Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ c2h4

Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 MỤC LỤC Trang Phần I : Mở đầu…………………………………………………… Phần II : Tổng quan lý thuyết …………………………………… A Giới thiệu nguyên liệu sản phẩm I Giới thiệu nguyên liệu etylen……………………… 3 Tính chất vật lý…………………………………………………… Tính chất hóa học………………………………………………… Phương pháp điều chế etylen……………………………………… II Giới thiệu nguyên liệu axít acetic Tính chất vật lý…………………………………………………… Tính chất hóa học………………………………………………… Các phương pháp sản xuất axít acetic…………………………… III Giới thiệu sản phẩm vinyl acetat Tính chất vật lý…………………………………………………… 10 Tính chất hóa học………………………………………………… 11 Tình hình sản xuất ứng dụng ………………………………… 13 B Các công nghệ tổng hợp vinyl acetat I Quá trình tổng hợp VA từ C2H4 CH3COOH………… 15 Tiến hành pha lỏng………………………………………… 16 Tiến hành pha hơi…………………………………………… 17 II Quá trình tổng hợp VA từ C2H2 CH3COOH………… 23 Tiến hành pha lỏng………………………………………… 23 Tiến hành pha hơi………………………………………… 23 III Các phương pháp khác………………………………… 28 Phản ứng anhydric acetic acetaldehit…………………… 28 Cacbonyl hóa metyl acetat………………………………… 28 Nhiệt phân etylen glycol diacetat……………………………… 29 IV Đánh giá ưu nhược điểm trình ưu điểm…………………………………………………………… 29 Nhược điểm…………………………………………………….… 29 Kết luận………………………………………………………… 29 Phần III : Tính toán A Tính cân vật chất ……………………………… 30 B Tính cân nhiệt lượng…………………………… 40 Phần IV: kết luận……………………………………………… 47 Tài liệu tham khảo……………………………………… 49 -1- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Phần I Mở đầu Công nghệ chế biến dầu mỏ xem bắt đầu đời vào năm 1859, mà Edwin Drake(Mỹ)khai dầu thô Lúc lượng dầu thô khai thác ít, vài nghìn lít/ngày phục vụ cho mục đích thắp sáng Nhưng năm sau đó, không riêng Mỹ mà nước khác người ta tìm thấy dầu Từ sản lượng dầu khai thác tăng lên nhanh, ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt công nghiệp chế biến khí công nghiệp tổng hợp hợp chất hữu Ngày nay, ngành công nghiệp đặc biệt công nghiêp tổng hợp hợp chất hữu phát triển dầu mỏ trở thành nguồn nguyên liệu số cho công nghiệp tổng hợp hữu Một trình quan trọng trình tổng hợp hữu : Vinyl hóa Quá trình tổng hợp nên hợp chất hữu trung gian phục vụ thiết thực đời sống kỹ thuật Nhờ trình người ta tổng hợp vinyl acetat từ acetylen , etylen axít acetic pha lỏng pha khí, đó, trình tổng hợp vinyl acetat từ acetylen axít acetic phương pháp cho hiệu suất cao, xu hướng hãng sản xuất chủ yếu từ etylen axít acetic thay cho acetylen axít acetic, etylen dễ tổng hợp, từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền hiệu suất thu tương đối cao Vinyl acetat monome quan trọng công nghiệp tổng hợp chất dẻo sợi tổng hợp Ngoài vinyl acetat ứng dụng sản xuất sơn, keo dán có độ bền cao, bền với hóa chất chất ôxi hóa Trùng hợp vinyl acetat ta thu polyvinyl acetat, polyme có giá trị công nghiệp sơn keo dán Ngày nay, với nhu cầu ngày nhiều chất dẻo sợi tổng hợp công nghiệp sản xuất VA giới ngày phát triển, đồng thời nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu kinh tế Đồng thời nhu cầu