đồ án chuyên ngành quy trình công nghệ và các phương pháp sản xuất ethanolamine

Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp hóa chất đang dần phát triển
mạnh mẽ. Từ những chất ban đầu chúng ta tạo ra được những sản phẩm có giá trị kinh
tế, giúp cho ích cho đời sống. Ngoài ra, đối với các chất không có sẵn, chúng ta còn có
thể điều chế chúng bằng cách tổng hợp từ các chất đơn giản thành các chất mà ta mong
muốn.
Công nghệ tổng hợp ethanolamine từ ethylen oxide với dung dịch ammoniac.
Được biết đến từ những năm 1890, bấy giờ người ta đã biết tổng hợp ra ethanolamine
nhưng mãi đến những năm 1945 thì nó mới được phát triển. Tuy nhiên công nghệ đơn
giản, thô sơ nên mãi cho đến năm 1970 thì việc tổng hợp ethanolamine mới đạt được
độ tinh khiết cao. Ethanolamine là một sản phẩm được tiêu thụ mạnh trong nhiều lĩnh
vực khác nhau trong công nghiệp hóa chất như sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, công
nghệ dệt, sản xuất nước đánh bóng và sơn, sản xuất keo gián hay trong mỹ phẩm, xà
phòng, tinh chế khí…
Từ việc ứng dụng rộng rãi của ethanolamine mà chúng em được giao đồ án
thiết kế quy trình sản xuất ethanolamine. Quá trình tính toán thiết kế quy trình nhằm
mục đích:
- Tìm hiểu về tình hình sản xuất và tiêu thụ của ethanolamine.
- Quy trình công nghệ và các phương pháp sản xuất ethanolamine đang được
ứng dụng hiện nay.
- Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chính.
Nhóm SVTH Trang 1
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ETHNAOLAMINE
1.1.1 Tình hình sản xuất
Monoethanolamine(MEA), Diethanolanime(DEA) và Triethanolamine (TEA)
có thể được coi là dẫn xuất của ammoniac trong đó một, hai hay ba nguyên tử Hydro
được thay thế bởi nhóm CH
2

CH
2
OH.
Công thức hóa học:
MEA: NH
2
-CH
2
-CH
2
-OH
DEA: OH-CH
2
-CH
2
-NH-CH
2
-CH
2
-OH
TEA: OH-CH
2
-CH
2
-N(CH
2
-CH
2
-OH )-CH
2

-CH
2
-OH
Monoethanolamin là sản phẩm của phản ứng ethylene oxide với dung dịch
ammoniac. Phản ứng này cũng đồng thời sản xuất diethanolanime và triethanolamine.
Tỉ lệ các sản phẩm có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi lượng của chất phản ứng.
Để tách các sản phẩm người ta thực hiện bằng cách chưng chất phân đoạn
Ethanolamine được biết vào từ những năm 1860 bởi Wurtz từ ethylene
chlorohydrin và dung dịch ammoniac. Sau đó phát triển mạnh vào những năm 1945,
đến năm 1970 người ta đã sản xuất được ethanolamine với độ tinh khiết cao.
[1]
Trong năm 2008, sản xuất ethanolamine thế giới khoảng 1,57 triệu tấn, sản
lượng khoảng 1,3 triệu tấn.
[2]
Tình hình sản xuất của các nước: sản xuất tập trung, ở Mỹ có 4 nhà sản xuất
ethanolamine với tổng công suất 640.000 tấn / năm; Đức và Nhật Bản có 2 nhà sản
xuất. Sản xuất với quy mô trung bình thì ở Mỹ là cao như 160.000 tấn / năm, và quy
mô của Đức khoảng 60.000 tấn / năm
[2]
Trong năm 2009, sản lượng ethanolamin Trung Quốc là khoảng 90.000 tấn
[2]
.
Tại Bắc Mỹ, ethanolamines tiêu thụ được dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ trung bình
hàng năm khoảng 3% từ năm 2011 đến năm 2017.
[2]
1.1.2 Ứng Dụng
• Lĩnh vực sản xuất bột giặt
Amid béo của EA dùng làm thành phần của bột giặt anion, có tác dụng làm tăng
tạo bọt, ổn định bột và hoà tan chất dầu mỡ, dùng làm thành phần của nước rửa chén
và chất tẩy đặc biệt. Bột giặt EA có khả năng kháng nước cứng, nó được dùng trong

