Thiết kế phân xưởng sản xuất DCE từ nguyên liệu là etylen và HCl, với năng suất 200 000 tấnnăm

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
* Các số liệu ban đầu:
- Thiết kế phân xưởng sản xuất DCE từ nguyên liệu là etylen và HCl, với năng suất
200.000 tấn/năm.
- Etylen kỹ thuật ( theo thể tích ): 98% C
2
H
4
1,2% CH
4
0,795% C
2
H
6
0,005% C
3
H
6
-Hydrochloric (theo thể tích ): 98,16% HCl
0,2% Cl
0,74% N
2
0,47% H
2
0,24% C
2
H
6
0,1% C
2
H

2
Cl
2
0,09% DCE
- Lượng không khi lấy dư 1,25%
- Lượng DEC tổn thất 2,5%
• Khi sục nguyên liệu etylen và HCl vào thiết bị phản ứng clo hóa có chứa
xúc tác Al
2
O
3
/(CuCl
2
+ Cu
2
Cl
2
) 5,5% trong môi trường DCE lỏng, sản
phẩm chính là DCE và sản phẩm phụ như tricloetan (TCE),
tetrachloroethylen,…
Các phản ứng xảy ra trong thiết bị clo hóa:
C
2
H
4
+ 3O
2
2CO
2
+2H

2
O
C
2
H
4
+ 2O
2
2CO +2H
2
O
C
2
H
4
+ 2O
2
+ 3HCl CCl
3
-CHO + H
2
O
C
2
H
4
+ 1,5O
2
+ 3HCl CHCl =CCl
2

+ 3H
2
O
C
2
H
4
+ 2O
2
+ 4HCl CCl
2
=CCl
2
+ 4H
2
O
3.1. Tính toán cân bằng vật chất:
Trọng lượng phân tử DCE M = 99 kg/ kmol
Tách DCE bằng cách chưng cất:
200000
25
8000
DCE
G = =
(tấn/h) = 25000 (kg/h)
Lượng DCE tổn thất là 2,5% nên lượng DCE thực tế tạo thành:
25000 2.5
25000 25625
100
DCE

G
×
= + =
(kg/h) = 258,8384 (kmol/h)
Độ chọn lọc của quá trình là: x
a
= 0.940
2 4
2 4,0 2 4
2 4
,0
0.940
DCE DCEC H
DCE
DCE
C H C H
C H
F F
v
F x
v
−
Φ = =
× ×

2 4
,0
0,940 0,997
DCE DCE
C H

F F
F A
−
= =
×
(kmol/h)
Trong đó:
2 4
1
C H
i
Φ =
∑
Do đó, độ chọn lọc các sản phẩm phụ
06,094,01
42
.
=−=
∑
HC
пп
Ф
??????????????????????????????????????????????
В = 0,06А (kmol/h)
Phản ứng chính:
ААААА
OHClCНClCННClOHC
94,094,088,147,094,0
)1(25,0
222242

+−→++
Phản ứng phụ:
ВВВB
OHCOOHC
26,126,189,163,0
)2(223
22242
+→+
ВВВB
OHCOOHC
6,06,06,03,0
)3(222
2242
+→+
ВВВВB
OHCHOCClHClOHC
12,004,012,008,004,0
)4(332
23242
+−→++
ВВВВB
OHCClCHClHClOHC
075,0025,0075,00375,0025,0
)5(335,1
22242
+=→++
ВВВВB
OHCClCClHClOHC
02,0005,002,001,0005,0
)6(442

222242
+=→++
Tổng lượng HCl phản ứng:
'
1,88 0,12 0,075 0,02 1,88 0,215 1,88 0,215 0,06
1,8929 ( / )
HCl
FА В В В А В А А
А kmol h
= + + + = + = + ×
=
Độ chuyển hóa HCl = 0,997:
1,8929
1,8986 ( / )
0,997
HCl
FА kmol h= =
Lượng acid Hydrochloric có trong hydrochloric kỹ thuật là 98,16 %, vì vây hàm
lượng yêu cầu của HCl kỹ thuật là:
,
1,8986
1,9342 ( / )
0,9816
Tex HCl
А
FА kmol h= =
Hàm lượng DCE có trong HCl kỹ thuật:
,0
1,9342 0,09
0,0017 ( / )

