Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Phần I: Tổng quan lý thuyết Chương I Tính chất nguyên liệu sản phẩm A Tính chất nguyên liệu I Một số tính chất chung Axetylen Ta thấy điều kiện thường Axetylen chất khí không màu, không độc dạng tinh khiết, có mùi ete yếu có khả gây mê, Axetylen dạng nguyên chất có vị Một số tính chất Axetylen: - Trọng lượng riêng: (00C, P = 760mmHg) - Trọng lượng phân tử: d= 1,17Kg/m3 M =26,02kg/Kmol - Nhiệt dung riêng phân tử: Chi phí = 0,402 KJ/kg - Nhiệt độ ngưng tụ: -38,80C - Nhiệt độ tới hạn: 35,50C - áp suất tới hạn: 6,04MaP - Nhiệt độ thăng hoa: 21,59KJ/mol - Nhiệt hoá hơi: 15,21 KJ/mol - Tỉ trọng: 0,686 Ngoài Axetylen tan mạnh dung môi hữu cơ, Axetylen tan nước Độ chọn lọc Axetylen dung môi khác nhau, quan trọng trình tinh chế trình bảo quản Axetylen Khí cháy Axetylen toả lượng nhiệt lớn khả sinh nhiệt Axetylen 13,307 KCal/m 3, giới hạn nổ Axetylen xảy điều kiện nhiệt độ áp suất định nhiệt độ 00C at axetylen tạo với không khí hỗn hợp nổ giới hạn từ SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp 23% ÷ 81% thể tích giới hạn nổ với oxy 2,8% thể tích, độ nguy hiểm nổ Axetylen tăng phân rã thành chất đơn giản C2H2 → 2C + H2 Đây phản ứng phân huỷ để tạo thành C H phân rã xảy oxy có chất kích hoạt tương ứng (tia lửa, ma sát, đốt cháy…) Có thể nói Axetylen dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với Clo Plo đưới tác dụng ánh sáng Do để giảm bớt khả nổ Axetylen, vận chuyển người ta pha thêm lượng khí trơ hydrô, amôniac vào Bên cạnh Axetylen có tính quan trọng khác khả hoà tan tốt nhiều chất lỏng hữu vô xét độ hoà tan độ hoà tan Axetylen tương đối cao dung môi có cực Trong thể tích nước hoà tan 0,37 thể tích Axetylen Nhưng độ hoà tan Axetylen giảm dung dịch muối ăn Ca(OH)2 Do kết luận nồng độ hoà tan Axetylen có ý nghĩa việc điều chế tách khỏi hỗn hợp khí Tính chất hoá học Axetylen hydrô bua không no, có liên kết ba phân tử có khả hoạt động hoá học cao Liên kết ba phân tử Axetylen tạo thành liên kết δ liên kết π tham gia phản ứng hoá học Các liên kết ba phân tử bị phá vỡ tạo thành liên kết đôi hợp chất bão hoà, Axetylen có khả tham gia vào phản ứng như: phản ứng thế, phản ứng trùng hợp, kết hợp Vì từ Axêtylen ta thấy Axetylen tổng hợp sản phẩm khác ứng dụng vào nhiều lĩnh vực công nghiệp đời sống a Phản ứng SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Nguyên tử H Axetylen thể tính Axit nên có khả tham gia phản ứng với kim loại kiềm như: Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn… tạo thành Axetylenit kim loại dễ nổ: 2Me + C2H2 → Me2C2 + H2 (Me: Kim loại kiềm) + Na HC ≡ CH  → NaC ≡ CNa + H2 +2Cu HC ≡ CH  → Cu - C ≡ C - Cu +H2 Khi Axetylen tác dụng với Axit kim loại kiềm kiềm thổ Amôniac lỏng HC ≡ CH + MeNH3 → MeC ≡ CH + NH3 b Phản ứng cộng hợp Phản ứng cộng với Hydrô tiến hành xúc tác Pd áp suất 1at 250 ÷ 3000C Pd HC ≡ CH + H2  → CH2 =CH2, ∆H = -41,7 KCal/md Phản ứng cộng H2 với xúc tác Ni nhiệt độ + Ni HC ≡ CH + H2 → CH3 - CH3 f0 Phản ứng cộng với nước xúc tác HgSO 75 ÷ 1000C tạo Axetaldehyt 2+ Ag HC ≡ CH+H2O  → CH3 - CHO, ∆H = -38,8 KCal/mol Khi Có Oxit kẽm oxit sắt 360 0C 4800C Axetylen tác dụng với nước để tạo thành Axeton ZnO 2HC ≡ CH + H2O  → CH3 - CHO + CO2 + 2H2 Trong Axetylen tác dụng với rượu điều kiện nhiệt độ 1600 ÷ 1800C áp suất p = ÷ 20at có xúc tác KOH để tạo thành Vinylete KOH CH = CH + ROH  → CH2 = CHO - R Axetylen tác dụng với H2S điều kiện nhiệt độ 1200C SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp HC ≡ CH + H2S → CH2 = CH - SH → C2H5OH Vinyl mercaptan Etylen mercaptan + c 2h h 2c h5c2 s ch = ch2 + c2h5sh ch2 S h5c2 s(c2h2)2 c2h5 Etylen dietyle Sulfit Khi Axetylen tác dụng với mercaptan có xúc