Thiết kế phân xưởng sản xuất Vinylclorua (VC) từ nguyên liệu C2H2 và HCl trên xúc tác HgCl2/C* với năng suất 60000 tấn/năm

A. Sản xuất VC từ EDC 20 I. Tiến hành quá trình trong pha lỏng 20 1. Cách thức tiến hành 20 2. Ưu nhược điểm của quá trình 21 II. Tiến hành quá trình trong pha khí 22 1. Cơ sở của quá trình 22 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất VC từ EDC 23 3. Ưu nhược điểm của phương pháp 26 B. Sản xuất VC bằng các quá trình liên hợp 26 1. Liên hợp clo hoá etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 26 2. Liên hợp clo hoá, oxy clo hoá etylen và cracking EDC 27 C. Sản xuất VC từ axetylen và HCl 28 I. Tiến hành quá trình trong pha lỏng 28 1. Cơ sở của phương pháp 28 2. Ưu nhược điểm của phương pháp 29 II. Tiến hành quá trình trong pha khí 29 1. Cơ sở của phương pháp 29 2. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của quá trình 29 3. Công nghệ sản xuất VC trong pha khí 33 4. Ưu nhược điểm của phương pháp 35 Phần II: Tính toán công nghệ 37 A. Xác định thời gian làm việc của phân xưởng 37 B. Cân bằng vật chất 38 I. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng chính 38 1. Tiêu hao nguyên liệu Axetylen 38 2. Tiêu hao nguyên liệu HCl 39 II. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng phụ 40 III. Cân bằng vật chất 42 1. Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng 42 2. Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl 43 3. Cân bằng vật chất tại tháp chưng cất sản phẩm VC 43 C. Cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng 44 1. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp khí mang vào 45 2. Nhiệt lượng do các phản ứng toả ra 46 3. Nhiệt lượng do hỗn hợp khí sản phẩm mang ra khỏi thiết bị 47 4. Tính toán lượng chất tải nhiệt cần dùng 48 D. Tính toán thiết bị chính 49 1. Tính thể tích cấp xúc tác 49 2. Kích thước thiết bị phản ứng 52 3. Tính chiều dày thân thiết bị phản ứng 54 4. Tính đường kính các ống dẫn 56 5. Tính đáy và nắp thiết bị 60 6. Tính toán chân đỡ thiết bị 62 7. Chọn mặt bích 64 8. Chọn bơm 64 Phần III: An toàn lao động trong sản xuất 67 I. Mục đích 67 II. Các công tác cần thực hiện 67 1. Công tác về tư tưởng 67 2. Công tác kỹ thuật 67 3. Công tác vệ sinh trong lao động 68 Phần IV: Thiết kế xây dựng 70 I. Xác định địa điểm xây dựng nhà máy 70 1. Yêu cầu chung về thiết kế 70 2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng 71 3. Các yêu cầu về môi trường và vệ sinh công nghiệp 71 II. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 72 1. Yêu cầu thiết kế tổng mặt bằng 72 2. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 74 III. Thiết kế nhà sản xuất 76 1. Bố trí mặt bằng 75 2. Các yêu cầu của thiết kế mặt bằng 77 3. Giới thiệu mắt cắt 77 4. Kết cấu chụi lực của nhà sản xuất 77 5. Phương pháp bao che nhà sản xuất 78 6. Tổ chức thông gió tự nhiên 79 7. Tổ chức chiếu sáng tự nhiên 79 Phần V: Tính toán kinh tế 81 I. Mục đích và nhiệm vụ của tính toán kinh tế 81 II. Nội dung tính toán kinh tế 81 1. Chế độ làm việc của phân xưởng 81 2. Nhu cầu về nguyên liệu và năng lượng 81 3. Chi phí nguyên liệu và năng lượng 84 4. Vốn đầu tư cố định 85 5. Quỹ lương công nhân viên làm việc trong phân xưởng 86 6. Tính khấu hao 87 7. Những khoản chi phí khác 88 8. Tính toán hiệu quả kinh tế 89 Kết luận 91 Tài liệu tham khảo 92 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo đã dạy dỗ em trong suốt những năm học vừa qua, những thầy cô đã hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này! Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Tân Hào người đã hướng dẫn tận tình em trong suốt khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua! Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể các thầy cô trong bộ môn Hữu cơ - Hoá dầu đã giúp đỡ và dạy dỗ em trong suốt quá trình học tập vừa qua! Mở đầu Công nghệ tổng hợp vật liệu polyme đã ra đời từ khá lâu và không ngừng phát triển cho đến ngày nay. Cùng với sự phát triển đó là hàng loạt các vật liệu polyme ra đời và nhanh chóng cho thấy được những tính năng ưu việt của nó. Nó đã thay thế được nhiều vật liệu đắt tiền cũ vẫn sử dụng đồng thời bổ sung thêm cho nguồn vật liệu cần sử dụng trong những môi trường khắc nghiệt. Chính vì những đặc tính đó mà vật liệu polyme đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp và trong dân dụng. Để ngành công nghiệp và vật liệu polyme tồn tại và không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người thì vấn đề quan trọng đặt ra là nguồn nguyên liệu cung cấp cho nó phải liên tục phát triển cả về chất lượng lẫn chủng loại. Vinyl clorua gọi tắt là VC có công thức hoá học là CH2 = CH- Cl, là một trong những monome đã được phát hiện từ rất sớm. Tuy nhiên cho đến tận năm 1912 người ta mới tìm ra phương pháp điều chế. Từ đó đến nay ngành công nghiệp sản suất VC phat triển rất nhanh chóng. Ngay tại thời điểm đó theo thống kê sản lượng hàng tháng ở Nhật đã lên tới 1500 tấn. ở nhiều nước công nghiệp khác công nghệ sản xuất VC cũng liên tục phát triển. Sở dĩ ngành công nghiệp sản suất VC phát triển mạnh và nhanh như vậy là do VC là một monome khá quan trọng trong tổng hợp nhiều loại vật liêu polyme có nhiều tính năng quý. Trong đó phải kể đến là poly vinylclorua (viết tắt là PVC) PVC là một loại chất dẻo có nhiều tính chất tốt như : có độ ổn định hoá học cao, ít bị ăn mòn và phá huỷ bởi axít sulfuric (H2SO4), axít clohydric (HCl) và một số dung môi hữu cơ khác, khả năng co giãn và độ bền tương đối lớn, có tính cách điện. Ngoài ra nhựa PVC còn có tính không thấm nước, không bị phá hủy khi gặp nước, nhưng lại là vật liệu dễ nhuộm màu. Do các tính chất tốt như vậy nên PVC được sử dụng để chế tạo các loại ống dẫn các chất hoá học, làm vật liệu lót bên trong các thiết bị hoá học làm việc trong môi trường ăn mòn, ở nhiệt độ thấp để thay thế các loại thép không rỉ và hợp kim. Nhựa PVC còn được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác như : công nghiệp điện (sản xuất các loại dây bọc), trong xây dựng, trong ngành sản xuất da nhân tạo … Do mang nhiều đặc tính tốt như vậy nên nhu cầu sử dụng nhựa PVC của nhiều ngành công nghiệp tăng lên một cách nhanh chóng kéo theo đó là sự phát triển về công nghệ tổng hợp PVC Theo tiến trình phát triển chung của công nghệ tổng hợp polyme nói chung và công nghệ tổng hợp PVC nói riêng, công nghệ sản xuất VC cũng đã có nhiều phát triển. Hiện nay đã có nhiều phương pháp công nghệ sản xuất VC từ nhưng nguồn nguyên liệu khác nhau hoặc từ một nguồn nguyên liệu có thể có nhiều công nghệ khác nhau. Vấn để quan trọng đặt ra là phải tìm xem công nghệ nào là phù hợp nhất để đảm bảo xây dựng được một phân xưởng sản xuất VC đạt được cả về chất lượng cũng như về số lượng sản phẩm. Có như thế mới thu được hiệu quả kinh tế cao nhất. PHần I:Tổng quan lý thuyết Chương I giới thiệu về nguyên liệu và sản phẩm nguyên liệu I.Axetylen 1.Tính chất vật lý ở nhiệt độ thường Axetylen là chất khí không màu, ở dạng tinh khiết có mùi ete yếu, các hằng số vật lý đặc trưng của axetylen : Nhiệt độ ngưng tụ là - 83,8oC (ở 0,102 MPa), nhiệt độ tới hạn là 35,5oC - áp suất tới hạn là 6,04 MPa - Trọng lượng riêng (ở 00 C và 760 mmHg) là: 1,171 kg/m3 - Trọng lượng phân tử : 26,02 kg/kmol - Nhiệi dung riêng : 0,402 kcal/kg.