Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin trên xúc tác bạc - Nguyễn Thị Hằng

đ 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 methanol
H
ẵ
H C O H
ẵ
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 cacbocation theo sơ đồ sau:
H
ẵ
H C O H
ẵ
H O2-
O2- vào rồi đẩy nhóm – OH ra, song do sự chênh lệch độ âm điện không nhiều cho nên khi tạo thành formandehit, nhóm – OH ơ dạng H[CH2O]nOH. Khi O2- tấn công vào phân tử methanol thì cả 3 hydro đều linh động, song hydro ở xa nhất linh động hơn sẽ rơi ra và mang theo một điện tử:
H
ẵ
H C O-
ẵ
H
Lúc này nguyên tử các bon còn một điện tử tự do cùng với oxy tạo liên kết mới là liên kết.
H
\
C = O
Ô
H
IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng là: Xúc tác, nhịêt độ, tỷ số CH3OH/không khí và độ sạch của methanol
IV.1. Xúc tác và chất mang
Hiệu suất của HCHO, 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 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.
IV.2. Nhiệt độ
Duy trì ở nhiệt độ 650- 720oC. 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 cần điều chỉnh tỷ số CH3OH/O2 nhỏ để lượng oxy nhiều.
Trong thực tế người ta dung không khí sẽ pha loãng hỗn hợp khí, nồng độ formandehyde bi oxy hóa, đồng thời nitơ trong không khí sẽ pha loãng hỗn
hợp khí, nồng độ formandehyde trong hỗn hợp giảm, cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành formandehyde, phản ứng phụ ít xảy ra hơn.
IV.3. Tỷ số methanol/không khí và độ sạch của nguyên liệu
Tỷ số methanol/không khí thich hợp nhất ở điều kiện làm việc bình thường là 45- 50%.
Methanol nguyên liệu phải được làm sạch khỏi sắt và có oxyt sắt vì nó rất dễ làm ngộ độc xúc tác.
Không khí trước khi cho vào oxy hóa cần làm sạch bụi vì bụi bám vào bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính của nó.
Thiết bị phản ứng chính
Phản ứng methanol tạo formandehit trên xúc tác bạc đựoc tiến hành tại nhiệt độ cao nên thiết bị phải chế tạo bằng hợp kim chịu nhiệt. Mặt khác, xúc tác bạc rất dễ ngộ độc bởi sắt vì vậy không nên dùng vật liệu thép cacbon để chế tạo thiết bị phản ứng.
Nguyên lý làm việc của thiết bị:
Hỗn hợp khí nguyên liệu đi từ trên xuống, nhiệt độ khoảng 130- 150oC đi qua lớp xúc tác được mang trên lớp 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 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 khoảng 20- 25oC.
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 hơp ban đầu đều khắp tiết diện thiết bị phản ứng, để tránh ảnh hưởng xấu đến chế độ, nhiệt độ, năng suất, hoạt tính xúc tác do phản ứng cục bộ. Thiết bị làm việc ở chế độ đoạn nhiệt.
PHầN II : TíNH TOáN CÔNG NGHệ
Chương V
TíNH TOáN CÔNG NGHệ
I. Các số liệu đầu
I.1. Các chất tham gia phản ứng
Ÿ Methanol kỹ thuật 99,5% trọng lượng.
Ÿ Thành phần không khí :
O2 = 21% trọng lượng.
N2 = 79% trọng lượng.
Ÿ Thành phần khí thải:
N2 = 81,7% trọng lượng.
O2 = 17,3% trọng lượng.
CO = 0,8% trọng lượng.
CO2 = 0,2% trọng lượng.
I.2. Tổn thất của quá trình: 1,2% trọng lượng.
I.3. Thành phần sản phẩm:
HCHO = 40% trọng lượng.
CH3OH = 1% trọng lượng.
HCOOH = 0,01% trọng lượng.
H2O = 58.99% trọng lượng.
Hiệu suất chung của quá trình là: 98%.
Hệ số chuyển hoá methanol thành sản phẩm: a = 98%.
II. tính toán cân bằng vật chất
II.1. Năng suất của dây chuyền.
Phân xưởng sản xuất formalin đi từ nguyên liệu mthanol với năng suất 50.000(tấn/năm) làm việc liên tục 24/24 giờ. Để thuận tiện cho việc tính toán, chọn thời gian làm việc cho một năm là 8000 giờ
Khi đó năng suất phân xưởng sản xuất tính trong 1 giờ là:
Hiệu suất làm việc chung của quá trình là 98%.
Năng suất làm việc của nhà máy theo lý thuyết là:
II.2. Tính toán thành phần khí thải.
Vì N2 là chất không tham gia vào các phản ứng nên lượng N2 trước và sau phản ứng coi như không đổi. Nếu muốn thu được 100kg khí thải thì lượng không khí đưa vào phải là:
ã Như vậy thành phần của 103,42(kg) không khí chứa:
ỉ Lượng N2 (MN= 28) chiếm 81,7(kg).
hay
ỉ Lượng O2 (MO = 32) chiếm : 103,42 – 81,7 = 21,72(kg).
hay
ã Thành phần của 100 (kg) khí thải.
ỉ Lượng N2 (MN= 28) chiếm 81,7(kg).
ỉ Lượng O2 chiếm 17,3% trọng lượng hay 17,3(kg).
hay
ỉ Lượng CO2 (MCO= 44) chiếm 0,2% trọng lượng hay 0,2(kg).
hay
ỉ Lượng CO (MCO = 28) chiếm 0,8% trọng lượng hay 0,8(kg).
hay
Bảng 8: Kết quả tính toán thành phần các cấu tử chứa trong
103(kg) không khí và 100(kg) khí thải.