người đòi hỏi sản phẩm ngày cao nên nghành sản xuất ngày phát triển để đáp ứng nhu cầu Vì vậy, công nghiệp sản xuất Vinyl acetat Việt Nam nói riêng giới nói chung ngày phát triển -2- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Phần II Tổng quan lý thuyết A Giới thiệu nguyên liệu sản phẩm: I Giới thiệu nguyên liệu etylen : Tính chất vật lý: Etylen chất khí, nhiệt độ nóng chảy -169,40c, nhiệt độ sôi 103,90c, tỷ trọng d204 =0,566 - Tính chất hóa hoc: Etylen hydrocacbon không no nên có phản ứng quan trọng cộng , trùng hợp , ôxi hóa 2.1Phản ứng cộng a Cộng H2: CH2=CH2 + H2 Pd CH3-CH3 b.Cộng với Br2: Ni CH2=CH2 + H2 CH2Br-CH2Br Theo chế electronphi : (Pt) Br : Br —> Br+ + BrBr+ + CH2=CH2 —> BrCH2-CH+2 —> CH2- CH2 Br Br CH2- CH2 Br Br2 CH2-CH2 Br OH CH2OH-CH2Br - c.Cộng halogen(HX): CH2=CH2 + HCl Peroxit CH3CH2Cl Cơ chế: HCl —> H+ + Cl* Cl* + CH2=CH2 —> CH *2CH2Cl CH *2CH2Cl + H* —> CH3-CH2Cl d Cộng hợp với HClO: R-CH=CH2 + HClO —> R-CHOH-CH2Cl CH2=CH2 + HClO —> CH2OH-CH2Cl 2.1 Phản ứng ôxi hóa: Tùy thuộc vào điều kiện khác mà sản phẩm ôxi hóa anken (C2H4) khác a Tạo thành 1,2 diencol : R-CH=CH-R’ + 2OH- —> R - CH-CH-R’ -3- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 CH2=CH2 OH OH + KOH —> CH2-CH2 + 2K2MnO4 + KMnO4 OH OH b.Tạo hỗn hợp andehit , xeton : R2C=CHR’ + KMnO4 H+ R2C=O + R’CHO 2.3 Phản ứng tổng hợp ôxô andehit: CH2=CH2 + CO + H2 t0/Co CH3-CH2CHO 2.4 Phản ứng polime hóa : Từ C2H4 ta trùng hợp thu polime, polime có giá trị cao đời sống kỹ thuật : nhựa , vải sợi tổng hợp … nCH2=CH2 —> (-CH2-CH2-)n Phương pháp điều chế : Có nhiều cách điều chế C2H4 từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền thể lỏng thể a Bằng phương pháp tách H2O khỏi ancol: CH3CH2OH —> CH2=CH2 + H2O Phương pháp thu C2H4 với hiệu suất thấp, điều chế axít oxalac CH3CH2OH + H2C2O4 —> HO- C- C- OC2H5 —> CH2=CH2 +H2C2O4 O O Ở thể cho ancol 300 c — 350 c ta dùng xúc tác Al2O3 CH3CH2OH —> CH2=CH2 + H2O b Bằng phương pháp tách HX từ dẫn xuất mono halogen : CH3-CH2Cl rượu/kiềm đặc CH2=CH2 + HCl c Bằng phương pháp tách HX từ dẫn xuất đihalogen: Br-CH2 – CH2-Br + Zn —> CH2=CH2 + ZnBr2 d Bằng phương pháp tách CO2 khỏi axít không no : CH2=CH –COOH to—> CH2=CH2 + CO2 II Giới thiệu nguyên liệu axít acetic: Tính chất vật lý: Axít acetic chất lỏng không màu, có mùi giấm, axít acetic khan nóng chảy 16,60c, nhiệt độ sôi 118,10c áp suất P=101,3 Kpa, có tỷ trọng 1,05g/cm3 Sức căng bề mặt tiếp xúc với không khí 200c 23,5dyn/cm2 Nhiệt độ tới hạn 321,60c, áp suất tới hạn 57,2atm, tỷ trọng tới hạn 0,351g/cm3 Nhiệt cháy tạo thành CO2 H2O 209,4Kcal/mol 200c.Nhiệt nóng chảy 44,7Cal/g 16,580c, nhiệt hóa 118,30c 96,8Cal/g Axít acetic tan vô hạn nước, dung môi tan tốt nhiều chất hữu cơ, vô (P,S), hỗn hợp ổn định, axít không bị phân hủy 4000c 0 -4- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Các tạp chất thường có axit acetic nước anhyđríc acetic, axít acetic đóng rắn có tính hút ẩm mạnh Sự có mặt nước nồng độ nhỏ 0,1% thể tích làm giảm nhiệt độ nóng chảy axít acetic(0,20c) Axít acetic chất độc, dễ làm hỏng niêm mạc mắt, làm bỏng da Ta đánh giá độ tinh khiết axít acetic qua nhiệt Nhiệt độ đông đặc dung dịch CH3COOH % Axít acetic Nhiệt độ đông đặc 99,5 99 98,5 98 97 16,6 15,65 14,8 14,0 13,25 Tỷ trọng CH3COOH phụ thuộc vào nồng độ cho bảng sau: -5- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 D420 0,9982 1,0055 1,0125 1,0195 1,0263 1,0325 1,0384 1,0438 1,0488 1,0534 1,0574 Tỷ trọng CH3COOH 200c % trọng lượng D420 1,0611 1,0642 10 1,066 15 1,0685 20 1,0696 25 1,0700 30 1,0689 35 1,0661 40 1,0605 45 1,0492 50 % trọng lượng 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Tỷ trọng axít acetic đạt cực đại 1,0696 nồng độ axít 79% Aùp suất axít acetíc thay đổi theo nhiệt độ sau: Nhiệt độ Nhiệt độ Aùp suất C (mmg) 0 Aùp suất C (mmg) 3,5 90 292,7 10 6,4 100 417,0 20 11,8 110 582,0 30 20,4 120 794,0 40 34,2 130 1067,0 50 56,3 140 1404,0 60 88,3 150 1847,0 70 137,0 160 2461,1 80 202,3 170 2860,0 Tính chất hóa học : Phân tử axít acetíc có hiệu ứng liên hợp điện tử phân cực ôxi với cacbon nhóm cacbonyl hiệu ứng H+ dễ tách Nhóm cacbonyl phân cực mạnh, trung tâm phản ứng lớn, nguyên tử hidro gốc CH3 tương đối linh hoạt thay halogen a Tính axít: -6- Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 2CH3COOH b Este hóa: CH3COOH c Tạo halogenuaxít: CH3COOH —> 2CH3COONa + H2 H+ + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O + Na O CH3 C +POCl3 + HCl Cl O O CH3C ONH4 -HOH CH3 C NH2 + PCl5 d Tạo thành amit axít : CH3COOH + NH3 Axetiamit e Phản ứng đecacbonyl hóa : CH3COOH MnO4 CH3COCH3 + H2 O + CO2 f Tạo thành anhyđric acetic : CH3COOH xt P2O5 (CH3CO)2O + H2O g Phản ứng halogen vào gốc hydrôcacbon : CH3COOH + Cl2 900÷1000c CH3COOCl + HCl Axít acetíc có nhiều ứng dụng công nghiệp tổng hợp hữu cơ, tạo polyme có giá trị công nghiệp : acetat xenlulo, monovinyl acetat , monoclo acetát, este, dung môi cho sản xuất ATP, dệt, nhuộm, … phát triển nhiều nước giới: Sử dụng % Sảnxuất(Ac) Acetatxenlulo Este(EA,BA,AA) Monoclo acetic Dung môi cho sản xuất ATP Vinylacetat Dệt ,nhuộm Các sản xuất khác Tây Âu 12 16 Mỹ 10 12 10 Nhật 18 11 37 52 27 12 26 Phương pháp điều chế axít acetic: Có nhiều phương pháp sản xuất AcOH, trước đây, người ta điều chế AcOH nhiều phương pháp thủ công như: lên men giấm, chưng khô gỗ…, với yêu cầu sử dụng AcOH ngày lớn Ngoài hai phương pháp sử dụng phương pháp quan trọng khác Mức sản xuất, tiêu thụ biểu thị theo bảng sau: Sản xuất % Tây Âu -7- Mỹ Nhật Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Acetanldehit 45 20 52 Butan naphta 16 17 Etanol / / Methnol 34 62 12 Sản phẩm(10 t/năm) 955 1.200 330 Khả sản 1,245 1,450 540 xuất(10 t/năm) Mức tiêu thụ(103t/n) 960 1,175 330 Sản lượng acid acetic giới vào 1984: 4,4.10 t/năm vào 1986:4,6.106 t/năm Quá trình cacbonyl hóa metanol công nghiệp tương đối phổ biến năm, nguồn nguyên liệu dồi rẽ tiền Năm 1913, hãng Basf mô tả trình sản xuất AcOH từ metanol CO nhiệt độ áp suất cao: CH3OH + CO CH3COOH H = - 138,6 KJ Do điều kiện nhiệt độ áp suất khắc nghiệt với có mặt chất ăn mòn mạnh ngăn chặn việc thương mại hóa trình vào 1941 Đến năm 1968 hãng Mansato công bố khám phá Xúc tác Rh với hoạt tính độ chọn lọc cao cho phản ứng Cacbonyl hóa MeOH thành AcOH, áp suất thường với hiệu suất chuyển hóa 99 MeOH 90 với CO Quá trình có sử dụng đưa vào thực tế năm 1970 Taxas – Mỹ Năng suất bước đầu 135.000t/năm, sau mở rộng với suất 180.000t/năm từ năm 1975 Hai công nghệ trình sản xuất AcOH cacbonyl hóa methnol: Quá trình BASF: Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào hiệu suất riêng phần CO nồng độ MeOH Hiệu suất chuyển hóa AcOH đạt 90 MeOH 70 CO Cơ chế phản ứng: Co2(CO)8 + H2O + CO Co(CO)4H + CO2 (1) CH3OH + HI CH3I + H2O H+ Co(CO)4H [Co(CO)4]- + CH3P CH3Co(CO)4 O CH3 C-Co(CO)3 + CO O CH3 C Co (CO)4 + HI [Co(CO)4]- (3) CH3Co(CO)4 + IO CH3- C – Co(CO)3 O CH3 C Co (CO)4 (4) + CH3COP + H+ -8- (2) (5) (6) + [Co(CO)4]- (7) Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 CH3COP + H 2O CH3COOH + HI (8) Phản ứng xem trình chuyển hóa CO nước nhiệt độ 2500c , áp suất 65 106 Pa , xúc tác cacbonuyl coban Sản phẩm trình BASF : CH3CHO , CH4 , C2H5OH , CO2 khoảng 3,5% mát dạng CH4, 4,5% dạng sản phẩm phụ lỏng , 2% dạng khí thải , khoảng 10% CO nguyên liệu biến đổi thành CO2 , theo chế sau: CO + H2 O CO2 + H2 (9) Quá trình Mansanto : Nhiệt độ phản ứng 2000c, áp suất 3,5.106 Pa Xúc tác : kim loại quí Pd , Rh… So với trình BASF trình tiến hành điều kiện êm dịu hơn, sản phẩm phụ sinh không đáng kể, hệ thống thiết bị phản ứng đơn giản Bên cạnh hai trình có trình sau :  Ôxi hóa trực tiếp hydrocacbon no : Nguyên liệu chủ yếu từ n- Butan, phản ứng xãy sau : CH3CH2CH2CH3 + O2  2CH3COOH H0298= -985kj/mol  Quá trình ôxi hóa Acetaldehit Cơ chế phản ứng: Quá trình ôxi hóa acetaldehit xãy theo chế chuỗi gốc tự Trong đó, sản phẩm trung gian axit peraxetic O O CH3 C ‘ + CH3 C OO’ O2 O O CH O ‘ + O2 O + CH3C ‘ CH3 O -OOH O O CH3 C- OOH + CH3- O- C- H OH CH3 CH3-C C+ OH C CH3-C O— O H O CH3 CH3-C-O- + O OH C+ - + CH3-O O CH3- C - OOH -9- H Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 HO O CH3- C – OOH O + CH3-C-H CH3-C CH3 O O OH C H Axít paraxetic phản ứng với axetanldehyt tạo thành AcOH Axetandehit manoperaxetat(AMP) AMP phân hủy thành AcOH III Giới thiệu sản phẩm Vinyl acetat: 1.Tính chất vật lý VA: Vinyl acetat gọi tắt VA, công thức phân tử CH2=CH-OCOCH3, khối lượng phân tử:86,09 , chất lỏng cháy ,khi cháy có mùi đặc trưng nhẹ, không màu, nhiệt độ sôi t0s=72,70c , tỷ trọng 200c, d420=0,935g/ml, điểm nóng chảy -100,20c, độ nhớt 0,4mPAS áp suất 200c 12Kpa 42,6 Kpa, hệ số giản nở thể tích 0,0014K  Nhiệt độ bắt cháy :3850c  Giới hạn nổ /dưới không khí :13,42,3 thể tích  Nhiệt dung riêng :1,926Kj/kg  Nhiệt hóa :379,3Kj/kg 72,70c  Nhiệt cháy : 2082 Kj/mol  Chỉ số khúc xạ n020 = 1,3956  Nhiệt trình trùng hợp 1035,8Kj/kg Nước Vinyl acetat chiếm 0,9trọng lượng 200c , Vinyl acetat nước chiếm 2,3% trọng lượng 200c Hỗn hợp đẳng phí với nước sôi 660c/100Kpa, nước chiếm 7,3% trọng lượng Hỗn hợp đẳng phí vinyl acetat có thành phần tính chất :  Nước có nhiệt độ đẳng phí : 66,00c, chiếm 92,7% khối lượng VA  MeOH có nhiệt độ đẳng phí: 58,90c, chiếm 63,4%khối lượng VA  2-propanol(CH3-CH-CH3) : 70,80c, chiếm 77,6%khối lượng VA - 10 -