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 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 4439, 68  2, 05 vòng 2163, 79 Vậy : số vòng phản ứng toàn lượng C2H4 là: 1,54 + 2,05 = 3,59 vòng Lượng C2H4 tổn thất toàn trình 2% tương ứng với : 2.3324,16 2.4439, 68   155, 28kg / h 100 100 Do đó, lượng C2H4 bị mát sau lần phản ứng : 155, 28  43, 25kg / h 3,59 Lượng C2H4 tinh khiết cần đưa vào : 3324,16 + 4439,68 + 43,25 = 7850,343kg/h Ta biết lượng C2H4 chiếm 92,6% khối lượng C2H4 kỹ thuật đưa vào thiết bị phản ứng Suy ta có: Lượng C2H4 kỹ thuật cần đưa vào thiết bị phản ứng là: 7807, 093.100  8430,986kg / h 92, Vậy: tổng lượng C2H4 kỹ thuật cần cho toàn trình : 8430,986kg/h d Tính lượng tạp chất nguyên liệu mang vào : Do C2H4 mang vào: Lượng CH4 : 2,876.8430,986  242, 48kg / h 100 Lượng C3H6 : 4,529.8430,986  381,84kg / h 100 Do O2 mang vào: Trong lượng O2 kỹ thuật mang vào có 2% N2 khí trơ khác, nên suy tạp chất O2 mang vào : - 32 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 mO2  1938,1524.2  38, 763kg / h 100 Do CH3COOH mang vào : Trong lượng CH3COOH kỹ thuật mang vào có 2% tạp chất nên suy tạp chất CH3COOH mang vào : mCH3COOH  4854,12.2  97, 08kg / h 100 Vậy: tổng lượng tạp chất nguyên liệu mang vào : M tapchat  mCH  mC3H6  mtapchatO2  mCH3COOH  242, 48  381,84  38, 763  97, 08  760,163kg / h Lượng vật chất khỏi thiết bị phản ứng: Theo số liệu tính toán phần ta có:  Lượng sản phẩm VA : 6645,94 kg/h;  Lượng sản phẩm phụ CO2 tạo thành : 554,388 kg/h;  Lượng sản phẩm phụ acetandelhit tạo thành : 18,48 kg/h;  Lượng sản phẩm phụ etyl acetat tạo thành : 36,96 kg/h;  Lượng axít acetic : 95,14 kg/h;  Lượng O2 : 37,99 kg/h; Ta biết lượng tạp chất lượng tạp chất mang vào nên ta có :  Lượng tạp chất axít acetic kỹ thuật : 97,08 kg/h;  Lượng tạp chất O2 kỹ thuật : 38,76 kg/h;  Lượng tạp chất C2H4 kỹ thuật : 242,48 + 381,84 = 624,32 kg/h; Bảng số liệu cân thiết bị phản ứng: Cấu tử Khối lượng (kg/h) Cấu tử C2H4 O2 CH3COOH CH4 C3H6 Tạp chất 7850,343 604,79 4757,042 242,48 381,84 VA CO2 Acetandelhit Etylacetat C2H4 CH4 - 33 - Khối lượng (kg/h) 6645,94 554,388 18,48 36,96 5686,549 242,48 Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 CH3COOH mang vào Tạp chất O2 mang vào 97,08 Tổng vào 13836,335 C3H6 Tạp chất CH3COOH Tạp chất O2 O2 CH3COOH Tổng 38,76 381,84 97,08 38,76 37,99 95,14 13835,607 II Tính cân vật chất cho hệ thống ngưng tụ: Tính lượng vật chất vào thiết bị ngưng tụ: Ta biết lượng vật chấtn vào hệ thông ngưng tụ lượng vật chất khỏi thiết bị phản ứng Do đó, ta có lượng vật chất vào hệ thống ngưng tụ : Bảng số liệu lượng vật chất vào thiết bị ngưng tụ : Cấu tử VA CO2 Acetandehit Etyl acetat C2H4 tinh khiết dư O2 tinh khiết dư CH3COOH tinh khiết dư CH4 C3H6 Tạp chất O2 Tạp chất CH3COOH Khối lượng(kg/h) 6645,94 554,388 18,48 36,96 123,79 37,99 95,14 242,48 381,84 38,76 97,08 Lượng vật chất hệ thống ngưng tụ : Khi vào hệ thống ngưng tụ cấu tử sau bị ngưng tụ : VA, Acetanldehit, CO2, lại CH3COOH tinh khiết C2H4, CH4, C3H6, O2, Etyl acetat không bị ngưng tụ Do hiệu suất hệ thống ngưng tụ 98% nên ta có:  Lượng VA ngưng tụ vào bể chứa : 98.6645,94  6513, 02kg / h 100 Suy ra, lượng VA không bị ngưng tụ đưa tới thiết bị tách : - 34 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 6645,94 - 6513,02 = 132,92 kg/h;  Lượng acetanldehit ngưng tụ vào bể chứa : 98.18, 48  18,11kg / h; 100 Suy ra, lượng acetandehit không ngưng tụ đươc đưa tới thiết bị tách : 18,48 - 18,11 = 0,37 kg/h;  Lượng CO2 ngưng tụ vào bể chứa 98.554,388  534,3kg / h; 100 Suy ra, lượng CO2 không bị ngưng tụ đưa tới thiết bị tách : 544,388 - 534,3 = 11,1 kg/h; Bảng số liệu cân vật chất cho hệ thống ngưng tụ Lượng vật chất vào Lượng vật chất Cấu tử Khốilượng(kg/h) Cấu tử Khốilượng(kg/h) VA 6645,94 VA 6513,02 CO2 554,388 CO2 ngưng tụ 534,3 Acetanldehit 18,48 Acetanldehit ngưng 18,11 Etyl acetat 36,96 tụ O2(tinh khiết 76,7 Etyl acetat 36,96 tạp chất ) CH3COOH(tinh 192,2 CH3COOH(tinh 192,22 khiết tạp chất ) khiết tạp VA không ngưng 132,9 chất ) tụ đưa tới C2H4 5686,549 thiết bị tách CH4 242,48 CO2 không ngưng 11,1 C3H6 381,84 tụ Acetanldehit không 0,37 ngưng tụ C2H4 5686,549 O2(tinh khiết tạp 76,7 chất) CH4 242,48 C3H6 381,84 Tổng vào 13835,607 Tổng 13835,607 Tại thiết bị tách khí cấu tử Vinyl acetat không ngưng tụ, acetanldehit không ngưng tụ, CO2không ngưng, CH4, C3H6, O2, etyl acetat… tách thu C2H4 tinh khiết , tách đỉnh tháp Một phần nén lại - 35 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 qua máy nén, sau đưa vào tháp hấp thụ khí CO2 Ra khỏi tháp C2H4 tinh khiết lượng C2H4 tuần hoàn trở lại trộn với tháp chưng sơ III Tính cân vật chất cho tháp chưng sơ bộ: Tính cân vật chất vào tháp chưng: Bảng cân vật chất vào tháp chưng sơ bộ: Cấu tử Khối lượng(kg/h) Vinyl acetat 6513,02 CO2 554,388 CH3COOH(tinh khiết tạp chất) 192,22 O2(tinh khiết tạp chất) 76,7 Lượng vật chất khỏi tháp : Tháp chưng cất dùng để tách CH3COOH(tinh khiết tạp chất),ta thu CH3COOH (tinh khiết tạp chất) đáy tháp, hỗn hợp VA H2O khỏi đỉnh tháp làm lạnh đưa vào thiết bị lắng tách lỏng/khí Nhưng hiệu suất tháp chưng 97% nên lượng CH3COOH(tinh khiết tạp chất) tách : 192, 22.97  186, 45kg / h 100 Lượng CH3COOH(tinh khiết tạp chất) tuần hoàn trở lại thiết bị trộn với CH3COOH ban đầu Suy ra, lượng CH3COOH(tinh khiết tạp chất) lại hỗn hợp sang thiết bị tách: 192,22 - 186,45 = 5,8 kg/h; Bảng cân vật chất tháp chưng cất : Lượng vật chất vào Lượng vật chất cấu tử Khối lượng(kg/h) VA 6513,02 CO2 554,388 CH3COOH(tinh 192,22 khiết tạp chất) O2(tinh khiết 76,7 tạp chất) Tổng vào 7336,328 Cấu tử Khối lượng(kg/h) VA 6513,02 CO2 554,388 CH3COOH(tinh 186,45 khiết tạp chất tách ra) CH3COOH (tinh 5,8 khiết sang thiết bị tách) O2(tinh khiết 76.7 tạp chất) Tổng 7336,328 B Cân nhiệt lượng Tính cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng, với thông số sau: - 36 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Hỗn hợp nguyên liệu đầu sau qua thiết bị truyền nhiệt số(4), gia nhiệt nhiệt hỗn hợp khí sản phẩm lên đến 1600c Do đó, nhiệt hỗn hợp đầu vào thiết bị phản ứng (2) 1600c Nhiệt dộ hỗn hợp sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng (2) 1800c Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào gồm cấu tử: C2H4 tinh khiết, CH4, C3H6, O2 tinh khiết tạp chất axít acetic tinh khiết tạp chất Hỗn hợp sản phẩm đầu gồm có cấu tử sau : Sản phẩm VA, sản phẩm phụ CO2, acetanldehit, etyl acetat, C2H4 tinh khiết dư, CH3COOH tinh khiết dư tạp chất, O2 tinh khiết dư tạp chất N2 khí trơ khác, tạp chất CH4 , C3H6 Do phản ứng xãy thiết bị phản ứng tỏa nhiệt tương đối lớn, nên ta cần khống chế nhiệt độ để phản ứng tạo thành sản phẩm đạt hiệu cao Vì vậy, ta chọn tác nhân khống chế nhiệt độ dầu tải nhiệt, với thông số sau:  Nhiệt độ đầu vào dầu : 1100c  Nhiệt độ đầu dầu : 1600c  Nhiệt dung riêng dầu [I-192]  Tại đầu vào 1100c Cp = 0,53 kcal/kg.độ;  Tại đầu 1600c Cp = 0,58 kcal/kg.độ;  Khối lượng riêng dầu  = 900kg/m3; Tính lượng nhiệt dung cấu tử: a Tính nhiệt dung cấu tử vào thiết bị phản ứng: Sử dụng toán đồ [I-197]  Nhiệt dung riêng C2H4 1600c Cp = 0,52 kcal/kg.độ;  Nhiệt dung riêng CH4 1600c Cp = 0,593 kcal/kg.độ;  Nhiệt dung riêng O2 1600c Cp = 0,24 kcal/kg.đôl;  Đối với CH3COOH tạp chất nó, lượng tạp chất chiếm lượng không đáng kể có tính chất hóa lý gần giống với CH3COOH Do đó, tính toán ta coi tính toán chung cho CH3COOH dùng công thức thực nghiệm sau : CP = a0 + a1T + a2T2 [I-153] Với : a0, a1, a2 : hệ số phương trình tra theo bảng T : nhiệt độ(K); Chất He số phương trình khoảng nhiệt độ T(K) CH3COOH a0 a1.10 a2.10 300700 5,2 46,16 -18,35 Thay hệ số vào phương trình ta có nhiệt dung riêng CH3COOH 160 c(T = 433K); - 37 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 C pCH COOH  5,  46,16.433  18,35   4332  21, 75kcal / mol  0,3625kcal / kg  10  10   Đối với C3H6, hợp chất hóa học nên việc kiểm tra trực tiếp giá trị nhiệt dung riêng khó khăn Bởi vậy, ta tính theo công thức thực nghiệm sau : M.C = n1C1 + n2.C2 + n3C3 +… [I-152]; Trong đó: M : khối lượng mol hợp chất , (kg/kmol); C : nhiệt dung riêng hợp chất hóa học(J/kg.độ); n1, n2, n3 : số nguyên tử nguyên tố hợp chất ; C1,C2,C3 : nhiệt dung riêng nguyên tử nguyên tố tương ứng hợp chất (J/kg nguyên tử.độ); Bảng nhiệt dung nguyên tử nguyên tố [I-152] Nguyên tố C H O Nhiệt dung nguyên 11700 18000 25100 tử(J/kg nguyên tử.độ) Từ ta có: M C3H6 C pC H  nC cC  nH cH với M C3H6  42kg / kmol ; nC cC nH cH Suy : =3 = 11700 =6 = 18000 C pC H  ; ; ; ; 3.11700  6.1800 3407,143  3407,143( J / kg )   0,814kcal / kg ; 42 4,1868.103 b Tính nhiệt dung riêng cấu tử thiết bị phản ứng 1800c: Nhiệt dung riêng VA trạng thái áp suất khí (P=1atm), nhiệt độ 1800c CP = 0,352 kcal/kg.độ; Nhiệt dung riêng khí CO2 CP = 0,24 kcal/kg.độ; Đối với acetanldehit(CH3CHO): nhiệt dung riêng CH3CHO tính theo công thức thực nghiệm :[I-152]; Suy : CPCH CHO  2.11700  4.25100  2738, 64 J / kg  0, 654kcal / kg ; 44 Đối với etyl acetat(CH3CH2OCOCH3): nhiệt dung riêng etyl acetat tính theo công thức thực nghiệm : [I-152]; Tương tự suy : - 38 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 CPetylacetat  4.11700  8.18000  2.25100  2738, 64 J / kg  0, 654kcal / kg ; 88 Sử dụng toán đồ tra bảng [I- 197] ta có: Nhiệt dung riêng C2H4 1800c : CP C2H Nhiệt dung riêng CH4 1800c CP CH  0,54kcal / kg ;  0,60kcal / kg ; Nhiệt dung riêng O2 1800c: CP  0, 24kcal / kg ; O2 Nhiệt dung riêng C3H6 180 c CP C3H6  0,814kcal / kg ; Đối với CH3COOH tạp chất nó, tương tự phân tích trên, ta dùng công thức thực nghiệm bảng số liệu [I-153]; Thay hệ số vào phương trình, ta có nhiệt dung riêng axít acetic 1800c (T=453K); CPCH COOH  5,  46,16.453  18,35   4532  22,34kcal / kmol  0,372kcal / kg ;  10  10  Bảng nhiệt dung riêng cấu tử nhiệt độ khác Đầu vào nhiệt độ 1600c Đầu nhiệt độ 1800c Cấu tử Nhiệt dung riêng Cấu tử Nhiệt dung riêng CP(kcal/kg.độ) CP(kcal/kg.độ) C2H4tinh khiết 0,52 C2H4tinh khiết 0,54 CH3COOH kỹ 0,363 CH3COOH kỹ 0,372 thuật(cả lượng thuật(cả lượng tinh khiết tạp tinh khiết tạp chất) chất) O2kỹ thuật(tinh 0,24 O2 kỹ thuật 0,24 khiết tạp CH4 0,593 chất) C3H6 0,814 CH4 0,593 CO2 0,24 C3H6 0,814 acetanldehit 0,654 etyl acetat 0,654 VA 0,352 - 39 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Tính nhiệt lượng đầu vào thiết bị phản ứng: Nhiệt lượng đầu vào thiết bị phản ứng tổng nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu đầu mang vào, nhiệt lượng phản ứng xãy thiết bị phản ứng tạo nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang vào : Qvào = Qhỗn hợp khí + Qcác phản ứng + QDầu tải nhiệt a Nhiệt lượng hỗn hợp khí mang vào : Qh  QC H  QCH COOH  QO  QCH  QC H kcal / h ; Nhiệt lượng cấu tử tính theo công thức sau: Qi = GiCiti (kcal/h) [I]; Trong đó: Gi : khối lượng cấu tử thứ i (kg/h); CPi : nhiệt dung riêng cấu tử thứ i(kcal/kg.đô) Ti : nhiệt độ cấu tử thứ i (k); Aùp dụng công thức cho cấu tử ta có: 2 4 QC2 H4  7850,343.0,52.160  653148,52kcal / h ; QCH  242, 48.0,59.160  22890,112kcal / h; QC3H6  381,84.0,814.160  49730,841kcal / h; Đối với CH3COOH O2 giả thiết phần việc tính toán cho tạp chất axít acetic, O2 coi tính toán chung cho CH3COOH, O2 nên ta đặt: QCH3COOH  4757, 042.0,3625.160  275908, 43kcal / h; QO2  604, 79.0, 24.160  23223,936kcal / h; Do đó: Qhỗn hợp khí = 653148,52 + 22890,112 + 49730,84 + 275908,43 + 23223,936 = 1024901,8 kcal/h; Vậy: QHỗn hợp khí = 1024901,8 kcal/h; b Nhiệt lượng phản ứng tạo thiết bị phản ứng: Nhiệt lượng phản ứng tạo : (1) C2H4 + 0,5O2 + CH3COOH CH2=CH + H2O H298=-42,96kcal/mol OCOCH3 Đây phản ứng tỏa nhiệt với H298=-42,96kcal/mol, theo phản ứng tạo thành mol VA(hay 86gVA ) lượng nhiệt tỏa 42,96 kcal/mol Do đó, tạo thành 6645,94 kg/h, tương ứng với 6645,94.1000 = 6645940(gVA/g) lượng nhiệt tỏa : 6645940.42,96  3319878,8kcal / h; 86 Vậy: lượng nhiệt phản ứng tỏa là: Qphản ứng = 3319878,8kcal/h; c.Nhiệt lượng phản ứng phụ tạo là: - 40 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Các phản ứng phụ tạo thành lượng nhỏ metyl acetat, glycol mono diacetat, etyl acetat… đó, nhiệt lượng phản ứng phụ tỏa bé bỏ qua Do đó, nhiệt lượng phản ứng phụ tạo coi phản ứng phụ tạo thành CO2, CH3CHO theo phản ứng sau: (2) C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O H298=32,22kcal/mol phản ứng thu nhiệt với H298=32,22kcal/mol, theo phản ứng tạo thành 2mol CO2(88gCO2) thu vào lượng 32,22kcal/mol Do đó,khi tạo thành 554,388kg/h, tương ứng với 554,388.1000 = 554388gCO2/h thu vào lượng nhiệt là: 554388.32, 22  202981, 6kcal / h; 88 Vậy: lượng nhiệt phản phụ thu vào là: QPhản ứng phụ = -202981,6kcal/h; (3) CH2=CH2 + O2 CH3CHO H298=58,23kj/mol phản ứng thu nhiệt với H298=58,23kj/mol, theo phnả ứng tạo thành 1mol CH3CHO(44gCH3CHO) thu vào lượng 18,48 kg/h,tương ứng với 18480gCH3CHO/h thu lượng nhiệt : 18480.58, 23  24456, 6kcal / h; 44 Vậy : lượng nhiệt phản ứng phụ thu vào là: QPhản ứng phụ acetanldehit = - 24456,6kcal/h; Ta có nhiệt lượng phản ứng tạo thiết bị phản ứng là: QCác phản ứng = QPhản ứng + QPhản ững phụ = 3319878,8 - 202981,6 - 24456,6 = 3092440,6kcal/h; d Nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng là: Dầu tải nhiệt dùng để khống chế nhiệt độ thiết bị phản ứng, trước vào thiết bị phản ứng nâng lên nhiệt độ 1100c nên lượng nhiệt dầu mang vào là: QDầu mang vào = mDầu CP dầu vào tdầu vào (kcal/h); = mDầu 0,53 110 (kcal/h); = 58,3 mDầu (kcal/h); Vậy: tổng nhiệt lượng đầu vào thiết bị phản ứng: QVào = QHỗn hợp khí + QCác phản ứng + QDầu vào (kcal/h); = 1024901,8 + 3092440,6 + QDầu mang vào (kcal/h); = 4117342,4 + QDầu mang vào (kcal/h); Tính nhiệt lượng đầu thiết bị phản ứng Nhiệt lượng đầu thiết bị phản ứng tổng nhiệt lượng hỗn hợp khí sản phẩm mang ra, nhiệt lượng mát môi trường xung quanh nhiệt lượng dầu khống chế nhiệt độ mang ra: QRa = QHỗn hợp khí sản phẩm + QMất mát + QDầu - 41 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 a Nhiệt lượng hỗn hợp khí sản phẩm mang ra: Qhonhopkhisanpham  QVA  QCO2  QC2 H4  QCH3CHO  QCH3COOH  QO2  QCH4  QC3H6 (kcal / h); Tương tư ta áp dụng công thức [I] để tính nhiệt lượng cấu tử: QVA  6645,94.0,352.180  421086, 74kcal / h; QCO2  554,388.0, 24.180  23949,561kcal / h; QC2 H  5686,549.0,54.180  552732.55kcal / h; QCH3CHO  18, 48.0, 654.180  2175, 466kcal / h; QCH3COOH  192, 22.0,372.180  12871, 051kcal / h; QO2  76, 7.0, 24.180  3313, 44kcal / h; QCH  242, 48.0, 6.180  26187,84kcal / h; QC3 H  381,84.0,814.180  55947,196kcal / h; Do đó, ta có: QHỗn hợp khí sản phẩm = 421086,74 + 23949,56 + 552732,55 + 2175,466 + 12871,051 + 3313,44 + 26187,84 + 55947,196 = 1098263,6 kcal/h; Vậy: QHỗn hợp khí sản phẩm = 1098263,6 kcal/h; b Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh: Nhiệt lượng mát thiết bị phản ứng môi trường xung quanh tỏa nhiệt truyền nhiệt thường có giá trị 5% tổng nhiệt lượng đầu vào thiết bị phản ứng Do ta có: QMất mát = 5%(4117342,4 + QDầu mang vào)(kcal/h); = 0,05.4117342,4 + 0,05 QDầu mang vào(kcal/h); = 205867,12 + 0,05.QDầu mang vào (kcal/h); c Nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang ra: Dầu tải nhiệt khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 1600c nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang là: QDầu mang = mDầu CP Dầu tDầu (kcal/h); = mDầu.0,58 160 (kcal/h); = 92,8 mDầu (kcal/h); Vậy: tổng nhiệt lượng đầu thiết bị phản ứng là: QRa = QHỗn hợp khí sản phẩm + QMất mát + QDầu mang = 1098263,6 + 205867,12 + 0,05.QDầu mang vào + QDầu mang (kcal/h); = 1304130,7 + 0,05 QDầu mang vào + QDầu mang (kcal/h); Tính lượng dầu tải nhiệt cần đưa vào để khống chế nhiệt độ thiết bị phản ứng là: - 42 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Từ phương trình cân nhiệt lượng : QVào = Qra Ta có: 4117342,4 + QDầu mang vào = 1304130,7 + 0,05 QDầu mang vào + QDầu mang 2813211,7 =QDầu mang – 0,95QDầu mang vào 2813211,7 = 92,8.mDầu - 0,95.58,3.mDầu 2813211,7 = 37,415.mDầu Suy : mDầu = 75189,407kg/h; Vậy lượng dầu lưu chuyển bên ống thiết bị phản ứng để khống chế nhiệt độ thiết bị phản ứng mDầu = 75189,407 kg/h; Từ ta tính được: -Nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang vào là: QDầu mang vào = 58,3 75189,407 = 4383542,4(kcal/h); - Nhiệt lượng dầu tải nhiệt mang là: QDầu mang = 92,8 75189,407 = 6977576,9(kcal/h); -Nhiệt lượng bị mat môi trường xung quanh : QMất mát = 205867,12 + 0,05.4383542,4 = 425044,24 (kcal/h); - 43 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Bảng cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng Nhiệt lượng đầu vào (kcal/h) Nhiệt lượng đầu (kcal/h) QHỗn hợp khí(C2H4, 1024901,8 QHỗn hợp khí sản phẩm(VA, 1098263,6 O2,CH3COOH(tinh CO2, CH3CHO, khiết tạp chất),CH4, C2H4dư, CH3COOH, C3H6) O2(tinh khiết tạp chất), CH4, C3H6) QCác phản ứng(phản ứng 3092440,6 QMất mát 425044,24 phản ứng phụ) QDầu mang vào 4383542,4 QDầu mang 6977576,9 tổng nhiệt lượng đầu 8500884,8 tổng nhiệt lượng đầu 8500884,7 vào QRa QVào - 44 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Phần IV Kết luận Sau bốn tuần giao nhiệm vụ thiết kế phân xưởng sản xuất Vinyl acetat với suất 50.000 tấn/năm, đến em hoàn thành thời gian quy định Nôi dung công việc bao gồm : -Trình bày tổng quan lý thuyết VA đưa phương pháp tổng hợp VA từ acetylen, etylen axít acetic pha -Tính toán cân vật chất, cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng -Hai vẽ dây chuyền sản xuất khổ A4 -Một vẽ dây chuyền sản xuất VA từ etylen axít acetic khổ A0 -Bản đồ án giúp em vận dụng kiến thức chuyên ngành học hoàn thiện khả tính toán Đây kiến thức quý báu giúp em trình học tập công tác sau Hà nội, ngày….tháng….năm 2004 Sinh viên thực Nguyễn Thái Huệ Tài liệu tham khảo Tập thể tác giả Đại Học Bách Khoa Hà Nội - Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1,2 – Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội – 1992, 2000 Phan Minh Tân – Tổng hợp hữu hóa dầu – Tập - 45 - Thiết kế phân xưởng sản xuất VA từ C2H4 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội – Tổng hợp hữu cơ – Tập 21986 Vương đình Nhàn – Sổ tay tóm tắt kỹ sư hóa chất – 1961 Nguyễn Minh Châu – Đại Học Qui Nhơn - Hóa học hữu – 1986 Ullman’s Encyclopedia of industrial chemistry – Vol A1 Ullman’s Encyclopedia of industrial chemistry – Vol A15 Ullman’s Encyclopedia of industrial chemistry – Vol A27 – 1996 Petrochemical processes - Tập – 1989 - 46 -