100
DCE
А
FА kmol h
×
= =
2 4,0
2 4,0
,0
,0
258,8384 0,0017
( / )
0,94 0,983 0,94 0,983
0,9257 258,8384
279,6137( / )
0,06 16,7768( / )
0,0017 279,6137 0,4753( / )
DCE DCE
C H
C H
DCE
F F
А
А F kmol h
А
А F kmol h
В А kmol h
F kmol h
−
−

⇒ = = =
× ×
⇒ =
⇒ = =
⇒ = =
⇒ = × =
Sản phẩm phụ:
2
2
1,26 1,26 16,7768 21,1388( / ) 930,1072( / )
0,6 0,6 16,7768 10,0661( / ) 281,8508( / )
0,94 1,26 0,6 0,12 0,075 0,02 0,94 2,075
0,94 279,6137 2,075 16,7768 297,6487(
CO
CO
H O
F B kmol h kg h
F B kmol h kg h
FА B В В В В А В
kmo
= = × = =
= = × = =
= + + + + + = + =
= × + × =
3
2
2 2
/ ) 5357,6766( / )
0,04 0,04 16,7768 0,6711( / ) 98,9872( / )
0,025 0,025 16,7768 0,4194( / ) 55,1511( / )

0,005 0,005 16,7768 0,0839( / ) 13,9274( / )
ССl CHO
CHCl CCl
CCl CCl
l h kg h
FВ kmol h kg h
FВ kmol h kg h
FВ kmol h kg h
−
=
=
=
= = × = =
= = × = =
= = × = =
Lượng oxy tham gia vào oxy clo hóa:
2
'
0,47 1,89 0,6 0,08 0,0375 0,01 0,47 2,6175
0,47 279,6137 2,6175 16,7768 175,3317( / )
O
FА В В В В В А В
kmol h
= + + + + + = + =
= × + × =
Lượng không khí dư 1,25:
2
175,3317 1,25 219,1646( / ) 7013,2672( / )
O
F kmol h kg h

= × = =
Lượng oxy còn lại:
2
7013,2672 0,25 1753,3168( / )
O
F kg h
= × =
Lượng Nitơ trong không khí:
2
7013,2672 0,79
26383,2433( / )
0,21
N
F kg h
×
= =
Thành phần của HCl kỹ thuật:
2
2
2
,
,
,
1,9342 1,9342 279,6137 540,8288( / )
1,8986 1,8986 279,6137 530,8746( / ) 19375,9229( / )
0,2% 1,0816( / ) 76,7936
0,47% 2,5419( / ) 5,0838( / )
Тех HCl
HCl
ClТех HCl

HТех HCl
N
FА kmol h
FА kmol h kg h
F F kmol h
F F kmol h kg h
F
= = × =
= = × = =
= = =
= = =
=
2 6
2 2 4
2 4 2
,
,
,
,
,
0,74% 4,0021( / ) 112,0588( / )
0,24% 1,2980( / ) 38,9400 / )
0,1% 0,5408( / ) 90,8544( / )
0,09% 0,4867( / ) 48,1833( / )
Тех HCl
C HТех HCl
C H ClТех HCl
C H ClТех HCl
Тех HCl
F kmol h kg h

F F kmol h kg h
F F kmol h kg h
F F kmol h kg h
F
= =
= = =
= = =
= = =
⇒ 19375,9229 76,7936 5,0838 112,0588 38,9400 90,8544 48,1833
19747,8368( / )kg h
= + + + + + +
=
Thành phần ethylene kỹ thuật:
2 4
2 4
4 2 4
2 6 2 4
3 6 2 4
,0
,
,
,
,
279,6076( / ) 7829,1836( / )
279,6137
285,3201( / )
0,98
1,2% 3,4238( / ) 54,7808( / )
0,795% 2,2683( / ) 68,0490( / )
0,005% 0

C H
Тех C H
CHТех C H
C HТех C H
C HТех C H
F kmol h kg h
F kmol h
F F kmol h kg h
F F kmol h kg h
F F
= =
⇒ = =
= = =
= = =
= =
2 4
,
,0143( / ) 0,6006( / )
7829,1836 54,7808 68,0490 0,6006 7952.6140( / )
Тех C H
kmol h kg h
F kg h
=
⇒ = + + + =
Lượng ethylene còn lại:
2 4
279,6137 (1 0,983) 4,7534( / ) 133,0952( / )
C H
F kmol h kg h
= × − = =

