Bài tập lớn thiết kế quá trình sản xuất acid acetic 100 000 tấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐẠI CHẤT KHOA DẦU KHÍ BỘ MƠN LỌC HĨA DẦU BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ Q TRÌNH SẢN XUẤT ACID ACETIC 100.000 tấn/năm GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NHÓM PGS.TS : Nguyễn Anh Dũng Phần A: Tổng quan Chương I: Giới thiệu chung acid acetic I.1 Acid Acetic Axit axetic hay gọi axit etanoic, hợp chất hữu điển hình dÃy đồng đẳng axit mono cacboxylic, có nhiều ứng dụng sản xuất đời sống, sản phẩm hữu cơ quan trọng đợc sử dụng rộng rÃi công nghệ tổng hợp hữu hóa dầu Axit axetic l húa cht quan trọng với ứng dụng phong phú nhiều ngành sản xuất cuối dòng dệt vải, chế biến thực phẩm số q trình sản xuất hóa chất công nghiệp Động lực chủ yếu tạo thành xu hướng giá axit axetic giá nguyên liệu metanol nhu cầu cuối dòng dẫn xuất axit axetic, monome vinyl axetat (VAM), axit terephtalic tinh khiết (PTA), etyl axetat anhydric axetic Xu hướng ngày tăng việc sử dụng axetat este làm dung môi cho mực in, sơn chất kết dính hình thành vài năm qua, tạo nhu cầu lớn ổn định axit axetic [1] VAM lĩnh vực sử dụng cuối dòng lớn axit axetic,dẫn xuất chủ yếu sử dụng sơn chất kết dính Trong đó, PTA sử dụng chủ yếu sản xuất polyeste sợi PTA lĩnh vực ứng dụng cuối dòng phát triển nhanh nhất, đạt tốc độ tăng trưởng 4%/năm.VAM, PTA etyl axetat ba lĩnh vực sử dụng hàng đầu đốivới axit axetic năm 2011, lượng tiêu thụ axit axetic lĩnh vựcnày đạt 3,46 triệu tấn, 2,16 triệu 1,31 triệu tương ứng Ba lĩnh vựcnày chiếm tổng cộng 75% nhu cầu axit axetic toàn cầu Anhydric axetic cáclĩnh vực sử dụng cuối dòng khác chiếm phần lại nhu cầu axit axetic toàncầu, với lượng tiêu thụ 1,05 triệu 2,19 triệu tương ứng [1].Trong thời gian 2011-2020, dự kiến tốc độ tăng trưởng lĩnh vực PTA etyl axetat vượt tốc độ tăng trưởng lĩnh vực VAM I.2 Nhu cầu axit axetic giới Nhu cầu toàn cầu axit axetic tăng liên tục 10 năm qua Theo Công ty nghiên cứu thị trường GBI Research, nhu cầu axitaxetic toàn cầu năm 2000 đạt 6,11 triệu tấn, sau tăng lên đến 10,24 triệutấn vào năm 2011 Một phần đáng kể mức tăng nhu cầu từ khu vực ChâuÁ - Thái Bình Dương Mỹ GBI dự báo xu hướng tương tự tiếp diễn thời gian tới Năm 2011, Mỹ nước tiêu thụ axit axetic lớn thứ hai giới, sau Trung Quốc Sự hồi phục kinh tế Mỹ giúp tăngmạnh nhu cầu axit axetic tương lai Trong đó, khu vực Châu Á – Thái Bình Dương tiếp tục chiếm 72% nhu cầu axit axetic năm 2020 Nhu cầu toàn cầu axit axetic dự kiến gia tăng với tốc độ 4,7%/năm trongthời gian từ 2011 đến 2020, đạt 15,53 triệu vào năm 2020 Nhu cầu axit axetic nước phát triển Nhật Bản Đứcphần lớn ổn định Do dân số khổng lồ, nước Trung Quốc, Ấn Độ, có tiềm tiêu thụ lớn tạo hội tăng trưởng lớn Điều đượcphản ánh tốc