Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 1 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

Đồ án môn học

Thiết kế dây chuyền sản xuất

MTBE từ iso- Butan

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 2 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

LỜI GIỚI THIỆU

Trước vấn đề bảo vệ và chống ô nhiễm môi trường đang ngày càng được

đề cập nhiều hiện nay, việc thay thế xăng pha chì, gây ô nhiễm môi trường,

bằng xăng không pha chì là xu hướng chung của nhiều quốc gia trên thế giới.

Để tăng trị số octan của xăng, người ta thay thế sử dụng phụ gia chì bởi

các hợp chất chứa oxi có chỉ số octan cao và không gây ô nhiễm môi trường.

Những hợp chất chứa oxi thường được sử dụng là rượu và ete như Metanol,

Etanol, và Metyl tert Butyl Ete (MTBE), Etyl tert Butyl Ete (ETBE),Tert￾amyl Metyl Ete (TAME),..

Đây là những hợp chất có trị số octan rất cao và rất thích hợp để pha với

xăng nhằm làm tăng trị số octan của xăng, cải thiện chất lượng xăng.

Hợp chất oxi được sử dụng chủ yếu để pha vào xăng hiện nay là Metyl

tert Butyl Ete (MTBE). Đây là hợp chất oxi có những tính chất nổi bật như:

có trị số octan cao, độ bay hơi thấp, bền oxi hoá, có những tính chất tương

thích tốt với xăng,.. và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường. Các quốc

gia phát triển hiện nay đều sử dụng xăng có pha MTBE như là: Mỹ, Anh,

Đức, Nhật, Canada,..

Nhu cầu về MTBE trên toàn thế giới đang tăng rất nhanh. Các quá trình

công nghệ sản xuất MTBE đã được thiết kế và lắp đặt ở nhiều nơi nhằm đáp

ứng nhu cầu MTBE đang tăng lên này.

Hiện nay, Việt Nam đang xây dựng nhà máy lọc dầu đầu tiên tại Dung

Quất, Quảng Ngãi, hơn nữa trước sức ép môi trường, chính phủ Việt Nam dự

tính sẽ loại bỏ xăng pha chì vào năm 2006. Vì vậy việc tính toán thiết kế dây

truyền công nghệ sản xuất MTBE cho xăng là điều hết sức cần thiết và quan

trọng. Đó cũng là lý do để tôi thực hiện bản đồ án này.

Nội dung chính của bản đồ án gồm 3 phần:

Sinh viên

Văn Huy Vương

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 3 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MTBE

I.GIỚI THIỆU CHUNG:

Metyl tert Butyl Ete là hợp chất chứa oxi có chứa khối lượng phân tử là

88,15 và có công thức cấu tạo như sau:

CH3

CH3 - O - C - CH3

CH3

Nó được viết tắt là MTBE.

MTBE là một trong những ete có vai trò quan trọng đối với công nghiệp sản

xuất xăng. Nó đượng dùng làm chất phụ gia cho xăng để nâng cao trị số

octan, nhằm đáp ứng được yêu cầu làm việc của động cơ xăng cũng như đảm

bảo về yêu cầu vệ sinh môi trường và sức khoẻ con người.

Trước đây việc nâng cao trị số octan cho xăng người ta dùng chất phụ gia

là “nước chì” (CH3)4Pb, (C2H5)Pb. Tuy nhiên loại phụ gia này bên cạnh việc

nâng cao trị số octan, giảm giá thành sản phẩm nhưng vẫn còn nhược điểm:

ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người. Ô nhiễm môi trường ảnh hưởng trực

tiếp đến động cơ, khi động cơ làm việc nhiều. Chính vì các nhược điểm này

của nước chì mà một số nước trên thế giới đã ban luật cấm và hạn chế dùng

nước chì.

Hiện nay loại phụ gia được dùng để thay thế. Việc thay thế này đồng

nghĩa với việc sẽ có một số thay đổi trong thành phần xăng không chì, nhưng

chủ yếu là sự khác nhau đối với phụ gia nhằm tăng cường trị số octan.

