thiết kế phân xưởng sản xuất vc (vinyl clorua) từ hcl và c2h2 với xúc tác hgcl2 mang trên than hoạt tính ở pha hơi năng suất 91000 tấn năm

Do các tính chất tốt nhưvậy nên PVC được sử dụng để chế tạo các loại ống dẫn các chất hoá học, làmvật liệu lót bên trong các thiết bị hoá học làm việc trong môi trường ăn mòn, ởnhiệt độ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MỞ ĐẦU

Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme đã ra đời từ khá lâu và không ngừngphát triển cho đến ngày nay Cùng với sự phát triển đó là hàng loạt các vật liệupolyme ra đời và nhanh chóng cho thấy được những tính năng ưu việt của nó

Nó đã thay thế được nhiều vật liệu đắt tiền cũ vẫn sử dụng đồng thời bổ sungthêm cho nguồn vật liệu cần sử dụng trong những môi trường khắc nghiệt.Chính vì những đặc tính đó mà vật liệu polyme đã và đang được sử dụng mộtcách rộng rãi trong công nghiệp và trong dân dụng

Để ngành công nghiệp và vật liệu polyme tồn tại và không ngừng pháttriển đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người thì vấn đề quan trọng đặt

ra là nguồn nguyên liệu cung cấp cho nó phải liên tục phát triển cả về chấtlượng lẫn chủng loại

Vinyl clorua gọi tắt là VC có công thức hoá học là CH2 = CH- Cl, là mộttrong những monome đã được phát hiện từ rất sớm Tuy nhiên cho đến tận năm

1912 người ta mới tìm ra phương pháp điều chế Từ đó đến nay ngành côngnghiệp sản suất VC phat triển rất nhanh chóng Ngay tại thời điểm đó theothống kê sản lượng hàng tháng ở Nhật đã lên tới 1500 tấn Ở nhiều nước côngnghiệp khác công nghệ sản xuất VC cũng liên tục phát triển

VC là một monome khá quan trọng trong tổng hợp nhiều loại vật liêupolyme có nhiều tính năng quý Trong đó phải kể đến poly vinylclorua(PVC) PVC là một loại chất dẻo có nhiều tính chất tốt như : có độ ổn định hoá họccao, ít bị ăn mòn và phá huỷ bởi axít sulfuric (H2SO4), axít clohydric (HCl) và

một số dung môi hữu cơ khác, khả năng co giãn và độ bền tương đối lớn, cótính cách điện Ngoài ra nhựa PVC còn có tính không thấm nước, không bị pháhủy khi gặp nước, nhưng lại là vật liệu dễ nhuộm màu Do các tính chất tốt nhưvậy nên PVC được sử dụng để chế tạo các loại ống dẫn các chất hoá học, làmvật liệu lót bên trong các thiết bị hoá học làm việc trong môi trường ăn mòn, ởnhiệt độ thấp để thay thế các loại thép không rỉ và hợp kim Nhựa PVC cònđược sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác như : công nghiệp điện (sảnxuất các loại dây bọc), trong xây dựng, trong ngành sản xuất da nhân tạo … Domang nhiều đặc tính tốt như vậy nên nhu cầu sử dụng nhựa PVC của nhiềungành công nghiệp tăng lên một cách nhanh chóng kéo theo đó là sự phát triển

về công nghệ tổng hợp PVC

Công nghệ sản xuất VC cũng đã có nhiều phát triển Hiện nay đã có nhiềuphương pháp công nghệ sản xuất VC từ những nguồn nguyên liệu khác nhauhoặc từ một nguồn nguyên liệu có thể có nhiều công nghệ khác nhau Vấn đểquan trọng đặt ra là phải tìm xem công nghệ nào là phù hợp nhất để đảm bảoxây dựng được một phân xưởng sản xuất VC đạt được cả về chất lượng cũngnhư về số lượng sản phẩm Có như thế mới thu được hiệu quả kinh tế cao nhất

PHẦN I:TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

I.AXETYLEN :

I.1.Tính chất vật lý :

Ở nhiệt độ thường Axetylen là chất khí không màu, ở dạng tinh khiết có mùi

ete yếu, các hằng số vật lý đặc trưng của axetylen :

- Nhiệt độ ngưng tụ là - 83,8oC (ở 0,102 MPa), nhiệt độ tới hạn là 35,5oC

- Áp suất tới hạn là 6,04 MPa

- Trọng lượng riêng (ở 00 C và 760 mmHg) là: 1,171 kg/m3

- Trọng lượng phân tử : 26,02 kg/kmol

- Nhiệt dung riêng

20

p

C

: 0,402 kcal/kg.độ

- Nhiệt cháy ∆H : 13,378 Kcal/m3

Nhiệt cháy của Axetylen toả ra khá lớn, chính vì vậy mà người ta dùng nólàm nhiên liệu để cắt, hàn kim loại

