mụC LụC Phần trang Mở Đầu Phần propan Tổng quan chung công nghệ tổng hợp propylen tõ I B B Crackinh h¬i A C¬ sở hoá lý Công nghệ tổng hợp II Đehydro hoá A Cơ sở hoá lý 11 Công nghệ tổng hợp 12 Phần III Tính toán thiết bị chÝnh 17 A 18 B 19 C 21 TÝnh c©n vât liệu Tính cân nhiệt lợng Tính chiều cao đờng kính thiết bị PHầN I Mở đầu Đối với sinh viên việc làm đồ án thiết kế trình tổng hợp lại kiến thức đợc học thực tế đợc tìm hiểu trình thực tập nhà máy, đồ án thiết kế môn học trình tổng hợp kiến thức để làm đồ án Với qúa trình làm đồ án bổ xung thêm cho em kỹ năng, kiến thức thực tế để giúp em sau trờng, cụ thể trình tổng hợp propylen từ propan Chúng ta biết thập niên gần sản phẩm từ nguồn nguyên liệu propylen ngày có ứng dụng rộng rãi đời sống phục vụ công nghiệp, kể đến số sản phẩm: poly propylen, hoạc làm nguyên liệu trung gian để tổng hợp cáchợp chất hoá học khác Trớc việc tổng hợp propylen chủ yếu đợc tổng hợp từ trình chng cất dầu thô phân đoạn dầu thô nh phân đoạn naphta, trình tổng hợp thông thờng với trình tổng hợp etylen, thập niên gần nhu cầu giới nguồn nguyên liệu propylen ngày tăng cao, việc tìm giải pháp cho công nghệ tổng hợp propylen ngày mở rộng cho phân đoạn khác nguồn nguyên liệu khác nhau,và trình tổng hợp propylen từ propan ví dụ Quá trình tổng hợp propylen từ propan đợc tổng hợp dây truyền công nghệ là: trình crackinh hơI trình đehidrô hoá propan,chúng ta xem xét sở hoá lý dây truyền công nghệ tổng hợp từ phơng pháp kể PHầN ii Tổng quan chung công nghệ tổng hợp Propylen từ propan I Cơ sở hoá lý trình Các Olefin nói chung propylen nói riêng đợc lấy từ nguồn Cracking cracking xúc tác 1.Cracking hơi(Sterm cracking) Quá trình Cracking trình nhiệt phân hidro cácbon no từ khí tự nhiên phân đoạn dầu mỏ với có măt nớc Các phản ứng xảy trình gồm: - Đehidro hoá - Nhiệt phân - Dehidro vòng hoá - DeAlkyl hoá a Hoá lý trình - Phản ứng xảy trình sau: Phản ứng cắt mạch C-C Cm+nH2(m+n)+2 CmH2m + CnH2n+2 víi G  75200  142T ( j / mol ) Phản ứng đehidrohoa cắt mạch C-H C2pH2p+2 CpH2p + H2 víi G  125400  142T ( j / mol ) Năng lợn liên kết C-C (345kj/mol) thấp lợng liên kết C-H (413kj/mol) lên phản ứng nhiệt phân hidrocácbon no u tiên cắt liên kết C-C trớc lợng cần thiết để cắt liên kết C-C nhỏ lợng cần thiế để cắt liên kết C-H Các phản ứng thu nhiệt tăng thể tích mạnh mẽ mặt nhiệt động thích hợp xảy nhiệt độ cao (Cần cung cấp nhiệt cho phản ứng , áp suất thấp (Pha loãng nớc) thời gian phản ứng ngắn để giảm phản ứng phụ) Tốc độ phản ứng với cracking lớn nhiệt độ 700 0C phản ứng đehidrohoá xảy nhiệt độ 800-8500C trình tạo thành hidrocácbon thơm đa vòng cốc xảy mạnh 900-1000 0C thời gian lu dài nhiệt độc cao