tác KOH tạo Vinylclo ete: HC ≡ CH + RSH → CH2 = CH - SR Khi Axetylen tác dụng với CO H2 (Cacbonyl hoá) với xúc tác Ni(CO)4 tạo axit acrylic HC ≡ CH + CO + H2O → CH2 = CH - COOH Cộng với muối halogen tạo hợp chất có đồng phân Cis, trans H HC ch + hgcl2 H C=C Cl H HCl Cis HgCl C=C Cl Trans H Cộng với Hglogen + Br2 HC ≡ CH + Br2 → CHBr = CHBr  → CHBr2 - CHBr2 Ta thấy cộng với Cl2 pha khí phản ứng xảy mảnh liệt dễ gây nổ, phải tiến hành pha lỏng có xúc tác antimoin triclorua SbCl3 + Cl2 → SbCl5 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp CH ≡ CH + 2SbCl5 → CHCl2 = CHCl2 +2SbCl3 Ngoài Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô hữu để tạo thành vinyl có giá trị công nghiệp Phản ứng cộng với HCl, phản ứng pha 150 ÷ 1800C lò xúc tác HgCl2 than hoạt tính, pha lỏng dùng xúc tác CuCl để thu VC HC ≡ CH + HCl → CH2 = CH - Cl Phản ứng cộng với H2SO4 để tạo thành Vinyl sunfua HC≡ CH + H2SO4 → CH2 = CH - O - SO3H nhiệt độ 800C có CuCl2 NH4Cl làm xúc tác Axetylen tác dụng với HCN tạo thành ảcy lonitril: HC ≡ CH + HCN → CH2 =CH-CN Tác dụng với Axit Axetic 180 ÷ 2000C pha có xúc tác Axetat Zn than hoạt tính Cd than hoạt tính Hg than hoạt tính tạo Vinyl Axetat - Axetylen tác dụng với rượu CH ≡ CH + C2H5OH → CH = CHOCOCH3 o ch =ch2 OH+ Axetylen tác dụng với Axit Amin HC ≡ CH + RCO - NH2 → RCO - NH - CH = CH2 c Phản ứng trùng hợp Axetylen Phản ứng polime hoá môi trường HCl tạo thành Vinyl axetylen Xt,80 C 2HC ≡ CH   → H2C = CH - C ≡ CH nhiệt độ 6000C than hoạt tính Axetylen trùng hợp tạo thành Benzen 3HC ≡ CH → C6H6 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Các phương pháp điều chế Axetylen Trong công nghiệp Axetylen chủ yếu sản xuất từ hai nguồn nguyên liệu cácbua canxi hyđrô cácbon (ở dạng rắn, lỏng khí) Hiện Mỹ nước Châu Âu khác sản xuất Axetylen từ hydrô cácbon, Italia, Nhật Bản, Nam Phi, ấn Độ sản xuất Axetylen từ cacbua canxi so với nhiều nước giới Việt Nam điều kiện thuận lợi sẵn có cácbua canxi hydro cacbon nên dễ dàng cho việc sản xuất Axetylen từ hai nguồn nguyên liệu a Sản xuất Axetylen từ cacbuacanxi Phản ứng trình: 600 C CaO + 3C  → CaC2 + CO Nhìn chung có khoảng 70 ÷ 80% Canxi cacbua tham gia phản ứng sản phẩm chứa từ 12 ÷ 15% CaO - Tác dụng với nước Cacbua Canxi để tạo Axetylen vôi tốt: CaC2 + H2O → C2H2 + CaO Ta thấy nhiệt toả phân huỷ cacbua Canxi kỹ tổng nhiệt phản ứng tác dụng cacbua canxi với nước tác dụng vôi với nước CaO + H2O → Ca(OH)2 Khi sử dụng cácbon trình cốc nguyên liệu sử dụng thường có lẫn tạp chất MgO, hợp chất S, P, Al, Fe… dó xảy phản ứng phụ MgO +3C → MgC2 + CO Ca3(PO4)2 + 8C → Ca3P2 + 8CO Do phản ứng có lẫn nhiều tạp chất mà thân tạp chất khó tách khỏi hỗn hợp phản ứng, muốn tách tách phần việc loại xỉ Chính mà Axetylen tạo thành có lẫn lượng hợp chất như: PH3, NH3, SiH2, CH4, H2, CO2 CO… Do Axetylen tạo phải qua giai đoạn làm Có thể dùng andehyt SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp eromic đất nung dùng nước Javen để làm Sau Axetylen thành phẩm rửa kiểm để trung hoà Axit sấy khô H 2SO4 CaCl2 Từ CH4: 400 ÷600 C → C2H2 + 3H2 2CH4  Ni Oxi hoá metan: 1500 C 4CH4 + O2  → 2C2H2 + 2CO2 + 4H2 Ta thấy Axetylen sản xuất theo phương pháp Canxi Cacbua chi phí lượng điện tiêu tốn lớn, vốn đầu tư cao nên ngày Axetylen chủ yếu sản xuất theo phương pháp nhiệt phân hydrô bon trình sản xuất theo phương pháp nhiệt phân hydrô cácbon Và trình xảy giai đoạn cho phép tổng hợp Axetylen sản xuất lại b Sản xuất Axetylen từ Hyđrô cacbon Nhìn chung trước chiến tranh giới thứ hai để sản xuất Axetylen người ta chủ yếu dùng nguyên liệu CaC Nhưng thời gian gần tính từ năm 50 trở Axetylen chủ yếu sản xuất từ hydrô cacbon Với mục đích nhằm xác định điều kiện biến đổi hydrô cácbon parafin thành Axetylen… thời gian nhờ phát triển Cracking nhiệt nhiệt phân hydro cacbon để sản xuất olêfin nhà nghiên cứu tích luỹ kinh nghiệm lý thuyết lẫn thực tế phép phát triển thiết kế thiết bị sản xuất Axetylen: công nghệ hydro cacbon bị nhiệt phân nhiệt độ cao (tới 1100 ÷ 15000C) điều kiện đoạn nhiệt độ thời gian phản ứng ngắn (từ 0,005 ÷ 0,02 giây) Sau sản phẩm nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế phản ứng phân huỷ Axetylen Quá trình phân huỷ hydro cácbon thành Axetylen bao gồm phản ứng thuận nghịch sau, với nguyên liệu hydrô cacbon nhẹ CH4 C2H6 2CH4 ƒ C2H2 + 3H2; SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 ∆H0298 = 87,97 KCal/mol Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội C2H6 ƒ Đồ án tốt nghiệp C2H2 + 2H2; ∆H0298 = 71,7 KCal/mol Các phản ứng phản ứng thu nhiệt điển hình phản ứng tăng thể tích, cân chúng dịch chuyển phải nhiệt độ khoảng 100 ÷ 3000C (hình 1) Hình 1: Đường cong độ chuyển hoá cân metan etan thành Axetylen 0,1 Mpa Tuy nhiên thực tế với mục đích tăng vận tốc phản ứng cần nhiệt độ lớn từ 1500 ÷ 16000C CH4 12000C Hydrô cacbon lỏng, nhiệt phân parafin, phản ứng tạo thành Axetylen có chế chuỗi gốc chuỗi chuyển hoá CH4 C2H6 trình bày sau: - ch4 2H ch3 ch3 ch3 -2H ch h2 2*CH ch2 = ch2 h2 CH CH Nhìn chung khí thu parafin vào olêfin phân tử thấp lượng nhỏ benzen nhóm Axetylen - metylaxetylen (CH - C SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp CH3)… Tuy chế biến Axetylen phương pháp phức tạp xảy nhiều phản ứng phụ mà chủ yếu phân huỷ C 2H2 thành C H2, phản ứng mãnh liệt 10000C đạt tốc độ lớn 1200 ÷ 16000C nghĩa đạt nhiệt độ yêu cầu để có C 2H2, kết quan sát hệ phản ứng liên tiếp, Axetylen tạo thành bị phân huỷ thành H2 C (muội than) 3H 2CH   → C H → 2C +H Ngoài trình xảy phản ứng không mong muốn tạo muội phản ứng CH4 → C + 2H2 2H 2C H  → C H → 2C + 2H C2H6 ↔ 2C + 3H2 Cũng nhiều trường hợp khác, việc điều chỉnh hiệu suất sản phẩm trung gian đạt nhờ giảm mức độ chuyển hoá hydro cacbon ban đầu cách giảm thời gian phản ứng Do hiệu suất Axetylen cao cố hoá xảy với mức độ chuyển hoá hyđrô cacbon ban đầu 150 0C thời gian lưu vùng phản ứng 0,01 giây để tránh phân rã C2H2 cần phải thật nhanh phản ứng (phun nước) Khi nhiệt độ giảm nhanh đến giá trị mà phân rã C2H2 không xảy Cơ chế trình Quá trình nhiệt phân hyđrô cacbon khí hay phân đoạn đầu hiểu phần cấu biến đổi nhiệt Hyđrô cacbon khác nguyên liệu điều kiện nhiệt độ cao vừa phải (từ 700 ÷ 8000C) Trong phản ứng tạo thành C 2H2 lại tiến hành nhiệt độ cao (trên 10000C) cấu chưa nghiên cứu cụ thể, chưa có lý thuyết thống tạo thành C2H2 Khi phân huỷ nhiệt hyđrô cacbon khoảng 1100 ÷ 15000C Tuy nhiên nghiên cứu cho thấy giả thuyết đến thay đổi cấu Cracking chuyển hoá nhiệt độ cao làm chậm SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp phản ứng phát triển mạnh theo cấu gốc tự làm tăng tốc độ trình phân huỷ khỉư cấu trúc phân tử Các phản ứng bậc hai tạo thành sản phẩm ngưng tụ tạo cốc xảy khoảng 900 ÷ 10000C Song nhiệt độ cao lại thấy phản ứng phân huỷ tạo thành Hyđrô, muội cácbon Axetylen Chẳng hạn nghiên cứu phân huỷ Metan cácbon đốt nóng đến 1500 ÷ 17000C (từ sản phẩm tạo nhanh chóng tách khỏi môi trường phản ứng) ta thấy sản phẩm bậc biến đổi etan điều phù hợp với cấu giải thích cấu Kasale sau: Từ: CH4 → [CH2] + H2 [CH2] + CH4 → C2H6 C2H6 → C2H4 + H2 C2H4 → C2H2 + H2 C2H2 → 2C + H2 Từ khẳng định với tiềm dầu khí nước ta mà thành phần khí khai thác hầu hết parafin nên hiệu suất chuyển hoá cao Vì việc khai thác xây dựng nhà máy nhằm phát triển sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên khí đồng hành tốt c So sánh hai phương pháp sản xuất Axetylen Nhìn chung hai