thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên

Giới thiệu Khí tự nhiên khí đồng hành giới có tiềm lớn với trữ lợng ớc tính khoảng 130.103 tỷ m3, sản xuất sử dụng khoảng 2.103 tỷ m3 Việc sử dụng khí tự nhiên chủ yếu làm nhiên liệu cho lò đốt, lò hơi, nhà máy nhiệt đIện phần nhỏ làm nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu Để nâng cao giá trị sử dụng hiệu kinh tế ngời ta cố gắng tìm phơng pháp tối u để chuyển hoá khí tự nhiên thành hydrocacbon có số nguyên tử C > =2 Các sản phẩm có ứng dụng rộng rãi làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu hoá dầu Trớc đây, Axetylen nguồn nguyên liệu chủ yếu công nghiệp tổng hợp hữu Khi công nghiệp hoá dầu phát triển, Axetylen đánh vai trò dẫn đầu sản lợng sản xuất hàng năm, thay vào etylen đợc sản xuất từ naphta rẻ hơn, bền Tuy nhiên, Axetylen đợc tiếp tục sản xuất số sản phẩm đặc biệt đợc tổng hợp từ Axetylen hiệu hơn, hiệu suất cao, công nghệ tiên tiến Các trình công nghệ sản xuất Axetylen giới gồm có: Công nghệ sản xuất Axetylen từ than đá hay cacbuacanxi Công nghệ sản xuất Axetylen từ khí tự nhiên hydrocacbon Công nghệ sản xuất Axetylen từ than đá hay canxicacbua công nghệ truyền thống Nó có u điểm Axetylen thu đợc nồng độ cao (90%), nhng gây ô nhiễm môi trờng, tiêu thụ lợng lớn (điện ), khó tự động hoá Hiện nay, nớc Italy, Nhật Nam Phi, ấn Độ sản xuất Axetylen theo phơng pháp Công nghệ sản xuất Axetylen từ khí tự nhiên hydrocacbon trình phát triển từ năm 1940 Hydrocacbon bị nhiệt phân nhiệt độ cao từ 1100 15000C đIều kiện thời gian lu ngắn vài ms (0,005-0,02s) Sau sản phẩm đợc nhanh chóng làm lạnh xuống nhiệt độ thấp nhằm tránh phân huỷ sản phẩm Công nghệ có u điểm không ô nhiễm môi trờng, kinh tế, tự động hoá cao Do vậy, đề tài em thiết kế phân xởng sản xuất Axetylen từ khí tự nhiên Phần I :Tổng quan lý thuyết 1.1 Giới thiệu khí thiên nhiên.[3] Khí thiên nhiên đợc khai thác từ mỏ khí nằm sâu dới mặt đất Trong khí thiên nhiên thành phần chủ yếu metan (CH 4) chiếm khoảng 93 ữ 99% mol lại hợp chất khác nh etan (C2H6), propan (C3H8) lợng nhỏ butan (C4H8) có thành phần phi hydrocacbon khác nh N2, CO2, H2S, He, H2 nhiều mỏ khí khí thiên thu đợc khí chua tức thành phần có chứa nhiều khí H2S CO2 Khí CO2 H2S có mặt khí thiên nhiên điều có hại làm tăng chi phí vận chuyển, làm giảm nhiệt cháy gây ăn mòn đờng ống nồng độ chúng phải đợc khống chế tỷ lệ cho phép chúng phải đợc làm trớc chế biến hoá học Dới bảng số liệu thành phần khí thiên nhiên CHLB Nga Việt Nam Bảng : Thành phần khí thiên nhiên [3-74] Thành phần Phần mol Các hydrocacbon Metan Etan Propan n-Butan iso-Butan n-Pentan iso-Pentan Hexan Heptan hydrocacbon cao Các phi hydrocacbon N2 CO2 H2S He 0,75 ữ 0,99 0,01 ữ 0,15 0,01 ữ 0,1 0,01 0,01 0,01 0,01 0,001 0,001 0,15 0,1 0,3 0,05 Bảng 2: Thành phần hoá học khí thiên nhiên khí đồng hành Việt[3-2] []Nam[] Khí đồng hành Cấu tử Bạch Hổ Đại Hùng Rồn g CH4 73,0 77,0 78,0 C2H6 12 10 3,0 C3H8 7,0 5,0 2,0 C4H10 2,9 3,3 1,0 C5H12 2,5 1,2 1,0 CO2 0,7 3,0 2,0 N2 0,5 3,0 2,0 Khí tự nhiên Tiền Hải Rồng tự 87,6 3,1 1,2 1,0 0,8 3,0 3,0 84,0 6,0 4,0 2,0 2,0 4,0 4,0 1.2 Tổng quan axetylen.{3,4,10,11,13,14} Axetylen có vai trò quan trọng công nghiệp hoá học có nhiều ứng dụng trong trình gia công kim loại Nhiệt độ lửa khí axetylen cao nên ngời ta dùng khí axetylen để hàn cắt, tẩy gỉ, khử C vv Từ năm 1940 trở trớc axetylen đợc sản xuất từ canxi cacbua Quá trình sản xuất axetylen từ hydrocacbon bắt đầu đợc nghiên cứu từ sau đại chiến giới lần thứ hai Quá trình ban đầu đợc tiến hành phòng thí nghiệm với mục đích xác định điều kiện biến đổi hydrocacbon parafin thành axetylen Nhờ tích luỹ đợc kinh nghiệm lý thuyết lẫn thực tế công nghiệp nhiệt phân cho phép phát triển thiết kế thiết bị để sản xuất axetylen cách nhiệt phân hydrocacbon nhiệt độ cao Quá trình nhiệt phân trực tiếp hydrocacbon để sản xuất axetylen trình phức tạp, xuất công nghiệp vòng