Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

Khí tự nhiên và khí đồng hành trên thế giới hiện nay có tiềm năng rất lớn với trữ lượng ước tính khoảng 130.10 3 3 tỷ m , trong đó sản xuất và sử dụng 3 3 khoảng 2.10 tỷ m . Việc sử dụng khí tự nhiên hiện nay chủ yếu làm nhiên liệu cho các lò đốt, lò hơi, nhà máy nhiệt điện và một phần nhỏ làm nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu. Để nâng cao giá trị sử dụng và hiệu quả kinh tế người ta cố gắng tìm ra phƣơng pháp tối ưu để chuyển hoá khí tự nhiên thành các hydrocacbon có số nguyên tử C >= 2. Các sản phẩm này có ứng dụng rộng rĩa làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hoá dầu.

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên GIỚI THIỆU Khí tự nhiên khí đồng hành giới có tiềm lớn với trữ lƣợng ƣớc 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 ngƣời ta cố gắng tìm phƣơng pháp tối ƣu để chuyển hố khí tự nhiên thành hydrocacbon có số nguyên tử C  Các sản phẩm có ứng dụng rộng rĩa làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu hoá dầu Trƣớc đây, Axetylen nguồn nguyên liệu chủ yếu công nghiệp tổng hợp hữu Khi cơng nghiệp hố dầu phát triển, Axetylen đƣợc sản xuất từ napheta rẻ hơn, bền Tuy nhiên, Axetylen đƣợc tiếp tục sản xuất số sản phẩm đặc bệit đƣợc tổng hợp từ Axetylen hiệu hơn, hiệu suất cao, công nghệ tiên tiến Các q trình cơng nghệ sản xuất Axetylen giới gồm có:  Cơng nghệ sản xuất Axetylen từ than đá hay cacbuacanxi  Công nghệ sản xuất Axetylen từ khí tự nhiên hydrocacbon Cơng nghệ sản xuất Axetylen từ than đá hay canxicacbua công nghệ truyền thống Nó có ƣu điểm Axetylen thu đƣợc nồng độ cao (90%), nhƣng gây ô nhiễm mơi trƣờng, tiêu thụ lƣợng lớn (điện năng…), khó tự động hoá Hiện nay, nƣớc Italy, Nhật, Nam Phi, Ấn Độ sản xuất Axetylen theo phƣơng pháp Cơng 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 lƣu ngắn vài ms (0,005 - 0,02s) Sau sản phẩm đƣợc nhanh chóng làm lạnh xuống nhiệt độ thấp nhằm tránh phân huỷ sản phẩm Công nghệ có ƣu điểm khơng Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên nhiễm mơi trƣờng, kinh tế, tự động hố cao Do vậy, đề tài em "Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên" PHẦN I :TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN Khí thiên nhiên đƣợc khai thác từ mỏ khí nằm sâu dƣới mặt đất Trong khí thiên nhiên thành phần chủ yếu me tan (CH4) chiếm khoảng 93 – 99% mol lại hợp chất khác nhƣ etan (C2H6), Propan (C3H8) lƣợng nhỏ butan (C4H8) ngồi cịn có thành phần phi hydrocacbon khác nhƣ N2, CO2, H2S, He, H2 Ở nhiều mỏ khí khí thiên thu đƣợc khí chua tức thành phần có chứa nhiều khí H2S Và CO2 Khí CO2 Và H2S có mặt khí thiên nhiên điều có hại làm tăng chi phí vạn chuyển, làm giảm nhiệt cháy gây ăn mòn đƣờng ống nồng độ chúng phải đƣợc khống chế tỷ lệ cho phép chúng phải đƣợc làm trƣớc chế biến hoá học Dƣới bảng số liệu thành phần khí thiên nhiên CHLB Nga Việt Nam Bảng 1: Thành phần khí thiên nhiên Thành phần Phần mol Các hydrocacbon 0,75 – 0,99 Metan 0,01 – 0,15 Etan 0,01 – 0,1 Propan 0,01 n-Butan 0,01 n-Pentan 0,01 Iso-Pentan 0,01 Hexan 0,001 Heptan hydrocacbon cao 0,001 Các phi hydrocacbon N2 Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II 0,15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên CO2 0,1 H2S 0,3 He 0,05 Bảng 2: Thành phàn hố học khí thiên nhiên khí đồng hành Việt Nam Khí đồng hành Cấu tử Bạch Hổ Đại Hùng Khí tự nhiên Rồng Tiền Hải Rồng tự CH4 73,0 77,0 78,0 87,6 84,0 C2H6 12 10 3,0 3,1 6,0 C3H8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C4H10 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C5H12 2,5 1,2 1,0 0,8 23,0 CO2 0,7 3,0 2,0 3,0 4,0 N2 0,5 3,0 2,0 3,0 4,0 1.2 TỔNG QUAN VỀ AXETYLEN Axetylen có vai trị quan trọng cơng nghiệp hố học