III. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình [1, 2, 8 11, 12, 13, 16, 32]
Và thuyết minh Dây Chuyền sản xuất
I. So sánh các phơng pháp sản xuất axit axetic và chọn công nghệ[1, 2, 3, 11, 12, 13, 16, 32] công nghệ[1, 2, 3, 11, 12, 13, 16, 32]
Trong phần trớc đã trình bày có nhiều phơng pháp khác nhau để sản xuất axit axetic và mỗi một phơng pháp lại có những u nhợc điểm riêng. Trên cơ sở phân tích các công nghệ ở trên và chọn ra một công nghệ để sản xuất axit axetic sao cho hợp lý về mặt công nghệ cũng nh các chỉ tiêu về chất lợng sản phẩm, về chỉ tiêu kinh tế là một nhiệm vụ quan trọng trong khi tính toán thíêt kế dây chuyền sản xuất.
Đánh giá các công nghệ trên thì nhận thấy rằng công nghệ sản xuất axit axetic từ quá trình cacbonyl hoá metanol là một quá trình có u điểm là có nguồn nguyên liệu dồi dào, và có thể tận dụng đợc từ khí thải của các ngành công nghiệp hữu cơ và tổng hợp hoá dầu, giá thành nguyên liệu thấp. Tuy nhiên quá trình nàylàm việc trong điều kiện áp suất tơng đối cao là khoảng 30 MPa và nếu có sử dụng xúc tác thì sẽ giảm bớt độ khắc nghiệt của các điều kiện áp suất còn khoảng 3 ữ 7 MPa và nhiệt độ khoảng 150 ữ 200 oC. Do làm việc ở nhiệt độ cao nên tốn năng lợng để gia nhiệt cho nguyên liệu. Và làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn nên yêu cầu của thiết bị phải chịu đợc áp lực cao vì vậy việc thiết kế thiết bị phản ứng sẽ tốn nhiều chi phí chế tạo ban đầu cao hơn. Nh vậy công nghệ này chỉ tốn kém giá thành đầu t ban đầu khi đánh giá thời gian lâu dài thì hiệu quả sẽ cao và một phơng pháp đầy triển vọng trong tơng lai.
Đối với công nghệ sản xuất axit axetic từ axetaldehyt thông qua quá trình oxi hoá thì nhận thấy rằng hiệu suất chuyển hoá của quá trình khá cao từ 95 ữ 98%, do axetaldehyt là chất dễ bay hơi nên thờng làm việc trong điều kiện nhịêt độ là từ 60 ữ 80 oC và áp suất thấp khoảng 3 ữ 4 at nên các thiệt bị làm việc trong điều kiện êm dịu hơn và do đó việc thiết kế các thiết bị sẽ ít tốn chi phí chế tạo hơn. Tuy nhiên phơng pháp này cũng có nhợc điểm là nguồn nguyên liệu ban đầu axetalhyt có giá thành khá cao, vì axetaldehyt đợc sản xuất từ axetylen là nguồn nguyên liệu có giá thành cao. Ngày nay với sự phát triển của nghành công nghiệp dầu khí thì ngời ta đã tìm ra nguồn nguyên liệu đễ sản xuất axetaldehyt là từ etylen. Đây là thành phần khí có khá nhiều trong các khí dầu mỏ và khí thiên nhiên. Ngoài ra còn có thể tổng hơp axetaldehyt từ các quá trinnh oxi hoá parafin và butan trong pha hơi. Vì vậy có thể làm phong phú nguồn nguyên liệu axetaldehyt từ đó có thể làm giảm giá thành nguyên liệu và là giảm giá thành sản phẩm. Do đó có thể khắc phục đợc nhợc điểm của phơng pháp này.
Phơng pháp oxy hoá các hydrocacbon no nh butan, phân đoạn xăng nhẹ thì khó tiến hành trong công nghiệp vì nguồn nguyên liệu này khá bền vững, khó bị oxi hoá. Ngoài ra, quá trình tơng đối khó kiểm soát vì phản ứng có xu hớng oxi hoá hoàn tạo ra CO2 và nớc, là một quá trình toả nhiệt rất mạnh. Tuy vậy ph- ơng pháp này cũng có hiệu quả vì nguồn nguyên liệu cũng rất dồi dào.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic
Còn đối với phơng pháp lên men sinh học, chng cất gỗ thì mặc dù nguồn nguyên cho các phơng pháp này khá phong phú nhng lại có nhợc điểm là hiệu suất chuyển hoá thấp và nồng độ axit axetic tạo thành khá thấp. Ngoài ra các ph- ơng pháp này khó áp dụng cho quy mô sản xuất công nghiệp.
