Thiết kế phân xưởng sản xuất Dicloetan

ng môi trường lỏng nên rất an toàn vì vậy hệ thống thiết bị cũng đơn giản hơn. Để khống chế sự tạo thành sản phẩm phụ ta có thể khống chế nhiệt và điều chỉnh dòng vào của nguyên liệu clo và etylen, tỷ số clo/etylen càng lớn thì sản phẩm phụ tạo ra càng nhiều nên quá trình này thường dùng thiếu clo để điều chỉnh lượng sản phẩm phụ tạo ra ít. Qúa trình clo hoá trực tiếp sự rút nhiệt phản ứng tương đối tốt, tránh được sự nung nóng cục bộ, phản ứng xảy ra nhanh và khống chế nhiệt độ dễ dàng vì vậy quá trình này đạt hiệu quả cao, thu được sản phẩm có độ tinh khiết lớn và độ chuyển hóa của tác nhân phản ứng có thể đạt tới 100% và lúc này sự lựa chọn thể tích khí theo mol lớn hơn 99% và xúc tác của quá trình thường dùng là muối sắt III một loại xúc tác có giá thành không cao và rất dễ tìm nên hiệu suất của sản phẩm cao. Vậy phương pháp clo hóa etylen ở nhiệt độ thấp là phương pháp tối ưu nhất.Vì vậy em chọn phương pháp này để tìm hiểu và tính toán. Phần II: Tính Toán Chương I: tính cân bằng vật chất của quá trình clo hóa trực tiếp etylen Khi sục dòng nguyên liệu etylen và clo vào thiết bị phản ứng chính có chứa xúc tác FeCl3 trong môi trường EDC sinh ra sản phẩm chính là EDC và một số sản phẩm phụ như tricloetan(TCE), diclopropylen (DCP)... theo các phương trình phản ứng sau: CH2=CH2 + Cl2 đ Cl - CH2- CH2- Cl (1) CH2=CH2 + Cl2 đ Cl -CH2-CH -Cl + HCl (2) Cl CH2=CH-CH3+ Cl2 đ Cl-CH2- CH-CH3 (3) Cl I. Xác định thời gian và năng suất làm việc. Dây chuyền em lựa chọn, thiết kế xây dựng là dây chuyền sản xuất EDC bằng phương pháp clo hóa trực tiếp Etylen ở nhiệt độ thấp với năng suất 50.000 tấn/năm. Ta thấy năng suất làm việc rất lớn nên thiết bị phải làm việc liên tục. Song thiết bị cũng phải nghĩ để sữa chữa khi hỏng hóc bất thường hoặc thay thế sửa chữa theo định kỳ. Trong 1 năm có 365 ngày gồm 4 quí: chọn mỗi quí có 3 ngày sửa chữa theo định kỳ và 2 ngày để sửa chữa hỏng hóc bất thường Số ngày không làm việc trong năm là: 4 .(3+2) = 20 (ngày) Mà yêu cầu thiết bị làm việc liên tục (vì năng suất lớn) Nên số giờ làm việc trong năm của thiết bị là: 345.24 = 8280 (giờ) Năng suất làm việc của thiết bị là 50.000 tấn/năm Nên năng suất tính theo giờ là: = 6,03864(tấn/h)=6038,64(kg/h) Mà theo bài ra lượng tổn thất của cả quá trình là 3%: Ta thấy công đoạn làm sạch là công đoạn tiêu hao nhiều nhất nên Chọn lượng tổn hao ở công đoạn này là 2% Lượng tổn hao ở thiết bị ổn định là 0,5% Lượng tổn hao ở thiết bị tách khí/lỏng là 0,5% Vậylượng EDC trước khi vào hệ thống làm sạch = lượng EDC phản ứng sinh sản phẩm + 2 % EDC tổn hao = 6038,647 . 1,02 = 6159,42 (kg/h) Lượng EDC trước khi vào thiết bị ổn định là: 6159,42 . 1,005 = 6190,217 (kg/h) Lượng EDC trước khi vào thiết bị tách khí/lỏng là: 6190,217. 1,005 = 6221,168 (kg/h) Mà lượng EDC trước khi vào thiết bị tách khí/lỏng = EDC tạo ra ở thiết bị phản ứng chính Vậy lượng EDC tạo ra ở thiết bị phản ứng chính là: 6221,168 (kg/h) Theo bài ra ta có lượng tricloetan tạo thành trong quá trình này chiếm 4,6% nên lượng EDC sinh ra là: 6221,168.1,046 = 6507,34(kg/h) Nên lượng tricloetan tạo thành là: II. Tính cân bằng vật chất 1. Tính lượng vật chất vào và ra thiết bị clo hóa. a. Tính lượng etylen vào thiết bị phản ứng chính + Theo phản ứng (1) ta có: Cl2 + CH2= CH2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) MClo= 71 Metylen=28 Cứ 28 kg C2H4 thì tạo thành 99 kg EDC X1 kg C2H4 thì tạo thành 6221,168 kg EDC Lượng etylen tham gia phản ứng tạo thành EDC là: +Theo phản ứng (2 ) ta có: CH2 = CH2 + 2Cl2 đ Cl-CH2-CH-Cl + HCl (2) Cl Cứ 28kg C2H4 thì tạo thành 133,5 kg TCE Nên X2kg C2H4 thì tạo thành 299,337 kg TCE Lượng etylen tham gia phản ứng tạo TCE là: Tổng lượng Etylen cần để sinh ra EDC và TCE là: X= X1+ X2 = 1759,52 + 62,782 = 1822,3 (kg/h) Chọn hiệu suất quá trình là h= 95% Ta có lượng sản phẩm sinh ra thì TCE chiếm 4,6% nên độ chọn lọc của quá trình là: s = 100- 4,6 = 95,4 % Vậy độ chuyển hóa của quá trình là: c = h/s= 95/95,4=0,9958 Mà theo bài ra lượng etylen lấy dư 10% nên lượng etylen tổng cộng là: 1822,3 . 1,1 = 2004,53 (kg/h) Nhưng độ chuyển hóa của quá trình là c=0,9958 nên Lượng etylen thực tế là: Nhưng theo bài ra ta có trong etylen kỷ thuật chỉ có 92% etylen, nên lượng etylen kỹ thuật cần đưa vào là: Lượng etan chiếm 5% nên lượng etan có trong etylen kỹ thuật là: 2188,02 . 0,05 =109,4 (kg/h) Lượng propylen chiếm 3% nên lượng propylen có trong etylen kỹ thuật là: 2188,02. 0,03 = 65,64 (kg/h) Mà ta có hiệu suất của quá trình là h= 95% nên lượng propylen tham gia phản ứng là: 65,64 .0,95 = 62,358 (kg/h) Nên lượng propylen dư là: 65,64 - 62,358 = 3,282 (kg/h) b. Tính lượng clo vào thiết bị clo hóa +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl Cứ 28 kg etylen cần 71 kg clo phản ứng Nên cứ X1=1759,52 kg C2H4 cần Y1 kg Clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo EDC là: Y1= +Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl Cl Cứ 28 kg C2H4 cần 142 kg clo phản ứng Nên cứ X2=62,782 kg C2H4 cần Y2 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo TCE là: Y2= + Theo phản ứng (3) ta có : CH2=CH- CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 cần 71 kg clo Nên 62,385 kg C3H6 cần Y3 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo DCP là: Y3= Vậy tổng lượng clo đưa vào quá trình là: Y=Y1+Y2+Y3=4461,64 + 318,39 + 105,41 = 4885,44 (kg/h) Mà ta có trong clo kỹ thuật lượng clo chỉ chiếm 85% nên lượng clo cần đưa vào là: Lượng nitơ có trong clo kỹ thuật là: 0,104 . 5747,57 = 597,75 (kg/h) Lượng oxi có trong clo kỹ thuật là: 0,03 . 5747,57 = 173,03 (kg/h) Lượng cacbonnic có trong clo kỹ thuật là: 0,016 . 