Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt với năng suất 45000 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 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 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 ρr 192,15K(-80,850C) Điểm nóng chảy 101,3kPa 189,55K(-83,450C Điểm thăng hoa 101,3kPa 1,729.10-3 g/cm3 ρkhí 0,729 g/cm3 ρlỏng (181,1K) Tính chất 273,15K 101,3 kPa: ρkhí Nhiệt dung riêng (Cp ) Nhiệt dung riêng (Cv ) Cp/ Cv Độ nhớt động học Độ dẫn nhiệt Tốc độ truyền âm Hệ số nén 1,729.10-3g/cm3 42,7J.mol-1.K-1 34,7J.mol-1.K-1 1,23 9,43 µ Pa.S 0,0187 W/m.K 341 m/s 0,9909 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 σ xen phủ trục hai electron lai tạo, hai liên kết π 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 hydro tách dạng proton, tính axit axetylen lớn so GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt 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 loãng (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 - Vinyl ete: gồm bước phản ứng sau: GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt O C H ROH + KOH -H → ROK + → 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 O C H CH3OH + KOH − → CH3OK + → 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): 2H O.2C H HC ≡ CH + HCHO Xt Cu C → HC≡ CCH2OH 2 HC≡ CH + 2HCHO 2 2C 2H 2O.2C 2H Xt Cu → HOCH2C≡ CCH2OH Xúc tác: Cu2C2.2H2O.2C2H2 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Một số phản ứng 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: OH + CO2 2HC≡ CH + 3CO + H2O HO Hydroquinon tạo thành điều kiện T = 0÷ 1000C, P=5÷ 35Mpa xúc tác Ru(CO)5: 2HC≡ CH + 2CO + H2 HO 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 P = 20 ÷ 100 Mpa, T ≈ 1000C, xúc tác O O O cis O O O O GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy trans ss Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt * Quá 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 Ơng 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 cơng thức thực nghiệm C10H10 C12H12 lượng nhỏ chất không 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 q 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 Q 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 q 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 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt t >1000C ~ H C n C2H2 C H H C C H H C C H H C ~ Trans - polyaxetylen H t 1% ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng làm hao tốn thủy ngân tái sinh dung dịch xúc tác Trong trình làm việc xúc tác dần hoạt tính nhanh Hg2+ bị khử thành Hg+ hay Hg b Nhiệt độ Nhiệt độ tăng vận tốc phản ứng hydrat hóa tăng, hiệu suất axetandehyt tăng đồng thời tăng hóa nhựa axetandehyt Nhiệt độ trình phụ thuộc nhiều vào thành phần xúc tác vận tốc thể tích C 2H2 Nhiệt độ thường trì 75-1000C CH3CHO Hiệu suất % 80 60 40 20 20 40 60 80 100 C Hình 1.10 Hiệu suất CH3CHO phụ thuộc nhiệt độ c Vận tốc thể tích Muốn đạt vận tốc thể tích cao, axetandehyt tạo thành phải đẩy nhanh khỏi lớp xúc tác, để tránh sinh sản phẩm phụ giữ cho lớp xúc tác bền Tiến hành hydrat hóa tháp hình trụ cao 10-12m, đường kính gần 1m, đáy chóp có phần đỉnh lớn phần đáy để chứa khí sản phẩm trước dẫn khỏi tháp, bên thiết bị lót cao su vật liệu chịu axit Thổi axetylen từ đáy tháp lên, qua 40 