- Giới hạn nổ của C2H2 xảy ra trong giới hạn nhiệt độ và áp suất nhất định

Sự phân rã này xảy ra khi không có oxi nhưng có những chất kích hoạttương ứng (tia lửa, đốt cháy do ma sát) Khi ở áp suất 0,2 Mpa, sự phân rã cóđặc điểm cục bộ và không nguy hiểm Ở áp suất cao hơn, sự phân rã có đặc tính

nổ với sóng kích nổ được lan truyền với vận tốc lớn hơn 1000 m/s Sự dễ nổcủa axetylen sẽ giảm khi nó được thêm vào khí trơ hoặc hơi trơ, chúng sẽ tíchnhiệt của sự phân rã đầu tiên và ngăn cản sự phân hoá nổ của axetylen Khi đó

áp suất chống nguy hiểm cao nhất của hỗn hợp phụ thuộc vào nồng độ củaaxetylen Tính dễ nổ của axetylen càng tăng khi có mặt các kim loại có khảnăng tạo thầnh axetilua (hoặc cacbua) (ví dụ : Cu2C2 ), chính vì thế những kimloại này cần được chú ý khi lựa chọn nguyên liệu thiết kế

Để phòng tránh cháy nổ, người ta thường giới hạn áp suất khi sản xuấtaxetylen và trong tổng hợp khác, hoặc pha loãng axetylen bằng khí trơ ( ví dụ

N2 ) Khi nén khí axetylen người ta dùng máy nén khí đặc biệt, nó có vận tốcdịch chuyển thấp, mức độ nén nhỏ và nhiệt độ thay đổi sau mỗi bậc nén khí

100 oC

Ngoài ra Axetylen còn dễ dàng tạo thành hỗn hợp nổ với : Flo; Clo nhất là

chuyển người ta thường pha thêm khí trơ như : Hydro, amoniac vào thùng chứa

C2H2

Tính chất quan trọng khác của axêtylen là khả năng hoà tan của nó lớn hơn

thể hoà tan được 1 thể tích axetylen, còn ở 600C hoà tan được 0,37 thể tích.Axetylen có khả năng tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ như: metanol,axeton, đimetylfornami… Độ hoà tan của axetylen có ý nghĩa rất quan trọng đểđiều chế và tách nó ra khỏi hỗn hợp với khí khác

I.2 Tính chất hoá hoc :

Axetylen có công thức phân tử C2H2 và có công thức cấu tạo là : CH≡CH

C2H2 là hydro cacbon không no có chứa liên kết ba trong phân tử do vậy có khảnăng hoạt động hoá học cao.

Liên kết ba phân tử C2H2 được tạo thành do liên kết σ

và hai liên kết π

chính vì vậy mà khi tham gia phản ứng hoá học liên kết ba trong phân tử C2H2

dễ bị phá vỡ tạo liên kết đôi hoăc hợp chất bão hoà

Các phản ứng đặc trưng cho tính chất hoá học của axetylen:

Thio oxyt etylen

Etylen dietyl sulfit

- Dưới tác dụng của KOH ở nhiệt độ 150 – 1600 C áp suất 4- 20 at axetylen tácdụng với rượu tạo thành ete :

150 160

KOH C

CH ≡CH ROH+ →− CH −CHOR

- Tác dụng với Hydrôsulfua ở 1200 C tạo thành một số hợp chất có lưu huỳnh :

Ngoài ra axetylen còn kết hợp với mercaptan :

CH ≡

CH + RSH →

CH 2 = CHSR

- Axetylen tham gia phản ứng cộng với các halozen : clo, brom

Các phản ứng tiến hành theo hai giai đoạn :

Đối với clo, ở điều kiện thường phản ứng xảy ra quá mãnh liệt, toả nhiềunhiệt nên gây ra phân huỷ Trong điều kiện kỹ thuật, người ta thực hiện đượcphản ứng cộng clo trực tiếp vào axetylen trong những khối xốp.

