Thiết kế phân xưởng sản xuất axetaldehyt

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetal®ehyt Lời cảm ơn Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu với hướng dẫn tận tình thầy cô giáo môn Đặc biệt hướng dẫn thầy GS.TS Đào Văn Tường đến đồ án em hoàn thành theo thời gian qui định Em xin cảm ơn thầy PGS Ngơ Bình người hướng dẫn em hồn thiện phần thiết kế xây dựng phần đồ án Em xin chân thành cám ơn thầy, cô môn Đặc biệt thầy GS.TS Đào Văn Tường tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp thời gian MỤC LỤC Mở đầu Phần I : Tổng quan Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt A Tớnh cht hoỏ hc ca nguyên liệu I Axetylen I.1 Tính chất axetylen I.2 Các phương pháp tổng hợp axetylen 11 II Nước .13 III Etylen 14 III.1 Tính chất etylen .14 III.2 Các phương pháp tổng hợp etylen 16 IV Metanol .16 IV.1 Tính chất metanol 16 IV.2 Các phương pháp tổng hợp metanol 17 V Etanol 18 V.1 Tính chất etanol 18 V.2 Các phương pháp tổng hợp etanol 19 B Tính chất sản phẩm 20 I Tính chất vật lí axetaldehyt .20 II Tính chất hố học axetaldehyt .22 II.1 Phản ứng phân huỷ 22 II.2 Phản ứng cộng hợp 22 II.3 Phản ứng oxy hoá 25 II.4 Phản ứng khử 26 II.5 Phản ứng polyme hoá 26 II.6 Phản ứng với hợp chất PCl5 tạo hợp chất gemdihalogen 27 III Ứng dụng axetaldehyt 27 C Các phương pháp sản xuất axetaldehyt 28 I Phương pháp sản xuất axetaldehyt từ axetylen 29 I.1 Q trình hydrat hố axetylen pha lỏng 30 I.2 Sản xuất axetaldehyt hydrat hoá axetylen tiến hành pha khí 35 I.3 Hydrat hoá gián tiếp axetylen để điều chế axetaldehyt .37 II Quá trình sản xuất axetaldehyt từ etanol 38 II.1 Quá trình sản xuất axetaldehyt từ trình dehydro hoá etanol .38 II.2 Quá trình sản xuất axetaldehyt oxy hoá etanol .39 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetal®ehyt III Q trình sản xuất axetaldehyt từ etylen .39 III.1 Q trình oxy hố trực tiếp etylen 39 III.2 Công nghệ sản xuất 44 IV Quá trình sản xuất axetaldehyt từ hydrocacbon no 50 V Sản xuất axetaldehyt từ nguồn C1 51 V.1 Sản xuất axetaldehyt trực tiếp từ khí tổng hợp .51 V.2 Sản xuất axetaldehyt từ metanol, metyl axetat anhydrit axetic .52 VI So sánh phương pháp sản xuất axetaldehyt 52 Phần II: Tính cân vật chất cân nhiệt lượng 54 I tính cân vật chất 54 I.1 Tính cân vật chất tháp dehydro hố .55 I.2 Tính cân vật chất tháp hấp thụ .57 I.3 Tính cân vật chất tháp chưng .60 I.4 Tính cân vật chất tháp tinh luyện 61 II Tính cân nhiệt lượng 62 II.1 Nhiệt lượng nguyên liệu mang vào 62 II.2 Nhiệt lượng phản ứng tạo thành 63 II.3 Nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng 65 II.4 Nhiệt lượng sản phẩm mang khỏi thiết bị phản ứng 65 II.5 Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh .66 Phần III: Tính tốn thiết bị 67 I Tính lượng xúc tác qua thiết bị 67 II Tính kích thước thiết bị 68 III Tính tốn khí 69 III.1 Tính kích