Thiết kế phân xưởng sản xuất va

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA MỞ ĐẦU Phần I : Tổng quan lý thuyết CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT I – Axetylen .4 II Axit axetic 10 II.1- Giới thiệu: [6] 10 II.2 - Tính chất vật lý: [4,6] 11 II.3 - Tính chất hóa học: [2,4] 14 II.4 - Ứng dụng: [6,7] 17 II.5 - Các phương pháp sản xuất axit axetic: [4,6,7,8] 18 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM VINYL AXETAT .21 I- Giới thieäu chung: [4,9] .21 II-Tính chất vật ly ù: [4,9,10] 21 III-Tính chất hóa học: [4,9,10] 22 III.1 - Phản ứng cộng: .22 III.2 - Phản ứng oxy hoùa: .25 III.3 - Phản ứng trùng hợp: .25 III.4 - Phản ứng đồng trùng hợp: 26 III.5 - Phaûn ứng thủy phân VA, PVA: 26 III.6 - Từ VA tạo caùc vinyl este khaùc: 27 IV- Tình hình sản xuất sử duïng VA: .27 IV.1- Tình hình sản xuất VA: [4,7,10] 27 IV.2 - Tình hình sử dụng VA: [4,7] 28 V- Phân loại, tiêu chuẩn bảo quản VA:[9] 29 V.1-Phân loại: 29 V.2- Tieâu chuaån: .29 V.3- Baûo quaûn: .30 CHƯƠNG III:GiớI THIệU CáC PHƯƠNG PHáP SảN XUấT VA .31 I- Giíi thiƯu chung: [9] 31 II-Phơng pháp tổng hợp VA từ Etylen Axit axetic: [9,10] 31 II.1- C«ng nghệ tổng hợp VA từ C2H4 CH3COOH pha láng: (h·ng ICI) [9,10] 32 II.2- C«ng nghệ tổng hợp VA từ etylen axit axetic pha khÝ (h·ng USI Chemicals): [9,10] .35 II.3- C«ng nghƯ tổng hợp VA từ etylen axit axetic pha khÝ: 38 ( H·ng Hoechst – Bayer) [7] .38 III- Phơng pháp tổng hợp VA từ axetylen vµ axit axetic: [9] 42 III.1-Công nghệ tổng hợp VA từ C2H2 CH3COOH pha lỏng: [4,10] 42 III.2- Công nghệ tổng hợp VA tõ axetylen vµ axit axetic pha khÝ: [4,16] 45 IV- Các phơng pháp sản xuất VA khác: 53 IV.1- Công nghệ tổng hợp VA từ etyliden diaxetat: [7,9,10] 53 IV 2- C«ng nghƯ tỉng hợp VA từ metyl axetat, CO H2: (Halcon) [7] 53 IV.3 - Phơng pháp nhiệt phân etylen glycol diaxetat: (Halcon) [7] 54 IV.5 - Phơng pháp tổng hợp VA từ CH2 = CHCl CH3COONa: 55 IV.6 - Phơng pháp tổng hợp VA từ isopropyl axetat CH3CHO: .55 IV.7 - Phơng pháp tổng hợp VA từ ClCH2  CH2Cl vµ CH3COOH: 55 V- Lùa chọn thuyết minh dây chuyền công nghệ: .56 VI - KÕt luËn tæng quan: 57 Phần II: TíNH TOáN CÔNG NGHệ .59 Chơng I: Tính toán vật chất cho thiết bị phản ứng 59 SVTH: Trần Hữu Dũng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA I.1 Tính lợng VA cần sản xuất giê .59 I.2 Quy đổi thành phần nguyên liệu sang phần trăm khối lỵng 60 I.3 Lỵng vËt chÊt vào thiết bị phản ứng 61 I.4 Lợng vật chất khỏi thiết bị phản ứng 66 Chơng II Tính toán thiết bị chÝnh .80 III.1 Bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị phản øng 80 III.2 Tính đờng kính thiết bị phản ứng 82 III.3 TÝnh sè ngăn thiết bị phản ứng 84 III.4-Tính đáy nắp thiết bị phản ứng: 94 III.5-Tính chiều cao thiết bị phản ứng: 95 III.6-Tính đường kính ống dẫn: 95 PHầN III: THIếT Kế XÂY DựNG 97 I.Chọn địa điểm xây dựng: .97 II.ThiÕt kÕ mỈt b»ng nhà máy: 98 Phần IV: An toàn lao động 105 PhÇn V: TÝnh to¸n kinh tÕ 106 I.Mục đích nhiệm vơ cđa tÝnh to¸n