Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Formaldehyde

11. Thiết bị trao đổi ion. 12. Máy nén khí . 13.. Thiết bị xử lý khí thải . 14. Thiết bị ngưng tụ . 15. Thiết bị tận dụng nhiệt . 16.. Thiết bị đun quá nhiệt . 17. Thiết bị đun quá nhiệt . 18. Cột làm mềm nước . II. THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT Metanol từ thùng chứa (5) được bơm lên và liên tục được chảy vào thiết bị bốc hơi (1). Kết hợp với việc thổi khí sạch từ thiết bị lọc khí (9) đến máy nén (10) với áp suất cần thiết và được đưa vào thiết bị tận dụng nhiệt (15), rồi đưa vào thiết bị bốc hơi (1) . Tại thiết bị bốc hơi, hỗn hợp metanol - không khí đi ra qua thiết bị đun qúa nhiệt (16) nhằm tăng nhiệt độ trước khi đưa vào thiết bị phản ứng (2). Ở thiết bị phản ứng, hỗn hợp metanol - không khí đi qua lớp xúc tác bạc, các phản ứng hóa học xảy ra ở đây, nhiệt độ phản ứng là 720oC. Khi hỗn hợp metanol - không khí bị dehydrohóa tạo sản phẩm formaldehyde đi qua khỏi lớp xúc tác thì được làm lạnh bởi thiết bị làm lạnh gắn trực tiếp với thiết bị phản ứng (nhiệt độ làm lạnh là 300oC) sản phẩm được chuyển đến thiết bị tận dụng nhiệt (15) để giảm nhiệt độ khí sản phẩm xuống còn 130 - 150oC trước khi đưa sang tháp hấp thụ (3) . Nước mềm từ thùng chứa (4) được bơm lên và đưa vào tháp hấp thụ (3). Ở đây, ta dùng nước mềm để hấp thụ formaldehyt theo nguyên tắc hơi đi từ dưới lên còn nước mềm đi từ trên xuống. Phần lớn formaldehyt, hơi nước được tách ra từ đáy tháp . Tháp hấp thụ làm việc có làm lạnh trung gian . Ở đáy tháp, sản phẩm đi ra được qua thiết bị ngưng tụ (14), một phần cho qua thiết bị trao đổi ion (11) để loại axit formic còn lẫn trong dung dịch, sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm (6). Phần khác tuần hoàn lại tháp hấp thụ . Ở đáy tháp, hỗn hợp khí không được hấp thụ hết đi qua thiết bị xử lý khí thải (13) và thoát ra ngoài . III. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG VỀ QUÁ TRÌNH CỦA SẢN XUẤT FORMALDEHYDE DÙNG XÚC TÁC BẠC : 1. Các phản ứng : Như đã giới thiệu ở phần trước, trên xúc tác bạc, quá trình chuyển hóa metanol thành formaldehyde ở điều kiện áp suất khí quyển, nhiệt độ 600 ¸ 720oC gồm các phản ứng chính : CH3OH CH2O + H2 , D H = 84 KJ/mol (1) H2 + 1/2O2 H2O , D H = - 243 KJ/mol (2) CH3OH + 1/2O2 CH2O + H2 O, D H = - 159 KJ/mol (3) Nhiệt độ của phản ứng phụ thuộc vào lượng dư metanol trong hỗn hợp giữa nó và không khí. Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trên thì thành phần hỗn hợp metanol - không khí chứa 45 ¸ 50% metanol, nằm ngoài hỗn hợp nổ của metanol trong không khí (37,7%) . to cao Ngoài những sản phẩm chính, quá trình còn thu được một số sản phẩm phụ CO, CO2 CH4, HCOOH ... qua các phản ứng : CH2O CO + H2 CH2O + O2 CO2 + H2 O CH3OH + H2 CH4 + H2 O CH2O +1/2O2 HCOOH Với tỷ lệ metanol - không khí như trên, quá trình tiến hành trong điều kiện thiếu oxy, hàm lượng hydro trong khí thải sau tháp hấp thụ chiếm 18 ¸ 20% thể tích nhưng toàn bộ quá trình là tỏa nhiệt. Vì vậy, phản ứng được tiến hành ở chế độ đoạn nhiệt và tự nhiệt . Phản ứng (1) thuận nghịch, thu nhiệt. Từ phương trình cân bằng : Ta có thể tính được mức độ chuyển hóa a ở áp suất 1at khi : to = 400oC ® a = 50% to = 500oC ® a = 90% to = 700oC ® a = 99% Vì quá trình điều hành ở điều kiện đoạn nhiệt, với xúc tác có bề mặt riêng lớn nên phản ứng tiến hành ở miền khuếch tán ngoài. Ở chế độ phản ứng này trở lực khuếch tán và trao đổi nhiệt chủ yếu rơi trên lớp biên bao quanh bề mặt xúc tác. Sơ đồ lớp biên của xúc tác như sau : Lớp biên Cg Ts Cs Tg Khí phản ứng Xúc tác CS là nồng độ chất phản ứng, ở bề mặt xúc tác nhỏ hơn rất nhiều ở trong dòng khí. Với Cg » O thì Cg >> CS , do đó trở lực chủ yếu ở lớp biên. Do sự đồng dạng giữa quá trình chuyển khối và truyền nhiệt : Lớp biên là trở lực chủ yếu cho qúa trình truyền nhiệt từ bề mặt xúc tác ra pha khí. Do vậy nhiệt độ của bề mặt xúc tác TS rất lớn so với Tg : (TS>>Tg). Như vậy sau khi mồi phản ứng lúc mở máy (đốt điện nâng nhiệt độ To của hỗn hợp phản ứng). Khi phản ứng tiến hành thì bề mặt xúc tác nóng lên (lớp xúc tác nóng đỏ lên) là sau đó dừng quá trình mồi (đốt nóng bằng điện), phản ứng tự tiến hành theo chế độ tự nhiệt. Chính nhờ dòng khí phản ứng luôn luôn chuyển động mà nhiệt độ được truyền dễ dàng từ xúc tác ra dòng khí . Với chế độ này lúc đầu người ta "mồi" phản ứng và khi phản ứng đã bắt đầu thì người ta ngừng cấp nhiệt để phản ứng tiến hành ở điều kiện đoạn nhiệt . 2. Cơ chế của quá trình : Với xúc tác bạc ở điều kiện thường thì sự oxy hóa là khó khăn, song ở điều kiện nào đó thì nó vẫn xảy ra, và sự oxy hóa này xảy ra từng bậc đối với oxy . Sự cho nhận điện tử xảy ra theo từng bậc như sau : O2 + e ® O2- là ô trống của obitan phân tử kim loại O2- + e ® O22- O2 2- + e ® 2O2- O- + e ® O2- Theo Boreckop thì vận tốc phản ứng với xúc tác không có mặt của oxy nhỏ hơn xúc tác có mặt của oxy và trong điều kiện nào đó thì người ta phát hiện ra trạng thái O3- và O4- . Với xúc tác bạc thì oxy hấp phụ trên xúc tác bạc tinh thể và trên bề mặt xảy ra sự trao đổi điện tử . O2 + 4Ag ® 4 Ag+ + 2O2- O2 + Ag ® Ag+ + O- Từ O2- có thể xảy ra theo từng bậc để đến O2- là tác nhân nucleophyl mạnh . Mặt khác, do cấu tạo của metanol H H - C - O - H H Sự phân cực mạnh dẫn tới nguyên tử cacbon bị dương hóa nhiều hơn mà tác nhân O2- là tác nhân nucleophyl mạnh hơn OH- dẫn tới O2- tấn công vào cacboncation theo sơ đồ sau : H H - C - O - H H O2- O2- vào rồi đẩy nhóm -OH ra, song do sự chênh lệch độ âm điện không nhiều cho nên khi tạo thành formaldehyde, nhóm -OH ở dạng H[CH2O]n OH . Khi O2- tấn công vào phân tử metanol thì cả 3 hydro đều linh động, song hydro ở xa nhất linh động hơn sẽ rơi ra và mang thêo một điện tử : H H C O- H Lúc này nguyên tử cacbon còn một điện tử tự do cùng với oxy tạo liên kết mới là liên kết p . p H C = O H 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình : Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng là : xúc tác, nhiệt độ, tỷ số CH3OH/không khí và độ sạch của metanol . a. Xúc tác và chất mang : Hiệu suất của CH2O, tính chọn lọc của quá trình phụ thuộc vào chất mang và lượng bạc trên chất mang . Vì phản ứng là dị thể, xảy ra trên bề mặt phân chia pha, để tạo điều