Mô phỏng quá trình sản xuất VinylClorua bằng máy tính. Thiết kế dây chuyền sản xuất VinylClorua với năng suất 20.000 tấn/năm

b. Tính chất vật lý. 14 c. Tính chất hoá học. 14 d. Sản xuất Etylen. 15 4. Tính chất của Dicloetan. 16 a. ứng dụng của Dicloetan. 16 b. Tính chất vật lý. 17 c. Tính chất hoá học. 17 II. Tính chất của sản phẩm VinylClorua. 21 1. Tính chất vật lý. 21 2. Tính chất hoá học. 21 III. Các phương pháp sản xuất VinylClorua trong công nghiệp. 23 1. Sản xuất Vinyl Clorua từ axetylen và HCl. 23 a. Cơ sở quá trình. 25 b. Sản xuất Vinyl Clorua. 25 - Sản xuất Axetylen theo phương pháp pha lỏng. 25 - Sản xuất Axetylen theo phương pháp pha khí. 26 2. Sản xuất Vinyl Clorua đi từ Dicloetan (DCE). 31 a. Quá trình trong pha lỏng. 31 b. Quá trình trong pha khí. 32 3. Công nghệ tổng hợp vinyl clorua từ etylen. 35 a. Cơ chế phản ứng của phương pháp. 35 b. Dây chuyền sản xuất VC từ etylen. 36 4. Phương pháp liên hợp sản xuất VC 37 a. Quá trình liên hợp Clo hoá Etylen, tách HCl và HyđroClo hoá Axetylen. 37 b. Quá trình liên hợp Clo hoá, Oxy hoá Etylen và Cracking DCE. 38 IV. thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất. 38 1. Đánh giá và lựa chọn công nghệ. 39 2. Thiết kế dây chuyền công nghệ. 39 3. Thuyết minh dây chuyền công nghệ. 40 Phần 2. Tính toán Dây CHUYềN CÔNG NGHệ A. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình. 42 B. Xây dựng chương trình, tính toán cho quá trình. 44 I. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng. 45 1. Đổi nồng độ nguyên liệu từ phần thể tích sang phần khối lượng, tính các thông số cơ bản. 46 2. Tính lượng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng. 49 a. Nguyên liệu Axetylen. 49 b. Nguyên liệu HCl. 50 3. Tính lượng nguyên liệu tiêu hao, sản phẩm tạo thành do phản ứng phụ. 51 4. Cân bằng vật chất thiết bị phản ứng: 52 II. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng. 53 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào. 53 a. Tính nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng. 55 b. Tính nhiệt lượng toả ra do phản ứng trong thiết bị phản ứng. 55 c. Tính nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng. 56 d. Tính nhiệt lượng do dầu làm mát mang vào thiết bị phản ứng. 56 e. Tính nhiệt lượng do dầu làm mát mang khỏi thiết bị phản ứng. 56 f. Tính nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. 56 III. Tính thiết bị phản ứng chính. 60 1. Tính lượng xúc tác trong thiết bị. 60 2. Tính số ống của thiết bị. 63 3. Tính đường kính thiết bị phản ứng. 63 4. Tính đường kính các ống dẫn. 64 a. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu vào. 64 b. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm ra. 65 c. Tính đường kính ống dẫn chất tải nhiệt vào và ra. 66 IV. Tính toán cơ khí cho thiết bị phản ứng. 67 1. Tính thân hình trụ. 68 2. Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị. 72 a. Tính nắp thiết bị. 73 b. Tính đáy thiết bị. 74 3. Chọn mặt bích nối các phần của thiết bị. 75 a. Bích nối nắp với thân thiết bị. 75 b. Bích nối thân thiết bị với các ống dẫn. 76 pHầN iii. An toàn sản xuất trong nhà máy 78 I. An toàn về bố trí trang thiết bị trong nhà máy. 78 II. kỹ thuật an toàn trong công nghiệp. 79 1. An toàn cháy nổ. 79 2. An toàn về điện. 79 3. An toàn về độc hại. 80 4. An toàn đối với các trang thiết bị trong nhà máy. 80 a. Với máy nén. 80 b. Với đường ống dẫn và bể chứa khí. 80 III. An toàn lao động và phòng chống độc hại với công nhân, môi trường. 81 Phần iv: thiết kế xây dựng nhà máy. 82 I. PHÂN TíCH, Chọn địa điểm xây dựng. 82 1. Những cơ sở để xác định địa điểm xây dựng. 82 a. Các yêu cầu chung. 82 b. Các yêu cầu về khu đất xây dựng. 83 c. Các yêu về môi trường và vệ sinh công nghiệp . 84 d. Phân tích vị trí địa lý của khu đất. 84 II. phân tích - Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy. 85 1. Nguyên tắc phân vùng. 85 2. Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng. 87 a. ưu điểm: 87 b. Nhược điểm. 87 3. Các hạng mục của công trình. 87 a. Đặc điểm của dây chuyền sản xuất. 87 b. Thiết kế, tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản. 88 4. Các dữ liệu kinh tế kỹ thuật. 89 Iii. các thông số kỹ thuật trong xây dựng. 90 1. Nhà sản xuất chính. 90 2. Nhà hành chính, phòng họp, nhà nghỉ,... 90 3. Giao thông trong nhà máy. 90 pHầN v. Tính toán kinh tế dây chuyền sản xuất. 91 I. Mục đích và ý nghĩa của việc tính toán kinh tế. 91 II. Nội dung tính toán kinh tế. 91 III. Đánh giá hiệu quả đầu tư. 96 pHầN v. Phụ lục 97 pHầN vi. Kết luận 99 Tài liệu tham khảo 100 Mở đầu Trong những năm gần đây, các loại chất dẻo, polyme được ứng dụng hết sức rộng rãi ở tất cả những lĩnh vực trong cuộc sống với những tính năng ưu việt. Các sản phẩm làm từ polyme đã trở thành không thể thay thế với nhiều ngành kỹ thuật; trong cuộc sống, nó thay thế nhiều loại vật liệu truyền thống như gỗ, sắt thép,... Ngày nay, khi đứng ở bất cứ đâu ta cũng có thể thấy các sản phẩm làm từ polyme. Có nhiều loại polyme khác nhau đã và đang được nghiên cứu và tổng hợp, trong đó PolyVinylClorua (PVC) là polyme được quan tâm vào hàng đầu. PVC là chất dẻo có khả năng co giãn và độ bền tương đối lớn, độ ổn định, độ bền hoá học cao, có khả năng cách điện tốt, không thấm nước,... Do đó, PVC được dùng để chế tạo các loại ống dẫn chất lỏng, làm vật liệu lót trong các thiết bị hoá học làm việc ở nhiệt độ thấp thay thế các loại hợp kim đắt tiền. Ngoài ra PVC còn được dùng sản xuất các loại vỏ bọc thiết bị như tivi, tủ lạnh,... ,bàn ghế, các loại bàng chống thầm,... PVC được tổng hợp từ monome VinylClorua theo phản ứng trùng hợp. Trên thế giới, VinylClorua được tổng hợp với mục đích chính là để làm nguyên liệu sản xuất PVC. Ngoài ra VinylClorua còn được dùng để sản xuất một số loại polyme khác nhưng với sản lượng thấp hơn nhiều khi đồng trùng hợp với các loại monome khác như VinylAxetat, Acrylnitrit,... VinylClorua có khả năng tham gia phản ứng mạnh, có chọn lọc nên nó còn được dùng làm hợp chất trung gian trong quá trình tổng hợp các chất hữu cơ khác. VinylClorua lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1830-1834 bởi V.Regnault. Do trong thời gian này, những nghiên cứu trong lĩnh vực polyme chưa phát triển nên VinylClorua chưa được chú ý nhiều. Đến năm 1930, khi lĩnh vực polyme phát triển đã kéo theo sự phát triển không ngừng trong việc nghiên cứu, tổng hợp các monome liên quan, trong đó VinylClorua là một trong những monome được quan tâm hàng đầu. Hàng năm lượng VinylClorua tổng hợp ra trên thế giới đều liên tục tăng với tỷ lệ lớn. ở Việt Nam, một đất nước đang phát triển nên rất cần các loại nguyên vật liệu phục vụ cho các ngành công nghiệp cũng như cuộc sống. Hiện nay, các loại chất dẻo sử dụng ở nước ta hầu hết phải nhập từ nước ngoài với giá thành cao, không ổn định. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế các quá trình, thiết bị phục vụ cho ngành tổng hợp VinylClorua có ý nghĩa hết sức quan trọng. pHầN i: Tổng quan về công nghệ sản xuất VinylClorua I. tổng quan về nguyên liệu sản xuất VinylClorua. 