300 500 700 900 1100 1 1500 1700 1900 Nhiệt độ, K
2.1.4. Cỏc cụng nghệ sản xuất axetylen từ khớ thiờn nhiờn và từ hydrocacbon
hydrocacbon
Để sản xuất axetylen ngƣời ta dựng phản ứng nhiệt phõn hydrocacbon ở nhiệt độ cao, tuỳ theo cỏch cấp nhiệt để thực hiện phản ứng nhiệt phõn
hydrocacbon thành axetylen mà ngƣời ta chia thành nhúm cỏc phƣơng phỏp sau
+ Quỏ trỡnh nhiệt điện.
+ Quỏ trỡnh oxy hoỏ khụng hoàn toàn.
31
Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn 2.1.4.1. Quỏ trỡnh nhiệt điờn.
Quỏ trỡnh nhiệt điện rất thuận lợi vỡ nhiệt cần thiết cho phản ứng đƣợc cung cấp rất nhanh và mạnh vỡ thế cú thể đạt đƣợc độ chuyển hoỏ cao hơn cỏc phƣơng phỏp khỏc do thời gian phản ứng cú thể giữ ở mức nhỏ nhất. Bản chất của quỏ trỡnh là sự phúng điện trong mụi trƣờng hydrocacbon khớ làm xảy ra sự đốt núng cục bộ hỗn hợp khớ và cắt mạch hydrocacbon thành cỏc gốc tự do để cỏc gốc này kết hợp với nhau tạo thành axetylen và đồng đẳng của nú, muội cacbon, hydro và cỏc hydrocacbon cao hơn.
Quỏ trỡnh nhiệt điện cú những ƣa điểm sau
* Nguồn năng lƣợng cấp cho quỏ trỡnh khụng phụ thuộc vào nguyờn liệu hydrocacbon.
* Tiờu hao hydrocacbon cú thể giảm đến 50%.
* Với điều kiện năng lƣợng điện cú sẵn và rẻ, quỏ trỡnh này kinh tế hơn. Năm 1 962 hóng Dupont (Mỹ) đó phỏt minh ra loại lũ hồ quang với cỏc điện cực đồng trục để' sản xuất ra axetylen từ hydrocacbon khớ. Theo phƣơng phỏp này đó xõy dựng đƣợc thiết bị cụng nghiệp với năng suất 25 tấn-
axetylen/năm. Sau này phƣơng phỏp ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn, ngƣời ta đƣa thờm vào hỗn hợp phản ứng sau khi đi ra khỏi vựng tia lửa điện một lƣợng nguyờn liệu mới , nhờ thế nhiệt độ của hỗn hợp khớ sau quỏ trỡnh nhiệt phõn giảm xuống một cỏch đỏng kể (từ 1500 - 1 600oC giảm đi cũn 800 – 1000C).
Sử dụng nhiệt lƣợng của khớ phản ứng ở giai đoạn này của quỏ trỡnh đó nõng cao đƣợc hiệu suất axetylen và etylen trờn một đơn vị điện năng tiờu hao.
nhiệt độ thấp của hydro hoặc argon đó làm giảm hơn nữa lƣợng điện năng tiờu hao trờn một đơn vị axetylen thƣơng phẩm.
Nguyờn liệu của quỏ trỡnh là hydrocacbon khớ, lỏng hoặc rắn, cú thể sử dụng than. Cấu trỳc lũ hồ quang và sơ đồ tinh chế sản phẩm thớch hợp cho cỏc
32
Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
loại nguyờn liệu hydrocacbon khỏc nhau. Với nguyờn liệu là hydrocacbon dạng khớ chỉ cú thể sử dụng quỏ trỡnh một giai đoạn cho hồ quang tiếp xỳc trực tiếp với dũng khớ. Cũn với nguyờn liệu ở dạng lỏng hoặc rắn thỡ cú thể sử dụng quỏ trỡnh một giai đoạn hoặc quỏ trỡnh hại giai đoạn, đầu tiờn hydro đƣợc đốt núng trong lũ đốt sau đú nguyờn liệu lỏng hoặc rắn đƣợc phun vào dũng plasma hydro.
Hỡnh 6 dƣới đõy mụ tả 2 kiểu lũ hồ quang. Trong cả hai quỏ trỡnh nhiệt phõn cú tạo thành hydro nờn ở cả hai quỏ trỡnh một giai đoạn và hai giai đoạn thỡ hồ quang đều chỏy trong mụi trƣờng hydro.
