PHẦN 2. THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ ISOMER HÓA

THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



thiết bị phản ứng thứ nhất, xảy ra các phản ứng hydro hóa các aromatic và

naphtenic. Dòng sản phẩm của thiết bị phản ứng thứ nhất được trao đổi nhiệt

đến 200°C rồi tiếp tục đi vào thiết bị phản ứng thứ 2. Ở thiết bị phản ứng thứ

2, xảy ra các phản ứng đồng phân hóa. Ngoài ra còn xảy ra phản ứng

hydrocracking. Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ 2 được cho qua thiết bị

làm lạnh và vào thiết bị tách. Dòng H2 được tách ra và tuần hoàn trở lại thiết

bị phản ứng thứ nhất, hỗn hợp sản phẩm đi vào thiết bị ổn định. Tại đỉnh tháp

thu được khí nhiên liệu, sản phẩm isome ở đáy tháp được đưa sang hệ thống

tách bằng công nghệ Molex.

Công nghệ Molex làm việc như một “sàng phân tử”, sử dụng chất hấp phụ

ZSM – 5. Sản phẩm isome lỏng được cho vào cột hấp phụ nhờ van quay.

Trong cột hấp phụ xảy ra đồng thời quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ. Dòng

sản phẩm ra khỏi van quay gồm: sản phẩm isome và chất nhả hấp phụ đi vào

cột Rafinat, các n – parafin và chất nhả hấp phụ đi vào tháp chưng tách. Tại

cột Rafinat, sản phẩm isome được tách ra ở đáy đi vào bể chứa sản phẩm. Tại

tháp chưng tách, các n – parafin tách ra ở đáy được hồi lưu lại thiết bị phản

ứng. Toàn bộ chất nhả hấp phụ tách ra ở đỉnh cộ Rafinat và tháp chưng tách

được hồi lưu lại cột hấp phụ sau khi đã được gia nhiệt.

2.2. Tính toán công nghệ



2.2.1. Chọn các thông số ban đầu

-



Năng suất, Tấn/năm

Nhiệt độ phản ứng, °C

Áp suất, MPa

Tốc độ thể tích, h-1

Tỉ lệ mol H2/RH



100.000

200

2

2

2



2.2.2. Tính toán

Các phản ứng xảy ra trong quá trình:



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 33



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



-



Trong thiết bị phản ứng thứ nhất:

CnH2n + H2

CnH2n + 2

CnH2n - 6 + 3H 2



-



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



CnH2n



Trong thiết bị phản ứng thứ hai:



nC 5



nC6

A



iC 5

2MP



k1

k2



k3



2,2DMB



C

3MP



2,3DMB



B

Ngoài ra còn phản ứng hydrocracking:

CnH2n + n/3 H2

n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)

CnH2n+2 + (n – 3)/3 H2

n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)

Bảng 7. Thành phần nguyên liệu

Thành phần, tính chất

C5 – parafin

isopentan

N – pentan

C6 – parafin

2,2 – đimetylbutan

2,3 – đimetylbutan

2 – metylpentan

3 – metylpentan

N – hexan

C5, C6 – vòng

Xyclopentan

Metylxyclopentan

Xyclohexan

Benzene

RON

TLPTTB

Tỷ trọng

SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



%khối lượng

57.32

23.99

33.33

35.47

0.91

1.53

9.57

4.43

19.03

7.21

1.27

2.41

1.39

2.14



%mol

61.65

25.80

35.85

31.3

0.77

1.27

8.62

3.99

16.65

7.05

1.41

2.23

1.28

2.13

69.5

77

0.645



Page 34



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



 Tính công suất thiết bị

G=



L

, kg / h

24.n



Trong đó : L là công suất, L = 100.000 tấn/năm

n là số ngày hoạt động trong 1 năm. Chọn n = 345 ngày.

Vậy công suất thiết bị là:

100000.10 3

= 12077,295( kg / h )

24.345

G 12077,295

n=

=

= 156,85 ( kmol / h )

M

77



G=



 Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết

Với tỉ lệ H2/RH = 2

n H 2 = 2.n RH = 2.156,85 = 313,7( kmol / h )



 Tính lượng chất xúc tác cho toàn bộ quá trình

- Thể tích xúc tác:

V xt =



( )



G

12077,295

=

= 9,363 m 3

ρ .V0

645.2



Trong đó :

V0 là tốc độ thể tích, V0 = 2 h-1

- Khối lượng xúc tác:



m xt = V xt .ρ xt = 9,363.550 = 5149,65( kg )



