PHẦN HAI. CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1.2 Các phản ứng phụ

C6H4(CH3)2



+



15/2O2



(2)

C6H4(CH3)2



+



10O2









C2H2(CO)2O + 4CO2 + 4H2O

8CO2 + 5H2O



(3)

Năng suất của Anhydrit Phtalic là G = 16000 tấn/năm.

Các thông số của quá trình là:

Thông số quá trình



Hiệu suất quá trình



Quá trình oxi hóa.



70%



Tách lỏng- khí.



95%



Phân hủy tạp chất màu.



97%



Tách sản phẩm nặng.



93%



Tách sản phẩm nhẹ



94%



Tinh khiết sản phẩm



96%



Năng suất trung bình theo mỗi ngày làm việc:

−

−

−

−



Số ngày trong một năm: 365 ngày.

Số ngày sửa chữa nhỏ: 7 ngày.

Số ngày sửa chữa lớn: 13 ngày.

Số ngày nghỉ lễ tết: 10 ngày.



Như vậy: Tổng số ngày làm việc trong một năm là:

Năng suất tính trong 1 giờ:



1. Tính toán sơ bộ vế lượng anhydritPhtalic sử dụng

36



Sản phẩm cuối có độ tinh khiết là 96%. Vậy khối lượng anhydritphtalic trong

sản phẩm cuối là:



Số mol của anhydritphtalic trong sản phẩm cuối là:



2. Cân bằng vật chất

Nhiệt độ phản ứng: 3800C.

Áp suất: 35bar.

Tỷ lệ khí/ o-xylen = 25/1

Độ chuyển hóa 70% theo o-xylen ở phản ứng (1), 13,33% ở phản ứng (2)

và 16,67%, ở phản ứng (3).

Nguyên liệu xylen chứa 95% o-xylen còn lại là m-xylen và p-xylen chiếm

5%

Ta có số mol anhydrite phthalic là:

nandehyt phthalic = 1910,448/148= 12,908 (kmol/h)

Theo phản ứng(1) suy ra số mol o-xylen cần dùng là:

no-xylen = 12,908/70% = 18,44 (kmol/h)

số mol nguyên liệu đầu vào của o-xylen là:

No-xylen = 18,44/0,95 = 19,41 (kmol/h)

theo các phản ứng(1), (2) và (3) ta có số mol Oxi cần dùng là:

nOxi = 3 no-xylen(1) + 7,5 no-xylen(2) + 10 no-xylen(3)

suy ra nOxi = 3.0,70. no-xylen

= 4,7875. no-xylen



+ 7,5.0,1333. no-xylen + 10.0,1667. no-xylen

= 4,76675. 19,41 = 95,523 (kmol/h)

37



Theo phản ứng(2) số mol andehyt maleic la:

nmaleic = no-xylen(2) = 0,1333. no-xylen = 0,1333. 19,41 = 2,587 (kmol/h)

số mol CO2 được tạo ra là:

n CO2



=



4 no-xylen(2) + 8 no-xylen(3) = 4. 0,1333. no-xylen + 8.



0,1667. no-xylen

=



1,8668. no-xylen = 1,8668.19,41



= 36,234 (kmol/h)



Số mol nước được tạo ra là:

nnước = 3 no-xylen(1) + 4 no-xylen(2) + 5 no-xylen(3)

nnước = 3.0,70. no-xylen + 4.0,1333. no-xylen + 5.0,1667. no-xylen

= 3,4667. no-xylen



= 3,4667. 19,41 = 67,288 (kmol/h)



Tỷ lệ O2/ o-xylen = 5,022 suy ra số mol oxi cần dùng là:

19,41.5,022 = 97,48 (kmol/h)

Số mol oxi ra khỏi tháp tách khí là: 97,48-95,523 = 1,958 (kmol/h)

2.1Cân bằng vật chất cho từng giai đoạn tổng hợp anhydrite phthalic

2.1.1 Cân bằng vật cho thiết bị Phân tách lỏng-khí

2.1.2 Thiết bị phân tách lỏng khí

Thiết bị tách pha lỏng khí của hỗn hợp sản phẩm từ tháp 3. Các cấu tử được tách

ra ở thiết bị này là các khí: H20,CO2,O2 ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng.