độ tăng trưởng lĩnh vực tiêu thụ cuối dòng VAM,PTA, etyl axetat anhydric axetic nước Năm 2011, nhu cầu axit axetic châu Á đạt đến mức đỉnhcao nhờ ảnh hưởng thị trường Trung Quốc - động lực phần lớn nhu cầuaxit axetic toàn cầu Châu Á chiếm 60% tiêu thụ axit axetic giớitrong năm 2011, Trung Quốc chiếm 30% lượng tiêu thụ Với nhà máy mớisẽ vào vận hành thời gian 2011-2020, Trung Quốc tiếp tục động cơcho tăng trưởng toàn cầu sản xuất axit axetic năm tới [1] Nhìn chung, châu Á - Thái Bình Dương tiếp tục động lực tăng trưởng cho sản xuất axit axetic năm tới trì động cho tăng trưởng thị trường axit axetic tồn cầu Hình Nhu cầu sử dụng acid acetic giới I.3 Tình hình nước ta Cũng nh nớc Thế giới, nhu cầu sư dơng axit axetic ë ViƯt nam ngµy cµng cao Hằng năm phải nhập lợng axit axetic lớn Quá trình sản xuất axit axetic nớc chủ yếu phơng pháp vi sinh cho nồng độ axit thấp, suất không cao nên cha đáp ứng đợc nhu cầu Từ năm 1990, số quan nghiên cứu khoa học nớc ta đà nghiên cứu sản xuất axit axetic công nghiệp Viện Hóa học Công nghiệp đà nghiên cứu đề tài sử dụng rợu etylic để sản xuất axit axetic Một số quan nghiên cứu khoa học khác nh Viện Hóa học thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc gia, khoa Hóa thuộc trờng Đại học Tổng hợp Hà nội đà quan tâm đến đề tài [2] Nhng nhiều nguyên nhân mà kết nghiên cứu cha đợc áp dụng sản xuất công nghiệp Cho đến nay, gần nh toàn nhu cầu axit axetic nớc ta phải đáp ứng đờng nhập Trớc tình hình mới, hội phát triển cho ngành công nghiệp hóa chất đà đợc mở ra, trình sản xuất axit axetic có nồng độ cao đà trở thành vấn đề quan trọng việc tìm phơng pháp sản xuất axit axetic đáp ứng đợc nhu cầu sử dụng có hiệu kinh tế việc làm cần thiết I.4 Cỏc phng phỏp sn xut Axit axetic Để sản xuất axit axetic, ngời ta từ nguồn nguyên liệu khác nhau, với phơng pháp khác nh : phơng pháp tổng hợp, phơng pháp hoá học gỗ, phơng pháp vi sinh Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu sử dụng axit axetic ngày cao hớng chủ yếu sản xuất axit axetic phơng pháp tổng hợp: Tổng hợp từ oxyt cacbon metanol Công nghệ sản xuất axit axetic từ metanol cacbon monoxyt nhiệt độ áp suất cao hãng BASF đưa từ sớm(1913) dựa phản ứng: CH3OH + CO > CH3COOH , DH298 = - 138,6 KJ/mol Điều kiện tiến hành khắc nghiệt nhiệt độ áp suất cộng với có mặt chất ăn mòn mạnh (các hợp chất iodua) ngăn cản việc thương mại hố cơng nghệ Năm 1914, nghiên cứu REPPE(BASF) cho thấy kim loại nhóm VIII xúc tác có hiệu cho q trình cacbonyl hố Điều dẫn đến việc đời phát triển công nghệ nhiệt độ áp suất cao (250oC 70MPa ) với xúc tác coban iodua Quá trình BASF đưa vào áp dụng năm 1960 Luwig Shafen (CHLB Đức) Công suất ban đầu 3.600 tấn/năm Sau tăng lên 10.000 tấn/năm vào năm 1964 35.000 tấn/năm vào năm 1970 Năm 1981 công suất đạt 