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt dung dịch phản ứng tiến hành hydrat hóa Gần 90% axetylen biến thành axetandehyt, với axetylen chưa phản ứng liên tục cho nước vào để bù lại lượng nước tham gia phản ứng hydrat hóa bị bốc Ngồi tháp hydrat hóa lắp ống thẳng rộng 1.3.3 Thiết bị phản ứng Thiết bị sơ đồ cơng nghệ tháp hydrat hóa (dạng tháp sủi bọt) (hình 1.11) Chú thích hình 1.11: 1- Ống dẫn nguyên liệu đầu 2- Ống dẫn nước 3- Ống dẫn chất thải 4- Thân thiết bị 5- Ống dẫn sản phẩm 6- Ống xoắn làm lạnh 7- Tai treo 8- Van an toàn 9- Ống dẫn xúc tác vào đáy 10- Ống dẫn xúc tác vào 11- Ống dẫn xúc tác tái sinh 41 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt 1.3.3.1 Nguyên lí làm việc tháp Nguyên liệu cho vào ống dẫn (1), nước đưa vào ống dẫn (2), với dòng xúc tác cho vào phía phải đáy tháp ống dẫn (9) tháp ống dẫn (10) Hỗn hợp phản ứng sủi bọt đẩy khí lên phần thiết bị phản ứng Thường thân thiết bị chia làm đoạn, đoạn có đặt ống xoắn ruột gà làm nhơm, cho nước lạnh tuần hoàn rút nhiệt phản ứng Hỗn hợp chuyển động lên cao nồng độ axetandehyt tăng nồng độ axetylen giảm Ở đáy tháp phần hẹp trì nhiệt độ 75 0C áp suất 3,8 - 4at, đỉnh tháp giữ nhiệt độ 100 0C áp suất 2,8-3at Axetandehyt lấy đường ống (5), sản phẩm phụ, chất thải thải đường ống (3) Phần ống làm lạnh (6) loại ống xoắn ruột gà Tác nhân làm lạnh nước Trong thiết bị hydrat hóa chất tải nhiệt vào thiết bị ống dẫn (6) Ưu điểm thiết bị sủi bọt thiết bị đơn giản, thích hợp cho phản ứng khí-lỏng, bề mặt tiếp xúc pha lớn, lớp lỏng khuấy trộn mạnh Vật liệu chế tạo tháp kiểu dùng thép crom, niken molipden loại thép không gỉ khác 1.3.3.2 Một số đặc trưng thiết bị a Độ chuyển hóa - Độ chuyển hóa q trình tùy thuộc nhiều vào yếu tố như: lượng xúc tác, thời gian lưu, chất lượng nguyên liệu, điều kiện làm việc - Độ chuyển hóa định thiết bị phản ứng ảnh hưởng tới hiệu kinh tế sản xuất Khi dòng khỏi thiết bị phản ứng gồm có phần tử có thời gian lưu khác nhau, nồng độ dòng đầu thiết bị nồng độ trung bình phần tử có thời gian lưu khác Nhiệt độ tăng vận tốc phản ứng hydrat tăng, hiệu suất axetandehyt tăng đồng thời tăng hóa nhựa axetandehyt Nhiệt độ q trình phụ thuộc nhiều vào thành phần xúc tác vận tốc thể tích C 2H2 Nhiệt độ thường trì 750C đến 1000C b Đặc trưng nhiệt phản ứng Thiết bị phản ứng trình thiết bị phản ứng sủi bọt Phương trình phản ứng thiết bị là: CH ≡ CH + H2O → CH3CHO, ∆H =-150,1 kJ/mol Đây phản ứng tỏa nhiệt mạnh giảm thể tích phản ứng xảy thuận lợi nhiệt độ thấp áp suất cao để thu sản phẩm có chất lượng tốt Do khơng có khuấy trộn nên nhiệt độ phân bố không đồng tiết diện ống 42 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Điều kiện tự nhiệt thiết bị: - Quá trình phản ứng tự xảy sau khởi động - Quá trình thực phản ứng tỏa nhiệt mạnh - Có thể thực trộn ngược khối phản ứng nguyên liệu Vì phản ứng tỏa nhiệt mạnh nên để trì nhiệt độ phản ứng 75-1000C xảy q trình trao đổi nhiệt với mơi trường bên cách bốc cấu tử dễ bay hơi: axetandehyt Quá trình cấp nhiệt cho phản ứng cung cấp trực tiếp qua nước c Đặc điểm xúc tác Xúc tác ảnh hưởng quan trọng đến trình, theo nguyên tắc để chuẩn bị xúc tác ta dùng nhiều loại axit khác nhau: H 2SO4, H3PO4, HCl tốt H2SO4 cho vận tốc phản ứng lớn hiệu suất axetandehyt cao Nồng độ H2SO4 dao động khoảng 6÷ 35% (theo trọng lượng