Tải bản đầy đủ

thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên

Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
LỜI CẢM ƠN
Một niềm tri ân sâu sắc xin gửi đến quý thầy cô khoa Hóa học và Công nghệ
thực phẩm, những người đã truyền đạt kiến thức vô giá làm nền tảng cho công việc
sau này. Cũng như câu “Không bao giờ xây nên một tòa nhà cao nếu không có một
cái móng vững chắc”.
Và đặc biệt xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ths ……… , người đã trực
tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để nhóm thực hiện đồ án này.
Cuối cùng xin gởi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong Khoa Hóa học và
Công nghệ thực phẩm.Đặc biệt là Thầy luôn dồi dào sức khỏe để dạy dỗ chúng em
và các thế hệ sau trở thành người có ích cho đất nước.
tháng 5/2012
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 1
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
MỞ ĐẦU
Axetylen là chất có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, đặc biệt
là trong công nghiệp, axetylen được dùng làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp các
chất hữu cơ quan trọng như: Vinylclorua, Vinylaxetat, Vinylete, Acrylonytryl,
Axetandehyt. Ngoài ra từ axetylen người ta còn sản xuất ra các hợp chất hóa học
quan trọng khác như: nhựa, chất bám dính, chất phủ bề mặt, chất dẫn điện hữu cơ

và có rất nhiều sản phẩm khác đi từ axetylen.
Chính vì có rất nhiều ứng dụng như vậy nên việc chế biến axetylen để sử
dụng tối đa giá trị hiện có trong một thế giới mà nguồn năng lượng đang cạn kiệt
dần là một nhiệm vụ bức thiết đặt ra cho ngành công nghệ kĩ thuật hóa học.
Trong khuôn khổ của đồ án này chúng tôi thiết kế “phân xưởng sản xuất
axetylen từ khí tự nhiên” thông qua việc tính toán thiết bị phân phối khí, tháp hấp
thụ, thiết bị làm lạnh Để giải quyết tốt vấn đề trên thì đồ án này là sự tổng hợp
nhiều kiến thức về chế biến nhiệt, cracking, ngưng tụ, làm lạnh,…
Trang 2
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NGUYÊN LIỆU
Khí tự nhiên là khí nằm trong tầng chứa khí (mỏ khí) và thành phần chủ
yếu là metan (có thể chiếm đến 97% theo thể tích). Khí tự nhiên là nguồn tài
nguyên khổng lồ với trữ lượng rất lớn (hàng trăm nghìn tỉ m
3
) phân bố trên cả đất
liền và ngoài biển. Hiện nay người ta đã tìm ra các mỏ khí tự nhiên với trữ lượng
lớn ở nhiều nơi trên thế giới như: Liên Xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam Mỹ,
Canada, Đông Nam Á, Mehyco, Úc, Tây Phi, Nhật Bản.
Việt Nam đã phát hiện sự có mặt của khí tự nhiên ở một số nơi như: Tiền
Hải (Thái Bình), vùng trũng Nam Côn Sơn (Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng Ngọc) mới
được phát hiện có trữ lượng lớn khoảng 70 tỷ m
3
khí tự nhiên. Thành phần khí tự
nhiên ở đây chứa tới 96% CH
4
, 2% C
2
H
6
, 2% các khí khác.
Quá trình khai thác và sử dụng khí tự nhiên còn gặp nhiều khó khăn và hạn
chế do vấn đề khai thác và vận chuyển phức tạp, đòi hỏi vốn đầu tư lớn nhưng lợi
ích của nó đem lại đối với nền kinh tế nói chung và ngành công nghệ hóa học nói
riêng là rất lớn. Để nhận được sản phẩm riêng trong khí tự nhiên người ta nghiên
cứu và xây dựng các nhà máy chế biến khí với nhiều phương pháp khác nhau và tùy
thuộc vào mỏ khí (khí nguyên liệu ban đầu) mà có những công nghệ phù hợp mong
đem lại hiệu quả trong quá trình chế biến các hóa chất thương phẩm.
Đặc biệt ở nước ta tiềm năng về khí khá phong phú. Như vậy nước ta có
điều kiện phát triển công nghệ dầu khí trên toàn lãnh thổ, khai thác và sử dụng hợp


lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trong tương lai ngành công nghệ dầu khí sẽ là một
ngành công nghiệp phát triển mạnh đóng góp đáng kể vào sự phát triển của nền
kinh tế của đất nước ta.
