Đang tải... (xem toàn văn)
I.Đầu đề: Thiết kế phân xưởng sản xuất VA năng suất 92.000 Tnăm đi từ axetylen và axit axetic trong pha khí, xúc tác axetat kẽm mang trên than hoạt tính.II.Các số liệu ban đầu:•Thành phần axetylen kỹ thuật (%TT): C2H2: 96%; N2: 2.6%; O2: 0.4%; vinyl axetylen: 1%.•Axit axetic (%TL): 98%; 2% tạp chất.•Mức độ chuyển hóa 96%; trong đó có 92% axetylen tạo thành VA; 8% tạo thành etylendiaxetat; lượng axetylen tổn thất 2%.•Có thể tham khảo số liệu trong tài liệu khác.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU ĐỒ ÁN CỬ NHÂN THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VINYL AXETAT (VA) Sinh viên thiết kế : Nguyễn Duy Vũ MSSV : 20113469 Lớp, khóa : Kỹ thuật hóa học – K56 Người hướng dẫn : GS.TS Đinh Thị Ngọ HÀ NỘI 2015 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VINYL AXETAT (VA) I Đầu đề: Thiết kế phân xưởng sản xuất VA suất 92.000 T/năm từ axetylen axit II axetic pha khí, xúc tác axetat kẽm mang than hoạt tính Các số liệu ban đầu: • Thành phần axetylen kỹ thuật (%TT): C 2H2: 96%; N2: 2.6%; O2: 0.4%; vinyl axetylen: 1% • Axit axetic (%TL): 98%; 2% tạp chất • Mức độ chuyển hóa 96%; có 92% axetylen tạo thành VA; 8% tạo thành etylendiaxetat; lượng axetylen tổn thất 2% • Có thể tham khảo số liệu tài liệu khác III Nội dung cần làm: a) Mở đầu: Các ứng dụng VA, qui mô sản xuất giới, ý nghĩa đề tài b) Tổng quan lý thuyết: • Các phương pháp sản xuất VA • Cơ chế động học phản ứng • Tính chất nguyên liệu sản phẩm c) Phần công nghệ: • Lựa chọn sơ đồ công nghệ Thuyết minh sơ đồ công nghệ • Tính cân vật chất, cân nhiệt lượng thiết bị • Tính kích thước thiết bị d) Các vẽ: • 01 vẽ sơ đồ công nghệ: A3 đóng vào đồ án kèm theo thuyết minh • 01 vẽ sơ đồ công nghệ: A0 IV Ngày nhận nhiệm vụ thiết kế: 26/01/2015 V Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Phê duyệt Bộ môn Ngày….tháng… năm… Người hướng dẫn (Họ tên chữ ký) MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1.TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.1.1.Tính chất axetylen 1.1.1.1 Tính chất vật lý, hoá lý 1.1.1.2 Tính chất hóa học 1.1.2 Tính chất axit axetic 1.1.2.1 Tính chất vật lý, hoá lý 1.1.2.2 Tính chất hóa học 7 7 11 11 14 1.1.2.3 Các phương pháp điều chế axit axetic 1.1.3 Tính chất sản phẩm vinyl axetat (VA) 1.1.3.1 Tính chất vật lý 1.1.3.2 Tính chất hóa học 1.1.3.3 Phân loại, tiêu chuẩn bảo quản VA 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT VA 1.2.1 Quá trình tổng hợp vinyl axetat từ C2H4 CH3COOH (phương pháp axetoxy hóa) 1.2.2 Các trình tổng hợp vinyl axetat khác 1.2.3 Công nghệ tổng hợp VA từ axetylen axit axetic 1.2.3.1 Công nghệ tổng hợp VA từ axetylen axit axetic pha lỏng 1.2.3.2.Quá trình tổng hợp VA từ axetylen axit axetic pha khí với xúc tác axetat kẽm mang than hoạt tính 1.2.3.3 Thiết bị (thiết bị phản ứng vinyl hóa) 1.2.3.4 Công nghệ hãng Petroleum Raifiner 1.2.3.5 Sơ đồ hãng WACKER (Đức) CHƯƠNG II: PHẦN CÔNG NGHỆ 2.1 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 2.2.THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 2.3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 2.3.1 Tính lượng vật chất vào thiết bị phản ứng 2.3.1.1 Lượng C2H2 tinh khiết cần cho phản ứng tạo thành VA theo suất khỏi thiết bị phản ứng 2.3.1.2 Lượng CH3COOH cần phản ứng với C2H2 để tạo thành VA theo suất 2.3.1.3 Lượng CH3COOH cần phản ứng với C2H2 tạo thành sản phẩm phụ EDA 2.3.1.4 Tính lượng C2H2 cần cho toàn trình 2.3.1.5 Tính lượng C2H2 kỹ thuật vào thiết bị phản ứng 2.3.2 Tính lượng tạp chất mang vào thiết bị phản ứng 2.3.3 Tính lượng tạp chất khỏi thiết bị phản ứng 2.4 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 2.4.1 Tính cân nhiệt lượng thiết bị trao đổi nhiệt 2.4.1.1.Tính nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào 2.4.1.2 Tính nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào 2.4.1.3 Tính nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang 2.4.1.4 Tính