1. Tính chất của Axetylen. a. ứng dụng của Axetylen. Axetylen được sử dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống. Trong công nghiệp, Axetylen là một trong những nguyên liệu quan trọng hàng đầu với ngành tổng hợp hữu cơ. Từ Axetylen, qua quá trình xử lý có thể dễ dàng nhận được nhiều sản phẩm quý so với khi đi từ các nguyên liệu khác do khả năng tham gia phản ứng của Axetylen rất cao. Trong cuộc sống hàng ngày ta có thể dễ dàng nhận thấy Axetylen được sử dụng rộng rãi như một nguồn nhiên liệu không thể thiếu trong một số ngành do nhiệt lượng khi cháy trong oxy của nó rất cao như: xây dụng, chế tạo máy,... Axetylen được sản xuất rất đơn giản từ các nguồn nguyên liệu có sẵn như: than đá, khí tự nhiên,... b. Tính chất vật lý. ở điều kiện thường, Axetylen là chất khí không màu, không độc, dạng tinh khiết có mùi ete yếu có tác động gây mê, có vị hơi ngọt. Axetylen sản xuất từ canxi cacbua có mùi tỏi, bởi vì chứa các tạp chất như PH3, NH3,... - Nhiệt độ nóng chảy : -84OC - Nhiệt độ sôi : -80,85OC - Khối lượng riêng (0OC, 760mmHg) : 1,171 Kg/m3 - Nhiệt độ tới hạn : 35,5OC - áp suất tới hạn : 6,04Mpa - Nhiệt hoá hơi : 15,21 KJ/mol - Giới hạn nổ trong không khí : 2,5 - 81,5 % thể tích Axetylen tan mạnh trong nước và các dung môi hữu cơ. Do giới hạn nổ của Axetylen trong không khí và với O2 rất rộng, khi cháy toả nhiệt mạnh nên việc bảo quản và sử dụng Axetylen phải tuân thủ các điều kiện nghiêm ngặt. c. Tính chất hoá học. Phân tử Axetylen có liên kết ba nên rất không bền, có khả năng phản ứng hoá học cao. * Phản ứng thế. Khi tham gia phản ứng thế, một hay hai nguyên tử H trong Axetylen có thể bị thay thế bởi Na, Cu, ... * Phản ứng cộng. Khả năng tham gia phản ứng cộng của Axetylen làm cho nó có nhiều ứng dụng trong thực tế. Axetylen có khả năng tham gia phản ứng cộng với nhiều loại đơn chất cũng như hợp chất khác nhau như H2, Cl2, HCl, ... trong đó quan trọng nhất là các phản ứng: - Phản ứng với HCl tạo ra VinylClorua để tổng hợp PVINYLCLORUA. - Phản ứng với Cl2 tạo DCE dùng làm dung môi, tổng hợp VinylClorua. - Phản ứng với H2O tạo axeton khi có xúc tác ZnO2/Fe2O3 ở 400OC. - Phản ứng với H2O tạo axetaldehyt. - Phản ứng với HCN tạo ra acrylonitril. - Phản ứng Cacbonyl hoá tạo thành axit acrylic. * Phản ứng trùng hợp. Axetylen có khả năng tham gia các phản ứng trùng hợp, dime, trime hoá ở những điều kiện khác nhau. - Phản ứng dime hoá khi thổi Axetylen qua dung dịch CuCl2 bão hòa. - Phản ứng trime hoá tạo thành benzen dưới tác dụng của than hoạt tính. - Phản ứng trùng hợp xảy ra ở nhiệt độ 200 - 300OC có xúc tác bột Cu. d. Sản xuất Axetylen. Trong công nghiệp, Axetylen được sản xuất chủ yếu theo hai hướng chính là từ cacbua canxi và khí tự nhiên. * Sản xuất Axetylen từ cacbua canxi. Công nghệ sản xuất Axetylen theo hướng này được sử dụng từ trước chiến tranh thế giới thứ hai, là công nghệ cũ. Phản ứng chính của quá trình: Hai phản ứng sau là hai phản ứng toả nhiệt mạnh. Do nguyên liệu sử dụng thường lẫn các tạp chất như MgO, hộp chất của S, P,... khó tách nên trong quá trình phản ứng luôn có các phản ứng phụ. Vì vậy Axetylen tạo thành từ quá trình này thường lẫn các hợp chất như: NH3, CH4, CO, ... Để có Axetylen đủ sạch cho các quá trình sử dụng tiếp theo, Axetylen phải qua quá trình làm sạch các tạp chất. Hiệu suất cao nhất của công nghệ khoảng 76%. Với công nghệ này, người ta nung CaO cùng với C ở nhiệt độ cao tạo thành CaC2. Sau đó CaC2 vừa tạo thành được đưa vào băng chuyền của thiết bị phản ứng để phản ứng với nước. ở đây, nước được tưới trực tiếp vào CaC2 tạo thành Axetylen. Axetylen sinh ra ở dạng khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng mang theo nhiều bụi nên được đưa qua tháp rửa nước để tách bụi, sau đó được đưa qua tháp rửa bằng H2SO4 98%, NaOH để làm sạch khỏi các thành phần khí chứa lưu huỳnh và phốt pho. Sau khi làm khô và làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết (< 40oC), Axetylen đã đủ tiêu chuẩn thương phẩm. Hình 1: Sơ đồ công nghệ sản xuất Axetylen từ CanxiCacbua * Sản xuất Axetylen từ hyđrocarbon qua quá trình xử lý bằng hồ quang điện. Với phương pháp này, khí tự nhiên, hyđrocarbon lỏng hay than đá cũng có thể được dùng làm nguyên liệu. Thiết kế cụ thể của lò hồ quang phụ thuộc vào loại nguyên liệu sử dụng. Với nguyên liệu khí thì khi được đưa vào lò phản ứng có nhiệt độ cao được tạo bởi luồng hồ quang điện sẽ tạo thành Axetylen cùng một lượng nhỏ Etylen, hyđro và muội. Thời gian phản ứng vào khoảng vài miligiây. Sản phẩm phản ứng được trao đổi nhiệt làm nguội tới khoảng 200OC để tránh phản ứng phân huỷ Axetylen tạo thành muội và hyđro sau đó được làm sạch muội bằng hệ thống cyclon. Hiệu suất quá trình vào khoảng 78%. Nếu nguyên liệu là hyđrocarbon lỏng thì thường phải qua hai quá trình xử lý. Hyđro trước hết được làm nóng trong lò hồ quang để làm nguyên liệu cho quá trình tạo plasma hyđro. Dưới tác dụng của nhiệt độ rất cao của plasma hyđro, nguyên liệu bị phân huỷ tạo thành Axetylen, Etylen, Hyđro, muội và một số sản phẩm phụ khác (phụ thuộc vào loại nguyên liệu đầu) trong lò phản ứng. Hiệu suất Axetylen thu được phụ thuộc vào thời gian phản ứng. Sản phẩm đi ra được làm nguội bằng dầu tới 300OC, sau đó nhiệt phản ứng tiếp tục được thu hồi bằng cách tạo hơi nước. Muội bị loại bỏ qua quá trình làm nguội bằng dầu, các chất không thể chuyển đổi có trong nguyên liệu đầu sau khi làm sạch cũng được loại bỏ. Axetylen tinh khiết sẽ thu được qua quá trình hấp thụ. Hiệu suất quá trình với nguyên liệu là dầu thô vào khoảng 56%. * Sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên. Công nghệ mới sản xuất Axetylen trong những năm gần đây tập trung vào sử dụng nguồn nguyên liệu khí. Khí tự nhiên giàu CH4 và O2 được đưa tới nhiệt độ 600OC trước khi đưa vào trộn nhanh trong là đốt áp suất cao với tỷ lệ mol là 1:0,6. Sự thiếu hụt O2 có tác dụng ngăn phản ứng xảy ra trong quá trình vận chuyển và dùng để điều khiển quá trình oxyhoá cung cấp năng lượng cho quá trình phản ứng. Nhiệt độ đốt khí được đưa lên tới 1.500OC trong lò đốt đặc biệt, ở đó metan tham gia phản ứng tạo thành Axetylen. Sản phẩm phản ứng nhanh chóng được làm nguội bằng dầu (tới 200 - 250OC) hay nước (tới 80OC) để ngăn cản Axetylen mới hình thành phân huỷ. Sản phẩm sau đó tiếp tục được làm sạch muội và tinh chế qua quá trình hấp thụ ở áp suất cao, nhiệt độ thấp. 2. Tính chất của HCl. a. ứng dụng của HCl. Axit HCl là một trong những hoá chất quan trọng nhất trong công nghiệp, nhất là trong các nghành hoá chất. Trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ, HCl là một trong những tác nhân quan trọng để đưa Clo vào các hợp chất hữu cơ. Với ngành hoá vô cơ, HCl là một trong những dung môi không thể thiếu có khả năng hoà tan rất nhiều chất. Với hoá phân tích, HCl là một trong những hoá chất quan trọng cho các phản ứng chuẩn độ có độ chính xác cao, thời gian ngắn. b. Tính chất vật lý. HCl là khí không màu, mùi hắc, gây kích thích niêm mạc, rất độc hại với con người cũng như môi trường. HCl có khối lượng riêng là 1,35g/cm3, phân tử lượng bằng 36,5 đvC. Trong không khí ẩm, HCl kết hợp với hơi nước tạo khói. Khi ở dạng khan, HCl không có tính ăn mòn nhưng khi có mặt nước, HCl hoà tan mạnh vào trong nước tạo thành dung dịch axit mạnh, có khả năng ăn mòn hầu hết các kim loại. HCl tan trong nước tạo thành dung dịch có nồng độ lớn nhất là 35%. Khí HCl bền, chỉ bị phân huỷ nhẹ ở nhiệt độ trên 1.500oC. c. Tính chất hoá học. HCl dạng dung dịch là một axit mạnh điển hình, đứng trước H trong dãy điện hoá. Nó mang đầy đủ tính chất của một axit như: - Tác dụng với kiềm. - Tác dụng với muối. - Tác dụng với kim loại. Ngoài ra HCl còn tham gia rất tốt vào các phản ứng cộng với các chất hữu cơ có liên kết , là một trong những tác nhân để đưa Clo vào các hợp chất hữu cơ. - Phản ứng cộng với nhóm Alken. - Phản ứng cộng với nhóm Alkyl. d. Sản xuất HCl. Trong phòng thí nghiệm, HCl được điều chế bằng cách cho NaCl phản ứng với axit H2SO4 đặc đồng thời chưng sản phẩm do HCl dễ bay hơi. Trong công nghiệp, HCl được sản xuất theo nhiều phương pháp: - Phương pháp chủ để thu HCl là từ các phản ứng tổng hợp hữu cơ như là một sản phẩm phụ, đó thường là từ các quá trình