độ - Nhiệt cháy : 13,378 Kcal/m3 Nhiệt cháy của Axetylen toả ra khá lớn, chính vì vậy mà người ta dùng nó làm nhiên liệu để cắt, hàn kim loại. - Giới hạn nổ của C2H2 xảy ra trong giới hạn nhiệt độ và áp suất nhất định. Ví dụ : ở nhiệt độ 00 C và 1at : C2H2 tạo với không khí một hỗn hợp nổ trong giới hạn từ 2,53 – 78 % thể tích C2H2 . ở áp suất 5 at thì giới hạn nổ thay đổi trong khoảng rộng hơn 2,53 – 100% thể tích C2H2 Độ nguy hiểm về cháy nổ của axetylen càng gia tăng do sự phân rã nó thành những chất đơn giản và kèm theo toả nhiều nhiệt C2H2 2C + H2 (= -54,2 Kcal/mol ) Sự phân rã này xảy ra khi không có oxi nhưng có những chất kích hoạt tương ứng (tia lửa, đốt cháy do ma sát). Khi ở áp suất 0,2 Mpa, sự phân rã có đặc điểm cục bộ và không nguy hiểm. ở áp suất cao hơn, sự phân rã có đặc tính nổ với sóng kích nổ được lan truyền với vận tốc lớn hơn 1000 m/s. Sự dễ nổ của axetylen sẽ giảm khi nó được thêm vào khí trơ hoặc hơi trơ, chúng sẽ tích nhiệt của sự phân rã đầu tiên và ngăn cản sự phân hoá nổ của axetylen. Khi đó áp suất chống nguy hiểm cao nhất của hỗn hợp phụ thuộc vào nồng độ của axetylen. Tính dễ nổ của axetylen càng tăng khi có mặt các kim loại có khả năng tạo thầnh axetilua (hoặc cacbua) (ví dụ : Cu2C2 ), chính vì thế những kim loại này cần được chú ý khi lựa chọn nguyên liệu thiết kế. Để phòng tránh cháy nổ, người ta thường giới hạn áp suất khi sản xuất axetylen và trong tổng hợp khác, hoặc pha loãng axetylen bằng khí trơ ( ví dụ N2 ). Khi nén khí axetylen người ta dùng máy nén khí đặc biệt, nó có vận tốc dịch chuyển thấp, mức độ nén nhỏ và nhiệt độ thay đổi sau mỗi bậc nén khí 100 oC. Ngoài ra Axetylen còn dễ dàng tạo thành hỗn hợp nổ với : Flo; Clo nhất là khi có tác dụng của ánh sáng. Để giảm bớt khả năng nổ của C2H2 khi vận chuyển người ta thường pha thêm khí trơ như : Hydro, amoniac vào thùng chứa C2H2. Tính chất quan trọng khác của axêty len là khả năng hoà tan của nó lớn hơn nhiều so với những hydrocacbon khác. Cụ thể trong 1 thể tích nước ở 200C có thể hoà tan được 1 thể tích axetylen, còn ở 600C hoà tan được 0,37 thể tích. Axetylen có khả năng tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ như: metanol, axeton, đimetylfornami… Độ hoà tan của axetylen có ý nghĩa rất quan trọng để điều chế và tách nó ra khỏi hỗn hợp với khí khác. 2. Tính chất hoá hoc Axetylen có công thức phân tử C2H2 và có công thức cấu tạo là : C2H2 là hydro cacbon không no có chứa liên kết ba trong phân tử do vậy có khả năng hoạt động hoá học cao. Liên kết ba phân tử C2H2 được tạo thành do liên kết và hai liên kết chính vì vậy mà khi tham gia phản ứng hoá học liên kết ba trong phân tử C2H2 dễ bị phá vỡ tạo liên kết đôi hoăc hợp chất bão hoà. Các phản ứng đặc trưng cho tính chất hoá học của axetylen: a. Phản ứng thế: Khi tác dụng C2H2 với kim loại kiềm, Cu, Ag,Ni, Hg, Co, Zn… tạo thành axetylenit kim loại rất dễ nổ. + 2 Cu Cu- CC- Cu b. Phản ứng cộng : - Phản ứng cộng hydro với xúc tác kim loại(Ni, Pd) + H2 CH2= CH2 CH2= CH2 + H2 CH3 - CH3 Axetylen tác dụng với hydro cho ta etylen. Phản ứng tiến hành trên xúc tác Paladi trên CaCO3 ở 1 at và 250 –3000C +H2 CH2= CH2 Đây là phản ứng điều chế Etylen được sử dụng trước đây ở một số nước thiếu Etylen - Với xúc tác là Hg++ C2H2 sẽ tác dụng với nước tạo thành axetalđêhyt : CHCH + H2O CH3CHO Khi có oxyt Kẽm và ôxyt sắt làm xúc tác thì C2H2 sẽ tác dụng với hơi tạo thành axeton ZnO CH CH + 3H2O CH3 C CH3 + CO2 + 2H2O 360 – 4500 C O - Dưới tác dụng của KOH ở nhiệt độ 150 – 1600 C áp suất 4- 20 at axetylen tác dụng với rượu tạo thành ete : KOH CH CH + ROH CH2 = CHOR 150 – 1600 C Tác dụng với Hydrôsulfua ở 1200 C tạo thành một số hợp chất có lưu huỳnh : CHCH + H2S CH2 CHSH ` Vinyl mercaptan + H2S - S C2H5SH Etylmercaptan H2C CH2 S Thio oxyt etylen C2H5 S CH CH2 Etyl vinylsulfit +C2H2 Polyme thiokol +C2H5SH C2H5 S (CH2)2 S C2H5 Etylen dietyl sulfit Ngoài ra axetylen còn kết hợp với mercaptan CH CH + RSH CH2 = CHSR - Axetylen tham gia phản ứng cộng với các halozen : clo, brom Các phản ứng tiến hành theo hai giai đoạn CHCH CHCl= CHCl CHCl2 - CHCl2 CHCH CHBr= CHBr CHBr2- CHBr2 Đối với clo, ở điều kiện thường phản ứng xảy ra quá mãnh liệt, toả nhiều nhiệt nên gây ra phân huỷ. Trong điều kiện kỹ thuật, người ta thực hiện được phản ứng cộng clo trực tiếp vào axetylen trong những khối xốp. - Cộng axit + Axetylen có thể tham gia phản ứng với các axit vô cơ như HCl, H2SO4, HCN: ví dụ: CHCH + HCl CH2 = CHCl Quá trình trên có thể tiến hành trong pha lỏng với xúc tác Cu2Cl2 hoặc trong pha khí với xúc tác HgCl2 CHCH + H2SO4 CH2 = CH - OSO3- H CH CH + HCN CH2 CH – CN Các sản phẩm của các phản ứng trên đều là những monome quan trọng trong tổng hợp chất dẻo. + Axetylen có thể tham gia phản ứng với các axit hữu cơ với xúc tác phù hợp CH CH + ROOH CH2 CH-OCOR Ví dụ : 170 – 2100 C CH CH + CH3COOH CH2 CH OCOCH3 Zn(CH3COO -)2/C* vinyl axetat (VA) Axêtylen tác dụng với axit axetic : Đây là phản ứng tiến hành trong pha hơi và là một phản ứng khá quan trọng bởi sản phẩm của phản ứng là VA một monome khá quan trọng trong công nghiệp tổng hợp chất dẻo (poly vinylaxetat ) c. Phản ứng trùng hợp Do trong phân tử Axêtylen có chứa liên kết ba ( liên kết không no ) .Vì vậy nó có thể tham gia phản ứng trùng hợp . Tuy nhiên với xúc tác và điều kiện phản ứng khác nhau sẽ cho những sản phẩm trùng hợp khác nhau . - Với xúc tác là bột đồng (Cu) 2n CH C (CH)2n Kypren Người ta sử dụng kypren ( (CH)2n ) làm chất cách điện - Mặt khác khi thổi axetylen qua dung dịch bão hoà Cu2Cl2: 2 CH CH CH2 = CH - C CH Vinyl axetylen Vinyl axetylen là bán sản phẩm để sản xuất cao su tổng hợp clopren 3. Sản xuất Axetylen Axetylen có thể được điều chế từ nhiều phương pháp khác nhau với nguyên liệu ban đầu khác nhau . Tuy nhiên quá trình sản xuất axetylen trong công nghiệp chủ yếu là từ hai nguồn nguyên liệu chính là : -Từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ -Từ than đá và đá vôi a. Từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ Đây là phương pháp phổ biến đối với các nước có nguồn dầu mỏ và khí tự nhiên. Nguyên liệu dùng điều chế axetylen có thể là hydro cacbon lỏng hoặc khí, hỗn hợp khí hoặc riêng từng loại khí. Tuy nhiên thành phần nguyên liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất sản phẩm. Các parafin cấu tạo thẳng khi nhiệt phân cho ta hiệu suất axetylen cao nhất. Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình sản xuất axetylen từ khí tự nhiên và khí dầu mỏ : 2CH4 C2H2 + 3H2 C2H6 C2H2 + 2H2 2C3H8 3C2H2 + 5H2 C4H10 2C2H2 + 3H2 Có 3 phương pháp phân huỷ hydro cacbon để được axetylen: - Cracking nhiệt - Cracking điện - Cracking nhiệt oxy hoá Tuỳ thuộc vào nguyên liệu ban đầu khác nhau mà người ta có những công nghệ, điều kiện công nghệ để đạt được hiệu suất chuyển hoá axetylen cao nhất Ví dụ : Bằng phương pháp cracking nhiệt metan, butan và propan : Bảng 1 : Thành phần sản phẩm khí của quá trình nhiệt phân Khí Thành phần khí ( % thể tích ) Cracking metan Cracking propan Cracking butan C2H2 9,8 10,0 12,3 C2H4 0,3 3,8 17,6 CH4 15,7 15,0 26,4 H2 70,7 55,7 38,0 N2 3,5 5,2 1,4 Các khí khác - 10,3 4,3 b. Từ cancicacbua Quá trình sản xuất axetylen bằng phương pháp này bao gồm hai giai đoạn : - Giai đoạn 1 : sản xuất canxicacbua ( CaC2 ) Trong giai đoạn này người ta cho đá vôi tác dụng với than (cốc và antraxit ) trong lò điện ở nhiệt độ cao đe thu được canxicacbua. Quá trình thực hiện theo phản ứng : Cao + 3c CaC2 + CO Để phản ứng này xảy ra cần tiêu tốn một năng lượng rất lớn và nhiệt độ của phản ứng rất cao. Tuy nhiên chỉ có 70-80% đá vôi tham giai phản ứng - Giai đoạn 2 : cho canxicacbua thu được tác dụng với nước sẽ thu được axetylen CaC2 + 3H2O C2H2 + Ca(OH)2 Quá trình hợp nước của CaC2 trongcác thiết bị còn được gọi là