I.2.3 Phản ứng trùng hợp :

Do trong phân tử Axêtylen có chứa liên kết ba ( liên kết không no ) Vì

vậy nó có thể tham gia phản ứng trùng hợp Tuy nhiên với xúc tác và điều kiệnphản ứng khác nhau sẽ cho những sản phẩm trùng hợp khác nhau

Kypren

Người ta sử dụng kypren ( (CH)2n ) làm chất cách điện

- Mặt khác khi thổi axetylen qua dung dịch bão hoà Cu2Cl2:

2 CH CH

0 2

80 C CuCl,

CH 2 = CH - C CH

Vinyl axetylen

Vinyl axetylen là bán sản phẩm để sản xuất cao su tổng hợp clopren

I.3 Sản xuất Axetylen :

Axetylen có thể được điều chế từ nhiều phương pháp khác nhau vớinguyên liệu ban đầu khác nhau Tuy nhiên quá trình sản xuất axetylen trongcông nghiệp chủ yếu là từ hai nguồn nguyên liệu chính là :

-Từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ

-Từ than đá và đá vôi

I.3.1 Từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ :

Đây là phương pháp phổ biến đối với các nước có nguồn dầu mỏ và khí tựnhiên Nguyên liệu dùng điều chế axetylen có thể là hydro cacbon lỏng hoặckhí, hỗn hợp khí hoặc riêng từng loại khí Tuy nhiên thành phần nguyên liệu làyếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất sản phẩm Các parafin cấu tạo thẳngkhi nhiệt phân cho ta hiệu suất axetylen cao nhất

Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình sản xuất axetylen từ khí tự nhiên

- Cracking điện

- Cracking nhiệt oxy hoá

Tuỳ thuộc vào nguyên liệu ban đầu khác nhau mà người ta có những côngnghệ, điều kiện công nghệ để đạt được hiệu suất chuyển hoá axetylen cao nhất

Ví dụ : Bằng phương pháp cracking nhiệt metan, butan và propan :

Bảng 1 : Thành phần sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân

Khí Cracking metanThành phần khí ( % thể tích )Cracking propan Cracking butan

Quá trình sản xuất axetylen bằng phương pháp này bao gồm hai giai đoạn :

- Giai đoạn 1 : sản xuất canxicacbua ( CaC2 )

Trong giai đoạn này người ta cho đá vôi tác dụng với than (cốc và antraxit )trong lò điện ở nhiệt độ cao đe thu được canxicacbua Quá trình thực hiện theophản ứng :

+ Thiết bị tái sinh loại ướt: là loại thiết bị mà nhiệt của phản ứng được giải

10 kg H2O, như thế Ca(OH)2 thu được ở dạng huyền phù trong nước, ít có lợicho việc tận dụng tiếp theo

+ Thiết bị tái sinh loại khô: là loại thiết bị trong đó nhiệt phản ứng được lấy

khô (vôi tôi) và nó được sử dụng để chế biến vật liệu xây dựng

II Axít clohydrit ( HCl ) :

II.1 Tính chất vật lý :

HCl ở dạng nguyên chất là một chất khí không màu có mùi hắc Tan mạnhtrong nước, trong điều kiện không khí ẩm sẽ tạo hiện tượng khói Đây là mộtkhí khá bền với nhiệt độ

- Trong công nghiệp :

Người ta tiến hành tổng hợp HCl từ nguyên liệu ban đầu là H2 và Cl2

- Nhiệt sôi : -13,4oC

- Nhiệt độ nóng chảy : -153,8o C

20 4

VC rất ít tan trong nước ( ở 25oC 100 gam nước chỉ hoà tan được 0,11 gam

VC ) Ngược lại nó lại tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ như: axeton; etanol;hydrocacbon thơm …

- Tính chất của liên kết đôi (liên kết không no)

+ Tham gia phản ứng đồng trùng hợp với các monome khác như: viny axetat

b.Tính chất của nguyên tử Clo linh động :

+ Phản của VC với kiềm làm tách ra phân tử HCl khỏi phân tử VC và cho ta

III.3.1 Trùng hợp của vinylclorua ( VC ) tạo poly vinylclorua (PVC ) :

Phương trình phản ứng :

Poly vinylclorua (PVC) là một chất dẻo mang nhiều tính chất tốt như : có

độ ổn định hoá học cao, ít bị ăn mòn bởi axit (H2SO4 , HCl, … ), có khả năng

co giãn, độ bền tương đối lớn, có tính cách điện, không thấm nước và không bịphá huỷ khi gặp nước nhưng lại dễ nhuộm.Do có nhiều đặc tính tốt nên PVCđược sử dụng để sản xuất các loại ống dẫn, bồn chứa các chất hoá học Làm vật

liệu lót trong các thiết bị hoá học làm việc ở nhiệt độ thấp, trong môi trường ănmòn để thay thế thép không gỉ và hợp kim.

