Đồ án Phân tích, thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất MTBE

E 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 : ồiso 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 : nH2 = nH2 ở (1) + nH2 ở(2) + nH2 ở (3) nH2 = 42,76 + 1,022 + 3,084 = 46,85 (kmol /h ) Hay khối lượng của khí H2 là mH2 = 46,85 x 2 = 93,69 (kg/h ) (+) CH4 có số mol là : nCH4 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với : mCH4 = 1,86 x 16 = 29,76 (kg/h) (+) C2H4 có số mol là : nC2H4 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với hay ứng với : mC2H4 =1,86 x 28 = 52,08 (kg/h) (+) C2H6 có số mol là : nC2H6 = 1/2 x niC4H10 p/ư (1,2) = 1,86 (kmol/h) hay ứng với : mC2H6 = 1,86 x 30 = 55,8 (kg/h) Vậy ta có tổng số mol lượng khí thải là : nKhíthải =1,86 x 3 + 46,85 = 52,43 (kmol/h) Hay hay ứng với : mKhíthải = 93,69 + 29,76 + 52,08 + 55,8 = 231,33 (kg/h). Ta có cân bằng sau : Giso C4H10 ng/l = Giso C4H8sp + GKhí 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 Giso 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 Hỗn hợp này là dòng nguyên liệu đi vào thiết bị tổng hợp MTBE Thay G1 = 5670,968 kg/h vào phương thình cân bằng vật chất cho giai đoạn tổng hợp MTBE ta có : G1 + GMeOH(99%) = G2 + GMTBE + GMeOHtrongMTBE + GH2O Suy ra : G2 = G1 + GMeOH(99%) - (GMTBE + GMeOHtrongMTBE + GH2O ) G2 = 5670,968 + 1406,0 – (3731,34 + 14,06 + 37,31 ) = 3295,18 (kg/h) Xác định thành phần và khối lượng C4 ra khỏi quá trình tổng hợp MTBE : Phản ứng tổng hợp MTBE như sau : Iso C4H8 + MeOH MTBE Nếu coi độ chuyển hoá của phản ứng đạt 99% mol tính theo iso C4H8 và độ chọn lọc đạt xấp xỉ 100% thì lượng MTBE tạo ra theo tính toán ban đầu là 42,33 (kmol /h ) Theo phương trình phản ứng tổng hợp MTBE thì số mol của iso C4H8 tham gia phản ứng chính bằng số mol MTBE tạo thành và bằng 42,33 mol/h. Do vậy ta có số mol isoC4H8 chưa phản ứng sẽ là : n iC4H8 chưa phản ứng = 42,76 – 42,33 = 0,43 (kmol/h) Ta giả sử rằng các cấu tử khác là không phản ứng Vậy thành phần hỗn hợp C4 đi ra khỏi quá trình tổng hợp MTBE là : Bảng 14 : Thành phần hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị tổng hợp MTBE Tên chất Kmol/h Kg/h Iso C4H8 0,43 24,08 Iso C4H10 46,68 2695,04 n _C4H10 3,064 177,71 n _C4H8 3,575 200,2 C3H8 1,022 44,968 C5H12 0,511 36,79 C3H6 2,882 121,04 Tổng số 58,164 3256,11 Bảng 15: Cân bằng vật chất chung Các dòng vật chất đi vào (kg/h) Các dòng vật chất đi ra (kg/h) GisoC4H8 ng/l = 5902,5 GMeOH (99%) = 1406,0 Tổng : 7309,5 1. GMTBE = 3731,34 2. G2 = 3295,18 3. GMeOHtrongMTBE = 37,31 4. GH2O = 14,06 5. GKhíthải = 231,33 Tổng : 7309,5 Tính lượng iso Butan mới cần đưa vào dây chuyền : Khí hỗn hợp C4 không phản ứng sau khi thu hồi đem xử lý loại các cấu tử chứa ôxy như Metanol ,MTBE , H2O (với một lượng nhỏ ) , loại các khí nhẹ như : propan ,propylen , etylen , metan , . . . để đạt được tiêu chuẩn gần như hỗn hợp khí Iso_Butan ban đầu rồi được quay trở lại thiết bị dehydro hoá cùng với hỗn hợp Iso_Butan mới . Ta có lượng iso_Butan tinh khiết đi vào dây chuyền bằng lượng iso Butan mới đưa vào cộng với lượng iso Butan tuần hoàn . Do vậy lượng isoButan mới tinh khiết cần được đưa vào dây chuyền là : 93,09 – 46,48 = 46,48 ( kmol/h) Do đó lượng iso Butan nguyên liệu cần đưa vào dây chuyên bằng : 46,48 / 0,91 = 51,08 (kmol/h) Bảng 16 –Thành phần hỗn hợp nguyên liệu tuần hoàn STT Tên cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 IsoC4H10 91,0 46,48 2695,84 2 n_C4H10 6,0 3,065 177,71 3 C3H8 2,0 1,022 44,95 4 n_C4H8 0,5 0,2554 14,302 5 C5H12 0,5 0,2554 18,39 Tổng cộng 100 51,08 2951,252 Bảng 17 –Thành phần lượng nguyên liệu isoButan cần đưa vào dây chuyền STT Tên cấu tử %V Kmol/h Kg/h 1 IsoC4H10 91,0 46,48 2695,84 2 n_C4H10 6,0 3,065 177,71 3 C3H8 2,0 1,022 44,95 4 n_C4H8 0,5 0,2554 14,302 5 C5H12 0,5 0,2554 18,39 Tổng cộng 100 51,08 2951,252 1.2 / Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng tổng hợp MTBE thứ nhất : Ta có phương trình cân bằng vật chất : Tổng hỗn hợp vào = Tổng hỗn hợp ra GtsoC4H8 + GMeOH = GMTBE dư + G2 Trong đó GtsoC4H8 : Dòng nguyên liệu đi vào ,kg/h GMeOH : Lưu lượng Mêtanol đi vào , kg/h GMeOHdư : lượng mêtanol chưa phản ứng G2 : Lưu lượng hỗn hợp C4 còn lại -Lượng Mêtanol đi vào thiết bị phản ứng, GMeOH GMeOH = GMeOH mới + GMeOHtuần hoàn = 1406 kg/h -Lượng sản phẩm MTBE đi ra sau phản ứng , GMTBE ở thiết bị phản ứng này độ chuyển hoá đạt 80% ,độ chọn lọc 100% phản ứng sau .(tính theo iso C4H8 ) IsoC4H8 + CH3OH MTB E 34,208 34,208 42,76x 80% =34,208 (kmol/h) Lượng MTBE được tạo ra = 34.208 x 88 = 3010.304 (kg/h) GMeOH dư = 47.0 – 34.208 =12.792 (kmol/h ) hay 12.792 x 32 = 409.344(kg/h) Lượng isoC4H8 chưa phản ứng = ( 42.76 – 34.208) x 56 = 478.912 (kg/h) Hay 8,552 (kmol/h) Tên chất Lượng vào (kg/h) Lượng ra (Kg/h) Iso C4H8 2394,42 478,912 Iso C4H10 2695,04 2695,04 n _C4H10 177,71 177,71 n _C4H8 200,2 200,2 C3H8 44,968 44,968 C3H6 121,04 121,04 C5H12 36,79 36,79 H2O 14,06 14,06 CH3OH 1505,2 409,344 MTBE 0 3010,304 Tổng số 7188,368 7188,368 Bảng 18 –Cân bằng vật chất của thiết bị phản ứng chính 2.2/ Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chưng tách MTBE : Lượng MTBE được tạo ra ở thiết bị phản ứng chưng tách là : nMTBE chưng tách = 42,33 – 34,208 = 8,122 (kmol/h) Hay mMTBE chưng tách = 8,122 x 88,15 = 714,716 (kg/h) IsoC4H8 + CH3OH đ MTB E 8,122 8,122 8,122 (kmlo/h) Vậy lượng iso Butylen còn lại trong hỗn hợp do không phản ứng là : niButen khôngphảnứng= 8,552 – 8,112 = 0,44 (kmol/h) Hay miButen khôngphảnứng = 0,44 x 56 = 24,64 (kg/h) Lượng Metanol còn lại sau quá trình chưng cất là : nMeOH khôngphảnứng = 12,792 – 8,112 = 4,68 (kmol/h) Hay mMeOH khôngphảnứng = 4,68 x 32 = 149,76 (kg/h) Vậy ta có cân bằng vật chất cho thiết bị chưng tách MTBE Bảng 19: Cân bằng vật chất cho thiết bị chưng tách MTBE Tên chất Lượng vào (kg/h) Lượng ra (Kg/h) Iso C4H8 478,912 24,64 Iso C4H10 2695,04 2695,04 n _C4H10 177,71 177,71 n _C4H8 200,2 200,2 C3H8 44,968 44,968 C3H6 121,04 121,04 C5H12 36,79 36,79 H2O 14,06 14,06 CH3OH 409,344 149,76 MTBE 3010,304 3731,34 Tổng số 7188,368 7188,368 II. Tính cân bằng nhiệt lượng: ở đây ta tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng chính. Ta có phương trình cân bằng nhiệt : Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 Trong đó : Q1 : Nhiệt lương do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Q2 : Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào Q3 : Nhiệt lượng toả ra do các phản ứng hoá học toả ra Q4 : Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra Q5 : Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào. Q1 = G1. C1. t1 Với : t1 : nhiệt độ nguyên liệu mang vào , t1 = 600C G1 : lưu lượng khối lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào C1 : Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp C1 được xác định theo công thức : C1 = ồC1i.ai ai : Nồng độ phần trăm khối lượng của cấu tử i Tính C1i của từng cấu tử như sau : [3,4,6] CP (i-C4H8) = 596,89 – 4,6378T + 1,44.10-2T2 – 1,372.10-5T3, Kj/kmol.