tăng cờng phản ứng tạo thành hợp chất hidrocácbon nặng trình sản xuất olefin phản ứng cracking Phản ứng xảy theo chế phức tạp, trình khơi mào xảy trình cắt liên kết tạo C-C thành gốc tự do.Ví dụ phản ứng nhiệt phân C3H8 xảy theo chế sau đây: CH3* + CH3-CH2* Khơi mào: CH3-CH2-CH3 Phát triển mạch CH4 + CH3CH2CH2* CH3* + CH3CH2CH3 �� CH3CH2CH2* � CH3-CH=CH2 + H* � H2 +CH3-CH2-CH2* H* +CH3-CH2-CH3_ �� CH3CH2* � H*+CH2=CH2 Tæng quát ta có: Đứt mạch: H*+H* H2 H*+CH3* � CH4 � CH3-CH3 CH3* + CH3* �� CH3-CH2* +H* �� � CH3CH3 CH3* + CH3-CH2* �� � CH3-CH2CH3 CH3CH2* + CH3CH2* CH3CH2CH2CH3 Các thông số trình nhiệt phân a Nhiệt độ phản ứng Phản ứng thay đổi từ 700-9000C tuỳ thuộc vào loại nhiên liệu ethal trình thờng tiến hành khoảng nhiệt độ phản ứng từ 800-8500C nguyên liệu nặng (ví dụ gasoil) nhiệt độ phản ứng thuờng thấp Theo nguyên tắc, nhiệt độ thành ống nhiệt phân thờng cao nhiều so với nhiệt ®é cđa dßng khÝ ®i èng, Do vËy ®Ĩ nhiệt độ đầu sản phẩm 8850C nhiệt độ thành ống nhiệt phân phải 995-10400C tuỳ thuộc vào vị trí ống b Thời gian lu Thời gian lu nằm trongkhoảng 0,2-1,2 giây mặt lý thuyết thời gian lu ngắn tăng độ chọn loc etylen propylen nhiên thời gian lu ngắn lại ¶nh hëng tíi mét sè yÕu tè kinh tÕ kü thuật nh độ bền vật liệu, giá thành lò phản ứng yếu tố khác ngời ta thờng khống chế giá trị tới hạn dới thời gian lu 0,2s c.áp suất riêng phần hidrocacbon vai trò nớc Về mặt nhiệt động học, phản ứng thích hợp áp suất thấp ngời ta thờng pha loãng hỗn hợp phản ứng với nớc, Về mặt động học pha loãng hỗn hợp với nớc áp suất riêng phần hydrocacbon giảm tốc độ phản ứng tổng cộng giảm nhiên độ chọn lọc của phản ứng nhiệt phân tạo thành sản phẩm olefin tăng Nh nớc có vai trò sau: Làm giảm áp suất riêng phần hidrocácbon (có lợi cho phản ứng tăng thể tích )và làm giảm hiệu suất tạo olefin Giảm phản ứng phụ polime hoá tạo thành hidrocácbon thơm đa nhân làm giảm lợng cốc tạo thành ống phản ứng Giảm nhiệt cung cấp cho đơn vị chiều dài ốngdo hiƯu øng pha lo·ng  Cung cÊp nhiƯt cho ph¶n ứng pha trộn Tuy nhiên việc sử dụng nớc để pha trộn có hạn chế sau: Hơi nớc phải đợc gia nhiệt tới nhiệt độ phản ứng tốn nhiệt Sự có mặt nớc làm tăng thể tích phản ứng làm tăng giá thành đầu t xây dựng lò nhiệt phân Việc tách nớc khỏi sản phẩm tơng đối tốn Khối lợng nớc sử dụng thờng đợc xác định khối lợng nớc / khối lợng hidrocácbon ) phụ thuộc vào trọng lợng phân tử nguyên liệu hidrocácbon tỷ lệ nớc/RH = 0,2-1 (đối với nguyên liệu đầu ethal) 1-1,2 nguyện liệu đầu vào naphta) B Công nghệ steam crackinh Quá trình steam crackinh gồm phận chính: phận phản ứng (vùng nóng),tại nguyên liệu đợc nhiệt phân tạo thành sản phẩm phận tách (vùng lạnh), sản