TỔNG QUAN VỀ DIMETHYL ETHER
Tổng quan về Dimethy Ether
Dimetyl ete (DME), hay còn gọi là metoxymetan, là một ete mạch thẳng đơn giản với công thức hóa học CH3OCH3, có thể được đơn giản hóa thành C2H6O Là ether đơn giản nhất, DME là một chất khí không màu, có vai trò quan trọng trong việc sản xuất các hợp chất hữu cơ khác và được sử dụng làm chất đẩy aerosol Hiện nay, DME đang được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhiên liệu khác nhau và nó cũng là một đồng phân của etanol.
Hình 1 Cấu trúc phân tử Dimethyl Ether
Tính chất của Dimethyl Ether:
DME (Dimethyl Ether) là một chất khí không màu, có vị ngọt nhẹ ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Với các tính chất vật lý tương tự như các khí hóa lỏng khác, DME có thể được phân phối và bảo quản dễ dàng Chất này tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, cả phân cực lẫn không phân cực, và cũng hòa tan một phần trong nước.
Bảng 1 Tính chất của DME
Khối lượng riêng 2.1146 kg/m 3 (dạng khí ở 0°C, áp suất 1013 mbar), 0.735 g/mL
Nhiệt độ nóng chảy -141 o C Độ hòa tan trong nước 71 g / L (ở 20°C (68°F)) Áp suất hóa hơi 592.8 KPa (25°C).
- Phân hủy bởi ánh sáng, nhiệt, không khí và độ ẩm để tạo thành aldehyde độc hại, và peroxit xeton.
- Về trạng thái pha, DME chỉ tồn tại ở dạng khí và lỏng, tùy theo áp suất hoặc nhiệt độ.Giản đồ pha của DME như sau:
Hình 2 Sự phụ thuộc của áp suất hơi DME vào nhiệt độ
Tiềm năng sử dụng của Dimethyl Ether (DME)
Dimethyl Ether là một ứng dụng tiềm năng trong việc thay thế propan trong LPG, được sử dụng làm nhiên liệu cho gia đình và công nghiệp Ngoài ra, Dimethyl Ether còn có thể được sử dụng làm nguyên liệu pha trộn trong khí đốt propan.
Dimethyl Ether (DME) là một loại nhiên liệu hứa hẹn cho động cơ diesel và tuabin khí, với số cetan cao 55, vượt trội so với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ (40–53) Hợp chất carbon chuỗi ngắn này dẫn đến việc phát thải rất thấp vật chất dạng hạt và không tạo ra khói khi cháy Khí thải từ DME không chỉ không gây ô nhiễm môi trường mà còn có hàm lượng NO thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép, không đòi hỏi quá trình làm sạch Các chuyên gia đánh giá rằng việc sử dụng DME cho phương tiện giao thông không gặp trở ngại nào và các nghiên cứu tại Nhật Bản cho thấy hiệu quả kinh tế cao hơn so với khí nén Hơn nữa, DME không chứa lưu huỳnh, đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khí thải ở Châu Âu (EURO5), Hoa Kỳ (2010) và Nhật Bản (2009).
Bảng 2 So sánh một số tính chất của DME so với nhiên liệu diesel
Tính chất Đơn vị DME Diesel
Trọng lượng phân tử g/mol 46 170
Hàm lượng Cacbon % khối lượng
Hàm lượng Hydro % khối lượng
Hàm lượng oxy % khối lượng
Khối lượng riêng ở trạng thái lỏng
Tỉ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết
Nhiệt trị thấp MJ/kg 28,43 42,5
Modun đàn hồi N/m 2 6,37.10 8 14,86.10 8 Độ nhớt động học ở trạng thái lỏng cSt ‹1 3 Áp suất hơi (tại 298 o K) kPa 530 ‹10
Từ DME, xăng chất lượng cao có thể được sản xuất thông qua hai phản ứng chính: dehydrate để tạo ethylene, và sau đó oligomer hóa ethylene thành hydrocarbon lỏng, tức là xăng Nghiên cứu tại Nga trong những năm 80 cho thấy quá trình này có thể thực hiện trong một thiết bị phản ứng hoặc hai thiết bị phản ứng nối tiếp Xăng thu được từ quy trình này đạt chất lượng cao với chỉ số octan lên tới 92.
93, hàm lượng benzen 0,04%, hàm lượng isoparafin gần 70%, hyđrocacbon không no 1%, không có đurol và isođurol.