33
Hỡnh 6 Lũ hồ quang điện của Huls với nguyờn liệu là khớ, lỏng, hoặc rắn
Quỏ trỡnh nhiệt điện đƣợc thực hiện trong thiết bị phản ứng dũng một chiều cụng suất 8200 KW. Điện ỏp tạo hồ .quang là 7000V, cƣờng độ dũng điện là 1150 A, hệ số cos = 0,7 - 0,75. Chiều dài của buồng hồ quang cú thể
34
Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
tới 1m. Cỏc điện cực đƣợc làm lạnh bằng nƣớc. Tất cả cỏc phần của thiết bị phản ứng đƣợc chế tạo bằng thộp.
Nguyờn liệu khớ hydrocacbon đƣợc truyền vào buồng trộn theo hƣớng tiếp tuyến với thành buồng. Do đú tạo nờn dũng xoỏy chuyển động xuống anốt. Nhiệt độ trung bỡnh của khớ là 16000C. Do tỏc dụng chuyển động quay của dũng khớ mà hồ quang điện cũng quay trũn theo và chuyển động xuống phớa dƣới anốt. Khi đú cỏc điểm chạm của hồ quang vào thành điện cực luụn luụn đƣợc thay đổi, điều đú cho phộp trỏnh đƣợc sự đốt chỏy điện cực.
Khi nhiệt độ của hỗn hợp khớ giảm xuống 8000C thỡ ngƣời ta phun nƣớc vào để tụi sản phẩm khớ, hỗn hợp sản phẩm khớ nhanh chúng hạ nhiệt độ xuống cũn khoảng 180 – 2000C. Ở nhiệt độ này dựng cyclon cú thể tỏch ra đƣợc khoảng 60% muội. Sau đú rửa bằng nƣớc hoặc dầu để tỏch hết cặn muội và nhựa rồi đem đi chế biến để thu hồi axetylen, etylen.
Khi dựng nguyờn liệu là khớ tự nhiờn với thành phần (% thể tớch) đƣợc cho dƣới đõy
Me tan Etan Propan 92,3% 1 ,4% 0,5 % Butan Ni tơ 0,4% 5,4%
35
Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
Tốc độ nạp nguyờn liệu khớ tự nhiờn là 2400 m3/h, thời gian lƣu của khớ trong lũ hồ quang khoảng vài mi li giõy và sản phẩm thu đƣợc gồm 680kg axetylen, 46 kg etylen, 1900m3 khớ H2 và 145 kg muội. Ngoài ra cũn cú cỏc đồng đẳng của axetylen chiếm khoảng 1,15% thể tớch. Lƣợng muội chiếm 9,4% trọng lƣợng nguyờn liệu ban đầu. Hydro sinh ra trong quỏ trỡnh nhiệt phõn đƣợc dựng để tổng hợp amoniac cũn etylen đƣợc dựng để sản xuất polyetylen, oxyt etylen và etylbenzen.
Trờn hỡnh vẽ 7 dƣới đõy biểu diễn hiệu suất axetylen và etylen và năng lƣợng yờu cầu cho cỏc hydrocacbon trong quỏ trỡnh khụng tụi trong những điều kiện xỏc định. Metan cú năng lƣợng yờu cầu riờng (SER) cao nhất và cho hiệu suất axetylen cao nhất, hiệu suất etylen thấp nhất. Đối với cỏc
hydrocacbon cú mạch cacbon càng lớn thỡ năng lƣợng yờu cầu riờng và hiệu suất axetylen giảm xuống tƣơng ứng với sự giảm nhiệt cấp vào để tạo ra axetylen từ cỏc hydrocacbon khỏc nhau.
50 25 40 30 20 10 0 C2H2 C2H4 SER Axetylen 14,5 Metan 16,3 Metyaxetylen 0,4 Etan 0,03 Di axetylen 0,6 Propan 0,02
Vinyl axetylen 0,1 Bezen 0,3
Dimetyl axetylen 0,01 Toluen 0,02
Metyl vinyl axetylen 0,04 Hydro 63,46
Etylen 0,9 Oxyt cacbon 0,6
Propylen 0,02 nito 2,7
20 15 10 5 0 CH4 C2H6 C3H8 C4H10
Hỡnh 7 Hiệu suất axetylen, etylen trong quỏ trỡnh khụng tụi.
Nhiệt phõn cú quỏ trỡnh tụi thực chất là một quỏ trỡnh nhiệt phõn cú điều khiển. Loại và lƣợng hydrocacbon sử dụng để tụi sơ bộ cú thể rất đa dạng. Hỡnh vẽ 8 dƣới đõy mụ tả đặc trƣng ..hiệu suất sản phẩm với tốc độ tụi khỏc nhau trong trƣờng hợp me tan là nguyờn liệu và propan là chất để tụi.