độ CP(i-C4H10) = 9,597 + 344,46.10-3T – 162,15.10-6T2, Kj/kmol.độ. CP(n-C4H8) = 20,762 + 250,637.10-3T – 75,854.10-6T2, Kj/kmol.độ. CP(MTBE) = 53,176 + 0,7173T – 0,1533.10-2T2 + 0,202.10-5T3 , Kj/kmol.độ. CP( CH3OH ) = 1391,6 – 12,364T + 3,781.10-2T2 – 3,179.10-5T3, Kj/kmol.độ. CP(n- C4H10) = 4,357 + 72,552.10-3T – 18,14.10-6T2, Kcal/kmol.độ. CP(C3H8) = 0,41 + 64,71.10-3T – 22,582.10-6T2, Kcal/kmol.độ. CP( C3H6) = 2,974 + 45,024.10-3T – 11,38.10-6T2, Kcal/kmol.độ. CP (C) ằ 0. Thay nhiệt độ t = 60 oC ị T = 333K, ta tính được: Vì C phần trong hỗn hợp là nhỏ nên khi tính toán ta bỏ qua. CP (i-C4H8) =115,379 Kj/kmol.độ. CP(i-C4H10) = 106,32 Kj/kmol.độ. CP(n- C4H8) = 95,813 Kj/kmol.độ. CP( CH3OH ) =293,222 , Kj/kmol.độ. CP(n- C4H10) = 26,505, Kcal/kmol.độ = 110,79 Kj/kmol.độ. CP(C3H8) = 19,454, Kcal/kmol.độ = 81,32 Kj/kmol.độ. CP(C3H6) = 16,705, Kcal/kmol.độ = 69,83 Kj/kmol.độ. CP(H2O) (tại 60oC) = 0,9985, Kcal/kg.độ = 75,249 (Kj/kmol.độ). CP (C) ằ 0 Bảng21 : Xác định nhiệt dung riêng và khối lượng Cấu tử Lượng ,kg/h ai , %kl CPi, kj/kmol.độ ai.CPi Kmol/h IsoC4H8 2394,42 33,478 115,379 38,627 42,71 IsoC4H10 2695,04 37,681 106,32 40,062 46,47 nC4H10 177,71 2,485 110,32 2,753 3,064 nC4H8 200,2 2,799 95,813 2,682 3,575 C3H8 44,968 0,629 81,32 0,512 1,022 C3H6 121,04 1,692 69,83 1,182 2,882, C5H12 36,79 0,488 0 0 0,511 H2O 15,05 0,210 75,22 0,158 0,836 CH3 OH 1505,2 21,045 293,22 61,708 47,0 Tổng 7188,368 100 147,684 148,00 Vậy: Q1= Gngliệu. CP ngliệu . tngliệu = 147,684 . 148,00 . 60 = 1311433,92 Kj/h. Q1 = 1,3114. 106 Kj/h. = 364,288 kw II.2. Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào:[3] Q2 = G HO . CP2 HO . t2 HO , Kj/h Trong đó: G HO – khối lượng nước làm lạnh đi vào, (kmol/h) CP2 HO – nhiệt dung riêng của nước, Kj/kmol.độ t2 HO – nhiệt độ nước làm lạnh, chọn t2 HO = 25 oC Tại t = 25 oC , CP HO = 0,99892 Kcal/kg.độ = 75,281 Kj/kmol.độ.[3] Vậy: Q2 = G2 HO.75,281.25 = 1882,025.G2 HO (Kj/h). II.3. Nhiệt lượng do các phản ứng hoá học toả ra: Phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng toả nhiệt, DH = - 37 Kj/mol [9] Mức độ chuyển hoá tại thiết bị này là 80%, vậy ta có nhiệt lượng toả ra do phản ứng tổng hợp là: Q3 = DH .n Trong đó: H: nhiệt phản ứng n: số mol MTBE tạo thành (mol/h) n = 42,33x0,8 = 34,15 (Kmol/h) = 34,15.103 (mol/h) vậy: Q3 = 34,15.103.37 = 1263,55.103(KJ/h) = 351(Kw). II.4. Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra: Q4= Gsp. Gsp. tsp Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất có nhiệt độ là 800C Ta tính nhiệt dung riêng của các cấu tử ở nhiệt độ sản phẩm ra ta chọn là: Tính C1i của từng cấu tử như sau : Thay nhiệt độ t = 80 oC ị T = 353K, ta tính được: Vì C phần trong hỗn hợp là nhỏ nên khi tính toán ta bỏ qua. CP (i-C4H8) =115 Kj/kmol.độ. CP(i-C4H10) = 111,0 Kj/kmol.độ. CP(n- C4H8) = 99,8 Kj/kmol.độ. CP( CH3OH ) =214,846kj/kmol.độ. CP(n- C4H10) = 115,8 kj/kmol.độ CP(C3H8) = 72,9kj/kmol.độ CP(C3H6) = 85,4kj/kmol.độ CP(H2O) (tại 80oC) = 0,9985, Kcal/kg.độ = 75,249 (Kj/kmol.độ). CP (C) ằ 0 CP(MTBE) = 204,2kj/kmol.độ Bảng 22 : Xác định nhiệt dung Csp và Gsp của hỗn hợp sau phản ứngtổng hợp MTBE Cấu tử Lượng ,kg/h ai , %kl CPi, kj/kmol.độ ai.CPi Kmol/h IsoC4H8 478,912 6,7 115 7,705 8,552 IsoC4H10 2695,04 37,681 111,0 41,826 46,47 nC4H10 177,71 2,485 115,8 2,878 3,064 nC4H8 200,2 2,799 99,8 2,793 3,575 C3H8 44,968 0,629 72,9 0,459 1,022 C3H6 121,04 1,692 85,4 1,445 2,882 C5H12 36,79 0,488 0 0 0,511 H2O 15,05 0,210 75,42 0,158 0,836 MTBE 3010,304 42,089 204,2 85,946 34,15 CH3 OH 409,344 5,723 214,846 12,297 12,792 Tổng 7188,368 100 155,508 113,343 Q4= Gsp. CPsp.tsp Q4 = 155,508. 113,343.80= 1410059,46(kj/h) = 391,68 (Kw). II.5. Dòng nhiệt do chất tải nhiệt mang ra: Q5 = GHO.CP (HO). t2 HO [3] Trong đó: GHO : khối lượng nước làm lạnh đi ra, (Kmol/h) CP (HO) : nhiệt dung riêng của nước ở 50 oC, Kj/kmol.độ t2 HO : nhiệt độ của nước đi ra, oC CP (HO) = 75,285 KJ/mol.độ [3] Q5 = GH2O.75,285.50 = 3764.25.GH2O (Kj/h). Cân bằng nhiệt lượng. ồ Nhiệt lượng đi vào =ồ Nhiệt lượng đi ra Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 1311433,92 + 1882,025.GHO +1263550 = 1410059,46 + 3764.25.GH2O Vậy lượng nước cần làm lạnh là: GHO = 619,476 (Kmol/h). GHO = 619,476 . 18 = 1115,57 (kg/h). Như vậy nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào là: Q2 = 1880,5 .G2H2O =1880,5 . 619,476 = 1164924,62 (Kj/h) =323,59kw Q2 = 323,59kw Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra : Q5= 3764,25.619,477= 2331862,533kj/h =647,74 kw Q5 = 647,74 kw Bảng 23 : Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng thứ nhất. Nhiệt lượng mang vào Nhiệt lượng mang ra Thành phần Lượngkw Thành phần Lượngkw Q1 364,29 Q4 391,68 Q2 323,59 Q5 647,74 Q3 350,99 Tổng Qvào= 1039,42 Qra=1039,42 III. Tính thiết bị phản ứng chính: III.1. Tính thể tích làm việc của thiết bị phản ứng: Phản ứng tổng hợp MTBE được tiến hành trong điều kiện t0= 60á800C IsoC4H8 + MeOH đ MTBE Đây là phản ứng bậc 2. Phương trình động học của phản ứng có thể viết : (coi C (iso) = CMeOH) - Lấy tích phân 2 vế ta được: , (**) Trong đó: t: thời gian lưu (s) K: hằng số vận tốc phản ứng C0, Ct : nồng độ lúc ban đầu và sau thời gian lưu t - Xác định hằng số vận tốc k: Ta xác định k từ những số liệu dựa theo (5). r = 0,0151 mol/h.mequiv C = 4,75 mequiv/gxt XMeOH = 7,2%. Ta có: W = k. C1. C2 ị (Trong đó: C1, C2 là nồng độ của iso-C4H8 và Metanol) Ta đi xác định C1 và C2 như sau: Trong 1l dung dịch hỗn hợp: Vì rMeOH = 0,7649g/cm3= 764 g/l = 23,875 mol/l riso- = 0,588 g/cm3 = 588g/l = 10,5 mol/l Vậy trong 1l dung dịch thì: Số mol của Metanol là 23,875 mol/l Số mol của iso-C4H8 là 10,5 mol/l. Vậy nếu gọi x là thể tích của Metanol trong 1l dung dịch hỗn hợp thì (1-x) là thể tích của isoC4H8 Vì tỷ lệ mol: =1,1 nên: x. 23,875 = 1,1. [(1-x). 