Cấu tử
Khối lượng phân tử
103,42(kg) Khí thải
100(kg) khí thải
%khối lượng
Khối lượng
Kmol
%khối lượng
Khối lượng
Kmol
N2
28
79
81,7
2,9179
81,7
81,7
2,9179
O2
32
21
21,72
0,6788
17,3
17,3
0,5406
CO2
44
0,2
0,2
0,0046
CO
28
0,8
0,8
0,0286
Tổng
100
103,42
3,5967
100
100
3,4917
II.3. Tính toán cho các phản ứng.
ử Phản ứng chính:
CH3OH + 1/2 O2 = CH2O + H2O (1).
ử Phản ứng phụ:
CH2O + 1/2 O2 = HCOOH (2).
CH3OH + 3/2 O2 = CO2 + 2 H2O (3).
CH2O + 1/2 O2 = CO + H2O (4).
a, Tính lượng CH2O tạo thành.
ã Lượng O2 cần thiết cho phản ứng oxi hoá khử là:
21,72-17,3 = 4,42(kg) hay
Theo phản ứng (4):
Số mol O2 = 1/2 Số mol CO = 0,02857 x 0,5 = 0,01429(kmol).
Theo phản ứng (3):
Số mol O2 = 3/2 Số mol CO2 = 0,00455 x 1,5 = 0,00682(kmol).
Hàm lượng HCOOH rất bé nên có thể coi lượng O2 tham gia phản ứng (2) bằng không. Vì vậy lượng O2 tham gia phản ứng (1) là:
0,13813 - (0,01429 + 0,00682) = 0,11702(kmol).
Theo phản ứng (1) lượng CH2O tạo thành là:
0,11702 x 2 =0,23404(kmol).
Theo phản ứng (4) lượng CH2O mất đi : 0,02857(kmol).
ã Lượng CH2O tạo thành là:
Số mol: 0,23404- 0,02857 = 0,20547(kmol).
hay 0,20547 x 30 = 6,1641(kg).
Suy ra lượng CH2O 40% nhận được là:
Vậy lượng HCOOH chứa trong 15,41025(kg) formalin 40% là:
đSố mol =
ã Lượng CH2O bị oxi hoá thành HCOOH tính theo phản ứng (2) là:
0,00034(kmol)
Suy ra lượng CH2O còn lại là: 6,1641- 0,00154 =6,16256(kg)
hay
ã Trong quá trình sản xuất lượng CH2O bị tổn thất là 1,2%:
hay 0,2465.10-2.30 = 0,07395(kg).
Vậy lượng CH2O thực tế thu được là: 6,16256 – 0,07395 = 6,0886(kg).
Suy ra từ 6,0886(kg) CH2O ta thu được lượng formalin 40% là:
b, Lượng CH3OH cần thiết cho phản ứng.
Lượng CH3OH tham gia phản ứng (1) là: 2. 0,11702 = 0,23404(kmol).
Lượng CH3OH tham gia phản ứng (3) là: 0,00455(Kmol).
ã lượng CH3OH cần dùng cho phản ứng là:
Số mol CH3OH : 0,23404 + 0,00455 = 0,23859(kmol).
Hay 0,23859.32 = 7,63488 (kg).
Với độ chuyển hóa a = 98%.suy ra lượng CH3OH cần dùng:
Lượng CH3OH còn dư: 7,79069 –7,63488 = 0,15581(Kg).
Suy ra lượng CH3OH có trong dung dịch formalin:
Vậy methanol kỹ thuật 99,5% cần dùng:
c, Tính lượng nước
ã lượng nước có trong 15,2215(kg) sản phẩm là:
ã lượng nước có trong CH3OH (99,5%):
ã lượng nước tạo thành sau các phản ứng:
Phản ứng (1): 0,23404(Kmol); Phản ứng (3): 0,0091(kmol);
Phản ứng (4): 0,02857(kmol)
ỉ Suy ra tổng lượng nước tạo thành sau các phản ứng:
18.(0,23404 + 0,0091 + 0,02857) = 4,89078(kg)
ã Để nhận được formalin 40% trọng lượng thì lượng nước cần thêm vào:
8,97812 - (4,89078 + 0,03915) = 4,04619(kg).
II.4. Cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng
Lượng vào:
Methanol kỹ thuật:
Không khí: 43331,224(Kg/h).
Trong đó: - N2:
- O2:
Lượng nước thêm vào thiết bị hấp thụ:
Tổng lượng đầu vào: 3280,570 + 34230,910 + 9100,311 + 1695,285
= 48308,076 (Kg/h)
Lượng ra:
Dung dịch formalin 40%: 6377,55(Kg/h)
Khí thải: 41898,302(Kg/h).
Trong đó:
N2: 34230,913(Kg/h)
O2:
CO:
CO2:
Lượng CH2O tổn thất:
Tổng lượng đầu ra: 6377,55 + 41887,568 + 30,98 = 48306,836(Kg/h).
Bảng 9. Cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng
Lượng vào (Kg/h)
Lượng ra (Kg/h)
Methanol kỹ thuật : 3280,57
Không khí : 43331,224
- O2 : 9100,311
- N2 : 34230,913
Nước thêm vào : 1695,285
Formalin 40% : 6377,55
Khí thải : 41898,302
- O2 : 7248,406
- N2 : 34230,913
- CO : 335,186
- CO2 : 83,797
CH2O tổn thất : 30,984
Tổng cộng : 48308,076
Tổng cộng : 48306,836
II.5. Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chính
a. Chất vào thiết bị
ã Lượng CH3OH 99,5% cho vào thiết bị phản ứng: 3280,570(Kg/h).
Trong đó: - CH3OH :
- Nước :
ã Không khí : 43331,224(Kg/h).
Bao gồm:
Tổng lượng vật chất vào thiết bị phản ứng là:
GTham gia = 433...