quá trình tái sinh axetylen. Theo nguyên tắc của sự thoát nhiệt, nó chia ra làm hai loại: - Thiết bị tái sinh loại ướt: là loại thiết bị mà nhiệt của phản ứng được giải phóng bằng nước dư để đun nóng lên 50- 60OC. Trong đó cứ 1kg CaC2 thì cần 10 kg H2O, như thế Ca(OH)2 thu được ở dạng huyền phù trong nước, ít có lợi cho việc tận dụng tiếp theo. - Thiết bị tái sinh loại khô: là loại thiết bị trong đó nhiệt phản ứng được lấy ra do một khối lượng nước dư nhờ sự hoá hơi của nó. Ca(OH)2 thu được ở dạng khô (vôi tôi) và nó được sử dụng để chế biến vật liệu xây dựng. II. Axít clohydrit ( HCl ) 1. Tính chất vật lý HCl ở dạng nguyên chất là một chất khí không màu có hắc. Tan mạnh trong nước, trong điều kiện không khí ẩm sẽ tạo hiện tượng khói. Đây là một khí khá bền với nhiệt độ. Tỷ trọng d =1,35 g/cm3 Trọng lượng phân tử : 35,5 kg/kmol Nồng độ lớn nhất của dung dịch HCl là : 35% 2. Tính chất hoá học HCl là một axít vô cơ điển hình. Khi hoà tan trong nước nó điện ly hoàn toàn: HCl + H2O H3O + + Cl - - Tác dụng với kiềm và kim loại Ví dụ : HCl + NaOH NaCl + H2O 2HCl + Zn ZnCl2 + H2 - Tác dụng với muối Ví dụ : CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2 - Ngoài ra axít clohydrit còn phản ứng được với nhiều hợp chất hữu cơ Ví dụ : HCl + CH CH CH2 = CH - Cl Vinyl clorua HCl + CH2 = CH2 CH3 - CH2 - Cl Diclo etan 3. Điều chế HCl - Trong phòng thí nghiệm : to 200o C NaCl(rắn) + H2SO4 (đặc) NaHSO4 + HCl to > 200o C 2NaCl(rắn) + H2SO4 (đặc) Na2SO4 + 2HCl Từ NaCl rắn và dung dịch H2SO4 đặc - Trong công nghiệp : to H2 + Cl2 2HCl ánh sáng Người ta tiến hành tổng hợp HCl từ nguyên liệu ban đầu là H2 và Cl2 III. Vinyl clorua (VC) 1. Tính chất vật lý Vinyl clorua gọi tắt là VC, ở điều kiện tiêu chuẩn nó là chất khí không màu, có mùi ete nhẹ, rất dễ cháy ( tạo với không khí hỗn hợp cháy nổ trong giới hạn 4 – 22% thể tích ). Đây là chất khí khá độc với con người đặc biêt khi hít phải không khí có nồng độ VC lớn. Nhiệt sôi : -13,4o C Nhiệt độ nóng chảy : -153,8o C Tỷ trọng d : 0,9834 Nhiệt hoá hơi : 85,7 Kcal/kg Nhiệt độ tới hạn : 142o C Khối lượng riêng : 0,969 g/cm3 VC rất ít tan trong nước ( ở 25oC 100 gam nước chỉ hoà tan được 0,11 gam VC ). Ngược lại nó lại tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ như: axeton; etanol; hydrocacbon thơm … 2. Tính chất hoá học Vinyl clorua (VC) có công thức phân tử là C2H3Cl, công thức cấu tạo CH2 = CH- Cl Trong phân tử có chứa liên kết đôi và một nguyên tử clo. Chính vì vậy tính chất hoá học cơ bản của nó là : Tính chất của liên kết đôi (liên kết không no) Tính chất của nguyên tử clo linh động a. Tính chất của hợp chất không no Phản ứng cộng : Do trong phân tử VC có chứa nhóm vinyl, vì vậy VC mang tính chất hoá học của một olefin đó là tham gia phản ứng cộng Ví dụ : Cộng halozen CH2- CHCl + Cl2 ClCH2- CH(Cl2) Cộng axít CH2- CHCl + HCl CH3- CH(Cl)2 Phản ứng oxy hoá : Khi có clo, oxy: CH2 = CHCl + O2 ClCH2 - CHO Phản ứng trùng hợp: Do trong phân tử có chứa liên kết đôi, vì vậy VC có thể tham gia phản ứng : - Trùng hợp tạo polyme - Tham gia phản ứng đồng trùng hợp với các monome khác như: viny axetat (C2H3COOCH3); vinylyden clorit (C2H2Cl2) … Tạo polyme to, p, xt nCH2 CH Cl CH2 CH Cl n Trùng hợp Phản ứng trùng hợp của VC : Phản ứng đồng trùng hợp với viny axetat (VA) nCH2 CHCl + nCH2 CHOCOCH3 to, p, xt CH2 CH CH2 CH Cl OCOCH3 n to, p, xt CH2 CH CH CH2 Cl OCOCH3 n b. Tính chất của nguyên tử Clo linh động - Phản của VC với kiềm làm tách ra phân tử HCl khỏi phân tử VC và cho ta C2H2 CH2 = CHCl + NaOH CH CH + NaCl + H2O - Tác dụng với alcolat hoặt phênolat tạo ete vinylic CH2 = CHCl + RONa CH2= CH2OR + NaCl - Tác dụng với kim loại CH2 = CHCl + Mg CH2 = CH - Mg- Cl 3. ứng dụng của VC : ứng dụng quan trọng nhất của VC là làm nguyên liệu cho các quá trình trùng hợp và đồng trùng hợp tạo ra các polyme có đặc tính tốt sử dụng làm vật liệu trong công nghiệp và dân dụng Trùng hợp của vinylclorua ( VC ) tạo poly vinylclorua (PVC ) t0, p, xt nCH2 CH Cl CH2 CH Cl n Poly vinylclorua (PVC) Phương trình phản ứng : Poly vinylclorua (PVC) là một chất dẻo mang nhiều tính chất tốt như : có độ ổn định hoá học cao, ít bị ăn mòn bởi axit (H2SO4 , HCl, … ), có khả năng co giãn, độ bền tương đối lớn, có tính cách điện, không thấm nước và không bị phá huỷ khi gặp nước nhưng lại dễ nhuộm.Do có nhiều đặc tính tốt nên PVC được sử dụng để sản xuất các loại ống dẫn, bồn chứa các chất hoá học. Làm vật liệu lót trong các thiết bị hoá học làm việc ở nhiệt độ thấp, trong môi trường ăn mòn để thay thế thép không gỉ và hợp kim. Trong công nghiệp điện nhựa PVC được sử dụng làm vỏ bọc cách điện, các dụng cụ cho vô tuyến điện. Trong xây dựng nhựa PVC còn được sử dụng để chế tạo tấm lợp nhà, lát sàn tường cách âm, các dụng cụ gia đình, ống dẫn nước sinh hoạt và các loại bao túi đựng đồ, áo mưa… đồng trùng hợp với các monome khác VC còn có khả năng tham gia đồng trùng hợp một số monome khác như : vinyl axetat (VA), vinylyden clorit, acryl nitril tạo thành các polyme có giá trị cao. Ngoài ra VC còn dùng để sản xuất một số loại sợi tổng hợp có tính chất tốt như sợi clorin và sản xuất một số loại sơn chịu ăn mòn. Chương ii Các công nghệ sản xuất vinyl clorua Các quá trình chính trong công nghiệp để sản xuất VC bao gồm: Cộng HCl vào axetylen Sản xuất VC từ EDC Sản xuất VC bằng các quá trình liên hợp A. sản xuất VC từ edc Nguyên liệu cho quá trình điều chế VC ở đây là diclo etan Cl-CH2-CH2-Cl Để thu được sản phẩm là VC thì người ta có thể tiến hành quá trình trong pha lỏng hoặc pha khí i. tiến hành quá trình trong pha lỏng 1. cách thức tiến hành CH2 CH2 + NaOH CH2= CH Cl + NaCl + H2O Cl Cl Cơ sở hoá học của quá trình dựa trên phản ứng: Trong phương pháp này người ta sử dụng dung dịch rượu kiềm để khử HCl của diclo etan. Quá trình thực hiện được trong pha đồng thể là nhờ rượu metanol hoà tan cả diclo etan và kiềm. Để thực hiện quá trình người ta tiến hành trộn nguyên liệu đầu theo tỷ lệ : cứ 1 lít diclo etan cần 1,1 lít dung dịch kiềm ( NaOH 42% ) và 0,26 lít metanol. Nhiệt độ của quá trình phản ứng là khoảng 60 – 70oC, thời gian phản ứng là 4 – 5 giờ. Quá trình có thể xảy ra những phản ứng phụ khi : CH2 CH2 + 2NaOH CH CH + 2NaCl + 2H2O Cl Cl - Lượng kiềm cho dư dẫn đến diclo etan bị kiềm khử tạo thành axetylen Thực chất là quá trình bao gồm hai giai đoạn : + NaOH + NaOH CH2 CH2 CH2 CH Cl CH CH Cl Cl EDC bị khử tạo thành VC sau đó vì kiềm dư nên VC tiếp tục bị khử tạo thành axetylen - Khi trong quá trình có dư nước diclo etan sẽ bị thuỷ phân tạo thành etylen glycol trong môi trường kiềm theo phản ứng : OH - CH2 CH2 + H2O CH2 CH2 + HCl Cl Cl OH OH Quá trình tiến hành trong thiết bị gián đoạn, có vỏ bọc ngoài và có máy khuấy. Người ta tiến hành quá trình theo tuần tự : đầu tiên cho dung dịch NaOH vào, sau đó cho rượu metanol và cuối cùng rót từ từ diclo etan. Sản phẩm thu được của quá trình được đem ngưng tụ sau đó đem tinh luyện để tách sản phẩm phụ sẽ thu được VC sản phẩm. Hiệu suất của quá trình ( hiệu suất thu sản phẩm VC ) tính theo diclo etan là 75 – 85%. 