Ngoài ra các phơng pháp khác nh quá trình sản xuất axit axetic từ propylen (có trong khí cracking), sản xuất axit axetic từ etan và nhóm alkan, oxy hoá etylen trong pha hơi và oxi hoá hydrocacbon no trong pha hơi cũng có nhợc điểm lớn là hiệu suất chuyển hoá thấp.
Nh vậy đánh giá các điều kiện công nghệ cũng nh nguồn nguyên liệu, hiệu suất chuyển hoá, giá thành chế tạo, giá thành sản phẩm thì chúng ta thấy có hai phơng pháp sản xuất axit axetic cho hiệu quả là phơng pháp cacbonyl hoá metanol và oxi hoá axetaldehyt trên pha lỏng.
Trên cơ sở phân tích các công nghệ sản xuất ở trên, khi đã đảm bảo về nguyên liệu ban đầu, và có thể tận dụng ngay nguồn nguyên liệu tại chổ và với yêu cầu sản xuất axit axetic có đồng độ cao, em quyết định chọn công nghệ sản xuất axit axetic bằng quá trình oxi hoá axetaldehyt trong pha lỏng.
II.Thuyết minh dây chuyền sản xuất axit axetic[1, 2, 14, 16, 19, 32, 33, 34]
Trên cơ sở đã phân tích các điều kiện công nghệ ở trên cho thấy phơng pháp sản xuất axit axetic từ quá trình oxi hoá axetakdehyt trên phả lỏng là một phơng pháp có nhiều hiệu quả. Trong phơng pháp này thì cũng có nhiều hãng trên thế giới đã nghiên cứu và thiết kế.
Trong công nghệ này thì có thể sử dụng tác nhân oxi hoá là oxi không khí hay oxi kĩ thuật. Nh trong phần đề cập các yếu tố ảnh hởng đến quá trình oxi hoá axateldehyt trên pha lỏng với xúc tác là mangan axetat thì việc lựa chọn tác nhân oxi hoá có ảnh hởng đến quá trình. Với mục đích chính của quá trình là thu sản phẩm chính là axit axetic và đồng thời anhydric axetic chọn tác nhân oxi hoá là oxi không khí. Còn với mục đích chính của quá trình là chỉ thu sản phẩm chính là axit axetic thì chọn tác nhân là oxi kỹ thuật.
Sở dĩ chọn oxi kỹ thuật là đảm bảo khả năng chuyển hoá của axetaldehyt và thu đợc sản phẩm mong muốn. Vì đối với không khí phần lớn là nitơ và có cả khí trơ nên khi làm sạch khí sẽ tốn nhiều năng lợng. Đồng thời khí N2 thoát ra ở đỉnh tháp sẽ cuốn theo axetaldehyt và axit axetic ra ngoài gây lãng phí nguyên liệu và sản phẩm.
1.Các giai đoạn của quá trình
Trên cơ sở phân tích cơ chế phản ứng và các yêu tố ảnh hởng đến quá trình công nghệ tiến hành thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất axit axetic nh sau:
Đối với quá trình sản xuất axit axetic gồm nhiều giai đoạn và chúng ta có thể chia ra làm các giai đoạn sau đây:
-Giai đoạn chuẩn bị xúc tác -Giai đoạn oxy hoá axetadehyt -Giai đoạn tinh chế sản phẩm
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic
a.Giai đoạn chuẩn bị xúc tác
Trớc tiên dung dịch xúc tác mangan axetat và axit axetic đợc cho vào thiết bị hai vỏ có cánh khuấy. ở đây axit axetic đợc cho vào với lợng nhỏ dùng làm môi trờng. Và quá trình khuấy trộn xúc tác với axit axetic kèm theo là sự gia nhiệt hổn hợp bằng hơi nớc bảo hoà đi bên ngoài. Quá trình hoà tan càn tăng khi nhiệt độ tăng. Sau đó cho qua thùng chứa và qua bộ phận làm lạnh.
b.Giai đoạn oxi hoá axetaldehyt
Trớc kia để thực hiện quá trình oxy hoá axetaldehyt thành axit axetic ngời ta tiến hành trong thiết bị làm việc gián đoạn, tách nhiệt phản ứng bằng các ống làm lạnh hay ống xoắn ruột gà.
Ngày nay với quy mô sản xuất lớn hơn ngời ta đã chế tạo ra thiết bị làm việc liên tục. Có hai loại thiết bị là loại dẫn nớc và loại thiệt bị sủi bọt. Khi quá trình làm việc trong môi trờng khí - lỏng ngời ta thờng hay tiến hành trong phản ứng trong thiết bị sủi bọt.
Với thiết bị sủi bọt có cấu tạo là tháp rổng chứa đầy dung dịch phản ứng, khí cho vào ở đáy tháp thiết bị.