Do phản ứng chính xảy ra trong thiết bị phản ứng thứ hai nên ta phân bố

xúc tác theo tỉ lệ 1 : 3 như sau:

Bảng 8. Phân bố xúc tác trong các thiết bị phản ứng

SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 35



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



mxt (kg)

1287

3862,65



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



Vxt (m3)

2,34

7,023



Thiết bị phản ứng

1

2



 Thành phần và áp suất riêng phần

ni = n.xi ( kmol / h )

Pi = P. y i ( Pa )



Trong đó:

xi là phần mol của cấu tử i

Pi là áp suất riêng phần của cấu tử i, P = 2 MPa = 2.106 Pa

P là áp suất chung của thiết bị phản ứng

yi là nồng độ phần mol của cấu tử I trong nguyên liệu

Bảng 9. Thành phần và áp suất riêng phần

Cấu tử



xi, %



ni



C5 – parafin

isopentan

N – pentan

C6 – parafin

2,2 – đimetylbutan

2,3 – đimetylbutan

2 – metylpentan

3 – metylpentan

N – hexan

C5, C6 – vòng

Xyclopentan

Metylxyclopentan

Xyclohexan



61.65

25.80

35.85

31.3

0.77

1.27

8.62

3.99

16.65

7.05

1.41

2.23

1.28



96.698

40.467

56.231

49.094

1.208

1.992

13.52

6.258

26.116

11.058

2.212

3.498

2



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 36



y i = ni / ∑ ni



Pi ( MPa)



0.086

0.1195



0.172

0.239



2.57E-3

4.23E-3

28.73E-3

13.3E-3

55.5E-3



5.14E-3

8.46E-3

57.46E-3

26.6E-3

111E-3



4.7E-3

7.44E-3

4.25E-3



9.4E-3

14.88E-3

8.5E-3



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



Benzene

H2

Tổng



2.13



3.341

313.7

470.55



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



7.1E-3

66.67E-3

1,000



14.2E-3

1.333

2



2.2.2.1 Tính cân bằng vật chất

a. Thiết bị phản ứng thứ nhất

Các phản ứng trong thiết bị phản ứng thứ nhất:

CnH2n + H2



CnH2n + 2



Tại nhiệt độ thấp, phản ứng xảy ra với vận tốc chậm nên chọn độ

chuyển hóa là 2%.

CnH2n - 6 + 3H 2



CnH2n



Do trong cấu trúc phân tử chứa các nối đôi nên phản ứng dễ xảy ra với

tốc độ nhanh nên hầu như toàn bộ benzene chuyển hóa hết thành

xyclohexan. Ta coi độ chuyển hóa là 100%.

Khối lượng các chất tham gia phản ứng:

GC6 H 6 = 3.341( kmol / h )

G H 2 = 3GC6 H 6 + (GCP + G MCP + GCH ).H % = 3.3,341 + 7,717.2% = 10.18( kmol / h )



GCP = 2,212.2% = 0.0442( kmol / h )

G MCP = 3,498.2% = 0,07( kmol / h )

GCH = 2.2% = 0.04( kmol / h )



Khối lượng sản phẩm:

GCH = GC6 H 6 = 3,341( kmol / h )



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 37



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



GnC5 = GCP = 0,0442( kmol / h )

G nC6 = G MCP + GCH = 0,11( kmol / h )



Bảng 10. Cân bằng vật chất thiết bị phản ứng thứ nhất



b. Thiết bị phản ứng thứ hai

Các phản ứng trong thiết bị phản ứng thứ hai:

nC 5



nC6

A



iC 5

2MP



k1

k2



k3



2,2DMB



C

3MP



2,3DMB



B

Ngoài ra còn phản ứng hydrocracking:

CnH2n + n/3 H2

n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)

SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 38



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



CnH2n+2 + (n – 3)/3 H2



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)



Do xúc tác có hoạt tính cao, nhiệt độ được hạ thấp nên xảy ra ít các

phản ứng phụ hydrocracking. Chọn hiệu suất phản ứng phụ là 1%.

 Tính lượng n – C5 chuyển hóa:

Theo đồ thị hình 1, tại t = 200°C, ở trạng thái cân bằng thành phần mol của

hỗn hợp C5 là %n – C5 = 25%; %i – C5 = 75%.

Trong phân đoạn parafin C5 trong nguyên liệu, thành phần mol là: %n – C 5

= 58.2%; %i – C5 = 41.8%.