thước ống dẫn 69 III.2 Tính chiều dầy thân thiết bị 71 III.3 Tính nắp đáy thiết bị 74 Phần IV : Xây dựng nhà công nghiệp 77 I Chọn địa điểm xây dựng nhà máy 77 II Yêu cầu khu đất xây dựng .78 III Mặt nhà máy .79 IV Thiết kế tổng mặt nhà máy 82 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt V Nguyờn tc thit k tng mặt nhà máy 83 Phần V : An toàn lao động 87 Kết luận .89 Tài liệu tham khảo 90 MỞ ĐẦU Axetaldehyt hay cịn gọi etanal Có công thức phân tử CH 3CHO, axetaldehyt phát vào năm 1774 Sheele, ông cho phản ng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt gia mangan ioxit cú mu en (MnO2) axit Sunphuric với rượu Về mặt cấu tạo axetaldehyt giải thích vào năm 1835 Liebig, người tạo axetaldehyt tinh khiết việc oxy hoá rượu etylic với axit cromic rõ tên gọi sản phẩm “Andehyt” Axetaldehyt chất lỏng có nhiệt độ sơi thấp, chất lỏng có khả bắt lửa cao, có mùi cay Bởi có khả phản ứng hố học cao nên axetaldehyt chất trung gian quan trọng việc sản xuất sản phẩm hoá học như: axit axetic, anhydric acetic, etyl axetal, axit peracetic, rượu butylic, penta erythritol, muối clorin axetaldehyt , 2- etyl hexanol, glyoxal, alkyl amin, pyridin, chất hoá học khác Axetaldehyt áp dụng thương mại vào năm 1914 năm 1918 Đức (Wacker – Chemie Hoechst) Canada (Shawinigan) Axetaldehyt chất trung gian trình trao đổi chất thực vật quan động vật, có khả tách với số lượng nhỏ Số lượng lớn axetaldehyt liên quan đến nhiều trình sinh học: chất trung gian trình lên men rượu, axetaldehyt có mặt với lượng nhỏ tất đồ uống có cồn bia, rượu,và loại rượu mạnh Axetaldehyt tách từ nước ép trái cây, dầu ăn ,cà phê khơ, khói thuốc Nhiều q trình sản xuất axetaldehyt mang tính thương mại gồm có: q trình dehydro hố oxy hố rượu etylic, trình hợp nước axetylen , oxy hoá phần hydrocacbon oxy hoá trực tiếp etylen Vào năm 1970 giới cơng suất q trình sản xuất theo phương pháp oxy hoá trực tiếp tăng đến khoảng 2.10 6tấn /năm Tuy nhiên, ngày tính quan trọng axetaldehyt chất hữu trung gian phát triển đều,có nhiều q trình sản xuất axetaldehyt phát triển: q trình ơxơ cho ta rượu butylic,và 2-etylhexanol, trình Monsanto cho ta axit axetic Trong tương lai, trình anhydrit axetic,vinylaxetat, axetaldehyt nguyên liệu ban đầu Do đó, việc sử dụng axetaldehyt làm nguyên liệu ban đầu có phần giảm Tuy nhiên cịn sản phẩm trung gian vô quan trọng công nghip hoỏ hc Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt Vit Nam nhng nm gần đây, với phát triển nghành dầu khí việc chế biến sản phẩm từ dầu khí nhiệm vụ quan trọng sinh viên nói chung sinh viên ngành hố dầu nói riêng PHẦN I: TỔNG QUAN A-TÍNH CHẤT CỦA NGUN LIU I-AXETYLEN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt I.1-Tớnh cht ca Axetylen Axetaldehyt l chất khí,có chứa liên kết ba phân tử, axetylen có nhiều ứng dụng kinh tế cơng nghiệp tổng hợp hữu Từ axetylen điều