45.000 tấn/năm Năm 1966, Borden chemical có khởi động xây dựng nhà máy sản xuất axit axetic sơ công nghệ BASF Geimak ( Bang Louisiana, Mỹ) với suất ban đầu 45.000 tấn/năm sau tăng lên 64.000 tấn/năm vào năm 1981.Năm 1968, Monsanto công bố khám phá Xúc tác rhodi với hoạt tính độ chọn lọc cao cho phản ứng cacbonyl hoá metanol(MeOH) thành axit axetic Metanol cacbonyl hố áp suất thường với hiệu suất chuyển hoá 99% metanol 90% cacbon monoxyd.Q trình có sử dụng xúc tác áp dụng năm 1970 bang Texas_Mỹ Công suất ban đầu 135.000 tấn/năm, sau tăng lên 180.000 tấn/năm vào năm 1975 Điều kiện tiến hành trình Monsanto mềm so với trình BASF (3 MPa 180oC ) [3]  Oxy hố axetaldehyt Trước thương mại hóa cơng nghệ Monsanto, hầu hết axit aextic sản xuất cách ôxy hóa axetaldehyt Phương pháp phương pháp quan trọng thứ hai cịn sử dụng Axetaldehyt sản xuất cách ơxy hóa butan naphtha nhẹ, hydrat hóa etylen Khi butan naphtha nhẹ nung khơng khí có mặt ion kim loại khác mangan, coban, crôm, peroxit sau phân hủy tạo axit axetic theo phương trình phản ứng: 2C4H10 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O Phản ứng đặc trưng kết hợp nhiệt độ áp suất chỉnh sau cho đủ nóng để giữ butan dạng lỏng Các điều kiện phản ứng đặc trưng 150 °C 55atm Các sản phẩm phụ tạo ra, butanon, etyl axetat, axit formic, axit propionic Các sản phẩm có giá trị thương mại, điều kiện phản ứng thay để tạo số lượng sản phẩm nhiều Tuy nhiên, việc phân tách axit axetic khỏi hỗn hợp làm cho phương pháp tốn kém.Cùng điều kiện sử dụng chất xúc tác tương tự việc ơxy hóa butan, axetaldehyt bị ơxy hóa oxy khơng khí tạo axit axetic: 2CH3CHO + O2 → 2CH3COOH Sử dụng chất xúc tác đại, phản ứng tạo axit axetic 95% Các sản phẩm phụ etyl axetat, axit formic, formaldehyt có điểm sơi thấp axit axetic nên dễ tách chúng cách chưng cất.[4]  Oxy hãa trùc tiÕp c¸c hydrocacbon no Oxy hố pha lỏng(LPO) số hydrocacbon béo, đặc biệt HC có cấu trúc mạch thẳng, dài phương pháp để sản xuất axit cacboxylic.N-butan nguyên liệu đặc biệt thích hợp để sản xuất axit axetic Khi oxy hoá n-parafin, cất mạch chủ yếu xảy mối liên kết nguyên tử C bậc Vì n-butan tạo sản phẩm axit axetic số sản phẩm phụ metyletylxeton etyl axetat C4H10 + O2 → CH3COOH + HCOOH + CH3COCH2CH3 + other oxygenates Quá trình sử dụng chất xúc tác cobalt, mangan, crôm, vanadi, bismuth, niken, titan, thiếc hoạt động 100-200 ° C / 1000-5.000 kPa Tách hỗn hợp acetic, formic, propionic, acrylic, axit butyric, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, metyl vinyl xeton, gammabutyrolactone thực kết hợp chiết xuất, chưng cất, chưng cất khai khoáng Điều kiện phản ứng lựa chọn chất xúc tác thay đổi cấu sản phẩm đáng kể; chất xúc tác axetat cung cấp 97% chọn lọc acid acetic với sản xuất axit formic thấp, Sản lượng axit axetic 79% dùng crom acetate chất xúc tác, với este acetate methyl ethyl ketone chiếm hầu hết sản phẩm cịn lại Q trình chạy vắng mặt chất xúc tác, với 30% chuyển đổi butan suất 93% acid acetic Nhà máy Huls thương mại hoạt động xúc tác-miễn phí 7100 kPa 170200° C, 2% chuyển đổi butan để cung cấp cho 60% chọn lọc acid acetic.