10.5] => x = 0,326 Vậy: = 0,326. 23,875. 0,3863 = 3,0067mol/l = = 2,7334mol/l Phản ứng: Iso-C4H8 + MeOH đ MTBE Ban đầu 2,7334 3,0067 0 (mol/l) t (2,7334 – 3,0067xMeOH ) 3,0067(1- xMeOH) 3,0067 xMeOH (mol/l) Và ta có xMeOH = 7,2% Vậy sau phản ứng: C iso = 2,7334 – 3,0067.0,072 = 2,5169 mol/l CMeOH = 3,0067(1- 0,072) = 2,7902 mol/l. Vậy: = 0,01021337 l2/mol.h.gxt k = 0,0102.10-6 ((m3)2/mol.h.gxt) Ta sử dụng loại xúc tác Amberlyst 15 với các thông số như sau: [5] dhạt= 0,74mm Bề mặt riêng A= 42m2/g Trọng lượng riêng đống: rđống= 760 kg/m3 = 760.000 g/m3 Do đó: k = 7,752.10-3 Xác định C0 và Ct : Co = (Số mol iC4H8 trong hỗn hợp vào)/(Thể tích hỗn hợp vào, m3) Thành phần hỗn hợp vào thiết bị phản ứng chính dựa vào bảng: Bảng 24. Thành phần hỗn hợp vào thiết bị phản ứng chính. Cấu tử Lượng vào r, kg/m3 Kmol/h kg/h Thể tích mol (l/mol) V(m3/h) isoC4H8 587,9 42,76 2394,42 0,095 4,074 Metanol 736,7 47,0 1505,2 0,043 1,973 isoC4H10 540 46,48 2695.09 0,107 6,00 nC4H10 573 3,065 177,71 0,101 0,310 nC4H8 598,4 3,575 200,2 0,094 0,335 C3H8 490 1,0216 44,968 0,090 0,092 C3H6 510 2,88 121,04 0,082 0,237 C5H12 602 0,511 36,79 0,025 0,0013 H2O 983 0,836 15,05 0,018 0,016 Tổng 7188,368 0,630 13,037 Tổng thể tích của hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị là: V= 13,037 (m3/h). Vậy: C0 = 3,2797 (kmol/m3). Bảng 25. Bảng hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng Cấu tử Lượng ra r,kg/m3 Kmol/h Kg/h Thể tích mol (l/mol) V(m3/h) isoC4H8 587,9 8,552 478,912 0,095 0,815 Metanol 736,7 12,792 409,334 0,043 0,536 MTBE 730,4 34,15 3010,304 0,127 4,121 isoC4H10 540 46,48 2695,04 0,107 6,00 nC4H10 573 3,065 177,71 0,101 0,310 nC4H8 598,4 3,575 200,2 0,094 0,335 C3H8 490 1,0216 44,968 0,090 0,092 C3H6 510 2,88 121,04 0,082 0,237 C5H12 602 0,511 36,79 0.025 0,013 H2O 983 0,836 15,05 0,018 0,016 Tổng 7188,368 12,127 Thể tích của dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng là: V=12,127 (m3/h). Vậy: Ct = 705,2(mol/m3) = 0,7052(kmol/m3) Thay vào (**) ta được: ị t = 0,056 (h).= 3,36(phút) Vậy thể tích làm việc của thiết bị là: Vr =m. Fv. t Trong đó: m: hệ số dự trữ (lấy m = 1,5) Fv: Thể tích hỗn hợp dòng vào, m3/h t : Thời gian lưu, h Vậy: Vr = 1,5.0,056.13,037 = 1, 095 (m3).. Vr = 1,095 (m3) = 1,1 (m3) III.2. Tính kích thước thiết bị phản ứng: [4] Thiết bị phản ứng là thiết bị ống chùm đoạn nhiệt, bên trong chứa xúc tác nhựa trao đổi ion. Hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào thiết bị ở đỉnh và tự chảy trong ống chứa xúc tác. Phản ứng xảy ra trong ống ở t0= 60-800C. Đây là phản ứng tỏa nhiệt, để đảm bảo nhiệt độ không tăng cao ta cần cho nước làm lạnh đi ngoài ống để lấy nhiệt ra khỏi thiết bị phản ứng . Tốc độ dòng trong thiết bị lấy w= 0,03 m/s Vậy chiều cao của thiết bị là: h= w.t = 0,03. 0,056.3600 = 6,04 (m). h = 6 (m) Đường kính của thiết bị phản ứng được xác định dựa trên thể tích làm việc của thiết bị, chiều cao ống và dạng thiết bị. Đường kính của thiết bị ống chùm là D được xác định theo công thức sau : D = t(b-1) + 4d (m) [4] Trong đó : d : đường kính ngoài của ống (m) t : bước ống , chọn t = (1,2 - 1,5 )d (m) b : số ống trên hình 6 cạnh Thể tích hỗn hợp đầu đi vào thiết bị là : Vt = H . S Trong đó : H : chiều cao thiết bị (m) S : diện tích bề mặt ngang của thiết bị phản ứng (m2) : S = n. s Với n: số ống của thiết bị phản ứng s : tiết diện ngang của một ống s = 3,14 . d2t / 4 dt : đường kính trong của ống , dt = (25 - 50 ) mm Chọn dt = 50 mm = 0,05 m Do đó ta có : Vt = H . S = H .n .s Suy ra n = Vt / (H. s) = 1,1x 4 / (5,04x3,14x0,0482 ) = 121 (ống ) Ta xếp các ống theo hình lục giác đều . Số ống mỗi cạnh bằng nhau và được xác định theo công thức sau : n = 3a(a-1) + 1 b = 2a - 1 Trong đó n : tổng số ống b : Số ống trên đường chéo chính a: số ống trên một cạnh của hình lục giác Thay số vào ta có : 121 = 3a2 - 3a + 1 3a2 - 3a – 120 = 0 giải phương trình ta được : a = 6,82 và a = - 5,82 < 0 loại Quy chuẩn a = 7 (ống) Suy ra : b = 2x7 - 1 = 13 (ống ) Thay với a = 7 , ta được n = 3x7x(7-1) + 1 = 121 (ống) Bước ống t = (1,2 - 1,5 )dn Với dn = 0,048 + 0,0025x2 = 0,053 (m) Do đó t = 1,3 x 0,053 = 0,070(m) Từ đó ta có D = t(b-1) + 4d = 70(13 -1 ) + 4x53 = 1052 ( mm) Quy chuẩn lấy D = 1100 (mm) Vậy kích thước thiết bị phản ứng chính như sau : Đường kính thiết bị D = 1100 (mm) = 1,1 ( m ) Chiều cao thiết bị H = 6 (m) Số ống n = 127 (ống ) Đường kính ống d = 0,048 (m) Chiều dày ống s = 0 ,0025 (m) Bước ống t = 0,070(m) III.3. Tính toán cơ khí. [4] 1. Chiều dày thân tháp. , m Trong đó: D1: đường kính trong của thiết bị, m. j: hệ số bền thành hình trụ theo phương trục dọc. C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m. s: ứng suất cho phép của vật liệu. Với thiết bị hàn dọc, màn tay bằng hồ quang điện ứng với thép CT3 vào 2 lớp thì j=0,95. pt: áp suất trong của thiết bị, N/m2. + áp suất trong của thiết bị được tính theo công thức: pt = plv + ptt , N/m2 Trong đó: plv: áp suất làm việc của thiết bị N/m2. plv = 1,6 Mpa = 1,6.106 (N/m2). ptt: áp suất thủy tĩnh của nước. ptt = r.g.Ht , N/m2 Trong đó: g : gia tốc trọng trường, g= 9,81 , m/s2 Ht : là chiều cao của cột chất lỏng. r là khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp chất lỏng, r= 676 kg/m3. Do đó: ptt = r. g. h = 9,81. 676. 6 = 39789,36(N/m2) Vậy áp suất ở trong thiết bị là: pt = 1,6.106 + 39789,36 =16,39789.105 (N/m2).= 1,64.10-6 (N/m2) + Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn, dung sai và chiều dày. C = C1 + C2 + C3 , m2 Với: C1: bổ sung ăn mòn: với thép CT3 tốc độ gỉ là 0,06 mm/năm, thời gian làm việc từ 15á20 năm. C1 = 1mm C2: bổ sung do bào mòn, C2 = 0. C3: Dung sai về chiều dày, C3 = 0,8 mm. Do đó: C = 1 + 0 + 0,8 = 1,8 mm + ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền được xác định. , N/m2. Trong đó: h: hệ số điều chỉnh. nk: hệ số an toàn theo giới hạn bền. skt: ứng suất giới hạn bền, N/m2. Thiết bị sản xuất ở áp suất cao nên thuộc loại I và các chi tiết không bị đốt nóng trực tiếp bằng ngọn lửa, vì vậy: Tra bảng XIII.2 ta được h = 0,9. Tra bảng XIII.3 ta được nK = 2,6. Tra bảng XII.4 ta được skt = 380.106 N/m2. Do đó: 131,54.106 (N/m2). + ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định: , N/m2. Trong đó: sct: giới hạn chảy ở nhiệt độ t, sct = 240.106 N/m2. nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy. Tra bảng XIII.3 nC = 1,5. N/m2. Để đảm bảo ta lấy giá trị bé nhất trong hai kết qủa trên, tức là: [s] = [sk] = 1,3154.108 N/m2. Trường hợp ở đây đường kính thiết bị Dt = 1,1 (m), với hàn tay bằng hồ quang và cách hàn giáp mỗi hai bên. Chọn j= 0,95 77,8599 > 50 Do đó có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số trong công thức tính chiều dày thân tháp [17-360]. 4,816426.10-3 + 0,0018 (m) = 6,6 (mm) Lấy S = 7 (mm) 2. Tính chiều dày đáy và nắp tháp:[4] Đáy và nắp tháp cũng được làm từ vật liệu cùng loại với thân tháp. Ta dùng loại đáy, nắp elíp có gờ cho thân hàn. Chiều dày của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong được tính như sau. Trong đó: jh: hệ số bền của mối hàn hướng tâm (nếu có). hb: chiều cao phần lồi của đáy, m. k: hệ số không thứ nguyên. hb= 200 mm. jh = 0,95 Hệ số k được xác định theo công thức sau. . Trong đó d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng d= 0,15m. Đáy và nắp được hàn từ hai phía bằng tay, hàn từ hai nửa tấm với nhau. 0,7917 = 61,641 >30 Do đó đại lượng p ở mẫu số của công thức tính chiều dày đáy, nắp ở trên có thể bỏ qua. 0,0055329 + C (m) ị S = 0,005533 + C ,m. Đại lượng bổ sung C: S - C = 0,005533 (m) = 5,533 (mm) Vì S - C < 10. Nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính ở thân tháp Vậy: C = 0,0018 + 2. 10-3 = 0,0038 m). S = 0,005533 + 0,0038 = 0.009333 (m) = 9,333 (mm) Quy chuẩn chiều dày của đáy và nắp elíp có gờ là S = 10 (mm). Chiều cao gờ h = 40 mm. Chiều cao phần lồi hb= 200 mm. 3. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm:[4] + ống dẫn nguyên liệu: dđỉnh Trong đó: w: vận tốc trung bình của hỗn hợp dòng chọn w= 0,2 m/s V: lưu lượng thể tích của hỗn hợp , m3/s. rhh: khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu. rhh = = 552 (kg/m3). Với lượng nguyên liệu vào tháp: GP = 7188,368 (kg/h) = 1,998 (kg/s)= 2(kg/s.) = 0,00362 (m3/s). dđỉnh = = 0,150 (m) Ta chọn dđỉnh = 150 mm. + ống dẫn sản phẩm: rhh: khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm. rhh= = 592,8 kg/m3 Lượng sản phẩm ra khỏi tháp. Gp = 7188,368(kg/h) = 2 (kg/s). (m3/s). dđáy = (m). Chọn dđáy = 150 mm. Cũng tương tự ta chọn ống nối sang thiết bị trao đổi nhiệt trung gian bằng kích thước ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm là 150 (mm). 4. Chọn mặt bích cho thiết bị:[4] Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Ta chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn. Dựa vào bảng 24 ta chọn kiểu bích 1 ứng với kích thước như sau [17 - 409]; Chọn bích liền bằng thép để nối nắp và đáy tháp với thân thiết bị. Tra bảng 25 ta được bảng sau: [17 - 147] Bảng 25. Kích thước bích để nối nắp và đáy tháp với thân thiết bị. Py.10-6 N/m2 Dy mm Kích thước nối h D Db D1 D0 Bulông db z mm Cái 1,6 1100 1210 1140 1080 1019 M36 28 40 Chọn bích liền bằng kim loại đen nối thiết bị với ống dẫn Ta gọi: ống 1 là ống dẫn nguyên liệu. ống 2 là ống dẫn sản phẩm. ống 3 là ống dẫn chất tải nhiệt. Ta có bảng sau: Bảng 26. Kích thước bích để nối các ống với thiết bị. ống dẫn Dy mm ống Kích thước nối h Dn D Db D1 Bulông mm Db, mm z, cái Cái 1 2 3 150 150 150 159 159 159 300 300 300 250 250 250 218 218 218 M22 M22 M22 8 8 8 28 28 28 Chương III Thiết kế Xây dựng nhà máy I. Phân tích địa điểm xây dựng nhà máy [ 7] I.1. Các yêu cầu chung: Nhà máy được đặt trong khu công nghiệp Nghi Sơn Thanh Hoá cùng với tổ hợp dự án tổ hợp Lọc Hoá dầu số 2. cho phép tận dụng nguồn năng lượng, nguyên liệu và sự hợp tác từ các nhà máy lân cận. Với vị trí như vậy, năng lượng và nguyên liệu cho nhà máy có thể lấy từ các phân xưởng của nhà máy Hoá dầu Tổ hợp lọc hoá dầu số 2 tại khu công nghiệp Nghi Sơn - Thanh Hoá là một dự án lớn. Trong nhà máy ngoài phần lọc dầu được thiết kế sử dụng nguyên liệu là dầu Trung Dông, còn có rất nhiều phân xưởng Hoá Dầu sản xuất nhiều loại hoá chất thiết yếu cho con người. Tại đây tập chung nhiều kỹ sư Việt Nam. Tuy nhiên do trình độ kỹ thuật Việt Nam còn thấp, khi xây dựng và vận hành vẫn cần có một số chuyên gia nước ngoài. Nguồn công nhân chủ yếu là các kỹ sư tốt nghiệp các trường đại học trong nước, như Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Đại Học Mỏ.v.v. I.2. Các yêu cầu về khu đất xây dựng:[7] 1.Về địa hình: -Khu đất có hình dạng chữ nhật (180x 250), rất thuận tiện cho xây dựng và bố trí mặt bằng sản xuất -Khu đất tương đối bằng phẳng, có độ dốc tự nhiên 0,7o, do đó chi phí cho san lấp là không đáng kể, mặt khác lại thuận lợi cho việc cấp thoát nước trong mùa mưa. -Khu đất nằm trên một vị trí cao ráo, tránh được ngập lụt trong mùa mưa. 2. Về địa chất: Khu đất nằm trên vùng đất ruộng (đất sét) được san lấp nên giảm tối đa chi phí gia cố nền móng các hạng mục công trình. I.3. Các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp:[7] Do khu đất nằm trong quy hoạch khu công nghiệp nên các yếu tố bảo vệ môi trường đã được tính toán bởi các nhà máy trước. II. Phân tích thiết kế tổng mặt bằng nhà máy:[7] II.1. Nguyên tắc phân vùng: Do có nhiều hạng mục công trình và đặc điểm thiết kế, nhà máy được phân chia theo đặc điểm sử dụng. Nguyên tắc này có ưu điểm sau: + Dễ dàng quản lý theo các xưởng, công đoạn của dây chuyền sản xuất. + Đảm bảo được các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp, dễ dàng xử lý các bộ phận phát sinh các điều kiện bất lợi trong quá trình sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nhà máy sản xuất các chất dễ cháy nổ như MTBE. + Dễ dàng bố trí hệ thống giao thông trong nhà máy. + Thuận lợi trong quá trình phát triển nhà máy. + Phù hợp với đặc điểm khí hậu Việt Nam. Nhược điểm: + Hệ thống đường ống kỹ thuật và mạng lưới giao thông tăng lên. + Hệ số xây dựng, sử dụng đất thấp. Tổng mặt bằng nhà máy được phân ra làm 4 vùng: + Vùng 1: Vùng trước nhà máy bao gồm nhà hành chính, phục vụ sinh hoạt, gara ôtô, xe đạp, khu thể thao,... được xây dựng ở đầu hướng gió chủ đạo, gần trục giao thông chính của khu công nghiệp. + Vùng 2: Bố trí dây chuyền sản xuất của nhà máy, đây là khu vực được bố trí khu đất ưu tiên về địa hình, địa lý, địa chất. + Vùng 3: Vùng kho tàng và phục vụ giao thông. Do đặc điểm của nhà máy, nơi đây chỉ bố trí các nhà sản xuất MTBE , gara ôtô, nhà cơ khí, nhà xe cứu hoả, nhà kho,... + Vùng 4: Nơi bố trí các công trình phụ bao gồm trạm điện và xử lý nước thải. II.2. Các hạng mục công trình: 1) Bảng thống kê các hạng mục: (hình vẽ) 2) Các dữ liệu kinh tế kỹ thuật: Khu đất xây dựng có dạng chữ nhật gồm: Tổng diện tích 45000m2 Diện tích chiếm đất của nhà và công trình 9702m2 Diện tích cho kho bãi lộ thiên 1692m2 Diện tích chiếm đất của đường sắt, bộ, hè, rãnh thoát nước 18454m2 III. Thiết kế nhà sản xuất:[7] Phân xưởng sản xuất được xây dựng trên khu đất được ưu tiên đặc biệt về địa hình, địa thế, đảm bảo có độ chịu lực cho phép khi xây dựng và vận hành, nền tương đối cao , thuận tiện cho cấp thoát nước và tránh ngập lụt trong mùa mưa lũ. Do quy mô dây chuyền khá lớn gồm 2 giai đoạn dehydro hóa và ete hoá nối tiếp nhau nên tiềm lực lao động của phân xưởng bao gồm: Một quản đốc Một phó quản đốc 6 kỹ sư về công nghệ hoá học 4 kỹ sư về điện, điện tử 20 công nhân lành nghề Tổng số 32 người làm việc chia làm 3 ca. Với dây chuyền sản xuất phức tạp, thiết bị phản ứng đa dạng, ta chọn hình thức xây dựng lộ thiên. Đây là hình thức xây dựng trong đó các thiết bị được bố trí chủ yếu trên khung sàn lộ thiên, không tường, mái. III.1. ý nghĩa và tác dụng Giảm tỉ trọng tác dụng lên khung chịu lực của công trình không có tải trọng bao che, lực gió ngang. Do vậy giảm được khối lượng xây dựng từ 20-40%, tiết kiệm được đầu tư ban đầu. Giảm thời gian thiết kế ,chuẩn bị và thi công công trình. Nâng cao tính linh hoạt của công trình, dễ dàng bố trí, sắp xếp và sửa chữa thiết bị, đồng thời tạo điều kiện mở rộng và cải tạo này. ít phải quan tâm đến điện chiếu sáng, giảm nguy cơ cháy nổ. Từ những ưu điểm trên, phân xưởng sản xuất có thể giảm xây dựng 5-20% so với dạng công trình kín giảm giá thành 50% , do đó giảm giá thành sản phẩm từ 8-18%. III.2. Các nguyên tắc cơ bản khi xây dựng lộ thiên[7] Trong các phân xưởng lộ thiên do chịu tác động trực tiếp nên các thiết bị chịu được sự ăn mòn, phá huỷ của khí hậu Việt Nam. Quá trình sản xuất phải được cơ giới ,tự động hoá tới một phòng điều khiển trung tâm , hạn chế tối đa làm việc ngoài trời , khi đó phải có mái che. Nhà điều khiển trung tâm phải có kết cấu chống gió, chống ồn , đầy đủ tiện nghi và an toàn nhất ,được đặt tại nơi có quan xưởng khi cần thiết . III. 3. Giải pháp kết cấu khung phân xưởng .[7] Do yêu cầu lắp đặt các thiết bị có kích cỡ khác nhau, đông dựng và vận hành, ta chọn phân xưởng gồm 3 nhịp nhà ( 6+6+6 ) độ cao khác nhau ( hình vẽ ) Toàn bộ phân xưởng sử dụng cột chính , dầm chính là cái chữ I ghép và các thanh dầm phụ thép I cán được lắp đặt vuông sao cho thuận lợi khi lắp đặt các thiết bị xuyên sàn. Các mối ghép chân cột với móng , dầm với cột , cột với dầm , đều được cố định bằng bulông , vít neo, kết hợp với các kết cấu. Do nhu cầu chịu lực tại sàn 4 & 5 là không đáng kể ta chỉ dùng cột mà dựa vào các tháp lắp đặt dàn thao tác, ngoại trừ khung sinh xúc tác. Do sự ăn mòn là không đáng kể, nên sàng đỡ các tháp gồm bê tông cốt thép #100 có tác dụng làm chỗ dựa cho thiết bị, dàn thao tá chắn. Toàn bộ phân xưởng được bố trí 3 dàn cầu thang thép đặt tại các vị trí thích hợp. III. 4. Giải pháp bố trí thiết bị trên mặt bằng phân xưởng : Trong nhà 2 tầng các thiết bị được lắp đặt thành hai tầng ở hai bên dãy cột B tạo hai hành lang 4m và 2m. + Tầng 1: Một số thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và các thiết bị đun sôi đáy tháp được đặt trên một dàn thép cao 1,5m, các lò đốt được lắp đặt trên các hệ thống bê tông cao 0,3m. + Tầng 2: Lắp đặt các thiết bị xuyên sàn , một số thiết bị trao đổi nhiệt và một phòng điều khiển trung tâm 6x12x4,8m. Toàn bộ bơm và máy nén được tập trung trong nhà khung thép có mái che 6x12 đặt riêng ở phía ngoài . Trong nhà nhịp 6m, lắp đặt một tháp tái sinh cao 18m, 3 tháp chưng cất cao 16m , một số thùng lắng và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp . Chương iV An Toàn Lao Động Và Bảo Vệ Môi Trường I. Khái Quát Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy hoá chất nói chung và nhà máy sản xuất phụ gia MTBE nói riêng thì vấn đề an toàn lao động và bảo vệ môi trường là hết sức quan trọng . Ta đã biết rằng các sản phẩm được chế biến từ dầu mỏ cũng như dầu mỏ mới khai thác đều là những chất rất dễ gây cháy nổ trong quá trình sử dụng cũng như trong bảo quản. Không những vậy khi chúng cháy hoặc bị dò thoát ra ngoài môi trường sẽ gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và gây ô nhiễm môi trường , đặc biệt là gây ô nhiễm môi trường nước và môi trường không khí . Chính vì lí do này mà vấn đề an toàn lao động và bảo vệ môi trường rất được chú trọng trong các phân xưởng hoá chất nói chung và trong các nhà máy lọc hoá dầu cũng như trong phân xưởng sản xuất phụ gia MTBE nói riêng . Chi phí dành cho công tác này có thể chiếm đến 40% chi phí vận hành của nhà máy . Một trong những vấn đề cần đươc quan tâm nhất là : an toàn cháy, nổ . Tất nhiên là còn có những nguyên nhân gây tai nạn khác . Có thể phân chia những nguyên nhân gây tai nạn thành ba nhóm : 1.Nguyên nhân do kỹ thuật: Nguyên nhân này phụ thuộc chủ yếu vào tình trạng máy móc , thiết bị đường ống, nơi làm việc …bao gồm : +Sự hư hỏng các máy móc chính và các dụng cụ , phụ tùng. +Sự hư hỏng các đường