Lượng acid hydrochloric còn lại sau quá trình:
'
19375,9229 (1 0,997) 58,1278( / )
HCl
F kg h
= × − =
Lượng Nitơ còn lại sau quá trình:
2
26383,2433 112,0588 26495,3012( / )
N
F kg h
= + =
Bảng 5.1 – Cân bằng vật chất:
Đầu vào Đầu ra
Thành phần Khối lượng
(Kg/h)
Thành phần Khối lượng
(Kg/h)
1.Ethylene kỹ thuật 1. CH
4
54,7808
1.1 CH
4
54,7808 2. C
2
H
4
133,0952
1.2 C
2

H
4
7829,1836 3. C
2
H
6
68,0490
1.3 C
2
H
6
68,0490 4. C
3
H
6
0,6006
1.4 C
3
H
6
0,6006 5.N
2
26495,3012
6.HCl 58,1278
2. Không khí 7. C
2
H
2
Cl
4

90,8544
2.1 Oxy 7013,2672 8.Сl
2
76,7936
2.2 N
2
26383,2433 9.H
2
5,0838
10. C
2
H
4
Cl
2
26067,9056
3. HCl kỹ thuật 11. CCl
3
-CHO 98,9872
3.1 Сl
2
76,7936 12. CHCl =CCl
2
55,1511
3.2H
2
5,0838 13. CCl
2
=CCl
2

13,9274
3.3 N
2
112,0588 14. CO
2
930,0852
3.4 HCl 19375,9229 15. H
2
O 5357,6766
3.5 C
2
H
6
38,9400 16. СО 281,8508
3.6 C
2
H
2
Cl
4
90,8544 17. O
2
1753,3168
3.7 C
2
H
4
Cl
2
48,1833

Tổng 61096,9613 61541,5871
3.2. Cân bằng năng lượng:
3.2.1. Đầu vào:
Nhiệt độ đầu vào: Ethylene 125
0
C, HCl: 160
0
C, Không khí: 150
0
C
 nhiệt sinh ra trong các phản ứng chính và phụ:
Bảng 3.2. Entanpi, nhiệt dung và phương trình hệ số nhiệt dung riêng, tùy thuộc
vào nhiệt độ của chất tại 298 K:
Tên cấu tử
Cp
298
(J/Mol,K)
а b.10
3
c
’
.10
-5
c.10
6
∆Н
f
298
KJ/Mol,K
CH

4
35,71 14,32 74,66 -17,43 -74,85
С
2
Н
4
43,56 11,32 122,01 -37,90 52,30
С
2
H
6
52,64 5,75 175,11 -57,85 -85,94
С
3
H
6
63,89 12,44 188,38 -47,6 20,41
N
2
29,12 27,88 4,27 0
HCl 29,485 31,46 3,39 -3,77 0
CHCl
2
-CHCl
2
154,56 -152,72
Cl
2
33,93 37,03 0,67 -2,85 0
H

2
28,83 27,28 3,26 0,50 0
1,2-DCE 129 -166,1
CCl
3
-CHO 150,6 -213,8
CHCl=CCl
2
122,6 -7,53
CCl
2
=CCl
2
95,118 -15,06
CO
2
(г) 37,11 44,14 9,04 -8,54 -393,51
H
2
O(г) 33,61 30,00 10,71 0,33 -241,81
CO 29,14 28,41 4,10 -0,46 -110,53
O
2
29,37 31,46 3,39 -3,77 0
????????????????>??????????????????????
a. Sự phụ thuộc của nhiệt cụ thể từ nhiệt độ mà tại đó các chất phản ứng được
đưa vào lò phản ứng:
2'2
−
+++=

TccTbTaC
p
Bảng 3.3: Ethyle kỹ thuật được nhập vào ở 125
0
C
Chất
n
n.а n.b.T.10
3
n.c
’
.T
-2
.10
-5
n.c.T
2
.10
6
Kmol/h
CH
4
3,4238 49,0288 255,6209 -59,6768
С
2
Н
4
279,6137 3165,2271 34115,6675 -10597,3592
С
2

H
6
2,2683 13,0427 397,2020 -131,2212
С
3
H
6
0,0143 0,1779 2,5041 -0,6807
Tổng 3227,4765 34770,9945 -10788,9679
398
2
3 6
298
2 3
3 6
34770,9945 10788,9679
. 3227,4765
10 10
1 34770,9945 1 10788,9679
3227,4765
2 3
10 10
1401220,4610 / 389,2279
Etylen
C dTТ Т
T T T
KJ h
∆ = + − =
= + − =
= =

∫
HCl kỹ thuật được nhập vào ở 160
0
C
Chất
n
n.а.T n.b.T.10
3
n.c
’
.T.10
-5
Kmol/h
N
2
4,0021 111,5785 17,0890 0
HCl 530,8746 16701,3149 1799,6649 -2001,3972
CHCl
2
-CHCl
2
0,5408 0 0 0
Cl
2
1,0816 40,0516 0,7247 -3,0826
H
2
2,5419 69,3430 8,2866 1,2710
1,2-DCE 0,4867 0 0 0
Tổng 16922,2880 1825,7652 -2003,2088

433
5 2
3
298
1825,7652
. 16922,2880 2003,2088 10
10
3858455,0700 / 1071,7931( )
HCl
C dTТ Т
KJ hкВт
−
∆ = + − × =
= =
∫
Nhiệt độ không khí đầu vào được cung cấp ở 150
0
C:
Chất
n
n.а.T n.b.T.10
3
n.c
’
.T
-2
.10
-5
Kmol/h
N

2
942,2587 26270,1726 4023,4446 0
O
2
219,1646 6894,9183 742,9680 -826,2505
Tổng
33165,0909 4766,4126 -826,2505
423
5 2
3
298
4766,4126
. 33165,0909 826,2505 10
10
5012423,2300 / 1394,8398( )
воздухl
C dTТ Т
kJ hкВт
−
∆ = + − × =
= =
∫
Tiêu chuẩn enthalpy:

2 4 2 2 2 4
298 298 298 298
1 ,
2
166,1000 ( 241,8100) 52,3000 460,2100( )
HCl

f f C H Cl H O C H
H H H H H
KJ
Mol
∆ = ∆ + ∆ − ∆ − ∆ =
= − + − − = −
2 2 2 4
2 2 4
3
298 298 298 298
,2 ,
298 298 298 298
,3 ,
298 298
,4 ,
2 2 2 ( 393,51) 2 ( 241,81) 52,3
1322,9400( )
2 2 2 ( 110,53) 2 ( 241,81) 52,3
756,9800( )
3
f f CO H O C H
f f CO H O C H
f fСCl CHO
H H H H
KJ
Mol
H H H H
KJ
Mol
H H

∆ = ∆ + ∆ − ∆ = × − + × − − =
= −
∆ = ∆ + ∆ − ∆ = × − + × − − =
= −
∆ = ∆ + ∆
2 2 4
2 2 2 4
2 2
298 298
298 298 298 298
,5 ,
298
,6 ,
3
( 213,8) 3 ( 241,81) 52,3 3 ( 92,31) 714,6( )
3 3
( 7,53) 3 ( 241,81) 52,3 3 ( 92,31) 508,33( )
H O C H HCl
f fСHCl CСl H O C H HCl
f fСCl CCl
H H H
KJ
Mol
H H H H H
KJ
Mol
H H
=
=
− ∆ − ∆

= − + × − − − × − = −
∆ = ∆ + ∆ − ∆ − ∆
= − + × − − − × − = −
∆ = ∆
2 2 4
298 298 298
4 4
( 15.06) 4 ( 241,81) 52,3 4 ( 92,31) 665,36( )
H O C H HCl
H H H
KJ
Mol
+ ∆ − ∆ − ∆
= − + × − − − × − = −
)(262,2)(262,2)(89,8142
)36,665(084,0)33,508(04194,0)98,756(5033,0
)94,1322(05689,1)19,239(2824,26
298
,,
0
298,
42
кВт
с
кДж
час
кДж
HFH
ifiHCпроц
−=−=−=

=−×+−×+−×+
+−×+−×=∆×=∆