những trường hợp không thể dùng xà phòng kim loại
Nhóm SVTH Trang 2
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
• Tinh chế khí: EA là chất hấp thụ các khí acid như : CO
2
, H
2
S nên được dùng để
tinh chế khí
• Trong mỹ phẩm: EA được dùng để điều chế amid acid béo, amid này dùng làm
chất làm đặc trong dầu gội đầu. Xà phòng ethanolamine được dùng trong nước
thơm, kem mỹ phẩm, kem tẩy, kem cạo râu.
• Công nghệ dệt: Do tính hút ẩm, tính nhũ hoá và độ kiềm thấp nên dùng
ethanolamine làm chất mềm và chất dẻo hoá trong công nghiệp dệt.Muối
Chlohydric của EA dùng làm chất xúc tác cho quá trình xử lý nhựa resin của sợi
cotton.Chất tăng trắng nhờ hiệu ứng quang học. Tăng tính hấp thu nước. Chất
trung hoà thuốc nhuộm. Chất phân tán thuốc nhuộm. Ethanolamine kết hợp với
acid sulfamic được sử dụng làm lớp chống cháy cho sợi.
• Sản xuất nước đánh bóng và sơn: Xà phòng ethanolamine được dùng làm chất
nhũ tương và chất phân tán cho nhiều loại sáp và nước bóng. Nước bóng được
dùng cho sàn nhà, gỗ, thuỷ tinh, đồ gốm, xe hơi, giầy dép, đồ gia dụng. EA và
rosin tạo ra một sản phẩm dùng để phân tán chất màu trong sơn. Ngoài ra EA
còn là chất tăng độ ngấm của chất tẩy giúp tẩy sơn dễ dàng hơn
• Sản xuất Keo dán: Nóng chảy polyester, tinh bột
• Ở lĩnh vực nông nghiệp: Chất trung hoà, Chất diệt tảo, Kích thích sự tăng
trưởng của cây
• Sản xuất gỗ: Là chất loại lignin, Chất làm trương
• Công nghiệp sản xuất Ximăng:Chất trợ nghiền,Chất khử nước, Chất tăng độ
lỏng
• Công nghệ điện hóa: Ức chế ăn mòn nhôm, ức chế ăn mòn các kim loại có sắt

• Các ứng dụng khác: Chất đóng rắn nhựa epoxy, Dầu bôi trơn có nước, Dầu cắt,
Chất tẩy
Nhóm SVTH Trang 3
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Monoethanolamine là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất ethylendianime
và ethylenenimine.
1.1.3 Tính chất của EA
1.1.3.1 Tính chất lý học
EA ở trạng thái bình thường là chất lỏng, không màu, nhớt, có mùi giống mùi
của ammoniac, dễ cháy, ăn mòn và có tính độc cao, hút ẩm ở nhiệt đọ thường.
Cũng giống những amine khác EA có tính bazo yếu, tan vô hạn trong nước và
rượu.
Một số tính chất vật lý đặc trưng của EA được đưa dưới bảng 1.
[3]
Bảng 1: Tính chất vật lý của MEA
Khối lượng phân tử, M 61
Nhiệt độ sôi, t
s
170
0
C
Nhiệt độ đông đặc 10.3
0
C
Độ nhớt (25
0
C) 19.37 cP
Áp suất hơi (20
0
C) 64 Pa

Điểm chớp cháy 85
0
C
Điểm tự cháy 410
0
C
Tính tan trong nước Vô hạn
Tỷ trọng 1.012g/cm
3
Mùi Amoniac
1.1.3.2 Tính chất hóa học
EA có tính chất tương tự của amin và ancol, tạo muối với các axit đối với tính
chất của amin và tạo este đối với nhóm hydroxyl.
Nhóm SVTH Trang 4
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
• Giống các amin khác EA cũng phản ứng với các axit hoặc axit clorua để tạo
thành amit.
Vd: MEA phản ứng với axit stearic:
NH
2
CH
2
CH
2
OH + C
17
H
35
COOH → NH
2

CH
2
CH
2
OH.C
17
H
35
COOH
→ OHCH
2
CH
2
-NH-CO- C
17
H
35
COOH + H
2
O
• Phản ứng thủy phân: Khi ethanolamides của các axit béo được đun nóng ở nhiệt
độ khá cao để loại bỏ nước thì oxazoline được hình thành:
R
O
NH
OH
N
O
R
+

OH
2
• MEA phản ứng với cacbon disunfua:

OH
H
2
N
+
CS
2
HS
N
O
+
H
2
O
• Phản ứng thể hiện tính chất ancol: Các nhóm OH trong EOA có thể được thay
bằng clo. Khi cho EOA phản ứng với clorua thionyl hoặc pentachloride phốt
pho:
NH
OH
OH
+
2
SOCl
2
NH
Cl

Cl
+
2SO
2
+
2HCl
Monoethanolamine và Triethanolamine có thể tạo ra các phức với các ion kim
loại chuyển tiếp (ví dụ , crom , đồng, niken, coban , sắt ) , một số trong những khu
phức hợp được hòa tan trong nước.
1.2 QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP.
Nhóm SVTH Trang 5
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
1.2.1 Cơ sở hóa học của quá trình
+
OH
H
2
N
OH
H
2
N
+
NH
OH
OH
NH
OH
OH
+

N
OH
OH
NH
3
O
OH
k
1
k
2
k
3
O
O
Quá trình sảy ra chậm và tăng tốc khi có nước, phản ứng sảy ra trong pha lỏng,
nồng độ amoniac trong nước từ 50 đến 100%. Áp suất có thể lên đến 16MPa, nhiệt độ
lên đến 150
0
C. Đây là phản ứng tỏa nhiệt mạnh. Entanpy của phản ứng là khoảng 125
kJ. Phản ứng không cần xúc tác
1.2.2 Động học và cơ chế phản ứng
Phản ứng tổng hợp MEA,DEA,TEA là phản ứng 1 chiều, không sử dụng xúc tác.
Động học và cơ chế phản ứng phụ thuộc vào môi trường phản ứng.nghĩa là phản ứng
phụ thuộc vào nồng độ và lượng mol của amoniac phản ứng chứ không phụ thuộc vào
lượng nước, nhiệt độ hay áp suất của phản ứng.
Tỷ lệ sản phẩm được thể hiện ở hình 1
Nhóm SVTH Trang 6
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Hình 1. Phân phối sản phẩm của Monoethanolamine ( a) , Diethanolamine ( b ) ,