phẩm đợc tạo thành đợc tách loại tinh chế Sơ đồ công nghệ nh sau: Hidrocacbon nhiệt vùng đối lu (1) lò nhiệt phân đợc pha loãng cách trộn lẫn với nớc trớc đa vào vùng xạ (2) lò Nhiệt độ hỗn hợp phản ứng đợc tăng lên nhanh chóng trình nhiệt phân xảy tuỳ thuộc vào nguồn nguyên liệu hidrocacbon sử dụng, trình crackinh cã thĨ x¶y ë 750 0c-8700c, thêi gian lu (4) để dễ thực phản ứng đêhydro hoá,với nguyên liệu ban đầu propan qua bảng thống kê sản phẩm kể ta they sản phẩm thu đợc cho ta hàm lợng propylene cha cao, nhng nh nhà máy mà thực hiên trình tổng hợp nh để đạt mục đích thu đợc sản phẩm metan, etylen,propylene nên thực trình công nghệ kể Đối với công nghệ tổng hợp propylen từ propan từ trình Đêhydro hoá cho ta số nhận xét mặt công nghệ va sản phẩm nh sau: Sản phẩm thu đợc từ phản ứng Dêhydro hoá cho ta sản phẩm propylene với độ chọn lọc sản phẩm khoảng 90% phần trăm khối lợng propylene lên đến 85% Quá trình đợc thực lò đứng có lớp xúc tác cố định, lò thiết bị loại ống xuyên tâm nh sau: 18 19 14 13 12 11 15 10 16 20 PHần iii tính toán thiết bị tính cân vật liệu : Các số liệu ban đầu gồm có: -Năng suất thiết bị 100.000 (tấn/năm ) -Thời gian làm việc thiết bị là: 310 (ngày) ( nh tính toán phía dới ) -Các phản ứng sảy lò là: Phản øng chÝnh: C3H8YC3H6 +H2 Ph¶n øng phơ x¶y trình nh sau: C3H8Y CH4+ C2H4 Ngoài có loại sản phẩm khác nh cốc, hợp chất thơm -Năng suất thiết bị tính theo nguyên liệu là: L Gc= (kg/h) 90.24.N Trong L suất năm: 100.000 /năm N số chu trình làm việc thiết bị 365-n1-n2 N= 90+3 21 Trong 365 số ngày năm n1 số ngày sửa chữa lớn năm(n1=30) n2 số ngày sửa chữa nhỏ năm(n2=15) thay số vào cho ta kết nh sau: N= 365-30-15 90+3 =3,44 Số ngày đêm làm việc năm 90.n=90.3,44=310 ngày Số ngày đêm sử dụng để tái sinh xúc tác năm 3.n=3.3,44=11 ngày đêm Vậy Gc= 100000.1000 90.24.3,44 =13458(Kg/giờ) -Lợng sản phẩm nhận đợc trình là: Lợng sản phẩm C3H6 là: 13458.0,85=11439,3 kg/giờ Lợng sản phẩm C2H4 là: 13458 0,1 = 1345,8 kg/giờ Lợng sản phẩm CH4 H2 tạo thành : 13458.0 ,05= 672,9 kg/giờ 22 tính cân nhiệt lợng Xác định nhiệt lợng nguyên liệu mang vào lò phản ứng QNL Các thông số ban đầu thiết bị nh sau: Năng suất thiết bị 13458 (kg/giờ) Hiệu suất trình biến đổi 90%, lợng tuần hoàn 20% Nhiệt độlm việc lò:4700c Nhiệt độ khí khỏi lò l: 4500c Hiệu suất sản phẩm thu đợc nh sau đây: C3H6 C2H4 CH4 H2 Hm nhiệt ®ỵc cho H2 CH4 C2H4 C3H6 C3H8 80 10 5 Thành Hàm phÇn( nhiƯt %) ë 3000c 1035 188,8 10 142,9 80 141.4 159.1 Hàm nhiÖt ë 4000c 1383 269 205 204 231 Hàm nhiÖt ë 5000c 1733 357 273 272 309 chất bảng sau đây(kcal/kg): 23 Nhiệt lợng vào lò phản ứng gồm có: + Do nguyên liệu mang vào lò: Q1 +Do lợng tuần hoàn mang vào lò (20%): Q2 Khi Q2=0,2.Gc.c2.t2 C2 hàm nhiệt riêng nguyên liệu 4500c từ bảng ta có: 540 (kcal/kg) T2 =4500c , Q2= 0,2.13458.540.