Hiệu suất tách ở thiết bị là 95%.

Xét pha khí, các chất khí thoát ra từ hỗn hợp phản ứng chiếm 95% thể tích của

khí đó trong hỗn hợp phản ứng, phần còn lại 7% còn lại trong dòng lỏng ra khỏi

tháp tách pha di chuyển tới thiết bị phân hủy tạp màu.

38



bảng 1. Bảng cân bằng vật chất cho thiết bị ngưng tụ lỏng

Vào



Ra



Cấu tử



Đỉnh

Kmol/h

Kg/h

67,288

1211,184



Kmol/h

67,288



Kg/h

1211,184



CO2



36,234



1594,296



-



O2



1,958



62,656



C2H2(CO)2O



2,587



C6H4(CO)2O



12,908



H2O



Đáy

Kmol/h

-



Kg/h

-



-



36,223



1594,296



-



-



1.958



62,656



253,526



-



-



2,587



253,526



1910,48



-



-



12,908



1910,48



2.1.3 Cân bằng vật chất cho thiết bị tách khí.

bảng 2. Bảng cân bằng vật chất cho thiết bị tách khí.

Vào

Cấu tử

CO2

O2

C2H2(CO)2O

C6H4(CO)2O



Kmol/h

36,234

1,958

2,587

12,908



Ra



Đỉnh

Kg/h

Kmol/h

Kg/h

1594,296 36,234

1594,296

62,656

1,958

62,656

253,526

1910,48

-



Đáy

Kmol/h

Kg/h

2,587

253,526

84,46

1910,48



Cân bằng cho quá trình phân tách tạp màu

Hỗn hợp sản phẩm sau khi được loại bỏ H20,C02,và 02 được đưa tới tháp phân

hủy tạp màu tại đây được khấy trộn đều với các hợp chất phụ gia làm mất các

tạp màu có trong hỗn hợp

Hiệu suất quá trình là 97% còn một lượng nhỏ 3% là các hợp chất màu thì vẫn

được chuyển tới tháp tách sản phẩm nặng tại đây được chưng cất các tạp chất

nặng được lấy ra tại đáy tháp.

39



Vào

Cấu tử

CO2

O2

C2H2(CO)2O

C6H4(CO)2O



Ra



Đỉnh

Kg/h

Kmol/h

Kg/h

1594,296 36,234

1594,296

62,656

1,958

62,656

253,526

1910,48

-



Kmol/h

36,234

1,958

2,587

12,908



Đáy

Kmol/h

Kg/h

2,587

253,526

84,46

1910,48



Cân bằng vật chất cho quá trình chưng cất sản phẩm nhẹ

Sau khi toàn bộ sản phẩm được phân tách tạp màu thì dòng sản phẩm được đưa

tới thiết bị chưng cất hay tại đây sảy ra 2 quá trình là tách sản phẩm nhẹ và

tách sản phẩm nặng nhằm mục đích loại bỏ anhydrite maleic trước khi thu được

anhydrit phtalic tinh khiết

Hiệu suất quá trình tách sản phẩm nhẹ là 94% cụ thể là anhydrit maleic được

tách ra trong quá trình này ta có bảng tính toán

bảng 3. Bảng cân bằng vật chất cho quá trình chưng cất

Vào

Cấu tử



Kmol/h

C2H2(CO)2O 2,43178

C6H4(CO)2O 12,908



Kg/h

238,314

1910,384



Ra

Đỉnh

Kmol/h

Kg/h

12,908 1910,384



Đáy

Kmol/h

Kg/h

2,43178 238,314

-



Cân bằng vật chất cho quá trình chưng cất sản phẩm nặng

Sau khi lượng anhydrite maleic và axit benzoic cùng toluic được tách ra khỏi

hỗn hợp dòng sản phẩm được đưa vào tháp tách sản phẩm nặng tại đây được

chưng chân không để thu được lượng anhydrite tinh khiết.