Triethanolamine ( c ) , (d) là ete glycol của Triethanolamine dựa vào tỷ lệ mol của
amoniac với ethylene oxide (EO ) trong dung dịch nước ở 100 - 200 ° C.
1.2.3 Yếu tố đến quá trình công nghệ
1.2.3.1 Tỷ lệ NH
3
/ EO.
Tỷ lệ NH
3
/ EO có ảnh hưởng lớn đến sản phẩm tạo thành.Theo phân tích từ hình
1 cho thấy muốn tạo ra nhiều sản phầm là MEA thì tỷ lệ tốt nhất là từ 15 đến 20.
Nếu NH
3
/EO < 15 thì độ chuyển hóa không cao và sản phẩm phụ không mong
muốn có xu hướng tạo thành nhiều. dẫn đến MEA thu được không đạt năng suất
Nếu NH
3
/EO > 20 thì độ chuyển hóa cao, dẫn đến hao phí nguyên liệu và làm
cho quá trình tuần hoàn diễn ra với lượng NH
3
dư thừa rất nhiều. lãng phí nhiên liệu
cung cấp cho quá trình tách và hồi lưu.
1.2.3.2 Nhiệt độ
Đây là phản ứng tỏa nhiệt và không sử dụng xúc tác nên phản ứng tốt nhất sảy ra
ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Theo thực nghiêm cho thấy phản ứng sảy ra ở nhiệt độ
từ 150
0
C đến 300
0
C. Nhưng tốt nhất là từ 150
0

C đến 270
0
C để đạt hiệu suất cao nhất
và tránh sảy ra các phản ứng phụ tạo ra các sản phẩm không như mong muốn
1.2.4 Phương pháp sản xuất
Nhóm SVTH Trang 7
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Ngày nay sản xuất ethanolamines chủ yêu là đi từ ethylene oxide và ammonia
1.3 NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP ETHANOLAMINE
Nguyên liệu tổng hợp enthanolamine là ethylene oxide và ammoniac
1.3.1 Ethylene oxide
Ethylene oxide, còn được gọi là oxirane, là các hợp chất hữu cơ với công
thức C
2
H
4
O. Nó là một ête vòng (một ête vòng bao gồm một ankan với một nguyên tử
oxy liên kết với hai nguyên tử carbon của ankan, tạo thành một vòng).
Ethylene oxide là một nguyên liệu quan trọng với các ứng dụng đa dạng, bao
gồm sản xuất các sản phẩm như polysorbate và polyethylene glycol được dùng có hiệu
quả hơn và ít độc hại hơn so với vật liệu thay thế. Ethylene oxide là một chất rất độc
hại: ở nhiệt độ thường nó là một chất dễ cháy , gây ung thư, gây đột biến , mùi khó
chịu, và gây mê.
1.3.1.1 Tính chất vật lý.
Ethylene oxide là một chất khí không màu ở 25°C và là một chất lỏng di động ở
0°C - độ nhớt của chất lỏng ethylene oxide ở 0°C là thấp hơn so với nước khoảng 5,5
lần. Khí có mùi ngọt đặc trưng của ete, đáng chú ý là nồng độ của nó trong không khí
không vượt quá 500ppm. Ethylene oxide dễ dàng hòa tan trong nước, ethanol,
diethylether và nhiều loại dung môi hữu cơ khác.
Một số tính chất vật lý quan trọng của Ethylene oxide được trình bày ở bảng 2.

[3]
Bảng 2: Một số tính chất vật lý của Ethylene oxide
Công thức phân tử C
2
H
4
O
Khối lượng phân tử, M 44,047
Nhóm SVTH Trang 8
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Nhiệt độ nóng chảy -112
0
C
Nhiệt tới hạn 196
0
C
Nhiệt độ tự bốc cháy 400
0
C
Áp suất hơi(20
0
C) 1.4
Trọng lượng riêng 1.52
Điềm sôi 10.7
0
C
Khả năng hòa tan trong nước Tan vô hạn
Giới hạn nổ 3-100%
1.3.1.2 Tính chất hóa học
Cấu tạo gồm một vòng thành bao gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử

carbon. Vì cấu trúc phân tử đặc biệt của nó, ethylene oxide dễ dàng tham gia phản ứng
cộng
Ethylene oxide dễ dàng phản ứng với các hợp chất khác nhau, phá vỡ một liên
kết C-O và mở vòng.
• Phản ứng điển hình của nó là với nucleophiles mà tiến hành thông qua các S
N
2 cơ
chế cả trong axit (nucleophiles yếu: nước, rượu) và các chất có tính kiềm
(nucleophiles mạnh: OH
-,
RO
-,
NH
3,
RNH
2,
RR'NH vv ). Các sơ đồ phản ứng chung
là
Nhóm SVTH Trang 9
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Phản ứng với nước và rượu
Dung dịch nước của ethylene oxide là khá ổn định và có thể tồn tại trong một
thời gian dài mà không có bất kỳ phản ứng hóa học đáng chú ý, nhưng cho thêm một
lượng nhỏ axit, chẳng hạn như axit sulfuric , ngay lập tức sảy ra phản ứng tạo thành
của ethylene glycol , ngay cả ở nhiệt độ phòng:
(CH
2
CH
2
)O + H

