Thiết kế phân xưởng sản xuất dicloetan năng xuất 20 000 tấnnăm 50

Mục lục Lời mở đầu Chương I: Tổng quan lý thuyết A Tổng quan DE I Giới thiệu DE I.1 Tính chất vật lý I.2 Tính chất hố học I.2.1 Nhận xét phân tử dicloetan I.2.2 Phản ứng nucleophyl I.2.3 Phản ứng nucleophyl I.2.4 Một số phản ứng hoá học khác II Cơ chế phản ứng clo hoá etylen III Nguyên liệu sản xuất dicloetan 10 III.1 Etylen 10 III.1.1 Tính chất vật lý 10 III.1.2 Tính chất hố học 11 III.1.3 ứng dụng etylen 14 III.1.4 Điều chế etylen 14 III.2 Clo 14 III.2.1 Tính chất vật lý 14 III.2.2 Tính chất hố học 15 III.2.3 ứng dụng clo 17 III.2.4 Điều chế clo 18 IV Các yếu tố ảnh hưởng 18 IV.1.ảnh hưởng nhiệt độ 18 IV.2 ảnh hưởng thành phần khí 19 IV.3 ảnh hưởng xúc tác 20 V ứng dụng dicloetan 20 B Các phương pháp sản xuất DE 21 I Phương pháp clo hoá trực tiếp etylen 21 I.1 Clo hoá trực tiếp etylen pha lỏng 21 I.1.1 Nguyên liệu 21 I.1.2 Phản ứng trình 21 I.1.3 Cơng nghệ clo hố nhiệt độ thấp (LTC) 22 I.1.4 Cơng nghệ clo hố nhiệt độ cao (HTC) 23 I.2 Clo hố trực tiếp etylen pha khí 24 II Phương pháp oxyclo hoá etylen 26 II.1 Phương pháp oxyclo hố etylen phan khí 26 II.1.1 Xúc tác trình 26 II.1.2 Cơ chế phản ứng 26 II.1.3 Đặc trưng công nghệ sản phẩm 27 II.1.4 Nguyên liệu28 28 III Phương pháp oxyclo hoá etan 30 IV Các trình khác sản xuất DE 30 C Lựa chọn phương pháp sản xuất 30 I So sánh trình sản xuất DE 30 II Lựa chọn thuyết minh dây chuyền 31 II.1 Lựa chọn dây chuyền 31 II.2 Thuyết minh dây chuyền 32 Chương II: Tính tốn 33 A Tính cân vật chất 33 I Cân vật chất cho q trình clo hố 33 I.1 Lượng chất vào thiết bị clo hóa 34 I.1.1 Lượng etylen cần để tạo thành DE TCE 34 I.1.2 Lượng clo cần để tạo thành DE, TCE DCP 35 I.2 Lượng chất khỏi thiết bị clo hoá 36 B Cân nhiệt thiết bị clo hóa 37 I Lượng nhiệt nguyên liệu mang vào 38 I.1 Lượng nhiệt etylen kỹ thuật mang vào 38 I.2 Lượng nhiệt etylen kỹ thuật mang vào 38 II Lượng nhiệt phản ứng clo hóa 39 II.1 Lượng nhiệt phản ứng (1) tạo thành 39 II.2 Lượng nhiệt phản ứng (2) tạo thành 39 II.3 Lượng nhiệt phản ứng (3) tạo thành 40 III Lượng nhiệt sản phẩm mang 40 III.1 Lượng nhiệt sản phẩm khí mang 40 III.2 Lượng nhiệt sản phẩm lỏng mang 41 IV Lượng nhiệt môi trường 42 V Lượng nhiệt tác nhân làm lạnh 42 C Kích thước thiết bị 43 I Thể tích thiết bị 43 II Kích thước thiết bị 44 Kết luận 46 Tài liệu tham khảo 47 Lời mở đầu Dicloetan dẫn xuất clo hydrocacbon có cơng thức phân tử C2H4Cl2 Nó hợp chất hữu có nhiều ứng dụng cơng nghiệp hố học dể tổng hợp hợp chất khác VC, etylenglycol, etylendiamin, cao su tổng hợp thiokol… Ngồi dicloetan cịn sử dụng dung mơi để trích ly chất béo khỏi mỡ động vật, thực vật, khử dầu mỡ da lông thú, làm kim loại trước mạ crôm, niken Do ứng dụng trên, đặc biệt ứng dụng dicloetan để sản xuất polyvinylclorua monome để tổng hợp PVC chất cần thiết ngành cơng nghiệp ơtơ, xây dựng, dân dụng việc lựa chọn phương pháp sản xuấtđpicloetan quan trọng Ngày dicloetan hợp chất hoá học sản xuất với quy mô lớn tốc độ cao nhu cầu tiêu thụ PVC thị trường lớn Vào năm 1981 với 85% tổng số sản phẩm dicloetan sử dụng để sản xuất vinylclorua, 10% sử dụng cho việc sản xuất dung môi chứa clo 1,1,1 tricloetan, tetracloetan….ngoài cho tổng hợp etylendiamin Sản lượng dicloetan vào năm 1985 tính tốn vào khoảng: Mĩ 10 tấn, châu Âu 106 tấn, Nhật 2.5 106 tấn.