nhiệt lượng mát trình 2.4.1.5 Tính nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang 2.4.2 Tính cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng 2.4.2.1 Nhiệt lượng phản ứng tỏa 2.4.2.2 Nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm mang 2.4.2.3 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào 2.4.2.4 Nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào 2.4.2.5 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang 2.4.2.6 Nhiệt lượng mát trình 16 16 16 18 22 23 24 31 32 32 34 37 37 39 43 43 44 46 46 46 47 47 48 48 49 49 50 50 51 52 53 54 55 55 56 56 56 56 57 58 2.5 TÍNH THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHÍNH 2.5.1.Tính thể tích cấp xúc tác 2.5.2 Tính kích thước thiết bị phản ứng 2.5.3 Tính chiều dày thân thiết bị phản ứng 2.5.4.Chọn đáy nắp thiết bị KẾT LUẬN TÀI LỆU THAM KHẢO 58 58 60 62 64 66 68 Đồ án cử nhân MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, đời sống xã hội nâng cao, nhu cầu sử dụng loại vật liệu kỹ thuật lớn dần, đặc biệt nguồn nguyên liệu tự nhiên ngày cạn kiệt Những vật chất tổng hợp hữu có nhiều ưu điểm cơ, lý, hoá ngày sử dụng rộng rãi nhiều nghành công nghiệp khác Vinyl hoá trình tổng hợp hợp chất trung gian quan trọng, tạo nguyên liệu để tổng hợp hợp chất hữu cuối Nhờ trình vinyl hoá, người ta tiến hành tổng hợp vinyl axetat từ axetylen axit axetic pha khí với xúc tác axetat kẽm mang than hoạt tính Đây phương pháp đạt hiệu suất cao Vinyl axetat (VA) phát vào năm 1912 nhà bác học Klatte (Đức), với việc tổng hợp VA từ axetylen axit axetic pha lỏng Đến năm 1925 trình sản xuất VA PVA phát triển mạnh mẽ, sản lượng VA giới tăng nhanh vào năm 1965 giới có 106 tấn/năm VA sản xuất Còn vào năm 1984 đạt 2,7.106 tấn/năm Vào năm 1990 có 800000 VA sản xuất Mỹ, Nhật 550000 Tây Âu 660000 Phương pháp sản xuất VA từ axetylen thay etylen Khoảng 80% VA giới sản xuất từ etylen, lại 20% VA sản xuất từ axetylen pha khí Bảng 1: Sản lượng VA sản xuất năm 1986 số nước Nước Sản lượng, tấn/năm 1,15.106 0,05.106 0,09.106 0,56.106 >0,16.106 0,58.106 0,15.106 Mỹ Canada Châu Mỹ Latinh Tây Âu Đông Âu Châu Phi Trung Đông Nhật Bản Châu Úc Đông Á Bảng 2: Tình hình sử dụng nguồn nguyên liệu để sản xuất VA vào năm 1984 Sản xuất, % Axetylen Tây Âu 43 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 Mỹ - Nhật Bản 19 Đồ án cử nhân Etylen 57 100 81 Do tính kinh tế nguồn nguyên liệu mà ngày công nghiệp sản xuất VA từ metyl axetat hay dimetyl ete với CO H nghiên cứu hoàn thiện VA monome cho trình trùng hợp, đồng trùng hợp VA sử dụng cho trình sau: - Trong trình trùng hợp tạo polyvinyl axetat, lượng VA tiêu tốn cho trình - chiếm từ 55 – 60% tổng lượng VA sản xuất Sản xuất polyvinyl ancol, lượng chiếm 13 – 15% Quá trình đồng trùng hợp VA etylen chiếm 8% Trùng hợp tạo polyvinyl butyrat, lượng chiếm 15% Dùng phụ gia dầu nhờn, đồng trùng hợp với acrylonitryl tạo sợi acylic Dùng cho trình khác VA hòa tan rượu etylic dietyl ete Ở nhiệt độ thường, VA ổn định dễ bị trùng hợp cho sản phẩm polyvinyl axetat Đây sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhiều lĩnh vực Polyvinyl axetat có tính bám dính cao, ứng dụng sản xuất keo dán vecni, dẫn xuất như: polyvinyl alcol, polyvinyl butyrat Khi thủy phân polyvinyl axetat thu polyme thông dụng polyvinyl alcol, polyme sử dụng làm chất nhũ hóa làm chất tăng độ nhớt cho dung dịch nước Thủy phân phần polyvinyl axetat thu polyme dễ tạo màng, chất dùng làm vải giả da Ngoài ra, copolyme vinyl axetat, vinyl clorua monome khác ứng dụng rộng rãi kĩ thuật Tình hình sử dụng VA số nước thể bảng Bảng 3: Tình hình sử dụng VA số nước Sử dụng, % Etylen – vinyl axetat Polyvinyl axetat Polyvinyl alcol Polyvinyl butyrat Copolyme vinyl clorua Tây Âu 60 17 11 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 Mỹ 58 21 Nhật Bản 11 16 71 Đồ án cử nhân Các loại khác Nhu cầu sử dụng vinyl axetat ngành công nghiệp nước nói riêng, giới nói chung ngày tăng Đặc