2
O → HO-CH
2
-CH
2
-OH
Phản ứng với rượu
(CH
2
CH
2
)O + C
2
H
5
OH → HO-CH
2
-CH
2
-OC
2
H
5
2 (CH
2
CH
2
)O + C
2
H

5
OH → HO-CH
2
-CH
2
-O-CH
2
-CH
2
-OC
2
H
5
• Ethylene oxide phản ứng với amoniac tạo thành một hỗn hợp của mono-, di-và
tri- ethanolamines . Phản ứng được kích thích bằng cách thêm một lượng nhỏ nước.
(CH
2
CH
2
)O + NH
3
→ HO-CH
2
-CH
2
-NH
2
2 (CH
2
CH

2
)O + NH
3
→ (HO-CH
2
-CH
2
)
2
NH
3 (CH
2
CH
2
)O + NH
3
→ (HO-CH
2
-CH
2
)
3
N
1.3.2 Amoniac
1.3.2.1 Tính chất vật lý
Nhóm SVTH Trang 10
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Amoniac là chất khí không màu mùi khai và sốc, nhẹ hơn không khí. Là phân tử
có cực, amoniac dễ dàng tan trong nước. Một lít nước ở 0
0

C hòa tan 1200 lít khí NH
3
.
Ở 20
0
C là 700 lít NH
3
.
Do có tính phân cực lớn, phân tử amoniac có khả năng kết hợp với nhau nhờ liên
kết hydro cho nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt hóa hơi của
nó( 22,82kJ/mol) cao so với những hợp chất tương tự.
Amoniac lỏng có hằng số điện môi tương đối lớn nên nó là một dung môi ion hóa
rất tốt đối với nhiều chất. Cũng như nước, amoniac lỏng tự phân ly theo quá trình:
2NH
3
NH
4
+
+ NH
2
-
Amoniac lỏng có khả năng hòa tan các kim loại kiềm và kiểm thổ tạo nên dung
dich có màu lam thẫm
Một số tính chất vật lý quan trọng của amoniac đươc thể hiện ở bảng3.
[3]
Bảng 3: Một số tính chất vật lý của NH
3
Đại lượng Vật lý Giá trị
Khối lượng phân tử 17,0312
Áp suất tới hạn

11,28 ( MPa )
Nhiệt độ tới hạn 132,4 (
0
C )
Tỷ trọng của lỏng ở 0
0
C và 101.3 kPa 0,6386 ( g/cm
3
)
Độ nhớt tới hạn 23,90.10
-3
( mPa.s )
Nhiệt độ nóng chảy
-77,71 (
0
C )
Nhiệt hóa hơi ở 101.3kPa 1370 ( kJ/kg )
Áp suất hơi 6,077 ( kPa )
Điểm sôi -33,43 (
0
C )
Thể tích tới hạn 4,225 ( cm
3
/g )
Nhóm SVTH Trang 11
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
1.3.2.2 Tính chất hóa học
Về mặt hóa học amoniac là chấtkháhoạtđộng. Với cặp electron tự do ở nito,
amoniac có khả năng kết hợp dễ dàng với nhiều chất
Khi tan trong nước amoniac kết hợp với ion H

+
của nước tạo thành ion NH
4
+
và dung
dịch trở nên có tính bazơ.
NH
3
+ H
+
= NH
4
+
H
2
O H
+
+ OH
Như vậy dung dịch NH
3
trong nước là một bazo yếu.
• Tính bazơ :
NH
3
+ HCl NH
4
Cl
• Tính khử :
2NH
3

+ 3Cl
2
= N
2
+ 6HCl
• Phản ứng phân hủy ở nhiệt độ cao :
2NH
3
N
2
+ 3H
2
• Đối với các chất oxi hóa khác amoniac bền ở điều kiện thường, khi đun nóng nó
khử 1 số oxit của 1 số kim loại :
3CuO + 2NH
3
= N
2
+ 3H
2
O + 3Cu
• ở 800
0
C 900
0
C nhôm tương tác với khí amoniac tạo thành nhôm nitrua và
hydro : 2Al + 2NH
3
= 2AlN + 3H
2

Nhóm SVTH Trang 12
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
1.4 QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
Công nghệ sản xuất của hãng Dow
Hình 2 : sơ đồ công nghệ của hãng Dow
1. Thùng đựng NH
3
5. Thiết bị chưng cất
2. Thùng đựng C
2
H
4
O 6. Tháp tách
3. Thiết bị phản ứng chính 7. Tháp hấp thụ
4. Thiết bị loại nước 8. Thiết bị tách NH
3
Thuyết minh công nghệ
Công nghệ này sử dụng nguyên liệu là ethylene oxide tổng hợp từ ethylen và
ammonia đi từ khí tự nhiên. Thiết bị phản ứng chính là thiết bị cánh khuấy làm việc
liên tục.
Ethylene oxide từ tank 2 và amoniac tank 1 được đưa vào lò phản ứng 3, cùng
với lượng nước đủ để xúc tác phản ứng, sản phẩm sẽ được đưa vào tháp 4, hoạt động ở
áp suất 30 psig. Amoniac được loại ở thiết bị 8 và được hồi lưu lại thiết bị 1. Amoniac
còn lại, nước và hỗn hợp của ethanolamines được đưa ra dưới cùng của tháp 4 và đưa
vào cột chưng cất 7 hoạt động ở khoảng 30 psig và ở nhiệt độ khoảng 140
0
C. Amoniac
được loại và đưa đến thiết bị 7, nơi nó được hấp thụ trong nước. Nước và các amin
được đưa ra dưới cùng của cột 5 và đưa đến một tháp chưng cất thứ hai 13 hoạt động
dưới áp suất giảm. Nước được lấy trên và được giải hấp ở tháp hấp thụ. Amin được lấy