[6] Tốc độ phát triển trung bình tương lai khó co thể dự đốn trước phụ thuộc nhiều vào tốc độ tiêu thụ PVC thị trường, khả tự động hố khong cơng nghệ chiến lược kinh doanh nhà sản suất Mặc dù có nhiều phương pháp sản xuất có hai cơng nghệ để sản xuất dicloetan là: Clo hoá trực tiếp etylen cơng nghệ oxyclo hố etylen để sản xuất dicloetan Ngày hai phương pháp cải tiến mở rộng nhiều Dây chuyền sản xuất dicloetan thường kết hợp với dây chuyền sản xuất VC để tận dụng lượng HCl sinh từ trình sản suất VC Chương I: Tổng quan lý thuyết a tổng quan DE I Giới thiệu dicloetan Dicloetan hợp chất hữu cơ, có hai đồng phân là: 1,1dicloetan (CH3CH2Cl2) 1,2dicloetan (ClCH2- CH2Cl) Trong 1,1dicloetan hợp chất khơng có nhiều ứng dụng thường sản phẩm phụ không mong muốn trình sản xuất DE, 1,1_dicloetan có ứng dụng quan trọng nguyên liệu để sản xuất 1,1,1tricloetan.[6] I.1 Tính chất vật lý Dicloetan chất lỏng không màu, không hồ tan nước tạo với nước thành hỗn hợp đẳng phí sơi 72 oC có chứa 19,5% nước Nó có khả hồ tan nhiều hợp chất vô chất béo1 Dicloetan chất khó cháy xảy q trình cháy dễ dàng dập tắt nước Dicloetan dễ gây mê, hít phải Dicloetan bị đau đầu, ho chết Giới hạn nồng độ cho phép dicloetan khơng khí 0.05 mg/l.[1] Một số thơng số hố lý dicloetan cho bảng sau [6]: Bảng 1: Tính chất vật lý Dicloetan Khối lượng phân tử Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sôi 101,3KPa Khối lượng riêng 20oC áp suất 0oC 20oC 30oC 50oC 70oC 80oC Nhiệt tạo thành (lỏng) ∆Ho298 Nhiệt dung riêng (lỏng 20oC) Nhiệt hoá 298ok Nhiệt hoá áp suất tới hạn Tỷ trọng 20oC Sức căng bề mặt 20oC Hằng số điện môi Điểm chớp cháy (cốc kín) Điểm chớp cháy (cốc hở) Nhiệt độ bắt lửa 98,97 -35,3oC 83,7oC 1,253g/cm3 3,330KPa 8,530KPa 13,300KPa 32,000KPa 66,650KPa 93,310KPa -157,3kj/mol 1,288kj/kg-1k-1 34,7kj/mol 563oK 5360KPa 0,84.10-3Pa.s 31,4.10-3N/m 10,5 17oC 21oC 413oC Giới hạn nổ với khơng khí 25oC Độ tan nước 25oC Độ tan nước Dicloetan 20oC 6,2-15,6vol%Dicloetan 0,86%kl 0,16%kl Bảng 2: Hỗn hợp đẳng phí với hai cấu tử Dicloetan Phần trăm khối lượng (%kl) 18,0 38,0 37,0 19,5 43,5 32,0 19,0 79,0 18,0 8,2 Điểm sôi hỗn hợp o đẳng phí, C 79,9 77,4 70,3 72,0 74,7 61,0 80,7 75,6 82,9 70,5 Thành phần 2-propen-1-ol Axit formic Etanol 1,1-Dicloetan 2-propanol Metanol 1-propanol Tetra cloruaetan Tri cloetan Nước I.2 Tính chất hoá học I.2.1 Nhận xét phân tử dicloetan Do có khác độ âm điện nguyên tử clo nguyên tử cacbon nên cặp electron tạo thành liên kết C- Cl bị lệch phía nguyên tử Cl Kết nguyên tử C có giảm mật độ electron mật độ electron nguyên tử Cl lại tăng nên Do mà nguyên tử Cl bị tách dạng Cl- Như dicloetan tham gia phản ứng đạc trưng là: phản ứng nucleophyl phản ứng tách loại HCl H δ− Cl δ+ H δ+ C C H H δ− Cl So với monohalogen dicloetan có khả phản ứng độ phân cực liên kết giảm dần [8] trạng thái bình thường dicloetan tinh khiểt ổn định chí nhiệt độ tăng hay có mặt sắt Nhưng nhũng điều kiện thuận lợi lại có khả phản ứng cao I.2.2 Phản ứng nucleophyl [1],[8] Đây phản ứng thay anion Cl- tác nhân nucleophyl khác anion (OH-, CN-, NO-), phân tử trung hồ có cặp electron tự (NH3, RNH2) Dưới ta xét số phản ứng tiêu biểu • Phản ứng thuỷ phân Thuỷ phân Dicloetan ta thu etylenglycol, trình tiến hành nhiệt độ 200oC,và áp suất P =15at có mặt Na2CO3 tham gia, phản ứng xảy theo