Clo hoá các hợp chất hữu cơ. Sản phẩm HCl thu bằng phương pháp này có ưu điểm là rẻ nhưng độ tinh khiết không cao. - Phương pháp trực tiếp. Với phương pháp này, H2 và Cl2 được đưa tiếp xúc trực tiếp với nhau trong lò phản ứng ở nhiệt độ cao. Khí sản phẩm sau đó được đưa đi hấp thụ bằng nước. Sản phẩm HCl thu được từ phương pháp này cho độ tinh khiết cao nhưng giá thành cũng cao. 3. Tính chất của etylen. a. ứng dụng của etylen. Etylen là nguyên liệu quan trọng trong tổng hợp hoá học. Từ Etylen có thể tổng hợp được nhiều sản phẩm trung gian quan trọng, có giá trị cao như: VinylClorua, VinylAxetat, axit Acrylic, Styren... b. Tính chất vật lý. ở điều kiện thường, etylen là chất khí không màu, không mùi, dễ cháy. etylen hầu như không tan trong nước nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ như axeton, furfurol... - Nhiệt độ sôi : -103,8OC - Nhiệt độ tới hạn : -136,1oC - áp suất tới hạn : 5,117MPa c. Tính chất hoá học. Etylen có công thức cấu tạo: CH2=CH2, do trong phân tử có liên kết đôi nên etylen có khả năng hoạt động hoá học cao, đặc biệt là khả năng tham gia phản ứng cộng. - Etylen dễ dàng tham gia các phản ứng cộng với halogen, H2, HCl, ... trong đó đặc biệt quan trọng là phản ứng với Cl2 tạo thành 1,2-Dicloetan có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. - Phản ứng cộng với H2O tạo thành rượu etylic. - Phản ứng tổng hợp oxo cho andehyt khi có mặt xúc tác. - Phản ứng tổng hợp VinylAxetat. - Phản ứng tổng hợp axit Acrylic. - Phản ứng trùng hợp của etylen tạo thành polyetylen (PVC) là phản ứng rất quan trọng trong công nghiệp. d. Sản xuất Etylen. Etylen được sản xuất trong công nghiệp chủ yếu từ quá trình cracking hơi (steam cracking) với các nguồn nguyên liệu khác nhau như: khí tự nhiên, gasoil, naphta,... Với công nghệ này, nguyên liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ cao, sau đó được trộn với hơi nước và đưa vào vùng bức xạ của lò ống. Do nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng khi đi vào vùng bức xạ tăng lên một cách nhanh chóng và quá trình nhiệt phân xảy ra. Tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu sử dụng mà quá trình được thực hiện ở nhiệt độ khác nhau (750 - 870OC), tỷ lệ hơi nước khác nhau (0,2 - 1,2) trong khoảng thời gian lưu ngắng (<1s). Khí sản phẩm sau khi ra khỏi lò phản ứng được làm lạnh nhanh xuống 550-600OC để tránh các phản ứng thứ cấp. Quá trình làm lạnh nhanh được tiến hành trong bộ phận làm lạnh gián tiếp bằng nước và sau đó là làm lạnh bằng phân đoạn nặng của quá trình nhiệt phân. Nhiệt được tận dụng để sản xuất hơi nước áp suất cao. Sản phẩm sau khi làm lạnh được đưa sang tháp chưng để phân tách sản phẩm, rửa, sấy,... Hình 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất Etylen theo phương pháp SteamCracking. Với công nghệ này, sản phẩm Etylen thu được có độ tinh khiết cao (99,9% trọng lượng). 4. Tính chất của Dicloetan. a. ứng dụng của Dicloetan. Dicloetan được tổng hợp ra chủ yếu dùng để tổng hợp VinylClorua với khoảng 85% tổng sản lượng, 10% sử dụng cho việc sản xuất các dung môi chứa Clo như 1,1,1-TriCloEtan, TetraCloEtan…, tổng hợp Etylenglycol. Ngoài ra Dicloetan còn được sử dụng như một dung môi để trích ly các chất béo ra khỏi mỡ động vật, thực vật, khử dầu mỡ ở da và lông thú, làm sạch kim loại trước khi mạ Crôm, Niken. Dicloetan còn được sử dụng trong xăng chì như một cấu tử để chống muội khi xăng cháy. Tuy nhiên với sự giảm nhiên liệu chì, với ứng dụng này sẽ được giảm dần và bị loại bỏ trong tương lai. b. Tính chất vật lý. ở điều kiện thường, Dicloetan là chất lỏng, trong suốt, không tan trong nước, tạo với nước hỗn hợp đẳng phí ở 72OC chứa 19,5% nước. Dicloetan có khả năng hoà tan nhiều hợp chất vô cơ lẫn hữu cơ nên được dùng làm dung môi thông dụng. - Trọng lượng phân tử : 98,97 dvc - Nhiệt độ nóng chảy : -35,3 OC - Nhiệt độ sôi (101,3kPa) : 83,7 OC - Nhiệt tạo thành : -157,3 kJ/mol - Khối lượng riêng ở 20OC : 1,253 g/cm3 - Nhiệt độ tới hạn : 290 OC - áp suất tới hạn : 5.360 kPa - Giới hạn cháy nổ trong không khí : 6,2 - 15,6 (% thể tích) - Nhiệt dung riêng ở 20OC (dạng lỏng) : 1,288 kJ kg-1 K-1 - Nhiệt độ chớp cháy cốc hở : 21 OC - Nhiệt độ chớp cháy cốc kín : 17 OC - Độ nhớt ở 20OC : 0,19x10-3Pas b. Tính chất hoá học. 1,2-dicloetan tinh khiết khá ổn định với nhiệt độ với sự có mặt của sắt. ở nhiệt độ trên 340 OC bắt đầu có hiện tượng 1,2-dicloetan bị phân huỷ tạo thành Vinyl Clorua, HCl và một lượng nhỏ axetylen. Quá trình phân huỷ được xúc tác bởi các nguyên tố halogen hay các hydrocacbon có chứa Clo. Quá trình đốt cháy trong điều kiện thiếu Oxy, quá trình nhiệt phân và oxy hoá quang sẽ chuyển 1,2-dicloetan thành HCl, CO và COCl2. Cả hai nguyên tử Clo trong phân tử 1,2-dicloetan có khả năng tham gia phản ứng thế nucleofin tạo thành nhiều hợp chất khác nhau như: - Phản ứng thuỷ phân trong môi trường Na2CO3 tạo thành Etylenglycol có ứng dụng làm chất hấp thụ, sản xuất sợi tổng hợp... - Phản ứng với NH3 tạo thành etylendiamin. - Phản ứng với kiềm tạo thành Vinyl Clorua có ứng dụng to lớn trong công nghiệp sản xuất các loại chất dẻo. - Phản ứng với NaCN cho axít succinic. c. Sản xuất Dicloetan. Trong công nghiệp, 1,2-Dicloetan được sản xuất từ Clo và Etylen. Có hai phương pháp được sử dụng: - Clo hoá trực tiếp Etylen với tác nhân phản ứng là Clo. - Oxyclo hoá Etylen với tác nhân phản ứng là HCl. Thực tế trong công nghiệp, cả hai phương pháp trên được tiến hành song song với nhau vì hầu hết các nhà máy sản xuất 1,2-Diloetan đều được nối với bộ phận sản xuất Vinyl Clorua. Quá trình oxyclo hoá được dùng để tận dụng lượng HCl từ quá trình sản xuất Vinyl Clorua. * Phương pháp Clo hoá trực tiếp etylen. Phản ứng chính của phương pháp: Với phương pháp này có thể thực hiện trong pha lỏng và pha khí nhưng trong công nghiệp chủ yếu sử dụng pha lỏng. - Với phương pháp dùng phản ứng trong pha lỏng. Phản ứng chính xảy ra theo cơ thế cộng electrophyl của Clo vào liên kết của etylen. Xúc tác cho phản ứng trong trường hợp này là các axit, trong đó thường dùng là các axit lewis. FeCl3 được dùng nhiều nhất do có tính chọn lọc cao, dễ chế tạo. Gần đây người ta mới tìm ta loại xúc tác mới cho phản ứng, đó là dimetyl focmamit (DMFA). Phản ứng được tiến hành phần lớn trong môi trường là chính 1,2-Dicloetan do cả Etylen và clo đều có khả năng tan tốt trong 1,2-Dicloetan. Quá trình thường được thực hiện trong điều kiện áp suất thấp (gần áp suất khí quyển), nhiệt độ thì tuỳ vào chế độ công nghệ cụ thể. Công nghệ clo hoá Etylen ở nhiệt độ thấp (LTC: Low Temparature Chlorination), thực hiện ở nhiệt độ khoảng 20 - 70OC, dưới nhiệt độ sôi của 1,2-Dicloetan. Nhiệt phản ứng được tách ra nhờ quá trình làm lạnh. Do phản ứng ở nhiệt độ thấp nên phương pháp này có ưu điểm là ít tạo ra sản phẩm phụ, hiệu suất, độ chuyển hoá cũng như độ chọn lọc cao. Tuy nhiên, do nhiệt độ sôi của 1,2-Dicloetan thấp nên tốn nhiều hơi nước để tách sản phẩm. Công nghệ clo hoá etylen ở nhiệt nhiệt độ cao (LTC: High Temparature Chlorination), thực hiện ở nhiệt độ khoảng 85 - 200OC nhưng thường là ở 100OC. Nhiệt phản ứng được tận dụng dùng để chưng cất, tách sản phẩm cùng lúc với quá trình phản ứng. Ngoài ra còn có thể sử dụng thêm quá trình làm lạnh ngoài. Với công nghệ này có thể tận dụng được nguồn 1,2-Dicloetan từ các quá trình khác như phần 1,2-Dicloetan không chuyển đổi của quá trình sản xuất Vinyl Clorua, từ quá trình Oxyclo hoá. Tuy nhiên, do phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao nên thiết bị phản ứng phải được thiết kế, chế tạo hết sức cẩn thận để tránh hiện tượng ăn mòn của clo. * Phương pháp Oxyclo hoá