Nhóm SVTH Trang 13
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
ra khỏi đáy của tháp 6 và gửi đến cột tách (không hiển thị ), nơi các mono-, di - và
triethanolamines được thu hồi. Các NH
3
ngưng tụ tại thiết bị 8 và NH
3
dung dịch nước
từ hấp thụ ở thiết bị được đưa đến thiết bị 1 và từ đó đến lò phản ứng 3.
Nhóm SVTH Trang 14
ETHANOLAMINE
REACTION
SYSTEM
AMONIAC
STRIPPING
AMINES
SEPARATION
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 LỰA CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Công nghệ sản xuất ethanolamine đi từ ethylen oxide và amoniac là nguyên liệu
chủ yếu. ethylen oxide được tổng hợp từ ethylen (CH
2
=CH
2
) và amoniac được tổng
hợp từ khí tự nhiên.
Có thể sử dụng công nghệ của hãng Dow để sản xuất EOA từ 2 nguyên liệu
trên để đạt được độ chuyển hóa và năng xuất cao nhất.
2.2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT EOA

EO
NH3 DEA
TEA
Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Ban đầu nguyên liệu gồm NH3 nguyên chất và ethylene oxide sau khi loại các
tạp chất, cặn bẩn thì được chứa trong các tank (1) và (2), qua hệ thống bơm (14) đặt
song song nhau, chế độ làm việc bình thường thì chỉ có 1 bơm hoạt động, để tránh
trường hợp xảy ra sự cố đường ống hay bơm bị hư sẽ có bơm dự phòng. Dòng NH
3
và
oxide ethylene nhờ bơm đưa vào thiết bị trộn dòng (3). Ở đây, theo tỷ lệ đã tính toán
ban đầu là 15:1 thì 2 dòng nguyên liệu sẽ được trộn sơ bộ với nhau. Vì là phản ứng
tỏa nhiệt nên trước khi vào tháp phản ứng (5) chúng cần được cấp nhiệt thông qua
thiết bị trao đổi nhiệt (4) đến nhiệt độ cần thiết cho phản ứng khoảng 120–150
0
C.
Tháp làm việc ở chế độ bán liên tục, sản phẩn sau khi ra khỏi tháp phản ứng gồm
MEA, DEA, TEA, và phần nhỏ NH
3
và oxide ethylene chưa tham gia phản ứng hết.
các sản phẩm sẽ được bơm (14) đưa đến các thiết bị tách NH
3
(6), tách oxide ethylene
và nước (7), để làm sạch sản phẩm chính và các chất bị loại sẽ hồi lưu lại nguyên liệu
ban đầu. Dòng sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp (7) chỉ còn MEA, DEA, TEA sẽ được đưa
Nhóm SVTH Trang 15
MEA
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
vào giữa tháp (8) tháp tách MEA, nhờ sản phẩm đáy cấp nhiệt ở đáy tháp nên các cấu
tử nhẹ sẽ được thu ở đỉnh tháp. Qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ và bình tách 2 pha, sản

phẩm đỉnh 1 phần sẽ được hồi lưu lại đỉnh tháp, mục đích của việc hồi lưu đỉnh tháp là
để lôi kéo các cấu tử nặng bị cuốn theo do nhiệt nếu có. Và MEA sẽ được chứ trong
thùng chứa (11). Các phần nặng sẽ lấy ra ở đáy tháp (8), được đưa qua tháp (9) tháp
tách DEA và tháp (10) tháp tách TEA, nguyên lý cũng tương tự như tháp (8). Cuối
cùng sẽ được chứa trong các bồn chứa (12), (13).
Nhóm SVTH Trang 16
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
3.1 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Dây chuyền sản xuất Ethanolamine từ nguyên liệu NH
3
và EO với công suất
3960 tấn/năm.
Dây chuyền chuyền sản xuất 24h/ngày một năm làm việc 330 ngày 35 ngày nghỉ
để bảo dưỡng và sửa chữa định kỳ.
Các chỉ tiêu sản xuất:
Năng suất MEA: 3.960 tấn mỗi năm vậy năng suất dây chuyền tính theo giờ là:
3960000: (330x24)= 500 Kg/h
Tính theo Kmol/h:
500: 61= 8,197 Kmol/h
(khối lượng phân tử của MEA là 61)
Nồng độ sản phẩm tính theo khối lượng:
MEA: 75%
DEA và TEA: 25%
3.1.1 Tính cân bằng vật chất chung
Quá trình tổng hợp MEA:
Cân bằng: ∑ khối lượng vào = ∑ khối lượng ra
Các dòng khối lượng đi vào phần tổng hợp MEA gồm có:
+ EA lỏng: G
1

, Kg/h
+ NH3 lỏng: G
2
, Kg/h
Các dòng sản phẩm đi ra khỏi phần tổng hợp MEA gồm có:
+ MEA: G
3
Kg/h
+ NH3 chưa phản ứng: G
4
, Kg/h
+ sản phẩm phụ: G
spp
Nước do NH
3
mang vào (3%)
Ở đây để đơn giản ta coi rằng trong quá trình hấp thụ và quá trình chưng tách thu
hồi NH
3
và nước, lượng H
2
O sử dụng không bị mất mát và được tuần hoàn lại cho quá
trình, và lượng H
2
0 lấy ra bằng lượng nước đưa vào dây chuyền do có ở trong nguyên
liệu NH
3
và bằng G
H2O
, Kg/h