chế SN1 Cl- CH2- CH2- Cl + 2H2O → HOCH 2- CH2OH + 2HCl Na2CO3 xúc tác giúp chuyển dịch cân phía phải.Ngồi sử dụng huyền phù oxit bạc nước sôi Etylenglycol sử dụng nhiều công nghiệp sản xuất sợi tổng hợp, quân dùng để sản xuất chất nổ Na2CO3 • Phản ứng với NH3 Tác dụng Dicloetan với Amoniac áp suất nhiệt độ 120oC ta thu Etylendiamin, dung môi triết tách hay sử dụng Cl- CH2- CH2- Cl + NH3 → NH2- CH2- CH2- NH2 + NH4Cl • Tác dụng với alcolat: RONa Cl- CH2- CH2- Cl + 2RONa → RO- CH2- CH2- OR + 2NaCl • Tác dụng với dẫn suất cyanlua Cl- CH2- CH2- Cl + 2CN- → CN- CH2- CH2- CN + 2ClCNCH2- CH2CN + 2H2O → CH2- COOH + 2NH3 CH2- COOH (axit sucxinic) • Tác dụng với tetrasunfitnatri Tác dụng dicloetan với tetrasunfitnatri ta thu loại cao su tổng hợp cấu tạo mạch thẳng, gọi cao su sunfit hay thiokol nCl-CH2-CH2-Cl + nNa2S4 -CH2-S-S-C2H=-S-S-CH2- + 2nNaCl SS SS I.2.3 Phản ứng tách loại HCl [8] Song song với phản ứng nucleophul dicloetan tham gia phản ứng tách loại HCl tạo olefin Khi nhiêt độ vượt 3400C dicloetan bắt đầu bị phân huỷ thành vinylclorua hydroclorua 340 C Cl- CH2- CH2- Cl → CH2= CHCl + HCl Vinylclorua tạo thành từ phản ứng dicloetan với dung dịch kiềm, phản ứng xảy theo chế tách loại đơn phân tử E1 Cl- CH2- CH2- Cl + NaOH → CH2= CHCl + NaCl + H2O I.2.4 Một số phản ứng hố học khác [8] • Phản ứng khử hố Zn+ HCl Cl- CH2- CH2- Cl + 4[H] → CH3- CH3 + 2HCl • Phản ứng với kim loại → CH3- CH3 + MgCl2 Cl- CH2- CH2- Cl + Mg  ete−khan II chế phản ứng clo hoá etylen [8] Tuỳ thuộc vào điều kiện mà phản ứng clo hoá etylen xảy theo chế khác Khi phản ứng xảy pha lỏng, dung môi phân cực va có mặt axit Lewis (FeCl3) phản ứng xảy dễ dàng theo chế cộng electronphyl, theo hai giai đoạn Về mặt hoá lập thể phản ứng cộng hợp trans Giai đoạn 1: + Với dung môi phân cực Cl2 + dung môi phân cực → Cl δ − − Cl δ + + Với xúc tác FeCl3 Cl2 + FeCl3 Cl δ − → Cl δ + → FeCl3 C C + Cl δ+ δ− Cl C FeCl3 C δ+ Cl δ− Cl (Phøcπ ) C C δ+ δ− Cl Phøc C C Cl σ FeCl3 + C + FeCl3 FeCl4 Cl (Phøcσ ) cã thĨ tån t¹i ë d¹ng sau: + C C C + Cl Cl + Giai đoạn giai đoạn anion Cl- tiếp tục công nhanh vào phức σ để tạo liên kết mới, tác nhân Cl- cơng vào phía ngược lại với phía mà nguyên tử clo trước công (cộng hợp trans) Cl + C C FeCl4 + C C + FeCl3 Cl Cl Khi có mặt ion lạ khác phản ứng xảy theo giai đoạn cộng hợp cis C + C + δ+ Cl δ− Cl Cl Br-, I- C C Cl Cl Tuy nhiên thực ngiệm người ta thấy có mặt ion khác Br thu hỗn hợp sản phẩm C C + C + δ+ Cl δ− Cl NaBr C Cl OCH3 CH3OH Cl C III Nguyên liệu sản xuất dicloetan C Cl III.1 Etylen Etylen có công thức CH2 = CH2, chất quan trọng cơng nghiệp hữu hố dầu sản xuất nhiều giới Nó đựơc coi “ Vua hydrocacbon” lý sau • Cấu tạo đơn giản hoạt tính hố học cao • Tương đối dẻ tiền • Dễ sản xuất từ hydrocacbon khác trình steam cracking, cho hiệu suất cao • Các phản ứng từ nguyên liệu etylen tạo thành sản phẩm phụ so với olefin khác Ngày etylen thay dần axetylen nhiều q trình tổng hợp III.1.1 Tính chất vật lý điều kiện thường etylen chất khí Nó khó hồ tan nước lại hồ tan hầu hết dung môi hưu rượu, ete, dicloetan hydrocacbon thơm đặc biệt hồ tan tố SO2 lỏng Một số thơng số hố lý etylen cho bảng sau: [8], [10] 10 Bảng Tính chất vật lý etylen o Điểm nóng chảy -169,15 C Điểm sơi -103,71 C Nhiệt độ tới hạn (Tc) 990 C 5,117MPa o áp suất tới hạn (Pc) o Tỷ trọng tới hạn