trình sản xuất Axetylen từ hyđro cacbon cacbuacanxi phù hợp Song chúng có ưu nhược điểm Đối với trình sản xuất Axetylen từ hyđro cacbua trình xảy theo hướng, cần vốn đầu tư lượng , bên cạnh lại có nguồn nguyên liệu Tuy có số nhược điểm là: sản xuất Axetylen từt hyđro cacbon sản phẩm Axetylen thu loãng cần phải có hệ thống tách làm lạnh phức tạp SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 10 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhiệt lượng vào Q6 Q1 KCal/h 414479,096 Σ 414479,096 Đồ án tốt nghiệp Nhiệt lượng Q2 Q3 Q4 Q5 Σ KCal/h 202649,786 8289,583 201933,456 1606,272 414479,097 IX Tính thiết bị Các thiết bị phản ứng tính toán có dạng ống chùm chế tạo thép không rỉ Quá trình tổng hợp VC xảy ống HgCl mang than hoạt tính Vậy ta có bảng sau Cấu tử C2H2 HCl N2 O2 H2 H2O Khối lượng (Kg/h) 6028,895 9492,402 293,747 0,6209 14,634 4,88 nhiệt độ dòng khí vào thiết bị 250C Thể tích hỗn hợp khí qua thiết bị Hỗn hợp nguyên liệu vào gồm C2H2, HCl, N2, O2, H2, H2O thể tích chúng tính theo công thức: V= Trong đó: G P (5 - tr5) G: Lượng khí qua thiết bị h (kg/h) P: Khối lượng riêng khí (Kg/m3) M.273.P (kg/m3) 22,4.T.P0 Ta có: P= Trong đó: M: Khối lượng mol khí (kg/Kmol) T: Nhiệt độ tuyệt đối khí SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 56 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp P, P0: áp suất khí thiết bị điều khiển tiêu chuẩn ta coi dòng khí trước vào thiết bị điều kiện tiêu chuẩn Giả thiết trình làm việc thiết bị 1200C Vậy ta có: - Thể tích C2H2 qua thiết bị phản ứng Ta có: G C2 H2 = 6028,895 (Kg/h) M C2 H2 = 26 (Kg/Kmol) P = at T = 3930C (273 + 1200K) ⇒ PC2 H = VC2 H2 = M.273.P 26.273.1 7098 = = = 0,806 (Kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 G 6028,895 = = 7480,018 (m3/h) P 0,806 - Tương tự ta tích lượng HCl qua thiết bị phản ứng PHCl = M.273.P 36,5.273.1 9964,5 = = = 1,132 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 ⇒ VHCl = G 9492,402 = = 8385,514 (m3/h) P 1,132 -Thể tích N2 qua thiết bị phản ứng PN = M.273.P 28.273.1 7644 = = = 0,868 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 ⇒ VN = G 293,747 = = 338,418 (m3/h) P 0,868 - Thể tích O2 qua thiết bị phản ứng PO2 = M.273.P 32.273.1 8736 = = = 0,992 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 ⇒ VO2 = G 0,6209 = = 0,626 (m3/h) P 0,992 - Thể tích H2 qua thiết bị phản ứng SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 57 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội PH2 = Đồ án tốt nghiệp M.273.P 2.273.1 546 = = = 0,062 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 ⇒ VH2 = G 14,634 = = 236,032 (m3/h) P 0,062 - Thể tích H2O qua thiết bị phản ứng PH2O = M.273.P 18.273.1 4914 = = = 0,558 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 ⇒ VH2O = G 4,88 = = 8,745 (m3/h) P 0,558 Như ta có tổng thể tích hợp khí qua thiết bị phản ứng là: VT = VC2 H +VHCl +VN +VO2 +VH2 +VH 2O = 7480,018 + 8385,014 + 338,418 + 0,626 + 236,032 + 8,745 = 16448,853 (m3/h) = 4,569 (m3=/s) Vậy thể tích làm việc thiết bị (0,7 ÷ 0,8) thể tích thực thiết bị để đảm bảo chế độ an toàn thiết bị tránh nở, ta chọn 0,75 thể tích thiết bị thực là: VT = 16448,853.100 = 21931,804 (m3/h) 75 Vậy ta tích xúc tác: (Vxt) T= Trong đó: VXt φV T: Thời gian phản ứng (s) VXt: Thể tích xúc tác (m3) φV: Lưu lượng dòng khí (m3/h) Với T = 0,1 ÷ Vậy ta chọn T = 0,5 (s) ⇒ Vxt = φV = 21931,084 m3/h = 6,092 (m3/s) ⇒ Vxt = φV T = 6,092 0,5 = 3,046 (m3) - Ta có tiết diện ngang thiết bị phản ứng là: SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 58 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội S= Đồ án tốt nghiệp VT ω.3600 Trong đó: ω: Tốc độ thiết bị (m/s): ta chọn ω = (m/s) VT: 