chất lỏng) Nồng độ axit cao vận tốc phản ứng lớn giảm lượng xúc tác cần thiết, nồng độ axit lớn sinh nhựa dẫn đến hao hụt xúc tác Thông thường người ta dùng H2SO4 20% Nồng độ thủy ngân oxit (HgO) xúc tác lỏng không lớn 1%, nồng độ HgO > 1% ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng làm hao tốn thủy ngân tái sinh dung dịch xúc tác Trong trình làm việc xúc tác dần hoạt tính nhanh Hg2+ bị khử thành Hg+ hay Hg d Thời gian lưu Của phản ứng ngắn để tránh phản ứng phụ không mong muốn là: phản ứng ngưng tụ axetandehyt tạo thành andehyt crotonic nhựa ảnh hưởng đến độ tinh khiết sản phẩm thu giảm hoạt tính xúc tác CHƯƠNG 2: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Số liệu ban đầu: 43 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt - Năng suất 45.000 /năm Thành phần hỗn hợp khí nguyên liệu vào : C2H2 = 99% H2O = 0,03% O2 = 0,02% N2 = 0,95% Thành phần sản phẩm: CH3CHO : 96% CH3COOH : 4% Mức độ chuyển hóa lần đưa nguyên liệu vào 50% Nhiệt độ phản ứng là: 95% Tổn thất CH3CHO là: 2% Nước công nghiệp xem loại tạp chất 2.1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.1.1 Tính cân vật chất cho thiết bị (tháp dehydrat hố) 2.1.1.1 Tính thời gian làm việc phân xưởng Dây chuyền sản xuất làm việc liên tục không nghỉ ngày lễ chủ nhật, ngừng làm việc cần thiết phải sửa chữa bảo dưỡng Thời gian làm việc tính theo cơng thức: Ttt = T - Tngh Trong : Ttt: Số ngày làm việc thực tế thiết bị năm T: Tổng số ngày năm 365 (ngày) Tngh: Thời gian nghỉ để sửa chữa, tu, bảo dưỡng thiết bị năm Ở ta chọn số ngày nghỉ thiết bị 30 ngày (gồm ngày nghỉ để sữa chữa, bảo dưỡng) Vậy : Ttt = T - Tngh = 365 - 30 = 335 (ngày) Thiết bị làm việc liên tục 335 ngày nên số làm việc năm là: 335 × 24 =8040 (giờ/năm) 2.1.1.2 Tính tiêu hao nguyên liệu a) Tính lượng C2H2 cần dùng để sản xuất CH3CHO Năng suất thiết bị sản xuất CH3CHO tính Kg là: N= 45000 ×1000 = 5597,015 (kg/h) 8040 Trong trình sản xuất bị tổn thất lượng CH3CHO 2% lượng CH3CHO tổn thất là: N tt = 5597,015 × 0,02 = 111 940 (kg/h) 44 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Vậy suất thực tế thiết bị là: N thực tế =5597,015+111,940 = 5708,955 (kg/h) Phương trình phản ứng xảy sau: H SO → CH3CHO C2H2 + H2O Hg (1) 2+ 26 18 44 x y 5708.955 Lượng C2H2 cần dùng cho trình tạo thành 5708,955 kg CH 3CHO là: 5708,955 × 26 = 3373,473 (kg) 44 x= Tuy nhiên mức độ chuyển hóa C2H2 50% Vậy lượng C2H2 cần dùng là: 3373,473 ×100 = 6746,946 (kg/h) 50 Mặt khác theo đề độ chuyển hóa C 2H2 thành CH3CHO đạt 96% nên lượng C2H2 kỹ thuật cần dùng là: G C2H (cd) = G C2 H (KT) = 6746,946 ×100 = 7028,069 (kg/h) 96 Lượng C2H2 dư là: G C 2H (d) = 7028,069 - 3373,473 = 3654,596 (kg/h) Mà nồng độ C2H2 đưa vào 99% nên lượng C2H2 thực tế đưa vào thiết bị là: 6746,946 ×100 G C H (TT) = = 6815,097 (kg/h) 99 Do phần khí C2H2 nguyên liệu đưa vào có chứa 0.03% hàm lượng nước 2 Vậy lượng nước (H2O) chiếm là: G H 2O = 6746,946 × 0,03 = 2,024 (kg/h) 100 Trong phần khí C2H2 nguyên liệu đưa vào có lẫn lượng khí Oxi (O 2) 0,02% lượng khí O2 chiếm là: G O2 = 6746,946 × 0,02 = 1,349 (kg/h) 100 Lượng khí Nitơ (N2 ) lẫn khí nguyên liệu chiếm 0,95% Vậy lượng khí N2 chiếm là: G N2 = 6746,946 × 0,95 = 64,096 (kg/h) 100 Vậy lượng C2H2 nguyên chất đưa vào thiết bị là: 45 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt 6746,946 – (1,349 + 2,024+ 64,069) = 6679,477 b) Tính lượng nước cần dùng cho q trình Nước cơng nghiệp xem loại tạp chất Vậy lượng H 2O cần dùng tính theo phản ứng (1) là: y= 5708,955 ×18 = 2335,482 (kg/h) 44 c) Tính tiêu hao nguyên liệu cho sản phẩm phụ Trong phản ứng tạo thành CH3CHO ngồi sản có sản phụ khác là: axit axetic(CH3COOH), andehyt crotonic(C3H5CHO) CH3CHO + 1/2O2 → CH3COOH (2) Theo phản ứng (2) ta thấy 44 (kg) CH 3CHO cộng với 16 kg O2 tạo thành 60 kg CH3COOH Vậy 5708,955 kg CH3CHO cộng với m (kg) O2 tạo thành n (kg) CH3COOH CH3CHO + CH≡ CH → CH2=CH-CH2-CHO (3) Trong phản ứng (3) ta thấy 44 (kg) CH 3CHO cộng với 26 (kg) C2H2 tạo thành 70 (kg) C3H5CHO Vậy 5708,955 (kg) CH3CHO cần p (kg) C2H2 tạo q(kg) C3H5CHO Theo u cầu tính tốn ta có 4% lượng CH3CHO tham gia phản ứng phụ: Vậy lượng CH3CHO tham gia vào phản ứng phụ là: 5708,955 × 0,04 = 228,358 (kg/h) Do thực tế thu lượng CH3CHO q trình là: 5708,955 - 228,358 = 5480,597(kg/h) 1,349 × 44 = 3,710(kg/h ) 16 Từ phản ứng (2) lượng CH3COOH tạo thành là: Lượng CH3CHO tham gia phản ứng phụ (2) là: 3,71 × 60 = 5,060( kg/h ) 44 Lượng CH3CHO tham gia phản ứng (3) là: 228,358–3,71=224,648 (kg/h) n= Và từ phản ứng (3) lượng C3H5CHO tạo thành là: 224,648 × 70 = 375,395(kg/h ) 44 Lượng C2H2 cần dùng cho phản ứng (3) là: 224,648 × 26 p= = 132,747(kg/h ) 44 Trong trình phản ứng Σ Gra = Σ Gvào q= 46 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt Bảng 2.1 Bảng cân vật chất cho thiết bị Hydrat hoá Các cấu tử vào C2H2 kt C2H2(p/ư phụ) O2 kg/h 7028,069 132,747 1,349 N2 H2O (p/ư) H2O (lẫn) Tổng vào 64,096 2335,482 2,024 9563,767 Sản phẩm CH3CHO CH3COOH C3H5CHO C2H2 (dư) N2 H2O (lẫn) Tổng kg/h 5480,597 5,060 375,395 3654,596 64,096 2,024 9563,767 KẾT LUẬN Sau thời gian nỗ lực học hỏi, nghiên cứu tính tốn, với giúp đỡ tận tình thầy giáo mơn cơng nghệ hóa học, đặc biệt giúp đỡ nhiệt tình Ngơ Thị Thanh Hiền, đóng góp ý kiến bạn lớp, em hồn thành Đồ án mơn học với nội dung sau: 47 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt - Phần tổng quan lựa chọn phương pháp dây chuyền sản xuất axetandehyt suất 45.000 tấn/năm, phù hợp với điều kiện thực tế nước ta Vẽ dây chuyền sản xuất thiết bị phản ứng - Phần tính tốn tính cân vật chất, cân nhiệt lượng, tính tốn thiết bị - Phần thiết kế xây dựng tính tốn kinh tế, tính an tồn lao động tự động hóa nhà máy Sau hồn thành đồ án, em tích lũy nhiều kiến thức tính tốn thiết kế, cách đọc vẽ, sơ đồ dây chuyền, giúp ôn lại kiến mơn học như: hóa học hữu cơ, q trình thiết bị hóa chất, biết cách tra tài liệu, biết cách tra cứu đại lượng hóa lý Qua phần lý thuyết tổng quan giúp em nắm kĩ cách trình bày nguyên tắc hoạt động dây chuyền công nghệ so sánh ưu nhược điểm cơng nghệ để từ biết cơng nghệ thích hợp cho điều kiện nước ta Biết cách tính tốn cân vật chất cân nhiệt lượng cho số thiết bị sau tự thiết kế dây chuyền sản xuất giúp em lựa chọn thiết bị cho phù hợp cho dây chuyền sản xuất Qua cách tính tốn kinh tế xây dựng giúp em lựa chọn dây chuyền sản xuất cho thời gian hoàn vốn ngắn hiệu nhà máy dựng lên không ảnh hưởng đến môi trường đô thị, khu dân cư di sản văn hóa địa phương Điều em ln tâm đắc qua Đồ án môn học giúp em cách làm việc ln mong muốn học hỏi tìm tòi thầy cô bạn bè điều giúp em tự tin trường làm việc độc lập