trực tiếp Etylen. Phản ứng chính của phương pháp: Phản ứng chính có thể cho xảy ra trong pha lỏng hoặc pha khí, tuy nhiên thực tế trong công nghiệp, công nghệ được sử dụng chủ yếu dùng pha khí. Phương pháp này được sử dụng nhằm tận dụng HCl từ các quá trình khác như quá trình cracking 1,2-Dicloetan sản xuất VinylClorua,... Xúc tác cho phản ứng thường là muối CuCl2/Al2O3, các chất trợ xúc tác là muối KCl,... để tăng độ chọn lọc của phản ứng, giảm sự bay hơi, tăng thời gian sống của xúc tác. Xúc tác có thể sử dụng ở dạng tầng sôi hay lớp xúc tác cố định. Phản ứng toả nhiệt mạnh và được duy trì vào khoảng 200 - 350OC, áp suất 0,1-1,5MPa. Do ở nhiệt độ cao nên xảy ra các quá trình tạo nhiều sản phẩm phụ như: monocloetan, 1,1-Dicloetan, VinylClorua,... Quá trình Oxyclo hoá Etylen có thể sử dụng Oxy kỹ thuật, Oxy không khí hoặc kết hợp cả hai trong từng trường hợp nhằm tránh phản ứng Oxyhoá sâu. - Công nghệ sản xuất 1,2-dicloetan với thiết bị xúc tác tầng sôi. Trong trường hợp này, thiết bị phản ứng dạng hình trụ đứng, làm bằng thép hợp kim, được lắp ống xoắn ruột gà để tách nhiệt phản ứng. Để duy trì trạng thái xúc tác dạng giả sôi, có thể sục thẳng tác nhân phản ứng vào lớp xúc tác hoặc sử dụng khí nén. Khí sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được cho qua thiết bị lọc bụi rồi nhanh chóng làm nguội xuống khoảng 90OC trong tháp tôi nóng nhờ dòng nước nóng 80OC sau đó là nước lạnh 10OC để tách HCl. Sau đó sản phẩm được trung hoà với NH3, thu hồi sản phẩm phụ trong môi trường kiềm. Khí sau khi qua tháp tôi lạnh vẫn chứa một lượng 1,2-Dicloetan đáng kể được làm lạnh và hấp thụ bằng dung môi alkylbenzen và tách khỏi dung môi. 1,2-Dicloetan sau đó được cho qua thiết bị lắng, chưng cất để tách loại nước và các sản phẩm phụ thu được 1,2-Dicloetan đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Loại thiết bị xúc tác tầng sôi này có ưu điểm là đảm bảo nhiệt độ tương đối đồng đều trong toàn bộ thể tích thiết bị phản ứng, tránh được các điểm quá nhiệt cục bộ, điều kiện phản ứng mềm hơn (220 - 320OC, áp suất 0,2 - 0,5 MPa), thiết bị gọn nhẹ, năng suất cao nhưng cần đầu tư cơ bản lớn. - Công nghệ sản xuất 1,2-dicloetan với thiết bị lớp xúc tác cố định. Trong trường hợp này, thiết bị phản ứng dạng ống chùm, chất tải nhiệt được tuần hoàn bên ngoài ống chứa xúc tác. Các ống chứa xúc tác phải được nhồi xúc tác hết sức cẩn thận, đồng đều để tránh hiện tượng giảm áp, giảm tốc độ dòng chảy và thời gian lưu của chất tham gia phản ứng dọc theo chiều dài ống, do đó tránh được hiện tượng quá nhiệt cục bộ và tăng độ chọn lọc, thời gian sống của xúc tác. Ngoài ra, để giảm hiện tượng quá nhiệt cục bộ có thể sử dụng các biện pháp như: trộn xúc tác với chất độn trơ, tạo gradien nồng độ xúc tác trong ống chứa, sử dụng nhiều thiết bị phản ứng đặt nối tiếp... II. Tính chất của sản phẩm VinylClorua. 1. Tính chất vật lý. ở điều kiện thường, VinylClorua là chất khí, không màu, dễ cháy, có mùi thơm, tan ít trong nước nhưng tan nhiều hơn trong các dung môi hữu cơ như axeton, rượu etylic,... - Trọng lượng phân tử : 62,5 dVinylClorua - Nhiệt độ nóng chảy : -153,8 OC - Nhiệt độ sôi (101,3kPa) : -13,4 OC - Nhiệt tạo thành (dạng khí) : 35,2 kJ/mol - Khối lượng riêng + ở -14,2OC : 0,969 g/cm3 + ở 20OC : 0,910 g/cm3 - Nhiệt độ tới hạn : 156,8 OC - áp suất tới hạn : 5.600 kPa - Giới hạn cháy nổ trong không khí : 4 - 22 (% thể tích) - Nhiệt dung riêng ở 20OC + Dạng lỏng : 1,352 kJ kg-1 K-1 + Dạng hơi : 0,86 kJ kg-1 K-1 - Nhiệt độ chớp cháy cốc hở : -78OC - Độ nhớt ở 20OC : 0,19x10-3 Pas 2. Tính chất hoá học. VinylClorua có công thức phân tử là C2H3Cl, công thức cấu tạo: Trong phân tử VinylClorua có một liên kết đôi và một nguyên tử Cl linh động nên các tính chất hoá học của VinylClorua chủ yếu là do hai yếu tố này. - Phản ứng phân huỷ VinylClorua xảy ra ở khoảng 450OC tạo thành chủ yếu là Axetylen, HCl và kèm theo một lượng nhỏ 2-Clo-1,3-Butadien do phản ứng dime hoá với Axetylen. - Khi cháy trong không khí, VinylClorua cháy tạo thành CO2 và HCl. Trong điều kiện thiếu không khí, phản ứng cháy tạo ra một lượng nhỏ COCl2 - Phản ứng Oxy hoá tạo thành monocloaxetalhehyt. - Với sự có mặt của nước, HCl được tạo thành gây nên sự ăn mòn mạnh đối với nhiều loại kim loại, hợp kim. - VinylClorua có khả năng tạo với O2 và không khí một hỗn hợp dễ nổ. Do có liên kết đôi trong phân tử nên phản ứng quan trọng nhất của VinylClorua là phản ứng polyme hoá tạo thành sản phẩm Polyvinylclorua (PVC) và phản ứng cộng theo cơ chế electrophin hay cơ chế gốc trong đó chủ yếu là phản ứng Clo hoá, Hyđroclo hoá tạo thành 1,1,2 - tricloetan và 1,2-DiCloEtan. - Phản ứng với acolat tạo thành este. - Phản ứng tách HCl với tác nhân là kiềm. Do VinylClorua rất dễ tham gia phản ứng polyme hoá (do sự xúc tác của nhiều yếu tố như các tạp chất, dụng cụ chứa,...) nên trong quá trình bảo quản, vận chuyển VinylClorua luôn phải cho thêm một lượng nhỏ chất ức chế, thường dùng là phenol. Với VinylClorua được sản xuất với độ tinh khiết đủ cao sẽ không cần phải thêm chất ức chế. III. Các phương pháp sản xuất VinylClorua trong công nghiệp. Các quá trình chính trong công nghiệp để sản xuất VinylClorua: - Cộng HCl vào Axetylen (bắt đầu được thương mại hoá từ năm 1930). - Cộng cracking DCE tạo thành VinylClorua và HCl (được phát triển từ những năm 1950). - Oxiclo hoá Etylen, phương pháp được phát triển từ năm 1955. - Kết hợp sử dụng Etylen và Axetylen trong sơ đồ liên hợp để tránh sự lãng phí HCl như là một sản phẩm phụ. 1. Sản xuất VinylClorua từ Axetylen và HCl. Quá trình sản xuất VinylClorua đi từ nguyên liệu Axetylen được áp dụng phổ biến ở những nước mà nguồn tài nguyên dầu mỏ, khí tự nhiên hạn chế nhưng nguồn than phong phú. a. Cơ sở quá trình. Phản ứng chính là phản ứng cộng HCl vào Axetylen. ở áp suất thường không có xúc tác, phản ứng không xảy ra. Muốn phản ứng xảy ra có thể tăng áp suất lên cao nhưng khi đó các phản ứng tạo sản phẩm phụ xảy ra mạnh (phản ứng tạo diclo-Etan, trùng hợp sản phẩm VinylClorua vừa tạo thành,...). Những sản phẩm phụ này làm giảm hiệu suất thu sản phẩm chính, phải tách khỏi sản phẩm. Phản ứng khi xảy ra toả nhiệt mạnh, vượt trội hẳn so với phản ứng HyđroClo hoá với olefin. Phản ứng khi ở nhiệt độ cao có đôi chút xu hướng xảy ra theo hướng ngược lại nhưng khi nhiệt độ giảm xuống thì cân bằng hoàn toàn dịch về phái bên phải. Hằng số cân bằng của phản ứng: Quá trình cộng HCl vào Axetylen có thể xảy ra liên tiếp nhiều giai đoạn: Vì vậy khi tiến hành phản ứng chuyển hoá Axetylen thành VinylClorua cần sử dụng xúc tác chọn lọc nhằm làm tăng vận tốc giai đoạn đầu. Xúc tác đáp ứng yêu cầu này là các muối Hg2+ và Cu2+. Với muối của thuỷ ngân thường dùng nhất là muối clorua HgCl2. Tuy nhiên xúc tác này ngoài làm tăng vận tốc phản ứng tạo VinylClorua nó cũng lại làm tăng tốc độ phản ứng hyđrat hoá Axetylen tạo thành Axetaldehyt. Do đó, loại xúc tác này chỉ dùng cho phản ứng trong pha khí ở 100 - 200oC và nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng phải được làm khô. Với muối của đồng thường dùng nhất là muối clorua đồng CuCl2. Loại xúc tác này không làm tăng tốc độ phản ứng tạo Axetaldehyt, do đó có thể dùng nó cho phản ứng trong pha lỏng. Tuy nhiên muối CuCl2 rất dễ bay hơi nên khi dùng loại xúc tác này phải thêm HCl đặc vào để ngăn cản sự bay hơi của muối đồng. Tác dụng xúc tác của muối Hg2+ và Cu2+ cho phản ứng HyđroClorua hoá Axetylen được giải thích bằng sự tạo thành những sản phẩm trung gian: Đầu tiên, Axetylen kết hợp với xúc tác tạo thành phức , sau đó là quá t._.rình chuyển đổi phức thành Clovinyl thuỷ ngân, cuối cùng tác dụng