Hiệu suất của quá trình tách này là 93%



40



Vào

Cấu tử

C6H4(CO)2O



Kmol/h

12,843



Ra



Kg/h

1900,83



Đỉnh

Kmol/h

Kg/h

12,843

1900,83



Đáy

Kmol/h

Kg/h

-



3.Tính toán cân bằng nhiệt lượng

Các giá trị nhiệt dung riêng và nhiệt phản ứng sử dụng trong tính toán

dưới đây được lấy từ phần mềm mô phỏng HYSYS với hệ nhiệt động Peng –

Robinson.

Tính toán cân bằng thiết bị gia nhiệt cho hỗn hợp nguyên liệu trước khi vào thiết

bị phản ứng thứ nhất.

Hỗn hợp sản phẩm từ thiết bị phản ứng thứ nhất có nhiệt độ khoảng 1600C.

được trao đổi nhiêt với hỗn hợp nguyên liệu ban đầu bằng thiết bị trao đổi nhiệt

ống lồng ống 2 trước khi vào thiết bị phản ứng đầu tiên. Hỗn hợp ban đầu sẽ

được gia nhiệt lên 3800C.Nhiệt được ổn định bởi dòng tuần hoàn muối nóng

chảy

Ta có:

Q1: nhiệt lượng của hỗn hợp nguyên liệu ban đầu, kJ/h;

Q2: nhiệt lượng của hỗn hợp sau khi gia nhiệt, kJ/h;

Q3: nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm trước trao đổi nhiệt, kJ/h;

Q4: nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm sau trao đổi nhiệt, kJ/h;

Q5: nhiệt lượng mất mát, kJ/h.

Vậy:

Q1 + Q3 = Q2 + Q4 +Q5

1.1.



Nhiệt lượng nguyên liệu ban đầu Q1

41



Hỗn hợp nguyên liệu ban đầu có nhiệt độ 250C vào thiết bị trao đổi nhiệt gồm:

o-xylen,oxy.

Nhiệt lượng của các chất được tính theo công thức:

qi= Gi×Ci ×ti , kJ/h.

Trong đó:

Gi : khối lượng của chất i, kg/h;

Ci : nhiệt dung riêng của chất i, kJ/h;

ti : nhiệt độ của chất i, 0C.

Thành phần của nguyên liệu ban đầu bao gồm:

Lưu lượng (kg/h)



% khối lượng Cp (kJ/kg.0C)



qi (kJ/h)



C6H4(CH3)2



1798,752



93,71



1,76



79145,088



02



201,248



6,289



29,378



147555,033



Tổng



2000,00



100,00



1.2.



226700,1216



Nhiệt lượng của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được gia nhiệt Q2



Hỗn hợp sau gia nhiệt lên nhiệt độ 1600C sau đo được đưa vào thiết bị phản ứng.

Thành phần của hỗn hợp bao gồm:

Lưu lượng (kg/h)



% khối lượng Cp (kJ/kg.0C)



qi (kJ/h)



C6H4(CH3)2



1798,752



93,71



2,56



736768,82



02



201,248



6,289



29,466



948795,77



Tổng



2000,00



100,00

42



1,686.106



1.3.



Nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm trước khi trao đổi nhiệt Q3



Hỗn hợp phản ứng đi từ tháp phản ứng 3 có nhiệt độ 380 0C được trao đổi nhiệt

với dòng nguyên liệu ban đầu có nhiệt độ 250C.

Thành phần của hỗn hợp này bao gồm:

Lưu lượng (kg/h)



% khối lượng Cp (kJ/kg.0C)



qi (kJ/h)



C6H4(CH3)2



1798,752



93,71



2,84



1941213,16



02



201,248



6,289



29,532



2258437,26



Tổng



2000,00



100,00



1.4



4,199.106



Nhiệt lượng mất mát Q5



Ta xét lượng nhiệt mất mát trong quá trình trao đổi nhiệt bằng 2% lượng

nhiệt đầu vào của thiết bị:

Q5 = (Q1 + Q3 ) x 0,02 =88514,1 (KJ/h )

Nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm sau khi đã trao đổi nhiệt Q4

Q4 =(Q1 + Q3 ) – ( Q2 +Q5 ) =2,651. 106 (KJ/h ).