chế hợp chất hữu quan trọng như: axetaldehyt ,axit axetic, vinyl clorua, cao su tổng hợp…đây hợp chất trung gian quan trọng cho q trình tổng hợp hữu cơ I.1.1-Tính chất vật lý Axetylen (C2H2), có cơng thức cấu tạo là(CHCH), chất khí, khơng mầu, ngun chất khơng mùi, nhẹ khơng khí, tan nước, ngưng tụ –83,8oC (0,102Mpa) Axetylen tan nhiều dung môi hữu : alcol, ete đặc biệt tan nhiều axeton (ở áp suất thường, lít axeton hồ tan 25 lít axetylen ) Axetylen chất thu nhiệt, đốt cháy lượng nhiệt lớn Do tính chất nên người ta sử dụng axetylen việc hàn cắt kim loại, axetylen cháy khơng khí tạo lửa sáng, tạo CO H2O CHCH + 5/2O2  2CO2 + H2O Ho298 = -315kcal/mol Axetylen hợp chất không bền mặt nhiệt động (dễ tạo hỗn hợp nổ với khơng khí giới hạn rộng (2  82%) thể tích axetylen , với O) thể tích axetylen , với O2 từ (2,8  78%) thể tích axetylen , với O) thể tích axetylen, bị phân huỷ tạo C H kèm theo tượng nổ, phản ứng nổ toả nhiều nhiệt, làm tăng khả nguy hiểm nổ axetylen Do vận chuyển để tăng độ an toàn người ta thường pha thêm chất phụ gia I.1.2- Tính chất hố học Do đặc điểm cấu tạo axetylen có liên kết ba phân tử nên có khả tham gia phản ứng hố học cao như: tham gia phản ứng oxy hố khử,…ngồi axetylen cịn có khả tham gia phản ứng nguyên tử H liên kết ba nguyên tử kim loại  Phản ứng cộng + Phản ứng hydro hoá Phản ứng hydro hoá liên kết ba thường tiến hành với hydro phân tử, xúc tác kim loại (Ni,Pd,Pt).Tuỳ thuộc vào loại xúc tác mà có sản phẩm trình cộng hợp olefin hay prafin Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetal®ehyt Pd CH  CH + H2  CH2 = CH2 Nếu thay xúc tác Pd Ni ta có: Ni CH  CH + H2  CH3 - CH3 + Phản ứng cộng halogen (đặc biệt Cl2,Br2) Phản ứng cộng halogen xảy theo hai giai đoạn CH  CH + Br2  Br - CH = CH – Br Br - CH = CH – Br + Br2  Br2 - CH – CH – Br2 Đối với clo điều kiện thường phản ứng xảy mãnh liệt toả nhiều nhiệt nên gây phản ứng phân huỷ + Phản ứng cộng hydro halogenua Phản ứng xảy có mặt xúc tác muối thuỷ ngân HgCl CH  CH + HCl  H2C = CH – Cl + Axetylen tham gia phản ứng cộng alcol cộng axit cacboxylic Dưới tác dụng xúc tác thuỷ ngân sunfat axetylen tác dụng với alcol tạo ete vinylic, cộng với axit cacboxylic tạo este alcol vinylic CH  CH + C2H5OH  H2C = CH – O – C2H5 CH  CH + CH3COOH  H2C = CH – O – CO – CH3  Phản ứng trùng hợp Dưới tác dụng xúc tác muối đồng (I), axetylen trùng hợp hai phân tử (dime hoá) tạo vinyl axetylen CuCl CH  CHNH 4ClH2C = CH – C  CH Axetylen trùng hợp ba phân tử cho divinyl axetylen bốn phân tử tạo 1,5,7-octatrien Khi cho axetylen qua ống nung đỏ tới 600  800oC axetylen trùng hợp tạo benzen C 3CH CH C6H6 600 c Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt Phản ứng kim loại tính axit yếu axetylen + Tính axit yếu Nguyên tử H đính vào nguyên tử cacbon mang liên kết ba linh động, alkyl loại có tính axit yếu tham gia phản ứng kim