Nhiệt nóng chảy 0,21g/cm 111,5kj/kg Nhiệt cháy 47,183Mj/kg Nhiệt hố + điểm sơi + 0oC 488kj/kg áp suất + –150oC + điểm sôi + 0oC Entanpy Entropy Giới hạn nổ khơng khí 0,1MPa 20oC + Giới hạn + Giới hạn 191kj/kg 0,002MPa 0,102MPa 4,270MPa 52,32kj.mol 0,220kj.mol-1.K-1 2,75%VOL 34,6g/cm 28,6%VOL 360,1g/cm III.1.2 Tính chất hoá học [8] Trong phân tử etylen nguyên tử cacbon trạng thái lai hoá Sp2 CC C π σ C So với liên kết σ mật độ điện tử liên kết π lớn tập trung vào khoảng hai nguyên tử cacbon Các obital π trải rộng hai phía liên kết σ bazơ Lewis tức axit Lewis dễ dàng 11 cộng vào etylen theo chế cộng electronphyl Ngoài phản ứng cộng etylen tham gia phản ứng trùng hợp, phản ứng tổng hợp oxo, phản ứng oxi hoá * Phản ứng cộng Các phản ứng cộng liên π bị đứt để hai nhóm gắn thêm vào cho hợp chất no CH2= CH2 + X-Y → X- CH2- CH2- Y • Cộng halogen: - Cộng Brơm: Dẫn khí C2H2 qua dung dịch nước Brơm có màu đỏ nâu dung dịch màu CH2= CH2 + Br → CH2Br- CH2Br Xúc tác cho phản ứng dung môi phân cực, AlCl3, FeCl3 - Cộng Clo: Phản ứng cộng clo etylen để điều chế Dicloetan (DE) đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp Để tăng thêm tốc độ phản ứng người ta thường dùng thêm chất xúc tác FeCl3 thân DE dùng làm dung môi cho phản ứng CH2= CH2 + Cl2 → CH2Cl – CH2Cl Khi nhiệt độ cao xảy trường hợp Clo thay hydro cacbon nối đôi CH2= CH2 + Cl2 → CH2= CHCl + HCl - Cộng iot: CH2= CH2 + I2 CH2I – CH2I Nếu phản ứng tiến hành điều kiện có ánh sáng phản ứng cộng halogen vào etylen thường kèm theo phản ứng thế, kết hình thành sản phẩm phụ Tri, Tetra hay Polyhalogen → • Cộng Hydro: Khi có mặt chất xúc tác Ni Pt nung nóng, etylen cộng hydro vào liên kết đôi tạo thành ankan tương ứng, liên kết π bị đứt CH2= CH2 + H2 → CH3- CH3 + 32,8 Kcal • Cộng Axit Một số axit mạnh HI, HBr, HCl, H2SO4 cộng vào liên kết đôi etylen tương tự Br 12 Chương II Tính tốn A Tính cân vật chất I cân vật chất cho q trình clo hố Chọn thiết bị clo hoá trực tiếp etylen nhiệt độ thấp, áp suất trung bình, làm việc liên tục Thiết bị nghỉ làm việc đến kỳ sửa chữa Trong năm có 365 ngày ta dành: - ngày dành để nghỉ tết cho việc kiểm tra sửa chữa nhỏ - 15 ngày cho việc trì, bảo dưỡng, thay sửa chữa lớn Như vậy, năm số ngày làm việc thiết bị là: 365 – - 15 = 345 ngày Suy số làm việc năm thiết bị là: 345 x 24 = 8280 Ta có số liệu ban đầu là: - Năng suất: 20.000 tấn/năm - Lượng DE tổn thất: 3% - Lượng tricloetan tạo thành: 4,6% - Lượng etylen lấy dư: 10% - Hiệu suất chung: 95% - Thành phần khí ban đầu tính theo % thể tích: + Etylen kỹ thuật: 92%CH2; 5%C2H6; 3%C3H6 + Clo kỹ thuật: 82%Cl2; 10,4%N2; 3%O2; 1,6%CO2 Trong DE hồ tan 50% HCl (khí) tạo thành phản ứng + Năng suất DE tính theo là: 20000.1000 = 2415, 46kg / h 8280 + Lượng DE tổn thất 3% là: 2415,46.0,03 = 72,46 kg/h + Lượng DE tạo 2415,46 + 72,46 = 2487,92 kg/h Đồng thời lượng TCE (tricloetan) tạo thành chiếm 4,6% lượng DE nên lượng TCE tạo là: 2487,92.0,046 = 114,44 kg/h Khi clo tác dụng với etylen, xảy phản ứng sau: 32 CH2= CH2 + Cl2 (1) ClCH2- CH2Cl (DE) ClCH2- CHCl2 + HCl (TCE) Ngồi clo cịn phản ứng với propylen CH2= CH2 + 2Cl2 CH2= CH- CH3 + Cl2 CH2Cl- CHCl- CH3 Diclopropylen (DCP) (2) (3) I.1 Tính lượng chất vào thiết bị clo hoá Các chất vào gồm: • Etylen kỹ thuật: + Etylen + Etan + Propylen • Clo kỹ thuật + Clo + Nitơ + Oxi + Cacbon