thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên

Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: LỜI CẢM ƠN Một niềm tri ân sâu sắc xin gửi đến quý thầy cô khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, những người đã truyền đạt kiến thức vô giá làm nền tảng cho công việc sau này. Cũng như câu “Không bao giờ xây nên một tòa nhà cao nếu không có một cái móng vững chắc”. Và đặc biệt xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ths ……… , người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để nhóm thực hiện đồ án này. Cuối cùng xin gởi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm.Đặc biệt là Thầy luôn dồi dào sức khỏe để dạy dỗ chúng em và các thế hệ sau trở thành người có ích cho đất nước. tháng 5/2012 Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 1 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: MỞ ĐẦU Axetylen là chất có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp, axetylen được dùng làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp các chất hữu cơ quan trọng như: Vinylclorua, Vinylaxetat, Vinylete, Acrylonytryl, Axetandehyt. Ngoài ra từ axetylen người ta còn sản xuất ra các hợp chất hóa học quan trọng khác như: nhựa, chất bám dính, chất phủ bề mặt, chất dẫn điện hữu cơ và có rất nhiều sản phẩm khác đi từ axetylen. Chính vì có rất nhiều ứng dụng như vậy nên việc chế biến axetylen để sử dụng tối đa giá trị hiện có trong một thế giới mà nguồn năng lượng đang cạn kiệt dần là một nhiệm vụ bức thiết đặt ra cho ngành công nghệ kĩ thuật hóa học. Trong khuôn khổ của đồ án này chúng tôi thiết kế “phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên” thông qua việc tính toán thiết bị phân phối khí, tháp hấp thụ, thiết bị làm lạnh Để giải quyết tốt vấn đề trên thì đồ án này là sự tổng hợp nhiều kiến thức về chế biến nhiệt, cracking, ngưng tụ, làm lạnh,… Trang 2 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU Khí tự nhiên là khí nằm trong tầng chứa khí (mỏ khí) và thành phần chủ yếu là metan (có thể chiếm đến 97% theo thể tích). Khí tự nhiên là nguồn tài nguyên khổng lồ với trữ lượng rất lớn (hàng trăm nghìn tỉ m 3 ) phân bố trên cả đất liền và ngoài biển. Hiện nay người ta đã tìm ra các mỏ khí tự nhiên với trữ lượng lớn ở nhiều nơi trên thế giới như: Liên Xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam Mỹ, Canada, Đông Nam Á, Mehyco, Úc, Tây Phi, Nhật Bản. Việt Nam đã phát hiện sự có mặt của khí tự nhiên ở một số nơi như: Tiền Hải (Thái Bình), vùng trũng Nam Côn Sơn (Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng Ngọc) mới được phát hiện có trữ lượng lớn khoảng 70 tỷ m 3 khí tự nhiên. Thành phần khí tự nhiên ở đây chứa tới 96% CH 4 , 2% C 2 H 6 , 2% các khí khác. Quá trình khai thác và sử dụng khí tự nhiên còn gặp nhiều khó khăn và hạn chế do vấn đề khai thác và vận chuyển phức tạp, đòi hỏi vốn đầu tư lớn nhưng lợi ích của nó đem lại đối với nền kinh tế nói chung và ngành công nghệ hóa học nói riêng là rất lớn. Để nhận được sản phẩm riêng trong khí tự nhiên người ta nghiên cứu và xây dựng các nhà máy chế biến khí với nhiều phương pháp khác nhau và tùy thuộc vào mỏ khí (khí nguyên liệu ban đầu) mà có những công nghệ phù hợp mong đem lại hiệu quả trong quá trình chế biến các hóa chất thương phẩm. Đặc biệt ở nước ta tiềm năng về khí khá phong phú. Như vậy nước ta có điều kiện phát triển công nghệ dầu khí trên toàn lãnh thổ, khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trong tương lai ngành công nghệ dầu khí sẽ là một ngành công nghiệp phát triển mạnh đóng góp đáng kể vào sự phát triển của nền kinh tế của đất nước ta. Trang 3 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Bảng 1: Thành phần hóa học trung bình của khí thiên nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam ( % thể tích ). Các cấu tử khí đồng hành, khí tự nhiên Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Tiền Hải Rồng Tự Do CH 4 73,0 77,0 78,0 87,6 84,0 C 2 H 6 12,0 10,0 3,0 3,1 6,0 C 3 H 8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C 4 H 10 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C 5 H 12 2,5 1,2 1,0 0,8 2,0 CO 2 0,7 3,0 2,0 3,0 4,0 N 2 0,5 3,0 2,0 3,0 4,0 Như vậy qua bảng 1 ta thấy hàm lượng metan là rất lớn trong thành phần khí. Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra phương pháp sử dụng nguồn CH 4 dồi dào này để chế biến ra các nguyên liệu đa dạng hơn cho tổng hợp hữu cơ đang là đề tài thu hút sự quan tâm của các ngành khoa học đầu ngành, có uy tín trong nước cũng như trên thế giới. Bởi metan là một trong những nguyên liệu quan trọng cho ngành tổng hợp hữu cơ. Điều này được thể hiện qua sơ đồ: Trang 4 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Trang 5 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU AXETYLEN 2.1 Tính chất vật lý. Trong điều kiện thường axetylen là chất khí không màu, không độc, ở dạng tinh khiết có mùi ete yếu, có tác dụng gây mê, ít tan trong nước, nhẹ hơn không khí, nguyên chất có vị hơi ngọt và được đặc trưng bởi các yếu tố sau : + Trọng lượng riêng (0 0 C,760 mmHg) d = 1,17 kg/m 3 + Trọng lượng phân tử M=26,08 kg/kmol + Nhiệt dung riêng phân tử C p =0,402 kJ/kg + Nhiệt dung ngưng tụ t nt =-83,8 0 C + Nhiệt độ tới hạn t tn =-35,5 0 C + Áp suất tời hạn P tn =6,04 MPa + Nhiệt thăng hoa 21,59 kJ/mol + Nhiệt hóa hơi 15,21 kJ/mol + Tỷ trọng 0,686 kg/m 3 Tính chất quan trọng khác của axetylen là khả năng hòa tan của nó lơn hơn nhiều so với những hydro cacbon khác. Điều này ta áp dụng hiệu quả trong quá trình vận chuyển, phân tách, bảo quản và làm sạch. Bảng 2: Độ hòa tan của axetylen trong một số dung môi hữu cơ ở 20 0 C và 1 atm. Dung môi Công thức Thể tích axetylen/thể tích dung môi Metanol CH 3 OH 11,3 Metylaxetat CH 3 COOCH 3 19,5 Axeton CH 3 COCH 3 23 Dimetylfomamid HCON(CH 3 ) 2 32 Sự có mặt của các hydrocacbon khác ít ảnh hưởng đến độ hòa tan của axetylen trong oxy lỏng. Hệ số phân tán của axetylen ở 25 0 C và 0,1MPa là 0,133cm 2 .s -1 .