21931,084 (m3/h) Vậy ⇒ S = 21931,084 = 2,03 (m2) 3.3600 - Chiều cao lớp xúc tác H= VXt 3,046 = = 1,5 (m) S 2,03 Ta chọn chiều cao ống HT = 4,8 (m) Ta chọn ống có đường kính D = 57 3,7 (mm) Tính số ống thiết bị S 2,03 = 2 n= D  0,057  = 795 (ống) π  ÷ 3,14  ÷ 2   Vậy ta bố trí số ống thiết bị theo hình lục giác, số ống chéo qua tâm hình sau cạnh b, số ống cạnh hình lục giác a, ta có: b = 2a - [6 - tr49] n = 3a (a - 1) + Thay n = 795 ta được: 795 = 3a (a - 1) + = 3a2 - 3a - 795 Giải phương trình ta có: a = 28,226, ta chọn a = 28 ⇒ b = 28 - = 55 Như qui chuẩn ta có kết sau: a = 28 b = 55 Sau qui chuẩn ta có: n = 28 (28 - 1) + = 1513 (ống) Tính đường kính thiết bị Ta có đường kính thiết bị tính theo công thức sau: SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 59 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội D = t(b-1) + 4d; m Đồ án tốt nghiệp [6-tr49] Trong đó: t: bước ống, t = (1,2 ÷ 1,5)d d: đường kính ống: d = 57 + = 64 (mm) Ta lấy t = 1,4 x = 1,4 64 = 89,6 (mm) ⇒ D = 89,6 (55 - 1) + 64 = 5094,4 (mm) Chọn qui chuẩn ta có: D = 2,4 (m) Chọn số ngăn thiết bị là: Như ta có kích thước thiết bị sau: Đường kính D = 2,4 (m) Chiều cao thân thiết bị: H5 = 4,8 (m) Số ống n =1513 (ống) Bước ống t = 89,6 (mm) Kích thước ống: d = 57 3,5 (mm) Chiều dày thân thiết bị Thân thiết bị hình trụ làm việc áp suất khí quản có chiều dày xác định theo công thức: δ= D t Pt + C(m) [ δ] ϕ − ∆ τ (6 - tr352) Trong đó: Dt: đường kính thiết bị Dt = 2,4 (m) ϕ: Hệ số bán hàng hình trụ theo phương dọc bàn giáp với hai bên hồ quang điện Với ϕ = 0,95 [6 - tr352] Pt: áp suất thiết bị làm việc áp lực khí nên có: Pt = 105 (N/m2) C: Đại lượng bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai âm chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 60 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Với C1: Bổ sung ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu môi trường thời gian làm việc thiết bị Do vật liệu làm thiết bị vật liệu bền X18H10T nên C1 = 1mm = 0,001m C2: Bổ sung hao mòn, nguyên liệu không chứa hạt rắn chuyển động, lớp xúc tác tỉnh nên có C2 = (m) C3: Bổ sung dung sai âm chiều dày, chọn theo chiều dày ⇒ C = 0,001 + + C3 (m) T: ứng suất thành thiết bị Gọi TK ứng suất cho phép vật liệu thép X18H10T giới hạn xác định theo công thức δ [ δ] = ηK n [6 - tr356] K Trong đó: η: hệ số hiệu chỉnh thiết bị loại H nên ta có: n = 4,0 [6 - tr356] TK: Giới hạn liền K có nhiệt độ t0C ta TK = 550 10=6 (N/m2) µK: Hệ số an toàn bền: µK = 2,6 [6 - tr356] 550.10 +6 ⇒ [ δ] = 1,0 = 211,538 106 (N/m2) 2,6 - Mặt khác ta có ứng suất cho phép giới hạn chảy thép X10H10T xác định theo công thức [6-tr355] ∂ [ δK ] = ηC η C Trong đó: ∂C: Giới hạn chảy nhiệt độ T0C [Xem bảng - tr309] ta được: ∂C = 220 106 N/m2 ηC: Hệ số an toàn theo giới hạn chảy [Xem bảng 6-tr309] ta được: ηC = 1,5, đó: SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 61 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [ δK ] Đồ án tốt nghiệp 220.106 = 1,0 = 146,7 106 (N/m2) 1,5 Để đảm bảo độ bình ta lấy giá trị nhỏ kết để tính tiếp: Hàn dọc, hàn hồ quang điện, hàn giáp với hai mặt: [6 - tr362] Vậy ta có: ϕH = 0,95 Vì: δK 146,7.106 ϕH = 0,95 = 139,65 ≥ 50 P 1.105 Do ta bỏ qua đại lượng P mẫu số công thức [6 - tr360] Vậy: S = D t P + C [ σ] ϕ (m) 2,4.1.105 = 0,001 + C (m) ⇒S= 2.146,7.106.0,95 ↔ δ = 0,00086 + 0,001 + C3 = 0,00186 + 0,8 10-3 Ta chọn C3 = 0,8 10-3 (m) → C3 = 0,0026 , m = 2,6 mm ⇒ Qui chuẩn ta có: S = 4mm Bây ta kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử nước theo công thức sau:  D t +( S − C )  P σt (N/m2) σ=  < 2(S −C)ϕ 1,2 [6-tr365] P0: áp suất thử tính toán xác định theo công thức: P0 = Pth + Pt N/m2 Trong đó: [6-tr365] Pth: áp suất thuỷ lực lấy theo bảng [6-tr388] Ta lấy Pth = 1,5 P (không nhỏ 0,2 106 N/m2 Pt: áp suất thuỷ tĩnh nước, xác định theo công thức P = Pt g H Với Pt = 1000 kg/m3, g = 9,81 m/s2, h = 3m SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 62 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp ⇒ Pt = 1000 9,81 = 29430 N/m3 Thay vào công thức ta có: ( ) ( )  2,4 + − 0,8.103  1,86.1,0.105 + 29430 σ  σ=  = 85,15.10 < 1,2 2(4 − 0,8).103.0,95 220.10 = = 813,33 106 = 183,33 106 N/m2 1,2 Như ta thấy thoả mãn điều kiện kiểm tra đảm bảo cho thiết bị, thân thiết bị có chiều dày 4mm Tính đáy nắp thiết bị Đáyvà nắp tháp làm từ vật liệu loại với thân tháp ta dùng loại đáy, nắp elíp có cho thân hàn Chiều dày S đáy nắp làm việc chịu áp suất tính theo công thức S= D t P D t + C (m) 3,8[ σK ] K.ϕh − p 2h b [6 - tr385] Trong đó: hb: Chiều cao phân tử đáy, náp, xem bảng [6 - tr382) Vậy ta chọn: hb = 550 mm = 0,55 (m) ϕh: Hệ số bền nối hàn hướng tâm (nếu có) xem bảng [6-tr382] Ta chọn: ϕh = 0,45 (hàm giám nối hai bên) K: Hệ số không khí nguyên, xác định sau: K= 1+ d Dt Dt: đường kính lớn lỗ (tức đường kính lớn lỗ hình tròn) d = 0,15m Vậy tat có: [TK] = 211,5 106, N/m2 TC = 220.106 Từ ta tính K = - 0,15 = 2,25 2,4 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 63 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vì TK K ϕh = Đồ án tốt nghiệp 211,538.10 0,0625 0,95 = 125,6 >> 30 1.10 Do đại lượng P mẫu số công thức [6-tr385] bỏ qua Vậy chiều dày đáy nắp tính sau: S= D t P D S < ϕh t +C 3,8[ TK ] 2h b 2,4.1.105 2,4 +C = 0,00077 + C = 3,8.211,5.10 0,89.0,95 2.0,55 Vậy đại lượng bổ sung C S - C = 0,25mm < 10mm Do ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính nắp tháp ⇒ C = (1,8 + 2) 10-3 S = 0,00077 + 0,0038 = 0,00457 = 457.10-3 (m) Vậy dựa vào bảng [6-tr384] ta qui chuẩn sau: * S = 6mm * Chiều cao h =25mm ⇒ Chiều cao phần lớn đáy hb = 550mm Tính đường kính ống dẫn a ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị phản ứng V = 4,569 (m/s) đường kính ống dẫn xác định theo công thức: d= Trong đó: m 0,785.ω [6-tr369] ω: Tốc độ trung bình m/s V: Lưu lượng thể tích m3/s Qui chuẩn ta có: di = 400 (mm) b/ ống dẫn sản phẩm phản ứng sản phẩm phản ứng đổ gồm: VC + C2H2dư + N2 + O2 + H2 + HCldư + CH3CHO + CH3CHCl2 Nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm là: 1200C SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 64 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Tính lưu lượng thể tích sản phẩm + Thể tích C2H2dư ra: G C2 H2 d = 137,374 kg/h Vậy ϕC2H2 d = ⇒ VC2 H 2d = 26.373 = 0,806 (Kg/m3) 22,4.393 137,374 = 170,439 (m3/h) 0,806 * Thể tích HCldư là: G HCld = 862,84 ϕHCld = ⇒ VHCldư = 36,5.273 = 1,132 (kg/m3) 22,4.393 862,84 = 762,226 (m3/s) 1,132 * Thể tích N2 G N = 293,747 (kg/h) ϕN = ⇒ VN = 28.273 7644 = = 0,868 (kg/m3) 22,4.393 8803,2 293,747 = 338,412 (m3/s) 0,868 * Thể tích O2 G O2 = 0,6209 (kg/h) ϕO = ⇒ VO2 = 32.273 = 0,992 (kg/m3) 22,4.393 0,6209 = 0,626 (m3/s) 0,992 * Thể tích H2 G H2 = 14,634 (kg/h) ϕH = 2.273 = 0,062 (kg/m3) 22,4.393 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 65 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ⇒ VH2 = Đồ án tốt nghiệp 14,634 = 236,032 (m3/s) 0,062 * Thể tích CH3CHO G CH3CHO = 17,23 (kg/h) ϕCH3CHO = ⇒ VCH3CHO = 44.273 = 1,365 (kg/m3) 22,4.393 17,23 = 12,623 (m3/s) 1,365 * Thể tích CH3CHCl2 G CH3CHCl2 = 46,835 (kg/h) ϕCH3CHCl2 = ⇒ VCH3CHCl2 = 99.273 = 3,07 (kg/m3) 22,4.393 46,835 = 15,256 (m3/s) 3,07 * Thể tích VC GVC = 14492,754 (kg/h) ϕVC = ⇒ VVC = 62,5.273 = 1,938 (m3/s) 22,4.393 14492,754 = 7478,201 (m3/s) 1,938 Như thể tích hỗn hợp sản phẩm là: VR =VC2 H2 d +VHCld +VN +VO2 +VH2 +VCH3CHO +VCH3CHCl2 +VVC = 170,439+762,226+338,412+0,626+236,032 + 12,623 + 15,256 + 7478,201 = 9013,815 (m3/h) ⇔ VR = 2,504 (m3/s) Vậy d1 = 2,504 = 0,461 0,785.15 Ta chọn: ω = 15 ω/s Qui chuẩn d1 = 0,4m = 400mm SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 66 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Chọn mặt bích Chọn bích liên thép để nối phần thiết bị Vậy ta có kích thước nối phần thiết bị Bảng 1: Kích thước nối phần thiết bị đường kính -6 Py.10 N/m tháp Dt mm 2400 0,1 Kiểu Kích thước nối D Db Di D0 mm 2250 2500 2460 2415 Bulông db Z H24 56 bích i n mm 35 D Db Di h D0 db Dt Bích liền kim loại đen để nối phận thiết bị ống dẫn [6-tr409] Bảng 2: Kích thước nối phận thiết bị ống dẫn đường kính -6 Py.10 N/m 0,25 tháp Dt mm 400 Kiểu Kích thước nối D Db Di D0 495 465 Bulông db Z mm 426 535 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 67 H20 16 bích i n mm 22 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp D D1 D1 h Di db Dn Tính chân đỡ tai treo tháp a Tính khối lượng trọng lượng tháp - Phần hình trụ Khối lượng vỏ tháp phần hình trụ tính sau: mt = Trong đó: π D n − D 2t H.P1 kg ( ) Dn: đường kính thân hình trụ, (m) Dt: đường kính thân hình trụ, (m) H: chiều cao phần hình trụ, (m) Pt: khối lượng riêng vật liệu làm thân tháp, Kg/m3 với vật liệu thép bon, ta có Pt = 7,85 103kg/m3 Chiều dầy thân tháp δ = 4mm; đường kính thiết bị Dt = 2,4 (mm) → Doanh nghiệp = 2,408 m Do ta có: Mt = 3,14 (2,408)2 − (2,4)2  4,8.7,85.10 = 1168,08 (kg) Như trọng lượng thân hình trụ là: Pt = mT.g = 1168,08 9,81 = 11458,864 (N) SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 68 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Phần đáy nắp tháp Ta tính chiều dày đáy nắp tháp S = 5mm Vậy dựa vào bảng [6-tr384] (Sổ tay hoá công II) ta có khối lượng đáy nắp tháp là: MĐ+N = mĐ + mN = 519 + 519 = 1038 (kg) Do có trọng lượng đáy nắp PĐ+N = 1038 9,81 = 10182,78 (N) b Tính khối lượng trọng lượng bích Để nối thân thiết bị với đáy nắp cần cặp bích, khối lượng hai cặp bích tính sau: mb+Đ+N = π 3,14 (D - Dn2)h Pt = [(2,55)2 - (0,426)2].0,016 7,85.103 4 = 57,4 (kg) Như tổng khối lượng bích toàn tháp là: Mb = mb+Đ+N + mb.ống = 57,4 + 413,04 = 470,44 (kg) → Trọng lượng bích là: Pb = 470,44 9,81 = 4615,0164 (N) c Tính khối lượng trọng lượng ống trùm Khối lượng ống trùm xác định mống = Trong đó: π D n − D 2t Pt H (kg) ( ) Dn: đường kính ống, (m) Dt: đường kính ống, (m) H: chiều cao ống, (m) Pt: khối lượng riêng vật liệu làm ống, Kg/m3 Với vật liệu thép bon ta có: Pt = 7,850.103 (kg/m3) SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 69 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ⇒ mống = Đồ án tốt nghiệp 3,14 (0,064)2 − (0,057)2  4,8.7,85.ω3 ⇒ mống = 25,053 (kg) Số ống tính thiết bị là: 795 ống ⇒ Khối lượng ống chùm toàn thiết bị là: mống chùm = 25,053 795 = 19917,135 (N) Bây ta có trọng lượng toàn tháp là: P = PT + Pb + Pống + PĐ+N = 11458,864 + 4615,0164 + 19917,135 + 10182,78 = 46173,795 N = 4,6173.104 (N) ta dựa vào bảng [6 - XIII 3T] ta chọn loại chân có kích thước hình vẽ sau (trang 437 - Sổ tay hoá công II) Bề mặt Tải trọng cho đỡ F.104 phép bề mặt (m2) đỡ, T.106 N/m2 840 0,96 L 32 SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 B 265 70 B1 B2 H 27 40 50 0 H S 275 22 L 12 D 34 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC [...]