cầu là 17000 tấn/năm với năng suất tính toán được, nên cần hệ số hiệu chỉnh ε Cần hiệu chỉnh thay đổi lưu lượng nguyên liệu ban đầu để có thể thu được năng suất sản phẩm theo yêu cầu. Ta thu được sơ đồ cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình Thiết bị phản ứng thứ nhất Thiết bị phản ứng thứ hai Thiết bị phản ứng thứ ba Thiết bị chưng tinh chế Thiết bị chưng ổn định Thiết bị tách pha lỏng – khí Dòng Lưu lượng (kg/h) V 4 498,24 Dòng Lưu lượng (kg/h) V 3 946,66 Dòn g Lưu lượng (kg/h) V 1 946,66 V 2 1195,78 Dòng Lưu lượng (kg/h) R 3 282,62 Dòng Lưu lượng (kg/h) R 4 2083,36 Dòng Lưu lượng (kg/h) R 2 209,02 Dòng Lưu lượng (kg/h) R 1 1012,34 Sau khi nhân với hệ số hiệu chỉnh, ta có bảng cân bằng vật chất của cả quá trình như sau: Lúc này sản phẩm cuối cùng sẽ có thành phần như sau: Cấu tử Lưu lượng (kg/h) C 6 H 6 2,72 H 2 0,03 CH 4 0,03 C 2 H 6 0,06 C 3 H 8 0,06 C 4 H 10 0,03 C 5 H 12 6,51 C 6 H 12 2073,84 Thiophe n 0,10 H 2 S 0,00 Tổng 2083,36 Bng 10: Thành phần khối lượng của sn phẩm cuối Vậy độ tính khiết của sản phẩm là: Năng suất của quá trình là: Bng 9: Cân bằng vật chất c quá trình Tổng dòng vào Tổng dòng ra V 1 946,66 R 1 1012,34 V 2 1195,78 R 2 209,02 V 3 946,66 R 3 282,62 V 4 498,24 R 4 2083,36 Tổng 3587,34 Tổng 3587,34 . khối lượng C 6 H 6 629,74 17 ,49 56,68 1, 57 H 2 19 1,04 5, 31 146,55 4,07 CH 4 11 4,69 3 ,19 11 4,69 3 ,19 C 2 H 6 2 71, 55 7,54 2 71, 55 7,54 C 3 H 8 240,59 6,68 240,59 6,68 C 4 H 10 11 1,98 3 ,11 11 2,84 3 ,13 C 5 H 12 13 5,74. 44,09 14 2 ,19 6, 61 3H 2 4H 2 H 2 S H 2 328,08 15 ,26 265,52 12 ,35 CH 4 11 4,69 5,33 11 4,69 5,33 C 2 H 6 2 71, 55 12 ,63 2 71, 55 12 ,63 C 3 H 8 240,59 11 ,19 240,59 11 ,19 C 4 H 10 10 9,35 5,09 11 0,55 5 ,14 C 5 H 12 13 5,74. 0,00 C 5 H 12 11 8,67 5,00 11 2 ,14 39,54 6,53 0, 31 C 6 H 12 2202,28 92,75 12 1 ,13 42, 71 20 81, 16 99,54 Thiophen 0 ,11 0,00 0, 01 0,00 0 ,10 0,00 H 2 S 0, 01 0,00 0, 01 0,00 0,00 0,00 Tổng 2374,33 10 0,00 283,62 10 0,00