[5]  Oxy hố trực tiếp hydrocacbon khơng no Axetaldehyt điều chế từ etylen theo phản ứng Wacker, sau ơxy hóa nên bên Trong thời gian gần đây, việc chuyển đổi etylen thành axit axetic qua theo bước, chi phí rẻ cơng ty Showa Denko thương mại hóa, cơng ty xây dựng nhà máy oxy hóa etylen Ōita, Nhật Bản năm 1997.Quá trình sử dụng chất xúc tác kim loại palladi với hỗ trợ axit heteropoly axit tungstosilicic Nó xem phương pháp cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa metanol nhà máy nhỏ (100–250 ngàn tấn/năm), tùy thuộc vào giá địa phương etylen.[5] CH2=CH2 + O2 + H2O → [CH3CHO] → CH3COOH + H2O Ngoài axit axetic thu đợc oxy hóa cacbuahydro axit axetic sản phẩm phụ I.5 So sánh phơng pháp sản xuất axit axetic Nói chung phơng pháp sản xuất axit axetic nói phơng pháp có u nhợc điểm riêng mà dựa vào nhà công nghệ lựa chọn phơng pháp tốt phù hợp với yêu cầu Để so sánh phơng pháp, ta xét mặt hiệu qủa trình đặc biệt giá thành sản phẩm Đối với phơng pháp sản xuất từ axetaldehyt Hiệu suất trình cao thờng đạt 95-98% Tuy nhiên phơng pháp có nhợc điểm giá thành sản phẩm cao sử dụng nguồn nguyên liệu đắt tiền Đặc biệt sử dụng axetaldehyt từ trình oxy hoá axetylen giá thành cao Hơn axetylen chất hoá học hiếm, tự nhiên mà phải qua tổng hợp Xu hớng ngời ta không dùng axetylen mà sử dụng etylen để tổng hợp axetaldehyt etylen chất có sẵn khí dầu mỏ khí thiên nhiên Do làm giảm nhiều giá thành sản phẩm Phơng pháp oxy hoá có điều chỉnh parafin thấp (butan đồng đẳng) Phơng pháp cho hiệu kinh tế cao sử dụng chất sẵn có, rẻ tiền Giá thành axit axetic nhận đợc từ oxy hoá butan thấp khoảng 30% so víi s¶n xt tõ axetaldehyt HiƯu st s¶n phẩm tơng đối cao Phơng pháp sản xuất từ metanol CO phơng pháp kinh tế tổng hợp metanol từ dầu mỏ than đá nguồn tài nguyên dồi Phơng pháp oxy hoá n-butan hay dùng phơng pháp oxy hoá naphta oxy hoá naphta có nhiều sản phẩm phụ nên tốn kÐm cho viƯc xư lý, tinh chÕ s¶n phÈm axit axetic Tuy nhiên, phơng pháp tổng hợp axit axetic từ oxyhoá axetaldehyt phơng pháp tối u Đặc biệt phơng pháp điều chế chung axit axetic vµ alhydric axetic Hợp Chất Giá ( cents/lb ) Acetaldehyde 45,5 Axit Acetic 68 Metanol 96 - 211 N-Butan 75 CO 30 Oxygen Bảng giá nguyên liệu sản phẩm (https:// www.icis.com/Chemicals/channel-info-chemicals-a-z) Calculation of Gross Profit: Phương pháp CH3OH + CO → CH3COOH lbmol 1 MW 32 28 60 lb 32 28 60 lb/lb AAC 0,533 0,467 cents/lb 100 30 68 Gross Profit = 68 x – ( 0,533 x 