dixit I.1.1 Tính lượng etylen cần để tạo thành DE TCE + Theo phản ứng (1) Cứ 28kg C2H4 tạo thành 99kg DE X1kg C2H4 tạo thành 2487,92 kg DE Vậy X1 = 28.2487,92 99 = 703, 65kg / h + Theo phản ứng (2) Cứ 28 kg C2H4 tạo thành 133,5 kg TCE X2 kg C2H4 tạo thành 114,44 kg TCE Vậy X = 28.114,44 = 23,99kg / h 133,5 Tổng lượng C2H4 tiêu tốn cho phản ứng (1) (2) là: X1+ X2 = 23,99 + 703,65= 727,46 kg/h Hiệu suất trình 95% nên lượng C2H4 thực tế 727,46: 0,95 = 765,94 kg/h Trong thực tế người ta lấy dư 10%, lượng etylen tổng cộng 765,94 + 765,94 0,1= 842,53 kg/h 33 Trong etylen kỹ thuật có chứa 92% C2H4 nên ta có: + Lượng etylen kỹ thuật cần dùng là; 842,53: 0,92 = 915,79 kg/h + Lượng etan có etylen kỹ thuật là: 915,79 0,05 = 45,79 kg/h + Lượng propylen có etylen kỹ thuật là: 915,79 0,03 = 27,47 kg/h I.1.2 Tính lượng clo để tạo thành DE, TCE DCP - Theo phản ứng (1) Cứ 28 kg C2H4 tác dụng hết với 71 kg clo 703,65kg C2H4 tác dụng hết với Y1 kg clo Vậy Y1 = 703,65.71 = 1784, 26kg / h 28 - Theo phản ứng (2) Cứ 28 kg C2H4 tác dụng hết với 142 kg clo 23,99 kg C2H4 tác dụng hết với Y2 kg clo Vậy Y2 = 23,99 142 28 = 121, 66kg / h - Theo phản ứng (3) Cứ 42 kg propylen tác dụng hết với 71 kg clo 27,47 kg propylen tác dụng hết với Y3 kg clo Vậy Y3 = 27,47 71 = 46, 44kg / h 42 Vậy tổng lượng clo cần thiết dùng cho phản ứng Y1+ Y2+ Y3 = 1784,26 + 121,66 + 46,44 = 1952,36 kg/h Hiệu suất chung trình 95% nên lượng clo thực tế 1952,36: 0,95 = 2055,12 kg/h Trong kỹ thuật có 82% clo, lượng khí clo kỹ thuật 2055,12: 0,82 = 2506,24 kg/h Lượng N2 có clo kỹ thuật 2506,24 0,104 = 260,65 kg/h Lượng O2 có clo kỹ thuật 2506,24 0,03 = 75,19 kg/h 34 Lượng CO2 có clo kỹ thuật 2506,24 0,016 = 40,10 kg/h I.2 Tính lượng chất thiết bị clo hoá Các chất ta bao gồm: • DE tạo thành • TCE tạo thành • DCP tạo thành • Etylen dư • Clo dư • Nitơ • Oxi • CO2 • Etan • HCl + Lượng etylen dư 867,70 - 749,38 = 118,32 kg/h + Lượng clo dư 2116,55 - 2010,72 = 105,83 kg/h + Lượng DCP tạo thành theo phản ứng (3) Cứ 42 kg C3H6 tạo thành 113 kg DCP 28,29 kg C3H6 tạo thành Z1 kg DCP Vậy Z1 = 113.28,29 42 = 76,11kg / h + Lượng HCl tạo thành theo phản ứng (2) Cứ 28 kg C2H4 tạo thành 36,5 kg HCl 24,72 kg C2H4 tạo thành Z2 kg HCl Vậy Z2 = 24,72 36,5 = 32, 22kg / h 28 Trong có 50% HCl hồ tan pha lỏng, lượng HCl pha lỏng là: 32,22.0,5=16,11 kg/h Từ kết tính ta có bảng số liệu sau 35 Bảng Cân vật chất thiết bị clo hoá Lượng chất vào Lượng chất Thành phần Khối lượng (kg/h) Thành phần Etylen kỹ thuật C2H4 C2H6 C3H6 Clo kỹ thuật Cl2 N2 O2 CO2 (943,15) 867,70 47,16 28,29 (2581,16) 2116,55 268,44 77,43 41,30 Pha lỏng DE TCE DCP HCl Khí Clo dư C2H4dư C2H6 N2 O2 CO2 HCl DE tổn thất Σ = 3446,86 Σ vào = 3446,87 Khối lượng (kg/h) 2487,56 117,86 76,11 16,11 105,83 118,32 47,16 268,44 77,43 41,30 16,11 74,63 B cân nhiệt lượng thiết bị clo hoá Ta có phương trình cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng Qngliệu + Qpư = Qra + Qtt + Qll [5-196] Trong đó: Qngliệu: nhiệt lượng nguyên liệu mang vào, kcal/h Qpư: nhiệt toả phản ứng clo hoá, kcal/h Qra: nhiệt sản phẩm mang ra, kcal/h Qtt: nhiệt tổn thất mang môi trường xung quanh, kcal/h Qll: nhiệt tác nhân làm lạnh mang vào, kcal/h I Tính lượng nhiệt nguyên liệu mang vào I.1 Lượng nhiệt etylen kỹ thuật mang vào Q1 = QC2 H + QC2 H + QC3H , kcal / h mà Q = G.C.t