5747,57 =91,96 (kg/h) c. Lượng chất ra khỏi thiết bị Ta có: Lượng etylen đưa vào là: 2012,98 kg/h Lượng etylen tham gia phản ứng (1) và (2) là: 1822,302 (kg/h) Nên lượng etylen dư: 2012,98 - 1822,302 = 190,68(kg/h) Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 + 2Cl2 đ Cl-CH2-CH-Cl + HCl Cl Cứ 28kg C2H4 tạo thành 36,5 kg HCl Nên 62,783 kg C2H4 tạo thành A kg HCl Vậy lượng HCl tạo thành là: A = Theo phản ứng (3) ta có CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2- CH-CH3 Cl Cứ 42 kg C3H6 phản ứng tạo thành 113 kg DCP 62,358 kg C3H6 phản ứng tạo thành B kg DCP Nên lượng diclopropylen tạo thành là: B = Lượng C3H6 đưa vào là 65,64 (kg/h) Còn lượng C3H6 phản ứng là 62,358 (kg/h) Nên lượng C3H6 dư là: 65,64 -62,358 = 3,282 (kg/h) Từ các số liệu này ta lập dược bảng sau: Bảng2 : Cân bằng vật chất của thiết bị phản ứng chính (kg/h) Thành phần Lượng vào(kg/h) Lượng ra (kg/h) C2H4 2012,98 190,68 C2H6 65,64 3,282 C3H6 109,4 109,4 Cl2 4885,44 - N2 597,75 597,75 O2 172,43 172,43 CO2 91,96 91,96 EDC - 6221,168 TCE - 299,337 DCP - 167,77 HCl - 81,84 Tổng 7935,6 7935,6 2.Tính lượng chất vào và ra thiết bị tách khí/lỏng. Vì ở thiết bị phản ứng chính không có tổn hao nên lượng ra ở thiết bị phản ứng chính là lượng vào thiết bị tách khí/lỏng. Để tính lượng ra của thiết bị tách khí/lỏng ta biết: Các khí CO2,N2,O2 vào thiết bị bao nhiêu thì ra một lượng bấy nhiêu. Nhưng lượng EDC vào thiết bị tách khí lỏng thì không thể tách hoàn toàn được mà còn một phần EDC chưa ngưng tụ kịp sẽ tách ra ở thể khí tuần hoàn xuống thiết bị phản ứng chính làm môi trường cho quá trình. Giả sử lượng EDC hao hụt do chưa ngưng tụ là 0,5% Ta có lượng EDC tổn hao là: 0,005 . 6221,168 = 31,105 (kg/h) Vậy lượng EDC ra khỏi thiết bị tách khí/lỏng là: 6221,168 - 31,105 = 6190,063 (kg/h) + Mà theo bài ra: Trong EDC hòa tan 50% khí HCl tạo thành trong phản ứng nên lượng EDC tạo thành ở thiết bị phản ứng chính có 50% bị kéo theo cùng với dòng EDC còn 50% lượng EDC còn lại tách ở thể khí. Ta có tổng lượng HCl sinh ra ở thiết bị phản ứng chính là: 81,84 (kg/h) Vậy lượng HCl tách khỏi thiết bị tách khí/lỏng là: 81,84 : 2 = 40.92 (kg/h) Qua quá trình tính toán trên ta lập được bảng cân bằng vật chất của thiết bị tách khí/lỏng như sau: Bảng3: Cân bằng vật chất của thiết bị tách khí/lỏng Thành phần Lượngvào Lượng ra Tổn hao C2H4 190,68 190,68 - C2H6 109,4 109,4 - C3H6 3,282 3,282 - Cl2 - - - N2 597,75 597,75 - O2 172,43 172,43 - CO2 91,96 91,96 - EDC 6221,168 6190,073 31,105 TCE 299,337 299,337 - DCP 167,77 167,77 - HCl 81,84 40,92 40,92 Tổng 7935,61 7863,6 72,205 3. Tính lượng chất vào và ra ở thiết bị phản ứng thứ cấp a.Lượng vào thiết bị thứ cấp * Lượng etylen vào thiết bị thứ cấp: Lượng vào ở thiết bị thứ cấp là phần khí tách ra ở thiết bị tách khí/lỏng gồm: C2H4, C3H6, C2H6, HCl, CO2, N2, O2 + lượng clo bổ sung vào và một lượng nhỏ xúc tác Để tránh quá trình sinh sản phẩm phụ do xảy ra phản ứng oxi hóa sâu người ta dùng dư etylen ở thiết bị phản ứng chính và bổ sung clo vào thiết bị phản ứng thứ cấp để phản ứng hết etylen làm tăng hiệu suất quá trình. Để phản ứng clo hóa triệt để người ta điều chỉnh tỷ lệ clo/etylen phù hợp tỷ lệ ở thiết bị này thường lấy tỷ lệ clo/etylen=1/1,01.Với tỷ lệ này clo phản ứng với etylen theo phản ứng sau. Cl2 + C2H4 đ Cl-CH2-CH2-Cl Vì tỷ lệ clo/etylen=1/1,01 nên lượng etylen tham gia phản ứng là: ) Do độ chuyển hóa đạt 99,58% nên lượng etylen thực tế là: 188,79 . 0,9958= 187.98 (kg/h) Nên lượng etylen dư là: 190,68 - 187,98= 2,7 (kg/h) Theo tính toán ở thiết bị phản ứng chính ta có: Tổng lượng C2H4 tham gia phản ứng tạo EDC, TCE, là: X= X1+X2=1822,3(kg/h) Trong đó lượng C2H4 tham gia phản ứng (1) là: 1759,52 (kg/h) Chiếm mà tổng lượng C2H4 dư vào thiết bị thứ cấp là 187,98 (kg/h) nên lượng etylen tham gia phản ứng thứ cấp là: 187,98 .0,9655 = 181,49 (kg/h) Nên lượng etylen tham gia phản ứng tạo TCE là: 187,98 - 181,49 = 6,49 (kg/h) Ta có lượng DCP vào thiết bị thứ cấp là: 3,282 (kg/h) Vì độ chuyển hóa đạt 99,58% nên lượng propylen tham gia phản ứng là: 0,9958 . 3,282 = 3,268 (kg/h) Lượng propylen dư là: 3,282 - 3,268 = 0,014 *Lượng clo vào thiết bị thứ cấp: +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) Cứ 28 kg etylen cần 71 kg clo phản ứng Nên cứ 181,49 kg C2H4 cần X1 kg Clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo EDC là: X1 +Theo phản ứng (2) ta có CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl (2) Cl Cứ 28 kg C2H4 cần 142 kg clo phản ứng Nên cứ 6,49 kg C2H4 cần X2 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo TCE là: X2 + Theo phản ứng (3) ta có: CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 cần 71 kg clo Nên 3,268 kg C3H6 cần X3 kg clo Lượng clo cần để tham gia phản ứng tạo DCP là: X3 Vậy tổng lượng clo tham gia phản ứng là: X=X1+X2+X3= 460,206 + 32,91 + 5,524 = 498,64 (kg/h) b. Lượng ra ở thiết bị thứ cấp: +Theo phản ứng (1) ta có: CH2= CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl (1) Cứ 28 kg etylen phản ứng tạo ra 99 kg EDC Nên cứ 181,49 kg C2H4 phản ứng tạo ra A kg EDC Lượng EDC sinh ra là: A Tổng lượng EDC = lượng EDC chưa ngưng tụ + EDC mới sinh ra = 31,105 + 641,696 = 672,8 (kg/h) Theo đầu bài giả sử sự mất mát ở thiết bị này là 0,5% Nên lượng EDC tổn hao ở thiết bị này là: 672,8 . 0,005 = 3,364 (kg/h) Vậy lượng EDC ra khỏi thiết bị thứ cấp là: 672,8- 3,364 = 669,43 (kg/h) +Theo phản ứng (2) ta có: CH2=CH2 +Cl2 đ Cl-CH2- CH- Cl + HCl (2) Cl Cứ 28 kg C2H4 tạo thành 133,5 kg TCE Vậy cứ 6,49kg C2H4 tạo thành B kg TCE Lượng TCE tạo thành là: Dựa vào phản ứng (2) ta cũng tính được lượng HCl sinh ra: Ta có: Cứ 28 kg C2H4 phản ứng thì tạo thành 36,5 kg HCl 6,49 kg C2H4 phản ứng thì tạo thành C kg HCl Lượng HCl sinh ra là: Mà ta có: Tổng HCl ra khỏi thiết bị = khối lượng HCl tạo thành + mHCl đưa vào: = 8,46 + 40,92 = 49,38 (kg/h) + Theo phản ứng (3) ta có : CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 (3) Cl Cứ 42 kg C3H6 tham gia phản ứng tạo thành 113 kg DCP Nên 3,268 kg C3H6 tham gia phản ứng tạo thành D kg DCP Nên lượng DCP tạo ra là: . Từ các số liệu tính toán ta có bảng sau : Bảng 4: Cân bằng vật chất ở thiết bị thứ cấp (kg/h) Thành phần Lượngvào (kg/h) Lượng ra (kg/h) Tổn hao C2H4 190,68 190,68 - C2H6 109,4 109,4 - C3H6 3,282 0,014 - Cl2 498,64 - - N2 597,75 597,75 - O2 172,43 172,43 - CO2 91,96 91,96 - EDC 31,105 669,43 3,364 TCE - 30,94 - DCP - 8,7924 - HCl 40,92 49,38 - Tổng 1736,167 1732,806 3,364 4. Tính lượng chất vào và ra ở thiết bị ổn định. Lượng chất vào thiết bị ổn định bằng lượng phần lỏng ra ở thiết bị tách khí lỏng gồm: EDC, TCE, DCP, HCl = 7261,585 (kg/h) Theo bài ra ta giả sử tổn hao EDC trong thiết bị này là 0,5% Mà lượng EDC vào là 6190,73(kg/h) Nên lượng tổn hao EDC ở thiết bị này là: 0,005 . 