với HCl tạo thành sản phẩm VinylClorua và hoàn nguyên lại xúc tác. Thời gian sống của xúc tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: lượng chất độc có trong nguyên liệu, chế độ công nghệ, độ chuyển hoá,... và thường vào khoảng 5 tháng trong điều kiện chuẩn. Với công nghệ lớp xúc tác cố định, ở nhiệt độ cao, trong quá trình phản ứng trong pha khí, muối thuỷ ngân thường thăng hoa và bị kéo theo vào dòng khí làm giảm chất lượng xúc tác và làm sản phẩm bị giảm chất lượng. Do muối thuỷ ngân rất độc hại nên trong quá trình sản xuất luôn đi kèm theo quá trình làm sạch sản phẩm. Với công nghệ lớp xúc tác giả sôi, điều này được giảm đến tối thiểu do quá trình làm mát, kiểm soát nhiệt phản ứng tốt hơn. Với hai xúc tác cho cả pha lỏng và pha khí, công nghệ sản xuất VinylClorua từ Axetylen và HCl có thể có thể tiến hành trong cả hai pha. Tuy nhiên phản ứng pha khí được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp. b. Sản xuất VinylClorua. Công nghệ sản xuất Axetylen có thể thực hiện theo cả hai phương pháp: pha lỏng và pha khí. Công nghệ sử dụng pha lỏng đã được sử dụng từ rất lâu so với công nghệ sủa dụng pha khí. Tuy nhiên, với các ưu điểm vượt trội, ngày nay trên thế giới sản xuất VinylClorua chủ yếu dùng công nghệ sử dụng pha khí. * Sản xuất Axetylen theo phương pháp pha lỏng. Với công nghệ sản xuất Axetylen theo phương pháp pha lỏng, người ta cho nguyên liệu Axetylen và HCl kỹ thuật sục vào dung dịch xúc tác có hoà tan các thành phần như: CH2Cl2 23% khối lượng, NH4Cl 16% khối lượng, CaCl2 hoà tan trong axit HCl 12 15%. Với xúc tác muối đồng, nhiệt độ của phản ứng cần duy trì trong khoảng 60oC. Tuy nhiên, với xúc tác này sẽ dẫn đến xu hướng làm tăng các phản ứng phụ như phản ứng trùng hợp Axetylen tạo thành Vinyl Axetylen: Để ngăn ngừa phản ứng phụ đồng thời giảm sự bay hơi, người ta sử dụng dung dịch axit HCl đặc để hoà tan muối đồng. Về thời gian phản ứng: thời gian phản ứng tăng, tức thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu Axetylen và HCl với xúc tác tăng sẽ làm tăng khả năng chuyển hoá nguyên liệu thành sản phẩm. Tuy nhiên khi tăng thời gian phản ứng sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tăng các phản ứng phụ,... Do đó, trong thực tế thời gian phản ứng thường để ngắn và tuần hoàn Axetylen dư. Trong công nghiệp, công nghệ sản xuất VinylClorua được tiến hành như sau: cho xúc tác muối đồng đã được chuẩn bị trước vào thiết bị phản ứng, sục nguyên liệu Axetylen và HCl kỹ thuật vào trong dung dịch xúc tác cùng một lúc, duy trì nhiệt độ phản ứng trong khoảng 6065oC. Sản phẩm VinylClorua tạo ra dưới dạng khí cùng với hơi nước, nguyên liệu còn dư và sản phẩm phụ sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa tới tháp rửa nước để tách HCl dư, sau đó tới tháp rửa bằng NaOH để trung hoà nốt phần HCl còn lại. Tiếp theo, khí sản phẩm được đưa đi tách nước, tách và tuần hoàn Axetylen, chưng cất lấy Axetylen trong hệ thống các tháp chưng cất. Công nghệ tổng hợp VinylClorua sử dụng pha lỏng có ưu điểm là có thể tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp, dễ dàng điều chỉnh được nhiệt độ, tốn ít năng lượng. Tuy nhiên hiệu suất của công nghệ thấp, thiết bị khi chế tạo phải sử dụng loại nguyên liệu có khả năng chống ăn mòn tốt với axit. Công nghệ này được sử dụng bởi các công ty: Distillers, Knapsck, Shell * Sản xuất Axetylen theo phương pháp pha khí. Phản ứng xảy ra trong pha khí với sự có mặt của xúc tác HgCl2, ở nhiệt độ 100 - 170 OC, áp suất 0,1 - 0,3.106 Pa. Xúc tác có thể được mang trên chất mang than hoạt tính, graphit hay silicat... Sản phẩm phụ của quá trình thường là Axetaldehyt tạo thành do phản ứng của Axetylen với vết nước có trong nguyên liệu và 1,1-dicloeten do HCl lại phản ứng tiếp với VinylClorua: * Về xúc tác cho phản ứng chính: Xúc tác được sử dụng cho quá trình nhằm tăng độ chuyển hoá của phản ứng chính, giảm độ khắc nghiệt cho quá trình. Với công nghệ này, xúc tác được sử dụng phổ biến nhất là xúc tác HgCl2/C* trong đó muối HgCl2 chiếm khoảng 2-10% khối lượng. Cũng có một số xúc tác kim loại khác với khoảng 1-3% Clo được đưa ra nhưng tới nay xúc tác muối thuỷ ngân vẫn được chứng minh là có hiệu quả lớn nhất. Tuy nhiên, do muối thuỷ ngân rất độc hại dù với hàm lượng nhỏ nên người ta vẫn có xu hướng thay thế muối thuỷ ngân bằng muối của một số kim loại khác như BaCl2, CdCl2,... Carbon hoạt tính với những tính chất đặc biệt như: có bề mặt riêng lớn, độ bền cơ, nhiệt đảm bảo, dễ chế tạo nên được dùng làm chất mang chủ yếu. Độ chuyển hoá phản ứng chính phụ thuộc nhiều vào nồng độ xúc tác. Dựa vào bảng ta thấy: khi nồng độ HgCl2 tăng từ 5-10% thì độ chuyển hoá của phản ứng chính tăng vọt lên, nhưng khi nồng độ HgCl2 lớn hơn 20% thì độ chuyển hoá tăng lên rất chậm đồng thời phản ứng toả nhiều nhiệt làm xúc tác bị nung nóng cục bộ, muối thuỷ ngân bị thăng hoa, phản ứng polyme hoá Axetylen xảy ra bao phủ bề mặt xúc tác làm hoạt tính của xúc tác giảm đi một cách nhanh chóng. Do đó thực tế trong công nghiệp xúc tác cho phản ứng tổng hợp VinylClorua từ Axetylen và HCl thường là HgCl2/C* với khối lượng HgCl2 chiếm khoảng 10%. %HgCl2 trên C* Độ chuyển hoá, % 5 10 20 40 60 69,6 86,7 92,3 94,9 96,8 Bảng 1: Độ chuyển hoá của Axetylen khi sử dụng xúc tác HgCl2/C*. * Về ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình. Phản ứng chính là phản ứng toả nhiệt khá mạnh. Do đó khi giảm nhiệt độ phản ứng sẽ làm cân bằng phản ứng chuyển sang bên phải nhiều hơn nhưng lại làm giảm tốc độ phản ứng. Nhiệt độ cao làm tăng các phản ứng phụ, làm muối thuỷ ngân thăng hoa và phân huỷ (khoảng 300oC). Thực tế, phản ứng được duy trì khoảng 100 - 200oC tuỳ vào loại xúc tác. * Về ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu đến quá trình. Cùng với phản ứng chính, các phản ứng phụ cũng luôn xảy ra. Nếu nguyên liệu đưa vào dư Axetylen sẽ xảy ra phản ứng phụ tạo 1,2-DiCloEtan. Nếu dư HCl sẽ xảy ra phản ứng phụ tạo 1,1-DiCloEtan. Thực tế, do nguyên liệu Axetylen đắt hợ nhiều so với HCl nên một yêu cầu đặt ra là làm sao cho Axetylen phải phản ứng hết. Do đó thực tế nguyên liệu HCl thường lấy dư so với Axetylen khoảng 10% mol. Tỷ lệ mol C2H2/HCl Độ chuyển hoá, % 1/1,09 1/1,1 1/1,2 91,05 96,95 97,75 Bảng 2: Độ chuyển hoá của Axetylen với các tỷ lệ nguyên liệu khác nhau. * Về ảnh hưởng của vận tốc thể tích đến quá trình. Vận tốc thể tích là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất thiết bị và độ chuyển hoá. Khi vận tốc thể tích giảm thì độ chuyển hoá của phản ứng tăng nhưng năng suất thiết bị giảm, các phản ứng phụ tăng làm giảm hiệu suất quá trình. Ngược lại, khi vận tốc thể tích tăng làm tăng năng suất thiết bị, giảm các phản ứng phụ nhưng cũng làm giảm độ chuyển hoá phản ứng chính. Vận tốc thể tích, m3/m3xt.h Độ chuyển hoá, % 125 100 75 50 25 93,66 94,55 96,06 97,40 97,46 Bảng 3: Độ chuyển hoá của C2H2 với vận tốc thể tích khác nhau. Thực tế thường duy trì vận tốc thể tích trong khoảng 25 - 50 m3/m3xt.h. * Về ảnh hưởng của nguyên liệu đến quá trình. Do xúc tác rất dễ bị ngộ độc bởi các tạp chất, hơi nước có trong nguyên liệu dưới tác dụng của xúc tác sẽ tác dụng với Axetylen tạo thành Axetaldehyt, Clo và Axetylen tạo thành hỗn hợp nổ... nên trước khi đưa vào thiết bị phản ứng, nguyên liệu cần được làm sạch khỏi các chất có hại cho quá trình. * Quá trình sản xuất VinylClorua. - Quá trình chuẩn bị nguyên liệu: Axetylen được sấy, sau đó trộn với HCl (dư 10% để tránh phản ứng trùng hợp) cùng với khí tuần hoàn. Trong giai đoạn này, sự có mặt dù một lượng nhỏ Clo (trong quá trình chuẩn bị HCl từ phản ứng của clo với hyđro) cũng có khả năng