Trong những năm gần đây, Dimethyl Ether (DME) đã trở thành một lựa chọn nghiên cứu nổi bật như một nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường DME là một chất đốt sạch, có khả năng thay thế khí đốt hóa lỏng, khí đốt thiên nhiên, dầu diesel và xăng Nhiên liệu này có thể được sản xuất từ khí đốt thiên nhiên, than đá hoặc các chất hữu cơ Các chuyên gia cho biết rằng DME có tiềm năng thay thế dầu diesel, giúp giữ giá dầu thô toàn cầu trên 40 đô la Mỹ/thùng, trong khi giá dầu thô hiện tại đã vượt quá 70 đô la Mỹ/thùng, tăng gần gấp ba lần so với năm năm trước.
Năm 2002, giá nhiên liệu mới dimethyl ether (DME) khoảng 1,000 nhân dân tệ/tấn (tương đương 123 đô la Mỹ) rẻ hơn so với dầu diesel Việc sử dụng dimethyl ether thay thế cho dầu diesel có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí nhiên liệu hàng năm.
Dimethyl ether là một dung môi và tác nhân chiết xuất hiệu quả ở nhiệt độ thấp, thường được sử dụng trong các quy trình phòng thí nghiệm chuyên dụng Mặc dù có nhiệt độ sôi thấp (-23 °C), điều này hạn chế một phần tính hữu dụng của nó, nhưng đồng thời cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ Dimethyl ether khỏi hỗn hợp phản ứng Chính nhờ tính chất này, Dimethyl ether được ứng dụng rộng rãi như một chất làm lạnh, được ký hiệu là ASHRAE R-E170.
Dimethyl ether đã được sử dụng trong hỗn hợp chất làm lạnh với amoniac, cacbon đioxit, butan và propen Vào năm 1876, kỹ sư Pháp Charles Tellier đã lắp đặt một nhà máy làm lạnh Methyl-ether trên chiếc tàu chở hàng 690 tấn Eboe, đổi tên thành Le Frigorifique, và thành công trong việc nhập khẩu thịt đông lạnh từ Argentina Tuy nhiên, để cải tiến máy móc, vào năm 1877, tàu lạnh Paraguay với hệ thống làm lạnh cải tiến của Ferdinand Carré đã được đưa vào phục vụ trên tuyến Nam Mỹ.
DME là một chất thay thế an toàn cho freon trong máy lạnh và trong sản xuất sol khí, đồng thời cũng được sử dụng làm dung môi chiết xuất Đặc biệt, DME không gây ra "hiệu ứng nhà kính", vì vậy từ năm 1995, nó đã được công nhận là nhiên liệu diesel sạch và được coi là "nhiên liệu của thế kỷ XXI".
DME, với khả năng trở thành một loại nhiên liệu lý tưởng, đang có triển vọng phát triển sản xuất quy mô lớn Điều này đã thúc đẩy nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả trong quá trình tổng hợp và sử dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu về xúc tác.
Trong giai đoạn 1995-2019, số lượng bài báo được xuất bản về việc áp dụng DME (Dimethyl Ether) như một nhiên liệu thay thế đã tăng đáng kể, theo dữ liệu từ Scopus Nghiên cứu này cho thấy sự quan tâm ngày càng lớn của cộng đồng khoa học đối với DME, nhấn mạnh tiềm năng của nó trong việc giảm thiểu ô nhiễm và phát triển bền vững.
TÌNH HÌNH SẢN XUẤT DME TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Tình hình sản xuất DME của thế giới
Sản xuất DME của thế giới hiện nay khoảng 5 triệu tấn mỗi năm, chủ yếu từ nguồn nguyên liệu methanol.
Trung Quốc đang tập trung phát triển DME từ than đá như một giải pháp thay thế cho diesel, với mục tiêu đạt 20 triệu tấn DME vào năm 2020 Với trữ lượng than đá lớn thứ ba thế giới và hơn 60% năng lượng được sản xuất từ than, nhu cầu toàn cầu về than đá dự kiến sẽ tăng lên 7,6 tỷ tấn/năm vào năm 2020, trong đó Trung Quốc sẽ tiêu thụ khoảng 3 tỷ tấn Các chuyên gia cho rằng DME có khả năng thay thế dầu diesel, giúp giữ giá dầu thô toàn cầu ở mức 40$/thùng, trong khi giá dầu thô hiện tại đã vượt qua 70$/thùng, tăng gấp ba lần so với năm trước.
