CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AXETYLEN. SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ TÔI BẰNG NƯỚC VÀ TÔI BẰNG DẦU

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ THANH HÓA – KHOA CÔNG NGHỆ  BÀI TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ ĐỀ TÀI: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AXETYLEN. SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ TÔI BẰNG NƯỚC VÀ TÔI BẰNG DẦU GVHD : NGUYỄN THỊ HỒNG THẮM NHÓM : 16 LỚP : DHHD7LTTH THANH HÓA, THÁNG 06 NĂM 2013 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm Mục Lục 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. Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 2 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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. Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 3 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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: Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 4 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 5 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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 . Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 6 + H 2 O HC CH CH 3 CHO H = -38,8 kcal/mol GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm Axetylen bị hấp phụ 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 ∗ 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 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 7 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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 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. Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 8 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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 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 Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 9 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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 xuất làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa sinh, hóa polymer và sản xuất dược phẩm… Nhóm 16. Lớp DHHD7LTTH Trang 10 [...]... phẩm của quá trình có tôi sơ bộ Vì nhiệt độ của khí sau khi tôi sơ bộ trên 1200 0C nên người ta dùng một hệ thống tôi bằng dầu để thu hồi khoảng 80% nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt dạng hơi Hỗn hợp dầu – muội cacbon tạo thành có thể biến đổi tiếp thành sunfua và cốc dầu mỏ cao cấp không tro.Sơ đồ trên hình 3.9 biểu diễn quá trình nhiệt điện có sử dụng hệ thống tôi bằng dầu của Huls 3.3.2 Quá trình. .. 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 nhiệt phân có thể có các. .. phun nước hoặc dầu làm mát tức thời đến 800C (đối với nước) hoặc 200 … 250 0C (đối với dầu) Tác nhân dùng để tôi hỗn hợp sau phản ứng được dẫn vào từ hệ thống gồm ba ống vòng đặt ngay phía dưới tầng phản ứng Hình 3.11 và 3.12 mô tả các sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen bằng phương pháp 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. .. nguội nhanh (quá trình tôi ) bằng nước hoặc dầu Tôi bằng nước đơn giản dễ thực hiện, tôi bằng dầu hiệu quả hơn Người ta có thể sử dụng các hydrocacbon lỏng để làm nguội, nhờ đó có thể tăng lượng etylen và axetylen được tạo thành trong khoảng nhiệt độ 1500 … 8000C .Quá trình này được gọi là quá trình hai bước Cấu trúc lò đốt rất quan trọng, cần đảm bảo các yêu cầu công nghệ. Thời gian lưu trong vùng... các phân tử của nó thành các gốc tự do, tái hợp các gốc tự do này dẫn tới hình thành axetylen và các động đẳng của nó, muội cacbon, hyđro và các hyđrocacbon cao hơn Quá trình nhiệt điện có những ưu điểm sau: - Nguồn năng lượng cấp cho quá trình không phụ thuộc vào nguyên liệu hyđrocacbon - Tiêu hao hyđrocacbon có thể giảm 50% - Với điều kiện năng lượng điện có sẵn và rẻ thì sử dụng quá trình này kinh... ta đã khắc phục nhược điểm của sơ đồ trên bằng cách tận dụng nhiệt của phản ứng để nhiệt phân cặn dầu Tương tự như sơ đồ trên, ban đầu khí nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ 600 …700 0C trong thiết bị gia nhiệt 1, sau đó được dẫn vào thiết bị phản ứng 2, hỗn hợp sau phản ứng được tôi bằng cách phun cặn dầu đến nhiệt độ 200 …2500C, lượng dầu chưa cháy hết được lắng ở đáy tháp và được bơm trở... theo cách cấp nhiệt để thực hiện 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 Nhóm 16 Lớp DHHD7LTTH Trang 16 GVHD: Ths Nguyễn Thị Hồng Thắm 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. .. + 3H2 C2H4 ⇒ C2H2 + H2 C3H6 ⇒ 1,5C2H2 + 1,5H2 Các phản ứng này đều là các phản ứng thu nhiệt điển hình và là phản ứng tăng thể tích Quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn do các tính chất nhiệt động của các hydrocacbon Trên hình 3.1 biểu diễn năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon phụ thuộc vào nhiệt độ Từ đồ thị hình 3.1 thấy rằng, ở nhiệt độ thường axetylen không thể tạo thành Nhóm... 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 tôi bằng nước, nguyên liệu khí oxy và metan được đưa qua thiết bị gia nhiệt 1 đạt nhiệt độ cần thiết khoảng 600…700 0C, sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng 2, tại đây xảy ra quá trình oxy hóa tạo axetylen Hỗn hợp sau phản... 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 phụ thuộc vào nhiệt độ Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt độ được miêu tả trên hình 3.2 cho thấy axetylen bắt đầu được tạo thành ở nhiệt độ cao hơn 1000 K (7300C) Như vậy quá trình đòi . BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ THANH HÓA – KHOA CÔNG NGHỆ  BÀI TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ ĐỀ TÀI: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AXETYLEN. . Thắm 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. KHÍ ĐỀ TÀI: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AXETYLEN. SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ TÔI BẰNG NƯỚC VÀ TÔI BẰNG DẦU GVHD : NGUYỄN THỊ HỒNG THẮM NHÓM : 16 LỚP : DHHD7LTTH THANH