Tính toán các khối lượng G
1
, G
2
, G
3
, G
4
, G
H2O
như sau:
Khối lượng MEA đi ra phải là năng suất quy định của toàn dây chuyền sản xuất
và bằng 500 Kg/h.
Vậy G
3
= 500 Kg/h
Nhóm SVTH Trang 17
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Phản ứng tổng hợp như sau:
C
2
H
4
O + NH
3
 MEA
Vậy để tạo ra MEA đạt năng suất yêu cầu là 8,197 Kmol/h thì lượng EO phải đưa
vào là:
8,197/ 0.99= 8,28 Kmol/h
Ở đây đơn giản trong tính toán ta coi độ chọn lọc MEA đạt 100% và EA không

tiêu thụ cho phản ứng phụ tạo ra DEA và TEA.
Vậy G
EO
= 8,28 x 44 = 364,32 Kg/h
( MIB = 44)
+ Khối lượng NH
3
đưa vào thiết bị phản ứng MEA theo tỉ lệ:
NH
3
/ EO= 15
Vậy lượng NH
3
đưa vào là:
8,28 x 15 = 124,2 Kmol/h
Hay 124,2 x 17 =2111,4 Kg/h
Lượng NH
3
đưa vào thiết bị = lượng NH
3
mới đưa vào + Lượng NH
3
tuần hoàn.
Trong đó:
Lượng NH
3
tuần hoàn = 100% - lượng NH
3
phản ứng
Lượng NH

3
tiêu hao cho phản ứng cũng bằng số Kmol sản phẩm tạo ra ( theo
phản ứng tổng hợp) và bằng 8,28 Kmol/h
Vậy lượng NH
3
còn lại sau phản ứng là:
124,2 – 8,28 = 115,92 Kmol/h
Hay 115,92 x 17 = 1970,64 kg/h
Ta coi sản phẩm phụ trong MEA chỉ gồm DEA và TEA không chứa NH3…. Lượng
DEA và TEA chiếm 25%
Khối lượng sản phẩm phụ:
0.25 x 500 = 125 Kg/h
Coi rằng lượng NH
3
không phản ứng được thu hồi 100%
Lượng NH
3
(100%W) mới cần đưa vào
2111,4-1970,64 = 140.76 Kg/h
Lượng NH
3
97% mới cần đưa vào dây chuyền là :
140,76 ÷ 0,97 = 145,11 kg/h
Lượng nước đưa vào dây chuyền là:
G
H2O
= 145,11 – 140,76= 4,35 kg/h
Cân bằng ta có :
G
1

+ G
2
= G
3
+ G
4
+ G
spp
+ G
H2O
Hay:
G
1
+ 2111,4 = 500+ 1970,64 + 125 + 4,35
 G
1
= 488,59 Kg/h
Bảng 4 : cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng
Nhóm SVTH Trang 18
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Cân bằng vật chất đi vào ( kg/h) Cân bằng vật chất đi ra ( kg/h)
G
EO
= 364,32
G
NH3
= 2111,4
G
EA
= 488,59

G
NH3
= 1970,64
G
SPP
= 125
G
H20
= 4,35
Tổng ∑= 2475,72 Tổng ∑= 2588,58
Bảng 5: lượng NH
3
nguyên liệu mới cần đưa vào dây chuyền
Thành Phần % Kmol/h Kg/h
NH
3
100 145,11 2111,4
Tổng 100 145,1 2111,4
Bảng 6: Thành phần và khối lượng của các dòng tuần hoàn
Thành Phần % Kmol/h Kg/h
NH
3
H
2
O
100 115,92
0,242
1970,64
4,35
Tổng 100 115,92 1974,99

3.1.2 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chưng tách.
Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng chính sau đó đi qua các thiết bị phản
ứng chưng tách. Vì vậy các cấu tử và khối lượng của chúng cũng là các cấu tử và khối
lượng của dòng ra thiết bị phản ứng chính.
Ta có: G
vào =
2475,72 Kg/h
Ở thiết bị phản ứng chưng cất này do việc chưng tách sản phẩm EA là liên tục
nên cân bằng chuyển hóa cao hơn và làm độ chuyển hóa chung của quá trình tăng
Phản ứng:
Nhóm SVTH Trang 19
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
+
OH
H
2
N
OH
H
2
N
+
NH
OH
OH
NH
OH
OH
+
N

OH
OH
NH
3
O
OH
k
1
k
2
k
3
O
O
Sản phẩm ra khỏi thiết bị chưng cất đầu tiên đạt là 8,197Kmol/h (ứng
với500kg/h) trong đó MEA tạo ra từ tháp đầu tiên là 75% tính theo khối lượng, DEA à
20% và TEA là 5%
Lượng tạo ra ở thiết bị chưng cất là:
MEA: 8,197 x 75% = 6,148 Kmol/h = 375,028 Kg/h
DEA:8,197 x 25% = 2,05 Kmol/h = 186,55 Kg/h
TEA: 8,197 x 5% = 0.41 Kmol/h = 56,17 Kg/h
3.2 TÍNH TOÁN CÂN BẲNG NHIỆT LƯỢNG
Với thiết bị phản ứng thứ nhất có thể tính cân bằng nhiệt lượng như sau:
Các dòng nhiệt vào = các dòng nhiệt ra
Các dòng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu vào
Q
1
= G
nguyên liệu
. Cp

nguyên liệu
. t
nguyên liệu
Nhiệt độ nguyên liệu đi vào là t
nguyên liệu
= 140
0
C
Bảng 7 : Tóm tắt hỗn hợp nguyên liệu vào
Thành phần Kg/h % khối lượng Kmol/h
EO
NH
3
H
2
O
364,32
2111,4
4,35
14,7
85,124
0,176
8,28
124,2
0.242
Tổng G
ng.liệu
= 2475,72 100 G
ng.liệu
= 132,722