Vào năm 2002, giá nhiên liệu DME khoảng 1000 nhân dân tệ/tấn (tương đương 123$), rẻ hơn dầu diesel Việc sử dụng DME thay thế dầu diesel cho toàn bộ xe buýt tại Thượng Hải có thể tiết kiệm hơn 300 triệu nhân dân tệ (khoảng 37 nghìn $) mỗi năm Chính quyền thành phố đã xác định phát triển ngành công nghiệp nhiên liệu DME là nhiệm vụ quan trọng nhằm giảm chi phí nhiên liệu, ô nhiễm môi trường và tiếng ồn Tuy nhiên, động cơ xe buýt cần được điều chỉnh trước khi áp dụng nhiên liệu này.
Nhật Bản đã phát triển các cơ sở sản xuất DME, với nhà máy tại Kushiro được xây dựng vào tháng 7/2002, có công suất 100 tấn/ngày, là lớn nhất thế giới thời điểm đó Ngày 19/11/2002, nhà máy bắt đầu chạy thử nghiệm và sau hơn một tháng, đã sản xuất 1240 tấn DME đạt độ tinh khiết 99.5% Gần đây, phương pháp tổng hợp trực tiếp DME đã được cải tiến nhờ công nghệ xúc tác, giúp giảm giá thành sản xuất và cho phép DME trở thành lựa chọn thay thế cho nhiên liệu truyền thống Nhật Bản đang thúc đẩy chương trình DME như một giải pháp để giảm ô nhiễm và đa dạng hóa nguồn năng lượng, đồng thời tăng cường an ninh năng lượng Mặc dù còn một số vấn đề cần giải quyết trước khi sản xuất hàng loạt, nhưng triển vọng thành công của chương trình DME là khả thi, đặc biệt trong bối cảnh giá dầu cao và áp lực từ các cam kết phát triển sạch toàn cầu.
Chương trình DME không chỉ tồn tại ở Nhật Bản và Trung Quốc mà còn được triển khai tại nhiều quốc gia khác như Hàn Quốc, Mỹ và Hà Lan, nhấn mạnh tầm quan trọng của nhiên liệu DME trong tương lai Các quốc gia này đã bắt đầu phát triển chương trình DME riêng của họ trong khoảng mười năm qua Tại Thụy Điển, Chemrec áp dụng công nghệ khí hóa nước đen, một loại chất thải từ quá trình nghiền, để sản xuất BioDME, giúp giảm đáng kể khí thải CO2 so với nhiên liệu diesel truyền thống.
Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam
Nhu cầu tiêu thụ sản phẩm lọc dầu tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng do sự phát triển của nền kinh tế, trong đó diesel chiếm tỷ trọng lớn nhất và nhu cầu LPG cũng tăng cao Tuy nhiên, sản lượng LPG và diesel trong nước chưa đủ đáp ứng nhu cầu cho sinh hoạt và sản xuất, do đó cần có kế hoạch nâng cao sản lượng hoặc tìm nguồn nhiên liệu thay thế Việt Nam cũng đang theo xu hướng toàn cầu trong việc tìm kiếm các nguồn nhiên liệu sạch để giảm ô nhiễm môi trường DME, một loại nhiên liệu thay thế sạch và kinh tế, có thể sử dụng thay thế hoàn toàn hoặc một phần cho LPG và diesel, với nguyên liệu sản xuất phong phú từ khí thiên nhiên, than đá hoặc biomass Quy trình sản xuất DME từ khí sẽ khai thác tiềm năng dầu khí của Việt Nam, nâng cao giá trị tài nguyên khí và mở rộng thị trường khí trong tương lai.
Sao Nam Group ước tính rằng việc tận dụng nguồn khí CO2 từ các mỏ nội địa thay vì nhập khẩu sẽ giúp giảm giá thành sản phẩm xuống 50% so với LPG và diesel.
Con đường sản xuất DME hiệu quả nhất là từ methanol, một hợp chất có thể được tạo ra từ than hoặc khí thiên nhiên thông qua quy trình tổng hợp khí Trên toàn cầu, sản lượng methanol đạt hàng chục triệu tấn mỗi năm, và Việt Nam cũng đã triển khai dự án sản xuất methanol với công suất trên 600.000 tấn/năm từ khí thiên nhiên Hiện nay, công nghệ chuyển đổi methanol thành DME đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, với xúc tác chính cho quá trình dehydrate hóa là nhôm oxide.
SƠ LƯỢC VỀ SẢN XUẤT DIMETHYL ETHER
Nguồn nguyên liệu sản xuất Dimethyl Ether (DME)
Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME rất đa dạng, bao gồm khí tổng hợp, khí tự nhiên, methanol, dầu nặng phế thải và khí metan.