60 + 0,467 x 30 ) = 22,01 cents/lb AAC cents/lb AAC Phương pháp : → 33,8475 Phương pháp : → 29,772 Phương pháp : → 29,839  Vì vậy, qua tìm hiểu v t ính tốn lợi nhuận , nhận thấy nhiều ưu điểm chúng tụi la chn phơng pháp tổng hợp axit axetic từ oxy ho¸ axetaldehyt Chương II: Q trình oxy hoỏ axetaldehyt II.1 Phn ng Phơng pháp oxy hóa axetaldehyt ®Ĩ ®iỊu chÕ axit axetic ®ỵc sư dơng réng r·i công nghiệp ,phản ứng trìng nh sau : +Tạo thành peroxit axetyl,sau phân hủy thành axit axetic: CH3CHO + O2 CH C O O OH CH 3COOH + O + Oxy nguyªn tư tiÕp tơc oxy hãa axetaldehyt thµnh axit axetic: CH3CHO + O CH 3COOH Cơ chế trình oxy hoá axetaldehyt tạo thành axit axetic chế tạo gốc tự do, sinh axit peraxetic sản phẩm trung gian (phơng trình 22) Axit peraxetic sau phản ứng với axetaldehyt để tạo thành axetaldehyt monoperaxetat (AMP) AMP bị phân huỷ nhanh chóng thành Axit axetic nhờ chuyển dịch hydro phản ứng Bayer Villiger Ngoài xảy chuyển dịch gốc metyl để tạo metyl format: 10 Trong ®ã Qa: NhiƯt axit axetic mang đỉnh tháp Qw: Nhiệt sản phẩm ®¸y mang Qng: NhiƯt níc ngng mang Qm: Nhiệt mát môi trờng xung quanh QD: Nhiệt đốt cung cấp Qhl: Nhiệt lợng hồi lu mang vào Qf : Nhiệt hỗn hợp đầu mang vào IV.2.1 Lợng nhiệt đốt cần cung cÊp QD = t.Ci.mi QD = ( 12994.965 ¿ 2,561 + 37.307 ¿ 2,642 + 19.41 ¿ 2,043).(125 -110) QD = 501274.88 (Kj/h) IV.2.2 NhiƯt níc ngng ®em Qng= 0,2 ¿ 501274.88 = 100254.976 (Kj/h) IV.2.3 NhiÖt mang đỉnh Tại t =1000C CH3COOH có Cp =2,43  Qa =2,43 ¿ 12994.965 ¿ 100 = 3157776.5 (Kj/h) IV.2.4 NhiƯt håi lu mang vµo Cho lợng hồi lu 10% lợng sản phẩm đỉnh Qhl = 0,1 ¿ 3157776.5 = 315777.65 (Kj/h) IV.2.5.NhiƯt mÊt m¸t m«i trêng xung quanh 39 Qm = 0,05.QD = 0,05 x 501274.88 = 25063.744 (Kj/h) Từ phơng trình cân b»ng nhiƯt lỵng Qa + Qw + Qng + Qm = QD + Qhl + Qf  Qw = 1094202.85 (Kj/h) V Tính toán thiết bị oxy hoá V.1 Đờng kính thiết bị Giả thiết chiều cao thiết bị 15 m -Lợng dung dịch chứa thiết bị chiếm 80% chiÒu cao tong øng 12 m -VËn tèc láng thiÕt bÞ tõ 0,1- 0,5m/s chän  = 0,4 (m/s) Lợng hỗn hợp thiết bị V = V1 + V2 V1: Lỵng oxy kü tht, m3/h V2: Lỵng axetaldehyt kü thuËt, m3/h V1 =[ 3780.98 38.1917 +¿ ] 32 28 ¿ 22,4 = 2677.24 (m3/h) V2 = m/hh Trong đó: m: Lợng axetaldehyt kỹ thuật hh: Khối lợng riêng 1/hh = xi/i xi: Phần trăm khối lợng cấu tử i i: Khối lợng riêng cấu tö i Thay sè ta cã 40 hh =775 kg/m3 V2= 9705.13/ 775 = 12.523 (m3/h) V = V1 + V2 = 2677.24 + 12.523 = 2689.763 (m3/h) §êng kÝnh thiết bị oxy hoá D= D= V 3600.