Trong đó: G: lượng hỗn hợp đầu, kg/h C: nhiệt dung riêng, kcal/h t: nhiệt độ đầu chất, oC 36 [5] Trong trình ta lấy to= 25oC Ta có bảng số liệu sau Bảng Nhiệt lượng etylen kỹ thuật mang vào C2H4 867,70 0,38 8243,15 G C Q C2H6 47,16 0,39 459,81 C3H6 28,29 0,364 257,44 Vậy tổng nhiệt lượng etylen kỹ thuật mang vào Q1= 8243,15+ 459,81+ 257,44= 8960,4 kcal/h I.2 Nhiệt lượng clo kỹ thuật mang vào Q2 = QCl2 + QN + QO2 + QCO2 , kcal / h mà Q= G.C.t Nhiệt độ trình to= 25oC [5] Ta có bảng số liệu sau Bảng Nhiệt lượng clo kỹ thuật mang vào Cl2 2116,55 0,114 6032,17 G C Q N2 268,44 0,25 1677,75 O2 77,43 0,2 387,15 CO2 41,30 0,22 227,15 Tổng nhiệt lượng clo kỹ thuật mang vào là: Q2= 6032,17+ 1677,75+ 387,15+ 227,15= 8324,22 kcal/h Tổng nhiệt lượng nguyên liệu mang vào là: QI = Qnguyên liệu = Q1 + Q2 = 8960,4 + 8324,22 = 17284,62 kcal/h II Nhiệt lượng phản ứng clo hố II.1 Tính nhiệt lượng phản ứng (1) tạo thành CH2= CH2 + Cl2 ClCH2- CH2Cl + ∆H1 Ta có Q1= a ∆H1 Với a: số mol etylen tham gia phản ứng a= 749,38 = 26, 76mol / h = 26760mol / h 28 ∆H1: hiệu ứng nhiệt phản ứng (1) 37  ∆H1= - 43,8 kcal/mol Nhiệt lượng phản ứng (1) tạo thành Q1= 26760.43,8 = 1172088 kcal/h II.2 Tính nhiệt lượng phản ứng (2) tạo thành CH2= CH2 + 2Cl2 ClCH2- CHCl2 + HCl + ∆H2 ∆H2: hiệu ứng nhiệt phản ứng (2) tạo thành, ∆H2 xác định theo công thức sau: ∆H = ∑ ni Ci − ∑ n j C j ∆H2= C[C=C] + 4C[C-H] + 2C[Cl-Cl] – C[C-C] – 3C[C-H] – 3C[C-Cl] – C[H-Cl] Biết:[8] C[C=C] = 101,2 kcal/mol C[C-C] = 62,8 kcal/mol C[C-H] = 85,6 kcal/mol C[Cl-Cl] = 57,8 kcal/mol C[C-Cl] = 70 kcal/mol C[H-Cl] = 102,1 kcal/mol  ∆H2 = 101,2 + 4.85,6 + 2.57,8 – 62,8 – 3.85,6 – 3.70 – 102,1  ∆H2 = -72,5 kcal/mol Số mol etylen tham gia phản ứng (2) a= 24,72 = 0,88286kmol / h = 882,86mol / h 28 Vậy nhiệt lượng phản ứng (2) tạo thành Q2 = a ∆H2 = 882,86.72,5 = 64007,35 kcal/h II Tính nhiệt lượng phản ứng (3) tạo thành CH2= CH- CH3 + Cl2 ClCH2- CHCl- CH3 + ∆H3 Ta có Q3 = a ∆H3 a: số mol propylen tham gia phản ứng (3) ∆H3 = 0,876 kcal/mol : hiệu ứng nhiệt phản ứng (3) Số mol propylen tham gia phản ứng (3) a= 28,29 = 0, 67357kmol / h = 673,57mol / h 42 38 Vậy nhiệt lượng phản ứng (3) tạo thành Q3 = 673,57.0,876 = 590,05 kcal/h Tổng nhiệt lượng tạo thành phản ứng QII = Qphản ứng = Q1 + Q2 + Q3 QII = 1172088 + 64007,35 + 590,05 = 1236685,4 kcal/h Tổng nhiệt lượng đưa vào cho q trình clo hố Qvào = Qnguyên liệu + Qphản ứng = QI + QII Qvào = 17284,62 + 1236685,4 = 1253970,02 kcal/h III Nhiệt lượng sản phẩm mang khỏi thiết bị clo hố III.1 Nhiệt lượng sản phẩm khí mang Ta có: QK = QC2 H +Q C2 H +QCO2 + QN + QO2 + QHCl K + QDETT Từ kết tính phần trên, ta có nhiệt lượng sản phẩm QCO2 = 170,34kcal / h QO2 = 290,4kcal / h QN = 1258,31kcal / h QC2 H = 344,84kcal / h Và từ công thức : Q = G.C.t [5] Với nhiệt độ trình to = 25oC, ta có Bảng Nhiệt lượng sản phẩm khí mang G C Q C2H4 dư 118,32 0,38 1124,04 HCl khí 16,11 0,125 50,34 DE tổn thất 74,63 0,198 369,42 Clo dư 105,83 0,114 301,62 Tổng nhiệt lượng khí mang QIII = Qkhí = 1124,04 + 50,34 + 369,42 +301,62= 1845,42 kcal/h III.2 Nhiệt lượng sản phẩm lỏng mang Qlỏng = QDE + QTCE + QDCP + QHCl Theo cơng thức 39 Q = G.C.t Trong q trình ta lấy nhiệt độ to = 30oC, ta có [5] Bảng 10 Nhiệt lượng sản phẩm lỏng mang DE lỏng 2487,56 0,79 49129,31 G C Q TCE 117,86 0,36 1060,74 DCP 76,11 0,56 1069,75 HCl lỏng 16,11 0,35 140,96 Trong đó: CDCP: xác định theo cơng thức M.C = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 + … [4] Với: M: khối lượng phân tử n1, n2, n3: nhiệt dung riêng nguyên tố tương ứng  M.C = 3Cc + 6CH + 2CCl Với: Cc = 2,8 kcal/nguyên tử.