có nhiều ứng dụng trong q trình gia cơng kim loại Nhiệt độ lửa khí axetylen cao nên ngƣời ta dùng khí axetylen để hàn ,cắt, tẩy gỉ, khử C… Từ năm 1940 trở trƣớc axetylen đƣợc sản xuất từ canxi cacbua Quá trình sản xuất axetylen từ hydrocacbon bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ sau đại chiến giới lần thứ hai Quá trình ban đầu đƣợc tiến hành phịng thí nghiệm với mục đích xác định điều kiện biến đổi hydrocacbon parafin thành axetylen Nhờ tích luỹ đƣợc kinh nghiêm 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 Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên Quá trình nhiệt phân trực tiếp hydrocacbon để sản xuất axetylen trình phức tạp, xuất cơng nghiệp vịng năm mƣơi năm trở lại Trong công nghệ hydrocacbon bị nhiệt phân nhiệt độ cao (1100 – 15000C) điều kiện đoạn nhiệt thời gian phản ứng ngắn (từ 0,005- 02 giây) Sau sản phẩm đƣợc nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế phản ứng phân huỷ axetylen Nhiệt phân hydrocacbon để nhận axetylen lần đƣợc thực hãng Wulf - process (Mỹ) để cắt mạch Propan Sau trình nhiệt phân đồng thể mà chất tải nhiệt khí cháy (khói lị) có nhiệt cao Theo phƣơng pháp ngƣời ta xây dựng thiết bị Mỹ, Pháp, Italia Sau ngƣời ta phát minh đƣợc phƣơng pháp cấp nhiệt cách đƣa oxy vào vùng phản ứng để đốt cháy phần nguyên liệu cấp nhiệt cho lò ngƣời ta gọi phƣơng pháp oxy hố Ngƣời ta dùng lƣợng điện để cracking hydrocacbon với mục đích sản xuất axetylen Ngồi ngƣời ta cịn dùng phƣơng pháp truyền nhiệt đại để sản xuất axelylen nhƣ nhiệt phân dòng plasma nhiệt độ thấp Các phƣơng pháp ngày cho phép tổ chức sản xuất axetylen theo sơ đồ công nghệ đơn giản hơn, lò phản ứng nhỏ nhƣng suất lớn vốn đầu tƣ không cao Kết hợp với việc sử dụng hiệu (tận dụng hợp lý) sản phẩm thu đƣợc trình nhiệt phân cho phép hạ giá thành sản phẩm axetylen Tuy trình từ ngun liệu hydrocacbon có suất lớn, thích hợp công nghiệp nhƣng sản xuất axetylen từ canxi cacbua giữ vai trị định cơng nghiệp nƣớc khơng có tiềm khí tự nhiên khí đồng hành hay dùng axetylen việc hàn cắt kim loại 1.2.1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ Hai nguyên tử cacbon phân tử axetylen trạng thái lai hoá sp, chúng liên kết với liên kết() hai liên kết  Mỗi nguyên tử Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên cacbon cịn liên kết () với nguyên tử H Độ dài liên kết giảm dần theo thứ tự sau: etan, etylen, axetylen Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên Chất liên kết Etan Etylen Axetylen H–C 110,2 108,6 105,9 C–C 154,3 133,7 120,7 Tuy nhiên, theo thứ tự xu hƣớng hút electron nguyên tử cacbon lại tăng (etan Csp2 > Csp3 Kết liên kết  C – H có phân cực mạnh:  C  H làm tăng mô men lƣỡng cực liên kết làm tăng khả hydro tách dƣới 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 nhƣ trình bày mà axetylen dễ dàng tham gia phản ứng nhƣ : phản ứng thế, phản ứng cộng hợp, ngun tử H, polime hố phản ứng đóng vịng Sự phát triển phản ứng axetylen có mặt áp suất mở đầu cho nghành cơng nghiệp hố axetylen đại W.Reppe (1892- l969), BASF Ludwigshafen (Cộng hoà liên bang Đức) Các nhóm phản ứng quan trọng vinyl hố, etynyl hố, cacbonnl hố, polime hố đóng vịng polime hoá thẳng Trần Thanh Hữu - Lớp Hoá Dầu II .. .Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên nhiễm mơi trƣờng, kinh tế, tự động hoá cao Do vậy, đề tài em "Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên" ... Dầu II 0,15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên CO2 0,1 H2S 0,3 He 0,05 Bảng 2: Thành phàn hoá học khí thiên nhiên khí đồng hành Việt Nam Khí đồng hành Cấu... Hữu - Lớp Hoá Dầu II Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên Q trình nhiệt phân trực tiếp hydrocacbon để sản xuất axetylen trình phức tạp, xuất cơng nghiệp vịng