Có một số giải pháp hữu hiệu để đạt tới trị số octan cao hơn khi không sử

dụng chì:

- Pha trộn xăng có trị số octan cao (như xăng alkyl hoá, izome hoá,..) vào

nhiên liệu có trị số octan thấp.

- Nâng cấp và đưa thêm các thiết bị lọc dầu để sản xuất hỗn hợp xăng có

trị số octan cao.

- Sử dụng các chất phụ gia không chứa chì, như các hợp chất chứa oxi:

etanol, MTBE, MTBA, TAME,..

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 4 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

Trong số các phụ gia chứa oxi nói trên thì MTBE và etanol được sử dụng

với số lượng nhiều nhất. Chẳng hạn như ở Mỹ, MTBE được pha trộn với 15%

thể tích, etanol tới 10% thể tích. ở Braxin đã pha trộn tới 22% etanol vào xăng

trong nhiều năm.

Bên cạnh việc tăng trị số octan, hỗn hợp của xăng với phị gia chứa oxi đã

giúp thải hyđrocacbon và CO từ xe cộ sử dụng nhiên liệu.

Có thể thấy rõ trị số octan của một số chất chứa oxi điển hình trong bảng:

Bảng 1: trị số octan của một số chất chứa oxi

Phụ gia chứa oxi RON MON

Metanol

Etanol

Tert-butanol (TBA)

Metanol/TBA (50/50)

Metyl tert-butyl ete(MTBE)

Tert-amyl metyl ete(TAME)

Etyl tert-butyl ete (ETBE)

127136

120135

104110

115123

115123

111116

110119

99104

100106

9098

96104

98105

98103

95104

Từ đó ta thấy, trị số RON của MTBE vào khoảng 115123, do đó hỗn

hợp 15% MTBE trong xăng có trị số octan gốc là 87 sẽ tạo nên một hỗn hợp

có trị số RON nằm trong khoảng 91 đến 92, làm tăng từ 4 đến 5 đơn vị octan,

tương đương với hàm lượng chì từ 0,1 đến0,15g/l. Tương tự, trị số octan của

etanol là 120135, do đó hỗn hợp 10% của etanol với xăng có trị số octan là

87 sẽ tạo ra hỗn hợp có trị số RON vào khoảng 9092.

Nạn ô nhiễm môi trường trên thế giới trong những năm gần đây đã gây

ảnh hưởng nghiêm trọng. Một trong những nguyên nhân gây nên nạn ô nhiễm

môi trường là khí thải của động cơ có chứa một lượng khí có hại như: CO,

NO, NO2,.. Lượng khí này đã gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường. Do

vậy vấn đề đặt ra đầu tiên là phải giảm lượng khí thải làm cho nhiên liệu của

động cơ và để làm được điều này ta phải làm cho nhiên liệu của động cơ sạch

hơn, tức là phải sản xuất xăng sạch, hàm lượng thơm trong xăng thấp, hàm

lượng benzen thấp hơn 1%.

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 5 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

Mặt khác để có hiệu suất của động cơ cao hơn và tính năng thoát khí thải

hoàn thiện hơn thì động cơ phải tỷ số nén lớn hơn, tức là yêu cầu nhiên liệu

phải có trị số octan cao, mà xăng chưng cất trực tiếp thì trị số octan còn thấp,

chưa đủ yêu cầu của động cơ. Do vậy người ta đã sử dụng các hợp chất nâng

cao trị số octan để pha vào xăng, và phụ gia đầu tiên được sử dụng làm nhiên

liệu cho xăng là TEL (tetra etyl chì) và TML (tetra metyl chì) loại phụ gia này

cho phép nâng cao đúng trị số octan và làm cho giá thành hạ. Loại phụ gia

này do MDOLE người Mỹ tìm ra vào tháng 11-1921 Vào năm 1929, loại phụ

gia này có mặt trong xăng thương phẩm của Mỹ và có trong xăng thương

phẩm của Đức trước chiến tranh thế giới thứ II không xa.