kiện tiếp xúc pha tốt, tăng vận tốc phản ứng người ta đưa tinh thể bạc lên chất mang chủ yếu là đá bọt . Chọn chất mang là đá bọt bởi nó có nhiều ưu điểm . - Nhiều lỗ xốp nên có bề mặt riêng rất lớn, tinh thể bạc dàn đều làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, làm tăng vận tốc phản ứng . - Sự dàn đồng đều tinh thể trên bề mặt chất mang tránh cho bạc bị thiêu kết khi tái sinh xúc tác . b. Nhiệt độ : Duy trì ở nhiệt độ 650 ¸ 720oC (nhiệt độ phản ứng). Nếu để nhiệt độ tăng cao sẽ xảy ra quá trình oxy hóa sâu tạo axit formic . Nhiệt độ phản ứng phụ thuộc vào tỷ số CH3OH : O2. Nếu cần nhiệt độ cao thì điều chỉnh tỷ số CH3OH : O2 nhỏ để lượng O2 nhiều . Trong thực tế người ta dùng không khí sẽ pha loãng hỗn hợp khí, nồng độ formaldehyde bị oxy hóa, đồng thời nitơ trong không khí sẽ pha loãng hồn hợp khí, nồng độ formaldehyde trong hỗn hợp giảm, cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành formaldehyde, phản ứng phụ ít xảy ra hơn . c. Tỷ số metanol/không khí và độ sạch của nguyên liệu : Tỷ số metanol/không khí thích hợp nhất ở điều kiện làm việc bình thường là 45 ¸ 50% . Metanol nguyên liệu phải được làm sạch khỏi sắt và có oxit sắt vì nó rất dễ làm ngộ độc xúc tác . Không khí trước khi cho vào oxy hóa cần phải làm sạch bụi vì bụi bám vào bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính của nó . 4. Thiết bị phản ứng chính : Phản ứng oxy hóa metanol tạo formaldehyde trên xúc tác bạc được tiến hành ở nhiệt độ cao (600 ¸ 720oC) nên thiết bị phải chế tạo bằng hợp kim chịu nhiệt. Mặt khác, xúc tác bạc rất dễ bị ngộ độc bởi sắt, vì vậy không nên dùng vật liệu thép cacbon để chế tạo thiết bị phản ứng . 1. Dây đốt điện. 6. ống trao đổi nhiệt 2. Lớp xúc tác. 7. Nguyên liệu vào 3. Lưới đỡ xúc tác. 8. Hỗn hợp sản phẩm ra 4. Màng phòng nổ 9. Chỗ cắm nhiệt kế 5. Dãn nở nhiệt 10. Cửa nhìn Nguyên lý làm việc của thiết bị : Hỗn hợp khí nguyên liệu đi từ trên xuống, nhiệt độ vào khoảng 130 ¸ 150oC đi qua lớp xúc tác được mang tên đá bọt. Lớp đá bọt này được đặt trên một lưới đỡ. Sản phẩm tạo thành để tránh bị oxy hóa sâu hơn do nhiệt độ trong thiết bị phản ứng quá cao, được làm lạnh nhanh bởi thiết bị ống chùm đặt bên dưới thiết bị phản ứng. Tác nhân làm lạnh là nước với nhiệt độ vào khoảng 20¸ 25oC, nhiệt độ ra khoảng 45oC . Để kích động phản ứng trong giai đoạn đầu người ta đốt nóng hỗn hợp phản ứng bằng điện. Mồi điện đặt ở đỉnh thiết bị . Trong thiết bị còn có lưới phân phối khí hỗn hợp ban đầu đều khắp tiết diện thiết bị phản ứng, để tránh ảnh hưởng xấu đến chế độ nhiệt, năng xuất và hoạt tính xúc tác do phản ứng cục bộ. Thiết bị làm việc ở chế độ đoạn nhiệt . PHẦN II : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I. CÁC SỐ LIỆU : 1. Số liệu chất tham gia phản ứng : + Metanol kỹ thuật 99,5% trọng lượng . + Thành phần không khí : N2 = 79% thể tích O2 = 21% thể tích 2. Thành phần khí thải + N2 = 75,5% thể tích + O2 = 0,45% thể tích + CO2 = 3,95% thể tích + H2 = 19,5% thể tích + CH4 = 0,6% thể tích Tổng cộng : 100% 3. Tổn thất : 1,2% . 4. Phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị phản ứng : CH3OH + 1/2 O2 ® CH2O + H2O (1) CH3OH Û CH2O + H2 (2) CH3OH + 3/2 O2 ® CO2 + 2H2O (3) CH3OH + H2 ® CH4 + H2O (4) CH2O + 1/ 2 O2 HCOOH (5) 5. Thành phần của sản phẩm : CH2O = 50% khối lưọng CH3OH = 0,7% khối lượng H2O = 49,2% khối lượng HCOOH = 0,1% khối lượng 6. Hệ số chuyển hóa metanol thành sản phẩm : a = 85% II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT : Trong một năm có 365 ngày, số ngày nghỉ để sửa chữa bảo dưỡng là 30 ngày nên số ngày sản xuất là : 365 - 30 = 335 (ngày) Nhà máy hoạt động liên tục 24h/ngày. Công suất làm việc của nhà máy tính theo giờ : =1865,672 kg/h * Tính lượng không khí vào hệ thống thiết bị : Tính theo N2 thì cứ 100m3 khí thải cần lượng không khí vào hệ thống thiết bị là : =95,569 ( m3 ) Lượng O2 có trong lượng không khí trên là : 21% x 95,569 = 20,063 (m3) Lượng N2 có trong lượng không khí trên là : 79% x 95,569 = 75,500 (m3) * Thành phần của 100 m3 khí thải : + N2 = 75,5% x 100 = 75,50 m3 + O2 = 0,45% x 100 = 0,450 m3 + CO2 = 3,95% x 100 = 3,950 m3 + H2 = 19,5% x 100 = 19,500 m3 + CH4 = 0,6% x 100 = 0,60 m3 Lập bảng thành phần các cấu tử có trong khí nguyên liệu và khí thải Kết quả được tóm tắt như sau: Bảng số 1 : Các Không khí 95,568 m3 Khí thải 100m3 cấu tử % thể tích m3 Kmol Kg % thể tích m3 Kmol Kg N2 79 75,5 3,370 94,360 75,5 75,5 3,370 94,360 O2 21 20,069 0,896 28,672 0,45 0,45 0,020 0,640 CO2 3,95 3,95 0,176 7,44 H2 19,5 19,5 0,870 1,741 CH4 0,6 0,6 0,027 0,432 Tổng cộng 100 95,569 4,239 123,032 100,0 100,0 4,436 103,176 Số Kmol oxy cần thiết cho phản ứng : 0,869 - 0,020 = 0,849 (Kmol) *tính lượng CH3OH cần cho phản ứng oxyhoá dựa vào bảng trên và các phương trình phản ứng ta có thể tính được lượng CH3OH cho các phản ứng. * Theo phản ứng (4) CH3OH + H2 ® CH4 + H2O (4) Lượng CH3OH phản ứng theo CH4 là 0,027 (Kmol) Lượng H2 đã phản ứng là 0,027 (Kmol) Lượng H2O sinh ra ở phản ứng (4) là 0,027 (Kmol) * Theo phản ứng (3) CH3OH + 3/2 O2 ® CO2 + 2H2O (3) Lượng CH3OH phản ứng theo CO2 là 0,176 (kmol) Lượng oxy đã phản ứng là : 0,176 x 3/2 = 0,264 (Kmol) Lượng nước sinh ra ở phản ứng (3) là : 0,176 x 2 = 0,352 (Kmol) * Theo phản ứng (2) CH3OH ® CH2O + H2 (2) Lượng CH3OH phản ứng theo CO2 là 0,176 (kmol) Lượng H2 sinh ra ở (2) một phần tham gia vào phản ứng (4) và phần lớn theo khí thải ra ngoài. Nên tổng lượng H2 tạo thành từ phản ứng (2) là : 0,027 + 0,870 = 0,897 (Kmol) Lượng CH3OH tham gia vào phản ứng (2) là : 0,897 (Kmol), (tính theo H2) . Lượng CH2O tạo thành từ phản ứng (2) là : 0,897 (Kmol) . *Gả thiết Phản ứng (5) bằng 0,01 % số mol CH3OH so với phản ứng (1) ta có Lượng HCOH tạo ra bằng lượng CH2O phản ứng và bằng : =0,000117 (kmol) * Theo phản ứng (1) CH3OH + 1/2 O2 ® CH2O + H2O (1) Lượng oxy tham gia vào phản ứng (1) bằng lượng oxy tiêu hao trừ đi lượng oxy tham gia vào phản ứng (3) 0,849 - 0,264 = 0,585 (Kmol) . Lượng CH3OH tham gia vào phản ứng (1) là : 0,585 x 2 = 1,170 (Kmol) . Lượng CH2O tạo thành từ phản ứng là: 0,585 x 2 = 1,170 (Kmol) . Lượng nước tạo thành từ phản ứng (1) là : 0,585 x 2 = 1,170 (Kmol) . * Tổng lượng CH3OH tham gia vào các phương trình (1), (2), (3) và (4) là : 0,027 + 0,176 + 0,897 + 1,170 = 2,270 (Kmol) . Hay tính theo khối lượng (M = 32) 2,270 x 32 = 72,64 (kg) . * Tổng lượng CH2O tạo thành trong các phản ứng (1) và (2) 0,897 + 1,170 - 0,000117=2,067 (Kmol) . Hay tính theo khối lượng (M = 30) 2,067 x 30 = 62,01 (kg) . Lượng formaldehyt (50% trọng lượng) thu được là : =124,02 (kg) * Tổng lượng nước tạo thành là : 0,027 + 0,352 + 1,170 = 1,549 (Kmol) . Hay tính theo khối lượng (M = 18) 1,549.18 = 27,882 (Kg) . * Lượng CH3OH lẫn trong formalin là : =0,868 (kg) * Tổng lượng CH3OH được tính là : 72,64 + 0,868 =73,508 (Kg) . * Lượng nước có trong formalin là : =61,018 (kg) Vì metanol kỹ thuật đưa vào là 99,5% trọng lượng nên lượng metanol thực tế dùng là : =73,877 (kg) Lượng nước lẫn trong metanol là : =0,369 (kg) Để tổng hợp formalin 50% trọng lượng thì lượng nước cần thêm vào là 61,018 - 27,882 - 0,369 = 32,767 (kg) . Lượng HCOOH lẫn trong formalin là : =0,124 (kg) * Lượng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng chính : - Lượng metanol 99,5% . CH3OH G = =1111,355 (kg/h) =34,729 (kmol/h) (Kg/h) - Không khí =13,479 (Kmol/h) (Kg/h) = 50,696 (kmol/h) - Nước thêm vào (Kg/h) = 27,385 (Kmol/h) (Kg/h) - Nước trong rượu : = 0,308 (Kmol/h) * Lưu lượng các cấu tử đi ra khỏi thiết bị : Lượng formalin 50% = (kg/h) = 31,094 (kmol/h) = 0,406 (Kmol/h) (Kg/h) =51,099 (Kmol/h) (Kg/h) = 0,04 (Kmol/h) - Khí thải : (Kg/h) = 0,30 (Kmol/h) (Kg/h) = 50,696 (Kmol/h) (Kg/h) = 2,647 (Kmol/h) (Kg/h) = 0,406 (Kmol/h) (Kg/h) = 13,095 (Kmol/h) - Lượng CH3OH thêm vào để hấp thụ sản phẩm . (Kg/h) Tổn thất 1,2% : 1865,672 x 0,012 = 22,388 (kg/h) 1. Tính cho toàn phân xưởng : Bảng 2 : Tính cho công suất : Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (kg/h) Tên chất Lượng (kg/h) CH3OH 1111,355 1. Formalin 50% CH2O H2O CH3OH HCOOH 932,836 919,776 12,996 1,865 2. Không khí N2 O2 1419,487 431,322 2.Khí thải N2 O2 CO2 CH4 H2 1419,487 9,628 116,495 6,498 26,190 3. Nước - Nước thêm vào - Nước trong rượu 492,924 5,551 3. Tổn thất 22,388 Tổng cộng 3467,235 Tổng cộng 3467,294 2. Cân bằng vật chất cho thiết bị bay hơi metanol Bảng 3: Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (kg/h) Tên chất Lượng (kg/h) 1. CH3OH 1111,355 1. CH3OH 1111,355 2. Không khí + N2 + O2 1419,487 431,322 2.Khí thải N2 O2 1419,487 431,322 3. Nướctrong CH3OH 5,551 3. Nước trong CH3OH 5,551 Tổng cộng 2967,715 Tổng cộng 2967,715 3: Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chính: Bảng 4: Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (Kg/h) Tên chất Lượng (Kg/h) CH3OH 1111,355 CH2O 932,836 N2 1419,487 CH3OH 12,996 O2 431,322 HCOOH 1,865 Nước trong CH3OH 5,551 Nước tạo ra sau phản ứng Nước trong CH3OH 346,946 5,551 N2 1419,487 O2 76,543 CO2 116,495 CH4 6,418 H2 26,190 CH2O mất mát 22,388 Tổng cộng 2967,715 Tổng cộng 2967,715 4. Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ : Giả thiết nhiệt độ khí thải ra khỏi tháp hấp thụ là 30oC + Lượng khí CH2O đi vào tháp hấp thụ là : 1865,672 x 50% = 932,836 (kg.h) . + Lượng khí trơ đi vào tháp hấp thụ là : Gtrơ = Gkhí thải = 1578,298 (kg/ h) . + Lượng hơi nước cùng lượng khí trơ đi ra theo khí thải sau tháp hấp thụ được tính theo công thức : Ghơi nước = Gtrơ . X Trong đó : Pbh (hơi nước) = 31,8 (mm Hg) Mkhí thải= M(N2).75,5 % + M(H2).19,5 % + M(CO2).3,95 % + M(O2).0,45 % + M(CH4).0,6 % = 28.75,5 % + 2.19,5 % + 44.3,95 % + 32.0,45 % + 16.0,6% = 23,364 Như vậy: Ghơi nước = 1578,298 . 0,0336 = 53,03 (Kg/h) Gọi: GY: là lượng hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ (Kg/h). Yđ,Yc: Nồng độ đầu và nồng độ cuối của cầu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ). Xđ,Xc: Nồng độ đầu và nồng độ cuối của cầu tử cần hấp thụ trong dung môi (Kmol/Kmol dung môi). GX: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h). Ta có:Yđ (Kg CH2O/Kg khí trơ) Xđ (Kg CH2O/Kg khí trơ) + Lượng nước (dung môi) cần thiết cho vào tháp hấp thụ: XC - Xđ Yc - Yd GX = Gtrơ . Vì Yc = Xđ = 0 (Kg CH2O/h) + Lượng nước thực tế cần bổ sung là: 918,085 – 492,924 = 425,161 (Kg/h) + Lượng nước theo khí thải ra khỏi tháp hấp thụ: 53,03 (Kg/h) Như vậy tổng lượng nước cần đưa vào tháp hấp thụ: 425,161 + 53,03 = 478,191 (Kg/h) + Lượng CH3OH đi vào tháp hấp thụ: 1865,672 . 0,7% = 13,059 (Kg/h) Bảng 5: Bảng cân bằng vật chất tháp hấp thụ: Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (kg/h) Tên chất Lượng (kg/h) - Khí trơ 1578,298 - Formalin 1865,672 - H2O 919,776 - Khí trơ 1578,298 - CH3OH 12,996 - Nước theo khí thải 53,03 - Nước trong sản phẩm 492,924 - Nước bổ sung 478,191 Tổng cộng 15787,298 Tổng cộng 15787,298 5. Cân bằng vật chất cho thiết bị đun nóng khí : Bảng 6 : Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (kg/h) Tên chất Lượng (kg/h) + N2 1419,487 N2 1419,487 + O2 431,322 O2 431,322 Tổng cộng 1850,809 Tổng cộng 1850,809 III. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG. III.1. Thiết bị đun nóng không khí Tác dụng : dùng để đun nóng không khí trước khi đưa vào thiết bị bay hơi methanol đun nóng không khí có nhiệt độ ban đầu là 250C lên đến nhiệt độ cuối cùng là 1000C gọi Q1: Nhiệt lượng không khí mang vào Q2 : Nhiệt lượng cần phải cung cấp Q3 :Nhiệt lượng do không khí mang ra Qm : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng như sau Q1 + Q2 = Q3 + Qm (1) Tính Q1: nhiệt lượng không khí mang vào Ta có (2) T1 nhiệt độ ban đầu của không khí t1=250C , : khối lượng của N2 ,O2 (kg/h) theo [12-60],[12-61] và [12-156] ta xác định được các thông số của N2 ,O2 ở điều kiện 250C Bảng 7: Các thông số của N2 ,O2 [12] . Stt Tên chất kcal/kg.0C Hệ phương trình =j(t).10-3(J/kg0C) a.10 b.104 c.10-4 1 N2 0,248 23,80 3,58 2 O2 0,217 23,5 2,535 2,17 Thay số vào phương trình (2) ta được Q1 Q1 = 11140,719 ( kcal/h) Tính Q3 nhiệt lượng do không khí mang ra . Ta có (3) Với t2 :nhiệt độ lúc không khí đi ra t2=1000C ở nhiệt độ t2 bằng 1000C nhiệt dung riêng của các đơn chất được xác định theo công thức [19-153] =a+b.T-cT-2 trong đó T=100+273=3730K a,b,c là các hệ số được xác định theo bảng (7) nhiệt dung riêng của N2 = (23,8.10-1+3,58.10-4.373).103 =2513,534(J/kg.độ) kcal/kg.độ nhiệt dung riêng của O2 . vì C quá nhỏ nên ta có thể bỏ qua do đó : thay các số liệu vào phương trình (3) ta có Q3 = (1419,487 . 