năm mơi năm trở lại Trong công nghệ hydrocacbon bị nhiệt phân nhiệt độ cao (1100 ữ 1500 0C) điều kiện đoạn nhiệt thời gian phản ứng ngắn (từ 0,005 ữ 0,02 giây) Sau sản phẩm đợc nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế phản ứng phân huỷ axetylen Nhiệt phân hydrocacbon để nhận axetylen lần đợc thực hãng Wulf - process (Mỹ) để cắt mạch Propan Sau trình nhiệt phân đồng thể mà chất tải nhiệt khí cháy (khói lò) có nhiệt cao Theo phơng pháp ngời ta xây dựng thiết bị Mỹ, Pháp, Italia Sau ngời ta phát minh đợc phơng pháp cấp nhiệt cách đa oxy vào vùng phản ứng để đốt cháy phần nguyên liệu cấp nhiệt cho lò ngời ta gọi phơng pháp oxy hoá Ngời ta dùng lợng điện để cracking hydrocacbon với mục đích sản xuất axetylen Ngoài ngời ta dùng phơng pháp truyền nhiệt đại để sản xuất axetylen nh nhiệt phân dòng plasma nhiệt độ thấp vv Các phơng pháp ngày cho phép tổ chức sản xuất axetylen theo sơ đồ công nghệ đơn giản hơn, lò phản ứng nhỏ nhng suất lớn vốn đầu t không cao Kết hợp với việc sử dụng hiệu (tận dụng hợp lý) sản phẩm thu đợc trình nhiệt phân cho phép hạ giá thành sản phẩm axetylen Tuy trình từ nguyên liệu hydrocacbon có suất lớn, thích hợp công nghiệp nhng sản xuất axetylen từ canxi cacbua giữ vai trò định công nghiệp nớc tiềm khí tự nhiên khí đồng hành hay dùng axetylen việc hàn cắt kim loại 1.2.1 Tính chất vật lý.[10,11,13,14] Hai nguyên tử cacbon phân tử axetylen trạng thái lai hoá sp, chúng liên kết với liên kết xích ma () hai liên kết Mỗi nguyên tử cacbon liên kết xíchma () với nguyên tử H Độ dàI liên kết giảm dần theo thứ tự sau: etan, etylen, axetylen Chất Etan Etylen Axetylen Liên kết H-C 110,2 108,6 105,9 C-C 154,3 133,7 120,7 Tuy nhiên, theo thứ tự xu hớng hút electron nguyên tử cacbon lạI tăng (etan Csp2 > Csp3 Kết liên kết C-H có phân cực mạnh: C H làm tăng mômen lỡng cực liên kết làm tăng khả hydro tách dới dạng proton, tính axit axetylen lớn so với etylen etan Do tính axit axetylen làm cho dễ hoà tan dung dịch bazơ, tạo liên kết hydro với chúng Vì thế, áp suất dung dịch không tuân theo định luật Raul Do đặc điểm cấu tạo axetylen nh trình bày mà axetylen dễ dàng tham gia phản ứng nh : phản ứng thế, phản ứng cộng hợp, nguyên tử H, polime hoá phản ứng đóng vòng Sự phát triển phản ứng axetylen có mặt áp suất mở đầu cho nghành công nghiệp hoá axetylen đại W.Reppe (1892-1969), BASF Ludwigshafen (Cộng hoà liên bang Đức) Các nhóm phản ứng quan trọng vinyl hoá, etynyl hoá, cacbonyl hoá, polime hoá đóng vòng polime hoá thẳng 1.2.2.2 Các phản ứng quan trọng công nghiệp 1.2.2.2.1 Các phản ứng vinyl hoá sản phẩm: Vinyl hoá phản ứng cộng hợp hợp chất vào nguyên tử H linh động, nh nớc (H2O), ancols (ROH), thiol, axits hữu vô tạo monome cho phản ứng trùng hợp Có hai loạI phản ứng vinyl hoá: vinyl hoá dị thể vinyl hoá cacbon (C)_ thông dụng Các sản phẩm vinyl hoá công nghiệp axetalđehyt, vinylclorua, vinyl axetat sản phẩm khác Dới số trình vinyl hoá công nghiệp: Axetaldehyt (phản ứng cộng nớc H2O) Phản ứng đợc Kurêsop nghiên cứu vào năm 1881 Phản ứng tiến hành cách cho C2H2 đI vào dung dịch axít sunfuríc loãng (H 2SO4) có chứa thuỷ ngân sunfat (HgSO4) đóng vai trò xúc tác Phản ứng qua giai đoạn trung gian tạo ancol vinylíc không bền dễ phân huỷ tạo thành axetaldehyt HC CH + HOH [ CH2=CH- OH] CH3- CH=O Phản ứng tổng quát: HC CH + H2O CH3CHO Xúc tác: dung dịch axít muối thuỷ ngân, nh HgSO4 H2SO4 Phản ứng pha lỏng 920C Vinyl clorua: HCCH + HCl CH2=CHCl Xúc tác: HgCl2/than (C) Phản ứng pha khí nhiệt độ 150 1800C Vinyl axetat: HCCH + CH3COOH CH2= CHOOCCH3 Xúc tác: Cd, Zn, muối thuỷ ngân (Hg +2)/than(C) Phảm ứng pha khí nhiệt độ T = 180-2000C Vinyl ete: gồm bớc phản ứng sau ROH + KOH ROK RO-CH=CHK -H2O +C2H2 RO-CH=CHK + ROH RO-CH=CH2 + ROK Trong R- gốc alkyl Nhiệt độ phản ứng nằm khoảng T = 1201500C; áp suất đủ cao để tránh làm sôi rợu sử dụng phản ứng, ví dụ áp suất MPa metanol (CH3OH) tạo thành metyl