loại Trong axetylen có hai ngun tử H đính vào cacbon mang liên kết ba Nguyên nhân tính linh động H axetylen so với etylen etan : độ âm điện cacbon trạng thái lai tạo khác Cacbon lai tạo sp có độ âm điện lớn , kế sp2, cuối sp3 C sp > Csp ¿ C sp Đó cacbon lai tạo sp obital lai tạo tỷ lệ electron s electron có mức lượng thấp gần nhân, chiếm tới 50%) thể tích axetylen , với O lớn hẳn tỷ lệ electron obital lai tạo sp2, sp3 Do độ âm điện obital lai tạo sp lớn nên liên kết C-H cacbon mang liên kết ba phân cực mạnh, tăng cường khả proton hoá nguyên tử H, khả với kim loại + Phản ứng với kim loại kiềm kiềm thổ Hằng số phân ly axit axetylen ka = 10-22nên tính axit axetylen yếu Do nguyên tử kim loại Na đẩy nguyên tử H khỏi phân tử axetylen 150oC CH  CH + 2Na  CH  CNa +1/2H2 CH  CH + NaNH2  CH  CNa + NH3 + Phản ứng với kim loại khác Khi cho axetylen qua dung dịch bạc nitrat ammoniac, hay dung dịch muối đồng (I) amoniac ta thấy nguyên tử H thay nguyên tử Ag hay Cu cách dễ dàng [Ag(NH3)]+ CH  CH  AgC  CAg  Phản ứng oxy hoá - khử Axetylen cháy khơng khí toả nhiều nhiệt CH  CH + O2  CO2 +H2O + 1320 Kj Đây phản ứng nguy hiểm Nếu để hỗn hợp axetylen oxy(1:2,5) theo thể tích khả n ca nú rt cao Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất Axetalđehyt Axetylen tham gia phản ứng cộng H2O Khi có mặt thuỷ ngân sunfat làm xúc tác CH  CH + H2O  [CHCH2 = CH - OH]  CH3 – CH = O Alcol vinylic khơng bền Qua tính chất cho ta thấy, từ axetylen điều chế nhiều chất , chất có ứng dụng lớn cơng nghiệp tổng hợp hữu hoá dầu I.2- Các phương pháp tổng hợp Axetylen Axetylen tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu khác như: than đá, đá vôi , hay từ hydrocacbon I.2.1- Tổng hợp Axetylen từ cacbua canxi Tổng hợp axetylen từ cacbua canxi phương pháp chủ yếu sản xuất axetylen cho tổng hợp hữu Phương pháp sử dụng từ lâu sử dụng phổ biến Ở Việt Nam phương pháp điều chế axetylen từ canxi cacbua phương pháp chủ đạo để sản xuất axetylen công nghiệp Cơ sở phương pháp dựa phản ứng: CaC2 + 2H2O  C2H2 + Ca(OH)2 Trong sản xuất, phân huỷ kg C 2H2 nguyên chất cần 0,562 kg nước ta thu 1,156 kg vôi 0,406 kg axetylen Phản ứng phân huỷ CaC2 nước toả nhiều nhiệt, sản xuất axetylen người ta phải lấy bớt nhiệt phản ứng cách cho bốc nước Tổng hợp axetylen từ cacbua canxi thường theo phương pháp chính: phương pháp ướt phương pháp khơ  Phương pháp ướt: Trong phương pháp này, axetylen chuyển hoá với số lượng nước dư đưa vào thiết bị Phương pháp suất nhỏ (1000 m C2H2/h), cồng kềnh Tuy nhiên, phương pháp phân huỷ cacbua canxi phương pháp ướt tự động hoá thiết bị dễ dàng phương pháp khô Mặt khác sản phẩm thu phương pháp ướt  Phương pháp khô: Đây phương pháp chủ yếu để sản xuất axetylen công nghiệp Phương pháp cho suất cao phương pháp ướt (2000 m C2H2/h) Sản xuất axetylen theo phương pháp khô cho ta bã vôi khô nên dễ lấy 1