Trong công nghiệp điện nhựa PVC được sử dụng làm vỏ bọc cách điện,các dụng cụ cho vô tuyến điện Trong xây dựng nhựa PVC còn được sử dụng

để chế tạo tấm lợp nhà, lát sàn tường cách âm, các dụng cụ gia đình, ống dẫnnước sinh hoạt và các loại bao túi đựng đồ, áo mưa…

III.3.2 Đồng trùng hợp với các monome khác :

VC còn có khả năng tham gia đồng trùng hợp một số monome khác như : vinyl axetat (VA), vinylyden clorit, acryl nitril tạo thành các polyme có giá trị cao Ngoài ra VC còn dùng để sản xuất một số loại sợi tổng hợp có tính chất tốtnhư sợi clorin và sản xuất một số loại sơn chịu ăn mòn

CHƯƠNG II

CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VINYL CLORUA

Các quá trình chính trong công nghiệp để sản xuất VC bao gồm:

- Sản xuất VC bằng các quá trình liên hợp.

Để thực hiện quá trình người ta tiến hành trộn nguyên liệu đầu theo tỷ lệ :

cứ 1 lít diclo etan cần 1,1 lít dung dịch kiềm ( NaOH 42% ) và 0,26 lít metanol Nhiệt độ của quá trình phản ứng là khoảng 60 – 70oC, thời gian phản ứng

là 4 – 5 giờ Quá trình có thể xảy ra những phản ứng phụ khi :

- Lượng kiềm cho dư dẫn đến diclo etan bị kiềm khử tạo thành axetylen : 2

2

CH CHCl H O + 2 OH−→ CH OH2 CH OH2 + HCl

Quá trình tiến hành trong thiết bị gián đoạn, có vỏ bọc ngoài và có máykhuấy Người ta tiến hành quá trình theo tuần tự : đầu tiên cho dung dịchNaOH vào, sau đó cho rượu metanol và cuối cùng rót từ từ diclo etan Sảnphẩm thu được của quá trình được đem ngưng tụ sau đó đem tinh luyện để táchsản phẩm phụ sẽ thu được VC sản phẩm Hiệu suất của quá trình ( hiệu suất thusản phẩm VC ) tính theo diclo etan là 75 – 85%

I.2 Ưu nhược điểm của phương pháp :

Đây là quá trình tiến hành đơn giản dễ tiến hành, phản ứng tiến hành ởnhiệt độ thấp ( 60 – 70oC ) Tuy nhiên quá trình tiến hành trong thiết bị giánđoạn, yêu cầu cần nhiều thiết bị Chính vì vậy khó tự động hoá cho quá trình vàmột nhược điểm quan trọng nữa là quá trình hao tốn nguyên liệu

Để khắc phục nhược điểm trên người ta tiến hành quá trình điều chế VC từEDC trong pha khí

II TIẾN HÀNH QUÁ TRÌNH TRONG PHA KHÍ :

II.1 Cơ sở của phương pháp :

Quá trình được tiến hành dựa trên phản ứng phân huỷ nhiệt của EDC :

ClCH2 - C*HCl →

CH2 = CHCl + Cl* (3) Đứt mạch:

Cl* + ClCH2- C*HCl →

Quá trình tạo nhiều sản phẩm phụ là sản phẩm của quá trình polyclo hoá,sản phẩm của quá trình phân huỷ, quá trình tạo cốc … Vì vậy cần sử dụng cácchất xúc tác tiến như : clo, brom, iot, tetraclo cacbon hoặc oxi để tạo thuận lợicho quá trình phản ứng chính

Các quá trình trong công nghiệp được tiến hành ở 500 – 550oC, áp suất 2,5– 3Mpa, không sử dụng xúc tác Một số hệ xúc tác ( than hoạt tính, muối clokim loại …) có thể được sử dụng để giảm nhiệt độ phản ứng, tuy nhiên thờigian sống của xúc tác thấp và khó khăn về mặt công nghệ làm cho quá trìnhcracking EDC có xúc tác không được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

II.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất VC từ EDC :

Thuyết minh sơ đồ dây chuyền :

EDC nguyên liệu và EDC hồi lưu được đưa qua thiết bị gia nhiệt và bốc hơi

dạng lò ống Quá trình ở đây được làm việc theo nguyên tắc tương tự quá trìnhsteam cracking Tại vùng đối lưu, nguyên liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ phảnứng, phản ứng thực sự xảy ra trong vùng bức xạ Sản phẩm khí thu được ở đầu

ra của thiết bị phản ứng lò ống có nhiệt độ 500oC được tôi để tránh các phảnứng phụ xảy ra nối tiếp bằng cách đưa qua tháp tôi tiếp xúc với dòng sản phẩm

hết nguyên liệu EDC chưa phản ứng, một phần sẽ được dùng làm chất tải nhiệttrong tháp tôi Phần còn lại cùng với khí không ngưng sẽ được đưa qua thápchưng cất tách sản phẩm phụ HCl Tại đây HCl sẽ được tách khỏi hỗn ở dạngkhí không ngưng ở phần đỉnh tháp Phần đáy của tháp tách HCl được đưa sangtháp chưng cất làm sạch VC thô Tại tháp này sản phẩm VC sẽ nằm trong phầnnhẹ đỉnh tháp và tiếp tục được đưa sang tháp tinh chế làm sạch VC Tại tháptinh chế làm sạch VC hàm lượng HCl được giảm từ 500 xuống 10ppm và phầnsản phẩm lấy ra từ đáy tháp được trung hoà với NaOH Phần đỉnh tháp sẽ đượccho hồi lưu trở lại tháp tách HCl