độ CH = 4,3 kcal/nguyên tử.độ CCl = kcal/nguyên tử.độ Từ số liệu trên, thay vào công thức ta tính nhiệt dung riêng DCP C DCP = 3.2,8 + 6.4,3 + 2.8 = 0,444 kcal/kg.độ 133 Từ số liệu này, ta tính theo cơng thức Q = G.C.t nhiệt độ t o = 0oC, cịn với nhiệt độ to = 30oC nhiệt dung riêng DCP tăng lên 4,2% Do nhiệt dung riêng DCP CDCP = 0,444.1,042 = 0,463 kcal/kg.độ Vậy tổng lượng nhiệt sản phẩm lỏng mang QIV = QDE lỏng + QTCE + QDCP + QHCl lỏng QIV = 49129,31+ 1060,74+ 1069,75+ 140,96= 51391,75 kcal/h Từ ta tính tổng lượng nhiệt sản phẩm lỏng khí mang khỏi thiết bị clo hoá Qra = QIII + QIV = 1845,42 + 51391,75 = 53237,17 kcal/h 40 IV Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh Do phản ứng clo hố etylen toả nhiệt lớn nên ta coi nhiệt tổn thất 2% Do đó, ta có tổng lượng nhiệt q trình QV = Qtt = 0,02.Qvào QV = 0,02 1253970,02 = 25079,40 kcal/h V Nhiệt lượng tác nhân làm lạnh Theo phương trình cân nhiệt lượng Qvào = Qra + Qtt + Qll Suy ra: QVI = Qll = Qvào– Qra - Qtt QVI = 1253970,02 – 53237,17– 25079,40 QVI = 1175653,45 kcal/h Từ kết tính được, ta có: Bảng 11 Cân nhiệt lượng thiết bị clo hoá Lượng nhiệt vào, kcal/h Lượng nhiệt ra, kcal/h Thành phần Lượng nhiệt Thành phần QI = Qngliệu QII = Qphản ứng 17284,62 1236685,4 53237,17 QIII + QIV = Qra 25079,40 QV = Qtt 1175653,45 QVI = Qll Σ = 1253970,02 Σ vào = 1253970,02 Lượng nhiệt C Tính kích thước thiết bị [4], [5] I Tính thể tích làm việc thiết bị Gọi Vvào thể tích hỗn hợp cấu tử vào thiết bị Vvao = VC2 H + VC2 H + VC3H + VCl2 + VN + VO2 + VCO2 Ta tính thể tích cấu tử theo công thức sau: m , l/h V= ρ Trong đó: V: thể tích cấu tử, l/h m: khối lượng cấu tử, g/h ρ: khối lượng riêng cấu tử, g/l Theo chế độ công nghệ thiết bị làm 20 ÷ 30oC Chọn nhiệt độ làm việc thiết bị 25oC Từ nhiệt độ này, ta có bảng khối lượng, khối lượng riêng thể tích cấu tử sau 41 42 Bảng 12 Khối lượng, khối lượng riêng cấu tử vào Tên cấu tử C2H4 C2H6 C3H6 Cl2 N2 O2 CO2 Khối lượng riêng ρ, kg/m 1261,4 1356,7 510 3220,4 1250,7 1428,9 1976,8 Khối lượng kg/h 867,70 47,16 28,29 2116,55 268,44 77,43 42,30 Thể tích m3/h 0,68786 0,03476 0,05547 0,65723 0,21463 0,54188 0,02140 2,21323 Vậy thể tích hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị Vvào = 2,21323 m3/h = 2213,23 l/h Thiết bị làm việc thiết bị khuấy trộn hình trụ Theo nguyên tắc thể tích làm việc thiết bị chiếm 70 ÷ 80% thể tích thiết bị để đảm bảo suất trình làm việc đảm bảo tuyệt đối vấn đề an tồn làm việc Vậy thể tích hỗn hợp vào thiết bị gồm có: Thể tích hỗn hợp nguyên liệu vào cộng với thể tích dung môi dicloetan đưa vào thiết bị Lượng dung môi dicloetan lỏng đưa vào ban đầu thể tích làm việc thiết bị Giả thiết giờ, lượng hỗn hợp nguyên liệu vào cộng với lượng dung môi Dicloetan đưa vào thiết bị thể tích làm việc thiết bị Chọn thể tích làm việc thiết bị 75% thể tích thiết bị VDE = 2487,56/1253 =1,98528 m3/h VLàm việc = 2,21323 +1,98528 = 4,19851 m3h Vậy ta tích thực thiết bị là: Vtb = 4,19851 100 = 5,598 m3/h 75 II Tính kích thước thiết bị Thiết bị phản ứng loại thiết bị khuấy