biệt đất nước ta công công nghiệp hoá, đại hoá Ngoài nguồn nguyên liệu truyền thống ngày ngành công nghiệp chế biến khí phát triển mạnh, tạo nguồn nguyên liệu giá rẻ phong phú cho trình tổng hợp Do đó, Việt Nam việc thiết kế nhà máy sản xuất vinyl axetat vấn đề cần thiết có ý nghĩa quan trọng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.1.1 Tính chất axetylen [1,7,9] 1.1.1.1 Tính chất vật lý, hoá lý Ở điều kiện thường axetylen chất khí không màu, không độc, có mùi thơm dạng ete (do có tác dụng gây mê) Bảng 4: Một số thông số vật lý axetylen: Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 Đồ án cử nhân Thông số Giá trị Khối lượng phân tử 26,038 g/mol Nhiệt nóng chảy 5,585 kJ/mol Nhiệt hoá 15,21 kJ/mol o Nhiệt độ ngưng tụ -83,3 C (tại áp suất 0,102 Mpa) Nhiệt độ phân hủy tới hạn 135,50 C Tại 00 C áp suất 101,3 Kpa Trọng lượng riêng 1,173 kg/m Cp = 42,7 J.mol-1.K-1 Nhiệt dung riêng Cv = 34,7 J/mol-1.K-1 Độ nhớt động học µ = 9,43 Pa.s Độ dẫn nhiệt 0,0187 A/m Tốc độ chuyền âm 341 m/s Hệ số nén 0,9909 Entapy 8,32 kJ/mol Entropy 197 J/mol Axetylen có khả tạo hỗn hợp nổ với không khí giới hạn rộng: từ 20% - 80% thể tích Giới hạn áp suất nguy hiểm 0,2 Mpa Axetylen có khả dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với với Flo, Clo … tác dụng ánh sáng Do để tránh cháy nổ người ta thường pha thêm khí trơ, hydro, amoniac… vào thùng chứa axetylen vận chuyển Axetylen không bị phân hủy điều kiện nhiệt độ thường áp suất khí quyển.Khi cháy axetylen tỏa lượng nhiệt lớn 13,387 kcal/m 3, ứng dụng vào việc hàn cắt kim loại Ở nhiệt độ môi trường áp suất khí axetylen tinh khiết không bị phân huỷ Khi áp suất vượt áp suất khí bắt đầu xảy phân huỷ, axetylen lỏng bị phân huỷ nhiệt, va chạm hay tác dụng xúc tác Khi phân huỷ xảy phản ứng nổ, nhiệt độ tăng lên đến 2800 C Vì axetylen khó hoá lỏng để bảo quản vận chuyển Một tính chất quan trọng axetylen khả hoà tan lớn nhiều so với hyđrocacbon khác Bảng 5: Tính tan axetylen dung môi hữu (ở 250C áp suất thường) Dung môi Hexametyl focmamid Dimetyl focmamid Metyl axetat Axeton Công thức [(CH3)2H]3PO HCOH(CH3)2 CH3COOCH3 CH3COCH3 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 Thể tích C2H2/1 thể tích 43 33.5 19.5 18 Đồ án cử nhân Độ hoà tan tốt axetylen có ý nghĩa quan trọng trình điều chế tách khỏi hỗn hợp khí, làm cách dễ dàng ứng dụng để vận chuyển, chứa đựng, bảo quản Axetylen làm giàu từ hỗn hợp hydrocacbon C chưng cất nhiệt độ thấp Để tránh phân huỷ nồng độ dòng không vượt 42% Khi áp suất lớn 0,5 Mpa oC axetylen nước tạo hyđrat dạng C 2H2 (H2O)≈5,8 Nếu có mặt axeton hyđrat có dạng [C2H2].[(CH3)2CO][H2O]17 Axetylen bị hấp phụ than hoạt tính, silic oxit zeolit Các chất hấp phụ sử dụng để tách axetylen từ hỗn hợp khí Axetylen bị hấp phụ bề mặt kim loại thuỷ tinh, dung dịch keo paladi hấp phụ tới 460 mg C2H2 /1gPd 1.1.1.2 Tính chất hoá học [1,8,9] Axetylen hydrocacbon không no có công thức phân tử C2H2, công thức cấu tạo CH≡CH, liên kết ba có xen phủ hai liên kết π có khả hoạt động lớn (thể rõ tính không no) liên kết σ Độ dài liên kết C=C 1,20 Ȧ C-H 1,06 Ȧ Với cấu tạo C2H2 có phản ứng đặc trưng cộng hợp: cộng hợp với H2, halogen, H2O,… a Phản ứng cộng hợp Axetylen cộng với H2 cho ta etylen etan Với xúc tác Pt Pd CH ≡ CH + H2 xt ,P =1at CH2 = CH2 o t =250÷30 + H2 xt CH3 − CH3 0oC Với xúc tác niken CH ≡ CH + H2 Ni CH3 − CH3 , to Với halogen: Cl2, F2, Br2 CH ≡ CH + Br2 + hγ H C = C Br + Br2 CHBr − CHBr2 Br H Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 10 Đồ án cử nhân = 0.406 (kcal/kg.oC) = 0.416 (kcal/kg.oC) = 3.468 (kcal/kg.oC) EDA có M = 146, nC = 6, nH = 10, nO = nên: = = 0,261 (kcal/kg.oC) Nhiệt dung CH3COOH tính theo công thức: CP = (T) CP = a + bT + cT2 Trong đó: a, b, c hệ số phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: T = 210 + 273 = 483oK a = 5.2 b = 46,16 10-3 c = -18,35 10-6 Thay số ta được: = 5,2 + 46,16 x 10-3 x 483 – 18,35 x 10-6 x 4832 = 23,214 (kcal/kmol.oC) = 0,387 (kcal/kg.oC) Vậy nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào 210oC là: Q2 = (16464,215 x 0,496 + 588,360 x 0,253 + 105,064 x 0,234 + 420,257 x 0,414 + 11500 x 0,406 + 1469,490 x 0,261 + 211,632 x 0,387) 210 Q2 = 2866104,269 (kcal/h) 2.4.1.3 Tính nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang Hỗn hợp sản phẩm phản ứng khỏi thiết bị trao đổi nhiệt có thành phần khối lượng chất không đổi nhiệt dung riêng chúng 170oC sau: = 0.481 (kcal/kg.oC) = 0.252 (kcal/kg.oC) = 0.230 (kcal/kg.oC) = 0.376 (kcal/kg.oC) = 0.416 (kcal/kg.oC) = 3.468 (kcal/kg.oC) C4H4 có M = 52, nC = 4, nH = nên ta có: = = 0,298 (kcal/kg.oC) Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 55 Đồ án cử nhân EDA có M = 146, nC = 6, nH = 10, nO = nên: = = 0,261 (kcal/kg.oC) Nhiệt dung CH3COOH tính theo công thức: CP = (T) CP = a + bT + cT2 Trong đó: a, b, c hệ số phương trình Đối với axit trạng thái khí ta có: T = 170 + 273 = 443oK a = 5.2 b = 46,16 10-3 c = -18,35 10-6 Thay số ta được: = 5,2 + 46,16 x 10-3 x 443 – 18,35 x 10-6 x 4432 = 22,048 (kcal/kmol.oC) = 0,367 (kcal/kg.oC) Vậy nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang 170oC là: Q3 = (16464,215 x 0,481 + 588,360 x 0,252 + 105,064 x 0,23 + 420,257 x 0,298 + 11500 x 0,376 + 1469,490 x 0,261 + 211,632 x 0,367) 170 Q3 = 2210367,417 (kcal/h) 2.4.1.4 Tính nhiệt lượng mát trình Nhiệt lượng mát trình 2% tổng nhiệt lượng vào (Q1 + Q2) Q5 = (Q1 + Q2) x 2% = (1971338,733 + 2866104,269) x 0,02 = 96748,860 (kcal/h) 2.4.1.5 Tính nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang Ta có phương trình cân nhiệt: Q + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 => Q4 = (Q1 + Q2) – (Q3 + Q5) = (1971338,733 + 2866104,269) – (2210367,417 + 96748,860) = 2530326,725 (kcal/h) Bảng 16: Cân nhiệt lượng thiết bị trao đổi nhiệt NHIỆT LƯỢNG VÀO (kcal/h) Q1: nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 1971338,733 56 Đồ án cử nhân Q2: nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang vào TỔNG CỘNG NHIỆT LƯỢNG RA (kcal/h) Q3: nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm phản ứng mang Q4: nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang Q5: nhiệt lượng mát trình TỔNG CỘNG 2866104,269 Σ = 4837443,002 2210367,417 2530326,725 96748,860 Σ = 4837443,002 2.4.2 Tính cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng Hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 170 – 180 oC, phản ứng trình tổng hợp VA xảy có tỏa nhiệt lớn Để khống chế nhiệt độ trình ta cho nước có nhiệt độ 25 oC bên ống thiết bị có nhiệt độ 45oC Hỗn hợp sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 210oC Để tính toán cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng ta chọn số thông số sau: - Nhiệt độ nguyên liệu đầu: 25oC - Nhiệt độ nguyên liệu vào thiết bị: 170oC - Nhiệt độ sản phẩm khỏi thiết bị: 210oC Một số ký hiệu: Q1: Nhiệt lượng phản ứng tỏa ra, kcal/h Q2: Nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm mang ra, kcal/h Q3: Nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào, kcal/h Q4: Nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào, kcal/h Q5: Nhiệt lượng nước làm lạnh mang ra, kcal/h Q6: Nhiệt lượng mát trình, kcal/h 2.4.2.1 Nhiệt lượng phản ứng tỏa Trong trình tổng hợp VA phản ứng xảy phản ứng phụ Nhiệt lượng tỏa chủ yếu phản ứng sau: C2H2 + CH3COOH CH2CHOCOCH3 + 28,3 (kcal/mol) CH2=CHOCOCH3 + CH3COOH CH3CH(OCOCH3)2 + 6,2 (kcal/mol) Nhiệt lượng tỏa phản ứng tạo VA là: = 3784302,326 (kcal/h) Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 57 Đồ án cử nhân Nhiệt lượng tỏa phản ứng tạo EDA là: = 62403,000 (kcal/h) Nhiệt lượng phản ứng tỏa là: Q1 = 3784302,326 + 62403,000 = 3846705,326 (kcal/h) 2.4.2.2 Nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm mang Nhiệt lượng nhiệt lượng vào thiết bị trao đổi nhiệt để đun nóng hỗn hợp nguyên liệu Do đó: Q2 = 2866104,269 (kcal/h) 2.4.2.3 