Trong phòng thí nghiệm, DME được tổng hợp trực tiếp từ khí tổng hợp qua quá trình xúc tác dị thể trong pha khí Khí tổng hợp, gồm CO và H2, có tỷ lệ H2/CO phụ thuộc vào loại nguyên liệu, phương pháp chế biến và mục đích sử dụng Nguồn khí tổng hợp có thể từ khí thiên nhiên, các phân đoạn dầu mỏ, than đá hoặc sinh khối như gỗ Hai phương pháp chính để điều chế khí tổng hợp là steam reforming và oxi hóa không hoàn toàn.
Hình 4 Các phương pháp điều chế khí tổng hợp Trong công nghiệp: người ta sản suất Dimethyl Ether bằng methanol
Phản ứng dehydrat hóa methanol (CH3OH) là phương pháp đơn giản nhất để sản xuất dimethyl ether (DME) Methanol có thể được sản xuất từ than hoặc khí thiên nhiên thông qua quá trình tổng hợp khí Trên toàn cầu, sản lượng methanol đạt hàng chục triệu tấn mỗi năm, và Việt Nam cũng đã triển khai dự án sản xuất methanol với quy mô hơn 600.000 tấn/năm từ khí thiên nhiên Hiện nay, công nghệ sản xuất DME từ methanol đã được áp dụng trong ngành công nghiệp, với xúc tác dehydrat hóa là nhôm oxide Công nghệ chế tạo nhôm oxide này có thể được tham khảo tại Viện Hóa học Công nghệ Hóa học Việt Nam.
2 Sơ lược về nguyên liệu sản xuất (methanol)
Methanol, hay còn gọi là rượu metylic, ancol metylic, hoặc rượu gỗ, có công thức phân tử là CH3OH (viết tắt là MeOH) Đây là một loại cồn công nghiệp rất độc, là rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu và dễ cháy, với mùi đặc trưng hơi ngọt hơn so với ethanol (rượu uống) Ở nhiệt độ phòng, methanol tồn tại dưới dạng chất lỏng phân cực và được sử dụng rộng rãi như chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và chất làm biến tính cho ethanol.
Hình 5 Cấu trúc phân tử Methanol
Bảng 3 Tính chất của Methanol
Trạng thái Lỏng không màu
Nhiệt độ sôi 64.7 °C Áp suất hơi 13.02 kPa Độ acid 15.5
Qui trình và sản phẩm của quá trình sản xuất
Methanol được đưa vào bình phản ứng để tổng hợp DME, trong đó dietyl ete được tạo ra qua quá trình dehydrat hóa Sau đó, hỗn hợp sản phẩm từ phản ứng được chưng cất tại tháp chưng cất Dimethyl Ether, cho phép thu được các sản phẩm khác nhau ở các phần khác nhau của cột chưng cất.
- Phần khí nhẹ bay hơi tại đỉnh cột ta thu được khí sạch.
- Phần chất lỏng tại đáy cột được chuyển sang cột chưng cất methanol Tại cột thứ 2 này, ta thu hồi được methanol chưa phản ứng và loại nước.
- Tại gần đỉnh cột (4/5 khoảng cách từ đáy cột), ta ngưng tụ được nhiên liệu DME
Hình 6 Sơ đồ qui trình sản xuất DME
CHƯƠNG 4: BIỆN LUẬN SẢN XUẤT THEO MẺ
Tiêu chí lựa chọn thiết kế quy trình liên tục hay mẻ :
YẾU TỐ ƯU NHƯỢC ĐIỂM
SẢN XUẤT THEO MẺ ƯU NHƯỢC ĐIỂM SẢN XUẤT LIÊN TỤC
Quy mô nhỏ phù hợp với việc sản xuất theo mẻ, giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu khó khăn trong việc vận chuyển nguyên liệu vào và ra khỏi thiết bị Khi công suất tăng, kích thước thiết bị cũng tăng theo, điều này có thể gây khó khăn trong việc quản lý nguyên liệu Do đó, lựa chọn sản xuất theo mẻ là giải pháp hợp lý nếu quy mô của dự án nhỏ.
< 500 tấn/năm Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn
Chi phí nhân công vận hành cao hơn
Quy mô lớn thích hợp công nghệ liên tục
Chi phí nhân công vận hành thấp hơn
Chất lượng sản phẩm/mức độ tin cậy Thích hợp theo mẻ: mỗi mẻ phải đảm bảo chất lượng nguyên liệu (dược phẩm, thực phẩm)
Kiểm tra chất lượng sản phẩm liên tục hoặc theo chu kỳ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tăng khả năng lượng sản phẩm phụ Phương pháp này đặc biệt phù hợp khi phụ phẩm được lưu trữ và tái chế Hệ thống vận hành mềm dẻo cho phép một thiết bị được sử dụng cho nhiều mục đích công nghệ, chẳng hạn như một bồn có thể được dùng để trộn, phản ứng hoặc tách pha.
Tăng độ mềm dẻo vận hành đòi hỏi tang chi phí đầu tư Thích hợp khi nguyên liệu/sản phẩm/thiết bị ổn định
Để đạt được sự thay đổi hiệu quả, việc trang bị thêm thiết bị là điều cần thiết Việc sử dụng thiết bị tiêu chuẩn hóa và sản phẩm đa dạng giúp dễ dàng cải tiến thiết bị nhằm thay đổi mục đích sản xuất Một yếu tố quan trọng quyết định thành công là tối ưu hóa quá trình điều khiển và trình tự vận hành.
Sản phẩm và công nghệ thường cố định
Thiết bị được thiết kế và tối ưu cho một mục đích
Hiệu quả công nghệ Đòi hỏi lịch trình và điều khiển nghiêm ngặt Không thể tối ưu hóa thiết bị cho một sản phẩm duy nhất
Tích hợp năng lượng rất khó, nên tiêu tốn tiện ích nhiều hơn quá trình liện tục
Có hiệu quả khi quy mô sản xuất lớn do giảm thất thoát năng lượng
Bơm, quạt máy nén vận hành với hiệu suất cao hơnHoàn lưu tác chất và tích hợp năng lượng dễ hơn
Khó tách và tái sử dụng nguyên liệu
Bảo trì và vận hành Chi phí nhân công cho vận hành và bảo trì cao hơn do thời gian làm sạch và chuẩn bị thiết bị
Chi phí nhân công thấp hơn
Nguyên liệu Chí phí nahan công cho vận hành và bảo trì cao hơn do thời gian làm sạch và chuẩn bị thiết bị
Sản xuất liên tục cả năm Tồn trữ nguyên liệu lượng lớn gây chi phí rất lớn
Nhu cầu sản phẩm Thích hợp khi nguyên liệu bị giới hạn ví dụ theo mùa (ví dụ nhà máy đồ hộp/rượu vang)
Khó khan khi sản xuất sản phẩm khác theo mùa
Sản phẩm có thể được thay thế bằng các sản phẩm tương tự, phù hợp cho những phản ứng có tốc độ rất chậm hoặc yêu cầu thời gian lưu lớn.
Tốc độ chậm và kích thước thiết bị lớn có thể gây ra vấn đề phân tán chất và đóng cặn, làm bẩn thiết bị Việc này đặc biệt quan trọng khi thiết bị dễ bị đóng cặn bẩn, do đó, quá trình làm sạch thiết bị là cần thiết trong quy trình theo mẻ.
Là vấn đề nghiêm trọng và khó giải quyết
Sử dụng cặp thiết bị thay phiên để giải quyết vấn đề làm sạch
Chi phí đầu tư, nhân công tang, độ an toàn giảm
An toàn phơi nhiễm hóa chất của công nhân thường gặp nhiều rủi ro do sai sót trong quá trình vận hành Để giảm thiểu những nguy cơ này, việc đào tạo về an toàn và quy trình vận hành là rất cần thiết.
Có tính an toàn cao hơn
Hư hỏng thiết bị và do nhân công sai sót giảm
Khả năng điều khiển Khó khan do một thiết bị dùng vào nhiều mục đích và sản xuất nhiều loại sản phẩm
Tạo lịch trình sử dụng thiết bị rất quan trọng Quy trình điều khiển thiết bị theo lịch trình sử dụng thiết bị trở nên khó khăn
Có nhiều nghiên cứu, cải tiến về điều khiển cho quy trình liên tục
Nhà máy tích hợp cao và phức tạp về năng lượng và nguyên liệu dẫn đến quy trình điều khiển trở nên phức tạp hơn, làm giảm đáng kể độ mềm dẻo trong vận hành.