Phần đáy tháp làm sạch VC thô được đưa qua hệ thống thu hồi EDC và tuầnhoàn lại thiết bị phản ứng gồm 3 tháp chưng cất :

- Tách phân đoạn nhẹ làm nhiệm vụ tách phần sản phẩm nhẹ (1 tháp)

- Tách phân đoạn nặng : gồm 2 tháp Tháp thứ nhất làm việc ở áp suất khíquyển Tại tháp này phần lớn EDC được tách ra Tháp thứ hai làm việc trongchân không sẽ tách phần EDC còn lại

II.3 Ưu nhược điểm của phương pháp :

Ưu điểm của phương pháp này là tận dụng được phần EDC không phản ứng

và tuần hoàn nó trở lại thiết bị phản ứng Đồng thời tận dụng được phần HClsinh ra

axetylen và etylen với tỷ lệ 1/1

Clo hoá Cracking

Tách VC Hydroclo hoá

EDC

Axetylen

Etylen

HCl

Tuy nhiên phương pháp này lại có nhược điểm là có hiệu suất chuyển hoá thấp

B SẢN XUẤT VC BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN HỢP :

I Liên hợp clo hoá etylen, tách HCl và hydro hoá C 2 H 2 :

Quá trình dựa trên các phản ứng sau :

CH2 =CH2 + HCl →

ClCH2 -CH2Cl (1)ClCH2 - CH2Cl →

CH2 = CHCl + HCl (2) HCl từ phản ứng (2) có thể được dùng cho phản ứng hydroclo hoá axetylen

CH2 = CHCl Phản ứng tổng cộng:

C2H2 + C2H4 + Cl2

→

2 CH2= CHCl

Sơ đồ quá trình:

-Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp của axetylen và etylen với tỷ lệ mol 1:1

Hình 2: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá

etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 (axetylen và etylen ở dạng hỗn hợp)

-Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp của axetylen va etylen với tỷ lệ mol 1:1

Clo hóa

EDCEDC

HClOxiclo hoá

Hình 3: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá

etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 (axetylen và etylen ở dạng riêng biệt)

II Liên hợp clo hoá, oxy clo hoá etylen và cracking EDC :

- Quá trình dựa trên các phản ứng :

C2H4 + Cl2 →

ClCH2 - CH2Cl ClCH2 - CH2Cl →

C2H4 + 2HCl +1/2O2

→

ClCH2 - CH2Cl + H2O Phản ứng tổng cộng :

2C2H4 + Cl2 + 1/2O2

→

2CH2= CHCl + H2O

Ưu điểm của quá trình: tiêu tốn ít năng lượng do tận dụng được nhiệt của phản

ứng toả nhiệt, sử dụng được HCl tạo thành và không dùng C2H2 do vậy chi phí

rẻ hơn

- Sơ đồ quá trình :

Hình 4: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá, oxy

clo hoá etylen và cracking EDC

C SẢN XUẤT VC TỪ AXETYLEN VÀ HCl :

Nguyên liệu điều chế VC theo phương pháp này là C2H2 và HCl

Quá trình thực hiện dựa trên phản ứng :

CH2= CHCl

Ở áp suất thường và không có xúc tác phản ứng trên không xảy ra Khikhông dùng xúc tác phải tiến hành phản ứng ở điều kiện áp suất cao Tuy nhiên

ở áp suất cao thì lại tạo ra nhiều sản phẩm phụ như : diclo etan; phản ứng trùnghợp của VC tạo thành… Vì vậy để tránh tạo sản phẩm phụ và giảm độ khắcnghiệt của phản ứng người ta phải dùng xúc tác

Để sản xuất VC theo phương pháp này người ta có thể tiến hành quá trìnhtrong pha lỏng hay pha khí

I TIẾN HÀNH QUÁ TRÌNH TRONG PHA LỎNG :

I.1 Cơ sở của phương pháp :

Khi tiến hành quá trình này trong pha lỏng người ta tiến hành thổi C2H2 vàHCl qua dung dịch xúc tác có thành phần : Cu2Cl2 23% khối lượng, NH4Cl 16

%, có thêm CaCl2 hoà tan trong axít HCl 12 – 15 % ở nhiệt độ 50 – 60oC Cũng

có thể dùng xúc tác HgCl2 trong axít HCl và duy trì ở nhiệt độ 90oC Tuy nhiênxúc tác đồng có xu hướng làm tăng phản ứng phụ : trùng hợp axetylen thànhvinyl axetylen

Quá trình được mô tả :

khả năng tác dụng với anion clo và kết quả là kim loại bị thay thế bởi protontạo sản phẩm là VC

Quá trình :

I.2 Ưu nhược điểm của phương pháp :

Ưu điểm của phương pháp này là quá trình tiến hành ở điều kiện nhiệt độthấp, ít tốn năng lượng chính vì vậy mà thiết bị phản ứng chế tạo đơn giản hơn.tuy nhiên nó có nhược điểm là : hiệu suất chuyển hoá VC thấp, trong quá trìnhtạo ra nhiều sản phẩm phụ chính vì vậy mà sẽ gây khó khăn cho việc phân táchsản phẩm trong quá trình tinh chế thu VC tinh khiết Đồng thời HCl ở dạnglỏng gây ăn mòn thiết bị

II TIẾN HÀNH QUÁ TRÌNH TRONG PHA KHÍ :

II.1 Cơ sở của phương pháp :

Khác với phương pháp trong pha lỏng, ở phương pháp này xúc tác sử dụngcho phản ứng là xúc tác rắn và thường là HgCl2/C* (hoặc graphít, silicat … )

(C*) Tuy nhiên do muối thuỷ ngân độc nên người ta thường có xu hướng thaythế muối thuỷ ngân bằng các muối của các kim loại khác ( BaCl2, CdCl2 … ).Quá trình được mô tả bằng phản ứng:

II.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hoá của quá trình:

a Ảnh hưởng của xúc tác: Khi nồng độ HgCl2 trên than hoạt tính tăng thì hiệu

suất chuyển hoá axetylen thành VC tăng:

Bảng 2 : Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác tới hiệu suất chuyển hoá

HgCl2/C* ( % ) Hiệu suất chuyển hoá ( % )

chuyển hoá vẫn tăng chậm nhưng đồng thời khi đó quá trình toả rất nhiều nhiệt

thăng hoa, đồng thời Axetylen trùng hợp bao phủ trên bề mặt làm cho xúc tácmất hoạt tính nhanh chóng Vì vậy trên thực tế, trong công nghiệp người tadùng xúc tác HgCl2 10% ngấm trên than hoạt tính

b Ảnh hưởng của nguyên liệu :

Nguyên liệu trước khi đưa vào phản ứng có thể chứa những tạp chất có hạicho quá trình như:

- Làm ngộ độc xúc tác:

Khi trong thành phần của nguyên liệu có chứa các tạp chất như : H2S,

tác

H 2 S + HgCl 2 →

HgS + 2HCl 2H 3 P + 3HgCl 2

→

Hg 3 P 2 + 6HCl

Để loại bỏ những tạp chất gây ngộ độc xúc tác này hơi axetylen trước khi

đi vào thiết bị phản ứng được cho đi qua tháp chứa dung dịch K2Cr2O7 ( tại đây xảy ra phản ứng oxy hoá khử nhằm loại bỏ H2S và H3P )

Nếu trong thành phần khí nguyên liệu có chứa clo sẽ xảy ra phản ứng củaAxtylen với clo tạo sản phẩm phụ là tetraclo etan.

Chính vì những yếu tố nguyên liệu trên sẽ làm giảm hiệu suất chuyển hoá

của quá trình đồng thời sản phẩm thu được có chứa nhiều sản phẩm phụ, dẫnđến tốn kém trong việc phân tách để thu đươc VC tinh khiết Yêu cầu đặt ra đốivới khí nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng phải đươc qua côngđoạn xử lý để đạt những tiêu chuẩn cho phép Cụ thể đối với nguyên liệu khíHCl và C2H2 ở đây phải đạt tiêu chuẩn :

- Khí C2H2 phải có nồng độ phần trăm > 99%; H2O < 0,03%; không có chấtgây ngộ độc xúc tác như : H2S; H3P…

- Khí HCl phải có nồng độ > 99%; H2O < 0,03%; không có oxy, clo …

c Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu :

Để đảm bảo cho C2H2 phản ứng hết phải cho dư HCl Trong thực tế người

ta thường khống chế tỷ số C2H2/HCl = 1/1,1 (mol) Tỷ số C2H2/HCl có ảnhhưởng trực tiếp tới hiệu suất chuyển hoá thể hiện :

Bảng 3 : Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu tới hiệu suất chuyển hoá

Qua bảng trên ta thấy khi HCl dư càng nhiều thì hiệu suất chuyển hoá

không mong muốn

Bảng 4: Ảnh hưởng của vận tốc thể tích tới hiệu suất chuyển hoá

e Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất :

Nhiệt độ thích hợp của phản ứng duy trì 160 – 180OC Khi xúc tác giảmhoạt tính thì có thể tăng nhiệt độ lên đến 200OC Tuy nhiên cần phải chú ý đếnhai nhiệt độ quan trọng là: ở 275OC HgCl2 bị phân huỷ và ở 300oC nó bị thănghoa làm xúc tác bị mất hoạt tính đồng thời gây ra hiện tượng hao hụt xúc tác.Làm giảm hiệu suất chuyển hoá Chính vì vậy mà phải khống chế nhiệt độ củaphản ứng một cách hợp lý sẽ góp phần tăng hiệu quả làm việc của dây chuyền.

Áp suất của quá trình thường là 0,3.106 pa

II.3 Công nghệ sản xuất VC trong pha khí :

II.3.1 Thiết bị phản ứng :

Trong quá trình này ta sử dụng xúc tác là chất rắn ( HgCl2/C* ) Đây là quátrình dị thể giữa hai pha rắn và pha khí Một vấn đề đặt ra ở đây là xúc tácHgCl2 bị giảm hoạt tính khi nhiệt độ tăng đồng thời có thể dẫn đến hao hụt xúctác do HgCl2 bị phân huỷ và bị thăng hoa ở nhiệt độ cao Mặt khác đây là quátrình mà trong đó có các phản ứng toả nhiệt mạnh: phản ứng chính tạo VC cónhiệt lượng toả ra là 23700 kcal/kmol, phản ứng phụ tạo diclo etan có nhiệtlượng toả ra là 40200 kcal/mol Do đó để nhiệt độ của thiết bị phản ứng khôngtăng quá cao cần thiết kế thiết bị phản ứng phù hợp Trong dây chuyền sản xuấtnày ta dùng thiết bị phản ứng loại ống chùm đặt song song và có sử dụng chấttải nhiệt nhằm duy trì nhiệt độ của phản ứng ở nhiệt độ thích hợp

Cấu tạo của thiết bị là hình trụ gồm nhiều ống nhỏ Trong đó xúc tác đượcđặt trong ống và chất tải nhiệt đặt ngoài ống Khí nguyên liệu sẽ được bơm qualớp xúc tác đặt cố định trong ống và tại đó phản ứng sẽ xảy ra Nhiệt của phảnứng sẽ được đưa ra ngoài nhờ chất tải nhiệt

Có thể sử dụng nước làm chất tải nhiệt với ưu điểm là không ô nhiễm môitrường, không độc hại và đặc biệt là chi phí thấp Mặt khác do nước có nhiệtdung lớn nên có thể dễ dàng điều khiển được nhiệt độ của quá trình Tuy nhiênvấn đề đặt ra khi sử dụng nước làm chất tải nhiệt là thiết bị sẽ có kích thướclớn, cồng kềnh dẫn đến tốn kém trong khâu chế tạo, lắp ráp và sửa chữa cũng

có thể dùng chất tải nhiệt là dầu với ưu điểm là có khả năng tải nhiệt rất tốt

đồng thời không cần lượng lớn như nước nên thiết bị sẽ có kích thước nhỏ hơnrất nhiều Trong dây chuyền này ta sử dụng chất tải nhiệt là dầu.

II.3.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ quá trình sản xuất VC trong pha khí :

Thuyết minh sơ đồ dây chuyền:

- Xử lý nguyên liệu :

Nguyên liệu Axetylen sau khi qua hệ thống máy nén tới áp suất cao đượccho đi qua hệ thống tháp sấy gồm hai tháp (1) và (2), nhằm tách tối đa lượnghơi nước lẫn trong khí Tác nhân sấy được dùng trong quá trình là dung dịch

H2SO4 đặc Khí axetylen được bơm từ dưới lên đi qualớp dung dịch H2SO4 đặcđược bơm từ trên xuống, do đặc tính háo nước của H2SO4 đặc nên khí C2H2 sẽđược sấy tới yêu cầu cần thiết Khí axetylen sau khi đã được sấy đi ra từ đỉnhtháp (2) được kết hợp với dòng axetylen tuần hoàn cùng dòng khí HCl đi vàothiết bị trộn (4) Trong quá trình này sử dụng lượng HCl dư 10%

- Phản ứng :

Hỗn hợp khí từ thiết bị trộn (4) được đưa qua thiết bị gia nhiệt đến 110OC.Sau đó được đưa vào đỉnh của thiết bị phản ứng ống chùm (5) Tại thiết bị phảnứng (5) các phản ứng của quá xảy ra, đồng thời nhiệt của phản ứng được táchbởi dòng chất tải nhiệt đi bên ngoài ống phản ứng và qua thiết bị trao đổi nhiệtđặt bên ngoài

- Xử lý khí sản phẩm :

Hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa qua hệ thống tách HCl

dư gồm hai tháp (6) và (7) Tại tháp (6) hỗn hợp sản phẩm được rửa bởi nước

Do axit HCl tan tốt trong nước nên tại đây phần lớn HCl được tách ra ở đáytháp dưới dạng dung dịch Phần khí không bị hấp thụ qua đỉnh tháp (6) đượcđưa qua tháp (7), tại đây phần HCl còn lại sẽ được loại bỏ hết bởi dung dịchNaOH Phần khí không bị hấp thụ từ đỉnh tháp (7) được nén tới 0,7 Mpa và làmlạnh, phần lớn sẽ ngưng tụ Nước sẽ được tách ra hoàn toàn từ thiết bị lắng (8).Phần khí nhẹ không ngưng tại thiết bị lắng (8) có thành phần chủ yếu là

axetylen dư được đưa qua hệ thống thu hồi axetylen gồm hai tháp (10) và (11).Tháp (10) là tháp hấp thụ axetylen với vai trò tách sản phẩm nhẹ không bị hấpthụ Tháp (11) là tháp nhả hấp thụ axetylen tuần hoàn lại thiết bị phản ứng.Phần sản phẩm đáy của tháp chưng cất nhẹ có chứa phần lớn là VC được đưasang tháp tinh chế VC Đây là một tháp chưng cất nhiệt độ thấp ở 0,4 – 0,5Mpa Sản phẩm VC sẽ thu được ở đỉnh tháp và phần sản phẩm nặng ( sản phẩmphụ ) thu được ở đáy tháp chưng cất.

II.4 Ưu nhược điểm của phương pháp :

Đây là phương pháp được xử dụng khá phổ biến để tổng hợp VC trongcông nghiệp bởi nó có hiệu suất chuyển hoá cao, axít HCl trong quá trính tồntại ở pha đã làm giảm độ ăn mòn thiết bị, làm giảm chi phí trong việc chế tạothiết bị phản ứng Mặt khác trong quá trình này lượng sản phẩm phụ sinh ra lànhỏ, do đó sẽ giảm được chi phí cho các quá trình tinh chế sản phẩm, tăng chấtlượng sản phẩm thu được

PHẦN II : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

Các số liệu ban đầu :

- Năng suất : 91000 tấn/năm

Giả thiết độ chuyển hoá VC của quá trình là 99,05%

Độ chuyển hoá diclo etan là 0,5 %

Coi lượng sản phẩm bị mất mát trong các quá trình là không đáng kể Đồngthời trong quá trình sản xuất lượng VC thu được ở đỉnh của thiết bị chưng cấttách sản phẩm VC là 93% (hay hiệu suất phân tách VC đạt 93%)

A XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LÀM VIỆC CỦA PHÂN XƯỞNG.

Giả thiết quá trình sản xuất là liên tục và chỉ dừng lại để bảo dưỡng, tái sinh (thay thế) xúc tác định kỳ Như vậy thời gian sản xuất của phân xưởng đượctính như sau :

Ttt = Tlt – Tng

Trong đó :

Ttt là thời gian làm việc của phân xưởng ( giờ/năm )

Tlt là thời gian của một năm ( giờ/năm )

Tng là thời gian nghỉ của một năm ( giờ/năm )

Thời gian nghỉ (Tng) là thời gian dây chuyền ngừng hoạt động vì lý do kỹthuật, bao gồm : thời gian nghỉ để thay đổi xúc tác, thời gian bảo dưỡng sửachữa định kỳ và thời gian sửa chữa do hỏng hóc đột xuất

Giả thiết thời gian nghỉ là 30 ngày

Như vậy thời gian làm việc của phân xưởng là:

I TIÊU HAO NGUYÊN LIỆU CHO PHẢN ỨNG CHÍNH:

1 Tiêu hao nguyên liệu Axetylen:

Năng suất của dây chuyền là 91000 tấn/năm Vậy năng suất tính theo

kg/giờ của dây chuyền là :

91000 1000

Theo như giả thiết lượng VC ra khỏi tháp chưng cất tách sản phẩm là 99,05%

so với lượng VC vào tháp nên lượng VC được tạo ra tại thiết bị phản ứng là: