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,…
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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 Võ Thanh Tiền, 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. Vũng Tàu, tháng 4/2012 Nhóm sinh viên thực hiện 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 Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 1 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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,… 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. Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 2 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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. 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 Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 3 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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: Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 4 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 5 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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. Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 6 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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 . 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. Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 7 + H 2 O HC CH CH 3 CHO H = -38,8 kcal/mol Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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 ∗ 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 Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 8 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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 Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 9 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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 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. Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 10 [...]... và sản xuất dược phẩm… 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 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. .. axetylen bằng phương pháp nhiệt phân oxy hóa không hoàn toàn sử dụng quá trình “tôi” bằng nước và “tôi” bằng dầu Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 29 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Hình 3.11 Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng nước 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... được ở đáy tháp được đưa 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 Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 31 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n... sâu phân hủy nguyên liệu ban đầu đến các chất đơn giản (cacbon, hyđro) Thông thường Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 20 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n người ta 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. .. + 0,5mH2 Trong hỗn hợp sản xuất khí thu được ngoài những parafin và olefin thấp còn có một lượng không lớn benzene, hydrocacbon, nhóm axetylen – metyl axetylen CH3-C≡CH cũng như vinyl axetylen CH 2=CH-C≡CH và diaxetylen CH≡C-C≡CH, … 3.2 Lựa chọn nguyên liệu sản xuất axetylen Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 18 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng... liệu Đồng thời cũng tạo ra tốc độ lan truyền ngọn lửa cao hơn và lưu lượng dòng lớn hơn trong lò phản ứng Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 26 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Hình 3.9 Quá trình nhiệt điện với hệ thống sử dụng dầu tôi 1 Thu hồi nhiệt 5 Thiết bị phân chia các hỗn hợp có điểm sôi thấp 2 Lò hồ quang 6 Thiết bị tái sinh dầu 3 Thu hồi dầu 7 Thiết bị làm lạnh cuối 4 Thiết bị phân. .. Trang 32 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n 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... lên Ở nhiệt độ cao hơn 1230 0C axetylen ổn định hơn các hydrocacbon khác Đường năng lượng tự do Gibbs của axetylen cắt các đường khác tại nhiệt độ cao hơn với các hydrocacbon có mạch cacbon trong phân tử ngắn hơn Điều đó có nghĩa là quá trình sản xuất axetylen từ metan đòi hỏi thực hiện ở nhiệt độ cao hơn quá trình sản xuất từ các hydrocacbon nặng hơn Hình 3.1.Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon... phản ứng nhiệt phân hyđrocacbon thành axetylen mà người ta chia thành nhóm các phương pháp sau: - Quá trình nhiệt điện - Quá trình oxy hóa không hoàn toàn 3.3.1 Quá trình nhiệt điện Bản chất của quá trình là sự phóng điện trong môi trường hyđrocacbon khí, sẽ xảy ra sự đốt nóng cục bộ hỗn hợp khí và cắt mạch các phân tử của nó thành các gốc tự do, tái hợp các gốc tự do này dẫn tới hình thành axetylen và... Thanh Tiề n 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 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 Nhóm 3 Lớp DH09H2 Trang 12 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n xuất làm nguyên liệu cho . 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. qua sơ đồ: Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 4 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 5 Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD: Ths Võ Thanh Tiề n Chương 2: GIỚI THIỆU AXETYLEN 2.1. hóa lý của quá trình 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