Từ những ưu nhược điểm được phân tích ở trên, với đề tài này, quy mô sản xuất rất lớn
(20000 tấn/năm), nên nhóm chúng em đề nghị phương án sản xuất liên tục
TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH TỔNG HỢP DME
Phản ứng tổng hợp DME
DME có thể được tổng hợp từ khí tổng hợp qua hai con đường Gián tiếp, với việc sử dụng hai thiết bị phản ứng khác nhau:
Trực tiếp với hệ xúc tác lưỡng tính, trong cùng một thiết bị phản ứng:
Dù đi bằng con đường nào thì bản chất, để tạo ra DME từ Syngas phải qua các giai đoạn:
- Trong trường hợp có phản ứng Water – gas – shift xảy ra:
Synga s Tổng hợp methanol Dehydrate hóa DME
Synga s Tổng hợp DME từ xúc lưỡng tác tính DME
- Thì phản ứng tổng sẽ là:
2 Cơ chế và động học phản ứng a Cơ chế và động học phản ứng tổng hợp Methanol
Hiện nay, có 3 cơ chế được đề nghị trong phản ứng tổng hợp Methanol
- Cơ chế Hydro hóa hoàn toàn CO sau khi hấp phụ lên bề mặt xúc tác.
- Cơ chế đưa CO vào liên kết M – H để hình thành chất trung gian fomyl, tiếp theo là quá trình hydro hóa hoàn toàn
Cơ chế liên kết của phân tử CO với các nhóm O – H trên bề mặt tạo ra các fomate, sau đó tham gia vào các quá trình hydro hóa và hydrate hóa theo một trình tự nhất định.
Trong quá trình hydro hóa, phân tử nước được sinh ra và không hoàn toàn giải hấp trên bề mặt xúc tác, mà vẫn giữ lại trên đó Phân tử nước này tham gia vào phản ứng với các tâm xúc tác kim loại, giúp giải hấp Methanol và tạo ra các nhóm M – OH hoạt động.
Bảng 4 Về động học phản ứng tổng hợp Methanol b Cơ chế và động học phản ứng hydrate hóa Methanol thành DME
- Đầu tiên, sẽ xảy ra quá trình hấp phụ proton H + trên tâm acid và
- Sau đó, 2 phức liên kết này sẽ ngưng tụ tạo DME:
(CH3OH2) + + CH3O - CH3OCH3 + H2O
- Bề mặt xúc tác được hoàn nguyên nhờ phản ứng:
Thiết bị sản xuất DME
Có 3 loại thiết bị tổng hợp DME phổ biến hiện nay:
1 Thiết bị dạng tầng cố định (Fixed – Bed)
Thiết bị đoạn nhiệt là công cụ quan trọng trong các phản ứng xúc tác dị thể, thường được sử dụng trong nghiên cứu tại phòng thí nghiệm với kích thước bình phản ứng nhỏ Lớp xúc tác được bố trí trên một lớp đệm lớn hơn, thường là các chất độn như thủy tinh hoặc sứ, và phía trên lớp xúc tác còn có thêm một lớp đệm nhỏ.
Thiết bị dạng tầng cố định có nhiều ưu điểm như dễ chế tạo, thao tác sử dụng thuận tiện và chi phí thấp, đồng thời cho phép tiếp xúc pha rắn – khí hiệu quả, dẫn đến độ chuyển hóa cao Tuy nhiên, nhược điểm của thiết bị này là nhiệt phản ứng chỉ trao đổi qua thành thiết bị, làm giảm hiệu quả tải nhiệt Hơn nữa, xúc tác cần phải đạt yêu cầu cao về độ bền nhiệt và kích thước của hạt xúc tác cũng cần được cân nhắc, vì hạt quá nhỏ có thể gây giảm áp lớn khi khí đi qua, ảnh hưởng đến độ chuyển hóa, đặc biệt trong các phản ứng nhanh.
2 Thiết bị phản ứng dạng huyền phù Slurry o Ứng dụng: các thiết bị phản ứng có quy mô Pilot trở lên o Cấu tạo: khá đơn giản, gồm có bình phản ứng và ống truyền nhiệt đi bên trong Dung môi trơ có nhiệt dung lớn được sử dụng là môi trường tải nhiệt Các hạt xúc tác dạng bột mịn sẽ được phân tán vào hệ dung môi Khí được sục từ dưới lên với vận tốc thích hợp
Thiết bị dạng huyền phù có ưu điểm nổi bật trong việc giải nhiệt và kiểm soát nhiệt độ hiệu quả Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là trở lực truyền khối cao, dẫn đến giảm khả năng tiếp xúc giữa các pha rắn và khí trong hệ phản ứng, từ đó làm giảm hiệu quả của phản ứng Đặc biệt, khi sử dụng xúc tác lưỡng tính, thiết bị này có thể gây ra tình trạng nhanh mất hoạt tính của xúc tác.