0,6 + 431,322) . 100 = 110358,424 (Kcal / h) . Tính Qm nhiệt mất mát ra môi trường Qm =2%.Q3 = 0,02.110358,424 = 2207,168 (kcal/h) . Vậy nhiệt cần phải cung cấp cho không khí .theo phương trình (1) ta có : Q2 =(Q3 + Qm) - Q1 = 110358,424 + 2207,168 – 1140,719 = 10142,449 kcal/h Bảng 8.cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng không khí Nhiệt vào Nhiệt ra Tên Lượng(kcal/h) Tên Lượng(kcal/h) Q1 11140,719 Q3 110358,422 Q2 101424,499 Qm 2207,168 Tổng 112565,168 Tổng 112565,592 III.2 . Thiết bị bay hơi methanol. Tác dụng :bay hơi methanol ở nhiệt độ 90-1000C để tao thành hỗn hợp methanol trong không khí Các thông số Nhiêt độ đầu của không khí là t1 =1000C Nhiệt độ đâù của methanol là Nhiệt độ hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị là t2 =1100C Ta tính cân bằng nhiệt lượng cho từng thành phần trong hỗn hợp *tính cho CH3OH gọi : Q1 nhiệt do CH3OH mang vào thiết bị Q3 nhiệt do CH3OH mang ra khỏi thiết bị Qm nhiệt hao phí Q2 nhiệt cần cung cấp Ta có cân bằng nhiệt lượng Q1 + Q2 = Q3 + Qm *tính Q1 Q1=G.Cp.t1 Trong đó : G khối lượng của methanol t1 :nhiệt độ ban đầu của methanol t1=250C Cp :nhiệt dung riêng của methanol ở nhiệt độ t1 Theo[9-172] ta có Lượng nhiệt của methanol mang vào thiết bị là : Q1=1111,355 . 0,592.25 = 16448,054 (kcal/h) *Tính Q3 Ta có Q3 =G.Cp.t2 +G.r t2 nhiệt độ của hơi methanol t2=1100C Cp nhiệt dung riêng của methanol ở t2 r ẩn nhiệt hoá hơi của methanol theo[9-172] ở nhiệt độ t2 ta có : theo [9-254] ta có r =239(kcal/kg) thay số liệu vvào biểu thức ta có : Q3 = 1111,355.0,72.110 + 1111,355.239 = 353633,161 (kcal/h) *tính Qm Qm =2%.Q3 =0,02 . 353633,161 = 7072,663 ( Kcal / h) Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng ta tìm được Q2 Q2 =(Q3 + Qm)-Q1 = 353633,161 + 7072,663 – 16448,054 = 344257,77 (kcal/h) *Tính cho H2O gọi Q1 nhiệt do nước mang vào Q2 nhiệt cần cung cấp Q3 nhiệt do hơi nước mang ra Q m nhiệt hao phí Ta có cân bằng nhiệt lượng Q1 + Q2 = Q3 + Qm Tính Q1 Ta có Q1 =G.Cp.t1 Với G = 5,551 (kg/h) t1=250C Cp =1,001 (kcal/h) [9-159] Q1 =5,551.1,001.25 = 138,913 ( kcal/h) Tính Q3 Ta có Q3 =G.Cp.t2 + G.r r : ẩn nhiệt hoá hơi của nước với t2 =1100C Cp =1,015 (kcal/kg0C) [9-172] r =540kcal/kg [9-254] Q3 = 5,551.1,015.110 +5,551.540 = 3617,309 (kcal/h) Tính Q2 = Q3 + Qm – Q1 = 3550,742 (Kcal/h) Tính cho không khí Nhiệt lượng cần đun nóng không khí từ 100-1100C là với = (1419,487.0,248 +431,322 . 0,217).(110 - 100) = 4456,288 (kcal/h) do đó lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp methanol - không khí lên 1100C =4545,413 + 3550,742 + 344257,77 = 352353,925 (kcal/h) Bảng 9: Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị bay hơi Metanol. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên Lượng(kg/h) Tên Lượng(kg/h) 138,913 3617,309 16448,054 353633,161 352353,925 4456,288 7072,663 72,346 89,125 Tổng 368940,892 Tổng 368940,892 III.3 . Thiết bị dun nóng quá nhiệt khối phản ứng lần 1. Tác dụng: Đun nóng hỗn hợp Metanol-không khí từ nhiệt độ 1100C lên 1600C. Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp t1=1100C Nhiệt độ cuối của hỗn hợp t2=1600C. Ta có phương trình cân bằng nhiệt. Q2=Q3+Qm Trong đó Q2 là nhiệt cần cung cấp Q3 Nhiệt do hỗn hợp mang ra khỏi thiết bị. Qm Nhiệt mất mát ra môi trường Ta có: Hỗn hợp không khí gồm N2 và O2 x1, x2 thành phần của các cấu tử khí (phần mol) Theo [ VIII - 172] ta tra được các số liệu Q3= (1111,483.0,72+1850,809.0,242 + 5,551.1,015 ).(160 – 110) = 62689,813 ( kcal/h) Nhiệt mất mát ra môi trường là: Qm= 2%Q3=0,02.62689,813 = 1253,796 (kcal/h) Nhiệt lượng cần cung cấp là: Q2=Qm+Q3 = 1253,796 + 62698,813 = 63943,609 (kcal/h) Bảng 10: Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng khối phản ứng lần 1 Nhiệt vào Nhiệt ra Tên Lượng(kcal/h) Tên Lượng(kcal/h) Q2 63943,609 Q3 62689,813 Qm 1253,796 Tổng 63943,609 Tổng 63943,609 III.4. Thiết bị đun nóng khối phản ứng quá nhiệt lần 2 Tác dụng: Đun hỗn hợp phản ứng Metanol-không khí từ 1600C đến 2300C trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng Q2=Q3+Qm trong đó Q2 nhiệt lượng cần phải cung cấp Q3 Nhiệt do hỗn hợp Metanol - không khí mang ra Qm Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh Q3 = [1111,483.0,72 + 1850,809.0,242 + 5,551.1,015](230 - 160) = 87765,738 (kcal/h) Nhiệt mất mát ra môi trường Qm = 0,02.Q3 = 1755,314 (kcal/h) Nhiệt lượng cần cung cấp Q2=Q3+Qm=87765,738 + 1755,314 = 89521,052 (kcal/h) Bảng 11 : Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng quá nhiệt lần 2 Nhiệt vào Nhiệt ra Tên Lượng(kcal/h) Tên Lượng(kcal/h) Q2 89521,052 Q3 87765,738 Qm 1755,314 Tổng 89521,052 Tổng 89521,502 III.5: Thiết bị điều chế CH2O Tác dụng: Điều chế CH2O từ Metanol và không khí ở nhiệt độ t=3500C Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng là 2300C Nhiệt độ phản ứng là 6500C Nhiệt độ của sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng là 3500C Các phản ứng hoá học xảy ra trong thiết bị phản ứng Phản ứng chính CH3OH +1/2O2 CH2O + H2O (1) Phản ứng phụ CH3OH CH2O + H2 (2) CH3OH 3/2O2 CO2 + H2O (3) CH3OH + H2 CH4 + H2O (4) CH2O +1/2O2 HCOOH (5) Gọi Q1: Là nhiệt các chất tham ra phản ứng mang vào Q2: là nhiệt do các phản ứng hoá học tạo ra Q3: Nhiệt cần phải cung cấp Q4: Nhiệt do các sản phẩm phản ứng mang ra Qm: Nhiệt mất mát ra môi trường Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị Q1+Q2+Q3=Q4+Qm Tính Q1 Q1 gồm: nhiệt do không khí mang vào, nhiệt của hỗn hợp Metanol - không khí ra khỏi thiết bị đun nóng quá nhiệt hỗn hợp ( phản ứng lần 1) và nhiệt do khối phản ứng mang ra ở thiết bị đun nóng quá nhiệt hỗn hợp phản ứng lần 2 Q1=110358,424 + 62689,813 + 87765,738 = 260813,975 (kcal/h) Tính Q2 Ta có Theo sổ tay hoá lý ta có các thông số cho các hỗn hợp phản ứng theo bảng sau Bảng 12: Các thông số cho các chất phản ứng Tên chất kcal/mol cal/mol0C Hệ số phương trình Cp=(t) A b.10-3 c.10-5 CH3OH -48,08 10,46 3,652 25,143 H2O -57,798 8,01 7,17 2,56 0,08 CH2O -27,7 8,43 4,498 13,953 HCOOH -86,67 11,638 4,637 26,96 -11,35 N2 0 6,944 6,66 1,02 O2 0 7,04 7,52 0,81 -0,9 CO2 -94,052 9,196 10,55 2,16 -0,204 CH4 -17,889 8,536 6,73 10,02 -1,118 H2 0 6,89 6,95 -0,2 CO -26,416 6,972 6,79 0,98 -0,11 Tính cho CH3OH tính