Tính Cp hốn hợp nguyên liệu mang vào
Nhóm SVTH Trang 20
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Cp của hỗn hợp lỏng được tính theo công thức
Cp = ∑ C
p
i
. X
i
Trong đó:
C
i
p
: nhiệt dung riêng của các cấu tử trong dung dịch
X
i
: phần trăm khối lượng của cấu tử i
Tính các cấu tử trong hỗn hợp
C
p( ethylene oxide)
= 4225 J/ Kg.độ
C
p ( NH3)
= 2449,278 J/ Kg. độ
C
p H2O
= 4,2769. 10
3
J/ Kg.độ
C

p nguyên liệu
= X
EO
.C
p EO
+ X
NH3
.C
p NH3


= 14,7 . 4225 + 85,124.2449,278
= 270089,0965 J/Kg.độ
= 27,0089KJ/ Kg. độ
Vậy Q
1
= G
nguyên liệu
.Cp
nguyên liệu
.t
nguyên liệu
= 132,722. 27,0089.140
= 501854,5316 KJ/h
+ Dòng nhiệt do nước làm mát mang vào
Q
2
= G
H2O
. Cp

H2O
. t
H2O
Chọn nhiệt độ nước làm lạnh là 25
0
C
Tra sổ tay quá trình thiết bị ta có
Cp
H2O
= 75,22 KJ/ mol.độ = 4178,4863 J/Kg.độ
+ Nhiệt tỏa ra trong phản ứng tổng hợp
Q
3
= Q
r
= ΔH. n
Trong đó:
ΔH : nhiệt phản ứng
n : số mol EA tạo thành
thay số ta được Q
3
= 125.10
3
. 8,2 = 1025.10
3
KJ/ h
+ Nhiệt lượng do các sản phẩm mang ra
Q
4
= G

Sản Phẩm
. Cp
Sản Phẩm
. t
Sản Phẩm

Bảng 8: dòng sản phẩm đi ra thiết bị phản ứng:
Thành phần Kmol/h Kg/h % khối lượng
EO 0 0 0
Nhóm SVTH Trang 21
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
NH
3
H
2
O
MEA
DEA
TEA
115,92
0.242
6,15
0,95
0.17
1970,64
4,35
375
100
25
79,623

0.176
15,151
4,04
1,01
Tổng 123,432 2474,99 100
Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm là 120
0
C
Cp
EO
= 3293 J/ Kg.độ
Cp
NH3
= 2453,4648 J/ Kg.độ
Cp
H2O
= 4296 J/Kg.độ
Cp
MEA
= 3558,78 J/Kg.độ
Cp
DEA
= 4019,328 J/Kg.độ
Cp
TEA
= 4178,4264 J/Kg.độ
Vậy
Cp
Sản Phẩm
= Cp

EO
.X
EO
+ Cp
NH3
.X
NH3
+ Cp
H2O
.X
H2O
+ Cp
MEA
.X
MEA
+
Cp
DEA
.X
DEA
+ Cp
TEA
.X
TEA

= 3293.0 + 2453,4648. 79,623+ 4296. 0,176+ 3558,78 . 15,151
+ 4019,328. 4,04 + 4178,4264 . 1,01
= 270485,6953 J/Kg.độ
= 270,4856 KJ/Kg. độ
Do đó

Q
4
= G
SP
. Cp
SP
. t
SP
= 123,432. 270,4856. 120
= 4006389,43 KJ/h
+ dòng nhiệt do chất tản nhiệt mang ra
Q
5
= G
H2O
. Cp
H2O.
t
H2O

Chọn nhiệt độ của nước đi ra là 50
0
C
Tra bảng ta có Cp H
2
O = 4186,8 J/Kg.độ [4]
Cân bằng nhiệt lượng do thiết bị ta có
∑ Nhiệt lượng đi vào = ∑ nhiệt lượng đi ra
Q
1

+ Q
2
+ Q
3
= Q
4
+ Q
5
Nhóm SVTH Trang 22
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Hay
Q
Ng.liệu
.Cp
Ng.liệu
.t
Ng.liệu
+ G
H2O
.Cp
H2O
.t
H2O
+ ΔH.n = G
SP
.Cp
SP
.t
SP
+

G
H2O
. Cp
H2O.
t
H2O
Thay số ta có :
132,722. 27,0089.140+ G
H2O
. 4178,4863.25 + 125. 8,2 = 123,432. 270,4856. 120+
G
H2O
.4296.50
Vậy nước cần làm lạnh là :
G
H2O
= 33, 155 Kmol/h
Hay G
H2O
= 596,7904 kg/h
Bảng 9: cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng thứ nhất
Nhiệt lượng vào (KJ/h) Nhiệt lượng ra (KJ/h)
Q
1
= 1878874,674
Q
2
= 3463442,832
Q