6190,073 = 30,9 (kg/h) Vậy tổng lượng EDC ra khỏi thiết bị ổn định là: 6190,073 - 30,9 = 6159,17 (kg/h) Mà tổng lượng HCl đưa vào là: 40,92 (kg/h) Theo giả thiết 50% HCl ở thể khí nên lượng HCl ở thể lỏng là : 40,92 . 0,5 = 20,46 (kg/h) Bảng5. Cân bằng vật chất ở thiết bị ổn định (kcal/h). Thành phần Lượng vào Lượng ra Tổn hao EDC 6190,073 6159,12 30,95 TCE 299,337 299,337 - DCP 167,77 167,77 - HCl 40,92 20,46 20,46 Tổng 6698,1 6646,678 51,41 5. Tính lượng chất vào và ra sở dây chuyền làm sạch. Các chất vào dây chuyền làm sạch chính là sản phẩm lỏng ra từ thiết bị ổn định gồm có: EDC, DCP, TCE, HCl lỏng,NH3 trung hòa và nước rửa. Cho nước rửa vào thiết bị theo tỷ lệ hỗn hợp/nước = 2/1, vậy nước rửa đưa vào thiết bị rửa là: Lượng Amoni trung hòa được tính theo phương trình sau: NH3 + HCl đ NH4Cl Cứ 36,5 kg HCl tác dụng hết 17 kg NH3 20,46 kg HCl tác dụng hết X kg NH3 Lượng NH3 tham gia phản ứng là: X= Nhưng để làm sạch hết lượng HCl lẫn trong EDC ta cần lấy một lượng dư Amoni (khoảng 1%). Vậy lượng Amoni cần mang vào là: 9,529 .1.01 = 9,615 (kg/h) Lượng Amoni dư là: 9,615 - 9,529 = 0,0952 (kg/h) Lượng NH4Cl tạo thành là: Cứ 36,5 kg HCl phản ứng cho ra 53,5 kg NH4Cl 20,46 kg HCl phản ứng cho ra Y kg NH4Cl Vậy lượng NH4Cl tạo thành là: Y = Mất mát ttrong quá trình làm sạch là 2% nên lượng EDC mất mát là: 6159,12. 0,02 = 123,18 (kg/h) Lượng EDC còn lại : 6159,12 - 123,18 = 6035,94 (kg/h) Còn lượng TCE, DCP mất mát trong quá trình là 1% TCE mất mát là : 299.337 . 0.01 = 2,99 (kg/h) TCE còn lại là : 299,337 - 2,99 = 296,34 (kg/h) DCP mất mát là: 167,77.0,01 = 1,677 (kg/h) DCP còn lại là : 167,77- 1,677= 166,093 (kg/h) Từ các số liệu ta lập được bảng cân bằng vật chất của quá trình rửa như sau Bảng 6: Cân bằng vật chất trong thiết bị làm sạch. Thành phần Lượng vào(kg/h) Lượng ra (kg/h) Tổn hao(kg/h) EDC 6159,12 6035,94 123,18 TCE 299,337 296,34 2,99 DCP 167,77 166,093 1,677 HCl 20,46 - - NH3 9,615 0,095 NH4Cl - 29,989 - H2O 3323,34 3323,34 - Tổng 9979,642 9851,7 127,94 Chương II: Tính toán cân bằng nhiệt lượng I. Tính cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị clo hóa. Theo sổ tay quá trình thiết bị [IX-149/ 10-196 ] ta có phương trình cân bằng nhiệt ở thiết bị phản ứng chính: QNL + Qpư = Qrasp + Qmm + Qtn Trong đó: QNL: Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào, kcal/h Qpư:: Nhiệt lượng do phản ứng clo hóa sinh ra, kcal/h Qrasp : Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, kcal/h Qmm: Nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh, kcal/h Qtn : Nhiệt lượng do chất tải nhiệt lấy đi hay mang vào qt, kcal/h 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào a. Nhiệt do etylen kỹ thuật mang vào. Ta có etylen kỹ thuật mang vào gồm có: C2H4, C2H6, C3H6 nên nhiệt lượng do etylen kỹ thuật mang vào là: Q1= QC2H4 + QC2H6 + QC3H6, kcal/h Trong đó: Qi được xác định theo công thức [IX.15/10-196] Qi = Fi.Ci.t Với: Fi: Lượng chất vào của chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng của chất thứ i, kcal/h t: Nhiệt độ đầu của chất,°C Trong quá trình này lấy t = 25˚ C Fi tính ở phần cân bằng vật chất (bảng 1) Ci tra ở sổ tay thiết bị công nghệ hóa chất [I-177/ 9-180] Tính toán ta lập được bảng số liệu sau : Bảng 7: Nhiệt lượng do etylen kỹ thuật mang vào (kcal/h). C2H4 C2H6 C3H6 F 2012,98 109,4 65,64 C 0,4 0,45 0,38 Q 20129,8 1230,75 623,58 Vậy tổng nhiệt lượng etylen kỹ thuật mang vào là: Q1= 20129,8 + 1230,75 + 623,58 = 21984,13 (kcal/h) b.Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào. Clo kỹ thuật mang vào gồm có Cl2, CO2, O2, N2, nên ta có nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào là: Q2 = QCl2 + QCO2 +QO2+ QN2 Mà Qi = Fi.Ci.t (1) Với: Fi: Lượng chất vào của chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng của chất thứ i, kcal/h t: Nhiệt độ đầu của chất,°C Trong quá trình này lấy t = 25 °C Ci tra ở bảng [I-177/9-193] và ta có: CCl2=0,115 ; CN2=0,25 ; CO2=0,24 ; CCO2=0,21 Thay lần lượt m các giá trị C,F,t vào công thức (1) ta có Nên ta có bảng số liệu sau : Bảng 8: Nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào.(kcal/h) Cl2 N2 O2 CO2 F 4885,44 597,75 172,43 91,96 C 0,115 0,25 0,24 0,21 Q 14045,64 3735,93 1034,58 482,79 Vậy tổng nhiệt lượng do clo kỹ thuật mang vào là : Q2=14045,64+ 3735,93+1034,58+482,79 = 19298,94 (kcal/h) Do đó tổng lượng nhiệt do nguyên liệu mang vào: Qvao=Q1+Q2= 21984,13 + 19298,94 = 41283,07 (kcal/h) Vậy Q vào=41283,07 (kcal/h) 2.Nhiệt lượng do phản ứng tạo ra: a.Nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành CH2=CH2 + Cl2 đ Cl-CH2-CH2-Cl + DH1 (1) Quá trình clo hóa etylen xãy ra ở nhiệt độ 50-60 °C nên ta chọn nhiệt độ của phản ứng là 55°C, nhiệt lượng do phản ứng (1) tạo thành được xác định theo công thức: Q1= x. DH1 Trong đó: DH1: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng, kcal/mol. x: Số mol etylen tham gia phản ứng (1). Mà ta có lượng etylen tham gia phản ứng (1) là 1759,52 kg/h nên. Số mol etylen tham gia phản ứng (1) là: DH1: có thể xác định từ công thức [II.63/10-41] Ta có: DH1= DH0 + Với Cp là nhiệt dung của EDC, tra ở bảng [I.176 - 9/230] Cp= 0,391 kcal/kgđộ = 0,00391 kcal/mol.độ DH0: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở 298°K mà theo [13-157] ta có DH0=37,64 kcal/mol Do đó: DH1 = - 37,64 + 0,00391(243-298) = 37,855(kcal/h) Vậy nhiệt lượng do phản ứng 1 tạo thành là: Q1 = 37,855.62840 = 2378808,2(kg/h) c.Nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành là: CH2 =CH2 +Cl2 đ Cl-CH2-CH- Cl + HCl + DH2 (2) Cl DH2: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2) Ta có: Q2 = x. DH2 DH2= Trong đó: ni, nj: Số liên kết của chất tham gia tạo thành. Ei,Ej: Năng lượng của chất tham gia, tạo thành,Kcal/mol, Theo bảng [II.1/13-55] ta có các số liệu sau: E[C=C] =101,2 kcal/mol E[C-C] =62,8 kcal/mol E[C-H] =85,6 kcal/mol E[Cl-Cl] =57,8 kcal/mol E[C-Cl] =70 kcal/mol E[H-Cl] =102,1 kcal/mol Nên: DH2 = E[C=C] + 4E[C-H] + 2E[Cl-Cl] -E[C-C] -3E[C-Cl] + E[H-Cl] - 3E[C-H] DH2 = 101,2 + 4.85,6 + 2.57,8 - 3.70 - 2.85,6 - 101,2 - 62,8 DH2 = -71,2 (kcal/mol) Mà số mol etylen tham gia phản ứng (2) Vậy nhiệt lượng do phản ứng (2) tạo thành là: Q2= x. DH2= 71,2 . 2242= 159630,4 (kcal/h) d.Nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo thành là: CH2=CH-CH3 + Cl2 đ Cl-CH2-CH-CH3 + DH3 (3) Cl Ta có: Q3= x. DH3 Với: x số mol C3H6 tham gia phản ứng. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (3) DH3= E[C=C] + 6E[C-H]+ E[C-C]+ E[Cl-Cl] - 6E[C-H]- 2E[C-Cl] - 2E[C-C] DH3=101,2 + 6.85,6 +57,8 + 62,8 - 6.85,6 -2.70 2.62,8 DH3= - 43,8(kcal/h) Vậy nhiệt lượng do phản ứng (3) tạo ra là: Q3= 43,8.1484= 64999,2 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng tạo thành ở 3 phản ứng là: QII = Q1+ Q2+ Q3 = 2378808,2 + 159630,4 + 64999,2 = 2603437,8(kcal/h) Qvào = QNL+Qpư = 41283,07 + 2603437,8 = 2644720,87 (kcal/h) Vậy tổng nhiệt lượng vào: Qvào = 2644720,87 (kcal/h) 3. Tính nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị clo hoá. Sản phẩm clo hoá ra ở thể hơi nên nhiệt lượng của sản phẩm mang ra gồm: Qra= QEDC + QTCE + QDCP + QCO2 +QN2+QHCl+QO2+QC2H4dư +QC2H6 Theo tính toán ở trên ta có QN2 = 3735,93(kcal/h) QCO2 = 482,79(kcal/h) QO2 =1034,58(kcal/h) QC2H6 = 1230,75(kcal/h) Ta cần phải tính: QEDC, QDCP, QTCE, QHCl , QC2H4dư Ta có: Qi = Fi.Ci.t Fi: Lượng ra chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng chất thứ i, Kcal/h t: Nhiệt độ của chất, trong quá trình này lấy t=55 °C * Tính nhiệt dung riêng Ci của hợp chất hoá học: Theo [I-141/9-230] ta có: MC=n1c1+n2c2+n3c3… (1) Trong đó: M: Khối lượng mol của hợp chất C: Nhiệt dung riêng của hợp chất n1, n2, n3: Số nguyên tố của nguyên tử trong hợp chất c1, c2, c3..: Nhiệt dung riêng của các nguyên tố trong hợp chất Tra bảng [I-141/9-180 ] ta có: Đơn vị C H Cl J/kg nguyên tử độ 11700 18000 33500 Kcal/kg nguyên tử độ 2,794 4,3 8 (ta có 1 Kcal/kg độ= 4,1868.103 J/kg độ) Thay vào (1) ta có: Tính tương tự ta có: CTCE= 0,42 CDCP=0,38 CHCl=0,19 Ta có bảng số liệu sau: Bảng 9: Nhiệt lượng do các sản phẩm mang ra ở thể hơi: ( Kcal/h) EDC TCE DCP HCl C2H4 C2H6 CO2 O2 N2 G 6221,168 299,337 167,77 81,84 190,68 109,4 91,96 172,3 597,75 C 0,39 0,42 0,38 0,19 0,4 0,45 0.21 0,24 0,25 Q 133444,05 6914,68 3506,393 855,228 4194,96 1230,75 482,79 1034,58 3735,93 Vậy tổng nhiệt lượng do các sản phẩm mang ra là: Qra= QEDC+QTCE+QDCP+QCO2+QO2+QN2+QHCl+QC2H4dư+QC2H6 Qra = 133444,05 + 5235,404 +4060,034 + 855,228 + 4194,96 + 1230,75 + 482,79 + 1034,58 + 3735,93 = 154273,726 (kcal/h) 4. Nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh. Ta thấy phản ứng clo hoá etylen toả nhiệt mạnh nên ta chọn nhiệt mất mát là 5% nhiệt lượng đưa vào. Tổng lượng nhiệt mất mát của quá trình này: Qmm = 0,05.Qvào = 0,05.2644720,87 = 132236,043 (kcal / h) 5. Tính nhiệt lượng chất tải nhiệt. Ta có Qnl + Qfư = Qra + Qmm + Qtn Mà Qnl = 41283,07; Qfư = 2603437,8; Qra = 154273,726; Qmm = 132236,043 (kcal/h) Suy ra Qtn = 41283,07 + 2603437,8 -154273,726 -132236,043 = 2358211,101 (kcal/h) Tính toán ta có bảng sau: Bảng 10: Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị clo hoá (kcal/h). Thành phần Nhiệt lượng vào Thành phần Nhiệt lượng ra Etylen 21984,13 Sản phẩm 154273,726 Clo 19298,84 Nhiệt mất mát 132236,043 Phản ứng 1 2378808,2 Tải nhiệt 2358211,101 Phản ứng 2 159630,4 - - Phản ứng 3 64999,2 - - Tổng 2644720,87 Tổng 2644720,87 II. Cân bằng nhiệt lượng ở thết bị tách khí lỏng. 1. Lượng nhiệt vào thiết bị Lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng tách khí lỏng bằng lượng nhiệt ra ở thiết bị phản ứng chính . Qvào = Qra1 = 154273,726 (kcal/h). 2. Lượng nhiệt ra Lượng nhiệt ra Qra = Qspl + Qspk. a. Nhiệt lượng do sản phẩm khí mang ra. Qspk = QC2H4 + QC2H6 + QC3H6 + QCO2 + QO2 + QHCl + QN2 + QEDC Quá trình này chọn T = 45˚C Nhiệt lượng riêng của các hợp chất tra [I-177/9 - trang 230] Tính toán ta có bảng số liệu sau: Bảng 11: Nhiệt lượng do sản phẩm khí mang ra (kcal/h). EDC HCl CO2 N2 O2 C2H4 C2H6 C3H8 F 31,105 40,92 91,96 597,75 172,43 190,68 109,4 3,282 C 0,39 0,19 0,21 0,25 0,24 0,4 0,5 0,38 Q 121,30 77,74 193,11 1494,3 413,83 762,72 547 12,47 Tổng nhiệt lượng sản phẩm khí mang ra: Qspk = 3622,596(kcal/h) b.Nhiệt lượng do sản phẩm lỏng mang ra. Ql = QEDC + Q TCE + QDCP + QHCl. Ta có Qi = Fi.Ci.t. Với Fi: Lượng vào chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng chất thứ i, Kcal/h t : Nhiệt độ của chất, trong quá trình này lấy t=45˚C để ngưng tụ hết sản phẩm Tính toán ta được bảng sau: Bảng12: Nhiệt lượng do sản phẩm lỏng mang ra EDC HCl TCE DCP F 6190,073 40,92 299,337 167,77 C 0,39 0,19 0,318 0,44 Q 108635,78 349,86 4283,512 3321,846 Tổng nhiệt lượng do sản phẩm lỏng mang ra: Ql = 116241,138(kcal/h) Vậy Qra= Ql + Qk = 116241,138 + 3622,569 = 119863,707 (kcal/h) 3. Lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh. Chọn lượng nhiệt mất mát ra môI trường xung quanh là 5% nhiệt lượng vào . Ta có Qmm = 0,05. Qvào = 0,05 . 154273,726 = 7713,686 (kcal/h.) 4. Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra. Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có. Qvào = Qra + Qmm + Qtn. Suy ra Qtn = Qvào - Qra- Qmm = 154273,726 -119863,707 -7713,686 = Qtn =26696,333(kcal/h). Bảng13: Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị tách khí/lỏng(kcal/h). Lượng nhiệt vào(kcal/h) Lượng nhiệt ra(kg/h) Thành phần Lượng nhiệt Thành phần Lượng nhiệt Sản phẩm 11983,707 Mất mát 7713,686 Tải nhiệt 26696,333 Tổng 154273,726 Tổng 154273,726 III. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị ổn định. 1. Lượng nhiệt vào: Lượng nhiệt vào thiết bị ổn định = Lượng nhiệt ra ở thể lỏng của thiết bị tách khí lỏng Qvào= Qraspl = 116241,138 (kcal/h) 2. Lượng nhiệt ra Qra= Qkhí + Qlỏng Qlỏng = QEDC + QTCE + QDCP + QHCl lỏng Qspk = QEDCkhí + QHClkhí Ta có Q= Fi.Cit. Với Fi: Lượng vào chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng chất thứ i, Kcal/h t: Nhiệt độ của chất, trong quá trình này lấy t=60˚C Bảng14: nhiệt lượng ra ở thiết bị ổn định (kcal/h). EDClỏng TCE DCP HCl EDCkhí HClkhí F 6159,12 299,337 167,77 20,46 30,45 20,46 C 0,39 0,318 0,44 0,19 0,39 0,19 Q 144123,408 5711,349 4429,128 233,244 712,53 233,244 Tổng lượng sản phẩm lỏng mang vào: Qlỏng = QEDC+ QTCE+ QDCP + QHCl = = 144123,408 + 5711,349 + 4429,128 + 233,244 = 154497,129(kcal/h) Tổng lượng sản phẩm khí mang vào: Qkhí= QEDCkhí+QHClkhi= 712,53 + 233,244=945,774 ( kcal/h) Vậy Qrasp = Qlỏng+ Qkhí=154497,129 + 945,774 = 155442,903 (kcal/h) 3. Nhiệt lượng mất mát thải ra môi trường xung quanh. Chọn lượng nhiệt mất mát thải ra môi trường xung quanh là 5% so với lượng nhiệt mang vào. Qmm= 0,05.116241,138 = 5812,056 (kcal/h) 4. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Ta có: Qvào+Qhđ= Qra+Qmm Nên Qhđ=Qra+Qmm-Qvào QHđ= 155442,903 +5812,056 - 116241,138 = 45013,82(kcal/h) QHđ=45013,82 (kcal/h) Bảng15: Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị ổn định (kcal/h). Nhiệt lượng vào (kcal/h) Nhiệt lượng ra (kcal/h) Hơi đốt 45013,82 SP= khí + lỏng 155442,903 Sản phẩm 116241,138 Mất mát 5812,056 Tổng 161254,959 Tổng 161254,959 IV. Tính cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị làm sạch. Lượng nhiệt vào thiết bị làm sạch bằng lượng nhiệt ra ở thể lỏng ở thiết bị ổn định do H2O, NH3 mang vào, do đó: Qvào =Qlỏng +QH2O+QNH3 Mà Qlỏng=154492,129 (kcal/h) QH2O= FH2O.CH2O.t QNH3=FNH3.CNH3.t CH2O, CNH3 tra [I. 177/9-230] Ta có: Với tNH3=20˚ C, tH2O=25 ˚C H2O NH3 F 3323,34 9,615 C 0,99 0,11 Q 82252,665 21,152 Vậy tổng nhiệt lượng vào: Qvào=154492,129 + 82252,665 + 21,135 = 236765,947 (kcal/h) Nhiệt lượng mang ra: Qra= QEDClỏng + QEDCkhí + QDCP + QTCE +QNH4Cl+QH2O Ta có Qi = Fi.Ci.t. Với Fi: Lượng vào chất thứ i, kg/h Ci: Nhiệt dung riêng chất thứ i, kcal/h t: Nhiệt độ của sản phẩm t=50˚ C Bảng16: Nhiệt lượng ra ở hệ thống làm sạch (kcal/h). EDClỏng EDCkhí DCP TCE NH4Cl H2O F 6159,12 123,18 167,77 299,337 29, 989 3323,34 C 0,39 0,39 0,44 0,318 0,07 0,99 Q 120102,84 2402,01 3690,94 4759,458 104,96 164505,33 Tổng lượng nhiệt ra khỏi dây chuyền làm sạch: Qra = 295565,53 (kcal/h) Chọn nhiệt lượng mất mát ở dây chuyền này là 5% so với nhiệt lượng mang vào: Ta có: Qmm = 0,05. Qvào = 0,05. 236765,947 = 11838,297 (kcal/h) Như vậy nhiệt lượng cần mang vào dây chuyền làm sạch là: Qvào + QHđ = Qra+ Qmm Suy ra: QHđ= Qra+ Qmm- Qvào = 295565,53 + 11838,297- 236765,947= 70637,88 (kcal/h) Bảng17: Cân bằng nhiệt lượng hệ thống làm sạch (kcal/h). Nhiệt lượng vào(kcal/h) Nhiệt lượng ra(kcal/h) Nguyên liệu 236765,947 Sản phẩm 295565,53 Hơi đốt 70637,88 Mất mát 11838,297 Tổng 307403,857 Tổng 307403,827 Chương III: Tính toán thiết bị chính. I.Tính thể tích của thiết bị chính. Qúa trình clo hoá trực tiếp etylen để sản xuất EDC xảy ra ở nhiệt độ t=50 - 60˚C và P =3 - 5 at. Nên ta chọn qúa trình làm việc của thiết bị phản ứng chính là t = 55˚C và áp suất P = 4at. Ta biết hỗn hợp khí vào thiết bị phản ứng chính gồm có: C2H4; C3H8; C2H6; Cl2; CO2; O2 ;N2 Gọi Vvào là thể tích hỗn hợp các cấu tử đi vào thiết bị: Ta có: Thể tích của các chất được xác định như sau: Trong đó: V: thể tích của các chất, m3/h m: khối lượngcủa chất, kg/h. r: khối lượng riêng của chất, kg/m3 được xác định theo công thức [ I.3/ 6-9]. Với Mi: khối lượng phân tử chất (bảng 1) P: áp suất làm việc P= 4at P0: áp suất tiêu chuẩnP0=1at Do tiến hành ở áp suất làm việc P= 4 at và áp suất tiêu chuẩn, nhiệt độ T= T0 + t với t là nhiệt độ phản ứng chính t= 55˚C nên T= 328˚C thay lần lượt các giá trị Mi, P, T vào biểu thức (1) ta có: nên Tính tương tự ta có bảng sau: Bảng 18: Thể tích của các chất trong thiết bị chính (m3/h). Tên cấu tử M m,kg/h , kg/m3 V,m3/h C2H4 28 2012.98 4,16 483,889 C2H6 30 109,4 4,458 24,54 C3H6 42 65,64 8,24 10,52 Cl2 71 4885,44 10,55 463,07 N2 28 597,75 4,16 143,69 O2 32 172,43 4,75 36,3 CO2 44 91,96 6,54 14,06 Tổng 1176,069 Vậy tổng thể tích vào thiết bị là: V=1176,069 (m3/h) Chọn thời gian lưu trong thiết bị là 18,6 (s)= Nên thể tích cần các chất phản ứng trong phản ứng (1) là: 1176,069 . 0,00516 = 6,077(m3) Trong thiết bị chính nếu sục trực tiếp dòng clo và etylen vào thiết bị chính sẽ dễ tạo thành hỗn hợp nổ nên người ta thường cho một lượng EDC vào làm môi trường để tránh hiện tượng đun nóng cục bộ và nhiệt phản ứng được rút triệt để hơn vì vậy phản ứng xảy ra an toàn hơn. Lượng EDC đưa vào làm môi trường thường lấy bằng 50% so với dòng nguyên liệu vào. Vậy lượng EDC cần đưa vào thiết bị phản ứng chính là: 6,077: 2 = 3,039 (m3) Vậy tổng thể tích các chất cần đưa vào thiết bị chính là: V = 6,077 + 3,039 = 9,116 (m3) II. Tính đường kính thiết bị: Gọi đường kính thiết bị là D Chọn đường kính và chiều cao thiết bị có tỷ lệ là 1: 4 nghĩa là H = 8R nên R= Trong đó H: chiều cao thân thiết bị R: bán kính thiết bị Mà ta có thể tích thân hình trụ: V=S.H = =3,14. Nên H= Vậy đường kính thiết bị: Dt = 2R = 2. III.Tính chiều cao thiết bị: Chiều cao thiết bị = chiều cao thân + chiều cao đáy Gọi chiều cao thiết bị là: Htb Chiều cao thân thiết bị là: Hth Chiều cao đáy thiết bị là: Hđ Theo bảng [XIII.1-10/382] ta có nếu thiết bị có đường kính Dt = 1100 thì chiều cao đáy thiết bị Hđ =275(mm) = 0,275(m) và chiều cao thân thiết bị Htb =4,5(m) Vậy chiều cao của thiết bị chính: Htb = Hth + 2Hđ = 4,5 + 2.0,275 = 5,05(m) IV. Tính chiều dày thiết bị. Chiều dày thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong P được xác định theo công thức [XIII.8-10/360] ta có: ,m (1) Trong đó: Dt: đường kính thiết bị hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C: hệ số bổ sung cho ăn mòn, m P: áp suất trong thiết bị (N/m2) Mà ta có áp suất thiết bị: P = Ptt + Plv Với: Ptt là áp suất thuỷ tĩnh của thiét bị Plv là áp suất làm việc của thiết bị Plv = 4at = 3,92.105(N/m2 ) Theo công thức [XIII.10-10/360] ta có: Ptt = g., N/m2 Với: H1 chiều cao cột chất lỏng : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s2) Ta biết H1 là chiều cao cột chất lỏng nhưng ta có chất lỏng không không thể chứa đầy trong tháp được nên chọn lượng chất lỏng trong tháp chiếm 80% chiều cao của tháp (m). Vậy chiều cao của cột chất lỏng: H = 0,8 . Htb = 0,8.5,05= 4,04(m) Còn khối lượng riêng của sản phẩm chính là EDC thu được khi phản ứng xảy ra ở t=55˚C tra bảng [ I.2- 10/9] ta có = 1201,5(kg/m3). Nên ta có áp suất thuỷ tĩnh: Ptt = 1201,5.9,81 .4,05 = 0,47.105(N/m2) Vậy áp suất của thiết bị: P = Ptt + Plv = 0,47.105 + 3,92.105 = 4,39.105(N/m2) Chọn hệ số bổ sung ăn mòn là : C = 3(mm) Theo bảng [XIII.1-10/355] ta có: đối với các thiết bị làm việc với áp suất dưới 6,4.106( N/m2 )thì được chế tạo bằng thép thường và thép chống gỉ mà ở thiết bị này áp suất làm việc là P = 3,92.105 (N/m2) nên chọn thép có độ chống gỉ cao. Vậy ta chọn thép cho quá trình này là thép CT3 là một loại thép có độ chống gỉ cao nên tránh được sự ăn mòn của clo ẩm vì clo ẩm là chất ăn mòn mạnh. Ngoài ra thép CT3 là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong công nghiệp hoá chất và giá thành của nó cũng rất hợp lý. Khi tính toán sức bền của thiết bị ta phải xác định ứng suất cho phép đây là một đại lượng phụ thuộc vào dạng ứng suất, đặc trưng cho tính bền của vật liệu chế tạo, nhiệt độ tính toán, công nghệ chế tạo và điều kiện sản xuất. * Nên ta có ứng suất của cho phép theo giới hạn bền của thép CT3 được xác định theo công thức [XIII.3-10/356 ] ta có: Với: nb: là hệ số an toàn giới hạn bền tra bảng [XIII.3-10/356] ta có nb = 2,6 : hệ số điều chỉnh, tra bảng [XIII.2] ta có = 1 (vì đây là loại thiết bị không đốt nóng trực tiếp) : giới hạn bền, tra bảng [ XII.4-10/309] ta có: Vậy ta có ứng suất cho thép CT3 là: = * ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định theo công thức [XII.2-10/355] ta có: N/m2 Trong đó: là giới hạn chảy của nhiệt độ t. Tra bảng [XII.4-10/309] ta có =240.106(N/m3) : hệ số an toàn theo giới hạn chảy Tra bảng [XIII-10/356] ta được =1,5 Vậy ứng suất cho phép theo giới hạn chảy của thép CT3 là: = Để độ bền tốt nhất cho thép ta chọn kết quả bé nhất tức ở thiết bị này đường kính thiết bị Dt = 1,1(m), và ta chọn hệ số bền của thiết bị =0,95 theo (1)/10-360 ta có nếu thì ta có thể bỏ qua P ở mẫu số công thức tính chiều dày thân tháp. Mà ta có Vậy công thức tính thân tháp (1) trở thành Với: Dt=1,1 (m); P = 0,49.105(N/m2); =0,95 Nên ta có: S = Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (P0) được xác định như sau và theo bảng [XIII.5 -10/358] Ta có P0 = Ptl + Ptt Với: Ptl là áp suất thủy lực theo XIII.5[ 10.358] ta có Ptl = 1,5.P = 1,5.0,439.106 = 0, 658.106(N/m2) Ptt là áp suất thuỷ tĩnh Ptt = 0,47.105 (N/m2) Vậy P0 = 0, 658.106 + 0,47.105 = 7,05.105 (N/m2) Do đó ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán [XIII.22-10/365] là: ≤ (2) Theo tính toán ta có với S=5(mm) thì Vậy nên tăng chiều dày của thiết bị S = 8 mm và kiểm tra lại Ta có Vậy chiều dày của thiết bị S = 8(mm) thì đảm bảo cho quá trình thiết kế thiết bị chính. V. Tính chiều dày của đáy và nắp thiết bị. Chọn vật liệu là thép CT3 nên đáy và nắp của thiết bị cũng được làm cùng một loại vật liệu với thiết bị. Ta dùng loại đáy nắp có gờ cho thân hàn Ta có chiều dày của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong được tính theo công thức [XIII.47-10/385] là : S = (2) Trong đó: hb chiều cao phần lồi của đáy : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm(nếu có) k: Hệ số thứ nguyên Theo bảng [XIII.10-10/382] ta có với đường kính thiết bị Dt =1100mm thì chiều cao phần lồi của đáy hđ = 275mm = 0,275m : hệ số bền của mối hàn hướng tâm tra bảng [XIII.8-10/362] ta có = 0,95 Còn hệ số thứ nguyên k xác định theo công thức [XIII.48-10/385] ta có: k= 1 Với: d là đường kính lớn nhất của chỗ không tăng cứng ( là lỗ không phải hình tròn) d= 0,15(m) Mà ta có Dt =1,1(m) nên hệ số thứ nguyên k=1 Theo (1)/385) ta có khi thì có thể bỏ qua lượng P ở công thức(2). Mà ta có . Vậy ta có thể bỏ qua P ở công thức (2) 1. Tính chiều dày của nắp thiết bị: Ta có S = Trong đó: Dt=1,1m; ; ; k=0,86; hb = 0,275m Và ta có nắp chỉ chịu áp suất của hơi tác động nên áp suất Pt = Plv= 3,92.105(N/m2 ) Nên S = S = 1,9.10-3 + C Ta có đại lượng bổ sung C ở đáy và nắp có thể tăng thêm một ít và tăng theo giới hạn sau: Nếu S - C < 10 (mm) ta có thể tăng thêm 2mm Nếu 20mm >S - C >10 (mm) có thể tăng thêm 1mm Mà theo tính toán trên ta có S - C =2,91.10-3 < 10(mm) nên ta tăng đại lượng bổ sung thêm 2(mm) so với giá trị C tính ở thân tháp (C=0,003m). Nên ta có C=0,002 + 0,003 = 0,005(m) Vậy chiều dày đáy tháp: S= 1,9.10-3 + 0,005 = 0,0069(m) Dựa vào bảng [XIII.11-10/384] tra quy chuẩn chiều dày của nắp Elip có Dt = 1,1(m) là S = 8(mm) * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử. Ta có vì nắp chỉ chịu áp suất hơi nên: P0 = 1,5.Pt = 1,5 . 0,392.106 = 0,588.106(N/m2) Thay vào công thức kiểm tra ứng suất, theo [XIII.49-10/386] ta có: , N/m2 Nên Vậy chiều dày nắp tháp S = 8(mm) là không thoã mãn. Tăng chiều dày nắp thiết bị S = 10mm kiểm tra lại Ta có: Vậy chiều dày nắp tháp S=10mm đảm bảo cho quá trình thiết kế thiết bị chính. 2. Chiều dày đáy tháp. Ta có ở nắp thiết bị chính chỉ chịu tác dụng của áp suất hơi còn ở đáy thiết bị ngoài áp suất hơi còn chịu tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh. Vậy: P = Ptt + Plv = 0,392.106 + 0,0427.106 = 0,439.106 (N/m2) Thay các giá trị Dt=1,1m; P = 0,439.106(N/m2);;; k=0,86 vào công thức: S = Ta có: S = S = 2,13.10-3 + C Vì S - C < 10(mm) nên ta tăng giá trị bổ sung thêm 2(mm) so với giá trị C tính ở thân tháp: Vậy C = 0,002 + 0,003 = 0,005(m) Vậy ta có chiều dày đáy thiết bị là : S = 2,13.10-3 + 0,005 = 7,13.10-3(m) Dựa vào bảng [XIII.11-10/384] tra quy chuẩn chiều dày của đáy thiết bị S = 8(mm) * Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử. Vì đáy chịu sự tác động của áp suất hơi và áp suất thuỷ tĩnh nên P0= 0,392.106 + 0,047.106 = 0,439.106(N/m2) Thay vào công thức: N/m 3 Ta có: Ta có nên chiều dày của đáy tháp S = 8(mm) là đảm bảo cho quá trình thiết kế. V. Tính đường kính và kích thước ống dẫn. Trong quá trình tính toán thiết bị chính ta cần chú ý đến ống dẫn vào và ra của thiết bị. Vì vậy ta cần phải tính đường kính và chọn bích của thiết bị. Đường kính ống dẫn được tính theo công thức: ,(m) Trong đó: V là lưu lượng thể tích m3/s. : là tốc độ trung bình, m/s ( chọn =25 m/s ) 1. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm. ống dẫn sản phẩm là ống nối giữa nắp thiết bị phản ứng chính và thiết bị tách khí lỏng. Hỗn hợp ra khỏi đỉnh thiết bị là hỗn hợp hơi, lưu lượng thể tích của các cấu tử đi ra khỏi thiết bị phản ứng chính được xác định theo công thức sau. V = , m3/h (1) Trong đó: F: lưu lượng cấu tử khí ra khỏi thiết bị phản ứng chính. : khối lượng của khí ở áp suất P và nhiệt độ T và được tính như sau: , kg/m3 (2) Với : Mi: khối lượng phân tử chất (bảng 1) P: áp suất làm việc P= 4at P0: áp suất tiêu chuẩnP0=1at Mà các chất ra khỏi thiết bị chính gồm: C2H4dư; C3H6; C2H6; N2; CO2; EDC; TCE; DCP; HCl. áp dụng công thức (2) để tính khối lượng riêng của các cấu tử ra ở thiết bị phản ứng chính: với T= t + T0 = 55 + 273 = 328˚K, thay vào công thức (1) ta thu được lưu lượng ra khỏi thiết bị phản ứng chính (bảng dưới). Bảng 19: Lưu lượng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng chính. Cấu tử M F(kg/h) V C2H4 28 190,68 4,16 45,83 C2H6 30 109,4 4,458 24,54 C2H6 42 3,282 6,24 0,525 CO2 44 91,96 6,54 14,06 O2 32 172,43 4,75 36,3 N2 24 597,75 4,16 143,69 EDC 99 6221,168 14,7 423,208 TCE 133,5 299,337 19,84 15,08 DCP 113 167,77 16,79 9,99 HCl 36,5 81,84 5,42 15,09 Tổng 728,315 Vậy tổng lưu lượng ra khỏi thiết bị phản ứng chính: V= 728,315 (m3/h)= Nên ta có đường kính ống dẫn sản phẩm là: Quy chuẫn d=125 (mm) Tra bảng [XIII.26 / 409-10] ta có:kích thước bích nối thiết bị và ống dẫn sản phẩm như sau Bảng20: Kích thước bích nối thiết bị và ống dẫn sản phẩm. Py.106 (N/m2) dt(mm) kích thước nối Dn D D1 Bulông h db z mm 2,5 125 133 270 220 188 M22 8 30 2.Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu. a.Tính đường kính ống dẫn etylen Ta có nguyên liệu etylen kỹ thuật vào thiết bị bao gồm:C2H4; C2H6; C3H6 nên: V etylen=VC2H4 + VC2H6 + VC3H6 Theo kết quả bảng (17) ta có: Vetylen = 483,889 + 24,54 + 10,32 = 518,949(m3/h)= Vậy đường kính ống dẫn nguyên liệu etylen: d = 0,085 (m) ta quy chuẩn d = 100(mm) Tra bảng [XIII.26 / 409-10] ta có: kích thước bích nối thiết bị và ống dẫn nguyên liệu etylen như sau: Bảng21: Kích thước bích nối thiết bị và ống dẫn nguyên liệu etylen. Py.106 (N/m2) dt(mm) kích thước nối Dn D Dy D1 Bulông h db z mm 2,5 100 108 230 190 162 M20 8 28 b.Tính đường kính ống dẫn clo. Ta có nguyên liệu clo kỹ thuật vào thiết bị bao gồm:Cl2; CO2; N2; O2 Nên: V Clo = VCl+VCO2 + VO2 + VN2 Theo kết quả bảng (17) ta có: VClo=463,07 + 143,69 + 36,3 + 14,06 = 657,12(m3/h) VClo= Vậy đường kính ống dẫn nguyên liệu clo: Quy chuẩn d=100mm Vậy kích thước ống dẫn nguyên liệu etylen và clo như nhau do vậy mặt bích nối thiết bị và ống dẫn etylen là như nhau. 3.Đường kính ống dẫn lỏng hồi lưu Thể tích lỏng hồi lưu bằng 50% thể tích khí đi vào, mà Vkhí vào = 1176,068 m3/h Nên Vlỏng= 50.1176,068 = 588,034(m3/h)= 0,163(m3/s) Đường kính ống dẫn lỏng hồi lưu là: Quy chuẩn d= 100mm Vậy đường kính ổng dẫn lỏng hồi lưu bằng đường kính ống dẫn nguyên liệu vào. 4. Chọn mặt bích cho đáy và nắp thiết bị. Bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như các bộ phận khác với thiết bị. Công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo mặt bích, phương pháp nối và áp suất của môi trường. Có nhiều kiểu bích khác nhau, ta chọn kiểu bích bằng nền thép để nối đáy, nắp và thân thiết bị. Tra bảng [XIII.26 / 409-10] ta có: kích thước mặt bích nối nắp và đáy với thân thiết bị. Bảng 22: Kích thước mặt bích nối nắp và đáy với thân thiết bị. Py.106 (N/m2) dt(mm) kích thước nối Dn D Dy D1 Bulông h db z mm 1,0 1100 1300 1225 1175 1115 M30 28 40 Phần IV. An toàn lao động trong phân xưởng. I.Mục đích: Trong công nghệ hoá học nói chung và trong việc sản xuất các sản phẩm từ nguyên liệu dầu mỏ nói riêng điều rất dễ cháy nổ và độc hại tới con người. Vì vậy trong quá trình sản xuất việc đảm bảo an toàn trong lao động cho sản xuất cũng như môi trường xung quanh là một nhiệm vụ không thể thiếu trong việc thiết kế phân xưởng sản xuất. Trong phân xưởng sản xuất EDC thì cả nguyên liệu và sản phẩm điều là những chất độc hại, dễ cháy nổ do đó ta cần đưa ra các nguyên tắc an toàn trong sản xuất cho người lao động và môi trường xung quanh. II. Công tác bảo đảm an toàn lao động. 1. Công tác giáo dục tư tưởng. Công tác bảo hộ lao động mang tính chất quần chúng, vì vậy công tác này phần lớn là do quần chúng tự giác thực hiện. Phân xưởng phải thường xuyên giáo dục để mọi người thấm nhuần các nội quy của nhà máy về công tác bảo hộ lao động, đồng thời thường xuyên kiểm tra thực hiện quy định, an toàn khi thao tác, kịp thời giải quyết các sự cố xảy ra. Có bồi dưỡng cho công nhân làm việc ca đêm và chi phí y tế cũng như nhu cầu dinh dưỡng về độc hại cho công nhân. 2. Trang bị phòng hộ lao động. Trong nhà máy, nhất là trong phân xưởng sản xuất EDC việc cấp phát các trang thiết bị đầy đủ các thiết bị an toàn lao động như quần áo, giầy mũ, găng tay là cần thiết. Đây là yếu tố ngăn ngừa các tai nạn lao động và các bệnh nghề nghiệp đồng thời còn nhắc nhở thường xuyên việc kiểm tra thực hiện của công nhân trong vấn đề này. Các biện pháp kỹ thuật được xem là quan trọng nhất cụ thể là: - Thực hiện nghiêm chỉnh chế độ bảo dưỡng máy móc đúng định kỳ. -Trang bị đầy đủ các công cụ sản xuất đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. - Các công cụ thiết bị điện phải che chắn đúng kỹ thuật, đảm bảo. - Các hệ thổng chuyển động, như môtô phải bao che chắc chắn. - Kiểm tra nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất. -Trang bị và bảo dưỡng thường xuyên các van, bộ phận tự động. - Thường xuyên kiểm tra ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm. - Tuyệt đối tuân theo các yêu cầu chung. - Sử dụng các hoá chất dễ cháy nỗ, gây bỏng phải tuyệt đối cẩn thận. 3. Công tác vệ sinh. Cần làm tốt vệ sinh công cộng để tránh những bệnh nghề nghiệp. Trong quá trình sản xuất phải có hệ thống thông gió, chiếu sáng cho phân xưởng. + Hệ thống thông gió: Trong quá trình vận hành máy móc có sự phân nhiệt, phát sinh nhiệt, có các khí độc hại, do đó phải có biện pháp thông gió, cho từng công đoạn, ngoài thông gió tự nhiên cần bố trí hệ thống hút gió (quạt gió loại 4000m3/h). + Hệ thống chiếu sáng: Cần đảm bảo yếu tố sáng tự nhiên và nhân tạo để tạo điều kiện cho công nhân làm việc được thoải mái và năng suất cao, chính xác, tránh được bệnh nghề nghiệp. Khi làm việc ca đêm cần phải đảm bảo ánh sáng trong phân xưởng. + Hệ thống vệ sinh cá nhân: Phân xưởng có khu vệ sinh ở mỗi tầng, gồm có phòng thay quần áo, tắm rửa, vệ sinh đảm bảo sức khoẻ cho công nhân sản xuất. Tiêu hao nước sinh hoạt do công nhân phân xưởng lấy trung bình 8m3/người/tháng. Như vậy một năm tiêu thụ lượng nước là 8x12=96m3/người/năm. Như vậy để nâng cao năng suất lao động đem lại hiệu quả kinh tế cao cho xã hội cần phải chăm lo tới sức khoẻ và nhu cầu của người lao động. Đảm bảo điều kiện làm việc thoải mái, sức khoẻ đảm bảo sẽ gúp cho mọi người hăng hái trong lao động sản xuất. III.Yêu cầu vệ sinh đối với mặt bằng nhà máy: Mặt bằng của nhà máy phải đảm bảo điều kiện thải các chất độc thuận lợi như vậy thì mặt bằng phải đủ cao, dốc để quá trình tiêu nước được dễ dàng tránh hiện tượng thấm nước từ ngoài vào. Mặt bằng phải chú ý tới hướng gió và hướng mặt trời. Các bộ phận sản xuất có bụi, khí độc, có tiếng ồn cần bố trí cuối hướng gió. Bố rí nhà máy theo hướng mặt trời sao cho chống nắng tốt nhưng điều kiện chiếu sáng tự nhiên là tốt nhất. IV. Yêu cầu về phòng chống cháy nổ trong nhà máy. Phòng chống chấy nổ là một vấn đề hết sức quan trọng của nghành dầu mỏ, vì trong các nhà máy chế biến dầu mỏ có nhiều nguồn nhiên liệu dễ gây ra cháy nổ. Do vậy, trong nhà máy cần chú ý tới các biện pháp phòng chống cháy nổ nhằm đạt hiệu quả cao nhất khi có sự cố xảy ra Các biện pháp phòng cháy trong nhà máy: Phải có các thiết bị phòng cháy đặt cố định trên các bể chứa, khi có sự cố về cháy nổ xảy ra nó tự động làm việc và các thiết bị lưu động nhằm hỗ trợ với các thiết bị cố định sẽ dập tắt ngay khi có cháy nổ xảy ra. Đối với các nhà máy hoá chất thì phải có nhà cứu hoả và bộ phận cứu hoả thường trực. Nhà cứu hoả là nơi cất giữ các phương tiện, dụng cụ phòng và chữa cháy. Nhà cứu hoả phải đặt ở vị trí thuận tiện để sử dụng nhanh nhất khi có sự cố xảy ra. Thiết bị trong phân xưởng làm việc ở điều kiện áp suất cao, nguyên liệu là các chất dễ gây cháy nổ. Do vậy phải có khoảng cách giữa các nhà xưởng thích hợp nhằm đảm bảo an toàn cho người thi hành công việc cũng như đảm bảo hạn chế ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Nhà xưởng phải thoáng, cần phải chú ý đến hướng gió. Cần phải có các công tác bảo hộ lao động và đặc biệt là phòng cháy nổ An toàn lao động: Đối với các thùng, bể chứa phải được kiểm tra định kì, các thiết bị an toàn khác cũng phải được kiểm tra nhằm khắc phục những hỏng hóc kịp thời. Đối với mọi người khi ra vào nhà máy phải xuất trình giấy tờ và không được mang chất gây nổ, chất dễ cháy vào nhà máy và phải được sự đồng ý của ban bảo vệ mới được vào khu vực nhà máy, những người không có nhiệm vụ không được vào nhà máy. Đối với nhân viên, phải thực hiện đúng quy định về an toàn lao động, công nhân phải học tập đào tạo về an toàn cháy nổ trước khi vào nhà máy. Phải kiểm tra định kỳ về kiến thức an toàn để học hỏi thêm kiến thức cho công nhân viên trong nhà máy. Trong nhà máy không dùng nguồn lửa hở, không hút thuốc lá trong khi làm việc, không đi lại bằng giầy đinh vì dễ gây ra chớp lửa dẫn đến cháy nổ. Không mang theo các vật liệu cháy nổ vào nơi làm việc nhằm đảm bảo tối đa về an toàn cháy nổ. V. Các yêu cầu về an toàn giao thông trong nhà máy Trong nhà máy có rất nhiều đường giao thông vì vậy việc bố trí cho đường đi lại phải đảm bảo khoa học và không để xảy ra tai nạn, đảm bảo cho việc đi lại khi có sự cố cháy nổ xãy ra. Muốn đạt được điều đó cần bố trí đường đi trong nhà máy hợp lý. Để đảm bảo chữa cháy tốt thì đường phải dẫn về bất kỳ phân xưởng nào cả hai phía. Nhà máy cần bố trí để cho xe chữa cháy có thể vào bốn phía, cửa tối thiểu cho xe là 6m. Nếu như đường cụt thì phải có bãi quay xe, mỗi bề rộng là 12 m Kết luận Sau hơn ba tháng làm việc nghiên cứu và tính toán được sự hướng dẫn tận tình của cô giáo TS.Phạm Thanh Huyền em đã hoàn thành tập đồ án này. Đề tài đưa ra nghiên cứu không mới nhưng trong đồ án này cũng giúp em biết được tính chất của dicloetan và hiểu được tầm quan trọng của việc sản xuất EDC trong công nghiệp hoá chất cũng như nhu cầu của nó trên thế giới và Việt Nam. Việc sản xuất EDC ở nước ta là một vấn đề còn mới mẻ, hiện nay nước ta chưa có một nhà máy nào sản xuất EDC, sắp tới khi nhà máy lọc dầu số 1 đi vào hoạt động thì việc sản xuất EDC sẽ dễ dàng hơn nhờ nguồn etylen và clo. Khi ấy EDC sẽ là sản phẩm trung gian vô cùng quan trọng trong công nghiệp hoá chất. Từ EDC ta có thể tổng hợp được rất nhiều chất hữu cơ quan trọng có giá trị khác. Qua quá trình làm đồ án tốt nghiệp giúp em ôn lại những kiến thức các môn học khác như: Hoá học vô cơ, cơ sở quá trình thiết bị hoá chất…, biết cách tra tài liệu, các đại lượng hoá lý để tính toán cân bằng vật chất, cân bằnh nhiệt lượng và tính toán thiết bị chính của dây chuyền. Phần tổng quan giúp em nắm kỹ được tính chất của nguyên liệu dùng sản xuất EDC, tính chất của EDC ngoài ra em còn biết được các phương pháp sản xuất EDC nguyên tắc hoạt động của các dây chuyền công nghệ so sánh ưu nhược điểm của từng công nghệ từ đó lựa chọn được dây chuyền công nghệ tối ưu nhất thích hợp cho việc xây dựng và lắp đặt tại Việt Nam chúng ta. Tuy nhiên lần đầu tiên làm đồ án thiết kế một phân xưởng sản xuất quy mô lớn và mới mẻ như thế này, trong quá trình tìm tài liệu chưa được hoàn thiện và khả năng bản thân em có hạn do đó đồ án này của em không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong cô giáo Tiến Sỹ Phạm Thanh Huyền và các thầy giáo trong bộ môn bỏ qua và đóng góp cho em những ý kiến quí báu để bản đồ án tốt nghiệp này của em được hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện Hồ Thị Thương Tài liệu tham khảo 1. Lê Mậu Quyền- Hoá học vô cơ, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật- 1999. 2. Hoàng Nhâm- Hoá học vô cơ, Nhà xuất bản giáo dục- 1999. 3. Hoàng Trọng Yên, Nguyễn Đăng Quang- Hoá học hữu cơ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội-1998. 4. Nguyễn Trọng Thọ – Hoá hữu cơ- Hydrocacbon, Nhà xuất bản giáo dục 1999. 5. Phan Minh Tân- Tổng hợp hữu cơ hoá dầu, Đại Học Bách Khoa TPHCM 2002. 6. Nguyễn Mai Liên- Tổng hợp hữu cơ cơ bản, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội-1974. 7. Alain CHAUVEL-Petrochemical Process, Gulf Publishing Compay-1989. 8. Wolgang Gehartx-Ullmann’s encyclopedia of industrial chemistry, 1997 vol A6. 9. Tập thể tác giả - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập I, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật -2004. 10. Tập thể tác giả - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập II, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật -2004. 11. Nguyễn Bin và tập thể rác giả - Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học, TậpI - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội - 2000. 12. Nguyễn Bin và tập thể rác giả - Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học,Tập II- Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội - 2000. 13. La Văn Bình - Nhiệt động học trong hoá kỹ thuật, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật -1992. Mục lục