cho H2O Vì hệ số C=0,08 quá nhỏ nên có thể bỏ qua Tính cho CH2O Tính cho HCOOH Tính cho N2 Tính cho O2 Tính cho CO2 Tính cho H2 Tính cho CH4 Bảng số 13: Các thông số về nhiệt của các chất phản ứng ở nhiệt độ 3500C Tên chất kcal/kmol cal/mol0C kcal/kg0C CH3OH -42545 19,316 0,603 H2O -57771,354 8,765 0,41 CH2O -24725 4,76 0,159 HCOOH -80567,715 9,795 0,213 N2 219,375 0,351 0,012 O2 615 0,984 0,031 CO2 -92350,523 2,699 0,061 CH4 -17711,357 4,459 0,285 H2 -40,625 -0,065 -0,033 Tính cụ thể cho từng phản ứng Theo phản ứng (1) CH3OH+1/2O2 CH2O +H2O Ta có : =-24725-57771,354+42545-0,5.615 = - 40258,854(kcal/kmol) số mol CH2O tham gia phản ứng (1) là : 1,170 kmol do đó: Theo phản ứng (2): CH3OH CH2O + H2 Ta có = - 24725- 40,625 + 4254=17860,495 (kcal/kmol) theo phản ứng số mol CH2O tham gia phản ứng (2) là : 0,897kmol . do đó theo phản ứng (3) CH3OH + 3/2O2 CO2 + 2H2O Ta có =-92350,523-2.57771,354 -1,5.615+42545 =-166270,731 (kcal/kmol) số mol CH3OH tham gia phản ứng (3) là :0,176 kmol do đó theo phản ứng (4) CH3OH + H2 CH4 + H2O Ta có =-17711,375-57771,354+42545 + 40,625 = -32897,221(kcal/h) số mol CH3OH bằng số mol CH4 và bằng 0,027 kmol do đó: Theo phản ứng (5) CH2O +1/2O2 HCOOH Ta có = -80567,715+42545-0,5.615 =-38330,215 (kcal/mol) số mol CH2O tham gia phản ứng (5) là 0,000117 kmol do đó Nhiệt lượng do các phản ứng oxy hoá toả ra khi điều chế 1 mol CH2O là do đó nhiệt toả ra từ các phản ứng điều chế CH2O ở hệ thống công suất 932,836 (kg/h) Tính Q4 ta có nhiệt do các sản phẩm phản ứng mang ra Thay các số liệu vào biểu thức ta tính được Q4 Q4=932,836.0,44+1,865.0,466+12,996.0,603+346,946.0,487+26,190.(-0,0325)+76,543.0,251+1419,487. 0,261+ 116,495. 0,27+5,551. 0,487+ 6,418. 0,285+ 22,388. 0,44. 350+ 492,924. 210,3= 104685,175 ( kcal/h) Tính Qm: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh bằng 2% của nhiệt lượng do các sản phẩm phản ứng chính và sản phẩm phụ tạo thành mang ra: Qm=0,02. Q4= 0,02. 104685,175= 52342,587 ( kcal/h) Tính Q3: Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có Q3 = (Q4+Qm)- (Q1+Q2) = (104685,175 + 52342,587) - (260813,975 + 921227,726) =-1025013,939 (kcal/h) Như vậy trong thiết bị điều chế CH2OH cần phải làm lạnh với một lượng nhiệt là Q3= 1025013,939( kcal/h) Bảng 14: Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị điều chế CH2O Chất cho vào Chất tạo thành Tên chất Lượng (kcal/h) Tên chất Lượng (kcal/h) Q1 260813,975 Q4 104625,175 Q2 921227,726 Qm 52342,527 Q3 -1025013,939 Tổng cộng 156967,702 Tổng cộng 156967,702 IV/ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG : 1. Tính phần thiết bị làm lạnh nhanh hỗn hợp khí sau khi phản ứng. Tác dụng: Làm lạnh nhanh hỗn hợp khí sau khi phản ứng nhằm ngăn chặn quá trình chuyển hóa tiếp của CH2O tạo thành các sản phẩm phụ trong thiết bị phản ứng, một phần dùng để tận dụng nhiệt của phản ứng để tạo hơi nước dùng cho cả quá trình . Thiết bị làm lành hỗn hợp là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, loại đứng với hỗn hợp khí sản phẩm đi trong ống và khí hơi nước đi ngoài ống. Các số liệu đầu : Nhiệt độ nước đi vào thiết bị là 25oC Nhiệt độ hơi nước đi ra thiết bị là 350oC Nhiệt độ khí sản phẩm đi vào thiết bị là 720oC Nhiệt độ khí sản phẩm đi ra khỏi thiết bị là 300oC Chọn ống truyền nhiệt của thiết bị là : d = 40 x 2 (mm) Chiều cao của ống H = 3(m) . * Tính bề mặt truyền nhiệt F của thiết bị : Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp xác định theo công thức : D t1 = 720 - 300 = 420oC D t2 = 350 - 25 = 325oC D ttb = 372,5oC - Tính hệ số truyền nhiệt K : Hệ số truyền nhiệt K ước tính theo bảng [IX- 43] . K = 98,5 (W/m2.độ) Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị được tính theo công thức : F = Q/K. D ttb Trong đó : Q : Lượng nhiệt cần phải lấy ra từ hỗn hợp khí sau khi phản ứng . Theo bảng cân bằng nhiệt lượng của thiết bị chính ta có lượng nhiệt cần lấy ra : Q = Q3 = 1025013,932 (Kcal/h) =1191863,422 (J/s) Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là : F = (m2) Số ống của thiết bị là : n = F/(p . d . H) Vậy : n = 32,483/(3,14 . 0,04 . 3) = 86 (ống) Quy chuẩn theo [IX-48] ta có n = 91 (ống) . Các ống trong thiết bị được sắp xếp theo hình lục giác, có số ống trên đường xuyên tâm là b = 11, số hình sáu cạnh là 5 . * Tính đường kính của thiết bị : D = t (b -1) + 4.d [IX-49] Trong đó : d : đường kính ngoài của ống . d = 0,04 + 0,002 . 2 = 0,044 (m) b : số ống trên đường xuyên tâm b = 11. t : bước ống . Chọn t = 1,25 . dt = 1,25 . 0,04 = 0,05 . Thay số vào ta có : D = 0,05 . (11 - 1) + 4 . 0,044 = 0,676 (m) . Quy chuẩn (St2 - 382) . D = 0,8 (m) = 800 (mm) Vậy kết quả tính toán đối với phần làm lạnh nhanh hỗn hợp sau phản ứng là : + d = 40 x 2 (mm) + Chiều cao của ống H = 3 (m) + Đường kính của thiết bị D = 0,8 (m). 2. Tính đường kính, thể tích lớp xúc tác, chiều cao lớp xúc tác phần phản ứng : Lượng formalin 50% tạo thành ứng với 1kg xúc tác là 40,7kg formalin/kg xúc tác, h . - Vận tốc của hỗn hợp khí đi trong thiết bị chọn là : WD = 0,6 m/s . - Khối lượng riêng của xúc tác : 0,6 kg/dm3 . - Thành phần hỗn hợp tính theo thể tích : : khối lượng riêng của khí (kg/m3) = T = 300 + 273 =573 Ok P = 1 at. = 1111,355 (kg/h) 0,68 (kg/m3) = 431,322 (kg/h) (kg/m3) 634,297 (m3/h) (kg/h) 0,6 (kg/m3) 2366,645 (m3/h) 5,551 (kg/h) 0,38 (kg/m3) (m3/h) Tổng thể tích: V = 4649,789 (m3/h) - Đổi ra phần trăm thể tích : 35,14%. - Thể tích của hỗn hợp rượu - không khí có mặt 35,14% CH3OH là : VT = V = 4649,789 (m3/h) * Xác định đường kính thiết bị : Ta có công thức liên hệ giữa thể tích của hỗn hợp với đường kính thiết bị : VT = W.S . 3600 Trong đó : S = Vậy : VT = w . D2/ 4 . 3600 Thay số vào ta có : 4649,789 = 0,6 . 3,14.D2/4 . 3600 D = 1,56 (m) Quy chuẩn : D = 1,6 (m) Tiết diện của thiết bị là : S = S = 2,543 (m2) Khối lượng xúc tác ứng với năng suất 1865,672 (kg/h) là : Gxt = 45,839 (kg) Thể tích lớp xúc tác tính theo công thức : Vxt = =76,398 (dm3) = 0,0764 (m3) Chiều cao lớp xúc tác là : Hxt = 0,03 (m) = 30 (mm) Chiều cao của phần phản ứng dựa theo công thức : H = 0,50 (m) = 500 (mm) Vậy ta có các kết quả tính toán : Đường kính của thiết bị : D = 1,6 (m) Thể tích của lớp xúc tác : Vxt = 0,0764 (m3) Chiều cao lớp xúc tác : Hxt =30 (mm) Chiều cao phần trên của thiết bị : H1 = H + Hxt = 30 + 500 = 530 (mm) . 3. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị : Đường kính ống dẫn tính theo công thức : [IX - 369] d = rong đó : w : tốc độ trung bình của khí đi trong ống dẫn nguyên liệu, m/s. Chọn w = 25 (m/s) . V : lưu lượng thể tích hơi vào thiết bị, V = 4649,789 (m3/h) = 1,292 ( m3/s). Do đó đường kính trong ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị là : d = = 0,250 (m) Quy chuẩn theo [X - 417] ta có : d = 250 (mm) . Chọn tích cho ông dẫn nguyên liệu vào thiết bị : [IX - 417] . Dt = 250 (mm ) Do = 312 ( mm) D = 273( mm) h = 22 (mm) Db = 370 ( mm) Bu lông : db = M20 D1 = 335 ( mm) Z = 12 cái . 4. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm ra khỏi thiết bị : Đường kính ống dẫn tính theo công thức d = Trong đó : w : tốc độ trung bình của khí đi trong ống dẫn sản phẩm, m/s. Chọn w = 25 (m/s) . V : lưu lượng thể tích hơi ra khỏi thiết bị, m3/s . Sản phẩm phản ứng đi ra khỏi thiết bị bao gồm : HCHO, CH3OH dư, H2O, khí thải (N2, O2 , CO2, H2, CH4) ở nhiệt độ 300oC (573oK) . * Thể tích của CH2O đi ra khỏi thiết bị phản ứng : CH2O G = 932,836 (kg/h) . CH2O (M = 30 ) . (m3/h) * Thể tích của CH3OH đi ra khỏi thiết bị phản ứng : CH3OH G = 12,996 (kg/h) . CH3OH (M = 32) (m3/h) * Thể tích của H2O đi ra khỏi thiết bị phản ứng : H2O G = 919,776 (kg/h) . H2O (M = 18) . (m3/h) * Thể tích của O2 đi ra khỏi thiết bị phản ứng : O2 G = 9,628 (kg/h) . O2 (M = 32) (m3/h) * Thể tích của N2 đi ra khỏi thiết bị phản ứng : N2 G = 1419,487 (Kg/h) N2 (M = 28) (m3/h) * Thể tích của CO2 đi ra khỏi thiết bị phản ứng : CO2 G = 116,495 (Kg/h) CO2 (M = 44) (m3/h) * Thể tích của CH4 đi ra khỏi thiết bị phản ứng : CH4 G = 6,498 (Kg/h) CH4 (M = 16) (m3/h) * Thể tích của H2 đi ra khỏi thiết bị phản ứng : H2 G = 26,190 (Kg/h) H2 (M = 2) (m3/h) Vậy tổng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng V = 3354,283 (m3/h) = 0,931 (m3/s). Do đó đường kính trong ống dẫn nguyên liệu ra khỏi thiết bị là : d = = 0,252 (m) Quy chuẩn theo [IX - 417] ta có : d = 300 (mm ) Chọn tích cho ống dẫn sản phẩm ra khỏi thiết bị : [IX - 417] . Dt = 300 (mm) Do = 365( mm) D = 325 ( mm) h = 22 (mm) Db = 435 (mm) Bu lông : db = M20 Dt = 395 (mm) Z = 12 cái . 5. Tính đáy của thiết bị : Đáy thiết bị dạng elíp có gờ, có lỗ d = 365 mm, hàn từ hai nửa tấm. Có jh = 0,95 ; [s] = 146,7 (N/m2) ; P = Po = 1.105 (N/m2); Dt = 0,8 (m) . Gọi K là hệ số không thứ nguyên được xác định như sau : K = 1 - Chọn đáy thiết bị có kích thước như sau : Dt = 800( mm) hb = 350 (mm) S = 4 (mm) H = 25 (mm) Kiểm tra ứng suất của thành đáy thiết bị theo áp suất thử thuỷ lực bằng công thức : = (N/m2 ) So sánh s = 91875.106 (N/m2) <(N/m2 Vậy chiều dày đáy S = 4 (mm) thỏa mãn điều kiện thử . 6. Tính nắp của thiết bị : Nắp thiết bị hình nón có gờ và góc đỉnh 90o, hàn liền với ống hình trụ đường kính. 1800mm .Trên thành ống có lỗ dẫn sản phẩm vào d =312mm. Chiều dày nắp là S = 4 mm . Kiểm tra ứng suất của thành nắp thiết bị theo áp suất thử thuỷ lực bằng công thức sau : = (N/m2) So sánh s = 0,390.106 (N/m2) < 183,3.106 (N/m2) Vậy chiều dày nắp S = 4 mm thỏa mãn điều kiện thử . Nắp có các kích thước sau : Dt = 1,6 (m) S = 4 (mm) hb = 450 (mm) H = 40 mm 7. Chiều dày của thân thiết bị : Thân thiết bị hình trụ, làm việc ở áp suất khí quyển có chiều dày được xác định theo công thức : S = Trong đó : Dt : đường kính trong của thiết bị . Dt = 1,6 m . j : Hệ số bền hàn của hình trụ theo phương dọc. Do hàn giáp mối bằng hồ quang điện nên y = 0,95 (IX - 362) . Pt : Áp suất trong thiết bị. Do thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên có Pt = 1.105 (N/m2) . C : đại lượng bổ sung do ăn mòn, bào món và dung sai âm về chiều dày, m . s: Ứng suất của thiết bị, N/m2 . Đại lượng C được tính theo công thức sau : C = C1 + C2 + C3 [IX - 363] . Trong đó : C1 : đại lượng bổ sung ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường thời gian làm việc của thiết bị . Vì vật liệu làm thiết bị là vật liệu bền (thép không gỉ X18H10T) nên C1 = 1 mm = 0,001 m. C2 : đại lượng bổ sung bào mòn. Do nguyên liệu không chứa các hạt rắn chuyển động, lớp xúc tác là tĩnh nên có C2 = 0 . C3 : đại lượng bổ sung do dung sai âm của chiều dày, được chọn theo chiều dày . m . Thay vào công thức ta có : C = 0,001 + O + C3 = 0,001 + C3 . Gọi (sk) (N/m2) là ứng suất cho phép của vật liệu thép X18H10T . Ứng suất cho phép giới hạn bền kéo của vật liệu thép X18H10T được xác định theo công thức : Trong đó : sk : ứng suất giới hạn bền kéo của X18H10T , N/m2 . sk = 450 . 106 (N/m2) [X - 310] . hk : hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo , hk = 2,6 , [IX - 356]. h : hệ số hiệu chỉnh. Do thiết bị loại II nên h = 1 . Þ (N/m2) Ứng suất cho phép giới hạn bền chảy của vật liệu thép X18H10T được xác định theo công thức : Trong đó : dc : ứng suất giới hạn bền chảy của X 18 H 10T , N/m2 . dc : 220.106 (N/m2) [IX - 310] . hc : Hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, hc = 1,5 [IX - 356] . h : Hệ số hiệu chỉnh. Do thiết bị loại II nên h = 1 . (N/m2) Để đảm bảo về độ bền ta lấy giá trị nhỏ hơn trong hai kết quả trên tức là : (dk) = 146,7 . 106 (N/m2) . Xét tỷ số sau : Do đó ta có thể bỏ qua đại lượng Pt ở mẫu số của công thức tính chiều dày. Khi đó ta có : Chọn C3 = 0,22 (mm) = 0,22 . 10-3 (m) Khi đó : S = (2 + 0,22) . 10-3 = 2,22 . 10-3 (m) Quy chuẩn theo [X - 364] ta lấy S = 3mm.Phù hợp với C3= 0,22 mm Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử thuỷ lực : Po = Pth + Pt . Trong đó : Pt : Áp suất thuỷ lực , N/m2 . Pt = 1,5 . Pt = 1,5 . 1,0 . 105 = 1,5 . 105 (N/m2) . Pt : Áp suất thuỷ lực của nước, N/m2 . Pt = g . r. H = 9,81 . 1000 . 