Động học tạo thành và phõn huỷ axetylen

300 500 700 900 1100 1 1500 1700 1900 Nhiệt độ, K

2.1.2.2. Động học tạo thành và phõn huỷ axetylen

Ở nhiệt độ cao axetylen đƣợc tạo thành sẽ tiếp tục bị phõn huỷ và tham gia vào cỏc phản ứng phụ khỏc polyme hoỏ tạo muội cacbon làm giảm hiệu suất axetylen.

Đối với nguyờn liệu là khớ tự nhiờn thỡ cấu tử metan chiếm chủ yếu (trờn 90%). Sự tạo thành axetylen khi nhiệt phõn metan chỉ bắt đầu xõy ra khi nhiệt độ cao hơn 1200oC đồng thời gian phản ứng rất nhỏ (cỡ mili giõy).

Để đạt đƣợc độ chuyển hoỏ lớn thỡ yờu cầu nhiệt độ cao hơn (gần 117000C) và thời gian phản ứng nhỏ hơn (cỡ phần mƣời mili giõy). Vớ dụ ở nhiệt độ 1700 - 1 800oC và thời gian phản ứng là 0, 1 - 0,5 mili giõy độ chuyển hoỏ vào khoảng từ 60 80%. Hiệu suất nhận axetylen tăng khi tăng nhiệt độ và giảm thời gian phản ứng điều đú đƣợc trỡnh bày ở hỡnh vẽ dƣới đõy

Nhƣ vậy tồn tại thời gian phản ứng thớch hợp tại một nhiệt độ phản ứng nhất định và cho phộp đạt đƣợc hiệu suất axetylen cực đại.

Nhƣ trờn đó nờu tạo thành axetylen khi nhiệt phõn metan là phản ứng bậc 1. Nếu nồng độ ban đầu của metan là Co thỡ nồng độ tại thời điểm của

metan.

 k1k 2 và - dC

d  CK 1 K 2

Trong đú K1 là hằng số tốc độ tạo thành axetylen. K2 là hằng số tốc độ phõn huỷ metan thành C và H2.

100 75

50

Trần Thanh Hữ25u 26

Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn

Hỡnh 3 Đồ thị chuyển hoỏ metal vào nhiệt độ và thời gian phản ứng

Lƣợng metan biến đổi thành axetylen bằng

C' 1 K 1 C0.K 1K

2 K 1 K 2 2K 1 K 2

Nhƣng thực tế lƣợng axetylen nhận đƣợc nhỏ hơn lƣợng metan chuyển hoỏ thành vỡ xảy ra phản ứng phõn huỷ axetylen.

 k 3 dC'

d  K 3.C'

Với K3 là hằng số tốc độ phõn huỷ axetylen thành C và H2. Nồng độ cực đại của axetylen ở thời gian phản ứng thớch hợp là

Cmax 1 Kln 1 2 3 K K

K

Hiệu suất cracking hiệu dụng (tức là mức độ biến đổi metan đến axetylen ) là - L p D u II Đ ộ ch uy ể n ho á ( % ) C C 0.e

 2C" K 1

C 0 C K 1 K 2

.e K 3 Khi = 0 thỡ= 100%.

Ở nhiệt độ từ 1200 - 1500oC tốc độ phõn huỷ axetylen nhỏ hơn đỏng kể so với tốc độ tạo thành nú và đú chớnh là yếu tố động học cơ bản cho phộp thu đƣợc axetylen. Tỷ lệ giữa tốc độ tạo thành và tốc độ phõn huỷ axetylen cú thể điều chỉnh đƣợc bằng cỏch thay đốt ỏp suất. Khi ỏp suất giảm, tỷ số này tăng lờn cụ thể khớ ỏp suất giảm từ 0,197 - 0,039 at thỡ tỷ số tốc độ tạo thành và phõn huỷ axetylen tăng lờn 3 lần. Cỏc quỏ trỡnh nhiệt phõn metan đến axetylen

27

Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn

cú thể xem nhƣ tập hợp cỏc phản ứng phõn huỷ metan, etan, etylen và axetylen. 2CH4 C2H6 + H2 C2H6 C2H4 + H2 C2H4 C2H2 + H2 C2H2 2C + H2 K1 = 4,5. 1013.e-91000/RT K2 = 9. 1013.e-69/RT K3 = 2,57.108.e-40/RT K1 = 1,7. 106.e-3000/RT (1) (3) (4) (2)

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của cỏc hằng số tốc độ của cỏc phản ứng từ 1- 4 đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh vẽ 4 dƣới đõy

Từ đồ thị ta thấy rằng trong khoảng nhiệt độ từ 1200 - 2500oC hằng số tốc độ phõn huỷ etan K2 lơn hơn 3 lần hằng số tốc độ tạo thành Kl (nghĩa là K2 > K1). Vỡ vậy trong thực tế khi nhiệt phõn metal thỡ nồng độ etan nhận đƣợc rất nhỏ và ngay cả ở nhiệt độ cao sản phẩm của etan cũng khụng cao.

5 4 3 1gK 2 1 2500 2000 1800 1500 0 C0 C.  1 e K 1 2 C" C'.e và  K 1 2 3 K 

Hỡnh 4 Đồ thị phụ thuộc cỏc hằng số tốc độ phản ứng và nhiệt độ

Trờn hỡnh 5 đƣa ra kết quả tớnh toỏn độ chuyển hoỏ của metan thành axetylen và mức độ phõn huỷ axetylen ở nhiệt độ 19000C theo cỏc phản ứng sau

2CH4 C2H2 + 3H2 C2H2 2C + H2 C% 100 75 50 25 28

Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn

Hỡnh 5 Đồ thị hiệu suất nhận sản phẩm axetylen phụ thuộc thời gian phản ứng ở nhiệt độ 19000C.

Sự phụ thuộc của độ chuyển hoỏ vào hằng số tốc độ và thời gian phản ứng đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trỡnh sau

 K 1

K 4 K 1

. e k1. ek 4 . 

Từ đú xỏc định đƣợc độ chuyển hoỏ cực đại của metan thành axetylen max và thời gian thớch hợpop là

max 1

1 r e r ln(r / r1) e ln(r / r1)

op  rlnr 1.K

Trong đú r = K4/K1 và K là hằng số tốc độ chuyển hoỏ của metan thành axetylen .

Trong điều kiện sản xuất để dừng cỏc phản ứng phõn huỷ, cỏc phản ứng polyme hoỏ cỏc sản phẩm thỡ ngƣời ta thực hiện quỏ trỡnh tụi sản phẩm bằng cỏch tƣới nƣớc trực tiếp vào sản phẩm. Khi đú cú thể xẩy ra cỏc phản ứng

K3 K2

K1 K4

giữa axetylen và hơi nƣớc.

C2H2 + H2O CO + 3H2

Tốc độ của phản ứng này thƣờng khụng lớn và khi cú sự giảm đột ngột nhiệt độ khi tụi phản ứng này thực tế khụng xảy ra.

Trong điều kiện của quỏ trỡnh khụng những chỉ phõn huỷ tạo thành C và H2 mà cũn tạo thành những hợp chất khụng no khỏc. Vỡ thế trong hỗn hợp khớ nhiệt phõn cũn cú cả hydro, metan, etan, etylen, vinylaxetylen.…

29

Đồ ỏn tốt nghiệp Thiết kế phõn xưởng sản xuất Axetylen từ khớ thiờn nhiờn