2. Ưu nhược điểm của phương pháp Đây là quá trình tiến hành đơn giản dễ tiến hành, phản ứng tiến hành ở nhiệt độ thấp ( 60 – 70oC ). Tuy nhiên quá trình tiến hành trong thiết bị gián đoạn, yêu cầu cần nhiều thiết bị. Chính vì vậy khó tự động hoá cho quá trình và một nhược điểm quan trọng nữa là quá trình hao tốn nguyên liệu. Để khắc phục nhược điểm trên người ta tiến hành quá trình điều chế VC từ EDC trong pha khí. II. tiến hành quá trình trong pha khí 1. Cơ sở của phương pháp Quá trình được tiến hành dựa trên phản ứng phân huỷ nhiệt của EDC : to CH2 CH2 CH2 CH Cl + HCl o298= 70 kj/mol Cl Cl Phản ứng bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ 300oC, áp suất khí quyển nhưng quá trình đạt được tốc độ cao ở 400 – 500oC . Quá trình nhiệt phân là quá trình phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc gồm 3 giai đoạn : khơi mào, phát triển mạch và đứt mạch. (1) Khơi mào ClCH2 - CH2Cl ClCH2 - CH2* + Cl* (2). Phát triển mạch: Cl* + ClCH2 - CH2Cl ClCH2 - C*HCl + HCl ClCH2 - C*HCl CH2 = CHCl + Cl* (3). Đứt mạch: Cl* + ClCH2 - C*HCl CH2 = CHCl + HCl Quá trình tạo nhiều sản phẩm phụ là sản phẩm của quá trình polyclo hoá, sản phẩm của quá trình phân huỷ, quá trình tạo cốc … Vì vậy cần sử dụng các chất xúc tác tiến như : clo, brom, iot, tetraclo cacbon hoặc oxi để tạo thuận lợi cho quá trình phản ứng chính. Các quá trình trong công nghiệp được tiến hành ở 500 – 550oC, áp suất 2,5 – 3Mpa, không sử dụng xúc tác. Một số hệ xúc tác ( than hoạt tính, muối clo kim loại …) có thể được sử dụng để giảm nhiệt độ phản ứng, tuy nhiên thời gian sống của xúc tác thấp và khó khăn về mặt công nghệ làm cho quá trình cracking EDC có xúc tác không được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất VC từ EDC Thuyết minh sơ đồ dây chuyền : 1: thiết bị phản ứng 7: tháp tách phân đoạn nhẹ 2: tháp tôi 8: tháp tách phân đoạn nặng 3: thiết bị lọc 9: tháp thu hồi EDC 4: tháp tách HCl 10: thiết bị gia nhiệt bốc hơi 5: tháp làm sạch VC thô 11: thiết bị ngưng tụ 6: tháp tinh chế VC 12: thiết bị lắng tách EDC nguyên liệu và EDC hồi lưu được đưa qua thiết bị gia nhiệt và bốc hơi tới nhiệt độ cần thiết (khoảng 215oC) sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng dạng lò ống. Quá trình ở đây được làm việc theo nguyên tắc tương tự quá trình steam cracking. Tại vùng đối lưu, nguyên liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ phản ứng, phản ứng thực sự xảy ra trong vùng bức xạ. Sản phẩm khí thu được ở đầu ra của thiết bị phản ứng lò ống có nhiệt độ 500oC được tôi để tránh các phản ứng phụ xảy ra nối tiếp bằng cách đưa qua tháp tôi tiếp xúc với dòng sản phẩm đã được làm lạnh xuống 50oC chảy ngược chiều. Khí sản phẩm sẽ được làm lạnh xuống 200oC. Quá trình làm lạnh bổ xung tiếp theo sẽ làm ngưng tụ hầu hết nguyên liệu EDC 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 qua tháp chưng cất tách sản phẩm phụ HCl. Tại đây HCl sẽ được tách khỏi hỗn ở dạng khí không ngưng ở phần đỉnh tháp. Phần đáy của tháp tách HCl được đưa sang tháp chưng cất làm sạch VC thô. Tại tháp này sản phẩm VC sẽ nằm trong phần nhẹ đỉnh tháp và tiếp tục được đưa sang tháp tinh chế làm sạch VC. Tại tháp tinh chế làm sạch VC hàm lượng HCl được giảm từ 500 xuống 10ppm và phần sản phẩm lấy ra từ đáy tháp được trung hoà với NaOH. Phần đỉnh tháp sẽ được cho hồi lưu trở lại tháp tách HCl Phần đáy tháp làm sạch VC thô được đưa qua hệ thống thu hồi EDC và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng gồm 3 tháp chưng cất : - Tách phân đoạn nhẹ làm nhiệm vụ tách phần sản phẩm nhẹ (1 tháp) - Tách phân đoạn nặng : gồm 2 tháp. Tháp thứ nhất làm việc ở áp suất khí quyển. Tại tháp này phần lớn EDC được tách ra. Tháp thứ hai làm việc trong chân không sẽ tách phần EDC còn lại. Hình 1: Sơ đồ dây chuyên công nghệ sản xuất VC từ EDC 3. Ưu nhược điểm của phương pháp Ưu điểm của phương pháp này là tận dụng được phần EDC không phản ứng và tuần hoàn nó trở lại thiết bị phản ứng. Đồng thời tận dụng được phần HCl sinh ra. Tuy nhiên phương pháp này lại có nhược điểm là có hiệu suất chuyển hoá thấp. b. sản xuất VC bằng các quá trình liên hợp 1. Liên hợp clo hoá etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 Quá trình dựa trên các phản ứng sau : CH2 = CH2 + HCl ClCH2 - CH2Cl (1) ClCH2 - CH2Cl CH2 = CHCl + HCl (2) HCl từ phản ứng (2) có thể được dùng cho phản ứng hydroclo hoá axetylen. CH CH + HCl CH2 = CHCl Phản ứng tổng cộng: C2H2 + C2H4 + Cl2 2 CH2= CHCl Sơ đồ quá trình: - Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp của axetylen và etylen với tỷ lệ mol 1:1 Tách VC Hydroclo hoá Clo hoá Cracking EDC HCl Clo Hỗn hợp axetylen và etylen với tỷ lệ 1/1 Hình 2: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 (axetylen và etylen ở dạng hỗn hợp) -Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp của axetylen va etylen với tỷ lệ mol 1:1 Clo hoá Cracking Tách VC Hydroclo hoá EDC Axetylen Etylen HCl Hình 3: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá etylen, tách HCl và hydro hoá C2H2 (axetylen và etylen ở dạng riêng biệt) 2. Liên hợp clo hoá, oxy clo hoá etylen và cracking EDC - Quá trình dựa trên các phản ứng : C2H4 + Cl2 ClCH2 - CH2Cl ClCH2 - CH2Cl 2CH2 = CHCl + HCl C2H4 + 2HCl +1/2O2 ClCH2 - CH2Cl + H2O Phản ứng tổng cộng : 2C2H4 + Cl2 + 1/2O2 2CH2= CHCl + H2O Ưu điểm của quá trình: tiêu tốn ít năng lượng do tận dụng được nhiệt của phản ứng toả nhiệt, sử dụng được HCl tạo thành và không dùng C2H2 do vậy chi phí rẻ hơn. - Sơ đồ quá trình : Clo hóa EDC EDC HCl Oxiclo hoá Cracking Tách VC Clo Etylen Oxy VC Hình 4: Sơ đồ quá trình sản xuất VC bằng phương pháp liên hợp clo hoá, oxy clo hoá etylen và cracking EDC C. sản xuất VC từ axetylen và HCl Nguyên liệu điều chế VC theo phương pháp này là C2H2 và HCl. Quá trình thực hiện dựa trên phản ứng : CHCH + HCl CH2= CHCl ở áp suất thường và không có xúc tác phản ứng trên không xảy ra. Khi không dùng xúc tác phải tiến hành phản ứng ở điều kiện áp suất cao. Tuy nhiên ở áp suất cao thì lại tạo ra nhiều sản phẩm phụ như : diclo etan; phản ứng trùng hợp của VC tạo thành… Vì vậy để tránh tạo sản phẩm phụ và giảm độ khắc nghiệt của phản ứng người ta phải dùng xúc tác. Để sản xuất VC theo phương pháp này người ta có thể tiến hành quá trình trong pha lỏng hay pha khí. i. tiến hành quá trình trong pha lỏng 1. Cơ sở của phương pháp Khi tiến hành quá trình này trong pha lỏng người ta tiến hành thổi C2H2 và HCl qua dung dịch xúc tác có thành phần : Cu2Cl2 23% khối lượng, NH4Cl 16 %, có thêm CaCl2 hoà tan trong axít HCl 12 – 15 % ở nhiệt độ 50 – 60oC. Cũng có thể dùng xúc tác HgCl2 trong axít HCl và duy trì ở nhiệt độ 90oC. Tuy nhiên xúc tác đồng có xu hướng làm tăng phản ứng phụ : trùng hợp axetylen thành vinyl axetylen. 2CHCH CH C - CH = CH2 Đây là phản ứng không mong muốn, vì vậy để ngăn ngừa phản ứng phụ người ta phải dùng HCl để hoà tan muối đồng. Có nhiều quan điểm về vai trò của xúc tác muối đồng và muối thuỷ ngân. Một số quan điểm cho rằng muối thuỷ ngân, muối đồng tác dụng với axetylen tạo thành hợp chất trung gian. Hợp chất trung gian này bị phân huỷ dưới tác động của HCl hoàn nguyên xúc tác và cho ta sản phẩm Vinyl clorua. Quá trình được mô tả : CH CH + HgCl2 ClCH = CH-HgCl ClCH = CH-HgCl + HCl CH2 = CHCl + HgCl2 Quan điểm khác lại cho rằng muối đồng, muối thuỷ ngân tác dụng với axetylen tạo phức chất. Trong đó các nguyên tố các bon có điện tích dương có khả năng tác dụng với anion clo và kết quả là kim loại bị thay thế bởi proton tạo sản phẩm là VC. + HCl - H+ CH CH + HCl CH CH Cl CH2 = CHCl + Hg2+ Hg2+ Hg2+ Quá trình : 2. Ưu nhược điểm của phương pháp Ưu điểm của phương pháp này là quá trình tiến hành ở điều kiện nhiệt độ thấp, ít tốn năng lượng chính vì vậy mà thiết bị phản ứng chế tạo đơn giản hơn. tuy nhiên nó có nhược điểm là : hiệu suất chuyển hoá VC thấp, trong quá trình t._.