Mtbe là tên viết tắt của Metyl tert butyl ete là hợp chất chứa oxy có công thức cấu tạo

CHƯƠNG II:

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

Năng xuất phân xưởng sản xuất MTBE với công suất 30 000 tấn / năm , nguyên liệu là khí Isobutan . Dây chuyền sản xuất liên tục 24h/ngày , thời gian sửa chữa và bảo dưỡng các thiết bị trong dây chuyền là 30 ngày .

Vậy số ngày sản xuất của dây chuyền là 335 ngày

Vậy năng suất phân xưởng tính theo giờ là :

30 000 000 / (335 x 24) = 3731,34( kg/h)

Tính theo kmol / h:

3731,34/88,15 = 42,33 (kmol/h)

( khối lượng phân tử của MTBE là 88,15 )

Thành phần nguyên liệu .

Bảng 10 : Thành phần nguyên liệu đầu

Thành phần	%V
Iso butan	91%
n-butan	6%
Propan	2%
Buten	0,5%
pentan	0,5%

Metanol kỹ thuật nồng độ 99% trọng lượng

Nước kỹ thuật nồng độ 1%

1/ Tính toán cân bằng vật chất chung :

Quá trình sản xuất MTBE đi từ isobutan gồm hai giai đoạn :

*Giai đoạn dehydro hoá isobutan

* Giai đoạn tổng hợp MTBE

Cân bằng :

khối lượng vào = khối lượng ra

Ở giai đoạn tổng hợp có phản ứng chính sau :

iso C4H8 + CH3OH MTBE

Đây là phản ứng thuận ngịch , độ chuyển hoá chung đạt 99% , độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% tính theo iso C4H8

Thành phần vào của quá trình tổng hợp MTBE có :

*Hỗn hợp C4 lỏng đi từ quá trình dehydro hoá với một lượng là G1(kg /h ).

* Hỗn hợp nguyên liệu Metanol 99% có khối lượng là G_MeOH (kg/h)

* Thành phần hỗn hợp ra khỏi vùng phản ứng của quá trình tổng hợp MTBE gồm có :

(+) Hỗn hợp khí C4 chưa phản ứng : G2 (kg/h)

(+) Sản phẩm MTBE 99% : G_MTBE (kg / h.)

(+) Nước : G_H2O (kg/h)

Ở đây để cho đơn giản ta giả sử trong quá trình hấp thụ Mêtanol và quá trình chưng tách Metanol và nước , lượng nước sử dụng không bị mất mát và được tuần hoàn trở lại nhờ quá trình hấp thụ Metanol và lượng nước lấy ra bằng lượng nước đưa vào quá trình và cũng bằng lượng nước có trong nguyên liệu Metanol và bằng G_H2O .

Để tạo ra sản phẩm MTBE đạt năng suất yêu cầu là 42,33 kmol/h thì lượng Isobutylen cần được đưa vào cho quá trình tổng hợp MTBE cũng bằng 42,33kmol/h

Vì độ chuyển hoá của quá trình tổng hợp MTBE là 99% tính theo

số mo lisobutylen do đó lượng isobutylen cần đưa vào quá trình sẽ là :

G_isobuten = 42,33/0,99 = 42,76 kmol/h.

Ở đây để đơn giản cho tính toán ta coi độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% và Isobutylen không bị tiêu thụ cho phản ứng tạo ra TBA và DIB.

Lượng Isobutylen là :

G_IB = 42,76 x 56 = 2394,42 kg/h.

Để độ chuyển hoá trong quá trình tổng hợp MTBE đạt kết quả như thiết kế ta đưa lượng Metanol vào quá trình tổng hợp theo tỉ lệ Metanol/isobutylen = 1,1 (phần mol ).

Vậy lượng Mêtanol đưa vào quá trình là :

42,76 x 1,1 = 47,0 ( kmol/h.)

hay bằng : 47,0 x 32 = 1505 (kg/h.)

Lượng Metanol còn lại sau phản ứng bằng lượng Metanol đưa vào quá trình trừ đi lượng Metanol tiêu thụ cho phản ứng .

47,0 – 42,33 = 4,67 (kmol/h)

hay tính theo kg/h được : 4,67 x 32 = 149,44 (kg/h.)