36
Đồ ỏn tốt nghiệp
100
Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
C2H2 75 50 25 CH4 H2 C2H4 C3H6 0 25 50 75 100 125 150 Tốc độ t- ớ i Propan (kg/MW.h)
Hỡnh 8 Đồ thị hiệu suất sản phẩm của quỏ trỡnh cú tụi sơ bộ
Hiệu suất axetylen và hydro khụng chịu ảnh hƣởng của tốc độ tụi trong khi đú etylen cú điểm cực đại sau đú giảm xuống khi thời gian tụi quỏ ngắn. Đối với propan hiệu suất cú tăng và tỷ lệ C3/C2 nhỏ hơn 0,25.
Cỏc hydrocacbon cũn lại cú tỷ lệ nhƣ sau ETan 100, Propan 75, n- Butan 72, iso-butan 24, 1 -Buten 53.
Vỡ nhiệt độ của khớ sau khi tụi sơ bộ trờn 12000C nờn ngƣời ta dựng một hệ thống tụi bằng dầu để thu hồi khoảng 80% nhiệt bằng cỏch trao đổi nhiệt dạng hơi. Hỗn hợp dầu - mồ húng tạo thành cú thể biến đổi tiếp thành
H iệ u su ấ t a xe ty le n (% T L) H iệ u su ấ t a xe ty le n (% T L) S E R k W .h /k g C 2 H 2
sufua và cốc dầu mỏ cao cấp khụng tro.
Sơ đồ biểu diễn quỏ trỡnh nhiệt điện cú sử dụng hệ thống tụi bằng dầu của Huls đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 9 dƣới đõy.
37
Đồ ỏn tốt nghiệp
Hồi lƣu
Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
Nguyờn liệu b Hơi nứơởcỏp Axetylen sạch suất thấp a Hơi nứơc ở ỏp suất cao (20 bar) Dầu mồ húng c d e Naphta đó nhiệt phõn Dầu cặn
f Dầu đun núngdung mụi
Hỡnh 9 Quỏ trỡnh nhiệt điện với hệ thống sử dụng dầu tụi
a. Thu hồi nhiệt; b. Lũ hồ quang; c. Thu hồi dõu; d.Hỗn hợp phõn chia cỏc hỗn hợp cú điểm sụi cao; e. Thiết bị phõn chia cỏc hỗn hợp cú điểm sụi thấp; f. Thiết bị tỏi sinh dầu.
Dƣới đõy ta sẽ trỡnh bày cụ thể hơn về cấu tạo lũ đốt Huls đƣợc thiết kế vào năm 1968 với năng suất 1,5 triệu tấn axetylen/năm.
H iệ u su ấ t s ản p hẩ m (k g/ M W h)
38
Hỡnh 10 Lũ HULS
Khớ nguyờn liệu đƣợc đƣa vào lũ đốt theo phƣơng tiếp tuyến qua một hệ thống khe (R), và tiếp tục chuyển động xoỏy qua ống A (dài khoảng 1,5m, đƣờng kớnh 85 - 105 mm). Dũng hồ quang L đốt giữa catot hỡnh chuụng C và -anot là ống A (đƣợc tiếp đất tại E). Khi dũng khớ xoỏy đi qua thỡ giữa cỏc điện cực phúng điện. Điểm lửa trờn catot hoặc anot cú thể di chuyển lờn xuống một cỏch tự do do tỏc động của dũng khớ xoỏy nờn khụng làm chỏy điện cực.
Ngoài bộ phận cỏch điện (J, tất cả cỏc chi tiết khỏc của lũ đốt đều đƣợc làm bằng kim loại. Độ dày cỏc vỏch điện cực từ 10 - 20mm.
39
Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn
Dũng hồ quang dài khoảng 100 cm, kộo dài khoảng 40 - 50 cm trong ống anot (A). Phớa dƣới điểm phúng điện ở catot khoảng 20 cm cỏc
hydrocacbon lạnh đƣợc đƣa vào qua cỏc ống (D) để làm lạnh sơ bộ nhiệt của hỗn hợp phản ứng. Lƣợng hydrocacbon này bị cracking một phần, chủ yếu thành etylen. Hỗn hợp phản ứng trƣớc khi ra khỏi ống anot (A) đƣợc làm lạnh ngay lập lức bằng cỏch tƣới nƣớc tại (W) để giảm nhiệt độ xuống khoảng 450oK. Cỏc điện cực đƣợc làm lạnh bằng nƣớc. Catot (C) đƣợc cỏch ly với cỏc bộ phận khỏc bằng bằng một đệm cỏch điện. Dũng hồ quang xuất hiện bằng việc mồi lửa của ống mồi (Z).
Dũng hồ quang cú cụng suất 8000kw với điện ỏp 7000V, 1150A. Catot cú tuổi thọ khoảng 800h cũn anot khoảng l50h. Sự tạo muội trờn bề mặt cỏc điện cực sẽ ảnh hƣởng đến dũng hồ quang.