8,75 = 0,8584.105 , (N/m2). Þ Po = (1,5 + 0,8584) .105 = 2,3584.105 (N/m2). Thay vào công thức kiểm tra : =75,346 (N/m2) So sánh: s = 75,346.106 (N/m2) < (N/m2) Ta thấy thiết bị thỏa mãn điều kiện kiểm tra đảm bảo cho thiết kế. Vậy thân thiết bị có chiều dày S = 3 mm . PHẦN III: TỒN CHỨA VÀ VẬN CHUYỂN FORMALIN Khi giảm nhiệt độ cũng như tăng nồng độ, dung dịch formaldehit - nước có xu hướng bị kết tủa tạo paraformaldehit. Mặt khác, khi nhiệt độ tăng cũng có xu hướng tạo axit focmic. Do đó, phải duy trì nhiệt độ lưu kho thích hợp tối ưu. Ngoài ra việc thêm chất ổn định là rất cần thiết (VD: metanol, etanol, propanol hoặc butanol). Nhiều hợp chất được sử dụng để ổn định formaldehit như : urê , melamin, hydrazin hydrat, metyl xenlulo, guanamin và bismelamin. Ví dụ, chỉ thêm vào 100 mg iso phthalobisguanamin vào 1 kg dung dịch trên (dung dịch formaldehit 40%wt) có thể lưu kho ít nhất 100 ngày ở nhiệt độ 17oC mà không xảy ra sự kết tủa paraformaldehit và dung dịch formaldehit 50%wt có thể giữ được ít nhất 100 ngày ở 42oC . Hàm lượng Formaldehit (%wt) Hàm lượng metnol Nhiệt độ lưu khó oC 30 <=1 7 ¸ 10 37 <1 35 37 7 21 37 10í 12 6í7 50 1í2 45 50 1í 2 60í 65 Ổn định bằng 200 mg iso phthalobisguanamin cho 1 kg dung dịch formalin, formaldehit có thể được chứa và vận chuyển trong các thiết bị chứa làm bằng thép không gỉ, nhôm, sản phẩm tráng men, nhựa polieste. Thiết bị chứa bằng sắt được lót bên trong bằng nhựa epoxit hoặc chất dẻo. Nhiệt độ bốc cháy của các dung dịch formaldehit nằm trong dải 55 ¸ 85oC tuỳ thuộc vào nồng độ của chúng và hàm lượng metanol . PHẦN IV : BIỆN PHÁP BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Trong tự nhiên, formaldehit có mặt khắp nơi, được thải vào không khí nhờ quá trình oxi hóa, quang hoá và cháy không hoàn toàn các hydrocarbon, trong cuộc sống formaldehit có rất nhiều trong thành phần khí thải ôtô, máy bay, các phân xưởng nhiệt lò đốt . Theo báo cáo năm 1976 hiệp hội bảo vệ môi trường của Mỹ thì lượng formaldehit trong khí quyển do các nguồn sau : - Khí thải từ các phương tiện giao thông và máy bay 52 ¸ 63% . - Các phản ứng quang học ( chính từ hydrocarbon trong khí thải ) 19 ¸ 32% . - Các phóng xạ nhiệt lò đốt 13 ¸ 15% . - Từ các nhà máy lọc dầu 1 ¸ 2% . - Từ nhà máy sản xuất formaldehit 1% . Formaldehit với lượng hạn chế từ khói thuốc lá cũng như từ nhựa urê-malamin và phenol formaldehit trong gỗ dán đồ gỗ . Biện pháp xử lý tốt nhất chống lại sự tích tụ formaldehit trong phòng là thông gió thích hợp. Mùi của formaldehit mạnh có thể giúp ta phát hiện ra sự có mặt của nó . Nồng độ formaldehit được giới hạn từ năm 1997, nếu chứa 0,05% trọng lượng formaldehit thì phải dán nhãn. Formaldehit không tích tụ lại trong môi trường hoặc trong cơ thể vì nó nhanh chóng bị oxy hóa và tạo thành axit focmic và CO2 . PHẦN V: THIẾT KẾ XÂY DỰNG I. ĐẶC ĐIỂM SẢN PHẨM CỦA NHÀ MÁY: Trong tự nhiên, Formaldehyde có mặt khắp nơi, được thải vào không khí nhờ quá trình ôxy hoá, quang hóa và cháy không hoàn toàn các hyđrôcacbon, trong cuộc sống Formaldehyde có rất nhiều trong thành phần khí thải ô tô, máy bay, các phân xưởng nhiệt là đốt. Lượng Formaldehyde trong không khí do các nguồn sau: - Khí thải từ các phương tiện giao thông và máy bay: 52 - 63%. - Các phóng xạ nhiệt là đốt : 13 - 15%. - Từ các nhà máy lọc dầu : 1 - 2%. - Từ nhà máy sản xuất Formaldehyde : 1%. Biện pháp xử lý tốt nhất chống lại sự tích tụ Formaldehyde trong phòng là thông gió thích hợp. Mùi của Formaldehyde mạnh có thể giúp ta phát hiện ra sự có mặt của nó. II. ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG: 1. Các yêu cầu chung: Địa điểm xây dựng được lựa chọn phải phù hợp với quy hoạch lãnh thổ, quy hoạch vùng, quy hoạch cụm kinh tế công nghiệp đã được các cấp có thẩm quyền phê duyệt. Tạo điều kiện phát huy tối đa công suất của nhà máy và khả năng hợp tác sản xuất của nhà máy với các nhà máy lân cận. Địa điểm lựa chọn xây dựng phải gần với các nguồn cung cấp nguyên liệu cho sản xuất và gần với nơi tiêu thụ sản phẩm nhà máy. Gần các nguồn cung cấp năng lượng, nhiên liệu như: điện, nước, khí nén, than, dầu..., như vậy sẽ hạn chế tối đa chi phí cho vận chuyển, hạ giá thành sản phẩm, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhà máy. Địa điểm xây dựng, phải đảm bảo được sự hoạt động liên tục của nhà máy do vậy cần chú ý các yếu tố sau: + Phù hợp và tận dụng tối đa hệ thống quốc gia bao gồm đường bộ, đường sắt, đường sông, đường biển, kể cả đường hàng không. + Phù hợp và tận dụng tối đa hệ thống mạng lưới cung cấp điện, thông tin liên lạc và các mạng lưới kỹ thuật khác. 2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng: Khu đất phải có kích thước và hình dạng thuận lợi cho việc xây dựng trước mắt cũng như cho việc mở rộng nhà máy trong tương lai. Kích thước, hình dạng và quy mô diện tích của khu đất nếu không hợp lý sẽ gây ra nhiều khó khăn trong quá trình thiết kế bố trí dây chuyền công nghệ, cũng như việc bố trí các hạng mục công trình trên mặt bằng khu đất đó. Khu đất được lựa chọn cần lưu ý các yêu cầu sau: + Không được nằm trên các vùng có mỏ khoáng sản hoặc địa chất không ổn định ( như có hiện tượng động đất, xói mòn đất, hiện tượng cát chảy). + Cường độ khu đất xây dựng là 1,5 - 2,5 kg/cm2. Nếu xây dựng trên nền đất sét, sét pha cát, đất đá ong, đất đồi... để giẩm tối đa chi phí gia cố nền móng của các hạng mục công trình nhất là các hạng mục công trình có tải trọng bản thân và tải trọng động lớn. 3. Các yêu cầu về môi trường vệ sinh công nghiệp: Khi địa điểm xây dựng được chọn cần xét đến mối quan hệ mật thiết giữa khu dân cư đô thị và khu công nghiệp. Điều đó không tránh khỏi là trong quá trình sản xuất các nhà máy thường thải ra các chất độc hại như: khí độc, nước bẩn, khói bụi, tiếng ồn... hoặc các yếu tố bất lợi khác như dễ cháy, nổ, ô nhiễm môi trường... Địa điểm xây dựng phải thoả mãn các yêu cầu quy phạm, quy định về mặt bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp. Chú ý khoảng cách bảo vệ vệ sinh công nghiệp, tuyệt đối không được xây dựng các công trình công cộng hoặc công viên, phủ trồng cây xanh để hạn chế tác hại của khu công nghiệp gây nên. Thường xây dựng ở cuối hướng gió chủ đạo, nguồn nước thải của nhà máy đã được xử lý phỉa ở hạ lưu và cách bến dùng nước của khu dân cư tối thiểu là 500m. Tóm lại, để lựa chọn địa diểm xây dựng nhà máy hợp lý phải căn cứ vào các yâu cầu trên. Nhưng trong thực tế rất khó khăn khi lựa chọn được địa điểm thoả mãn các nhu cầu trên. Do vậy, sau khi đã nghiên cứu cân nhắc kỹ lưỡng các yêu cầu, ưu tiên đặc điểm sản xuất riêng của nhà máy em quyết định chọn đĩa điểm xây dựng nhà máy sản xuất Formaldehyde là khu công nghiệp Việt Trì - Phú Thọ. III. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG NHÀ MÁY: 1. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng nhà máy: Trong đồ án này em thiết kế tổng mặt bằng nhà máy theo nguyên tắc phân vùng. + Vùng trước nhà máy: Nơi bố trí các nhà hành chính quản lý, phục vụ sinh hoạt, cổng ra vào, gara ô tô xe đạp... đối với các nhà máy có quy mô nhỏ hoặc mức độ hợp khối lớn, vùng trước nhà máy hầu như được dành diện tích cho bãi đỗ xe ô tô, xe gắn máy, xe đạp, cổng bảo vệ, bảng tin và cây xanh cảnh quan. Diên tích vùng này tuỳ theo đặc điểm sản xuất, quy mô của nhà máy có diện tích từ 4 - 20% diện tích toàn nhà máy. + Vùng sản xuất: Nơi bố trí các nhà máy và dây chuyền sản xuất chính của nhà máy, như các xưởng sản xuất chính, phụ, sản xuất phụ trợ... Tuỳ theo đặc điểm sản xuất và quy mô của nhà máy diện tích vùng chiếm từ 22 - 25% diện tích của nhà máy. Đây là vùng quan trọng nhất của nhà máy nên khi bố trí cần lưu ý một số đặc điểm sau: - Khu đất được ưu tiên về điều kiện địa hình, địa chất cũng như về hướng. - Các nhà máy xưởng trong quá trình sản xuất gây ra các tác động xấu như tiếng ồn lớn, lượng bụi, nhiệt thải ra nhiều hoặc dễ có sự cố ( đẽ cháy, dễ nổ hoặc rò rỉ các hoá chất bất lợi ). nên đặt ở cuối hướng gió và tuân thủ chặt chẽ an toàn vệ sing công nghiệp. + Vùng các công trình phụ: Nơi đặt các nhà và các công trình cung cấp năng lượng bao gồm các công trình cung cấp điện, hơi, nước, xử lý nước thải và các công trình bảo quản kỹ thuật khác. Tuỳ theo mức đô của công nghệ yêu cầu vùng này có diện tích 14 - 28% diện tích nhà máy. + Vùng kho tàng và phục vụ giao thông: Trên đó, bố trí các hệ thống kho tàng, bến bãi, các cầu bốc dỡ hàng hoá, sân ga nhà máy... Tuỳ theo đặc điểm sản xuất và quy mô của nhà máy vùng này thường chiếm từ 23 - 37% diện tích nhà máy. Khi bố trí vùng này người thiết kế cần chú ý một số điểm sau: - Cho phép bố trí các công trình trên vùng đất không ưu tiên và hướng. Nhưng phải phù hợp với các nơi tập kết nguyên liệu và sản phẩm của nhà máy dễ dàng thuận tiện cho việc nhập, xuất hàng của nhà máy. - Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp do đặc điểm và yêu cầu của dây chuyên công nghệ hệ thống kho tàng có thể bố trí gắn liền trực tiếp với bộ phận sản xuất. Vì vậy, người thiết kế có thể bố trí một phần hệ thống kho tàng nằm ngay trong khu vực sản xuất. 2. Các hạng mục công trình: Bảng : Các hạng mục công trình của nhà máy STT Tên các hạng mục công trình Số tầng Diện tích (m2) Dài ´ rộng ( m ´ m) 1 Nhà hành chính 2 324 36 x 9 2 Hội trường 2 324 36 x 9 3 Nhà ăn (Căng tin) 2 324 36 x 9 4 Nhà sản xuất chính 2 864 48 x 18 5 Nhà sản xuất phụ trợ 1 216 24 x 9 6 Khu đất dự trữ 864 48 x 18 7 Nhà chứa nguyên liệu 1 648 36 x 18 8 Trạm cấp nước sạch và xử lý nước sạch 1 648 36 x 18 9 Nhà kho 1 648 36 x 18 10 Nhà chứa sản phẩm 1 648 36 x 18 11 Trạm biến thế + điện 1 108 12 x 9 12 Phòng thí nghiệm 1 216 24 x 9 13 Nhà sửa chữa cơ khí 1 216 24 x 9 14 Nhà vệ sinh và thay quần áo 1 216 24 x 9 15 Nhà để xe đạp + xe máy 1 324 36 x 9 16 Gara Ô tô 1 324 36 x 9 17 Phòng bảo vệ 4 phòng 36 6 x 6 Tổng diện tích : 6156 Tổng số công nhân của nhà máy khoảng 75 người, nhà máy hoạt động liên tục 24/24h, chia làm 3 ca mỗi ca có 25 người làm việc, trong đó phân xưởng sản xuất khoảng 15 người. Nhà máy sản xuất formaldehyde đi từ nguyên liệu metanol và không khí với công suất là 15000 tấn/năm có : + Diện tích tổng mặt bằng nhà máy là 6156 ´ 4 = 24624 (m2). + Diện tích đất chiếm trên mặt bằng của các đường ôngs kỹ thuật, của các khu đất trồng cây xanh và đường đi trong tổng mặt bằng là : 9310 (m2). + Hệ số xây dựng: Kxd = + Hệ số sử dụng: Kxd = KẾT LUẬN Qua gần 4 tháng với sự nỗ lực học hỏi của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và các bạn cùng lớp, em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này với các nội dung sau : - Phần tổng quan đã lựa chọn phương pháp và dây chuyển sản xuất formalin cho năng suất 15.000 tấn/năm, phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta. Vẽ dây chuyền sản xuất và thiết bị phản ứng chính. - Phần tính toán đã tính được cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và tính được các kích thước cơ bản của thiết kế phản ứng. - Phần thiết kế đã chọn được địa điểm xây dựng được dây chuyền sản xuất formalin, vẽ được tổng mặt bằng của nhà máy (bố trí các hạng mục công trình trong nhà máy) và mặt bằng, mặt cắt phân xưởng sản xuất. Mặc dù rất cố gắng nhưng trình độ và thời gian có hạn nên bản đồ án nàhy không thể không có những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp bổ sung của các quý thầy cô và các bạn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn GS - TS Trần Công Khanh cùng các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Đỗ Văn Chín. Tổng hợp chất xúc tác oxit Fe-Mo để oxy hóa metanol thành formaldehit và nghiên cứu biến đổi hoạt tính xúc tác của hệ. Luận án PTS., Hà Nội, 1986 . [2]- Nguyễn Quang Huỳnh, Lê Thanh Cẩm, Đỗ Văn Chín, Hội nghị Hóa học toàn quốc lần thứ nhất "Nghiên cứu xúc tác oxy hóa metanol thành formaldehit", Viện khoa học VN, Hà Nội, 1981. Trang 84. [3]- Vũ Thế Trí. Nghiên cứu công nghệ sản xuất và ứng dụng formalin ở Việt Nam. Luận án PTS. Viện hóa công nghiệp. Hà Nội , 1995 . [4]- Trần Công Khanh. Thiết bị phản ứng trong sản xuất các hợp chất hữu cơ. Trường ĐHBK - Hà Nội, 1986. Trang 48, 49 . [5]- Giáo trình Kỹ thuật tổng hợp hữu cơ. Bộ môn Tổng hợp hữu cơ. Trường ĐHBK Hà Nội, 1976 . [6]- Tạp chí hoá học. Tập 18, số 3, Viện KHKT, 1980 . [7]- Cơ sở Hoá học-Hữu cơ. Tập 2. Nhà xuất bản ĐH&TH chuyên nghiệp, 1980. Trang 131 . [8] Bộ môn Hoá công. Cơ sở quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Tập 1,2. Trường ĐHBK Hà Nội, 1974 . [9]- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Tập 1. Nhà xuất bản KHKT, 1978 . [10]- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Tập 2. Nhà xuất bản KHKT, 1978 . [ 11]- Bộ môn xây dựng công nghiệp. Nguyên lý thiết kế xây dựng nhà máy hoá chất. Trường ĐHBK Hà Nội, 1974. [12]- Bộ môn Hoá lý. Sổ tay tóm tắt các đại lượng hóa lý. Khoa ĐH tại chức. Trường ĐHBK Hà Nội, 1972 . [13]- Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A11, 1988. 619 - 647 . [14]- Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A16, 1988. 465 - 469 .