ạo ra nhiều sản phẩm phụ chính vì vậy mà sẽ gây khó khăn cho việc phân tách sản phẩm trong quá trình tinh chế thu VC tinh khiết. Đồng thời HCl ở dạng lỏng gây ăn mòn thiết bị. ii. tiến hành quá trình trong pha khí 1. Cơ sở của phương pháp HgCl2/C* CH CH + HCl CH2= CH Cl Khác với phương pháp trong pha lỏng, ở phương pháp này xúc tác sử dụng cho phản ứng là xúc tác rắn và thường là HgCl2/C* (hoặc graphít, silicat … ). Trong đó muối thuỷ ngân HgCl2 được mang trên chất mang là than hoạt tính (C*). Tuy nhiên do muối thuỷ ngân độc nên người ta thường có xu hướng thay thế muối thuỷ ngân bằng các muối của các kim loại khác ( BaCl2, CdCl2 … ). Quá trình được mô tả bằng phản ứng: 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hoá của quá trình: a. ảnh hưởng của xúc tác: Khi nồng độ HgCl2 trên than hoạt tính tăng thì hiệu suất chuyển hoá axetylen thành VC tăng: Bảng 2 : ảnh hưởng của nồng độ xúc tác tới hiệu suất chuyển hoá HgCl2/C* ( % ) Hiệu suất chuyển hoá ( % ) 5 69,6 10 86,7 20 92,3 40 95,4 60 96,8 Theo như bảng trên thì ta sẽ thấy được độ chuyển hoá tăng khi nồng độ HgCl2 tăng. Quá trình có độ chuyển hoá tăng nhanh khi nồng độ HgCl2 tăng từ 5 đến 10% và sau đó tăng chậm. Khi nồng độ HgCl2 lớn hơn 20% thì độ chuyển hoá vẫn tăng chậm nhưng đồng thời khi đó quá trình toả rất nhiều nhiệt ( nhiệt của phản ứng ). Làm cho xúc tác bị đốt nóng cục bộ dẫn đến HgCl2 bị thăng hoa, đồng thời Axetylen trùng hợp bao phủ trên bề mặt làm cho xúc tác mất hoạt tính nhanh chóng. Vì vậy trên thực tế, trong công nghiệp người ta dùng xúc tác HgCl2 10% ngấm trên than hoạt tính. b. ảnh hưởng của nguyên liệu Nguyên liệu trước khi đưa vào phản ứng có thể chứa những tạp chất có hại cho quá trình như: - Làm ngộ độc xúc tác Khi trong thành phần của nguyên liệu có chứa các tạp chất như : H2S, H3P… Thì những chất này sẽ tác dụng với xúc tác làm giảm hoạt tính của xúc tác H2S + HgCl2 HgS + 2HCl 2H3P + 3HgCl2 Hg3P2 + 6HCl Để loại bỏ những tạp chất gây ngộ độc xúc tác này hơi axetylen trước khi đi vào thiết bị phản ứng được cho đi qua tháp chứa dung dịch K2Cr2O7 ( tại đây xảy ra phản ứng oxy hoá khử nhằm loại bỏ H2S và H3P ) H2S + K2Cr2O7 K2SO4 + H2Cr2O3 H3P + K2Cr2O7 K3PO4 + H2Cr2O3 - Làm tăng phản ứng phụ Nếu trong thành phần khí nguyên liệu có chứa clo sẽ xảy ra phản ứng của Axtylen với clo tạo sản phẩm phụ là tetraclo etan CHCH + 2Cl2 (Cl)2CH- CH(Cl)2 Tetraclo etan HgCl2 CH CH + H2O CH3CHO Axetan dehit Do HgCl2 cũng chính là xúc tác cho phản ứng của axetylen với nước, vì vậy nếu trong nguyên liệu ban đầu có chứa nhiều hơi nước thì sẽ làm cho phản ứng phụ này xảy ra. Kết quả sinh ra sản phẩm phụ là axetan dehit. Chính vì những yếu tố nguyên liệu trên sẽ làm giảm hiệu suất chuyển hoá của quá trình đồng thời sản phẩm thu được có chứa nhiều sản phẩm phụ, dẫn đến tốn kém trong việc phân tách để thu đươc VC tinh khiết. Yêu cầu đặt ra đối với khí nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng phải đươc qua công đoạn xử lý để đạt những tiêu chuẩn cho phép. Cụ thể đối với nguyên liệu khí HCl và C2H2 ở đây phải đạt tiêu chuẩn : - Khí C2H2 phải có nồng độ phần trăm > 99%; H2O < 0,03%; không có chất gây ngộ độc xúc tác như : H2S; H3P… - Khí HCl phải có nồng độ > 99%; H2O < 0,03%; không có oxy, clo … c. ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu Để đảm bảo cho C2H2 phản ứng hết phải cho dư HCl. Trong thực tế người ta thường khống chế tỷ số C2H2/HCl = 1/1,1 (mol). Tỷ số C2H2/HCl có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất chuyển hoá thể hiện : Bảng 3 : ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu tới hiệu suất chuyển hoá Tỷ lệ C2H2/HCl Hiệu suất chuyển hoá (%) 1/1,09 91,05 1/1,1 96,95 1/1,2 97,75 Qua bảng trên ta thấy khi HCl dư càng nhiều thì hiệu suất chuyển hoá C2H2 thành VC càng cao. Tuy nhiên khi đó lại xảy ra những phản ứng phụ không mong muốn. Ví dụ : CHCH + 2HCl CH3 CHCl2 Chính vì vậy mà người ta người thường khống chế tỷ lệ C2H2/HCl = 1/1,1 và khí tuần hoàn. d. ảnh hưởng của vận tốc thể tích Vận tốc thể tích cũng ảnh hưởng nhiều tới hiệu suất chuyển hoá của quá trình. Bảng 4: ảnh hưởng của vận tốc thể tích tới hiệu suất chuyển hoá Vận tốc thể tích ( m3/m3 xúc tác giờ ) Hiệu suất chuyển hoá ( % ) 125 93,66 100 94,55 75 96,06 50 97,40 25 97,46 Như vậy hiệu suất chuyển hoá sẽ tỷ lệ nghịch với vận tốc thể tích. Tức là hiệu suất chuyển hoá sẽ càng cao khi vận tốc nguyên liệu ( HCl và C2H2 ) càng thấp. Điều này có thể giải thích bởi sự mối quan hệ giữa thời gian lưu của nguyên liệu và hiệu suất chuyển hoá của quá trình: khi thời gian tiếp xúc của nguyên liệu phản ứng với xúc tác càng lâu thì phản ứng càng xảy ra triệt để. Trong khi đó vận tốc thể tích lại tỷ lệ với thời gian lưu. Chính vì thế để có được hiệu suất chuyển hoá càng cao thì phải cho nguyên liệu vào với vận tốc càng nhỏ. Tuy nhiên khi đưa nguyên liệu vào với vận tốc quá bé thì lại ảnh hưởng tới công suất của dây chuyền sản xuất ( làm giảm công suất ). Vì vậy mà việc khống chế và điều chỉnh vận tốc thể tích ở một giới hạn thích hợp để có độ chuyển hoá cao đồng thời lại đảm bảo công suất của dây chuyền là rất quan trọng. e. ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất Nhiệt độ thích hợp của phản ứng duy trì 160 – 180OC. Khi xúc tác giảm hoạt tính thì có thể tăng nhiệt độ lên đến 200OC. Tuy nhiên cần phải chú ý đến hai nhiệt độ quan trọng là: ở 275OC HgCl2 bị phân huỷ và ở 300oC nó bị thăng hoa làm xúc tác bị mất hoạt tính đồng thời gây ra hiện tượng hao hụt xúc tác. Làm giảm hiệu suất chuyển hoá. Chính vì vậy mà phải khống chế nhiệt độ của phản ứng một cách hợp lý sẽ góp phần tăng hiệu quả làm việc của dây chuyền. áp suất của quá trình thường là 0,3.106 pa. 3. Công nghệ sản xuất VC trong pha khí a. Thiết bị phản ứng Trong quá trình này ta sử dụng xúc tác là chất rắn ( HgCl2/C* ). Đây là quá trình dị thể giữa hai pha rắn và pha khí. Một vấn đề đặt ra ở đây là xúc tác HgCl2 bị giảm hoạt tính khi nhiệt độ tăng đồng thời có thể dẫn đến hao hụt xúc tác do HgCl2 bị phân huỷ và bị thăng hoa ở nhiệt độ cao. Mặt khác đây là quá trình mà trong đó có các phản ứng toả nhiệt mạnh: phản ứng chính tạo VC có nhiệt lượng toả ra là 23700 kcal/kmol, phản ứng phụ tạo diclo etan có nhiệt lượng toả ra là 40200 kcal/mol. Do đó để nhiệt độ của thiết bị phản ứng không tăng quá cao cần thiết kế thiết bị phản ứng phù hợp. Trong dây chuyền sản xuất này ta dùng thiết bị phản ứng loại ống chùm đặt song song và có sử dụng chất tải nhiệt nhằm duy trì nhiệt độ của phản ứng ở nhiệt độ thích hợp. Cấu tạo của thiết bị là hình trụ gồm nhiều ống nhỏ. Trong đó xúc tác được đặt trong ống và chất tải nhiệt đặt ngoài ống. Khí nguyên liệu sẽ được bơm qua lớp xúc tác đặt cố định trong ống và tại đó phản ứng sẽ xảy ra. Nhiệt của phản ứng sẽ được đưa ra ngoài nhờ chất tải nhiệt. Có thể sử dụng nước làm chất tải nhiệt với ưu điểm là không ô nhiễm môi trường, không độc hại và đặc biệt là chi phí thấp. Mặt khác do nước có nhiệt dung lớn nên có thể dễ dàng điều khiển được nhiệt độ của quá trình. Tuy nhiên vấn đề đặt ra khi sử dụng nước làm chất tải nhiệt là thiết bị sẽ có kích thước lớn, cồng kềnh dẫn đến tốn kém trong khâu chế tạo, lắp ráp và sửa chữa. cũng có thể dùng chất tải nhiệt là dầu với ưu điểm là có khả năng tải nhiệt rất tốt đồng thời không cần lượng lớn như nước nên thiết bị sẽ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều. Trong dây chuyền này ta sử dụng chất tải nhiệt là dầu. b. Sơ đồ dây chuyền công nghệ quá trình sản xuất VC trong pha khí Thuyết minh sơ đồ dây chuyền: - Xử lý nguyên liệu : Nguyên liệu Axetylen sau khi qua hệ thống máy nén tới áp suất cao được