Tuy nước chì khi sử dụng pha vào xăng đã bù đắp được lượng octan thiếu

hụt và giá thành xăng khá rẻ, song bên cạnh việc tạo nên được các ưu điểm thì

nó cũng để lại những tác hại nghiêm trọng cho sức khoẻ con người (vì chì là

chất độc trích luỹ), cho môi trường và ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng của

động cơ như:

+Trong quá trình cháy tạo nên hợp chất chì rắn trong động cơ.

+Kích thích sự nhiễm bẩn bugi, làm tăng sự mài mòn xylanh và các van.

+Làm mất hoạt tính của xúc tác trường hợp xử lý khí thải, chính vì còn

nhiều nhược điểm nên hầu hết các nước đã ban luật cấm hay sử dụng nước chì

làm chất mang trị số octan cho xăng.

Giới hạn TEL cực đại trong xăng (g/l) năm 1998 ở một số nước:

Bảng 2: Giới hạn TEL cực đại trong xăng

Nước Lượng TEL trong xăng (g/l)

Mỹ

Canada

ý, Pháp, Bồ Đào Nha,TâyBan Nha

Các nước khác

Australia

áo, Thuỵ Điển, Phần Lan

Triều Tiên

Venezuela

Nhật Bản

0,26

0,291

0,399

0,151

0,3040,840

0,151

0,301

0,840

0,000

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 6 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

Xu hướng hiện nay là sử dụng hợp chất chứa oxi làm tăng octan. Trong

các hợp chất oxi có ứng dụng thực tiễn nhất là các ete: Metyl tert-Butyl ete

(MTBE), Tert amyl-metyl ete (TAME), etyl tert butyl ete (ETBE).

Khi thêm hợp chất chứa oxi vào xăng, ngoài việc làm tăng octan, nó còn

làm giảm lượng khí thải CO.

Hàm lượng Pb và aromatic cũng ảnh hưởng tới tỷ số octan (ON) của hỗn

hợp nhiên liệu chứa MTBE vì nhiệt độ sôi của MTBE thấp nên ảnh hưởng của

nó tới ON của phân đoạn có nhiệt độ sôi Ts<100oC rất rõ rệt (đường 3). Quan

hệ giữa ON và hàm lượng MTBE.

1.Xăng có RON-88

2.Xăng có RON-81

3.Phân đoạn xăng có Ts<100oC, RON-77

Khi cho MTBE vào trong xăng thì:

+Không cần bất cứ thay đổi nào đối với đọng cơ hiện hành.

+áp suất hơi của nhiên liệu giảm do vậy tổn thất bay hơi khi cấp nhiên

liệu và vận hành giảm.

+Giảm khối thải đặc bệt là CO và các hyđro cacbon chưa cháy.

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 7 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

+Thêm 20% thể tích MTBE vẫn không có hại tới công suất động cơ cũng

như tăng sự tiêu tốn nhiên liệu, trong điều kiện lạnh khả năng khởi động động

cơ cũng dễ dàng, ngăn cản sự đóng băng trong bộ chế hoà khí.

+MTBE tan lẫn tốt với H2O nên điểm đông đặc của nhiên liệu giảm đáng

kể.

+Nhiên liệu trộn MTBE tương thích với tất cả các vật liệu sử dụng để sản

xuất ôtô như: đệm cao su, sơn các kim loại trong bộ chế hoà khí, bơm phun,..

+MTBE không ảnh hưởng đến hệ bài tiết là thuốc mê yếu.

Metyl tert Butyl ete là hợp chất chứa oxi thuộc loại hợp chất alkyl tert

butyl ete có công thức cấu tạo:

CH3

|

CH3- O - C - CH3

|

CH3

MTBE được tổng hợp từ metanol và isobuten với xúc tác là acid rắn.

Ngoài ra, MTBE cũng có những ứng dụng khác trong công nghiệp lọc hoá

dầu như: dùng để sản xuất metaacrolein, metacylic acid, và isopren, sản xuất

isobuten (bằng cách phân huỷ MTBE, tuy nhiên đây là biện pháp không kinh

tế).