3
= 1025000
Q
4
=5477153,359
Q
5
= 890164,147
Tổng = 6367317,506 Tổng = 6367317,506
3.3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHÍNH
3.3.1 Tính toán thể tích làm việc của thiết bị phản ứng chính
Thể tích thiết bị phản ứng được tính bằng tổng thể tích của các chất đi vào thiết
bị.
V = V
1
+ V
2
Trong đó: V là thể tích thiết bị phản ứng
V
1
thể tích của Ethylene oxide
V
2
thể tích của ammoniac
Tính lượng ethylene theo thể tích: ta có khối lượng riêng của ethylene oxide ở
20
0
C là 0,882.10
3
g/cm

3
= 882 kg/ m
3
[6]
Ta có V
1
= M / ρ = 364,32 / 882 = 0.41306 m
3
= 413,06 (l)
Tra bảng 1.2 [ 5, 1]
ta có ρ của NH
3
ở 20
0
C là 610 kg/m
3
Tương tự ta có : V
2
= M / ρ = 2111,4 / 610 = 3,4613 m
3
= 3461,3 (l)
Vậy thể tích của thiết bị phản ứng là :
V = V
1
+ V
2
= 413,06 + 3461,3 = 3874,36 (l) = 3,87436 (m
3
)
Nhóm SVTH Trang 23

Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Lấy hệ số điền đầy của tháp là 80% khi đó thể tích của thiết bị phải là:
V =
80
100.87436,3
= 4,84295 (m
3
)
+ Tính đường kính trong (D
t
) và chiều cao thiết bị phản ứng (h):
Dựa vào [5-tr359 ]. Đường kính trong D
t
(mm) của thân hình trụ. Lấy đường kính
trong của tháp D
t
= 1 (m ) và chiều cao gấp 1,5 lần đường kính trong
V = ð.R
2
.h
Trong đó: V - thể tích thiết bị phản ứng.
ð - hằng số có giá trị bằng 3,14.
h - chiều cao thiết bị phản ứng bằng 1.5 (m)
V = 3,14.
5,1.
2
1
2







= 1,18(m
3
) xấp xỉ 1,2 (m
3
)
3.3.2 Tính chiều dày thiết bị phản ứng.
Khi ta đưa nguyên liệu vào thiết bị phản ứng thì áp suất trong thiết bị phản ứng
gần bằng 1 (at). Nhưng khi phản ứng xảy ra áp suất trong thiết bị tăng dần lên từ 8- 10
(at). Như vậy thân hình trụ của thiết bị phản ứng làm việc chịu áp suất trong. Chiều
dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong P được xác định theo công thức:
S =
P
PDt
−
ϕσ
] [2
.
+ C, m [5- tr360]
Trong đó: D
t
- đường kính trong thiết bị phản ứng (m )
[σ ] – hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc.
C – hệ số bổ xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m).
P - áp suất trong của thiết bị phản ứng (N/m
2
)

σ
- ứng suất đối với thành thiết bị phản ứng (N/m
2
)
3.3.2.1 áp suất trong của thiết bị phản ứng:
Nhóm SVTH Trang 24
Đồ án công nghệ GVHD: ThS. Nguyễn Văn Toàn
Do môi trường làm việc trong tháp là hỗn hợp lỏng, khi đó áp suất làm việc
trong tháp bằng tổng số áp suất P
mt
(áp suất môi trường ) và áp suất thuỷ tĩnh P
1
của
cột chất lỏng.
áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng được xác định theo công thức sau:
P
1
=
ρ
1
.g.H
1
(N/m
2
). [5-tr360]
Trong đó: - H
1
là chiều cao cột chất lỏng (m ).
-
ρ

1
là khối lượng riêng của hỗn hợp chất lỏng (kg/m
3
).
- g là gia tốc trọng trường = 9,81 (m/s
2
).
Chiều cao cột chất lỏng lấy bằng 80% chiều cao làm việc của tháp và bằng =
1,5.0,8 (m ) = 1,2(m ).
Khối lượng riêng của hỗn hợp ở 140
0
C vì khối lượng riêng của EO ở 140
0
C là
quá nhỏ nên có thể bỏ qua:
ρ
1
= ρ
NH3
= 318 kg/m
3
Khi đó áp suất của cột chất lỏng:
P
1
= 318.9,81.1,2= 3743,5 (N/m
2
)
áp suất của môi trường làm việc trong tháp lấy bằng 10 (at )
Từ các số liệu trên ta tính được áp suất trong thiết bị phản ứng:
P = 10.9,81.10

4
+ 3743,5 = 984743,5 (N/m
2
)
3.3.2.2 Tính hệ số bổ sung do ăn mòn, hao mòn và dung sai về chiều dày:
Đại lượng bổ sung C trong công thức tính chiều dày thiết bị phản ứng ở trên phụ
thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dày, được xác định theo công thức:
C = C
1
+ C
2
+ C
3
, (m ) [5-tr363]
Trong đó: C
1
- Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của
môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, (m ).
Vật liệu chọn làm thiết bị phản ứng bền (0,05 – 0,1 mm/năm ) do đó có thể lấy
C
1
= 1 mm ( tính theo thời gian làm vật liệu từ 15 – 20 năm ).
C
2
- đại lượng bổ xung cho hao mòn chỉ tính đến trong các trường
hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị. Do hỗn
hợp phản ứng là chất lỏng do đó có thể bỏ qua đại lượng này.
Nhóm SVTH Trang 25