trộn hình trụ đứng, có vỏ bọc làm lạnh ngồi có ống xoắn ruột gà làm lạnh để rút nhiệt phản ứng Dùng phận khuấy trộn có cánh khuấy mái chèo Với thể tích thiết bị V = 5,598 m3/h, ta chọn đường kính thiết bị 1.4 m Khi theo cơng thức: V = H.S Trong đó: 43 H: chiều cao thiết bị, m S: diện tích bề mặt ngang thiết bị, m2 S= π D => V = H π D Trong đó: D đường kính thiết bị => H = 4.V π D = 4.5,598 = 3, 64 m 3,14.1, Ta chọn thiết bị có chiều cao là: H = 3,64m 44 Kết luận Sau tuần tìm tài liệu nghiên cứu thiết kế, với giúp đỡ thầy cô mơn Tổng hợp Hữu - Hố dầu, cô giáo hướng dẫn PGS.TS Đinh Thị Ngọ đến em hồn thành đồ án mơn học với đề tài là: Thiết kế phân xưởng sản xuất dicloetan, xuất 20.000 tấn/năm, với nội dung sau: - Phần tổng quan lý thuyết giới thiệu tính chất nguyên liệu để sản xuất Dicloetan, tính chất sản phẩm đicloetan, phương pháp điều chế dicloetan ứng dụng dicloetan ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ… Qua đó, lựu chọn phương pháp dây chuyền công nghệ để sản xuất dicloetan cho suất 20.000 tấn/năm: “sơ đồ dây chuyền sản xuất dicloetan phương phảm clo hoá trực tiếp etylen pha lỏng nhiệt độ 20-300C”, 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 tính kích thước thiết bị phản ứng Tuy nhiên hạn hẹp thời gian, khuôn khổ đồ án lực thân nên không tránh khỏi thiếu sót sơ sài Mặc dù trình nghiên cứu viết báo cáo giúp em biết bước việc thiết kế công nghệ cho phân xưởng sản xuất thực tế, bên cạnh cịn giúp em rèn luyện kỹ năng, tác phong phương pháp công việc nghiên cứu Cuối em xin trân trọng cảm ơn cô giáo hướng dẫn, thầy mơn Tổng hợp Hữu - Hố dầu, nhiệt tình hướng dẫn em hồn thành đồ án 45 Tài liệu tham khảo Nguyễn Mai Liên - Tổng hợp hữu cơ – NXB trường ĐH Bách khoa Hà Nội – 1964 Phan Minh Tân - Tổng hợp hữu hoá dầu, Tập – NXB trường ĐH Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh – 1994 G.S Nguyễn Đình Soa – Hố học vơ - NXB trường ĐH Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh – 1994 Tập thể tác giả - Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập – NXB KHKT – 1999 Tập thể tác giả - Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất, tập – NXB KHKT – 1999 Ullman ‘s encyclopedia of industrial chemistry – VCH verlagsgesell schaft mBh, vol 6, FRG – 1990 Alain Chauvel, Gilles Lefebvre – Petrochemical processes, vol2 – Gulf Publishing company – 1989 Phan Tống Sơn, Trần Quốc Sơn, Đặng Như Tại – Cơ sở hoá học hữu cơ, tập – NXB đại học trung học chuyên nghiệp – 1980 Bộ mơn tổng hợp hữu - hố học hữu cơ, tập – NXB KHKT Hà Nội – 1999 10 Ullman ‘s encyclopedia of industrial chemistry – VCH verlagsgesell schaft mBh, vol 10, FRG – 1990 11 Kirk , Ottmer - Encyclopedia of Chemical Technology 46 ... đề tài là: Thiết kế phân xưởng sản xuất dicloetan, xuất 20. 000 tấn/năm, với nội dung sau: - Phần tổng quan lý thuyết giới thiệu tính chất nguyên liệu để sản xuất Dicloetan, tính chất sản phẩm đicloetan,... khác sản xuất Dicloetan [6] Quá trình sản xuất dicloetan từ etanol khơng sử dụng cơng nghiệp Nó khả thi giá thành etanol không đắt Dicloetan sản phẩm phụ sản xuất oxyran (etylenoxit ), sản xuất. .. chế dicloetan ứng dụng dicloetan ngành cơng nghiệp tổng hợp hữu cơ… Qua đó, lựu chọn phương pháp dây chuyền công nghệ để sản xuất dicloetan cho suất 20. 000 tấn/năm: “sơ đồ dây chuyền sản xuất dicloetan