kinh tÕ: .106 II.Néi dung tÝnh to¸n kinh tÕ: 106 KẾT LUẬN .112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ kinh tế quốc dân, lãnh đạo đảng nhà nước, ngành công nghiệp hoá hoùc ủaừ coự nhửừng ủoựng SVTH: Trần Hữu Dũng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA góp to lớn cho kinh tế, đặc biệt ngành công nghiệp tổng hợp hữu - lọc hoá dầu, chế biến khí Sử dụng nguồn nguyên liệu dồi sẵn có dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá Quá trình tổng hợp hữu tạo nhiều sản phẩm có giá trị ứng dụng thực tiễn như: cao su, thuốc nhuộm, dược phẩm, sơn, sợi Một monome quan trọng công nghệ VA, VC … VA biết đến vào đầu kỷ 20 nhà bác học Klatte tổng hợp từ axetylen axit axetic pha lỏng Và từ đến công nghiệp sản xuất vinyl axetat ngày phát triển mạnh mẽ, xuất thêm nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp vinyl axetat nhằm làm cho trình tổng hợp vinyl axetat phong phú hoàn thiện Hiện phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp lọc hoá dầu, nên giới thay phương pháp sản xuất vinyl axetat từ axetylen etylen Trên giới sản lượng vinyl axetat sản xuất từ etylen chiếm khoảng 80%, từ axetylen chiếm 20% Năm 1985 lượng vinyl axetat sản xuất Mỹ 960.200 tấn/năm, Đông Âu 200.000 tấn/năm, Nhật 402.930 tấn/năm, đến năm 1994 tổng sản lượng Châu Âu Mỹ 3,8.106 tấn/năm Gần năm 1997 Đông Nam Á xây dựng nhà máy sản xuất vinyl axetat từ etylen với suất 150.000 tấn/năm Ở Việt Nam ngành tổng hợp hữu – hoá dầu chưa phát triển mạnh, nên nhà máy sản xuất vinyl axetat chưa xây dựng Song với phát triển đất nước, tiến hành công nghiệp hoá, đại hoá để đến năm 2020 nước ta trở thành nước công nghiệp, nhà máy lọc dầu số 1, số …sẽ hoàn thiện, nơi cung cấp nguyên liệu cho nhà máy sản xuất vinyl axetat Vì nhà máy sản xuất vinyl axetat thiết đời để đáp ứng yêu cầu kinh tế Phần I : Tổng quan lý thuyết CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIEU CUA QUA TRèNH SAN XUAT SVTH: Trần Hữu Dũng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA I – Axetylen I.1 TÝnh chÊt cđa axetylen: C2H2 [1,2,3,4,5] I.1.1 TÝnh chÊt vËt lý cña axetylen ë nhiệt độ thờng axetylen chất khí không màu, đợc đặc trng số vật lý sau: Bảng 1: Các số vật lý axetylen Đại lợng vật lý Giá trị Nhiệt độ ngng tụ 83,3 o C ( áp suất 0,102 Mpa ) Nhiệt độ phân huỷ tới hạn +35,5 o C Nhiệt nóng chảy 5,585 KJ / mol Nhiệt hoá 15,21 KJ / mol áp suất phân huỷ tới hạn 6,04 Mpa Trọng lợng phân tử 26,02 Kg / Kmol Tại C áp suất 101,3 Kpa Trọng lợng riêng 1,173 Kg / m CP 42,7 J mol-1.K-1 CV 34,7 J / mol-1.K-1 Độ nhớt động học 9,43 Pa.s Độ dẫn nhiệt 0,0187 A/ m Tốc độ truyền âm 341 m/s HÖ sè nÐn 0,9909 Entapy 8,32 KJ / mol Entropy 197 J / mol Axetylen có khả tạo hỗn hợp nổ với không khí giới hạn rộng: từ 20% đến 80% thể tích Giới hạn áp suất nguy hiểm 0,2 Mpa Axetylen có khả dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với với Flo, Clo, dới tác dụng ánh sáng Do để tránh cháy nổ ngời ta thờng pha thêm khí trơ, Hyđrô, Amoniac vào thùng chứa axetylen vận chuyển Axetylen không bị phân hủy dới điều kiện nhiệt độ thờng áp suất khí Tuy vậy, axetylen hợp chất không bền mặt nhiệt động, bị phân huỷ tạo cacbon hydro kÌm theo tiÕng nỉ Ph¶n øng nỉ cã thĨ đợc khơi mào nhiệt, thuỷ ngân, tự nổ dới áp suất lớn áp suất khí Khi phân huỷ axetylen xảy phản ứng nổ nhiệt độ lên đến 28000C C2H2 2C + H2 H = -54,2 kcal/mol Khi ë ¸p suÊt 0,2 MPa, phân rà có đặc điểm cục bộ, không nguy hiểm áp suất cao hơn, phân rà có đặc tính nổ với sóng kích nổ lan truyền víi vËn tèc lín h¬n 1000m/s Sù dƠ nỉ cđa axetylen giảm đợc thêm vào khí trơ, chúng tích nhiệt phân rà ngăn cản nổ axetylen Sự dễ nổ axetylen tăng có mặt kim loại có khả tạo thành axetilua, tính chất cần phải đợc ý chọn nguyên liệu chế tạo thiết bị SVTH: Trần Hữu Dũng ẹo aựn tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA §Ĩ đề phòng phát nổ sản xuất hay tổng hợp khác, ngời ta cố gắng thực phản ứng áp suất 0,2 Pa (giới hạn không nguy hiểm) Khi bắt buộc phải làm việc dới áp suất cao, ngời ta làm loÃng axetylen N2, chất phản ứng Khi nén axetylen, ngời ta sử dụng máy nén axetylen đặc biệt, có tốc độ dịch chuyển chậm, mức độ nén nhỏ nhiệt độ khí sau cấp máy nén không cao 100OC Axetylen có giới hạn nổ rộng C 2H2 dễ dàng tạo thành hỗn hợp với Flo, Clo, tác dụng với ánh sáng Khi vận chuyển phải pha thêm khí trơ, hydro, amoniac để giảm khả cháy nổ Một tính chất quan trọng axetylen khả hoà tan lớn nhiều so với hydrocacbon khác Nó hoà tan tốt dung môi có cực: ë 200C mét thĨ tÝch níc hoµ tan mét thĨ tích axetylen, độ hoà tan giảm nhiệt độ tăng Axetylen hoà tan tốt nhiều dung môi hữu dung môi vô khác, 200C thể tÝch axeton hoµ tan 25 thĨ tÝch axetylen TÝnh chÊt hoà tan tốt axetylen đợc ứng dụng trình điều chế tách khỏi hỗn hợp khí làm cách dễ dàng nh ứng dụng để vận chuyển, chứa đựng, bảo quản Muốn chuyên chở axetylen đợc nhiều tránh nguy hiĨm nỉ, ngêi ta cho axetylen hoµ tan axeton dới áp suất 12-15 at, dới áp suất lÝt axeton cã thĨ hoµ tan 300 lÝt khÝ axetylen Bình thép chứa dung dịch axetylen axeton nguy hiểm so với axetylen lỏng, dùng thêm khối xốp vô chất đầy bình Axetylen hợp chất thu nhiệt, đốt cháy thoát lợng nhiệt lớn Khi dùng hỗn hợp axetylen - oxy làm khí hàn, cắt kim loại màu, muốn hàn tốt phải sử dụng khí trơ (argon) để oxy không tiếp xúc trực tiếp bề mặt kim loại hàn Axetylen cháy không khí cho lửa sáng, tạo CO H2O toả lợng nhiệt lớn, khả sinh nhiệt cña axetylen b»ng 13.387 Kcal/m3 C2H2 + O2  CO2 + H2O I.1.2 Tính chất hoá học Axetylen hydrocacbon không no có công thức phân tử C 2H2, công thức cấu tạo CH CH, liên kết ba xen phủ hai liên kết (năng lợng liên kết lần lợt 38,39 26,99 Kcal/mol) có khả hoạt động lớn (thể rõ tính không no) liên kết (năng lợng liên kết 62,77 Kcal/mol) I.1.2.1 Phản ứng kết hợp Các Phản ứng cộng vào liên kết ba diễn theo giai đoạn: giai đoạn chuyển nối ba thành nối đôi, giai đoạn thứ chuyển nối đôi thành nối đơn - Cộng hợp với H2 cho ta etylen, phản ứng tiến hành xúc tác Paladi p = 1at 250 3000C: SVTH: Trần Hữu Dũng t0 250 3000C Xt Pd, p = 1at Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA CH  CH + H2 CH2 = CH2 H= -41,7 Kcal/mol - Céng hỵp víi H2 víi xóc t¸c Ni, t0: Ni CH  CH + 2H2 CH3 - CH3 t - Axetylen t¸c dơng víi nớc có xúc tác thuỷ ngân H2SO4 tạo thµnh axetaldehit: CH  CH + H2O [CH2=CH-OH]  CH3 - CHO Hg+ + - Khi cã oxit kÏm vµ oxit sắt ở0C360 4500C, C2H2 tác dụng với nớc tạo thành 75 100 axeton: 2CH CH + 3H2O  CH3 - CO - CH3 + CO2 + 2H2 - Víi c¸c Halogen : Cl2 , F2 , Br2 CH  CH + Br2 + h H C=C Br H Br + Br2 CHBr2  CHBr2 Khi céng hợp với Cl2 pha khí, phản ứng xảy mÃnh liệt dễ gây nổ, ®iỊu kiƯn kü tht ngêi ta thùc hiƯn ph¶n øng cộng trực tiếp clo vào axetylen khối xốp - C2H2 t¸c dơng víi Hydro Clorua cho ta Vinyl clorua: CH  CH + HCl  CH2 = CHCl Quá trình tiến hành pha khí có HgCl tham gia làm xúc tác, thực 150 1800C - Cộng với H2SO4 tạo thành Vinyl sunfo : CH  CH + H2SO4  CH2 = CH - OSO3H - ë nhiƯt ®é 800C cã CuCl2, C2H2 t¸c dơng víi HCN cho ta Acrylonitril: Xt HC  CH + HCN H2C = CH – CN 800C - Cộng hợp với muối halogen tạo hợp chất đồng phân cis trans: HgCl H C=C H H CH  CH + HgCl2 C=C H HgCl Cl Cl cis -Ph¶n øng cộng alcol cộng axit cacboxylic Tợng tự phản ứng cộng nớc, dới tác dụng xúc tác thuỷ ngân sunfat, tốt xúc tác CCl3-COOH, BF3 HgO, axetylen cã thĨ céng víi alcol t¹o ete vinylic, céng víi axit cacboxylic t¹o este cđa alcol vinylic CH  CH+HOC2H5  H2C=CH-O-C2H5 CH  CH + RCOOH  CH2 = CH – COOR C¸c ete vinylic, nh este vinylic làm nguyên liệu để tổng hợp vật liệu polyme có nhiều ứng dụng kỹ thuật SVTH: Trần Hữu Dũng ẹo án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA -Phản ứng với aldehit formic Axetylen tác dụng với aldehit formic tạo thành butindiol 1-4 (chất làm bóng m¹ Niken): xt CH  CH + 2HCHO HOCH2-CC-CH2OH I.1.2.2 Tính axit Nguyên tử hydro đính vào nguyên tử cacbon mang liên kết ba linh động, alkin loại có tính axit yếu tham gia phản ứng với kim loại Trong axetylen có hai nguyên tử hydro đề đính vào cacbon mang nối ba tính axit mạnh alkin khác Axetylen có tính axit yếu nớc, nhng lại mạnh tính axit amoniac, etylen etan - Khi tác dụng axetylen với kim loại kiềm, Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn, tạo thành axetylenit kim lo¹i rÊt dƠ nỉ [Cu(NH3)2]+ CH  CH + 2Cu -Tác dụng với Natri kim loại CH CH + 2Na Cu - C  C - Cu + H2 NaNH2 NaC  CNa + H2 150oC I.1.2.3 Ph¶n øng trùng hợp - Trùng hợp mạch thẳng Dới tác dụng muối đồng I tạo thành vinyl axetylen 2HC  CH CuCl2 800C CH2 = CH - C  CH Phản ứng có ý nghĩa quan trọng tõ vinyl axetylen cã thĨ ®iỊu chÕ butadien CH2=CH-CH=CH2 (céng hydro) cloropren CH2=CH-CCl=CH2 (cộng HCl) nguyên liệu tỉng hỵp cao su Axetylen cịng cã thĨ trïng hợp ba phân tử tạo thành divinyl axetylen CH2=CH-CC-CH=CH2, bốn phân tử tạo thành 1,5,7 octatrien CH2=CH-C C-CH=CH-CH=CH2 Khi có mặt bột đồng vệt oxy 200-250 OC, axetylen trùng hợp tạo thành Polime (CH)n gọi cupren Đó chất bột vô định hình, khối