=1453464 (kcal/giờ) Lợng nhiệt mang khỏi lò ph¶n øng gåm cã: -Do C3H6 mang ra: Q3=0,8.Gc C3 víi C3, hµm nhiƯt cđa C3H6: (204+272)/2=476 (kcal/giê) T3 =4500c Thay số vào ta đợc: Q3= 0,8 13458.476=5124806,4 (kcal/giờ) Do C2H4 mang khái lß: Q4 = 0,1.Gc C4 C4 hàm nhiệt riêng C2H4: (205+273)/2=239 (kcal/giờ) T4 = 4500c Q4= 0,1 13458 239=321646,2 ( kcal/giê) Do CH4 mang khỏi lò là: Q5= 0,05 Gc C5 C5 hàm nhiƯt riªng cđa CH4: =(269+357) /2=313( kcal/giê) T5= 4500c Q5 = 0,05 13458 313 =210617,7 kcal/giê Do H2 mang khỏi lò là: Q6= 0,05 Gc C6 C6 hàm nhiệ riªng cđa H2: =(1383+1733)/2=1558( kcal/giê) Q6= 0,05 13458 1558 =1048378,2 kcal/giờ Nhiệt lợng mát trình làm việc = 5% lợng nhiệt cân Q7 =0,05.( Q3 +Q4 + Q5 +Q6) =0,05 ( 5124806,4 +321646,2+210617,7 +1048378,2)=335272,425 (kcal/giờ) Theo phơng trình cân nhiệt lợng ta có: Q1+Q2 = Q3 +Q4 + Q5 +Q6 + Q7 Thay số vào ta đợc: 24 Q1 = 5124806,4 +321646,2+210617,7 +1048378,2+335272,4251453464=5587256,925 (kcal/giờ) Hàm nhiệt riêng nguyên liệu là: q= Q1/Gc= 5587256,925/13458=415,16 (kcal/giờ) tính chiều cao đờng kính thiết bị a.tính đờng kính thiết bị Khối lò làm việc theo chế độ sau đây: -Năng suất công nghệ 100.000 tấn/ năm -Nhiệt độ 470-520 0c -áp suất (at) 40-45 -Tốc độ thể tích dẫn nguyên liệu vào (m3/m3 giờ) 30 h-1 -Tỷ lệ thể tích khí tuần hoàn nguyên liệu 1:1500 -Thời gian chu trình (tháng) -Thời gian làm việc xúc tác dùng Pt/Al2O3 Ta có xem xét kết trình dêhydro hoá propan cho ta kết nh sau đây: bỏ qua tạo cốc thiết bị Tỷ lƯ cđa s¶n phÈm C3H6 CH4 H2 C2H4 85% 5% 5% 10% -Năng suất thiết bị tính theo nguyên liệu là: Gc= L (kg/h) 90.24.N 25 Trong L suất năm: 100.000 /năm N số chu trình làm việc thiết bị 365-n1-n2 N= 90+3 Trong 365 số ngày năm n1 số ngày sửa chữa lớn năm(n1=30) n2 số ngày sửa chữa nhỏ năm(n2=15) thay số vào cho ta kết nh sau: N= 365-30-15 90+3 =3,44 Số ngày đêm làm việc năm 90.n=90.3,44=310 ngày Số ngày đêm sử dụng để tái sinh xúc tác năm 3.n=3.3,44=11 ngày đêm Vậy Gc= 100000.1000 =13458(Kg/giờ) 90.24.3,44 -Lợng sản phẩm nhận đợc trình là: Lợng sản phẩm C3H6 là: 13458.0,85=11439,3 kg/giờ Lợng sản phẩm C2H4 là: 13458 0,1 = 1345,8 kg/giờ 26 Lợng sản phẩm CH4 H2 tạo thành : 13458.0 ,05= 672,9 kg/giờ -Xác định thể tích lò phản øng lµ: ( 11439,3/42+1345,8/28 +672,9/2 +672,9/18).