tạo thành hỗn hợp nổ hết sức nguy hiểm. - Quá trình phản ứng: hỗn hợp khí thu được từ thiết hị trộn được đưa vào các thiết bị phản ứng dạng ống chùm đặt song song với nhau. Mỗi thiết bị có đường kính khoảng 2m, cao 4m chứa từ 1.500 - 2.000 ống xúc tác. Nhiệt phản ứng được tách và điều khiển bắng cách tuần hoàn chất tải nhiệt lạnh bên ngoài ống, qua thiết bị trao đổi nhiệt đặt bên ngoài. - Quá trình xử lý sản phẩm: khí sản phẩm rời khỏi vùng phản ứng được rửa bởi NaOH và nước để tách HCl dư, sau đó được nén tới 0,7MPa và làm lạnh. Phần lớn sản phẩm sẽ bị ngưng tụ lại. Nước được tách ra trong thiết bị lắng và thiết bị chưng cất tách nước. Sản phẩm VinylClorua được tinh chế trong tháp chưng cất nhiệt độ thấp ở 0,4 - 0,5 MPa. Khí thu hồi từ thiết bị lắng chứa chủ yếu là Axetylen được làm sạch bằng hấp thụ, tách và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng. Công nghệ này đã được biết đến từ rất lâu, được phát triển và sản xuất trên quy mô công nghiệp bởi nhiều công ty lớn trên thế giới như: BASF, ICI, USSR,... Nguyên liệu Axetylen cho quá trình này cần có độ tinh khiết cao. Gần đây, công ty Japan Gas Chemical đã phát triển và đưa ra công nghệ mới nhằm tận dụng được nguồn nguyên liệu Axetylen có độ tinh khiết thấp hơn. Hình 3: Sơ đồ công nghệ sản xuất VinylClorua từ Axetylen và HCl. 2. Sản xuất VinylClorua đi từ DiCloEtan (DCE). Công nghệ quá trình sản xuất VinylClorua từ DCE có hai hướng: - Nhiệt phân trong pha hơi. - Kiềm hoá để dehyđroclorua hoá. Phản ứng chính của quá trình: Trong những năm 1830, VinylClorua được sản xuất dựa trên phản ứng dehydrohóa 1,2- DiClo-Etan. Năm 1902 VinylClorua nhận được nhờ phản ứng cracking nhiệt 1,2-DiClo-Etan. Công nghệ của quá trình sản xuất VinylClorua từ DCE có thể sử dụng hai phương pháp : - Kiềm hóa để hydro hóa trong pha lỏng với phản ứng chính: - Nhiệt phân trong pha hơi với phản ứng chính: ∆H298 = 100,2 KJ/mol a. Quá trình trong pha lỏng. Công nghệ sử dụng quá trình trong pha lỏng để tách HCl ra khỏi DiCloEtan không quan trọng trong công nghiệp do nguyên liệu Clo rất đắt lại bị mất đi do tạo thành muối NaCl. Khi sản xuất VinylClorua sử dụng pha lỏng, phản ứng được thực hiện trong thiết bị hình trụ kiểu đồng trục, có vỏ bọc ngoài, có cánh khuấy, thiết bị hoạt động gián đoạn. Đầu tiên cho dung dịch NaOH, sau đó cho rượu và cuối cùng đưa từ từ DiCloEtan vào thiết bị phản ứng và VinylClorua được tạo thành: Cứ một lít dicletan cần 1,1 lít dung dịch kiềm (42% NaOH) và 0,26 lít rượu metylic. Do rượu etylic hòa tan DiCloEtan và kiềm, phản ứng tiến hành trong môi trường đồng thể. Nhiệt độ phản ứng được duy trì trong khoảng từ 60-700C, thời gian từ 4-5 giờ, áp suất trong thiết bị vào khoảng 0,2-0,4 at. Với quá trình này, khi tiến hành phản ứng không nên cho dư kiềm vì DiCloEtan dễ bị phân hủy tạo thành Axetylen theo phản ứng: Khi có dư nước, DiCloEtan dễ bị thủy phân trong môi trường kiềm tạo thành glycol: Sản phẩm tạo thành gồm có VinylClorua, DiCloEtan, rượu và nước. Ta tiến hành ngưng tụ để tách riêng từng thành phần. Hiệu suất VinylClorua tính theo DiCloEtan vào khoảng 75 – 85%. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là quá trình làm việc gián đoạn, yêu cầu nhiều thiết bị khó tự động hóa đồng thời hao tốn nhiều nguyên liệu để tách riêng sản phẩm. Cứ 1 tấn VinylClorua cần phải có 0,82 tấn kiềm, 92 kg rượu (100%). Để khắc phục nhược điểm này người ta tiến hành nhiệt phân không xúc tác hoặc có xúc tác DiCloEtan trong pha khí. b. Quá trình trong pha khí. Phản ứng bắt đầu xảy ra ở 300oC, áp suất khí quyển nhưng phản ứng chỉ đạt tốc độ cao ở khoảng nhiệt độ 400-550oC. Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc. Khơi mào: Phát triển mạch: Đứt mạch: Lượng VinylClorua thu được ít, để hạ thấp nhiệt độ phản ứng người ta dùng xúc tác có khả năng tách Clo với lượng 0,5-1% ở nhiệt độ 3700C, hiệu suất VinylClorua đạt 70%. Với điều kiện như vậy, nếu tiến hành ở nhiệt độ 4000C không có xúc tác thì hiệu suất VinylClorua chỉ đạt 2%. Để tránh phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao, tạo nhiều sản phẩm phụ (từ quá trình polyclohoá, quá trình phân huỷ, quá trình cốc hoá), người ta thường dùng xúc tiến cho phản ứng là như: Clo, Brôm, Oxi... để tạo thuận lợi cho quá trình chuyển hoá chính. Ví dụ: Khơi mào: Phát triển mạch: Đứt mạch: Ngoài ra, người ta còn dùng một số hệ xúc tác như: than hoạt tính, muối Clo kim loại... Tuy nhiên thời gian sống của xúc tác thấp và các khó khăb về công nghệ làm cho quá trình cracking DCE có xúc tác không được sử dụng trong công nghiệp. Hiệu suất của phương pháp này là 85%. * Dây chuyền sản xuất. DiCloEtan được gia nhiệt và bốc hơi ở 215oC, sau đó được đưa vào vùng đối lưu ở phần trên lò ống (1). Tại vùng đối lưu, nguyên liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ phản ứng và phản ứng thực sự xảy ra trong vùng bức xạ. Sản phẩm khí thu được ở đầu ra của thiết bị lò ống có nhiệt độ 500oC được tôi để tránh các phản ứng phụ xảy ra nối tiếp bằng cách đưa vào tháp tôi (2) tiếp xúc với dòng sản phẩm đã được làm lạnh xuống 50oC chảy ngược chiều. Khí sản phẩm sau đó sẽ được làm lạnh xuống 200oC. Quá trình làm lạnh bổ sung tiếp theo sẽ làm ngưng tụ hầu hết nguyên liệu DCE chưa phản ứng, một phần sẽ được dùng làm chất tải nhiệt trong tháp tôi. Phần còn lại cùng với khí không ngưng sẽ được đưa vào các tháp chưng cất để thực hiện các nhiệm vụ: - Tách sản phẩm phụ HCl ở dạng khí trong tháp (3). - Tách VinylClorua thô trong tháp (4). - Tinh chế VinylClorua để giảm lượng HCl từ 500ppm xuống dưới 10ppm trong tháp (5). - Tách các sản phẩm phụ khác trong các tháp (6,7) và tách, thu hồi DCE trong tháp (8) và đưa trở lại thiết bị phản ứng. Sản phẩm VinylClorua sau khi tách HCl được đem đi trung hoà bởi NaOH, sấy khô sẽ được VinylClorua thương phẩm. Hình 4: Sơ đồ công nghệ sản xuất VinylClorua từ EDC. 3. Công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Etylen. Công nghệ sản xuất VinylClorua từ Etylen là phương pháp mới, có nhiều ưu điểm, nhất là với những nước có nguồn dầu mỏ phong phú. a. Cơ chế phản ứng của phương pháp. Phương pháp cân bằng theo Clo để sản xuất VinylClorua từ Etylen là phương pháp quan trọng trong các quá trình OxiClo hóa. Nó là sự kết hợp của ba quá trình : - Cộng hợp trực tiếp Clo và Etylen tạo thành 1,2-DiCloEtan. - Dehyroclo hóa 1,2-DiCloEtan thành VinylClorua. - OxiClo hóa Etylen thành 1,2-DiCloEtan với sự tham gia của HCl tạo ra khi dehidroclo hóa. Theo kết quả của các phản ứng trên thì từ phản ứng giữa Etylen, Clo và Oxi ta sẽ nhận được VinylClorua. Trong quá trình này, Clo được sử dụng hoàn toàn và không tạo thành HCl. Phương pháp này không cần sử dụng Axetylen đắt tiền và hiện nay là phương pháp kinh tế nhất để tổng hợp VinylClorua. Giá thành monome nhận được giảm từ 25-30% so với phương pháp hidroclo hóa Axetylen. Phản ứng Clo hóa và OxiClo hóa Etylen là hai phản ứng phát nhiệt nên người ta thường kết hợp nó với phản ứng thu nhiệt là phản ứng dehidroclo hóa 1,2 - DiCloEtan. Để đảm bảo năng suất tạo thành sản phẩm VinylClorua với quá trình tổng hợp trực tiếp VinylClorua từ Etylen, ta phải tiến hành phản ứng dưới một lượng dư Etylen ở mức thấp và nhiệt độ của quá trình tổng hợp không được cao quá, chỉ vào khoảng 300 - 6000C. Hiệu suất tạo thành VinylClorua cao nhất ở khoảng nhiệt độ 350 - 4500C. Với quá trình này xúc tác thường được sử dụng là xúc tác muối kim loại chuyển tiếp, nếu phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao sẽ khử mất hoạt tính của xúc tác và bản thân Etylen sẽ bị oxy hóa sâu tạo thành CO và CO2 làm giảm năng suất của quá trình . b. Dây chuyền