Để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao, em xin chân thành cảm ơn Th.S Ngô Thị Thanh Hiền người hướng dẫn em tận tình từ đầu đồ án tới kết thúc, giúp em hồn thành tốt nhiệm vụ thiết kế Tuy nhiên q trình làm đồ án khơng tránh khỏi sai sót em mong nhận góp ý bảo q thầy Em xin chân thành cảm ơn Bình Định, tháng 04 năm 2017 Sinh viên thực 48 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] Đỗ văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đỗ Ngọc Cử, Cơ sở trình thiết bị cơng nghệ hóa học tập 1, 1999, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Đỗ văn Đài, Nguyễn Bin, Phạm Xuân Toản, Đỗ Ngọc Cử, Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học tập 2, 2000, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Ngơ Bình, Cơ sở xây dựng nhà công nghiệp, 1997, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngô Trần Ánh, Kinh tế quản lý doanh nghiệp, 2003, Nhà xuất thống kê, Hà Nội Nguyễn Thế Đạt, Khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động số vấn đề môi trường, 2005, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Thị Minh Hiền, Cơng nghệ chế biến khí tự nhiên khí đồng hành, 2000, nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, 2006, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên, Công nghệ tổng hợp hữu hóa dầu, 2006, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Phan Minh Tân, Tổng hợp hữu hóa dầu tập 1, Trường đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Phan Minh Tân, Tổng hợp hữu hóa dầu tập 2, Trường đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Sổ tay tóm tắt đại lượng hóa lý, 2001, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội xuất Trần Công Khanh, Thiết bị phản ứng sản xuất hợp chất hữu cơ, 1986, Trường đại học bách khoa Hà Nội Trần Thị Hồng, Giáo trình tổng hợp hữu hóa dầu, 2006, Trường Đại học công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Trần Trọng Khng, Trần Xoa (chủ biên), tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, 1999, nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Trọng Khuông, Trần Xoa (chủ biên), tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, 1999, nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Văn Địch, Tự động sản xuất, 2006, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Encyclopeadia of chemical Technology,Vol A1, 1996 Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A1, năm 1995 49 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt [19] Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A9, năm 1995 [20] Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A10, 1995 [21] http://www.chemeng.lth.se/exjobb/E572.pdf [22] http://www.che.cemr.wvu.edu/publications/projects/large_proj/acetaldehyde.pdf 50 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy Đồ án môn học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt MỤC LỤC Bảng 2.1 Bảng cân vật chất cho thiết bị Hydrat hoá 47 SVTH: Nguyễn Thanh Vủ 51 GVHD: Th.S Đỗ Thị Diễm Thúy ... 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. .. 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... học Thiết kế phân xưởng sản xuất axetandehyt đến 70% suất trình đạt 97 ÷ 99% tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng Sản phẩm thiết bị phản ứng đưa qua thiết bị làm lạnh (4) qua thiết bị lọc khí (5) Sản