ω π , m 4.2689,763 = 1.5 (m) 3600.0 3,14 Đờng kính phần Dt = 1,2.1.5 = 1.8 (m) Chiều cao tháp 15m Phần trên: Ht = 3m Phần dới: Hd =12m V.2 Tính chiều dày thiết bị Thiết bị thân hình trụ làm việc chịu áp suất nên chiều dày thiết bị đợc tÝnh theo c«ng thøc: S= Dt P [ σ ] ϕ−P +C , m Trong ®ã : Dt: đờng kính thiết bị : Hệ số bền thành hình trụ theo phơng dọc C: Hệ số ăn mòn bổ sung, bào mòn dung sai chiều dày, m P: áp suất thiết bị, N/m2 41 Chọn vật liệu để chế tạo thiết bị thép X18H10T, thép không gỉ axit axetic có tính ăn mòn thiết bị Thiết bị hàn dọc, hàn tay hồ quang điện ứng víi thÐp X18H10T ta cã: = 0,95 ϕ áp suÊt thiết bị P = Ptt + Pmt Trong : Ptt : áp suất thuỷ tĩnh thiết bị, N/m2 Pmt: áp suất làm việc thiết bị atm xÊp xØ b»ng 4.105 N/m2 Ptt = ρ.g.H Trong đó: : Khối lợng riêng trung bình chất lỏng, Kg/m3 Khối lợng riêng axetaldehyt 783 (kg/m3 ) g: Gia tèc träng trêng, g = 9,81 m/s2 H: ChiỊu cao cđa cét chÊt láng lÊy tèi ®a b»ng chiỊu cao cđa th¸p, m H = 12 m Suy ra: Ptt = 783 x 9,81 ¿ 12 = 92174,76 (N/m2) Vậy áp suất thit b : P = 92174,76 + P ¿ 4,922 ¿ ¿ 105 = 492174,76.105 (N/m2) 105 (N/m2) HƯ sè bỉ sung ăn mòn, bào mòn dung sai âm chiều dÇy cđa thÐp tÊm C = C1 + C2 + C3 , m Trong ®ã : 42 C1: Bỉ xung ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu môi trờng thời gian làm việc thiết bị, m Đối với thép X18H10T vận tốc gỉ 0,06 mm/năm thời gian làm việc từ 15-20 năm Theo tài liệu ta có C1 = mm C2: Bổ sung dung sai bào mòn C2 = , nguyên liệu không chứa hạt rắn C3: Bổ sung dung sai chiều dầy, lÊy C3 = 0,5 mm VËy hƯ sè bỉ sung lµ: C = C1 + C2 + C3 = + + 0,5 = 1,5 mm øng suÊt cho phÐp cđa thÐp X18H10T theo giíi h¹n bỊn σk [σ k]= n η k , N/m2 Trong ®ã : η : Hệ số hiệu chỉnh với loại thiết bị cã η = 0,9 σ k : øng suÊt giíi h¹n bỊn b»ng 550.106 (N/m2 ) nk: hƯ sè an toµn b»ng 2,6 VËy øng suÊt cho phÐp lµ: 550 10 [ σ k ] = 2,6 ×0,9=190 , 38×106 (N/m2) øng st cho phÐp cđa thÐp X18H10T theo giới hạn chảy: [ c ]= n c η c , N/m2 [2 -356] Trong ®ã: μc : hệ số an toàn theo giới hạn chảy, 1,5 43 c : ứng suất giới hạn chảy b»ng 220.106 (N/m2) VËy øng suÊt cho phÐp lµ: 220 106 [ σ c ]= 1,5 0,9=132×106 , (N/m2) Để đảm bảo tính bền ta lấy giá trị bé hai giá trị ứng suất để tính Lấy =[ k ]=132ì106 (N/m2) Khi ta cã: [σ ] 132×10 ϕ h= ×0 , 95=254 ,77 >50 Pt , 922×105 vËy cã thĨ bá qua P ë mÉu VËy chiỊu dÇy thiết bị là: Đối với đoạn dới tháp S= D P +C [ σ ] ϕ (m) 1× , 922 10 S= +0 ,0015=3 , 463×10−3 (m)=3 , 463( mm) 132×10 ×0 , 95 Ta chän S = mm ¿ Đối với đoạn tháp Dt =1,8 (m) 1,2.4 ,922 10 S= +0,0015=3 ,86.10−3 (m)=3, 86 (mm) 132 10 0,95 Ta chän S = mm Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử Po P0 = P1 + Ptl Trong ®ã: 44 Ptl: ¸p suÊt thuû lùc b»ng 1,25Pt Ta cã: Ptl = 1,25 3,912.105 = 4,89.105 N/m2 P1: ¸p st thủ tÜnh cđa níc P1 = g..H =9,81.1000.12 = 1,18.105 N/m2 Suy P0 = 4,89.105+ 1,18.105 = 6,07.105 N/m2 * C«ng thøc kiĨm tra øng st: D t + ( S−C ) ] Po σ c 220 106 [ σ= ≤ = =183 , 33 106 ( S−C ) ϕ 1,2 1,2 N/m2 VÕ tr¸i: σ= [ 1,2+ ( , 006−0 , 0015 ) ] , 07 105 ( , 006−0 , 0015 ) , 95 =85 ,5 106 N/m2 