... trình sản xuất đòi hỏi ta phải có những phương pháp mới, đó là phương pháp xúc tác Sản xuất VC đi từ Axetylen có thể được tiến hành ở pha lỏng hỏng pha khí * Cơ chế của quá trình sản xuất VC đi từ Axetylen Xét phản ứng cộng HCl và hyđrô nhằm Axetylen đặc trưng cho liên kết nối sau: +HCl → CH 2 CHCl ; -∆H = 112,4 (KJ/mol) CH ≡ CH  SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 26 Thiết kế phân xưởng sản xuất. .. Hoá Dầu - K8 35 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp 3 Xây dựng dây chuyền công nghệ sản xuất Vinyl Clorua từ Axetylen và Hyđrô Clorua Trong công nghệ sản xuất VinylClorua từ Axetylen và HyđrôClorua, nguyên liệu khí Axetylen và Hyđrô Clorua được đưa qua vùng phản ứng có chứa các xúc tác rắn HgCl2, lưu ý ở đây các chất trước khi được đưa vào thiết bị phải đảm... đầu phân huỷ 2 Tính chất hoá học Etylen là một hyđrô các bon không no có chứa một liên kết đôi C = C trong phân tử, trong liên kết đôi có một liên kết δ do sự xen phủ trục của hai electron lai tạo và một liên kết π, do sự xen phủ bềncủa hai electron p, tất cả các nguyên tử nối với hai nguyên tử cácbon đều nằm trên một mặt phẳng với SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 11 Thiết kế phân xưởng sản xuất. .. sản xuất hiện đại, con người đã sản xuất ra được loại VC với độ tinh khiết cao mà không cần chất ức chế trong bảo quản đồng thời do được làm sạch với nước nên VC không có khả năng gây ăn mòn và có thể bảo quản được trong các thùng thép cácbon thường SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 18 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các phương pháp sản xuất. .. cao 6m, ở đây các sản phẩm khí gồm 37,5% VC, 40,8% HCl, 20,5% diCloetan không phản ứng hết và 1,2% là sản phẩm phụ Lúc này hỗn hợp sản phẩm được đem đi làm lạnh ở 00C trong thiết bị ống chùm để đi Cloetan ngưng tụ Giai đoạn tiếp theo ta SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 20 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp dòng nước rửa để tách các sản phẩm phụ Sau đó... Cracking (4) và tạo VC và HCl Lúc này sản phẩm đi ra từ (4) được làm lạnh rồi cho qua thiết bị chưng luyện (6) (7) tách VC và HCl HCl sau khi thu được từ đỉnh tháp (6) sau đó cho đi vào thiết bị oxi háo (2), những DCE chưa bị nhiệt phân sẽ được tách ra ở (7) và tuần hoàn lại ở thiết bị (3), từ đẫyn VC tu SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 23 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà... CH2 - CHO 2 Do phân tử có chứa nối đôi nên VC có thể tham gia vào phản ứng trùng hợp tạo PVC, đây là một sản phẩm quan trọng 2CH2 = CHCl → [- CH2 - CH - ]n  Cl 2 Phản ứng của phân tử Clo Ta xét phản ứng thủy phân SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 17 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Khi đun nóng với kiềm HCl bị tách ra khỏi VC cho ta axetylen + NaOH... - Hoá Dầu - K8 27 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Sản phẩm ta thu được là vinyl clorua (CH 2 = CHCl) Nó là một mônôme quan trọng dùng để tổng hợp các vật liệu polime khác Khi polime hoá có mặt peroxic nó sẽ tạo ra polivinyl Clorua (PVC) 1 Sản xuất VC đi từ Axetylen theo phương pháp pha loãng Trong pha loãng người ta tiến hành thổi Axetylen và HCl cho... phương pháp sản xuất HCl phổ biến trên thế giới sản xuất H 2SO4 và NaOH NaCl + H2SO4 → NáHO4 + HCl 2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl Phương pháp Hargreaver S + O2 → SO2 2NaCl + 2SO2 + O2 + 2H2O → 2Na2SO4 + 4HCl SV: Nguyễn Hữu Tuấn - Hoá Dầu - K8 14 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Phản ứng tổng hợp H2 và Cl2 H2 + Cl2 → 2HCl Phương pháp thu HCl như một sản phẩm... cho việc sản xuất Axetylen * Cơ sở của quá trình sản xuất VC đi từ Axetylen CH = CH + HCl → CH2 = CHCl ở áp suất thường do không có xúc tác, nên phản ứng không được tiến hành do vậy đòi hỏi ta phải tiến hành ở áp suất cao hơn, nhưng do ở áp suất cao các sản phẩm phụ tạo ra nhiều (1,1 dicloetan và VC bị trùng hợp) mà những sản phẩm phụ này đều không có lợi cho việc thu sản phẩm cũng như bảo quản thiết