vinyl ete (phản ứng có áp suất cao) -H2O CH3OH + KOH CH3OK+CH CH3-CH=CHK 2 CH3-CH=CHK + CH3OH CH3O-CH=CH2 + CH3OK 10 Vinyl phenyl ete: Phản ứng vinyl hoá với xúc tác KOH HCCH + O-CH=CH2 OH Xúc tác KOH Vinyl sunfit: HCCH + RSH Xúc tác KOH CH2=CH S R Vinyl este axit cacboxylic cao: HCCH + R-COOH RCOO- CH=CH2 +2 Xúc tác muối kẽm (Zn ) cadimi (Cd+2) * Vinylamin sử dụng muối kẽm (Zn+2) cadimi (Cd+2) làm xúc tác R1R2NH + HCCH R1R2N- CH=CH2 * N_ vinyl cacbazol, phản ứng vinyl hoá cacbazol dung môI (nh N_metylpyrolidon) 1800C Phản ứng vinyl hoá amôniac, chất xúc tác muối phức Coban (Co) Niken (Ni), nhiệt độ 950C: HCCH + NH3[ 4CH2=CH-NH2] C2H5- C5H3N- CH3 + 3NH3 Phản ứng vinyl hoá axits amin: xúc tác muối Kali (K+) amit: HCCH + RCO- NH2 RCO-NH-CH=CH2 N_vinyl_2_pyrolidon: vinyl hoá với 2_pyrolidon c=xúc tác muối kali (K+) pyrolidon Acrylonitril: sản phẩm phản ứng vinyl hóa cacbon (C) HCN HCl lỏng với xúc tác CuCl NH4Cl HCCH + HCN H2C=CH-CN 1.2.2.2.2 Các phản ứng etylnyl hoá sản phẩm: Etylnyl hoá sản phẩm phản ứng cộng hợp cacbonyl vào Axetylen mà tồn liên kết Reppe phát axetylua kim loại nặng, đặc biệt đồng axetylua (Cu +1) có thành phần Cu2C2.2H2O.2C2H2, xúc tác thích hợp cho phản ứng aldehyt với axetylen Các chất xúc tác kiềm có hiệu tốt đồng axetylua phản ứng etylnyl hoá xeton Phản ứng tổng quát trình etylnyl hoá là: HCCH + RCOR1 HCC C(OH)RR1 11 Trong R, R1 gốc alkyl H Những sản phẩm quan trọng từ trình etylnyl hoá sản phẩm rợu propargyl (2 _propyl _ ol) butynediol( butyne_ 1,4_diol): HCCH + HCHO HCCCH2OH Xúc tác: Cu2C2.2H2O.2C2H2 HCCH + 2HCHO HOCH2CCCH2OH Xúc tác: Cu2C2.2H2O.2C2H2 Một số phản ứng trình etylnyl hoá sản phẩm amonialkanol amin bậc 2: -HO HCCH + (CH3)N CH2OH (CH3)N CH2 - CCH - 2H2O HCCH + 2(CH3)N CH2OH N(CH3)2 C2H2 R1R2NH (CH3)NCH2- CC CH2C2H2 R1R2N- C=CH2 R1R2N-CH-CCH CH3 1.2.2.2.3 Các phản ứng cacbonyl hoá sản phẩm: Cacbonyl hoá phản ứng Axetylen CO với hợp chất có nguyên tử H linh động, nh H2O, rợu (ROH), thiol (RSH), amin Những phản ứng đợc xúc tác cacbonyl kim loại nh Ni(CO)4 Ngoài cacbonyl kim loại, halogenua kim loại tạo thàng cacbonyl đợc sử dụng: Acrylic axit HCCH + CO + H2O Ni(CO) CH2= CH COOH Phản ứng Axetylen với H2O ROH CO sử dụng xúc tác Ni(CO) đợc công bố W.Reppe Nếu H2O đợc thay thiol, amin, 12 đó: a số ống cạnh hình sáu cạnh d đờng kính ngoàI ống,m t bớc ống, m; thờng chọn t = 1,2 1,5 d chọn t = 1,5.d = 1,5.0,04 = 0,06 (m) Thay số vào công thức ta có: D = t ì ( b 1) + ì d = 0,06 ì ( 27 1) + ì 0,06 = 1,72 (m) theo quy chuẩn chọn D = 1,8 (m) [2-359] + Tính thể tích vùng phản ứng, Vp: để tránh phân huỷ sản phẩm thời gian lu vùng phản ứng t = 0,02s ta có lợng khí sản phẩm: ( V = 21995,95 m h ) Chuyển điều kiện 15000C: V T T 273 + 1500 = V = V0 ì = 22444,86 ì = 145768,266 m / h = 40,5 m s V0 T0 T0 273 ( ) ( ) Ta có: V pu = V ì = 40,5 ì 0,02 = 0,81( m ) Chiều dàI vùng phản ứng H: H= ìV ì 0,81 = = 0,318( m ) = 318( mm ) ìD 3,14 ì 1,8 4.2 Tính thiết bị làm lạnh khí cracking: Khí sau cracking đợc tôI nớc sau qua thiết bị Tháp có nhiệm vụ làm lạnh cho giai đoạn1 giai đoạn Khí 800C đợc làm lạnh xuống 550C giai đoạn Lợng khí vào: V = 21995,95( m h ) Tháp làm lạnh ta sử dụng tháp đệm: Ta chọn loại đệm vỉ gỗ với thông số [2-193]: Chiều dầy đệm, a = 0,01 m Khoảng cách đệm, b = 0,02 m Chiều cao đệm, c = 0,1 m Bề mặt riêng d = 65 m m Thể tích tự do, Vđ = 0,68 m3 Khối lợng riêng xốp d = 145( kg / m ) Tính đòng kính tháp [2-181]: D= ì S CH Trong đó: D: đờng kính tháp (m) SCH: tiết diện chung đệm, (m2) Tính vận tốc tới hạn khí đợc xác định theo công thức: 67 v = 2,32 ì d td đó: : độ nhớt khí ra, Cp dtd : đờng kính tơng đơng đệm, m : khối lợng riêng khí, kg/m3 Tính độ nhớt: Độ nhớt xác định nhiệt độ (550C): áp dụng công thức [1-85]: 273 + C T àt = à0 ì T + C 273 32 đó: t độ nhớt nhiệt độ T = 550C, N.s/m2 độ nhớt ỏ nhiệt độ t = 00C, N.s/m2 C: số phụ thuộc khí Với , C tra bảng I.113 {1-115} Thay giá trị vào công thức ta có độ nhớt hỗn hợp khí nhiệt độ 550C: Cấu tử à.10 N s / m Cấu tử à.10 N s / m C2H2 113,93 CO 190,59 C2H4 116,93 C3H4 94,53 CH4 112,11 H2 96,59 CO2 163,38 N2 189,63 Theo công thức {1-84}: M hh m ì Mi = i hh ài i : Mhh khối lợng phân tử trung bình khí hh độ nhớt khí 550C mi, Mi, i : lần lợt thành phần mol, khối lợng mol độ nhớt cấu tử 550C Bảng khối lọng riêng cấu tử: Cấu tử % thể tích (Kg/m3) Mi(Kg/Kmol) C2H2 8,5% 1,1708 26 C2H4 0,4% 1,2614 28 H2 57% 0,0898 68 CH4 4% 0,7167 CO 25,5% 1,2501 CO2 3% 1,9768 N2 1% 1,2507 C3H4 0,6% 1,7857 Tính độ nhớt hỗn hợp khí: Khối lợng riêng trung bình hỗn hợp khí: m Mhh = i 16 28 44 28 40 ì M i = 0,085.26 + 0,004.28 + 0,57.2 + 0,04.16 + 0,255.28 + 0,03.44 + 0,01.28 + 0,006.40 = 13,08 (Kg/Kmol) Thay giá trị vào công thức trên: hh = 13,08 = 150,3.10 N s / m = 150,3.10 Cp 0,087 Tính dtđ: Ta có dtđ = 2*b = 2*0,02 = 0,04 (m) Tính khối lợng riêng khí (550C): Theo công thức: P1 ì V1 P0 ì V0 m = ; V = T1 T0 hay = P1 T0 273 = = 0,832. T P0 273 + 55 từ bảng ta có: = 0,085.1,1708 + 0,004.1,2644 + 0,57.0 898 + 0,04.0,7167 + 0,255.1,2501 + 0,03.1,9768 + 0,01.1,25 + 0,006.1,7857 = 0,5857 Kg/m3 = 0,832.0,5857 = 0,487( Kg m ) thay giá trị , dtđ, vào công thức: = 2,32 150,3.10 = 2,32 = 0,771( m s ) d td 0,04.0,487 Bề mặt ớt cần thiết đệm: S= V V = = 07,1322m 3600.0,771 Tính diện tích chung đệm: S= a+b 0,01 + 0,02 S u = 7,1322 = 10,6983m b 0,02 Suy đờng kính tháp: D= ì S CH = 4.10,6983 = 3,69( m ) 3,14 Theo qui chuẩn chọn D = 3,6m 69 4.2.1.Tính chiều cao đoạn tháp (gđ1): khoảng cách phần dới đến đáy tháp 1,6 m khoảng cách cho phép đỉnh tháp 0,5m chiều cao đáy elíp 0,9m [2-382] chọn số vòng đệm vòng Suy ra: H = 1,6 + 0,9 + 0,5 + 1,8 = 3,8 m Đối với giai đoạn (đoạn trên) ta chọn nh đoạn dới: Hthap=3,8.2 = 7,6m Phần V: tính khí 5.1.Tính toán thiết bị phản ứng chính: 5.1.1 Chọn vật liệu: Từ thành phần khí công nghệ sản xuất ta chọn vật liệu chế tạo thiết bị phản ứng thép CT3 5.1.2.Tính thân tháp: Thiết bị làm việc áp suất khí Chọn vật liệu làm thân tháp thép CT3 [2 - 349] Thân hình trụ hàn Khi chế tạo thân hình trụ hàn cần ý điểm sau: + Đảm bảo đờng hàn ngắn tốt + Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát + Mối hàn phải kín + Không khoan lỗ qua mối hàn Chiều dày thân hình trụ làm việc chịu áp suất P đợc xác định theo công thức sau: S = Dt pt 2.[ ]. pt +C ,m [2 - 360] Dt đờng kính trong, m hệ số bền thành hình trụ theo phơng dọc C hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai vè chiều dày, m pt áp suất thiết bị, N/m2 70 5.1.2.1Tính pt : pt = pmt + ptt pmt áp suất môi trờng : pmt = 1,03.105 N/m2 ptt áp suất thuỷ tĩnh cột chất lỏng thiết bị: ptt = g 1.H1 ,N/m2 H1 chiều cao cột chất lỏng (lấy chiều cao lớn nhất) , m [2 - 360] khối lợng riêng chất lỏng, kg/m3 g gia tốc trọng trờng, g = 9,81 m/s2 Lấy H 1chư ng = Hchng = 7,956 (m) H 1luyện = Hluyện = 21,436 (m) Có: xchư ng = 742,37 (kg/m3) xluyện = 750,58 (kg/m3) Vậy p ttchư ng = g xchư ng H 1chư ng = 9,81.742,37.7,956 = 57940,76 ( N/m2) p luyện = g xluyện H 1luyện = 9,81.750,58.21,436 = 157837,34 (N/m2) tt Do đó: p tchư ng = pmt + p ttchư ng = 1,03.105 + 57940,76 = 160940,76 (N/m2) ên p luy = pmt + p luyện = 1,03.105 + 157837,34 = 260837,34 (N/m2) t tt 5.1.2.2.Tính C: C = C1 + C2 + C3 , m [2 - 363] + C1 bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liẹu môi trờng thời gian làm việc thiết bị, m Đối với vật liệu bền hoàn toàn bền(>0,05 mm/năm) ta chấp nhận C 1= Đối với vật liệu bền (0,050,1 mm/năm) ta lấy C = mm với thời gian làm việc 1520 năm Đối với vật liệu bền, bền vừa (>0,1 mm/năm) không nên dùng + C2 bổ sung hao mòn, m Chỉ cần tính đến trờng hợp nguyên liệu có chứa hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn thiết bị C2 thờng đợc chọn theo thực nghiệm Đa số trờng hợp ta bỏ qua C2 + C3 bổ sung dung sai chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày vật liệu cho