3 Thiết bị dạng tầng sôi o Cấu tạo: giống với thiết bị dạng tầng cố định, chỉ khác là phải đảm bảo vận tốc khí khi phản ứng xảy ra, trong bình phản ứng, sẽ tạo ra lớp xúc tác giả sôi. o Ưu điểm: tăng cường truyền nhiệt giữa xúc tác và dòng khí (vừa là tác chất vừa là môi trường phản ứng), thuận lợi cho việc kiểm soát nhiệt độ Do đó, có thể được sử dụng cho các phản ứng tỏa nhiệt mạnh hay các hệ phản ứng mà xúc tác phải thường xuyên được thay thế.
Có thể sử dụng các hạt xúc tác nhỏ
Có thể tái sinh xúc tác liên tục
Dễ loại bỏ phần tro, cốc, xỉ
Có thể điều chỉnh kích thước của xúc tác khi có phản ứng xảy ra
So với thiết bị dạng Slurry, thiết bị tầng sôi có trở lực truyền khối thấp hơn, mang lại hiệu quả tiếp xúc cao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là yêu cầu năng lượng lớn trong quá trình vận hành, chế độ thủy động phức tạp, và cần có thiết bị để phân tách xúc tác rắn trong sản phẩm cuối cùng, đồng thời xúc tác phải đảm bảo các tính chất cơ lý tốt.
THIẾT KẾ QUY TRÌNH TỔNG HỢP DME
Lựa chọn quy trình và thông số thiết kế
Quy trình sản xuất Dimethyl Ether từ Methanol thông qua quá trình hydrate hóa được lựa chọn vì đây là phương pháp đơn giản nhất.
- Sản xuất Dimethyl Ether: 20000 tấn / năm
- Phân tử khối của Dymethyl Ether: 46 g / mol (kg / kmol)
7800 ton kg year kg hour year ton hours
- Suất lượng mol của Dymethyl Ether:
2564.103 kg hr x 1 46 kmol kg = 55.741 kmol /hr
Quy trình sản xuất
Sơ đồ quy trình công nghệ a) Cấu trúc dòng vào – ra:
H 2 O b) Cấu trúc dòng hoàn lưu: c) Sơ đồ mô phỏng quy trình công nghệ sản xuất DME
Hình 9 Sơ đồ mô phỏng quy trình công nghệ sản xuất DME
Trong quy trình nhập liệu, dòng Methanol tinh khiết có lưu lượng 3573 kg/h được bơm P-100 chuyển đến thiết bị MIX-100 để hòa trộn với dòng Methanol hoàn lưu 2333 kg/h Dòng sản phẩm từ thiết bị MIX-100 có tổng lưu lượng 5906 kg/h và nhiệt độ 25.66 o C, sau đó được gia nhiệt bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-100 Cuối cùng, dòng ra từ E-100 đạt nhiệt độ 250 o C.
Sau khi đi qua lò phản ứng C, metanol có độ chuyển hóa đạt 60% Dòng 5 ra khỏi lò phản ứng vẫn giữ tổng suất lượng khối lượng ổn định.
5906 kg/h, nhiệt độ dòng là 340 o C.
Trước khi vào cột chưng cất T-100, dòng được làm lạnh bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-101, tạo ra dòng 7 với tổng suất lượng khối lượng 5906 kg/h và nhiệt độ 89 o C.
Tại đỉnh cột, ở độ cao 4/5 khoảng cách từ đáy, ta thu được DME với tổng suất lượng khối lượng 2545 kg/h và nhiệt độ 46.45 °C Chất lỏng ở đáy cột (dòng 8) được chuyển sang cột chưng cất T-101 với tổng suất 3361 kg/h và nhiệt độ 146.8 °C Sau đó, dòng 9 có nhiệt độ 134 °C đi qua van và được gia nhiệt lên 140 °C (dòng 10).
Tại cột T-101, methanol chưa phản ứng được thu hồi với suất lượng 2351 kg/h và nhiệt độ 124,7 °C, cùng với nước có suất lượng 1010,21 kg/h và nhiệt độ 167,8 °C Cả hai dòng này sau đó được đưa qua hai thiết bị trao đổi nhiệt E-104 và E-103 để giảm nhiệt độ, với dòng 13 đạt 25 °C và dòng nước thải có nhiệt độ 40 °C.