Trang 3
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Bảng 1: Thành phần hóa học trung bình của khí thiên nhiên và khí đồng
hành ở Việt Nam ( % thể tích ).
Các cấu tử khí
đồng hành, khí
tự nhiên
Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Tiền Hải
Rồng Tự
Do
CH
4
73,0 77,0 78,0 87,6 84,0
C
2
H
6
12,0 10,0 3,0 3,1 6,0
C
3
H
8
7,0 5,0 2,0 1,2 4,0
C
4
H
10
2,9 3,3 1,0 1,0 2,0
C
5
H
12
2,5 1,2 1,0 0,8 2,0
CO
2
0,7 3,0 2,0 3,0 4,0
N
2
0,5 3,0 2,0 3,0 4,0
Như vậy qua bảng 1 ta thấy hàm lượng metan là rất lớn trong thành phần khí.
Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra phương pháp sử dụng nguồn CH
4
dồi dào này để chế
biến ra các nguyên liệu đa dạng hơn cho tổng hợp hữu cơ đang là đề tài thu hút sự
quan tâm của các ngành khoa học đầu ngành, có uy tín trong nước cũng như trên thế
giới. Bởi metan là một trong những nguyên liệu quan trọng cho ngành tổng hợp hữu
cơ. Điều này được thể hiện qua sơ đồ:
Trang 4
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Trang 5
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU AXETYLEN
2.1 Tính chất vật lý.
Trong điều kiện thường axetylen là chất khí không màu, không độc, ở dạng
tinh khiết có mùi ete yếu, có tác dụng gây mê, ít tan trong nước, nhẹ hơn không khí,
nguyên chất có vị hơi ngọt và được đặc trưng bởi các yếu tố sau :
+ Trọng lượng riêng (0
0
C,760 mmHg) d = 1,17 kg/m
3
+ Trọng lượng phân tử M=26,08 kg/kmol
+ Nhiệt dung riêng phân tử C
p
=0,402 kJ/kg
+ Nhiệt dung ngưng tụ t
nt
=-83,8
0
C
+ Nhiệt độ tới hạn t
tn
=-35,5
0
C
+ Áp suất tời hạn P
tn
=6,04 MPa
+ Nhiệt thăng hoa 21,59 kJ/mol
+ Nhiệt hóa hơi 15,21 kJ/mol
+ Tỷ trọng 0,686 kg/m
3
Tính chất quan trọng khác của axetylen là khả năng hòa tan của nó lơn hơn
nhiều so với những hydro cacbon khác. Điều này ta áp dụng hiệu quả trong quá
trình vận chuyển, phân tách, bảo quản và làm sạch.
Bảng 2: Độ hòa tan của axetylen trong một số dung môi hữu cơ ở 20
0
C
và 1 atm.
Dung môi Công thức
Thể tích axetylen/thể
tích dung môi
Metanol CH
3
OH 11,3
Metylaxetat CH
3
COOCH
3
19,5
Axeton CH
3
COCH
3
23
Dimetylfomamid HCON(CH
3
)
2
32
Sự có mặt của các hydrocacbon khác ít ảnh hưởng đến độ hòa tan của
axetylen trong oxy lỏng. Hệ số phân tán của axetylen ở 25
0
C và 0,1MPa là
0,133cm
2
.s
-1
.ở 0
0
C và 0,1MPa; hệ số phân tán tương hỗ của axetylen trong hỗn hợp
lần lượt là 0,538 ; 0,188;0,191 cm
2
.s
-1
.
Trang 6
+ H
2
O
HC CH
CH
3
CHO
H = -38,8 kcal/mol
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Axetylen bị hấp thụ trên than hoạt tính silicoxit và zeolit. Các chất hấp phụ
này dùng để tách axetylen từ hỗn hợp khí. Axetylen cũng bị hấp phụ trên bề mặt
kim loại và thủy tinh. Dung dịch keo của paradin có thế hấp phụ tới 460mg
C
2
H
2
/1g/Pd.