Phần phía trên của thiết bị đợc mở rộng để đề phòng hiện tợng sặc ở đỉnh tháp khi lu lợng axit axetic lỏng tăng vọt do sự cố, khi lợng lỏng nhiều quá cũng dẫn đến tổn thất do khí d thoát ra ở đỉnh tháp cuốn theo ra ngoài. Tháp oxy hóa thông thờng có chiều cao khoảng 12m, gồm 5 đoạn ghép lại, đờng kính phần dới khoảng 1m, làm bằng thép hợp kim của Cr - Ni - Mo. Ngoài ra ở phần đỉnh tháp oxy hoá phải đợc bổ xung một lợng khí trơ là N2. Lý do là O2 cha phản ứng thoát ra ở đỉnh tháp sẽ mang theo cả hơi axetaldehyt và axit axetic có khả năng tạo thành hỗn hợp nổ do đó cần phải đề phòng sự cố bằng thổi khí trơ.
Lúc mới khởi động quá trình oxy hoá, tháp đợc đổ đầy dung dịch là hỗn hợp axit axetic và 0,1% mangan axetat. Để có thể điều chỉnh cho qúa trình oxy hoá dễ dàng ngời ta cho oxy vào từng đoạn ( trừ hai đầu), trong từng đoạn còn đặt các ống xoắn nhôm để dẫn nớc làm lạnh tuần hoàn rút nhiệt phản ứng. Bề mặt lớn của các ống xoắn làm lạnh đạt 200 m2. Các ống xoắn đặt trong tháp làm cho tháp tựa nh có đặt các vật đệm, sự tiếp xúc giữa chất lỏng và oxy tăng lên. Hơn nữa nhờ có bề mặt này và có sự điều chỉnh lợng axetaldehyt, axit axetic, xúc tác, oxy có thể duy trì chế độ nhiệt độ 65 ữ 75oC ở mỗi giai đoạn và theo cả chiều cao cột tháp. Lới ngăn trong mỗi đoạn với mục đích đồng thể hoá pha lỏng tránh hiện tợng quá nhiệt cục bộ và phản ứng phụ oxy hoá sâu đến CO2. Phần phía đáy của cột tháp đồng thời với oxy ngời ta nạp dung dịch axetaldehyt trong axit axetic hoặc axetaldehyt sạch đã làm lạnh, tại đó nó đợc pha loãng trong cột tháp bằng axit axetic đến nồng độ 3 ữ 5% axetaldehyt. Trong hỗn hợp cùng với axetaldehyt có cả xúc tác với sự tính toán sao cho hàm lợng của nó gần bằng 0,1% theo khối lợng của axit axetic. Oxy cho vào thiết bị oxi hoá với lu lợng 240 ữ 270 m3/h ở áp suất 4 at phân phối vào các đoạn tháp nh sau.
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic Bảng 10: Phân phối khí oxy
Đoạn I II III IV V
Lợng oxy
m3/h 115 - 122 40 - 45 45 - 50 35 - 45 7 - 10 mNitơ 3/h Sản phẩm lỏng lấy ra ở phía trên (phần mở rộng của thiết bị). Còn sản phẩm khí đợc tách ra ở đỉnh, nhiệt độ là 70oC với lu lợng 30 ữ 40 m3/h, có thành phần khoảng 40%CO2, 50%N2, 1 ữ10% O2, hơi chất lỏng do dòng khí mang theo đợc ngng tụ và cho quay trở lại thiết bị oxy hoá .
c.Giai đoạn tinh chế sản phẩm
Do quá trình oxi hoá này ngoài sản phẩm chính còn có nhiều sản phẩm phụ khác nh axit formic, metyl axetat và axetaldehyt d nên ta phải tiến hành tinh chế sản phẩm thô thu đợc.
Việc tinh chế sản phẩm thô, tách các sản phẩm phụ nhằm nâng cao nồng độ và độ tinh khiết axit axetic. Để tách đợc các sản phẩm phụ này ta dựa vào đặc điểm hoá lý khác nhau của chúng. Và ngời ta dùng tháp các tháp chng cất để thực hiện quá trình này.
-Tách phần axetaldehyt cha chuyển hoá trong sản phẩm chng cất cho tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng. Phân đoạn giàu axit axetic ra ở đáy tháp đợc sử dụng để rửa khí thải từ quá trình oxy hoá.
-Tách sản phẩm phụ metyl axetat ở đỉnh tháp và axit axetic và sản phẩm nặng ở đáy tháp.
-Tách axit axetic ra khỏi sản phẩm nặng có nhiệt độ sôi cao hơn nh các muối mangan axetat, etyl diaxetat…
Sau khi đi ra khỏi tháp tinh luyện thì tiếp tục tách các tạp chất tạo màu cho sản phẩm nhờ sự có mặt của kali permanganat hay natri bicromat.