Ta thÊy: σ = 85,5.106 N/m2 < 183,33.106 N/m2 thoả mÃn yêu cầu V.3 Chọn nắp đáy tháp Chọn đáy nắp thiết bị loại elíp có gờ loại vật liệu với thân tháp Nắp Ta có đờng kính tháp D = 1,8 m, dùa vµo sè liƯu ta cã: ChiỊu dµy S nắp làm việc chịu áp suất đợc tÝnh theo c«ng thøc: S= Dt P 3,8 [ σ k ] k ϕ n −P × Dt hb +C (m) [2 - 385] 45 Trong : hb : Chiều cao phần lồi nắp Ta chän hb = 0,25.Dt = 1,8 ¿ 0,25 = 0,45 (m) n : HƯ sè bỊn cđa mèi hµn híng t©m(nÕu cã),chän n = 0,95 k : HƯ sè không thứ nguyên, đợc xác định nh sau: k =1 d Dt : d : đờng kính lớn lỗ(hay đờng kính lớn lỗ hình tròn), lỗ không tăng cứng Chọn d = 0,2 m [ σ k ] =146 106 N/m2 ứng suất cho phép theo giới hạn bền P : ¸p suÊt cã P = 4,922.105 (N/m2 ), ϕ h =0 , 95 Ta cã k= Dt−d Dt [σ ] k ϕh V× : P = 1.8−0.2 = 0.888 1.8 = 146×10 ×0 , 833×0 , 95 =234 , 74>30 , 922ì105 Nên đại lợng P mẫu số công thức tính chiều dày S bỏ qua Vậy chiều dày nắp đợc tính : S= Dt P 3,8 [ σ k ] k ϕ n × Dt hb +C 46 1.8 x 1.8 x 4.922 S = 7.6 x 146 x 10 x 0.888 x 0.95 x 0.45 + C S = 3.7.10-3 + C Đại lợng, bổ sung C S C =3,7.10-3 m10 mm.Do ta tăng thêm mm so với giá trị tính đợc thân tháp C = ( + 1,5).10-3 = 3,5.10-3 mm S = ( 3,5 + 3,7 ).10-3 = 7,2.10-3 m Quy chuÈn, chiều dày nắp thiết bị S = mm Kiểm tra ứng suất thành nắp thiết bị theo áp st thủ lùc theo c«ng thøc: σ = 189351.65 σ< σc =183 ,33 106 1,2 VËy chiỊu dµy nắp thiết bị S = mm Nắp thiết bị Đáy 47 Ta có đờng kính tháp lµ D = m, dùa vµo sè liƯu ta có: Chiều dày S đáy làm việc chịu áp suất đợc tính theo công thức: S= Dt P 3,8 [ σ k ] k ϕ n P ì Dt hb +C (m) Trong : hb : Chiều cao phần lồi đáy Ta chän hb = 0,25.Dt = 1.5 ¿ 0,25 = 0.375 (m) n : HƯ sè bỊn cđa mèi hµn híng tâm(nếu có),chọn n = 0,95 k : Hệ số không thứ nguyên, đợc xác định nh sau: k =1 d Dt : d : đờng kính lớn lỗ(hay đờng kính lớn lỗ hình tròn), lỗ không tăng cng Chọn d = 0,2 m [ σ k ] =146 10 N/m2 ứng suất cho phép theo giới hạn bền P : ¸p suÊt cã P = 4,922.105 (N/m2 ), ϕ h =0 , 95 Ta cã k = [σ ] k ϕh V× : P 1.5−0.2 = 0.867 1.5 = 146×10 ×0,8×0 , 95 =225 , 44 >30 , 922ì105 Nên đại lợng P mẫu số công thức tính chiều dày S bỏ qua 48 Vậy chiều dày đáy đợc tính : S= Dt P 3,8 [ σ k ] k ϕ n × Dt hb +C 1.8 x 1.8 x 4.922 x 10 S = 7.6 x 0.867 x 0.95 x 146 x 106 ¿ + C ¿ S = 1.75 x 10-3 + C Đại lợng, bổ sung C S C =1,75.10-3 m 10 mm.Do ta tăng thêm mm so với giá trị tính đợc thân tháp C = ( + 1,5).10-3 = 3,5.10-3 mm S = ( 3,5 + 1,75 ).10-3 = 5.25.10-3 m Quy chuẩn, chiều dày đáy thiết bị S = mm Kiểm tra ứng suất thành đáy thiết bị theo áp suất thuỷ lực theo công thức: = 308227.5 σ< σc 1,2 =183 ,33 106 VËy chiều dày đáy thiết bị S = mm V.4 Chọn đờng kính ống dẫn vào thiết bị Đờng kính ống dẫn nguyên liệu vào chọn d1 = 200 mm Đờng kính dẫn oxy : d2 = 150 mm Đờng kính dẫn Nitơ : d3 = 100 mm 49 Đờng kính ống dẫn sản phÈm axit axetic : d4 = 200 mm §êng kÝnh dÉn níc vµo vµ : d5 = 100 mm Đờng kính ống dẫn hỗn hợp đỉnh tháp : d6 = 200 mm VI Sơ đồ công nghệ 50 Sơ đồ PFD q trình Thut minh: S¬ đồ dây chuyền sản xuất axit axetic phơng pháp oxy hoá axetaldehyt pha lỏng Dung dịch xúc tác đợc chuẩn bị bỡnh chỳa.Dung dịch sau trộn với CH3CHO đà đợc làm lạnh nớc muối bể chứa Hỗn hợp đợc bơm nạp vào phần ®¸y cđa th¸p oxy hãa (1) ë ¸p st 4at Oxy kỹ thuật đợc đa vào dọc thân tháp khoảng đến vị trí khác qua ống phân phối đặc biệt để tăng độ chuyển hóa trình đồng thời tăng tốc độ phản ứng.Cột tháp đợc nạp chất lỏng đến gần phần nở rộng Chất lỏng chuyển động lên cao nồng độ axit axetic tăng nồng độ axetaldehyt giảm, đáy tháp phần hẹp trì nhiệt độ 60 0C áp suất 3,8 - 4at, đỉnh tháp giữ nhiệt độ 75 0C áp suất 2,851 3at Việc khống chế xác nhiệt độ tháp phản ứng có ý nghĩa quan trọng nhiệt độ thấp 60 o-700C dẫn đến tích tụ peoxyt, nhiệt độ cao thúc đẩy phản ứng phụ đặc biệt phản ứng oxy hoá hoàn toàn axetaldehyt Để pha loÃng hỗn hợp dễ gây nổ(tránh tích tụ peraxit oxy gây nổ) ngời ta cho nitơ liên tục vào phần cột tháp Hỗn hợp khí từ đỉnh tháp (1) sang thiết bị ngng tụ làm lạnh nhiệt độ 20 - 300C nên axetaldehyt, axit axetic, nớc ngng tụ, hoà tan phần lớn axetaldehyt cha phản ứng, sau tách khỏi khí thiết bị phân ly đợc đa trở lại tháp oxy hóa (1) Hơi tách đợc rửa tháp rửa nớc để tách hết phần axetaldehyt d axit axetic, thải trời Sản phẩm thô lấy liên tục từ phần nở rộng cột tháp oxi hoá qua máng cạnh sờn đa vào tháp tinh chế(2), hợp chất nhẹ bị đuổi ngng tụ, phần hồi lu tháp tinh chế, phần lại qua thiết bị ngng tụ làm lạnh đa xử lý tiếp Axit axetic đà đợc loại bỏ hợp chất nhẹ đợc đa vào thiết bị đun sôi vào tháp (3) để chng cất lần (2), nhiệt độ 125 0C, axitaxetic bay hơi, tách khỏi xúc tác, paradehyde đợc ngng tụ thiết bị hồi lu , phần axit axetic tác đa trở lại tháp(3).Tip tc cho qua tháp (4) để thu hồi xúc tác 52 Tài liệu tham khảo [1] www.vinachem.com/Thị trường axit acetic v dẫn xuất toàn cầu phục hồi v phát triển mạnh [2] www.icis.com [3] www.hoahocngaynay.com/vi/nghiên cứu giảng dạy/bài nghiên cưu/55.html [4] “ Acetic acid” National institute of standards and technology [5] Victor-H-Agreda-Acetic Acid anh It’s –Derivatives [6] NguyÔn Minh Hin - Giáo trình tổng hợp hữu hoỏ du Trờng Đại Học Bách Khoa Hà nội [7] Tập thể tác giả Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất, Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật 1978 [8] Tập thể tác giả Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất, Tập Nhà xuất khoa học kỹ thuật.1999 [9] Sổ tay tóm tắt đại lợng hoá lý Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội xuÊt b¶n 1963 [10] http://www.wikipedia.org/wiki/Acetic_acid 53