cho đi qua hệ thống tháp sấy gồm hai tháp (1) và (2), nhằm tách tối đa lượng hơi nước lẫn trong khí. Tác nhân sấy được dùng trong quá trình là dung dịch H2SO4 đặc. Khí axetylen được bơm từ dưới lên đi qualớp dung dịch H2SO4 đặc được bơm từ trên xuống, do đặc tính háo nước của H2SO4 đặc nên khí C2H2 sẽ được sấy tới yêu cầu cần thiết. Khí axetylen sau khi đã được sấy đi ra từ đỉnh tháp (2) được kết hợp với dòng axetylen tuần hoàn cùng dòng khí HCl đi vào thiết bị trộn (4) . Trong quá trình này sử dụng lượng HCl dư 10%. - Phản ứng : Hỗn hợp khí từ thiết bị trộn (4) được đưa qua thiết bị gia nhiệt đến 110OC. Sau đó được đưa vào đỉnh của thiết bị phản ứng ống chùm (5). Tại thiết bị phản ứng (5) các phản ứng của quá xảy ra, đồng thời nhiệt của phản ứng được tách bởi dòng chất tải nhiệt đi bên ngoài ống phản ứng và qua thiết bị trao đổi nhiệt đặt bên ngoài. - Xử lý khí sản phẩm : Hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa qua hệ thống tách HCl dư gồm hai tháp (6) và (7). Tại tháp (6) hỗn hợp sản phẩm được rửa bởi nước. Do axit HCl tan tốt trong nước nên tại đây phần lớn HCl được tách ra ở đáy tháp dưới dạng dung dịch. Phần khí không bị hấp thụ qua đỉnh tháp (6) được đưa qua tháp (7), tại đây phần HCl còn lại sẽ được loại bỏ hết bởi dung dịch NaOH. Phần khí không bị hấp thụ từ đỉnh tháp (7) được nén tới 0,7 Mpa và làm lạnh, phần lớn sẽ ngưng tụ. Nước sẽ được tách ra hoàn toàn từ thiết bị lắng (8). Phần khí nhẹ không ngưng tại thiết bị lắng (8) có thành phần chủ yếu là axetylen dư được đưa qua hệ thống thu hồi axetylen gồm hai tháp (10) và (11). Tháp (10) là tháp hấp thụ axetylen với vai trò tách sản phẩm nhẹ không bị hấp thụ. Tháp (11) là tháp nhả hấp thụ axetylen tuần hoàn lại thiết bị phản ứng. Phần sản phẩm đáy của tháp chưng cất nhẹ có chứa phần lớn là VC được đưa sang tháp tinh chế VC. đây là một tháp chưng cất nhiệt độ thấp ở 0,4 – 0,5 Mpa. Sản phẩm VC sẽ thu được ở đỉnh tháp và phần sản phẩm nặng ( sản phẩm phụ ) thu được ở đáy tháp chưng cất. 4. Ưu nhược điểm của phương pháp đây là phương pháp được xử dụng khá phổ biến để tổng hợp VC trong công nghiệp bởi nó có hiệu suất chuyển hoá cao, axít HCl trong quá trính tồn tại ở pha đã làm giảm độ ăn mòn thiết bị, làm giảm chi phí trong việc chế tạo thiết bị phản ứng. Mặt khác trong quá trình này lượng sản phẩm phụ sinh ra là nhỏ, do đó sẽ giảm được chi phí cho các quá trình tinh chế sản phẩm, tăng chất lượng sản phẩm thu được. Hình 5: Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất VC từ C2H2 và HCl trong pha khí Phần iii : Tính toán công nghệ Các số liệu ban đầu : - Năng suất : 65000 tấn/năm - Thành phần khí C2H2 ( nồng độ thể tích ) : C2H2 : 99% H2O : 0,03% O2 : 0,01% N2 : 0,96% - thành phần khí HCl ( nồng độ thể tích ) : HCl : 97,3% H2 : 0,15% N2 : 2,4% H2O : 0,05% - mức độ chuyển hoá : Giả thiết độ chuyển hoá VC của quá trình là 98% độ chuyển hoá diclo etan là 0,2 % Coi lượng sản phẩm bị mất mát trong các quá trình là không đáng kể. Đồng thời trong quá trình sản xuất lượng VC thu được ở đỉnh của thiết bị chưng cất tách sản phẩm VC là 99% (hay hiệu suất phân tách VC đạt 99%) A. xác định thời gian làm việc của phân xưởng Giả thiết quá trình sản xuất là liên tục và chỉ dừng lại để bảo dưỡng, tái sinh (thay thế) xúc tác định kỳ. Như vậy thời gian sản xuất của phân xưởng được tính như sau : Ttt = Tlt – Tng Trong đó : Ttt là thời gian làm việc của phân xưởng ( giờ/năm ) Tlt là thời gian của một năm ( giờ/năm ) Tng là thời gian nghỉ của một năm ( giờ/năm ) Thời gian nghỉ (Tng) là thời gian dây chuyền ngừng hoạt động vì lý do kỹ thuật, bao gồm : thời gian nghỉ để thay đổi xúc tác, thời gian bảo dưỡng sửa chữa định kỳ và thời gian sửa chữa do hỏng hóc đột xuất. Giả thiết thời gian nghỉ là 30 ngày Như vậy thời gian làm việc của phân xưởng là: Ttt = 365 – 30 = 335 (ngày/năm) một ngày làm việc được chia làm 3 ca, mỗi ca làm việc là 8 tiếng. Vậy thời gian làm việc trong một năm của phân xưởng là : T = 335 H 24 = 8040 (giờ/năm) B. Cân bằng vật chất I. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng chính 1. Tiêu hao nguyên liệu Axetylen Năng suất của dây chuyền là 60000 tấn/năm. Vậy năng suất tính theo kg/giờ của dây chuyền là : = 7462,69 (kg/ giờ) Theo như giả thiết lượng VC ra khỏi tháp chưng cất tách sản phẩm là 99% so với lượng VC vào tháp nên lượng VC được tạo ra tại thiết bị phản ứng là: = 7538,07 (kg/ giờ) Phương trình của phản ứng tạo : C2H2 + HCl CH2= CHCl (1) 26 36,5 62,5 Theo phản ứng (1) thì lượng axetylen tinh khiết tiêu hao (khi hiệu suất chuyển hoá đạt 100%) là : = 3135,84 (kg/ giờ) Do hiệu suất chuyển hoá của axetylen là 98% vì vậy lượng axetylen tinh khiết tiêu hao thực tế là : = 3199,84 (kg/ giờ) Lượng axetylen còn dư là: 3199,84 – 3135,84= 64 (kg/ giờ) Khối lượng mol trung bình của nguyên liệu axetylen ( có thành phần về thể tích: 99% C2H2; 0,03% H2O; 0,01% O2; 0,96% N2 ) là : 0,9926 + 0,000132 + 0,000318 + 0,009628 = 26,0174 (kg/kmol) Độ tinh khiết của axetylen nguyên liệu là 99% thể tích nên tiêu hao nguyên liệu axetylen thô là : = 3234,32 (kg/ giờ) Trong thành phần nguyên liệu axetylen thô nước chiếm 0,03% thể tích, do đó lượng nước là : = 0,67 (kg/ giờ) Lượng O2 trong thành phần nguyên liệu axetylen thô chiếm 0,01% thể tích, do đó lượng O2 là : = 0,4 (kg/ giờ) Lượng N2 trong thành phần nguyên liệu axetylen thô chiếm 0,96% thể tích, do đó lượng N2 là : = 33,42 (kg/ giờ) 2. Tiêu hao nguyên liệu HCl Theo phản ứng (1) tiêu hao HCl tinh khiết là : = 4402,22 (kg/ giờ) Mặt khác như đã nói ở phần trước, để quá trình làm việc đạt hiệu quả cao ta chọn tỷ lệ C2H2/HCl = 1/1,1. Như vậy lượng tiêu hao HCl tinh khiết là : = 4941,29 (kg/ giờ) Vậy lượng HCl còn dư là : 4941,29 – 4402,22 = 539,07 (kg/ giờ) Trong thành phần nguyên liệu HCl thô bao gồm : 97,3% HCl; 0,15% H2; 2,4% N2; 0,05% H2O. Hay nói cách khác độ tinh khiết của nguyên liệu HCl thô là 97,3%. Khối lượng mol trung bình của nguyên liệu HCl là : 0,973H36,5 + 0,0015H2 + 0,024H28 + 0,0005H18 = 36,1985 (kg/kmol) Tiêu hao nguyên liệu HCl thô là: = 5036,46 (kg/ giờ) Lượng nước có chứa trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 1,25 (kg/ giờ) Lượng N2 có trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 93,5 (kg/ giờ) Lượng H2 có trong thành phần nguyên liệu HCl thô là : = 0,42 (kg/ giờ) II. Tiêu hao nguyên liệu cho phản ứng phụ Trong tổng hợp hữu cơ nói riêng và tổng hợp hoá học nói chung ta thường gặp những phản ứng phụ không mong muốn. Nó không những làm giảm chất lượng của sản phẩm, tiêu tốn nguyên liêu, gây khó khăn cho việc phân tách, tinh chế sản phẩm mà còn có thể gây tác hại trực tiếp cho phản ứng chính của quá trình. Tuy nhiên việc loại bỏ hoàn toàn các phản ứng phụ là rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được. Giải pháp đặt ra là giảm thiểu đến mức thấp nhất các phản ứng phụ đó. Trong quá trình sản xuất VC này có các phản ứng phụ sau : CH CH + 2HCl CH3CH(Cl)2 (2) 26 73 99 CH CH + H2O CH3CHO (3) 26 18 44 Ngoài ra còn nhiều phản ứng phụ khác như: các phản ứng trùng hợp của axetylen, phản ứng trùng hợp của VC… Tuy nhiên trong quá trình sản xuất này ta coi lượng sản phẩm tạo thành của các phản ứng đó là không đáng kể so với hai phản ứng phụ trên. Vì vậy trong quá trình tính toán ta không tính đến lượng sản phẩm của của các phản ứng đó mà chỉ tính toán lượng sản phẩm tạo thành của hai phản ứng (2) và (3). Theo như hai phản ứng phụ trên thì sản phẩm phụ tạo ra sẽ là diclo etan và axetal dehit. Ta sẽ tiến hành tính toán lượng tiêu hao nguyên liệu cho hai phản ứng phụ này và lượng sản phẩm phụ tạo ra. Do hiệu suất chuyển hoá 1,1 dicloetan tính theo axetylen là 0,2% suy ra lượng axetylen tham gia vào phản ứng (2) là : = 6,4 (kg/ giờ) Lượng HCl tham gia phản ứng (2) là : = 17,97 (kg/ giờ) Lượng sản phẩm 1,1 dicloetan : = 24,37 (kg/ giờ) Xét phản ứng (3) (phản ứng phụ của axetylen với nước tạo axetan dehit. Giả thiết khí nguyên liệu axetylen thô khi qua hệ thống sấy khí đã loại bỏ được hoàn toàn lượng hơi nước. Như vậy lượng nước tham gia vào phản ứng (3) là nước do khí nguyên liệu HCl thô mang vào thiết bị phản ứng. Do lượng hơi nước là rất ít so với lượng axetylen nên ta coi như hơi nước phản ứng hết. Theo phản ứng (3) thì lượng axetylen tham gia phản ứng là : = 1,81 kg/ giờ) Khi đó theo phản ứng (3) lượng axetandehit tạo thành là : = 3,06 (kg/ giờ) Lượng axetylen còn dư (trong hỗn hợp khí sản phẩm ở đầu ra của thiết bị phản ứng) là: 64 - 6,4 – 1,81 = 55,79 (kg/ giờ) Lượng HCl còn dư (trong hỗn hợp khí sản phẩm ở đầu ra của thiết bị phản ứng) là: 539,07 – 17,97 = 521,1 (kg/ giờ) III. Cân bằng vật chất 1. Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng Tính toán đối với lượng vật chất đi vào thiết bị : Lượng O2 là : 0,4 (kg/ giờ) Lượng N2 là : 33,42 + 93,5 = 126,92 (kg/ giờ) - Lượng H2 là : 0,42 (kg/ giờ) Do O2, N2 và H2 không tham gia phản ứng nên lượng vào cũng chính là lượng ra khỏi thiết bị phản ứng Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng được thể hiện ở bảng 5 Bảng 5 : Cân bằng vật chất đối với thiết bị phản ứng chính Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) C2H2 3199,84 55,79 HCl 4941,29 521,10 O2 0,40 0,40 N2 126,92 126,92 H2 0,42 0,42 H2O 1,25 0 VC 0 7538,07 CH3CHCl2 0 24,37 CH3CHO 0 3,06 Tổng cộng 8270,12 8270,13 2. Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl Hỗn hợp khí sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa qua hệ thống tách HCl dư gồm 2 tháp : tháp thứ nhất dùng nước để rửa, tháp thứ hai dùng dung dịch NaOH. Khí sản phẩm sau khi đi qua hệ thống này sẽ không còn HCl đồng thời trong quá trình này cụng loại bỏ được sản phẩm phụ là axetaldehit do sản phẩm phụ này tan trong nước. Tuy nhiên trong quá trình này không có phản ứng hoá học nào xảy ra. Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl : Bảng 6 : Cân bằng vật chất tại hệ thống tách HCl Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) C2H2 55,97 55,97 HCl 521,10 521,10 O2 0,4 0,4 N2 126,92 126,92 H2 0,42 0,42 VC 7538,07 7538,07 CH3CHCl2 24,37 24,37 CH3CHO 3,06 3,06 Tổng cộng 8270,13 8270,13 3. Cân bằng vật chất tại tháp chưng cất sản phẩm VC Hỗn hợp đi vào tháp chưng cất tách VC có thành phần gồm : VC và diclo etan và các sản phẩm phụ khác. Tuy nhiên như theo phần trước đã trình bày lượng sản phẩm phụ của các phản ứng phụ (trừ hai phản ứng (2) và (3)) không đáng kể so với lượng sản phẩm phụ do hai phản ứng (2) và (3) tạo thành. Vì vậy ta sẽ coi hỗn hợp đi vào tháp chưng cất VC gồm VC và dicloetan. Hỗn hợp này được đưa vào tháp chưng cất nhiệt độ thấp sẽ phân tách riêng từng cấu tử. Cụ thể VC sẽ được tách ra ở đỉnh tháp và diclo etan được lấy ra ở đáy tháp. Cân bằng vật chất ở tháp tinh chế sản phẩm VC. Do theo giả thiết lượng VC được phân tách tại đây đạt 99% tổng lượng VC. Như vậy thành phần sản phẩm tại đỉnh tháp chỉ có VC. Thành phần đáy tháp bao gồm toàn bộ lượng diclo etan và 1% lượng VC. - Lượng VC được tách ra tại đỉnh tháp theo tính toán là: 7462,69 (kg/giờ) - Thành phần sản phẩm đáy của tháp bao gồm : + Lượng VC là: 7538,07 - 7462,69 = 75,38 (kg/giờ) + Lượng dicloetan là : 24,37 (kg/giờ) Bảng 7 : Cân bằng vật chất tại tháp chưng cất sản phẩm VC Cấu tử Lượng vào (kg/giờ) Lượng ra (kg/giờ) VC 7538,07 7538,07 CH3CHCl2 24,37 24,37 Tổng cộng 7562,44 7562,44 C. Cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng Hỗn hợp khí khi đi vào thiết bị đã được gia nhiệt tới nhiệt độ cần thiết. ở đây ta chọn nhiệt độ tại đầu vào thiết bị phản ứng của hỗn hợp khí là 110OC. Nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp sản phẩm : 160OC Chất làm mát (chất tải nhiệt) chọn ở dây là dầu có : Nhiệt độ đầu vào là : 30oC Nhiệt độ đầu ra là : 100oC Nhiệt dung riêng của chất tải nhiệt dầu Cp = 0,43 kcal/kg.độ Khối lượng riêng của dầu = 900 kg/m3 Hỗn hợp khí đi vào thiết bị phản ứng gồm các khí : C2H2, HCl, O2, N2, H2, H2O Hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị phản ứng gồm các khí: VC, C2H2 dư, HCl dư, O2, N2, H2, CH3CHO, CH3CHCl2 Nhiệt dung riêng của các khí : tra sổ tay hoá công 1 Bảng 8 : Nhiệt dung riêng của các khí ở điều kiện đầu vào và đầu ra của thiết bị phản ứng Nhiệt độ tại đầu vào ( t = 25oC ) Nhiệt độ tại đầu ra ( t = 160oC ) Cấu tử Cp (kcal/kg.độ) Cấu tử Cp (kcal/kg.độ) C2H2 0,41 C2H2 0,46 HCl 0,19 HCl 0,19 O2 0,24 O2 0,24 H2 3,5 H2 3,5 H2O 0,44 H2O 0,22 N2 0,25 N2 0,255 VC 0,22 CH3CHO 0,38 CH3CHCl2 0,24 1. tính nhiệt lượng do hỗn hợp khí mang vào Nhiệt lượng do hỗn hợp khí mang vào thiết bị phản ứng là : Qhhvào = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Trong đó : Q1 : nhiệt lượng do khí axetylen mang vào (kcal/h) Q2 : nhiệt lương do khí HCl mang vào (kcal/h) Q3 : nhiệt lượng do khí O2 mang vào (kcal/h) Q4 : nhiệt lượng do khí N2 mang vào (kcal/h) Q5 : nhiệt lượng do hơi nước mang vào (kcal/h) Q6 : nhiệt lượng do H2 mang vào (kcal/h) Nhiệt lượng của các cấu tử được tính toán theo công thức : Q = m Cp t (kcal/h) Trong đó : m : là lưu lượng khí (kg/h) Cp : là nhiệt dung riêng của cấu tử (kcal/kg.độ) t : là nhiệt độ của cấu tử (oC) Như vậy nhiệt lượng của các cấu tử mang vào là : Q1 = 3199,84 0,41110 = 144312,78 (kcal/h) Q2 = 4941,29 0,19110 = 103272,96 (kcal/h) Q3 = 0,4 0,24110 = 10,56 (kcal/h) Q4 = 126,92 0,25110 = 3490,3 (kcal/h) Q5 = 1,25 0,44110 = 60,5 (kcal/h) Q6 = 0,423,5110 = 161,7 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do hỗn hợp khí nguyên liệu mang vào là : Qhhvào = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 144312,78 + 103272,96 + 10,56 + 3490,3+ 60,5+ 161,7 = 251308,8 (kcal/h) 2. Nhiệt lượng do các phản ứng toả ra a. Nhiệt lượng lượng do phản ứng chính toả ra: C2H2 + HCl CH2= CHCl + 23700 kcal/kmol Vậy nhiệt lượng do phản ứng chính toả ra là : Q9 = = 2858436,14 (kcal/h) b. Nhiệt lượng do phản ứng phụ toả ra : - Nhiệt lượng do phản ứng tạo thành 1,1- diclo etan C2H2 + 2HCl CH3CHCl2 + 40200 (kcal/kmol) Nhiệt lượng toả ra là : Q7 = = 9895,7 (kcal/h) - Nhiệt lượng do phản ứng tạo thành axetan dehit : C2H2 + H2O CH3CHO + 36130 (kcal/kmol) Nhiệt lượng toả ra là: Q8 = = 2512,68 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do các phản ứng của quá trình sinh ra là : Qpư = Q7 + Q8 + Q9 = 2858436,14 + 9895,7 + 2512,68 = 2870844,52 (kcal/h) 3. Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang ra khỏi thiết bị Nhiệt lượng do hỗn hợp khí sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng : Qhhra = Q1’ + Q2’ + Q3’+ Q4’ + Q5’ + Q6’+ Q7’+ Q8’ Trong đó : Q1’ : nhiệt lượng do khí C2H2 dư mang ra (kcal/h) Q2’ : nhiệt lượng do khí HCl dư mang ra (kcal/h) Q3’ : nhiệt lượng do khí O2 mang ra (kcal/h) Q4’ : nhiệt lượng do khí N2 mang ra (kcal/h) Q5’ : nhiệt lượng do khí H2 mang ra (kcal/h) Q6’ : nhiệt lượng do khí VC mang ra (kcal/h) Q7’ : nhiệt lượng do khí CH3CHO mang ra (kcal/h) Q8’ : nhiệt lượng do khí CH3CHCl2 mang ra (kcal/h) Tính toán các giá trị nhiệt lượng : Q1’ = 55,970,46160 = 4106,14 (kcal/h) Q2’ = 521,10,19160 = 15841,44 (kcal/h) Q3’ = 0,40,24160 = 15,36 (kcal/h) Q4’ = 126,920,255160 = 5178,34 (kcal/h) Q5’ = 0,423,5160 = 235,2 (kcal/h) Q6’ = 7538,070,22160 = 265340,06 (kcal/h) Q7’ = 3,060,38160 = 186,05 (kcal/h) Q8’ = 24,370,24160 = 935,81 (kcal/h) Tổng nhiệt lượng do hỗn hợp khí sản phẩm mang ra là : Qhhra = Q1’ + Q2’ + Q3’+ Q4’ + Q5’ + Q6’+ Q7’+ Q8’ = 4106,14+ 15841,44 + 15,36 + 5178,34 + 235,2 + 265340,06 + + 186,05+ 935,81 = 291838,4 (kcal/h) 4. Tính toán lượng chất tải nhiệt dầu cần dùng Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng : Qhhvào + Qdv + Qpư = Qdr + Qhhra + Qm Trong đó : Qdv : là nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng (kcal/h) Qdr : là nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra khỏi thiết bị phản ứng (kcal/h) Qm : nhiệt lượng mất mát trong quá trình (kcal/h) - Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang vào thiết bị phản ứng là : Qdv = md Cpdtdv (kcal/h) Trong đó : md : là khối lượng của chất tải nhiệt dầu (kg/h) tdv : nhiệt độ của dầu tại đầu vào (chọn là 30oC) - Nhiệt lượng do chất tải nhiệt mang ra: Tính toán tương tự như đối với đầu vào Qdr = md Cpdtdr (kcal/h) Nhiệt độ dầu ra chọn là 100oC - Nhiệt lượng mất mát (chọn bặng 5% tổng lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng) Suy ra : Qm = 0,05( Qhhvào + Qdv + Qpư) (kcal/h) Từ phương trình cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng thay số vào ta có: 251308,8 + 2870844,52 + md 0,4330 = 291838,4 + md 0,43100 + + 0,05(251308,8 + 2870844,52 + md 0,4330) (*) Giải phương trình (*) ta được : md = 86980,23 (kg/h) Nhiệt lượng do dầu mang vào là : Qdv = 86980,230,4330 = 1122044,97 (kcal/h) Nhiệt lượng do dầu mang ra là : Qdr = 86980,230,43100 = 3740149,89 (kcal/h) Nhiệt lượng mất mát là : Qm = 0,05(251308,8 + 2870844,52 + 86980,230,4330) = 212209,91 (kcal/h) Bảng 9: Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng chính Lượng nhiệt vào Lượng nhiệt ra Nhiệt lượng Kcal/h Nhiệt lượng Kcal/h Qhhvào 251308,80 Qhhra 291838,40 Qdv 1122044,97 Qdr 3740149,89 Qpư 2870844,52 Qm 212209,91 Tổng cộng 4244198,29 Tổng cộng 4244198,20 D. tính toán thiết bị chính Như đã giới thiệu ở phần trước, các phản ứng trong quá trình sản xuất VC đều là những phản ứng toả nhiệt mạnh vì vậy thiết bị phản ứng lựa chọn ở đây là thiết bị loại ống chùm. Trong đó xúc tác được đặt bên trong ống và quá trình phản ứng xảy ra bên trong ống. Chất tải nhiệt đi bên ngoài ống sẽ có nhiệm vụ dẫn nhiệt của phản ứng ra bên ngoài. Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là ta phải tính toán xem thiết bị phản ứng ở đây được chế tạo như thế nào để phù hợp với quá trình sản xuất nhất. Vật liệu để chế tạo thiết bị chính là thép không gỉ X18H10T. và thiết bị có cấu tạo hình trụ đứng. 1. Tính thể tích cấp xúc tác Giả thiết điều kiện làm việc của thiết bị là tại 160oC và 1at. Như vậy thể tích cấp xúc tác được tính : Vxt = ( m3) Trong đó: : là lưu lượng hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng (m3/s) : là thời gian lưu của hỗn hợp khí trong thiết bị Đối với quá trình này ta chọn thời gian lưu là 1 (s) ( thích hợp cho quá trình sản xuất đó là vừa đảm bảo về độ chuyển hoá vừa đảm bảo về năng suất). Thể tích hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng (hay vận tốc thể tích) được tính theo công thức : = (m3/h) Trong đó : G : là lượng khí đi qua thiết bị trong thời gian 1 giờ (kg/h) : là khối lượng riêng của khí (kg/m3) = (kg/m3) Với : M : là khối lượng mol của khí (kg/kmol) T : là nhiệt độ tuyệt đối của khí (oK) P, Po : là áp suất khí trong thiết bị phản ứng và ở điều kiện tiêu chuẩn. Hỗn hợp khí đi trong thiết bị phản ứng bao gồm: C2H2, HCl, N2, O2, H2, H2O - Thể tích khí C2H2 đi qua thiết bị phản ứng : = 3199,84 (kg/h) = 26 (kg/kmol) Nhiệt độ T = 273 + 160 = 433 (oK) áp suất P = 1 at Suy ra: = = 0,7318 (kg/kmol) Vận tốc thể tích của C2H2 đi qua thiết bị phản ứng là: = = 4372,561 (m3/h) - Vận tốc thể tích của HCl đi qua thiết bị phản ứng: = 4941,29 (kg/h) = 36,5 (kg/kmol) = = 1,0273 (kg/m3) Vận tốc thể tích của HCl đi qua thiết bị phản ứng : = = 4809,978 (m3/h) - Vận tốc thể tích của N2 đi qua thiết bị phản ứng : = 126,92 (kg/h) = 28 (kg/kmol) = = 0,7881 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của N2 qua thiết bị phản ứng : = = 161,046 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của O2 đi qua thiết bị phản ứng: = 0,4 (kg/h) = 32 (kg/kmol) = = 0,9006 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của O2 qua thiết bị phản ứng : = = 0,444 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của H2 qua thiết bị phản ứng : = 0,42 (kg/h) = 2 (kg/kmol) = = 0,0562 (kg/m3) Vận tốc thể tích của H2: = = 7,473 ( m3/h) - Vận tốc thể tích của H2O qua thiết bị phản ứng : = 1,25 (kg/h) = 18 (kg/kmol) = = 0,5066 (kg/m3) Suy ra vận tốc thể tích của H2O qua thiết bị phản ứng là : = = 2,467 ( m3/h) Như vậy tổng lưu lượng hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng là : = + + + + + = 4372,561 + 4809,978 + 161,046 + 0,444+ 7,473 +2,467 = 9353,969 ( m3/h) = 2,598 (m3/s) Do đây là hỗn hợp khí ở cùng điều kiện nhiệt độ áp suất vì vậy lưu lượng thể tích của hỗn hợp khí đi qua lớp xúc tác là : = = 2,598 (m3/s) Thể tích của xúc tác là : Vxt = = 2,5981 = 2,598 (m3) 2. Kích thước của thiết bị phản ứng Lưu lượng của hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng như đã tính ở trên là : = 2,598 (m3/s) Tổng tiết diện ngang của các ống trong thiết bị phản ứng là: S = (m2) Trong đó: : là lưu lượng hỗn hợp khí đi qua thiết bị phản ứng (m3/s) : là tốc độ hơi đi trong thiết bị (m/s) Chọn tốc độ hơi đi trong thiết bị phản ứng là = 3 (m/s) suy ra tổng diện tích của các ống trong thiết bị phản ứng là : S = = = 0,866 (m2) Chiều cao lớp xúc tác Hxt = = = 3 (m) Chọn chiều cao ống phản ứng là 3,2 (m). Chọn ống có kích thước là d = 503,5 (mm) Suy ra số ống trong thiết bị phản ứng là: n = = = 442 (ống) Theo sổ tay hoá công 2 ta quy chuẩn tổng số ống trong thiết bị phản ứng là: n = 517 ống Các ống trong thiết bị phản ứng ở đây được bố trí sắp xếp theo hình sáu cạnh (hình lục giác đều). Trong đó số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình sáu cạnh là 25 ống, số ống trên một cạnh của hình lục giác đều lớn là 13 ống. Tổng số ống không kể trong các hình viên phân là 469 ống. Số hình sáu cạnh là 12 hình. Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân là 48 ống. Tính toán đường kính thiết bị Đường kính thiết bị được tính theo công thức : D = t(b – 1) + 4d. Trong đó: d : là đường kính ngoài của ống phản ứng trong thiết bị phản ứng ống chùm d = 50 + 3,52 = 57 (mm) t : là bước ống t = (1,2 – 1,5) d Chọn t = 1,3d = 1,357 = 74,1 (mm) b : là số ống trên đường chéo xuyên tâm của hình sáu cạnh b = 25 Đường kính của thiết bị là: D = 74,1(25 – 1) + 457 = 2006,4 (mm) Quy chuẩn theo sổ tay hoá công 2 trang 359 ta chọn đường kính thiết bị là: D = 2000 (mm) = 2 (m) Kích thước thiết bị phản ứng : Đường kính D = 2 (m) Chiều cao thân hình trụ H = 3,2 m Số ống trong thiết bị phản ứng n = 517 ống. Trong đó kích thước ống là : ds = 503,5 (mm), chiều dài ống là 3,2 (m), bước ống là t = 74,1 (mm). Do áp lực của khí nguyên liệu khi qua ống phản ứng là khá mạnh nên ta thiết kế hai đầu của các ống phản ứng thừa ra 10 (cm) nhằm mục đích để nhồi thêm đệm trơ vào để giữ không lớp xúc tác không bị đẩy ra ngoài. Đồng thời ở hai đầu của ống phản ứng được bịt bởi những tấm lưới có mắt lưới nhỏ. 3. Tính chiều dày thân thiết bị phản ứng Thân thiết bị phản ứng ở đây là hình trụ, làm việc ở áp suất khí quyển vì vậy chiều dày của nó được tính theo công thức : S = + C (m._.