sản xuất VinylClorua từ Etylen. Trong thiết bị (1) Etylen và clo phản ứng với nhau trong pha lỏng tạo DCE. Nhiệt tỏa ra từ phản ứng được thu hồi dùng cho quá trình chưng cất (3) thu DCE và dùng để phân hủy DCE thu hồi sau khi làm sạch sản phẩm VinylClorua . DCE tinh khiết được cracking trong (4) và tạo VinylClorua và HCl. Sản phẩm đi ra từ (4) được làm lạnh rồi cho qua thiết bị chưng luyện (6,7) tách VinylClorua và HCl. HCl thu được từ đỉnh tháp (6) cho đi vào thiết bị oxi hóa (2). DCE chưa bị nhiệt phân được tách ra ở (7) và cho tuần hoàn lại (3), VinylClorua thu được từ (7) rất tinh khiết (nồng độ 99,9%). Trong thiết bị oxiclo hóa, HCl tuần hoàn kết hợp với Etylen và Oxi trong thiết bị tầng sôi tạo 1,2 DiCloEtan và nước, nhiệt sinh ra do phản ứng được dùng cho quá trình chưng cất VinylClorua và DCE . Sau khi làm lạnh sản phẩm phản ứng trong (8), nước được loại bỏ, DCE cho qua (10) làm khô và tách khí rồi được đưa qua (3) chưng cất làm sạch. Khí HCl thoát ra từ (10) đưa vào thiết bị (11) để thu hồi Clo. Tại thiết bị clo hóa (12) chuyển C2H2 trong HCl từ (6) thành Etylen nâng cao độ sạch sản phẩm và hiệu quả của quá trình. 4. Phương pháp liên hợp sản xuất VinylClorua Ngoài các phương pháp sản xuất VinylClorua như trên, người ta còn dùng phương pháp liên hợp để sản xuất VinylClorua. Quá trình liên hợp là quá trình sản xuất mà trong đó, các quá trình phản ứng khác nhau được kết hợp lại nhằm đạt kết quả mong muốn. Quá trình này sử dụng sản phẩm phụ của quá trình khác làm nguyên liệu, do đó tận dụng được triệt để nguồn nguyên liệu ban đầu. Ngoài ra còn giảm bớt được một phần nguyên liệu Axetylen đắt tiền bằn nguyên liệu Etylen rẻ tiền hơn mà không ảnh hưởng tới năng suất chung. Với phương pháp liên hợp, các nhược điểm của từng quá trình trên đã được khắc phục. a. Quá trình liên hợp Clo hoá Etylen, tách HCl và HyđroClo hoá Axetylen. * Quá trình này dựa trên các phản ứng: (1) (2) HCl từ phản ứng (2) có thể dùng cho phản ứng HyđroClo Axetylen. (2) Phản ứng tổng cộng: * Sơ đồ quá trình sản xuất: - Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp Axetylen và Etylen với tỷ lệ mol là 1:1.l. - Với nguồn nguyên liệu đầu là Axetylen và Etylen riêng rẽ với tỷ lệ mol là 1:1.l. b. Quá trình liên hợp Clo hoá, Oxy hoá Etylen và Cracking DCE. * Quá trình này dựa trên các phản ứng: (1) (2) (3) Phản ứng tổng cộng:  Sơ đồ quá trình: ưu điểm của quá trình: tiêu tốn ít năng lượng do tận dụng được nhiệt của các phản ứng toả nhiệt, sử dụng được HCl tạo thành và không dùng đến Axetylen nên có chi phí rẻ hơn. IV. thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất. 1. Đánh giá và lựa chọn công nghệ. Hiện nay ở nước ta ngành công nghiệp hoá dầu và tổng hợp hữu cơ chưa phát triển, vì vậy việc thiết kế các dây chuyền công nghệ cho ngành công nghiệp này mang một ý nghĩa hết sức quan trọng. Với mỗi dây chuyền được thiết kế tốt, làm việc hiệu quả sẽ là nền tảng kích thích cho sự ra đời của các dây chuyền công nghệ tiếp theo, từ đó nâng dần lên vị thế của ngành công nghiệp hữu cơ, hoá dầu trong nền kinh tế. Với đề tài thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất VinylClorua, dựa vào tổng quan về các công nghệ sản xuất hiện nay trên thế giới cùng với những ưu nhược điểm của từng công nghệ ta thấy rằng: công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Axetylen và HCl sử dụng pha khí là phù hợp nhất với điều kiện nước ta do: - Tuy nước ta có tiềm năng lớn về nguồn dầu mỏ nhưng ngành công nghiệp hữu cơ, hoá dầu ở nước ta chưa phát triển nên nguồn nguyên liệu cho các quá trình công nghệ khác ta chưa thể chủ động được, ít nhất là trong năm đến mười năm tới. Trong khi đó, nước ta đang là nước xuất khẩu than lớn trên thế giới, chất lượng than tốt, quá trình sản xuất Axetylen từ than đá ở nước ta đã được thực hiện trong nhiều năm tạo điều kiện cho việc cung cấp nguồn nguyên liệu Axetylen kỹ thuật cho dây chuyền công nghệ một cách chủ động. - Trong tình hình hiện nay của đất nước ta, các nguồn nguyên liệu cho sản xuất đều phải nhập từ nước ngoài với giá cao, thường xuyên biến động thì việc tự tạo cho mình sự chủ động trong sản xuất là một yêu cầu quan trọng. Với những nhận xét trên ta quyết định chọn công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Axetylen và HCl sử dụng pha khí. 2. Thiết kế dây chuyền công nghệ. Với công nghệ vừa lựa chọn ta thiết kế dây chuyền sản xuất như bản vẽ. Dây chuyền được chia ra làm hai phần - Phần đầu là phần phản ứng có nhiệm vụ chuẩn bị nguyên liệu, thực hiện phản ứng chuyển hoá từ nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm cuối cùng, tách sơ bộ các loại tạp chất. - Phần sau là phần tinh chế sản phẩm có nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất, tinh chế sản phẩm tới độ tinh khiết yêu cầu cho các quá trình tiếp theo. Các thiết bị chính của dây chuyền được lựa chọn như sau: - Thiết bị phản ứng là thiết bị hình trụ, bên trong có các ống chứa xúc tác, dạng ống chùm. - Xúc tác sử dụng là xúc tác HgCl2/C*. - Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. - Các tháp chưng cất, tháp hấp thụ đều dạng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền. 3. Thuyết minh dây chuyền công nghệ. * Phần phản ứng: Nguyên liệu Axetylen kỹ thuật được máy nén (1) đưa vào tháp làm khô (2). Tháp làm khô dùng tác nhân là axit H2SO4 đậm đặc để hấp thụ hơi nước có trong nguyên liệu nhằm đưa hàm lượng hơi nước trong nguyên liệu xuông đến mức cho phép để giảm phản ứng phụ tạo Axetaldehyt. Sau đó Axetylen nguyên liệu được đưa qua thiết bị lọc bụi (3) để tách các chất dạng bụi, tránh khả năng lâu dần có thể làm tắc ống chứa xúc tác. Khí sau khi tách bụi cùng với khí Axetylen chưa phản ứng tuần hoàn được trộn với khí nguyên liệu HCl kỹ thuật trong thiết bị trộn rồi hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào thiết bị phản ứng (5), tuỳ theo năng suất mà có thể chọn một hay hai thiết bị làm việc, ở đây ta chọn một thiết bị. Trong thiết bị phản ứng, nguyên liệu được đun nóng một phần nhờ chất tải nhiệt đi ngoài ống sau đó tiếp xúc với xúc tác ở nhiệt độ cao xảy ra phản ứng. ở điều kiện 130oC, 3 at, phản ứng xảy ra và toả nhiệt mạnh, một phần nhiệt lượng sẽ nung nóng khí chưa phản ứng, một phần truyền qua thành ống theo chất tải nhiệt đi ra ngoài. Sản phẩm phản ứng cùng các khí nguyên liệu dư, khí trơ sau đó được đưa tới tháp rửa nước (6) nhằm hấp thụ và tách khí HCl dư, bụi; tiếp theo là tháp rửa bằng dung dịch kiềm nhằm trung hoà và tách nốt phần HCl còn lại. Sản phẩm sau đó được đưa đi tinh chế. * Phần tinh chế sản phẩm. Khí VinylClorua có chứa hơi nước và các tạp chất khác được máy nén (8) nén tới 7 at, làm lạnh. Hầu hết các chất trong sản phẩm sẽ bị ngưng tụ ở điều kiện này. Sau khi được đưa vào tháp tách ba pha (9), phần nước ngưng tụ bị tách ra ngoài. Phần khí không ngưng được đưa đến tháp tách sản phẩm nhẹ (11), pha hữu cơ trong thiết bị tách pha được đưa vào tháp tách nước (10) để tách nốt phần nước còn lại trong sản phẩm sau đó VinylClorua được đưa tới tháp tinh chế (13) để tách nốt các sản phẩm nặng để được sản phẩm VinylClorua đạt tiêu chuẩn thương phẩm. Tháp tách này làm việc ở điều kiện 4,5 at, nhiệt độ thấp để tránh khả năng phân huỷ sản phẩm. ở tháp (11), phần nặng chứa hầu hết là Axetylen được đưa sang tháp tách Axetylen (12) để tách triệt để Axetylen và đưa hồi lưu về trộn với nguyên liệu Axetylen mới. Phần 2. Tính toán dây chuyền sản xuất. A. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình. Với mục đích giúp cho quá trình thiết kế các dây chuyền công nghệ được thực hiện một cách thuận tiện, chính xác hơn, việc ứng dụng tin học là một tất yếu. Dưới sự giúp đỡ của máy tính điện tử, việc giải quyết các bài toán công nghệ đã được giải quyết một cách hiệu quả. Những ưu - nhược điểm cụ thể của việc ứng dụng tin học trong công nghệ hoá học: * Ưu điểm. - Các bài toán công nghệ luôn được giải một cách tổng quát nhất, không cần các số liệu đầu cụ thể, do đó việc thiết kế một lần có thể được sử dụng nhiều lần với các bộ số liệu khác nhau (có thể ứng dụng để tìm ra chế độ công nghệ tối ưu cho quá trình). - Nhiều bài toán công nghệ hết sức phức tạp, phải sử dụng nhiều loại kiến thức khác nhau nên việc giải quyết bằng tay hết sức khó khăn, nhất là trong trường hợp phải tính lại cho mỗi lần thiết kế với các thông số mới. - Với các bài toán thiết kế phải sử dụng nhiều thông số khác nhau, việc tra cứu bằng tay trở nên hết sức khó khăn. Khi sử dụng máy tính, việc dùng các thuật toán để tính các thông số cần thiết với độ chính xác đạt yêu cầu rất dễ dàng, nhanh chóng. Các số liệu này chỉ cần nhập một lần rồi sau đó có thể áp dụng cho nhiều chương trình khác nhau. - Khi được kết nối với các thiết bị tự động, chương trình có khả năng kiểm soát toàn bộ quá trình sản xuất, tăng khả năng tự động hoá cho nhà máy. - Việc tính toán với máy tính điện tử trở nên hết sức nhanh chóng và cho kết quả chính xác, giao diện thân thiện với người sử dụng. * Nhược điểm. - Do có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng phải xét đến trong quá trình, cơ sở dữ liệu lớn nên độ phức tạp của bài toán rất lớn, cần nhiều người cùng làm việc. - Để thực xây dựng được chương trình chạy tốt, cho kết quả chính xác, dễ sử dụng đỏi hỏi người lập trình phải có kiến thức tổng quát về cả hai lĩnh vực: hoá học và tin học. - Các chế độ công nghệ (ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất,...) của quá trình phải được các nhà hoá học nghiên cứu cụ thể, chính xác. Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều ngôn ngữ lập trình. Mỗi ngôn ngữ lập trình được viết ra nhằm phục vụ cho một vài yêu cầu cụ thể nào đó. Ngôn ngữ Visual Basic là một ngôn ngữ lập trình trực quan được tạo ra nhằm giúp cho các nhà lập trình có khả năng phát triển ứng dụng của mình một cách nhanh nhất. có nhiều ưu, nhược điểm so với các ngôn ngữ khác: - Là một ngôn ngữ bậc cao, nó hết sức thân thiện với người sử dụng, từ người nghiệp dư tới các nhà phát triển phần mềm chuyên nghiệp. Ngôn ngữ viết gần giống lối suy nghĩ của người lập trình, giao diện thiết kế trực quan (Visual) giúp người lập trình không cần quan tâm quá nhiều vào những công đoạn không cần thiết. Trong khi viết chương trình, nhà lập trình có thể sử dụng các thành phần thích hợp có sẵn một cách uyển chuyển để có một chương trình đáp ứng yêu cầu đặt ra một cách nhanh nhất. - Tuy nhiên, với ngôn ngữ Visual Basic thì chính những ưu điểm lại tạo nên những nhược điểm của nó: do chương trình viết ra bao gồm nhiều thành phần nên khi phân phối tới người sử dụng phải đóng gói tất cả những thành phần liên quan kèm theo làm cho chương trình dễ mất ổn định; là một ngôn ngữ bậc cao nên khi chương trình được dịch ra mã máy sẽ chạy chậm hơn so với khi dùng ngôn ngữ khác như C, C++,... Từ những nhận xét trên ta thấy rằng việc sử dụng ngôn ngữ Visual Basic để giải quyết các bài toán trong công nghệ hoá học là rất thích hợp. Do đó với đề tài dùng công cụ mô phỏng để giải quyết bài toán thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất VinylClorua, ngôn ngữ Visual Basic là ngôn ngữ lập trình được lựa chọn. Về cơ sở dữ liệu dùng cho chương trình, hiện tại trên thế giới có ba chương trình quản lý thông dụng nhất là : Microsoft Access, SQL của hãng Microsoft và Orcale của hãng cùng tên. Hai chương trình sau là chương trình chuyên dụng, có khả năng tạo những bộ cơ sở dữ liệu rất lớn nhưng được bán với giá khá cao. Chường trình MS Access là chương trình được hãng Microsoft cung cấp kèm theo bộ MS Office hết sức phổ biến trên thế giới. Chương trình này không có khả năng tạo cơ sở dữ liệu lớn như hai chương trình trước nhưng với đồ án này thì nó đủ khả năng đáp ứng. Do đó MS Access là chương trình được chọn để quản lý cơ sở dữ liệu dùng trong đồ án này. B. Xây dựng chương trình, tính toán cho quá trình. * Sơ đồ thuật toán chung. Hình 5: Sơ đồ thuật toán chính của chương trình. Hình 5 chỉ rõ thuật toán chính sử dụng trong chương trình. Nó dùng để kiểm soát dữ liệu nhập vào, tình toán, chuyển đổi linh hoạt giữa các quá trình tính toán khác nhau nhằm mang đến khả năng linh hoạt nhất cho người sử dụng. Với mỗi quá trình cụ thể thì phần tính toán là quan trọng nhất và được giải quyết nhờ việc sử dụng các thuật toán khác nhau nhằm đưa ra kết quả chính xác nhất. Với quá trình tính toán, việc khó khăn nhất là tìm được công thức chung nhất cho toàn bộ quá trình. Có nhiều quá trình không có công thức chung, khi đó ta phải khéo léo sử dụng các phương án khác. I. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng. * Các số liệu ban đầu: - Năng suất dây chuyền: 20.000 tấn/năm. - Thành phần nguyên liệu: + Nguyên liệu HCl gồm: - HCl 97% (phần thể tích) - Cl2 0,15% - N2 2,5% - H2 0,35% + Nguyên liệu Axetylen gồm: - C2H2 99,1% - H2O 0,05% - O2 0,01% - N2 0,84% - Độ chuyển hoá của phản ứng chính: 98% - Độ chuyển hoá của tạo DCE: 35% Để phục vụ cho việc tính các thông số của quá trình sản xuất, một yêu cầu không thể thiếu là phải tính được cân bằng vật chất cho quá trình. Trong mỗi quá trình, khối lượng các chất vào, ra luôn bằng nhau. Do trong sản xuất, các thông số được cho dưới dạng thể tích, phần thể tích nên khi tính cân bằng vật chất, các thông số nhất thiết phải đổi sang khối lượng, nồng độ khối lượng. Với chương trình, khi tính toán luôn kiểm tra tính chính xác của số liệu nhập vào. Với bất cứ số liệu nào chưa nhập, nhập chưa chính xác sẽ có cảnh báo. Để đảm bảo cho chương trình chạy đúng, không bị lỗi, khi số liệu chưa chính xác, chương trình sẽ không tính hoặc chạy tiếp. 1. Đổi nồng độ nguyên liệu từ phần thể tích sang phần khối lượng, tính các thông số cơ bản. Công thức chung: Trong đó: - ai : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử i. - Xi : Nồng độ phần mol của cấu tử i. - Mi : Phân tử khối của cấu tử i. Coi các chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn nên phần mol của chất khí tỉ lệ với phần thể tích của nó trong hỗn hợp. Ta có: Với nguyên liệu Axetylen: (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) Thay vào công thức trên ta tính được phần khối lượng của các khí trong hỗn hợp: (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) Hình 6: Bảng nhập các thông số và nồng độ nguyên liệu. Hình 7: Bảng thông báo lỗi số liệu khi nhập chưa đủ, chính xác. Với nguyên liệu HCl tương tự ta có: (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) Dây chuyền sản xuất làm việc liên tục 24/24 giờ. Thời gian cho các công việc như: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh,... trong một năm dự kiến là 20 ngày. Do đó, thời gian làm việc của dây chuyền trong một năm là: 365 - 20 = 345 ngày hay 365 x 24 = 8.280 giờ/năm Năng suất thiết bị: 20.000 tấn/năm = Kg/h * Kết quả tính toán bằng máy tính cho kết quả trong hình (6). Các phản ứng xảy ra trong quá trình: - Phản ứng chính: (1) - Phản ứng phụ: (2) (3) 1. Tính lượng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng. Công thức chung để tính lượng Axetylen tham gia phản ứng: Công thức chung để tính lượng Axetylen kỹ thuật cần cho quá trình: Công thức chung để tính lượng khí khác có trong nguyên liệu: a. Nguyên liệu Axetylen. Từ phản ứng (1) ta tính được lượng Axetylen cần dùng trong 1 giờ: Kg/h Phản ứng (1) có độ chuyển hoá là 98% n._.