ống. +Các kết cấu thiết bị, dụng cụ, phụ tùng không hoàn chỉnh. +Không đảm bảo khoảng cách an toàn giữa các máy móc. +Thiếu rào chắn,ngăn che.. 2.Nguyên nhân do tổ chức: Nguyên nhân này phụ thuộc vào việc tổ chức hoặc giao nhận công việc không đúng quy định bao gồm : +Vi phạm quy tắc quy trình kỹ thuật. +Tổ chức lao động, chỗ làm việc không đúng yêu cầu. +Giám sát kỹ thuật không đầy đủ. +Phạm vi chế độ làm việc. + Sử dụng lao động không đúng ngành nghề , chuyên môn. +Người lao động chưa nắm vững được điều lệ, quy tắc an toàn trong lao động. 3.Nguyên nhân do vệ sinh: +Môi trường không khí bị ô nhiễm +Điều kiện khi hậu không thích nghi +Công tác chiếu sáng và thông gió không được tốt. +Tiếng ồn và chấn động mạnh +Vi phạm điều lệ vệ sinh cá nhân II.Những yêu cầu về phòng chống cháy nổ :[6] Như chúng ta đã biết nguyên liệu cũng như sản phẩm của quá trình tổng hợp MTBE đều dễ gây ra cháy nổ .Vì vậy vấn đề quan tâm là phòng chống cháy nổ .Dưới đây là những yêu cầu về cháy nổ. 1.Phòng chống cháy : Để phòng chống cháy phải thực hiện các biện pháp sau đây : +Ngăn ngừa những khả năng tạo ra môi trường cháy. +Ngăn ngừa những khả năng xuất hiện những nguồn cháy trong môi trường có thể cháy được. +Duy trì nhiệt độ của môi trường thấp hơn nhiệt độ cho phép lớn nhất có thể cháy được. +Duy trì áp suất của môi trường thấp hơn áp suất cho phép lớn nhất có thể cháy được. 2. Ngăn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn gây cháy : Ngăn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn gây cháy trong môi trường cháy phải tuân theo những quy tắc về: +Nồng độ cho phép của các chất cháy ở dạng khí , hơi hoặc dạng lơ lửng trong không khí .Nói cách khác là phải tiến hành quá trình ngoài giới hạn cháy nổ của hỗn hợp hydrocacbon với không khí và ôxy. +Nồng độ cần thiết của các chất giảm độ nhạy trong chất cháy ở dạng khí, hơi hoặc lỏng. +Tính dễ cháy của các chất, vật liệu, thiết bị và kết cấu. 3. Ngăn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn cháy: +Tuân theo những quy định về sử dụng , vận hành và bảo quản máy móc , thiết bị cũng như vật liệu và các sản phẩm khác có thể là nguồn cháy trong môi trường cháy. +Sử dụng thiết bị phù hợp với loại gian phòng sử dụng và các thiết bị bên ngoài phù hợp với nhóm và hạng của các hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ. +áp dụng quy trình công nghệ và sử dụng thiết bị bảo đảm không phát sinh ra tia lửa điện . +Có biện pháp chống sét , nối đất cho nhà xưởng, thiết bị . +Quy định nhiệt độ đun nóng cho phép lớn nhất của bề mặt thiết bị , sản phẩm , vật liệu tiếp xúc với môi trường cháy. +Sử dụng những thiết bị không phát ra tia lửa điện khi làm việc với những chất dễ cháy nổ. +Loại trừ những điều kiện có thể dẫn đến tự cháy do nhiệt độ,do tác dụng hoá học và do vi sinh vật đối với các vật liệu và kết cấu của cơ sở sản xuất. III. An toàn về trang thiết bị trong nhà máy hoá chất từ khâu thiết kế đến khâu vận hành:[6] 1. Khi thiết kế tổng mặt bằng và xí nghiệp : Sự an toàn trong xí nghiệp phụ thuộc rất nhiều vào khu đất và bố trí xây dựng trên đó. Khu đất phải tương đối bằng phẳng, có độ rốc đủ để tiêu thoát nước, thấm nước, có mực nước ngầm thấp hơn chiều sâu tầng hầm. Khi quy hoạch phải nghiên cứu các biện pháp tránh chất độc hại thải ra, tránh tàn lửa bởi xăng dầu và các chất phụ gia của chúng đều rất rễ cháy nổ. Trong nhà máy chế biến phải có đầy đủ trang thiết bị phòng chống cháy, nổ bao gồm : Chăn cứu hoả, bình bọt, xe cứu hoả, máy cứu hoả, cát, và hệ thống nước đủ để cứu hoả bất kỳ lúc nào và với thời gian dài đủ để dập tắt hẳn đám cháy. Tất cả các trang thiết bị này phải được bố trí một cách hợp lý để khi sự cố xảy ra thì với trang thiết bị phải thao tác kịp thời. Đường đi trong nhà máy phải đảm bảo cho xe cứu hảo đi lại thuận tiện, các thiết bị chữa cháy phải được đặt tại nơi dễ thấy, dễ lấy và phải được kiểm tra thường xuyên. Thiết bị trong nhà máy phải kín, không rò rỉ, các bể chứa nguyên liệu phải được nối đất bằng dây tiếp điện đề phòng xăng dầu khi bơm chuyển tích điện sẽ phóng điện, sét đánh gây cháy nổ, xung quanh khu bể chứa phải được xây tường ngăn cách với các khu vực khác. Bố trí kết cấu, màu sắc, các bộ phận, dụng cụ đo để đảm bảo dễ thao tác không nhầm lẫn khi vận hành. Bố trí đặt các nguồn điện, trang thiết bị điện, các loại cầu dao ngắt điện phù hợp với môi trường, đảm bảo an toàn . xây dựng các khu phân xưởng dễ cháy nổ ở vị trí cách ly với các khu vực khác, sử dụng vật liệu xây dựng bền, chịu nhiệt, nhẹ, bố trí nhiều cửa ra vào, đảm bảo quy chế an toàn. 2. Cơ sở kỹ thuật an toàn phòng chống cháy trong công nghiệp: Do đặc thù của ngành công nghiệp chế biến phụ gia cho dầu mỏ cũng như nghành chế biến dầu mỏ : sản phẩm của quá trình là những chất dễ cháy nổ. Chính vì vậy vấn đề phòng chống cháy nổ được đặt lên hàng đầu . Khi nói đến an toàn trong một nhà máy nói chung và một phân xưởng nói riêng. Nó bao gồm an toàn với trang thiết bị kỹ thuật của các quá trình sản xuất, an toàn với các điều kiện làm việc của công nhân, an toàn môi trường. An toàn với thiết bị nhiệt( Nồi hơi, thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng nhiệt). Để đun nóng nguyên liệu dễ cháy nổ như dầu mỏ và dễ sinh ra cháy cục bộ khi có cặn đồng vào thành thì người ta không dùng phương pháp đun bằng ngọn lửa mà dùng “áo bọc” chứa chất mang nhiệt bền( difenil, difenil oxit). Các vật liệu dùng làm nồi hơi và nồi phải làm bằng thép đúc( ống không hàn), đối với loại áp suất cao dùng thép chất lượng cao chứa Si,Mo và Cr. Gang đúc dùng cho thiết bị đun nóng không quá 300oC và áp suất nhỏ, đường kính không lớn, có thể dùng gang có thêm Mo để đun nóng trên 350oC. Nồi hơi cần phải có van an toàn, áp kế, ống thông, van đóng và van xả nước 1 chiều, van đóng và van xả hơi, van an toàn. Đặc biệt van an toàn thì nồi hơi phải có hai van, tác dụng độc lập hẳn với nhau. Nồi hơi phải được đặt trên nền móng riêng, không liên hệ với tường nhà, đặt ở các gian nhà một tầng, có tường và có mái không cháy. Trước khi sử dụng nồi hơi phải đượckiểm tra kỹ thuật để xác định tình trạng nồi hơi. Trong thời gian sử dụng cứ 3 năm phải xem xét bên trong một lần, thuỷ lực ít nhất 6 năm một lần. b.An toàn đối với máy nén, đường ống dẫn và bể chứa khí. Khi nén khí do áp suất, nhiệt độ tăng cao và do có những quá trình hoá học do vậy có thể xảy ra cháy nổ gây tai nạn. Để hệ thống máy nén làm việc an toàn thì cần làm lạnh liên tục, máy nén áp suất thấp và năng suất thấp thì có thể làm lạnh bằng không khí . Do hiện tượng giảm nhiệt độ cháy bùng của MTBE và nguyên liệu tổng hợp MTBE liên quan tới sự tăng áp suất nên nhiệt độ của máy nén không được quá 60oC ở trong máy nén 1 xy lanh và không quá 140oC ở trong máy nén nhiều xi lanh . Với máy nén 4-6 cấp nếu cần nén cao hơn thì phải có máy làm lạnh trung gian đặt ở ngoài và giữa mỗi cấp nén. Đường ống dẫn dùng vận chuyển chất lỏng nguy hiểm, chịu áp suất cần phải đảm bảo yêu cầu chịu áp suất, đường ống chế tạo từ các ống kéo liền không hàn, nối mặt bích tiến hành chỉ trong trường hợp cần thiết để lắp giáp và sửa chữa. ống dẫn sản phẩm đun nóng cần phải đặt cách xa đường ống dẫn khí hoá lỏng một khoảng 0,5 m và phải được bảo ôn. Đề phòng hỏng hóc thiết bị dùng van chỉnh lưu, để giảm áp suất quá lớn của hơi, khí và khí không nén. Sau van chỉnh lưu ta đặt van an toàn để điều chỉnh áp suất sau khi van chỉnh lưu đã điều chỉnh. Tất cả các đường ống khi lắp ráp phải chú ý đến hiện tượng biến dạng và nứt do ứng suất nhiệt khi thay đổi nhiệt độ. + không được đặt ống ngay trên nền nhà hoặc mặt đất. + Đường ống cần sơn màu khác nhau để dễ phân biệt. 3. An toàn cháy nổ trong nhà máy nói chung và trong phân xưởng MTBE nói riêng: Tất cả các chất lỏng cháy đều có khả năng bốc hơi và sự cháy chỉ xảy ra trong pha hơi. Trên bề mặt của chất lỏng, ở bất cứ nhiệt độ nào đều có hơi của nó, lượng hơi phụ thuộc vào thành phần chất lỏng và nhiệt độ của nó. Để đảm bảo tránh được cháy và nổ khi tiến hành các quá trình kỹ thuật cần có các biện pháp sau: + Thay thế các khâu sản xuất nguy hiểm bằng các khâu ít nguy hiểm hơn. + Cơ khí hoá tự động hoá liên tục các quá trình sản xuất. + Thiết bị đảm bảo kín, hạn chế hơi, khí cháy bay ra khu vực sản xuất. + Dùng các chất phụ gia trơ, các chất ức chế, các chất chống cháy nổ để giảm tính cháy nổ của hỗn hợp. + Loại trừ mọi khả năng phát sinh mồi lửa tại những nơi có liên quan đến chất cháy nổ. + Tránh mọi khả năng tạo ra nồng độ nguy hiểm của các chất chống cháy nổ. + Trước khi ngừng sửa chữa hoặc cho thiết bị hoạt động trở lại phải thổi khí trơ, hơi nước vào thiết bị đó. 4. An toàn về điện: An toàn về điện là một trong những vấn đề quan trọng của công tác an toàn. Phải tuân theo nguyên tắc về kỹ thuật tránh gây ra tai nạn điện. + Dây điện phải được cải tiến bằng vỏ cao su và có thể lồng vào ống kim loại để tránh bị dập. + Cầu dao được lắp đặt sao cho dễ điều khiển nhưng cũng không quá thấp và phải để nơi khô dáo và an toàn đối với người điều khiển. IV. An toàn lao động và phòng chống độc hại với công nhân, môi trường.[6] Công nhân làm việc trong nhà máy phải được học tập các thao tác về phòng cháy chữa cháy, nắm được kiến thức về độc hại và bảo vệ môi trường. Trong công việc đòi hỏi công nhân phải có tay nghề để tránh hiện tượng xảy ra rơi vãi, gây sự cố dẫn đến cháy nổ thiệt hại đến tính mạng và tài sản. Trong nhà máy người công nhân phải nghiêm chỉnh chấp hành mọi qui tắc, nội quy trong nhà máy như : trong nhà máy cấm mọi hình thức dùng lửa, cấm va trạm gây ra tia lửa điện. Khi sửa chữa không dùng điện 220 V mà chỉ dùng điện 120 V thắp sáng. Cấm dùng búa sắt, giầy có đinh đi lại làm việc trong khu vực sản xuất. Trong công tác bảo quản bể chứa đòi hỏi phải đuổi hết hơi xăng dầu ra khỏi bể mới được vào trong. Công nhân làm việc trực tiếp phải được trang bị dụng cụ bảo hộ lao động như : ủng, mũ áo, găng tay… trong nhà máy chế biến dầu phải được tự động hoá để đảm bảo an toàn phòng chống cháy , tránh độc hại cho con người. Trong nhà máy bơm xăng dầu , các sản phẩm dầu mỏ và các phụ gia cho nhiên liệu như ohụ gia MTBE nên trang bị các thiết bị phòng cháy tự động .Xăng dầu và phụ gia MTBE là các hợp chất bay hơi nên cần phải cần sử lý hơi xăng dầu nhằm đảm bảo sức khoẻ cho người lao động. Người lao động cần phải được khám sức khoẻ định kỳ và phải có chế độ bồi dưỡng độc hại thích hợp với công việc. Nguồn nước thải trong nhà máy phải được xử lý sạch các hợp chất có hại bằng các hệ thống sử lý nước thải rồi mới được thải ra ngoài tránh ô nhiễm môi trường và nguồn nước của dân cư lân cận . Các thiết bị phản ứng cũng như hệ thống bể chứa nguyên liệu , bể chứa sản phẩm từ dầu mỏ cũng như các phụ gia cho công nghiệp hoá dầu cần phải đảm bảo về độ kín , nhằm tránh hiện tường rò rỉ ra môi trường gây ô nhiễm môi trường . Khí thải từ các phân xưởng phải được xử lí đến đạt yêu cầu về mức độc hại cho phép mới được thải ra ngoài môi trường .Kết luận Công nghệ tổng hợp MTBE vẫn đang là vấn đề mới trong công nghệ hoá học trên thế giới, cũng như ở Việt Nam. Việc lựa chọn công nghệ tiêu chuẩn tối ưu như theo sơ đồ công nghệ của UOP sẽ cho hiệu quả cao về mặt kinh tế kỹ thuật. ở Việt Nam, khi chúng ta khai thác có hiệu quả hàng loạt chế biến khí như Nam Côn Sơn, Lan Tây, Lan Đỏ,... Khí đồng hành ở các mỏ Bạch Hổ, Đại Hùng... sẽ tạo ra nguồn nguyên liệu isobutan dồi dào cho quá trình tổng hợp MTBE. Vì vậy, phân tích, thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất MTBE là rất cần thiết và quan trọng để tiến tới chúng ta xây dựng nhà máy MTBE Việt Nam. Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất MTBE từ isobutan năng suất 25.000 tấn/năm được tôi hoàn thành qua một thời gian làm việc khẩn trương. Do thời gian cũng như kiến thức còn nhiều hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định, Vì vậy, rất mong được các thầy cô, các bạn đóng góp ý kiến bổ sung, sửa chữa cho bản đồ án này được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Đinh Thị Ngọ đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án này, đồng thời cũng xin cảm ơn các bạn trong ngành học đã giúp đỡ tôi trong quá trình thiết kế. Tài liệu tham khảo PGS.TS. Đinh Thị Ngọ. Hoá Học Dầu Mỏ. Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2001. PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Hiền. Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành. Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2002. Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông. Nguyễn Xoa. Phạm Xuân Toản. Nguyễn Bin. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất. Tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 1999. Đỗ Văn Đài, Phạm Xuân Toản. Nguyễn Bin. Đỗ Ngọc Cử. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất. Tập 2. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 1999. Sổ tay tóm tắt các đại lượng hoá lý. Bộ môn hoá lý –Trường ĐHBK thành phố HCM,11/1983 .Khuất Minh Tú - Bài giảng an toàn lao động và bảo vệ môi trường. PGS Ngô Bình. Cơ sở xây dựng nhà Công nghiệp. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xuất bản. 2001. PERP Report. Process Evaluation Research Planning-Methyl tertiary-Butyl Ether (MTBE) 94/95-4. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol A16. p.465 á p.486, p.543 á p.550. VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim. 1990. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol A13. p.465 á p.486, p.543 á p.550. VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim. 1990. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol A4. p.544 á p.549, .VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim. 1990. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol A7. p.216 á p.220, .VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim. 1990. Ind. Eng. Chem. Res. 1995, Vol 34, p.3817 á p.3825. Ind. Eng. Chem. Res. 1995, Vol 34, p.2811 á p.2816. Ind. Eng. Chem. Res. 1995, Vol 34, p.730 á p.740. Ind. Eng. Chem. Res. 1998, Vol 37, p. 3575 á 3581. Hydrocarbon Processing, Vol 72 No 1,2 January, 1993. Hydrocarbon Processing, Vol 77 No 1 November, 1998. Rober A. Meyers. Handbook of Petroleum Refinery Processing, 1st Edition, 13.3-13.16. Catalyst Today 63, p.237á247, Elsevier Science, 2000. Catalyst Today 55, p.213á223, Elsevier Science, 2000 Applied Catalysis A: General 189, p.1á8, Elsevier Science, 2000. Applied Catalysis A: General 189, p.9á14, Elsevier Science, 2000. Applied Catalysis A: General 189, p.77á86, Elsevier Science, 2000. Applied Catalysis J., Vol 134, No 1, 1996. UOP Report, January, 1998.  Mục lục Lời giới thiệu 1 Phần : Mở đầu 2 Chương I : Tổng quan về quá trình sản xuất MTBE 4 A . Giới thiệu chung về MTBE 4 I . Tính chất của MTBE 4 Tính chất lí học của MTBE 4 Tính chất hoá học của MTBE 5 II . ứng dụng của MTBE 7 III. Nhu cầu và sản lượng của MTBE trên thế giới 8 IV. Các phương pháp tổng hợp MTBE 9 Cơ sở hoá học của việc tổng hợp MTBE 10 Động học và cơ chế của quá trình tổng hợp MTBE 11 V . Xúc tác cho quá trình tổng hợp MTBE 12 1.Xúc tác nhựa trao đổi ion 13 2.Xúc tác mới 14 VI. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp MTBE 15 Nhiệt độ phản ứng 15 Tỉ lệ nguyên liệu , tỉ lệ Me/isobutylen 15 áp suất 15 Nước 16 Thiết bị phản ứng 16 B . Nguyên liệu 16 I. Metanol 16 Tính chất vật lí của Metanol 16 Tính chất hoá học 18 Sản xuất và ứng dụng của Metanol 19 II. Isobutylen 20 Tính chất vật lý 21 Tính chất hoá học 22 Sản xuất và ứng dụng của isobutylen 24 III.Isobutan và n_butan 26 1.Tính chất vật lý 26 2.Tính chất hoá học 27 3. ứng dụng và sản xuất 29 C. Giới thiệu một số công nghệ sản xuất MTBE trên thế giới 30 Công nghệ ete hoá của CDTECH 30 Công nghệ ete hoá của Ethermax của UOP 31 Công nghệ ete hoá của PHILLIP 34 Công nghệ ete hoá của UOP 35 Công nghệ tổng hợp MTBE của CATACOL 36 Công nghệ tổng hợp MTBE của ABCO.LP 36 D. Đánh giá so sánh và lựa chọn công nghệ tổng hợp MTBE 46 So sánh và đánh giá công nghệ 47 Lựa chọn công nghệ sản xuất MTBE 48 Chương II : Tính toán thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất MTBE 50 I.Tính toán cân bằng vật chất 50 I.1.Tính toán cân bằng vật chất chung 50 I.1.2.Tính toán cân bằng vật chất cho từng giai đoạn tổng hợp MTBE 51 I.1.3.Tính cân bằng vật chất cho thiết bị tổng hợp MTBE thứ nhất 60 I.1.4.Tính cân bằng vật chất cho thiết bị chưng tách MTBE 62 II.Tính cân bằng nhiệt lượng 63 II.1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào 63 II.2. Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào 65 II.3.Nhiệt lượng do phản ứng toả ra 66 II.4.Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra 66 II.5.Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra 66 III.Tính toán thiết bị chính 70 III.1.Tích thể tích làm việc của thiết bị chính 70 III.2.Tính kích thước thiết bị chính 75 III.3. Tính toán cơ khí 77 III.3.1. chiều dày thân tháp 77 III.3.2. Chiều dày đấy và nắp 79 III.3.3. Đường kính ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm 82 III.3.4. Chọn mặt bích cho thiết bị 83 Chương III : Thiết kế xây dựng nhà máy 85 I.Phân tích địa điểm xây dựng nhà máy 85 I.1. Các yêu cầu chung I.2.Các yêu cầu về khu đất xây dựng 85 II.Phân tích thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 85 II.1. Nguyên tắc phân vùng 86 II.2. Các hạng mục công trình 86 III. Thiết kế sản xuất 87 III.1. ý nghĩa và tác dụng 88 III.2.Nguyên tắc cơ bản khi xây dựng lộ thiên 88 III.3.Giải pháp kết cấu khung phân xưởng 89 III.4. Giải pháp bố trí thiết bị trên mặt bằng phân xưởng 89 Chương IV : An toàn lao động và bảo vệ môi trường 90 I.Khái quát về an toàn lao động và bảo vệ môi trường 90 I.1. Nguyên nhân do kỹ thuật 90 I.2.Nguyên nhân do tổ chức 90 I.3.Nguyên nhân do vệ sinh 90 II. Những yêu cầu về phòng chống cháy nổ 91 II.1.Phòng chống cháy 91 II.2.Ngăn ngừa những khả năng xuất hiện nguồn gây cháy 91 II.3.Ngăn ngừa những khả năng xuất hiện nguồn cháy 91 III. An toàn về trang thiết bị trong nhà máy hoá chất từ khâu thiết kế đến khâu vận hành 92 III.1. Thiết kế tổng mặt bằng và xí nghiệp 92 III.2. Cơ sở kỹ thuật an toàn phòng chống cháy nổ trong công nghiệp 92 III.2.1. An toàn với thiết bị nhiệt 92 III.2.3. An toàn với máy nén , đường dẫn ống và bể chứa khí 93 III.3. An toàn cháy nổ trong nhà máy nói chung và trong phân xưởng sản xuất MTBE 94 III.4. An toàn về điện 94 IV.Phòng chống độc hại với công nhân và bẩo vệ môi trường 95