ở 0 0 C và 0,1MPa; hệ số phân tán tương hỗ của axetylen trong hỗn hợp lần lượt là 0,538 ; 0,188;0,191 cm 2 .s -1 . Trang 6 + H 2 O HC CH CH 3 CHO H = -38,8 kcal/mol Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Axetylen bị hấp thụ trên than hoạt tính silicoxit và zeolit. Các chất hấp phụ này dùng để tách axetylen từ hỗn hợp khí. Axetylen cũng bị hấp phụ trên bề mặt kim loại và thủy tinh. Dung dịch keo của paradin có thế hấp phụ tới 460mg C 2 H 2 /1g/Pd. 2.2 Tính chất hóa học. Axetylen là hydrocacbon không no có liên kết ba trong phân tử, do đó có khả năng hoạt động hóa học cao. Khi tham gia phản ứng hóa học liên kết ba bị phá vỡ để tạo thành liên kết đôi hoặc các hợp chất bão hòa. Do tính không no và năng lượng tạo thành lớn nên axetylen có khả năng phản ứng dễ dàng với nguyên tố và hợp chất. Vì vậy axetylen được dùng làm nguyên liệu thô cho nhiều quá trình tổng hợp khác nhau. Trong đó quan trọng nhất là phản ứng cộng, thế nguyên tử H, polime hóa và phản ứng đóng vòng. Axetylen rất dễ tham gia phản ứng tấn công nucleofin hơn với nhiều chất. Liên kết phân cực C,H làm axetylen có tính axit (pka = 25) nên axetylen dễ hòa tan trong các dung môi bazơ. Vì tính axit này mà axetylen dễ hòa tan với các dung môi thông thường do tạo liên kết hydro với chúng. Vì vậy ngoài các khả năng tham gia phản ứng cộng, trùng hợp, oxy hóa, axetylen còn tham gia phản ứng thế nguyên tử H bằng kim loại và các polyme đóng vòng mạch thẳng. 2.2.1 Phản ứng cộng hợp. ∗ Cộng hợp với H 2 : - Tiến hành trên xúc tác Pd ở 1atm và 250 – 300 0 C. + H 2 H = -14,7 kcal/mol HC CH H 2 C CH 2 - Với xúc tác Ni,t 0 : + 2 H 2 HC CH H 3 C CH 3 Ni,t 0 ∗ Cộng hợp với H 2 O: - Khi có xúc tác Hg và H 2 SO 4 ở 70 – 100 0 C. - Khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360 0 C. + 3H 2 O HC CH CH 3 COCH 3 + CO 2 + 2H 2 2 Trang 7 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: ∗ Cộng hợp với rượu: - Khi xúc tác KOH và t 0 = 150-160 0 C, P=2-4atm. + ROH HC CH H 2 C CHOR Với R là một nhóm ankyl. ∗ Cộng hợp với halogen: HC CH + Br 2 BrHC CHBr + Br 2 Br 2 HC CHBr 2 ∗ Cộng hợp với muối halogen tạo hợp chất đồng thời có đồng phân cis và trans : HC CH + HgCl 2 C C HgCl H H Cl C C HgCl H Cl H cis trans ∗ Cộng hợp với axit: Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô vơ, hữu cơ tạo thành các vinyl có nhiều giá trị. Cộng với HCl, phản ứng có thể tiến hành trong pha hơi ở 150 0 C-180 0 C có xúc tác HgCl 2 /C hoặc tiến hành trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl 2 ta thu được vinylclorua. HC CH + HCl H 2 C CHCl Cộng hợp với H 2 SO 4 tạo thành vinylsunfo : HC CH + H 2 SO 4 H 2 C CHOSO 3 H Ở nhiệt độ 80 0 C có CuCl 2 và NH 4 Cl làm xúc tác, axetylen tác dụng với HCN tạo thành acrylonitryl. HC CH + HCN H 2 C CHCN Axetylen tác dụng với axit hữu cơ khi có xúc tác tạo ra các ete ở 180-200 0 C, phản ứng pha hơi và xúc tác muối axetat của Cl hoặc Zn trên than hoạt tính cho ta vinylaxetat. HC CH + CH 3 COOH H 2 C CHOCOCH 3 Trang 8 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Hay tạo ra các vinyl của axit cacboxilic lớn hơn, khi phản ứng tiến hành trong pha lỏng và xúc tác là Zn hoặc Cd. HC CH + RCOOH H 2 C CHOCOR 2.2.2 Phản ứng thế của axetylen. Nguyên tử hydro của C 2 H 2 thể hiện tính axit có khả năng tham gia phản ứng thế với kim loại kiềm, Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn,… tạo thành axetylenit kim loại rất dễ nổ. CuC CCu + H 2 2M + C 2 H 2 M 2 C 2 + H 2 