Xét phản ứng :

nC 5



iC 5



Độ chuyển hóa là:

C=



GnC5 pu

GnC5



=



GC5 .∆x nC5

GnC5



=



96,742.( 58,2 − 25)

= 57,1%

56,275



Lượng nC5 chuyển hóa:

Lượng sản phẩm iC5:



GnC5 pu = GnC5 .C % = 56,275.57,1% = 32,133( kmol / h )



GiC5 = GnC5 pu = 32,133( kmol / h )



 Tính lượng nC6 chuyển hóa

Xét phản ứng:



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 39



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



nC6

A



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



2MP



k1

k2



k3



2,2DMB



C

3MP



2,3DMB



B

Bảng 11. Thành phần mol các cấu tử parafin C6 ở trạng thái cân bằng 200°C

Cấu tử

n – C6

2MP

3MP

2,3DMB

2,2DMB



Nguyên liệu

53,3

27,48

12,72

4,05

2,45



Trạng thái cân bằng

12

31

18

10

29



Độ chuyển hóa:

C=



GnC6 pu

GnC6



=



GC6 .∆x nC6

GnC6



=



49,204.( 53,3 − 12)

= 77,5%

26,226



Lượng nguyên liệu n – C6 chuyển hóa thành sản phẩm isomer:

GnC6 pu = GnC6 .C % = 26,226.77,5% = 20,32( kmol / h )



Lượng sản phẩm isomer tạo thành từ nC6:

G2 MP = GC6 .∆x 2 MP = 49,204.( 31 − 27,48)% = 1,732( kmol / h )

G3 MP = GC6 .∆x3 MP = 49,204.(18 − 12,72)% = 2,598( kmol / h )

G2,3 DMB = GC6 .∆x 2,3 DMB = 49,204.(10 − 4,05)% = 2,928( kmol / h )



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 40



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



G2, 2 DMB = GC6 .∆x 2, 2 DMB = 49,204.( 29 − 2,45)% = 13,062( kmol / h )



 Tính toán phản ứng hydrocracking

CnH2n + n/3 H2



n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)



CnH2n+2 + (n – 3)/3 H2



n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12)



Lượng chất tham gia phản ứng:

0

GCPpu = GCP .H % = 2,168.1% = 21,68 E − 3( kmol / h )



0

G MCPpu = G MCP .H % = 3,428.1% = 34,28 E − 3( kmol / h )



0

GCHpu = GCH .H % = 5,301.1% = 50,31E − 3( kmol / h )



0

GiC5 pu = GiC5 .H % = 40,467.1% = 404,67 E − 3( kmol / h )



0

G nC5 pu = GnC5 .H % = 56,275.1% = 562,75 E − 3( kmol / h )



0

G2, 2 DMBpu = G 2, 2 DMB .H % = 1,208.1% = 12,08 E − 3( kmol / h )



0

G2,3 DMBpu = G2,3 DMB .H % = 1,992.1% = 19,92 E − 3( kmol / h )



0

G2 MPpu = G2 MP .H % = 13,52.1% = 135,2 E − 3( kmol / h )



G3 MPpu = G30MP .H % = 6,258.1% = 62,58 E − 3( kmol / h )

0

GnC6 pu = GnC6 .H % = 26,226.1% = 262,26 E − 3( kmol / h )



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 41



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



G H 2 pu =



n



∑  3 .G





n =5 , 6



Cn H 2 n



+



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ



n−3



.GCn H 2 n + 2  = 1,3423( kmol / h )

3





Lượng khí C1 – C5 thu được:

Gkhí = G nl + G H 2 = 122.4901(kg / h)



 Lượng tuần hoàn

Lượng nguyên liệu nC5 tuần hoàn:

GnC5th = 56,275 − 32,133 − 404,67 E − 3 = 23,737( kmol / h )



Lượng n – C6 tuần hoàn:

GnC6th = 26,226 − 20,32 − 262,26 E − 3 = 5,644( kmol / h )



Lượng H2 tuần hoàn:

0

G H 2th = G H 2 − G H 2 pu = 303,52 − 1,3423 = 302,18( kmol / h )



Bảng 12. Cân bằng vật chất thiết bị phản ứng thứ hai



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 42



THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA 100.000T/NĂM



2.2.2.2 Tính cân bằng nhiệt lượng

Bảng 13. Thông số các dòng vật chất



SVTH: NGUYỄN VĂN MẠNH

LỚP: KTHH5 – K55



Page 43



GVHD: TS.NGUYỄN ANH VŨ