Ta giả sử các sản phẩm phụ trong sản phẩm MTBE chỉ có Metanol , một lượng nhỏ TBA và DIB ,… sản phẩm phụ này chiếm 1% khối lượng của toàn bộ lượng sản phẩm thu được từ quá trình tổng hợp MTBE .

Vậy bằng :

3731,34 x 0,01 = 37,313 (kg/h.)

Lượng Metanol tuần hoàn bằng lượng Metanol còn lại sau phản ứng trừ đi lượng Metanol nằm trong sản phẩm MTBE .

Bằng : 149,44 – 37,313 = 112,13 ( kg/h. )

Lượng Metanol mới 99% cần đưa vào là :

G_MeOH = 1505,2 – 112,13 = 1393,07 ( kg/h)

Do đó lượng Metanol 99% cần đưa vào để tổng hợp MTBE là :

1393,07/0,99 = 1406 ( kg/h.)

Lượng nước đưa vào quá trình tổng hợp là :

G_H2O = 1406,0 – 1406,0 x 0,99 = 14,06 (kg/h.)

Từ kết quả tính toán trên ta có bảng kết quả như sau :

Cân bằng vật chất cho cả quá trình :

lượng chất vào = lượng chất đi ra .

(*) Lượng chất đi vào bao gồm :

(+) Hỗn hợp Isobutan nguyên liệu G_isobutan .(kg/h)

(+) Hỗn hợp khí thải giàu H2 : G_{khí thải} (kg/h)

Vậy :

G_isobutan = G_{iso buten} + G_{khí thải}

Do đó lượng Isobutan nguyên chất cần để dehydro hoá là :

42,76/0,91 = 46,48 (kmol/h).

Do độ chuyển hoá của phản ứng dehydro hoá đạt 50% . Do vậy lưu lượng Iso butan nguyên chất cần đưa vào dây chuyền là :

46,48/0,5 = 92,96 (kmol/h.)

Lượng Isobutan không chuyển hoá là :

92,96 – 46,48 = 46,48 (kmol/h)

Lượng Isobutan 42,76 (kmol/h) sẽ tiêu hao cho phản ứng chính tạo ra 42,76 (kmol/h) Iso butylen sản phẩm theo phương trình phản ứng sau :

IsoC₄H₁₀  IsoC₄H₈ + H₂ (1)

Lượng isoC₄H₁₀ còn lại tham gia phản ứng phụ đó là phản ứng Cracking hoá theo phản ứng sau :

Iso C₄H₁₀  C₂H₆ + C₂H₄ (2)

Iso C₄H₁₀  CH₄ + C₂H₆ (3)

Giả sử phản ứng (2) và phản ứng (3) xảy ra với tốc độ như nhau , hiệu suất và lượng isoC₄H₁₀ phản ứng ở cả hai phản ứng là như nhau . Ta có lượng isoC₄H₁₀ tham gia phản ứng (2) và (3) là :

46,48 – 42,76 = 3,72 ( kmol/h.)

Vậy lượng isoC₄H₁₀ tiêu hao cho phản ứng (2) cũng bằng lượng isoC₄H₁₀ tiêu hao cho phản ứng (3) và bằng :

n = 3,72/2 = 1,86 ( kmol/h.)

Do thành phần IsoC₄H₁₀ chỉ chiếm 91% trong hỗn hợp nguyên liệu đi dehydro hoá . Do vậy lượng hỗn hợp nguyên liệu đem đi để dehydro hoá là :

92,96 / 0,91 = 102,15 (kmol/h)

STT	Tên cấu tử	%V	Kmol/h	Kg/h
1	IsoC4H10	91,0	92,96	5391,68
2	n_C4H10	6,0	6,122	355,5
3	C3H8	2,0	2,043	89,89
4	n_C4H8	0,5	0,511	28,62
5	C5H12	0,5	0,511	36,79
Tổng cộng		100	102,15	5902,482

Vậy G_{iso C4H10} = 5902,482 (kg/h)

Giả sử khí C₃H₈ và n_C₄H₈ cũng tham gia vào phản ứng dehydro hoá và độ chuyển hoá cũng đạt 50% theo các phản ứng sau :

C₃H₈  C₃H₆ + H₂ (4)

n_ C₄H₁₀  C₄H₈ + H₂ (5)

C₅H₁₂  C₂H₆ + C₃H₆ (6)

Lượng C₃H₈ tham gia phản ứng (4) là :

2,043x 0,5= 1,022 (kmol/h).

Lượng n_C₄H₈ được tạo ra từ phản ứng (5) chính bằng lượng n C₄H₁₀ tham gia phản ứng (5) và bằng :

6,129 x 0,5 = 3,064 (kmol/h)

Do vậy tổng lượng n_C₄H₈ có trong thiết bị dehydro hoá là :

3,064 + 0,551 = 3,575 (kmol/h)

hay 3,575 x 56 = 200,2 (kg/h)

Hỗn hợp lỏng iso C₄H₈ sản phẩm đi ra khỏi quá trình dehydro hoá và đi vào thiết bị tổng hợp MTBE có thành phần như sau :

(+)Iso C₄H₈ được tạo ra bằng 42,76 (kmol/h)

Hay 42,76 x 56 = 2394,42 (kg/h) , cộng với 42,84 (kg/h) có trong hỗn hợp nguyên liệu ban đầu

(+Iso C₄H₁₀ còn lại chưa phản ứng bằng 46,68 (kmol/h)

Hay 46,68 x 58 = 2695,04 (kg/h)

(+)n_ C₄H₁₀ còn lại chưa phản ứng bằng :

6,129 – 3,064 =3,064(kmol/h)

Hay 3,064 x 58 = 177,71 (kg/h)

(+) C₃H₈ còn lại chưa phản ứng bằng 2,043 - 1,022 = 1,022 (kmol/h)

hay 1,022 x 44 = 44,968 (kg/h)

(+) C₃H₆ được tạo ra bằng 1,022 + 1,86 = 2,882 (kmol/h)

Hay 2,882 x 42 = 121,04 (kg/h)

Vậy tổng lượng hỗn hợp Iso C₄H₈ đi vào thiết bị tổng hợp MTBE là :

iso C₄H₈nguyên liệu = 2394,42 + 2695,04 + 177,71 + 200,2 + 414,968 + 121,04 + 36,79 = 5674,46 (kg/h)

Khối lượng và thành phần khí thải :

(+) H₂ : Số mol H₂ là :

n_H2 = n_{H2 ở (1)} + n_{H2 ở(2)} + n_{H2 ở (3)}

n_H2 = 42,76 + 1,022 + 3,084 = 46,85 (kmol /h )

Hay khối lượng của khí H₂ là m_H2 = 46,85 x 2 = 93,69 (kg/h )

(+) CH₄ có số mol là : n_CH4 = 1/2 x n_{iC4H10 p/ư (1,2)} = 1,86 (kmol/h)

hay ứng với : m_CH4 = 1,86 x 16 = 29,76 (kg/h)

(+) C₂H₄ có số mol là : n_C2H4 = 1/2 x n_{iC4H10 p/ư (1,2)} = 1,86 (kmol/h)

hay ứng với hay ứng với : m_C2H4 =1,86 x 28 = 52,08 (kg/h)

(+) C₂H₆ có số mol là : n_C2H6 = 1/2 x n_{iC4H10 p/ư (1,2)} = 1,86 (kmol/h)

hay ứng với : m_C2H6 = 1,86 x 30 = 55,8 (kg/h)

Vậy ta có tổng số mol lượng khí thải là :

n_Khíthải =1,86 x 3 + 46,85 = 52,43 (kmol/h)

Hay hay ứng với :

m_Khíthải = 93,69 + 29,76 + 52,08 + 55,8 = 231,33 (kg/h).

Ta có cân bằng sau :

G_{iso C4H10 ng/l} = G_{iso C4H8sp} + G_{Khí thaỉ} =5670,968 + 231,33 = 5902,298 (kg/h)

Hỗn hợp lỏng C₄ (iso C₄H₈ ) sản phẩm đi ra khỏi thiết bị dehydro hoá có khối lượng G_{iso C4H8sp} và cũng chính là G₁ = 5670,968 (kg/h)



Bảng 13 : Thành phần của hỗn hợp nguyên liệu ra khỏi thiết bị dehydro hoá

Tên chất	Kmol/h	Kg/h
Iso C­4H8	42,76	2394,42
Iso C­4H10	46,68	2695,04
n _C­4H10	3,064	177,71
n _C­4H8	3,575	200,2
C­3H8	1,022	44,968
C­3H6	2,882	121,04
C5H12	0,511	36,79
Tổng số	99,983	5670,968