2Cu + C 2 H 2 HC CH + Na - H NaC CH + Na - H NaC CNa Axetylen tác dụng với amit kim loại trong andehyt amoniac lỏng. MNH 2 + C 2 H 2 MC 2 H + NH 3 Axetylen tác dụng với thành phần của cao lanh như HSiCl 3 thực hiện trong pha lỏng với xúc tác là Pt, trong hợp chất của Pt tạo thành silicon hữu cơ. HC CH + HSiCl 3 H 2 C C SiCl 3 H 2.2.3 Phản ứng trùng hợp của axetylen. Nhị hợp: Ở nhiệt độ 80 0 C thổi axetylen qua dung dịch bão hòa Cu 2 Cl 2 xảy ra phản ứng Dime hóa tạo ra vinyl axetylen. HC CH 2 H 2 C C C CH H Tam hợp: Ở nhiệt độ 600 0 C dưới tác dụng của than hoạt tính, axetylen trùng hợp tạo thành C 6 H 6 . HC CH 3 C 6 H 6 Đa hợp: Ở nhiệt độ 200÷300 0 C có bột đồng xúc tác axetylen trùng hợp tạo thành Kypren. HC CH n (CH) 2n Trang 9 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ngoài ra, từ C 2 H 2 Reppe đã tổng hợp ra 1,3,5,7 xyclooctatetran với hiệu suất 71%. Nhiệt độ phản ứng 65÷100 o C, áp suất 15÷25atm nâng lên từ từ, xúc tác là Ni(CN) 2 . 2.2.4 Phản ứng oxi hóa của axetylen. - Phản ứng với dung dịch KMnO 4 : 3C 2 H 2 + 8KMnO 4 - > 3KOOC – COOK + 8MnO 2 + 2KOH + 2H 2 O - Phản ứng đốt cháy: 2C 2 H 2 + 5O 2 - > 4CO 2 + 2H 2 O 2.3 Ứng dụng của axetylen. Axetylen có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp, nó đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Trang 10 [...]... Trình Thiết Bị GVHD: Ngoài ra axetylen còn dùng để thắp sáng, hàn cắt kim loại, chiếm 30% lượng axetylen sản xuất ra Axetylen còn có một số ứng dụng quan trọng khác như: sản xuất làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa sinh, hóa polymer và sản xuất dược phẩm… Trang 11 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXETYLEN TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN 3.1 Cơ sở hóa lý của quá trình phân. .. axetylen – metyl axetylen CH3-C≡CH cũng như vinyl axetylen CH2=CH-C≡CH và diaxetylen CH≡C-C≡CH, … 3.2 Lựa chọn nguyên liệu sản xuất axetylen Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng các hydrocacbon ở dạng khí hoặc lỏng hoặc hổn hợp của chúng Tuy nhiên thành phần hóa học của nguyên liệu là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất các sản phẩm chính của quá trình (axetylen và etylen,…) Kết... axetylen từ nhiệt phân bằng dung môi N-metyl pyrolidon (NMP) xem trên hình3.13 Hỗn hợp khí sau khi nhiệt phân đưa sang công đoạn hấp thụ bằng NMP được tách thành 3 dòng: 1 Sản phẩm axetylen thương phẩm, hàm lượng axetylen có thể trên 99% mol 2 Khí tổng hợp thô chủ yếu chứa CO và H2 3 Các đồng đẳng cao hơn của axetylen (metyl axetylen, vinyl axetylen, diaxetylen,…) và các hợp chất thơm Dòng khí này sẽ... phán đoán độ sâu phân hủy theo tỉ trọng của các khí sản phẩm vì nó là đại lượng tỉ lệ nghịch với độ sâu phân hủy 3.3 Các công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và hydrocacbon Để sản xuất axetylen người ta dùng phản ứng nhiệt phân hyđrocacbon ở nhiệt độ cao Tùy theo cách cấp nhiệt để thực hiện phản ứng nhiệt phân hyđrocacbon thành axetylen mà người... nhiệt phân oxy hóa không hoàn toàn sử dụng quá trình “tôi” bằng nước và “tôi” bằng dầu Hình 3.11 Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng nước Trang 24 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: 1 Thiết bị gia nhiệt 4 Thiết bị lọc điện 2 Thiết bị phản ứng 5 Thiết bị thu hồi muội 3 Tháp làm lạnh 6 Thiết bị làm lạnh Trong công nghệ có “tôi” bằng nước, nguyên liệu khí oxy và metan được đưa qua thiết. .. phân hủy hydrocacbon để sản xuất axetylen 3.1.1 Cơ sở nhiệt động lực học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon Quá trình phân hủy hydrocacbon ở nhiệt độ cao thành axetylen bao gồm nhiều phản ứng thuận nghịch Với nguyên liệu là hydrocacbon nhẹ (khí tự nhiên và khí đồng hành), quá trình nhiệt phân có thể có các phản ứng sau: 2CH4 C2H2 + 3H2 2CH4 C2H4 + 2H2 Trang 12 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: C2H6 C2H4... dòng khí đi từ đỉnh tháp nhả hấp thụ 6 được thổi ngược chiều từ dưới lên .Từ khí đỉnh tháp 5 chứa CO 2 được tuần hoàn trở lại trộn với khí nhiệt phân Axetylen thành phẩm nhận được từ giữa tháp 5 có nồng độ 98,4% mol Dung dịch NMP sau đó được tách khí qua hai bước tiếp theo trong tháp 6 ở nhiệt độ 110 đến 1200C: ban đầu ở áp suất khí quyển (ở phần trên), bước thứ hai ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển... cùng hỗn hợp khí trao đổ nhiệt với dầu, ở phần giữa trao đổi nhiệt tiếp tục và có tách các hợp chất vòng ngưng tụ, ở phần trên cùng trao đổi nhiệt với hydrocacbon thơm nhẹ (BTX) Sản phẩm khí đi ra từ trên đỉnh tháp là hỗn hợp của axetylen, cacbonic, BTX,…có nhiệt độ 800C được đưa sang thiết bị làm lạnh cuối 7 để tách BTX Khí Trang 25 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: khí sản phẩm nhận được từ đình tháp... sang thiết bị lắng gạn 6 thu BTX, cặn nặng hơn được đưa sang thiết bị cốc hóa 5 làm việc ở nhiệt độ khoảng 500 0C Hình 3.12 Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng dầu 1 Thiết bị đun nóng 5 Thiết bị cốc hóa 2 Thiết bị phản ứng 6 Lắng gạn 3 Tháp trao đổi nhiệt 7 Thiết bị làm lạnh cuối 4 Bơm nén Ưu điểm của sơ đồ công nghệ này là tận dụng nhiệt của phản ứng để phân hủy cặn dầu, sản. .. Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Chương 4: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ TÁCH AXETYLEN RA KHỎI HỖN HỢP SAU NHIỆT PHÂN 4.1 Sơ đồ công nghệ (bản vẽ đính kèm) 4.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ Khi sản xuất axetylen từ nguyên liệu là các hydrocac bon bằng các công nghệ nói trên, hỗn hợp khí sản xuất có chứa trên 30 hợp chất, trong đó có H 2, CO, CO2, CH4, các olefin (etylen, propylen, …), các đồng đẳng của axetylen, các hợp . học. Trong khuôn khổ của đồ án này chúng tôi thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên thông qua việc tính toán thiết bị phân phối khí, tháp hấp thụ, thiết bị làm lạnh Để giải quyết tốt. phẩm… Trang 11 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXETYLEN TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN 3.1 Cơ sở hóa lý của quá trình phân hủy hydrocacbon để sản xuất axetylen. 3.1.1 Cơ sở. Trình Thiết Bị GVHD: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU Khí tự nhiên là khí nằm trong tầng chứa khí (mỏ khí) và thành phần chủ yếu là metan (có thể chiếm đến 97% theo thể tích). Khí tự nhiên