Giải quyết bài toán cân bằng vật chất
Lựa chọn quy trình và thông số thiết kế
Công nghệ sản xuất DME từ methanol (CH3OH) thông qua phản ứng dehydrat hóa là phương pháp đơn giản, hiệu quả và dễ áp dụng cho quy mô sản xuất công nghiệp, do đó, chúng tôi quyết định thiết kế theo quy trình này.
Thời gian vận hành: 7800 giờ/ năm
Sản xuất Dimethyl Ether 99.3% với năng suất 20000 tấn/năm
Phản ứng dehydrat hoá có:
Việc sản xuất DME thông qua phản ứng dehydrat hoá metanol trên xúc tác acid zeolit Phản ứng chính:
Trong điều kiện nhiệt độ hoạt động bình thường, không ghi nhận phản ứng phụ đáng kể Phản ứng diễn ra với sự tỏa nhiệt nhẹ, phù hợp với nhiệt độ tiêu chuẩn của phản ứng.
Nhiệt độ hoạt động xảy ra trong khoảng 250 o C đến 370 o C, phản ứng không thể xảy ra quá 400 o C vì chất xúc tác sẽ bị phá huỷ
Phản ứng diễn ra trên chất xúc tác alumina giáp được xử lý với 10,2% silica. Ở hơn 250 o C, phương trình tốc độ được đưa ra bởi Bondiera và Naccache là:
0 exp met hanol met hanol r k E p
kmol kJ k E m cat h kPa mol
và p methanol là áp suất riêng phần của metanol (kPa)
1 kmol m cat kmol k kPa m cat h kPa m m h kJ mol
Dòng Cấu tử Suất lượng khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng khối lượng (k g/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Cần lưu ý rằng dòng methanol nhập liệu (tinh khiết) kết hợp với dòng hoàn lưu, do đó dòng đầu vào cho lò phản ứng lớn hơn 3573 kg/h Do đó:
Tổng lưu lượng khối lượng = lưu lượng khối lượng nhập liệu + lưu lượng dòng hoàn lưu
Vì toàn bộ dòng lưu chất ở trên đi qua bộ trao đổi nhiệt → không có sự thay đổi về thành phần hoặc số lượng của tốc độ dòng khối
Ngoài ra, tổng lưu lượng khối lượng lò phản ứng đầu vào = tổng tốc độ khối lượng lò phản ứng đầu ra
Plug flow reactor (C) Dòng Cấu tử Suất lượng khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Water 1022.4694 56.7562 0.3067 Độ chuyển hóa của Methanol
The mole of Methanol The amount of DME
Distillation column (T-100) Dòng Cấu tử Suất lượng khối lượng (kg/hr)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
Dòng Cấu tử Suất lượng khối lượng (kg/hr)
Tổng suất lượng khối lượng (kg/h)
Tổng suất lượng mol (kmol/h)
METHANOL KMOL/HR DME KMOL/HR CONV KG/HR
Hình 10 Hình minh họa mối quan hệ giữa metanol, DMEvà độ chuyển hóa
Lượng metanol tỉ lệ nghịch với lượng DME và độ chuyển hóa, vì vậy để đạt được độ chuyển hóa khoảng 60% và độ tinh khiết của DME đạt 99,3%, phương pháp tối ưu là lựa chọn nhiệt độ xấp xỉ 300 oC.
The Coefficient of Ease of Separation (CSE) indicates which component should be separated first for optimal results This coefficient is calculated using a specific formula.
D với B là suất lượng dòng sản phẩm đáy, D là suất lượng dòng sản phẩm đỉnh f 1
+ T là độ chênh lệch nhiệt độ.
Bảng 5 Thông số nhiệt độ sôi và suất lượng các cấu tử cần tách
Cấu tử Suất lượng mol
Các phương án tách chất:
- Độ bay hơi tương đối:
Phương án 2: Tách A và B trước
- Độ bay hơi tương đối:
Bảng 6 So sánh chỉ số tách của các phương án
Hệ số CES 37,53 79,804 Độ bay hơi α 1,3753 1,79804
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
Thông số các dòng vật chất
Dòng Nhiệt độ ( o C) Mass Enthalpy (kJ/kg)
Hình 11 Sơ đồ hệ thống
Tính toán nhiệt độ Pinch
Bảng 7 Tính toán năng lượng trong Hysys
Tính toán nhiệt độ Pinch
Dòng lạnh có TPinch thu được từ 167.9 o C đến 79.1 o C Dòng nóng có TPinch thu được từ 240.2 o C đến 154 o C