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào Gọi lượng nước cần đưa vào là: GH2O (kg/h) Nhiệt dung riêng nước 25oC là: = 0,999 (kcal/kg.oC) Nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào là: Q3 = GH2O 25 = GH2O 0,999 25 = 24,975 GH2O (kcal/h) 2.4.2.4 Nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào Nhiệt lượng nhiệt lượng hỗn hợp phản ứng mang từ thiết bị trao đổi nhiệt Do đó: Q4 = 2530326,725 (kcal/h) 2.4.2.5 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang Nước khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ t = 45oC Nhiệt dung riêng nước 45oC là: = 0,998 (kcal/h) Nhiệt lượng nước làm lạnh mang ra: Q5 = GH2O 45 = GH2O 0,998 45 = 44,91 GH2O (kcal/h) 2.4.2.6 Nhiệt lượng mát trình Lượng nhiệt mát trình 2% Ta có: Q6 = (Q1 + Q2 + Q3) x 0,02 Q6 = (3846705,326 + 2866104,269 + 24,975 x GH2O) x 0,02 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 58 Đồ án cử nhân Q6 = 134256,192 + 0,5 x GH2O Theo phương trình cân nhiệt: Q1 + Q + Q = Q + Q + Q 3846705,326 + 24,975 x GH2O +2530326,725 = 2866104,269 + 44,91 x G H2O + 134256,192 + 0,5 x GH2O GH2O = 165239,618 (kg/h) Thay số ta có: Q3 = 24,975 x 165239,618 = 4126859,460 (kcal/h) Q5 = 44,91 x 165239,618 = 7420911,244 (kcal/h) Q6 = 134256,192 + 0,5 x 165239,618 = 216876,001 (kcal/h) Bảng 17: Cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng NHIỆT LƯỢNG VÀO (kcal/h) Q1: nhiệt lượng phản ứng tạo Q3: nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào Q4: nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu mang vào TỔNG CỘNG NHIỆT LƯỢNG RA (kcal/h) Q2: nhiệt lượng sản phẩm mang Q5: nhiệt lượng mát trình Q6: nhiệt lượng chất tải nhiệt mang TỔNG CỘNG 3846705,326 4126859,460 2530326,725 Σ = 10503891,51 2866104,269 7420911,244 216876,001 Σ = 10503891,51 2.5 TÍNH THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHÍNH Thiết bị phản ứng tính toán dạng ống chùm, chế tạo thép không rỉ X18H10T Loại thiết bị cho phép tách nhiệt phản ứng tốt, tránh tượng nhiệt gây ảnh hưởng tới xúc tác trình phản ứng Hiệu suất sản phẩm nhận thiết bị loại cao, dễ khống chế điều kiện nhiệt động Cấu tạo thiết bị không phức tạp, giá thành đầu tư chế tạo rẻ Quá trình phản ứng tổng hợp vinyl axetat từ axetylen axit axetic với xúc tác axetat kẽm mang than hoạt tính xảy ống, nhiệt độ từ 180 - 220 0C Đây phản ứng toả nhiệt Để khống chế nhiệt độ trình ta cho nước 25 0C qua thiết bị tách nhiệt phản ứng Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 59 Đồ án cử nhân Hỗn hợp C2H2 CH3COOH đun nóng qua lớp xúc tác đặt ống Các hạt xúc tác có kích thước từ 1,5 - 3,5 mm, ống chứa xúc tác có kích thước d x s = 56 x 3,5 (mm) Vấn đề cần tính toán là: Xác định số ống, đường kính thiết bị chiều cao toàn thiết bị Khi tính toán kích thước cho thiết bị ta tính nhiệt độ trung bình 2000C 2.5.1.Tính thể tích cấp xúc tác Giả thiết trình làm việc thiết bị với nhiệt độ 200 0C, p = 1at Phần cấp xúc tác tính sau: VXT = Фr τ Trong đó: Фr : Lưu lượng hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng, m3/s τ: Thời gian lưu hỗn hợp thiết bị Quá trình có τ = 0,5s thời gian đủ để thực phản ứng tổng hợp VA pha khí • Tính thể tích hỗn hợp khí qua thiết bị Hỗn hợp nguyên liệu vào gồm C 2H2, N2, O2, C4H4 CH3COOH tạp chất Thể tích chúng tính theo công thức: V= [6-I.1] Trong đó: + G: Lượng khí qua thiết bị (kg/h) + ρ: Khối lượng riêng khí (kg/m3) tính theo công thức ρ = (kg/m3) Trong đó: - M: khối lượng mol khí (kg/kmol) T: nhiệt độ tuyệt đối khí, 0K P, P0: áp suất khí thiết bị điều kiện tiêu chuẩn Tính thể tích C2H2 qua thiết bị phản ứng: GC2H2 = 20271,419 (kg/h) T = 473 0K ρ C2H2 = = = 0.670 (kg/m3) P = at: áp suất thiết bị phản ứng VC2H2 = 20277,419 : 0,670 = 30264,804 (m3/h) Tương tự ta tính thể tích N2: Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 60 Đồ án cử nhân GN2 = 588,360 (kg/h) ρ N2 = = 0,721 (kg/m3) VN2 = 588,360 : 0,721 = 815,514 (m3/h) Thể tích O2: GO2 = 105,064 (kg/h) ρ O2 = = 0,825 (kg/m3) VO2 = 105,064 : 0,825 = 127,424 (m3/h) Thể tích C4H4: GC4H4 = 420,257 (kg/h) ρ C4H4 = = 1,34 (kg/m3) VC4H4 = 420,257 : 1,34 = 313,625 (m3/h) Để thuận lợi cho tính toán, thể tích CH 3COOH tạp chất cuả nó, ta coi tất theo CH3COOH Sự sai số không đáng kể, ta có: Gch = GCH3COOH + Gtạp chất = 9324,298 + 118,39 = 9442,687 (kg/h) ρ CH3COOH = = 1,546 (kg/m3) Vch = 9442,687 : 1,546 = 6107,818 (m3/h) Tổng thể tích hỗn hợp khí qua thiết bị phản ứng: VT = VC2H2 + VN2 + VO2 + VC4H4 + Vch = 30264,804 + 815,514 + 127,424 + 313,625 + 6107,818 = 37629,185 (m3/h) = 10,453 (m3/s) Đây tổng lưu lượng khí qua lớp xúc tác, ta có: ФV = 10,453 (m3/s) Thể tích làm việc thiết bị thường chọn khoảng 70 – 80% thể tích nguyên liệu mang vào, thể tích thiết bị là: (Ta chọn thể tích làm việc thiết bị 75% thể tích khí mang vào) VR = VT x 0,75 = 37629,185 x 0,75 = 28221,889 (m3/h) Thể tích cấp xúc tác thời gian tiếp xúc τ = 0,75 (s) Vxt = ФV x τ = 10,453 x 0,75 = 7,840 (m3/s) 2.5.2 Tính kích thước thiết bị phản ứng a Xác định bề mặt riêng xúc tác Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 61 Đồ án cử nhân Quá trình thực pha khí, khí qua ống xúc tác với vận tốc chọn ω = m/s Để xác định bề mặt riêng xúc tác ta dựa vào công thức sau: S = (m2) Trong đó: - V: lưu lượng thể tích khí đưa vào thiết bị phản ứng (m3/h) ω: vận tốc khí thiết bị phản ứng, (m/s) S: bề mặt riêng lớp xúc tác, (m2) S = 28221,889 : (3 x 3600) = 2,613 (m2) b Xác định số ống chứa xúc tác Chọn ống chứa xúc tác có kích thước: d x s = 56 x 3,5 mm Chiều cao lớp xúc tác: Hxt = = = (m) Xúc tác nhồi đầy ống xúc tác nên chiều cao lớp xúc tác chiều cao thân thiết bị, Hxt = 3000 (mm) = (m) Tiết diện ngang ống tích: πd2/4 (m2) Số ống thiết bị phản ứng tính: nT = S : (πd2/4) = 2,613 : (3,14 x 0,0562 : 4) = 1062 (ống) Để thuận lợi cho lắp đặt, chế tạo sử dụng, ta chia tổng số ống cho thiết bị Như vậy, thiết bị có n = 531 ống bố trí theo hình lục giác Theo bảng V.11 [6 – 48] ta có phân bố ống thiết bị sau: b = 2a – (1) n = 3a x (a - 1) +1 (2) Với : + a số ống cạnh + b số ống đường xuyên tâm + n tổng số ống Thay n = 531 vào (2) ta a = 13,801 Vì a phải số nguyên, để đảm bảo suât, chất lượng, ta chọn a = 14 Thay a = 14 vào (1) ta có b = 27 Vậy tổng số ống xếp theo hình cạnh là: n = x 14 x (14 – 1) + = 547 (ống) Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 62 Đồ án cử nhân c Tính đường kính thiết bị phản ứng Đường kính thiết bị phản ứng tính theo công thức: D = t x (b - 1) + 4d1 (m) [13 – 140] Trong đó: + d1: đường kính ống, d1 = 56 + = 63 (mm) + t: bước ống thường chọn t = (1,2 ÷ 1,5) x d1 Ta lấy: t = 1,2 x d1 = 1,2 x 63 = 75,6 (mm) Ta có: D = 75,6 x (27 - 1) + x 63 = 2217,6 (mm) Theo quy chuẩn [13 – 359] chọn D = 2200 (mm) Ta chế tạo thiết bị phản ứng chính, trình làm việc dùng thiết bị, thiết bị dự phòng d Tính chiều cao thiết bị Với đường kính thiết bị 2200 mm người ta thường chọn đáy náy elip có gờ chiều cao phần lồi 550 mm, chiều cao gờ 40 mm Vậy tổng chiều cao tháp là: H = 3000 + x (550 + 40) = 4180 (mm) Kích thước thiết bị sau: + Đường kính D = 2200 mm + Chiều cao thân thiết bị H = 3000 mm + Số ống n = 547 ống + Kích thước ống d x s = 56 x 3,5 mm, l = 3000 mm + Bước ống t = 75,6 mm 2.5.3 Tính chiều dày thân thiết bị phản ứng Thân thiết bị hình trụ, làm việc áp suất khí có chiều dày xác định theo công thức: S = + C, (mm) [6 - 360] Trong đó: - Dt = 2200 mm = 2,2 m đường kính thiết bị phản ứng : hệ số bền hàn hình trụ theo phương dọc, Do hàn giáp mối hai bên - hồ quang điện nên = 0,95 [6 – 362] Pt : áp suất thiết bị phản ứng làm việc áp suất khí nên ta có: Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 63 Đồ án cử nhân - Pt = 105 (N/m2) C = C1 + C2 + C3 (m) [6 – 363] C1: đại lượng bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu môi trường thời gian làm việc thiết bị, điều kiện làm việc thiết bị - vật liệu bền (thép không gỉ) nên: C1 = (mm) = 0,001 (m) C2: bổ sung bào mòn Do nguyên liệu không chứa hạt rắn chuyển động lớp xúc tác tĩnh nên có C2 = (m) - C3: đại lượng bổ sung dung sai âm chiều dày, chọn theo chiều dày Vậy: C = 0,001 + + C3 = 0,001 + C3 (m) : ứng suất thành thiết bị Gọi k ứng suất cho phép vật liệu thép X18H10T (N/m 2) giới hạn bền xác định theo công thức [6 – 367] [] = x η Trong đó: + k = 550 x 106 (N/m2) + nk: hệ số an toàn theo giới hạn hàn kéo, nk = 2,6 [6 – 356] + η: hệ số hiệu chỉnh Do thiết bị thiết bị loại II nên có η = [] = 550 x 106 x 1,0 : 2,6 = 211,538 x 106 (N/m2) Ứng suất cho phép giới hạn chảy thép X18H10T xác định theo: [ k] = x η [6 – 367] - : ứng suất giới hạn bền chảy X18H10T, c = 220 x 106 N/m2 [6 – 399] Nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền chảy: nc = 1,5 η: hệ số hiệu chỉnh, thiết bị loại II nên η = c [k] = 220x106 x 1,0 : 1,5 = 146,667x106 (N/m2) Để đảm bảo độ bền ta lấy giá trị nhỏ kết xét tỷ số sau: x n = 146,667x106 x 0,95 : (1,0x105) = 1393,337 >>50 Do ta bỏ qua đại lượng Pt mẫu số công thức chiều dày ta có: S = 0,000789 + 0,001 + C3 = 0,00179 + C3 (m) Chọn C3 = 0,500 (mm) = 0,5 x 10-3 (m) [13 – 364] Khi đó: S = (1,79 + 0,500) x 10-3 = 2,29 x 10-3 (m) Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 64 Đồ án cử nhân Để đảm bảo an toàn thuận lợi ta quy chuẩn S = mm Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử nước P0 = Pth + Pt Pth: áp suất thủy lực, ta có: Pth = 1,5 x Pt = 1,5 x 1,0 x 105 = 1,5 x 105 N/m2 Pt: áp suất thủy tĩnh nước Pt = g x ρ x H = 9,8 x 1000 x 1,5 = 0,147 x 105 N/m2 Vậy ta có P0 = 1,5 x 105 + 0,147 x 105 = 1,647 x 105 N/m2 Thay vào công thức kiểm tra: = 54,574 x 106 N/m2 So sánh: = 54,574 x 106 < c : 1,2 = 220 x 106 : 1,2 = 183,33 x 106 N/m2 Ta thấy thiết bị thỏa mãn điều kiện đảm bảo cho thiết kế Vậy thân thiết bị có chiều dày S = 4mm Chọn bích cho thân thiết bị: Dt D Db 2200 2350 2300 D1 mm 2260 D0 h db 2215 56 M24 Z Cái 32 2.5.4.Chọn đáy nắp thiết bị Đáy nắp thiết bị liên quan đến kích thước ống dẫn sản phẩm vào ống dẫn sản phẩm Vì ta chọn kích thước ống dẫn chọn bích chúng trước Đường kính ống d = 506 (mm) Chọn bích cho ống [6 – 418] Dt Dn D D1 Db h D0 db 580 22 511 M20 mm 500 506 630 550 Z Cái 20 Đáy nắp thiết bị giống dùng elip có gờ Nắp đáy thiết bị làm từ vật liệu loại với thân thiết bị Chiều dày đáy nắp làm việc chịu áp suất tính theo công thức sau: S = x + C (m) [6 – 385] Trong đó: Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 65 Đồ án cử nhân + hb: chiều cao phần lồi đáy nắp, hb = 400 mm = 0,4 m + h: hệ số bền mối hàn hướng tâm, h = 0,95 + k: hệ số không thứ nguyên xác định sau: k = 1- d/Dt Với d đường kính lớn (hay kích thước lớn lỗ hình tròn), lỗ không tăng cứng Đối với đáy lỗ hay có lỗ tăng cứng hoàn toàn k = [ k] = 146,7 x 106 N/m2 P = P0 = 1,647 x 105 N/m2 k: hệ số không thứ nguyên xác định sau: k = 1- d/D1 = 1- 0,5/2,2 = 0,773 Vì []xh/P = 845,985 > 50 Nên bỏ qua đại lượng P mẫu công thức tính S Vậy S = 0,00743 (m) Quy chuẩn: S = mm Kiểm tra ứng suất thành vào nắp , đáy thiết bị theo áp suất thủy lực Ta tính = 23,926 x 106 N/m2 < c/1,2 = 183,333 x 106 N/m2 Như với S = mm đảm bảo bền đáy thiết kế Tương tự có chiều dày nắp S = mm Theo [6 – 382] ta có: Dt mm 2200 hb mm 550 S mm h mm 40 Chọn bích cho đáy nắp thiết bị Dt D Db 2200 2350 2300 D1 mm 2260 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 D0 h db 2215 56 M24 Z Cái 32 66 Đồ án cử nhân KẾT LUẬN Sau trình làm việc, hướng dẫn tận tình GS.TS Đinh Thị Ngọ Đến em hoàn thành đồ án cử nhân với đề tài “thiết kế phân xưởng sản xuất vinyl axetat với suất 92000 tấn/năm từ axetylen axit axetic pha khí, sử dụng xúc tác axetat kẽm than hoạt tính” Như biết VA hợp chất hữu quan trọng, có nhiều ứng dụng công nghiệp hóa học, đời sống người VA hợp chất trung gian để tạo sản phẩm cuối phục vụ cho đời sống sinh hoạt Trong ngành công nghiệp polime, VA dùng để tạo màng sợi, vật liệu giả da, chất kết dính, ứng dụng ngành giấy, sơn… Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu công nghệ sản xuất VA từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, phương pháp tổng hợp VA từ etylen axit axetic coi phương pháp có hiệu kinh tế cao Nguồn etylen sau nhà máy lọc dầu nước ta bắt đầu sử dụng phù hợp cho xu phát triển Vì việc xây dựng nhà máy sản xuất VA từ etylen cần thiết cho nước nhà Từ lâu công nghệ sản xuất VA ứng dụng nhiều hãng khác giới Bên cạnh đó, VA sản xuất từ axetylen axit axetic pha khí Phương pháp có nhiều ưu điểm so với nhiều phương pháp khác như: hiệu suất sản phẩm đạt 95-99% theo axit axetic 92-95% theo axetylen Do giảm lượng nguyên liệu tiêu tốn tránh thất thoát nhiệt Trong thực tế sản xuất, việc lựa chọn phương pháp sản xuất tùy thuộc vào điều kiện tổ chức, vùng, nguồn nguyên liệu, nguồn lượng, vốn đầu tư… Với nguồn nguyên liệu dồi từ than đá, khí thiên nhiên…ta sản xuất VA từ axetylen thuận lợi Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 67 Đồ án cử nhân Nhìn chung, chế độ công nghệ dây chuyền phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố sau: - Nhiệt độ phản ứng - Xúc tác sử dụng - Tỷ lệ số mol axetylen/axit axetic Được giao nhiệm vụ thiết kế phân xưởng vinyl axetat suất 92.000 tấn/năm em hoàn thành thời hạn quy định Nội dung thực bao gồm: - Tổng quan lý thuyết: Các phương pháp sản xuất VA, chế động học phản ứng, tính chất nguyên liệu sản phẩm - Lựa chọn công nghệ, thuyết minh sơ đồ công nghệ, tính toán cân vật chất, cân nhiệt lượng - Bản vẽ sơ đồ công nghệ Trong trình thực đồ án, em tích lũy nhiều kiến thức công nghệ tổng hợp vinyl axetat nói riêng kiến thức chuyên ngành hữu hóa dầu nói chung, củng cố thêm kiến thức học hoàn thiện khả thực đồ án Không thế, em biết thêm kỹ tìm tài liệu nâng cao trình độ tiếng anh chuyên ngành Đây kiến thức, kỹ vô quý báu cho trình học tập công tác sau Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 68 Đồ án cử nhân TÀI LỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Trọng Yêm, Nguyễn Đăng Quang, Hóa học hữu cơ, Tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999 [2] Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng, Hóa học dầu mỏ khí , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2012 [3] Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên, Công nghệ tổng hợp hữu hóa dầu, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [4] Thiết bị phản ứng sản xuất hợp chất hữu cơ, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, 1986 [5] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [6] Tập thể tác giả, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [7] Sổ tay hóa lý, Bộ môn hóa lý, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội [8] Ullman’s Encycloedia of Industrial Chemical Vol A22 Poly (vinyl esters) to reduction, 1993 [9] Encycloedia of Chemical Technology – Vol A1, A7, A9 [10] Nguyễn Bin, Tính toán trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 [11] Nguyễn Bin, Tính toán trình, thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, Tập 2, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 [12] Trần Văn Địch, Định Khắc Hiến, Kỹ thuật an toàn môi trường, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [13] Cơ sở thiết kế nhà công nghiệp hóa chất, Bộ môn xây dựng công nghiệp – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội - 1982 Nguyễn Duy Vũ – 20113469 – KTHH5 – K56 69 ...NHIỆM VỤ THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT VINYL AXETAT (VA) I Đầu đề: Thiết kế phân xưởng sản xuất VA suất 92.000 T/năm từ axetylen axit II axetic pha... Phương pháp sản xuất VA từ axetylen thay etylen Khoảng 80% VA giới sản xuất từ etylen, lại 20% VA sản xuất từ axetylen pha khí Bảng 1: Sản lượng VA sản xuất năm 1986 số nước Nước Sản lượng, tấn/năm... Đồ án cử nhân Rượu poly vinilic bán sản phẩm dùng để sản xuất sợi vinylon, keo dán, … d.Phản ứng đồng trùng hợp Với nối đôi phân tử VA tham gia vào số phản ứng đồng trùng hợp với monome khác tạo