lợng phân tử lớn, không tan nớc dung môi hữu cơ, thờng đợc dùng làm chất cách điện - Trùng hợp mạch vòng Khi cho axetylen ®i qua èng nung ®á tíi 600-800OC, axetylen sÏ trïng hợp cho chất nhựa có chứa sản phẩm benzene (28%), sản phẩm phụ khác nh toluen, naphtalen hydrocacbon thơm ngng tụ khác, tơng tự sản phẩm SVTH: Trần Hữu Dũng ẹo án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất VA trình chng cất nhựa than đá Phản ứng tạo thành benzen u phản ứng tiến hành xúc tác than hoạt tính 3CH CH 600O C C* C6H6 benzen I.1.3 Phơng pháp Sản xuất axetylen I.1.3.1 Điều chế từ cacbua canxi Cacbua canxi thu đợc từ oxit canxi cốc lò hồ quang điện, phản ứng xảy mÃnh liệt đòi hỏi nguồn lợng điện dự trữ lớn Đây yếu tố định giá thành axetylen sản xuất đợc Khi thuỷ phân cacbua canxi nớc ta thu đợc axetylen (phản ứng toả nhiều nhiệt) hồ quang ®iÖn CaO + 3C CaC2 + 2H2O CaC2 + CO  C2H2 + Ca(OH)2 H = - 127,1 KJ/mol Tõ mét Kg cacbua canxi kü thuËt cã chøa t¹p chÊt cốc, oxit canxi chất khác thu ®ỵc 230  280 lÝt khÝ axetylen Theo lý thut từ Kg cacbua canxi thu đợc 380 lít C2H2 I.1.3.2 ChÕ biÕn axetylen tõ hydrocacbon: Ta cã thÓ thu axetylen từ metan parafin khác cách nhiệt phân nhiệt độ cao theo phản ứng thuận nghÞch sau: 2CH4  C2H2 + 3H2 H0298 =376 KJ / mol C6H6 3C2H2 H0298 =311KJ / mol Đây phản ứng thu nhiệt, cân chúng dịch chuyển bên phải nhiệt độ khoảng: 1000 13000C thực tế để tăng vận tốc phản ứng cần nhiệt độ lớn 15000C CH4 12000C hydrocacbon lỏng Trong sản phẩm khí thu đợc axetylen có lẫn parafin, olefin thÊp ph©n tư, benzen, metyl axetylen cịng nh vinyl axetylen, diaxetylen Ta thu đợc axetylen phơng pháp oxy hoá không hoàn toàn metan theo phản øng: 15000 4CH4 + O2 2C2H2 + 2CO2 + 4H2 Axetylen sản xuất theo phơng pháp cacbua canxi có chi phí lợng điện lớn vốn đầu t cao nên ngày axetylen chủ yếu sản xuất nhiệt phân hydrocacbon, trình xảy giai đoạn, cho phép tổng hợp axetylen với vốn SVTH: Trần Hữu Dịng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng saỷn xuaỏt VA đầu t chi phí lợng Axetylen sản xuất đợc hơn, nhng có nồng độ loÃng II Axit axetic II.1- Giụựi thieọu: [6] Axit axetic có công thức hóa học CH3COOH, khối lượng phân tử M=60,05đvc, chất lỏng không màu, có tính ăn mòn Trong giấm có khoảng 412% axit axetic sản xuất phương pháp lên men rượu Nó tìm thấy cách 5000 năm trước Hiện nước sản xuất axit axetic tổng hợp nhiều Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản, Canada Mexico Tổng công suất nhà máy sản xuất axit axetic nước đạt triệu tấn/năm Axit axetic sử dụng nhà máy sản xuất vinyl axetat anhric axetic Vinyl axetat sử dụng trình sản xuất nhựa lastic, làm phụ gia cho sơn, keo dán, giấy bọc công nghiệp dệt Anhric axetic sử dụng để sản xuất sợi xenlulo axetat, đầu lọc thuốc láù, nhựa xenlulo II.2 - Tính chất vật lý: [4,6] Axit axetic có nhiệt độ nóng chảy 16,660C; nhiệt độ sôi 117,90C áp suất 101,3Kp Axit axetic nhiệt độ thường chất lỏng không màu, suốt, vị chua Axit axetic đóng rắn (chứa