Với kali permanganat hay natri bicromat là những chất oxi hoá mạnh. Khi đó axit axetic và các axit khác, và các hợp chất khác sẽ bị oxi hoá. Vì vậy cần chú ý phải tính toán thật kĩ lợng kali permanganat cho vào vì nếu cho thừa thì sẽ dẫn đến sự mất mát lợng axit axetic.
2.Thuyết minh dây chuyền sản xuất
Dung dịch xúc tác đợc chuẩn bị bằng cách hoà tan 5% axetat mangan trong dung dịch axit axetic tại thiết bị hai vỏ có cánh khuấy (1), quá trình hoà tan kết hợp với sự đun nóng phía bên ngoài. Sau đó dung dịch xúc tác đợc cho qua thùng chứa trung gian (2) rồi cùng với axetaldehyt đã đợc làm lạnh bằng nớc muối tại thiết bị làm lạnh (3) nhờ bơm (4) nạp ở áp suất 4 at vào phía đáy tháp oxy hoá (5). Oxy kỹ thuật đợc bơm vào thiết bị oxy hoá qua 4 đờng dọc theo chiều cao thiết bị qua các ống phân phối để tăng độ chuyển hoá của quá trình và đồng thời cũng tăng tốc độ phản ứng. Thiết bị đợc nạp đầy chất lỏng đến gần phần mở rộng. Dọc theo chiều cao tháp, nồng độ Axit axetic càng tăng, nồng dộ axetaldehyt càng giảm. Mức độ chuyển hoá axeldehyt đạt 98%. Trong quá trình oxy hoá, đáy cột tháp đợc duy trì ở nhiệt độ 75oC và áp suất là 3,8 ữ 4 at, còn trên đỉnh tháp giữ ở nhiệt độ và áp suất tơng ứng là 65oC và 2,8 ữ 3 at. Việc khống chế nhiệt độ cho phép khống chế đợc hàm lợng tích tụ peraxit axetic và khống chế mức độ chuyển hoá của phản ứng. Để pha loãng hỗn hợp hơi dễ gây
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic
nổ (tránh sự tích tụ peraxit và sự tơng hợp của hỗn hợp hơi axetaldehyt và oxy gây nổ) ngời ta xục N2 liên tục vào phần trên của tháp.
Hỗn hợp khí đi ra từ tháp oxy hoá (5) đợc đa sang thiết bị ngng tụ làm lạnh (6), tại đây hơi axit axetic và axetaldehyt, hơi nớc đợc ngng tụ ở 20 ữ 30oC. Phần lỏng đợc tách ra đợc đa tuần hoàn lại thiết bị oxy hoá qua thiết bị phân tách lỏng khí (7). Hơi tách ra đợc rửa trong tháp (8) bằng nớc để tách hết phần axetaldehyt d và axit axetic rồi thải ra ngoài.
Sản phẩm thô lấy ra liên tục từ phần mở rộng của tháp oxy hoá qua máng cạnh sờn và đa qua tháp tách axetaldehyt (9) để tách riêng axetaldehyt và một phần nhỏ metyl axetat ra khỏi axit axetic. Axit axetic thoát ra ở đáy tháp (9) đợc dẫn sang tháp tách metyl axetat (10), tại đỉnh tháp thì metyl axetat, nớc đợc tách khỏi axit axetic, còn ở đáy tháp axit axetic còn chứa các cấu tử nặng.
Sau đó một phần axit axetic còn các cấu tử nặng sẽ đợc bơm tuần hoàn trở lại thiết bị chuẩn bị xúc tác (1) nhờ bơm (17), còn lại sẽ tiếp tục đợc làm sạch tại thiết bị (12) bằng cách cho thêm KMnO4 vào để oxy hóa hết các tạp chất và làm sạch các hợp chất tạo màu. Cuối cùng axit axetic sẽ đợc tiếp tục đa đi tinh luyện, qua thiết bị bay hơi (14), sản phẩm nặng đợc tách ở đáy và cho vào thùng chứa (18), còn hơi axit axetic ra khỏi tháp (14) cho qua tháp đệm (15) đợc tới liên tục bằng axit axetic lỏng ở đỉnh tháp. Khi ra khỏi tháp (15) thì axit axetic đã hoàn toàn đợc tinh chế và đợc chứa ở bể chứa (19).
*Một số hình ảnh minh hoạt về phân xởng sản xuất axit axetic:
Quan cảnh phân xởng sản xuất axit axetic
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic
Hình ảnh tháp chng
Bồn chứa sản phẩm bằng thép không gỉ
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xởng sản xuất axit axetic