43



Vậy cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị trao đổi nhiệt:

Dòng vào

Nhiệt lượng nguyên liệu



226700,12



ban đầu (kJ/h)



6



hợp nguyên liệu sau khi



4,199.106



trao đổi nhiệt (kJ/h)



hợp sản phẩm sau khi

đã trao đổi nhiệt (kJ/h)

Nhiệt lượng mất mát

(kJ/h)



Tổng



1,686.106



được gia nhiệt (kJ/h)

Nhiệt lượng của hỗn



Nhiệt lượng của hỗn

hợp sản phẩm trước khi



Dòng ra

Nhiệt lượng của hỗn



4,426.106



Tổng



2,651.106



88514,1

4,426.106



2 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ nhất

2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Q1,1

Q1,1 = Q2 = 1,686.106 (kJ/h).

2.2. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra Q1,2

Nhiệt lượng này do phản ứng oxy hóa oxylen tỏa ra. Ta có phản ứng:



Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra:

Q1,2 =



1798, 752

× 265 × 103 =2,536.106 (KJ/h ).

106



1.4. Nhiệt lượng của hỗn hợp sau phản ứng Q1,3

Sau phản ứng hỗn hợp sản phẩm có nhiệt độ 380oC với thành phần

như sau:

Lưu lượng (kg/h)



% khối lượng Cp (kJ/kg.0C)

44



qi (kJ/h)



C6H4(CH3)2



1798,752



93,71



2,84



1941213,16



02



201,248



6,289



29,532



2258437,26



Tổng



2000,00



100,00



4,199.106



2.3 Nhiệt lượng mất mát trong tháp Q1,m

Q1,m = (Q1,1 + Q1,2) x 0,02 =123640 (KJ/h ).

Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ nhất:



Dòng vào

Nhiệt lượng nguyên liệu

ban đầu (kJ/h)

Nhiệt lượng do phản

ứng tỏa ra

Tổng



Dòng ra

Nhiệt lượng của hỗn

1,686.106



2,636.106



hợp sản phẩm ra khỏi

thiết bị phản ứng (kJ/h)

Nhiệt lượng mất mát

(kJ/h)



4,223.106



Tổng



4,34 − 4, 223

= 1,38%

4,322



Sai số



4,199.106



123640

4,34.106



3 Tính toán cho thiết bị Phân hủy tạp màu là

3.1. Thiết bị tạo hơi với dòng sản phẩm từ thiết bị phản ứng 1

Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phân tách lỏng khí có nhiệt độ 380oC

được đưa vào thiết bị tạo hơi trao đổi nhiệt với dòng nước được bơm từ bể 11

lên. Nước nhận nhiệt tạo thành hơi đốt đem sử dụng ở các quá trình khác.

Nhiệt lượng của dòng sản phẩm đi ra từ tháp phản ứng chính là :

Qvào = 4,223.106 (kJ/h).



45



Hỗn hợp sau khi trao đổi nhiệt cần hạ xuống nhiệt độ 130oC để có đưa vào

các tháp chưng nhằm mục đích tách các sản phẩm anhydrite maleic và anhydrite

phtalic tinh khiết.



Dòng hỗn hợp gồm các chất được tính toán lại tại nhiệt độ 130oC như bảng sau :

Lưu lượng (kg/h)



% khối lượng Cp (kJ/kg.0C)



qi (kJ/h)



C6H4(CH3)2



1798,752



93,71



2,47



577579,27



02



201,248



6,289



29,426



769850,07



Tổng



2000,00



100,00



1,347.106



Nhiệt lượng do nước mang vào: lượng nước làm mát Gnc có nhiệt độ 250C được

bơm dưới áp suất 3 at, Cp = 4,313 kJ/kg.0C.



Nước sau khi trao đổi nhiệt có hóa hơi tại 3 at, nên có nhiệt độ của hơi là 1340C,

Cp = 1,947 kJ/kg.0C.



Ngoài ra để hóa hơi nước, cần tính đến ẩn nhiệt hóa hơi của nước r = 2164

kJ/kg (Sổ tay QTTB)



Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị:



46