(22,4/3600) (273+500/273).760/760.40 =0,305 ( m3/giây) Lấy tốc độ thẳng tiết diện tự phản ứng 0,3 m/giây, đờng kính thiết bị đợc tính theo công thức: D= 4.V /  v 4.0,305 / 3,14.0,3 = =1,13 (m) Quy chuẩn thiết bị ta co đờng kính thiết bị 1,2m Tỷ trọng propan nguyên liệu 200c là: c= 0,508 kg/m3 Lợng khí tuần hoàn (ë o0c vµ 760 mm Hg) Gc Vy r= = n 13458 = = 1/1500 0,508 Vyr =39738,18898 (m3./giê) n: tỷ lệ thể tích khí tuần hoàn nguyên liệu =1/1500 Thể tích xúc tác cố định lò phản ứng là: 27 Gc Vp = c v Trong v tốc độ thể tích nguyên liƯu v=1,5 -1 Thay sè vµo cho ta: 13458 508.1,5 Vp= m3 =17,66 Chiều cao lò tính theo công thức sau đây: Vp 17, 66.4 H= = 3,14.1, 22 =15,6 m  D2 / Tõ tÝnh to¸n kĨ ta quy chuẩn đờng kính chiều cao thiết bị nh sau Đờng kính 1,2 (m), chiỊu cao 15(m) 28 PHÇn iii KÕt ln Qua trình làm đồ án em rút cho số kết luận nh sau: - Nắm vững sở hoá lý trình tổng hợp hợp chất hữu - Biết đợc công nghệ tổng hợp propylen giới - Biết tính toán thiết kế dây truyền công nghệ sản xuất sản phẩm hữu -Hiểu rõ đợc nhu cầu va ứng dụng sản phẩm tổng hợp hữu phục vụ lĩnh vc công nghiệp đới sống -Vai trò việc tìm phơng pháp đẻ sản xuất số sản phẩm hữu phục vu cho đời sống Quá trình làm đồ án gấp rút thời gian hạn chế mặt đọc dịch tài liệu tiếng anh nên trình làm đề tài không tránh khỏi sai xót, em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn giúp đỡ em tham khảo tìm tài liệu trình làm đề tài 29 Tài liệu tham khảo Wolgany Gerhartx Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemitry, Vol A6, 1997 Phan Minh Tân Tổng hợp hữu - hoá dầu, Tập Trờng ĐH Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Wolgany Gerhartx Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry , Vol A10 Bộ môn tổng hợp hữu Hoá hữu - Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuËt - Hµ néi, 1999 Kirk – Ottmer Encyclopedia of Chemical Technology Bộ môn trình thiết bị công nghệ hoá chất Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất - Tập NXB KHKT - Hà nội, 1992 Hiệu đính PTS -Trần Xoa, PTS - Nguyễn Trọng Khuông, PTS - Phạm Xuân Toản Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chÊt - TËp NXB KHKT - Hµ néi, 1999 10 Trần Công Khanh Thiết bị phản ứng hoá học Trờng ĐH Bách Khoa Hà nội, 1978 10 Bộ môn hoá lý Sổ tay tóm tắt đại lợng hoá lý 30 Trờng ĐH Bách Khoa Hà nội, 1963 31 ... tổng hợp propylen từ propan đợc tổng hợp dây truyền công nghệ là: trình crackinh hơI trình đehidrô hoá propan, chúng ta xem xét sở hoá lý dây truyền công nghệ tổng hợp từ phơng pháp kể PHầN ii Tổng. .. metan, etylen,propylene nên thực trình công nghệ kể Đối với công nghệ tổng hợp propylen từ propan từ trình Đêhydro hoá cho ta số nhận xét mặt công nghệ va sản phẩm nh sau: Sản phẩm thu đợc từ phản... tổng hợp cáchợp chất hoá học khác Trớc việc tổng hợp propylen chủ yếu đợc tổng hợp từ trình chng cất dầu thô phân đoạn dầu thô nh phân đoạn naphta, trình tổng hợp thông thờng với trình tổng hợp