bảng XIII.9 [2 - 364] Do đó: thép CT3 thời gian làm việc 1520 (năm) nên ta chọn: C1 = 1(mm) 71 C2 = Chọn chiều dày thép mm (2,310) ta có C3 = 0,5 (mm) [2 - 364] Vậy C = + +0,5 = 1,5 (mm) 5.1.2.3 Tính : Theo bảng giá trị hệ số bền hàn thân hình trụ có: = 0,95 [2 - 362] 5.1.2.4.Tính [ ] : Thiết bị thuộc nhóm II, loại II = [2 - 356] Ưng suất cho phép thép CT3 theo giới hạn bền đợc xác định theo công thức: [ k ] = k nk , N/m2 [2 - 355] [ k ] ứng suất cho phép kéo, N/m2 k giới hạn bền kéo: k = 470.106 (N/m2) nk hệ số an toàn theo giới hạn bền nk = 2,6 [ k ] [2 - 310] [2 - 356] 470.10 = = 146.106 N/m2 2,6 Ưng suất cho phép theo giới hạn chảy đợc tính theo công thức: [ c ] = c nc , N/m2 [2 - 355] [ c ] ứng suất cho phép theo giới hạn chảy c ứng suất giới hạn chảy c = 240.106 N/m2 [2 - 310] nc hệ số an toàn theo giới hạn chảy nc = 1,5 [2 - 356] [ c ] = 160.106 N/m2 Ta lấy giá trị bé hai kết vừa tính đợc để tính toán tiếp Vì: [ ] pt = 146.105 0,95 = 1387 > 50 1.10 nên bỏ qua đại lơng pt mẫu số Vậy : + Chiều dày thân tháp: S= Dt 1,8.1 10 p + C = + 1,5.10-3 2.[ ]. 2.146.10 6.0,95 72 = 0,00214 (m) = 2,1 (mm) Chọn S = mm Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử (dùng nớc) áp suất thử tính toán (po) đợc xác định nh sau: po = pth + ptt , N/m2 pth áp suất thử thuỷ lực lấy theo bảng XIII.5 [2 - 366] [2 - 358] pth = 1,5p (N/m2) = 1,5 105 (N/m2) ptt áp suất thuỷ tĩnh nớc, N/m2 ptt = g H2O , N/m2 Ta coi H 2O = 1000 (kg/m3) ptt = 9,81.1000 = 9810 (N/m2) p0 = 0,15.106 + 9810 = 1,5981.105 (N/m2) Kiểm tra ứng suất thử thân thiết bị theo áp suất thử đợc tính theo công thức sau: = [ Dt + ( S C ) ] po < 2.( S C ). c 1,2 ,N/m2 [2 - 365] Thay số, ta có: = ta có: [1,8 + ( 0,005 0,0015) ].1,5981.10 = 44,4.106 (N/m2) 2.( 0,005 0,0015).0,95 c 220.10 = = 183.106 N/m2 thoả mãn điều kiện 1,2 1,2 Vậy chiều dày thân hình trụ là: S = (mm) 5.2 Tính đờng kính ống dẫn Đờng kính ống dẫn đợc tính theo công thức: d= V 0,785. ,m [1 - 369] tốc độ trung bình khí, m/s V lu lợng thể tích, m3/s 5.2.1 Đờng kính ống dẫn khí tự nhiên: VKTN = 11626,44 (m3/h), qui đổi nhiệt độ 6000C: V KTN = 11626,44 ì 273 + 600 = 37179,055 m / h = 10,32( m s ) 273 ( ) Thay số ta có: 73 d= 10,32 = 0,936 ,m 0,785.15 Chọn dKTN = (m) 5.2.2 Đờng kính ống dẫn khí oxy kỹ thuật: VKT = 6922 (m3/h), qui đổi nhiệt độ 6000C: V KT = 6922 ì 273 + 600 = 22135,18 m / h = 6,15( m s ) 273 ( ) Thay số ta có: d= 6,15 = 0,72 m 0,785.15 chọn dKT = 0,8 (m) 5.2.3 Đờng kính ống dẫn khí nhiệt phân đI ra: VNP = 18468,79 (m3/h), qui đổi nhiệt độ 800C: V NP = 18468,79 ì 273 + 80 = 23880,89 m / h = 6,63( m s ) 273 ( ) Chọn vận tốc dòng 10 (m/s) thay số ta có: d= 6,63 = 0,919 m 0,785.10 ta chọn dNP = (m) Đờng kính đoạn tôI thiết bị: ta chọn d = 2,8 m chiều cao đoạn tôI Ht = 4,5m chiều cao đoạn khuếch tán HKT = 5m Tổng chiều cao tháp phản ứng: H = 0,46 +5 +4,5 = 9,96m PhầnVI: Xây dựng công nghiệp Ngành công nghiệp hoá dầu ngành mẻ nớc ta, nhà máy hoá dầu nhà máy đại dây chuyền, sản xuất với qui mô lớn Nó có vị trí quan trọng kinh tế quốc dân đồng thời dự án mang tính chiến lợc phủ, địa điểm xây dựng nhà máy vấn đề cần phải nghiên cứu thật thận trọng Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy chế biến dầu mỏ 74 Căn yêu cầu nhiệm vụ phát triển kinh tế quốc dân mục tiêu kĩ thuật phân xởng Căn việc quy hoạch vùng phát triển kinh tế phân bố sức sản xuất quy hoạch xây dựng Địa điểm lựa chọn để xây dựng nhà máy khu công nghiệp Phú Mỹ-Vũng Tàu Địa điểm xây dựng thoả mãn yêu cầu sau: - Địa điểm xây dựng thoả mãn yêu cầu quy hoạch vùng, quy hoạch cụm kinh tế đợc nhà nớc phê duyệt - Gần nguồn cung cấp nguyên liệu khí tự nhiên - Có khả cung ứng nhân công trình xây dựng nhà máy nh vận hành nhà máy sau Tận dụng đợc nguồn nhân lực địa phơng sẵn có - Khu đất mở rộng tơng lai Cấp thoát nớc dễ dàng - Trong nhà máy chế biến dầu mỏ thờng bị ô nhiễm khí hydrocarbon, bị ảnh hởng khí phụ khác dễ gây cháy nổ, ô nhiễm môi trờng nên địa điểm sản xuất đặt xa khu dân c để hạn chế tối đa ảnh hởng xấu môi trờng công nghiệp tới khu dân c - Mặt khác vật liệu, vật t xây dựng lấy nội tỉnh, nguồn nhân công địa phơng dồi dào, yếu tố quan trọng trình đẩy mạnh xây dựng nhà máy nh việc vận hành nhà máy sau 6.1 Đặc điểm nhà máy số yêu cầu - Dây chuyền làm việc áp suất thờng thiết bị phản ứng áp suất cao giai ddoạn hấp thụ lý kinh tế - Do có nhiều phân xởng lớn liên kết với nên khu đất yêu cầu phải có hình dạng kích thớc thuận lợi đủ diện tích xây dựng mở rộng tơng lai - Do nhà máy dễ phát sinh cháy nổ độc hại khu đất đ ợc xây dựng phải cách xa khu dân c cuối hớng gió chủ đạo Nguyên liệu: Khí tự nhiên đợc khai thác từ mỏ khí vận chuyển đến Sản phẩm nhà máy: - Các sản phẩm dạng khí có giới hạn nổ rộng Do đó, nên cần thiết phải đảm bảo an toàn tuyệt đối Vì nhà máy khí hoá tự động hoá hoàn toàn nên số lợng công nhân ít, khoảng 100 ngời 6.2 Tổng mặt nhà máy 75 Các hạng mục công trình nhà máy đợc xây dựng thoả mãn tính chất phân vùng: - Vùng trớc nhà máy NơI bố trí nhà hành chính, phục vụ sinh hoạt, gara ôtô, xe đạp, xe máy Diện tích vùng chiếm khoảng 20% diện tích nhà máy - Vùng sản xuất Ngăn cách vùng trớc nhà máy tờng rào Các công trình đợc bố trí gồm có: nhà bảo vệ, phân xởng sản xuất chính, xởng khí, lợng, kho Các hạng mục công trình Dài, m Rộng, m Diện tích, m2 Nhà hành 24 16 288 Nhà để xe đạp , xe máy 18 162 Nhà để xe ô tô 18 162 4.Nhà ăn + hội trờng 24 18 432 Nhà nghỉ khách 18 162 Phòng bảo vệ 6 144 Nhà sản xuất 54 24 1296 Phòng điều khiển trung tâm 12 108 Kho nguyên liệu 24 18 432 Kho sản phẩm 24 18 432 10.Nhà cứu hoả + khí nén 18 162 11 Nhà xử lý + cấp nớc 18 162 12.Phòng thí nghiệm 12 108 13.Trạm biến 12 108 14.Xởng khí 24 18 432 15.Kho công cụ 12 108 6.3 Yêu cầu thiết kế tổng mặt Đáp ứng đợc mức cao dây chuyền công nghệ cho chiều dài dây chuyền sản xuất ngắn nhất, không trùng lặp, hạn chế tối đa giao Đảm bảo mối liên hệ mật thiết hạng mục công trình với hệ thống giao thông, mạng lới cung cấp kĩ thuật khác bên bên nhà máy Khu đất xây dựng nhà máy đợc phân thành khu vực chức theo đặc điểm sản xuất, yêu cầu vệ sinh, đặc điểm cố, khối lợng phơng tiện vận chuyển, mật độ công nhân tạo điều kiện tốt cho việc quản lí vận hành khu vực chức 76 Đảm bảo mối quan hệ hợp tác mật thiết với nhà máy lân cận khu công nghiệp với việc sử dụng chung công trình đảm bảo kĩ thuật, xử lí chất thải, chống ô nhiễm môi trờng nh công trình hành phục vụ công cộng nhằm đem lại hiệu kinh tế, hạn chế vốn xây dựng nhà máy tiết kiệm diện tích đất xây dựng 6.4 Các tiêu - Diện tích nhà máy S =26792 m2 - Diện tích sân hè, đờng giao thông, công trình ngầm Sn=7358 m2 - Diện tích xây dựng Sxd = 4698 m2 - Diện tích sử dụng Ssd = 12056,4 m2 Hệ số xây dựng: 4698 + 2000 = 25% 26792 Kxd= Hệ số sử dụng: KsD= S sd 12056,4 = = 45% S nm 26792 6.5 Nhà sản xuất phân xởng sản xuất axetylen Gia Gia nhiệt nhiệt Thiết Thiết bị bị phản phản ứng ứng Thu Thu hồi hồi muội muội Ch Chng ng tách tách Sản Sản phẩm phẩm phụ phụ Nguyên Nguyên liệu liệu Sơ đồ dây chuyền sản xuất phân xởng Sản phẩm Sản phẩm Do trình sản xuất đợc tiến hành hầu hết thiết bị kín, kích thớc thiết bị cao to, vận chuyển đờng ống, trình sản xuất đợc khí hoá tự động hoá toàn bộ, việc điều khiển sản xuất đợc tiến hành phòng điều khiển trung tâm Do thiết kế nhà sản xuất bán lộ thiên-lộ thiên Nhà sản xuất lộ thiên đợc thiết kế khung thép, bên có nhà điều khiển trung tâm đặt thiết bị phụ trợ cho trình sản xuất nh thiết bị làm lạnh, nồi hơi, bơm, máy nén 77 Các thiết bị nh thiết bị phản ứng, thiết bị chng tách, tái sinh đợc đặt trời Ngoài nhà bố trí hệ thống bảo hộ lao động, phòng thay quần áo nghỉ ngơi công nhân Các thông số phân xởng: - Nhà khung sàn bán lộ thiên Dài 54m, Rộng 24m Diện tích sử dụng Kích thớc nhà: - Nhịp nhà L1 = 6m, L2 = 6m - Bớc cột B = 6m - Chiều cao nhà: H1 = m, H2 = m, H3 = m Kết cấu nhà: - Kết cấu khung thép chịu lực - Tờng bao quanh nhà điều khiển trung tâm 220mm - Sàn mái làm bê tông cốt thép nhẹ Khu sản xuất đặt thiết bị cao 10m, rộng 1.8m Phần VII An toàn lao động [4,10,13] Axetylen có giới hạn nổ với không khí rộng 2,5 80% có lên tới 100% Do đó, ngời lao động cần phải tuyệt đối chấp hành quy phạm an toàn lao động chống cháy nổ Các thiết bị máy móc, bơm, môtơ, dây dẫn điện phải đợc chế tạo đặc biệt chống cháy nổ (không phát sinh 78 tia lửa điện) Hệ thống an toàn phòng cháy chữa cháy phải đảm bảo tự động chữa cháy xảy cố Đối với việc vận chuyển đờng ống phải ngắn tốt Đờng ống phải chống cháy nổ Đối với việc tồn chứa: thiết bị chứa phải đợc sản xuất riêng áp suất nén không đợc cao Thông thờng, ngời ta thờng chứa Axetylen thùng thép có phủ lớp sơn đặc biệt chứa thùng làm thuỷ tinh với áp suất nén nhỏ 2,7 at Một cách tồn chứa khác ngời ta hoá lỏng Axetylen 30 50 at nhiệt độ thờng, nhng cách làm thờng nguy hiểm nên ngời ta thờng nén chúng nhiệt độ 800C áp suất 1,3at Trong trình tồn chứa ngời ta thờng cho thêm 2% axeton xilen để làm giảm giới hạn nổ Kết luận Do axetylen sản phẩm có vai trò quan trọng đời sống cần phải tập chung nghiên cứu cải tiến phơng pháp sản xuất axetylen để thu đợc hiệu kinh tế cao Trong hai phơng pháp sản xuất axetylen (đi từ canxi cacbua từ khí thiên nhiên) phơng pháp từ khí thiên nhiên có xu hớng phát triển mạnh mẽ công nghiệp dầu khí phát triển mạnh dẫn đến nguyên liệu cho trình sản xuất rẻ phơng pháp sản xuất đợc thực pha khí nên suất trình lớn, trình đơn giản vv Trong trình nhiệt phân khí tự nhiên để sản xuất axetylen phơng pháp oxy hoá không hoàn toàn có hiệu kinh tế phơng pháp nhiệt điện nên đợc sử dụng rộng rãi công nghiệp 79 Đối với Việt Nam, công nghiệp hoá dầu có tơng lai hứa hẹn lớn nguồn nguyên liệu dầu khí dồi dào, đất nớc đờng đại hóa nên có nhu cầu sản phẩm từ axetylen cao Mặt khác công nghệ sản xuất axetylen có giá thành đầu t rẻ nên phù hợp với TàI liệu tham khảo Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất, tập Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật,1992 Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá chất, tập Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật,1999 PGS.TS Nguyễn thị Minh Hiền, Chế biến khí tự nhiên khí đồng hành, Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội, 2000 Phan Minh Tân, Tổng hợp hữu hoá dầu, tập Trờng đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 1993 Tạp chí dầu khí số 1999 Sổ tay tóm tắt đại lợng hoá lý, Trờng đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 1990 Ngô Bình, Cơ sở xây dựng nhà công nghiệp, Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội, 1977 Tập thể tác giả, Giáo trình hoá học hữu cơ, tập 2.Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội, 1998 80 Hớng dẫn tính toán công nghệ trình chế biến khí, Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội, 1978 10.Barbara Elvers, Stephen Hawkins, Ullmans Encylcopedia of Industrial Chemistry, Vol A1 (97 - 145), VCH Verlagsgesellschaft mBH, D Weinheim, Federal Republic of Germany, 1991 11 Kirk Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol 1(171 211), USA, 1981 12 A Holmenet Natural Gas Conversion, Amsterdam, 1991 13.Miller.S.A, Acetylene: Its properties, Manufacture and Use, Vol 1, London : Ernest Benn, 1965 14.Marcel Dekker, Chemistry of Acetylene, NewYork, 1969 15.Sittig Marshall, Acetylene processes and products, Park Ridge (N.T) London: Noyes Develop.Corp, 1968 16.Industrial and Engineering Chemical Research, Vol 35, N03 17.Hydrocacbon Processing, March 1997 18.Hydrocacbon Processing, November 1975 81 [...]... 2) Thông thờng ngời ta phán đoán độ sâu phân huỷ theo mật độ của khí sản phẩm vì nó là đại lợng tỉ lệ nghịch với độ sâu phân huỷ 2.1.4 Các công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và từ hydrocacbon 28 Để sản xuất axetylen ngời ta dùng phản ứng nhiệt phân hydrocacbon ở nhiệt độ cao, tuỳ theo cách cấp nhiệt để thực hiện phản ứng nhiệt phân hydrocacbon thành axetylen mà ngời ta chia thành nhóm các... oxy hóa: CH2=CH-SiCl3 ở nhiệt độ phòng Axetylen không tham gia phản ứng với oxy; tuy nhiên, nó tạo thành hỗn hợp nổ với không khí và oxy Với tác nhân oxy hoá nh ozon 16 (O3), axit crômic (H2CrO4) Axetylen tạo thành axit foocmic (HCOOH), CO 2, và các sản phẩm bị oxy hoá khác Phần II : các quá trình công nghệ sản xuất axetylen 2.1 Công nghệ sản xuất Axetylen từ khí hydrocacbon[3,4,10,11,13,15] 2.1.1... biến để thu hồi axetylen, etylen Khi dùng nguyên liệu là khí tự nhiên với thành phần (% thể tích) đợc cho dới đây : Metan 92,3% Butan 0,4% Etan 1,4% Nitơ 5,4% Propan 0,5% Ngời ta thu đợc khí sản phẩm có thành phần (%thể tích) nh sau : Axetylen 14,5 Metan 16,3 Metyl axetylen 0,4 Etan 0,03 Di axetylen 0,6 Propan 0,02 Vinyl axetylen 0,1 Benzen 0,3 Dimetyl axetylen 0,01 Toluen 0,02 Metyl vinyl axetylen 0,04... dòng khí phải cố định trong quá trình phản ứng để đạt hiệu suất phản ứng cao, tránh hiện tợng cháy kích nổ và tạo cốc Công nghệ của BASF sản xuất axetylen từ khí tự nhiên đã đợc thực hiện từ năm 1950 Cho đến năm 1983 tổng sản lợng của axetylen trên toàn thế giới đợc sản xuất theo công nghệ này vào khoảng 400000 tấn/năm Hầu hết đều sử dụng phơng pháp tôi bằng nớc, chỉ có một nhà máy ở Đức sử dụng phơng... nguyên liệu để nhiệt phân Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng các hydrocacbon bất kỳ từ khí đến lỏng hay là hỗn hợp của chúng Tuy nhiên thành phần hoá học của nguyên liệu là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất các sản phẩm có ích của quá trình (axetylen, etylen) Sau đây là ví dụ về quá trình nhiệt phân n-parafin mà nhiệt phản ứng phụ thuộc trực tiếp vào trọng lợng phân tử của hydrocacbon... liệu khí tự nhiên là 2400 m3/h, thời gian lu của khí trong lò hồ quang khoảng vài mili giây và sản phẩm thu đợc gồm : 680 kg axetylen, 46 kg etylen, 1900 m3 khí H2 và 145 kg muội Ngoài ra còn có các đồng đẳng của axetylen chiếm khoảng 1,15% thể tích Lợng muội chiếm 9,4% trọng lợng nguyên liệu ban đầu Hydro sinh ra trong quá trình nhiệt phân đợc dùng để tổng hợp amoniac còn etylen đợc dùng để sản xuất. .. vậy axetylen nhận đợc khi nhiệt phân propan là do quá trình phân huỷ các sản phẩm bậc nhất nh etylen và propylen Thay đổi áp suất từ 1 ữ 7 at ít ảnh hởng đến thành phần cuối của sản phẩm khi nhiệt phân parafin Chỉ khi áp suất thấp hơn áp suất khí quyển thì thành phần sản phẩm bắt đầu phụ thuộc vào áp suất riêng phần ban đầu của parafin Vì thế khi nhiệt phân, metan, etan, propan điều kiện để xẩy ra axetylen. .. ( từ 1100 ữ 1500 0C) trong điều kiện đoạn nhiệt và thời gian phản ứng rất ngắn (từ 0,005 ữ 0,02 giây) sau đó sản phẩm đợc nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế các phản ứng phân huỷ axetylen Quá trình nhiệt phân nhiệt độ cao các hyđrocacbon để tạo ra axetylen bao gồm nhiều phản ứng thuận nghịch mà các sản phẩm bậc nhất của chúng có thể không liên quan gì tới sản phẩm cuối cùng là axetylen. .. cực đồng trục để sản xuất ra axetylen từ hydrocacbon khí Theo phơng pháp này đã xây dựng đợc thiết bị công nghiệp với năng suất 25 tấn axetylen /năm Sau này phơng pháp ngày càng đợc hoàn thiện hơn, ngời ta đa thêm vào hỗn hợp phản ứng sau khi đi ra khỏi vùng tia lửa điện một lợng nguyên liệu mới, nhờ thế nhiệt độ của hỗn hợp khí sau quá trình nhiệt phân giảm xuống một cách đáng kể (từ 1500 ữ 1600 0C... đợc nghiên cứu đầy đủ tuy nhiên có thể thấy rằng sự phân huỷ hydrocacbon nào đó có trong hỗn hợp sẽ bị ảnh hởng khi có mặt các hydrocacbon khác 2.1.2.2 Động học tạo thành và phân huỷ axetylen ở nhiệt độ cao axetylen đợc tạo thành sẽ tiếp tục bị phân huỷ và tham gia vào các phản ứng phụ khác polyme hoá tạo muội cacbon làm giảm hiệu suất axetylen Đối với nguyên liệu là khí tự nhiên thì cấu tử metan chiếm