Nhu cầu tiêu thụ MTBE đang tăng nhanh, MTBE là một trong những hoá

chất tăng trưởng mạnh nhất trên thế giới với tốc độ tăng trưởng trung bình

20% mỗi năm (1989-1994). Dự báo tới năm 2010 nhu cầu MTBE sẽ lên tới

29.000 nghìn tấn/năm.

Có nhiều quá trình công nghệ sản xuất MTBE các hãng trên thế giới đã

được phát minh và lắp đặt để sản xuất MTBE. Quá trình công nghệ sản xuất

MTBE của Snamprogetti (Mỹ) sử dụng nguyên liệu là hỗn hợp khí C4 chứa

isobuten. Quá trình Hiils (CHLB Đức) quá trình của CD Tech dùng nguyên

liệu C4 và C5 (hỗn hợp khí). Quá trình ARCO với nguyên liệu từ quá trình đề

hyđrat hoá Tert-Butyl Acolhol,.. Tổng công suất của các xưởng sản suất

MTBE đang hoạt động vào khoảng 25.275 nghìn tấn/năm.

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 8 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

II.TÍNH CHẤT CỦA METYL TERT BUTYL ETE:

1.Tính chất lý học của Metyl Tert Butyl ete:

Metyl tert butyl ete ở trạng thái bình thường là chất lỏng, không màu, linh

động, độ nhớt thấp, dễ cháy, tan vô hạn trong các dung môi hữu cơ và các

hydro cacbon.

Một số tính chất vật lý đặc trưng của MTBE được đưa dưới bảng 3 [1]

Bảng 3: Tính chất vật lý của MTBE

Khối lượng phân tử, M

Nhiệt độ sôi, ts

Nhiệt độ nóng chảy

Hằng số điện môi (20oC)

Độ nhớt (20oC)

Sức cản bề mặt

Nhiệt dung riêng (20oC)

Nhiệt hoá hơi

Nhiệt cháy

Nhiệt độ chớp cháy

Giới hạn nổ với không khí

áp suất tới hạn, Pc

Nhiệt độ tới hạn, tc

88,15

55,3oC

-108,6oC

4,5

0,36 mPa.s

20 nN/m

2,18 KJ/kg.độ

337 KJ/kg

-34,88 MJ/kg

-280C

1,6584% thể

tích

3,43 MPa

224,0oC

Tỷ trọng, áp suất hơi và độ hoà tan trong nước của MTBE theo nhiệt độ

được cho ở bảng 4 [1]

Đồ án môn học: Thiết kế dây chuyền sản xuất MTBE từ iso-Butan.

Văn Huy Vương 9 Hóa dầu 3-K43 ĐHBK HN

Bảng 4: Tỷ trọng, áp suất hơi bão hoà và độ hoà tan của MTBE

Nhiệt độ

oC

áp suất

KPa

Độ hoà tan Tỷ trọng

G/cm2 Nước trong

MTBE, %KL

MTBE trong

nước, % KL

0

10

12

15

20

30

40

10,8

17,4

26,8

40,6

60,5

1,19

1,22

1,28

1,36

1,47

7,3

5,0

3,3

2,2

1,5

0,7613

0,7510

0,7489

0,7458

0,7407

0,7304

MTBE có thể tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, hoặc với Metanol.

Bảng 5: Hỗn hợp đẳng phí của MTBE [1]

Hỗn hợp đẳng phí Ts

,

o C Hàm lượng MTBE,

%KL

MTBE - nước

MTBE - Metanol

MTBE - Metanol (1,0MPa)

MTBE - Metanol (2,5MPa)

52,6

51,6

130

175

96

86

68

54

.MTBE không có giới hạn về độ tan lẫn với các dung môi thông thường.

.MTBE rất ổn định trong môi trường kiềm trung tính và axit yếu.

.Trong môi trường axit mạnh MTBE tách metanol và izo buten.

2.Tính chất hoá học:

MTBE là chất khá ổn định dưới điều kiện acid yếu, môi trường kiềm hoặc

trung tính. Trong môi trường có cân bằng: