Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt với năng suất 45 000 tấn năm

Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt MỞ ĐẦU Hiện nay, nước ta thời kỳ cơng nghiệp hố - đại hố, nên việc thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp mũi nhọn nhiệm vụ quan trọng cần thiết Trong sống đại ngày nay, ngành cơng nghệ hố học nói chung ngành cơng nghệ tổng hợp hữu - hố dầu nói riêng xem ngành công nghiệp mũi nhọn nước ta Cơng nghệ hữu - hố dầu phát triển đáp ứng mục tiêu quan trọng kinh tế là: - Cung cấp hố chất cho ngành tổng hợp hữu hoá dầu hoá học, tạo thay đổi lớn cấu chủng loại sản phẩm ngành hoá chất vật liệu như: Sản xuất cao su, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, chất hoạt động bề mặt, phân bón, chí protein, cơng nghệ chất sơn, dược phẩm - Cung cấp sản phẩm lượng cho nhu cầu nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp, nhiên liệu sinh hoạt dầu mỡ bôi trơn Axetandehyt hợp chất quan trọng cơng nghệ lọc hóa dầu Axetandehyt hay gọi etanal có cơng thức phân tử CH 3CHO, axetandehyt phát Sheele vào năm 1774, ông thực phản ứng mangan dioxit có màu đen (MnO2) axit sunfuric với rượu Cấu tạo axetandehyt Liebig giải thích vào năm 1835, ơng tạo axetandehyt tinh khiết việc oxi hóa rượu etylic với cromic xác định rõ tên gọi sản phẩm "andehyt" Axetandehyt chất lỏng, có nhiệt độ sơi thấp, có khả bắt lửa cao, có mùi cay Do có khả phản ứng hóa học cao, nên axetandehyt sản phẩm hóa học trung gian vơ quan trọng cơng nghệ hữu cơ, từ sản xuất hợp chất axit axetic, anhydric axetic, etyl acetat, axit peracetic, rượu butylic 2-ety-haxanol, penta-etythritol, muối clorua axetandehyt, glyoxal, akyl amin piridin nhiều chất khác Axetaldehyt chất trung gian trình trao đổi chất thực vật quan động vật, có khả tách với số lượng nhỏ Số lượng lớn axetandehyt có liên quan đến nhiều q trình sinh học, chất quan trọng nhiều trình lên men rượu, axetandehyt có mặt lượng đồ uống bia, rượu, rượu mạnh, tách từ nước ép trái cây, dầu ăn, cà phê khơ, khói thuốc Nhiều q trình sản xuất axetandehyt mang tính thương mại dehydro hóa oxi hóa rượu etylic, q trình hợp nước axetylen, oxi hóa phần hydrocacbon oxi hóa trực tiếp etylen Nó sản xuất chủ yếu Celanese hãng Eastman (USA), hãng Wacker - Chemic hãng Hoechst SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt (Đức) hãng Aldehyde Co., Kyo-Wa Yuka Co., Mitsubishi Chemical Industries, Chisso Corp., Sumitomo, Showa Denko, Mitsui (Nhật Bản), Montedison (Italia), Lonza (Thụy Điển) hãng pemax (Mexico) Axetandehyt xem chất trung gian cần thiết cho chất hữu khác, chất hữu chuyển mạch từ q trình oxi hóa từ dẫn xuất axetandehyt, hầu hết từ than đá từ sở hydrocacbon C1, xu hướng tiếp tục phát triển trình từ C1 Sự tiêu thụ axetandehyt năm gần giảm dần, ngày có nhiều q trình sản xuất dẫn xuất axetandehyt phát triển trình Oxo cho ta rượu butylic với 2-ethyl hexanol, trình hãng Mohsanto cho ta axit axetic Tuy nhiên axetandehyt coi chất trung gian quan trọng tổng hợp hữu Từ vai trò ứng dụng quan trọng axetandehyt khoa học kĩ thuật sống thấy lợi ích khơng nhỏ việc sản xuất axetandehyt qua thấy cần thiết việc nghiên cứu, không ngừng cải tiến công nghệ, dây chuyền sản xuất axetandehyt để nâng cao suất trình sản xuất mang lại hiệu kinh tế cao Do việc nghiên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng nước Đồ án “Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt với suất 45.000 tấn/năm” bao gồm phần: - Tổng quan nguyên liệu sản xuất, phương pháp sản xuất đặc điểm ứng dụng sản phẩm - Tính cân vật chất, cân nhiệt lượng, tính tốn thiết bị - Thiết kế mặt xây dựng nhà máy - Tính tốn kinh tế - An tồn lao động tự động hóa - Kết luận SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.1.1 Axetylen 1.1.1.1.Tính chất vật lý Ở điều kiện thường axetylen chất khí khơng màu, khơng độc có khả gây mê Axetylen tinh khiết có mùi ngọt, mùi tỏi axetylen axetylen sản xuất từ cacbua canxi có lẫn tạp chất PH 3, H2S, NH3, arsenic (AsH3) silicon hydrit Những số vật lý axetylen đưa bảng 1.2 Bảng 1.2: Những số vật lý axetylen Những số vật lý axetylen Khối lượng phân tử (M) 26,038 Kg/Kmol Giá trị điểm T 192,6 K (-80,40C) P 128,2 kPa Nhiệt nóng chảy 5,585kJ/mol Nhiệt bay 15,21kJ/mol Các đại lượng tới hạn Tr 308,85K Pr 6,345Mpa 0,231g/cm3 r 192,15K(-80,850C) Điểm nóng chảy 101,3kPa 189,55K(-83,450C Điểm thăng hoa 101,3kPa 1,729.10-3 g/cm3 khí 0,729 g/cm3  (181,1K) lỏng Tính chất 273,15K 101,3 kPa: 1,729.10-3g/cm3 42,7J.mol-1.K-1 34,7J.mol-1.K-1 1,23 9,43  Pa.S 0,0187 W/m.K 341 m/s 0,9909 khí Nhiệt dung riêng (Cp ) Nhiệt dung riêng (Cv ) Cp/ Cv Độ nhớt động học Độ dẫn nhiệt Tốc độ truyền âm Hệ số nén SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Entropy Entanpy 8,32 kJ/mol 197 J/mol.K Axetylen hấp phụ C* hoạt tính (than hoạt tính), SiO zeolite Axetylen hấp phụ bề mặt số kim loại thủy tinh Khi cháy axetylen tỏa lượng nhiệt lớn Khả sinh nhiệt axetylen 13,387 Kcal/m3 Do người ta thường dùng axetylen để cắt hàn kim loại Khi phân hủy axetylen xảy phản ứng nổ nhiệt độ lên đến 28000C C2H2  2C + H2 ;  H0298= -54,2 Kcal/mol Axetylen dễ tạo hỗn hợp nổ với khơng khí giới hạn rộng (từ 2,581,5 % thể tích) tạo hỗn hợp nổ với oxi giới hạn (từ 2,878% thể tích) Độ nguy hiểm khả cháy nổ axetylen ngày gia tăng phân rã thành chất đơn giản tỏa nhiều nhiệt theo phản ứng Ngoài axetylen dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với flo, clo có tác dụng ánh sáng Do để giảm bớt khả cháy nổ axetylen vận chuyển người ta thường pha thêm khí trơ vào hỗn hợp axetylen H 2, NH3 v.v, để tránh khả cháy nổ xảy 1.1.1.2.Tính chất hóa học a Đặc điểm cấu tạo phân tử axetylen * Công thức cấu tạo axetylen: H-CC-H Liên kết ba (- CC -) tạo nên nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp, tức kiểu lai tạo đường thẳng Trong liên kết ba có liên kết  xen phủ trục hai electron lai tạo, hai liên kết  xen phủ bên cặp electron p Các trục electron p tạo thành mặt phẳng thẳng góc với nhau, giao tuyến hai mặt phẳng đường nối tâm hai nguyên tử cacbon Một đặc điểm quan trọng nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp có độ âm điện lớn cacbon lai hóa sp 2, sp3 Kết liên kết C-H có phân cực mạnh: C  H làm tăng mômen lưỡng cực liên kết làm tăng khả SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt hydro tách dạng proton, tính axit axetylen lớn so với etylen etan Do tính axit axetylen làm cho dễ hòa 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 trình bày mà axetylen dễ dàng tham gia phản ứng như: phản ứng thế, phản ứng cộng hợp, nguyên tử H, polime hóa phản ứng đóng vòng Sự phát triển phản ứng axetylen có mặt áp suất mở đầu cho ngành cơng nghiệp hóa axetylen đại W.Reppe (1892-1969), BASF Ludwigshafen (Cộng hòa liên bang Đức) Các nhóm phản ứng quan trọng vinyl hóa, etinyl hóa, cacbonyl hóa, polime hóa đóng vòng polime hóa thẳng b Các phản ứng quan trọng cơng nghiệp *Các phản ứng vinyl hóa sản phẩm: Vinyl hóa phản ứng cộng hợp vào hợp chất axetylen nguyên tử H linh động hợp chất nước (H2O), ancol (ROH), thiol, axit hữu vô tạo monome cho phản ứng trùng hợp Các sản phẩm vinyl hóa công nghiệp axetandehyt, vinylclorua, vinyl acetat sản phẩm khác Dưới số trình vinyl hóa cơng nghiệp: - Axetandehyt (phản ứng cộng nước H2O): Phản ứng Kuresop nghiên cứu vào năm 1881 Phản ứng tiến hành cách cho C2H2 vào dung dịch axit sunfuric lỗng (H 2SO4) có chứa thủy ngân sunfat (HgSO4) đóng vai trò xúc tác Phản ứng trải qua giai đoạn trung gian tạo ancol vinylic không bền dễ phân hủy tạo thành axetandehyt HC  CH + HOH  [ CH2CH- OH]  CH3- CHO Phản ứng tổng quát: HC  CH + H2O  CH3CHO Xúc tác: dung dịch axit muối thủy ngân, HgSO4 H2SO4 Phản ứng pha lỏng 920C - Vinyl clorua: HCCH + HCl  CH2CHCl Xúc tác: HgCl2/than (C) Phản ứng pha khí nhiệt độ 150  800C - Vinyl acetat: HCCH + CH3COOH  CH2 CHOOCCH3 Xúc tác: Cd, Zn, muối thủy ngân (Hg +2)/than(C) Phản ứng pha khí nhiệt độ T = 1802000C SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt - Vinyl ete: gồm bước phản ứng sau: H ROH + KOH  -H O ROK  C   RO-CHCHK 2 RO-CHCHK + ROH  RO-CHCH2 + ROK Trong R- gốc ankyl Nhiệt độ phản ứng nằm khoảng T=120  1500C, áp suất đủ cao để tránh làm sôi rượu sử dụng phản ứng, ví dụ áp suất MPa Metanol (CH3OH) tạo thành metyl vinyl ete (phản ứng có áp suất cao) H CH3OH + KOH  HO CH3OK  C   CH3-CHCHK 2 CH3-CHCHK + CH3OH  CH3O-CHCH2 + CH3OK - Vinyl phenyl ete: Phản ứng vinyl hóa với xúc tác KOH OH O-CH=CH2 HC  CH + Xúc tác KOH - Vinyl sunfit: HC  CH + RSH  Xt  KOH    CH2CH - S - R - Vinyl este axit cacboxilic cao: HCCH + R-COOH  RCOO- CH=CH2 Xúc tác muối kẽm (Zn+2) cadimi (Cd+2) * Các phản ứng Etinyl hóa sản phẩm: Etinyl hóa sản phẩm phản ứng cộng hợp vào nhóm cacbonyl axetylen mà tồn liên kết Reppe phát axetilua kim loại nặng, đặc biệt đồng axetilua (Cu+1) có thành phần Cu2C2.2H2O.2C2H2, xúc tác thích hợp cho phản ứng andehyt với axetylen Các chất xúc tác kiềm có hiệu tốt đồng axetilua phản ứng etinyl hóa xeton Phản ứng tổng qt q trình etinyl hóa là: HC  CH + RCOR1  HCC – C(OH)RR1 Trong đó: R, R1 gốc ankyl H Những sản phẩm quan trọng từ q trình etinyl hóa sản phẩm rượu propargyl (2-propyl-1 ol) butynediol( butyne-1,4-diol): 2C H HC CH + HCHO  Xt Cu C.2HO.   HCCCH2OH 2 HCCH + 2HCHO SVTH: 2 2 2H 2O.2C2H  Xt Cu 2C     HOCH2CCCH2OH GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Xúc tác: Cu2C2.2H2O.2C2H2 Một số phản ứng q trình etinyl hóa sản phẩm amoniankanol amin bậc 2: HCCH + (CH3)2N - CH2OH  (CH3)2N - CH2 - CCH + H2O HCCH + 2(CH3)2N - CH2OH  (CH3)2N-CH2-CC-CH2- N(CH3)2 + H2O R1R2NH + C2H2  R1R2N- CCH2 + C2H2  R1R2N-CH3CH-CCH * Các phản ứng cacbonyl hóa sản phẩm: Cacbonyl hóa phản ứng axetylen CO với hợp chất có nguyên tử H linh động, H2O, rượu (ROH), thiol (RSH), amin Những phản ứng xúc tác cacbonyl kim loại Ni(CO) Ngoài cacbonyl kim loại, halogenua kim loại tạo thành cacbonyl sử dụng: - Acrylic axit: HC  CH + CO + H2O + Ni(CO)4  CH2= CH – COOH Phản ứng axetylen với H2O ROH CO sử dụng xúc tác Ni(CO) công bố W.Reppe Nếu H 2O thay thiol, amin, axit cacboxylic ta thu thioeste axit acrylic, acrylicamit, anhydrit cacboxylic axit - Etyl acrylat: 4C2H2 + 4C2H5OH + Ni(CO)4 + 2HCl 4CH2=CHCOOC2H5+H2 + NiCl2 C2H2 + C2H5OH + CO  CH2=CHCOOC2H5 Xúc tác: muối niken (Ni), T = 30500C Quá trình bắt đầu theo hệ số phản ứng đầu, sau hầu hết acrylat tạo thành theo phản ứng sau Muối NiCl tạo thành theo phản ứng đầu thu hồi tái sử dụng để tổng hợp cacbonyl - Hydroquinon tạo thành dung mơi thích hợp, ví dụ dioxan, T=1700C, xúc tác Fe(CO)5: 2HCCH + 3CO + H2O HO OH + CO2 Hydroquinon tạo thành điều kiện T = 01000C, P=535Mpa xúc tác Ru(CO)5: HO 2HCCH + 2CO + H2 OH -Bifuradion: Phản ứng axetylen CO có mặt chất octacarbonildicoban (CO) 3Co-(CO)2Co(CO)3, tạo thành hỗn hợp cis-trans-Bifuradion Phản ứng tiến hành áp suất P = 20100 Mpa, nhiệt độ T  1000C: O 2HCCH + 4CO SVTH: P = 20 100 Mpa, T  1000C, xúc tác O O O cis GVHD: Th.S O Đỗ Thị Diễm Thúy O O O trans Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt * Q trình vòng hóa polime hóa axetylen: Với xúc tác thích hợp axetylen phản ứng với để tạo thành vòng polime thẳng Q trình vòng hóa Berthelot thực Ông tổng hợp hợp chất thơm naphtalen từ axetylen Vào năm 1940, Reppe tổng hợp 1,3,5,7-xiclooctatraene với hiệu suất 70% áp suất thấp 4HC  CH + sản phẩm phụ Nhiệt độ phản ứng 65115 0C, áp suất 1,52,5 Mpa, xúc tác Niken xianua (Ni(CN)2) Phản ứng tiến hành tetrahydrofuran khan Sản phẩm phụ chủ yếu benzen (khoảng 15%), chuỗi oligome axetylen có công thức thực nghiệm C10H10 C12H12 lượng nhỏ chất khơng tan màu đen niprene có liên quan đến xúc tác Ni Nếu dicacbonylbis (triphenilphosphine) niken-Ni(CO)2[(C6H5)3P]2 sử dụng làm xúc tác sản phẩm trình vòng hóa benzen (hiệu suất 88%) styren ( hiệu suất 12%) Phản ứng tiến hành benzen nhiệt độ 65750C áp suất 1,5 Mpa Quá trình polime hóa mạch thẳng axetylen có tham gia xúc tác muối đồng (I) CuCl HCl Sản phẩm phản ứng vinylaxetylen, divinylaxetylen HC  CH + HC  CH  H2C = CH - C  CH Một sản phẩm đặc biệt trình polime hóa cupren tạo thành axetylen gia nhiệt 2250C tiếp xúc với đồng dạng bọt Cupren chất trơ hóa học, có màu vàng đến nâu tối Poliaxetylen tạo thành có xúc tác Ziegler-Natta Ví dụ TrietylaluminumAL(C2H5)3 tetrabutoxide -Ti (n-OC4H9)4, áp suất P=1021MPa SVTH: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt t >1000C ~ H C n C2H2 H C C H C H H C C H H C ~ Trans - polyaxetylen H t