2.2 Tính chất hóa học.
Axetylen là hydrocacbon không no có liên kết ba trong phân tử, do đó có khả
năng hoạt động hóa học cao. Khi tham gia phản ứng hóa học liên kết ba bị phá vỡ
để tạo thành liên kết đôi hoặc các hợp chất bão hòa. Do tính không no và
năng lượng tạo thành lớn nên axetylen có khả năng phản ứng dễ dàng với nguyên tố
và hợp chất. Vì vậy axetylen được dùng làm nguyên liệu thô cho nhiều quá trình
tổng hợp khác nhau. Trong đó quan trọng nhất là phản ứng cộng, thế nguyên tử H,
polime hóa và phản ứng đóng vòng.
Axetylen rất dễ tham gia phản ứng tấn công nucleofin hơn với nhiều chất.
Liên kết phân cực C,H làm axetylen có tính axit (pka = 25) nên axetylen dễ hòa tan
trong các dung môi bazơ. Vì tính axit này mà axetylen dễ hòa tan với các dung môi
thông thường do tạo liên kết hydro với chúng. Vì vậy ngoài các khả năng tham gia
phản ứng cộng, trùng hợp, oxy hóa, axetylen còn tham gia phản ứng thế nguyên tử
H bằng kim loại và các polyme đóng vòng mạch thẳng.
2.2.1 Phản ứng cộng hợp.
∗ Cộng hợp với H
2
:
- Tiến hành trên xúc tác Pd ở 1atm và 250 – 300
0
C.
+
H
2
H = -14,7 kcal/mol
HC CH H
2
C CH
2
- Với xúc tác Ni,t
0
:
+ 2
H
2
HC CH H
3
C CH
3
Ni,t
0
∗ Cộng hợp với H
2
O:
- Khi có xúc tác Hg và H
2
SO
4
ở 70 – 100
0
C.
- Khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360
0
C.
+ 3H
2
O
HC CH
CH
3
COCH
3
+ CO
2
+ 2H
2
2
Trang 7
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
∗ Cộng hợp với rượu:
- Khi xúc tác KOH và t
0
= 150-160
0
C, P=2-4atm.
+ ROH
HC CH
H
2
C CHOR
Với R là một nhóm ankyl.
∗ Cộng hợp với halogen:
HC CH + Br
2
BrHC CHBr
+ Br
2
Br
2
HC CHBr
2
∗ Cộng hợp với muối halogen tạo hợp chất đồng thời có đồng phân cis
và trans :
HC CH + HgCl
2
C C
HgCl
H
H
Cl
C C
HgCl
H
Cl
H
cis
trans
∗ Cộng hợp với axit:
Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô vơ, hữu cơ tạo thành các vinyl có
nhiều giá trị.
Cộng với HCl, phản ứng có thể tiến hành trong pha hơi ở 150
0
C-180
0
C có
xúc tác HgCl
2
/C hoặc tiến hành trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl
2
ta thu được
vinylclorua.
HC CH + HCl H
2
C CHCl
Cộng hợp với H
2
SO
4
tạo thành vinylsunfo :
HC CH + H
2
SO
4
H
2
C CHOSO
3
H
Ở nhiệt độ 80
0
C có CuCl
2
và NH
4
Cl làm xúc tác, axetylen tác dụng với HCN
tạo thành acrylonitryl.
HC CH + HCN H
2
C CHCN
Axetylen tác dụng với axit hữu cơ khi có xúc tác tạo ra các ete ở 180-200
0
C,
phản ứng pha hơi và xúc tác muối axetat của Cl hoặc Zn trên than hoạt tính cho ta
vinylaxetat.
HC CH + CH
3
COOH
H
2
C CHOCOCH
3
Trang 8
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Hay tạo ra các vinyl của axit cacboxilic lớn hơn, khi phản ứng tiến hành
trong pha lỏng và xúc tác là Zn hoặc Cd.
HC CH + RCOOH
H
2
C CHOCOR
2.2.2 Phản ứng thế của axetylen.
Nguyên tử hydro của C
2
H
2
thể hiện tính axit có khả năng tham gia phản ứng
thế với kim loại kiềm, Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn,… tạo thành axetylenit kim loại rất
dễ nổ.
CuC CCu + H
2
2M + C
2
H
2
M
2
C
2
+ H
2
2Cu + C
2
H
2
HC CH
+ Na
- H
NaC CH
+ Na
- H
NaC CNa
Axetylen tác dụng với amit kim loại trong andehyt amoniac lỏng.
MNH
2
+ C
2
H
2
MC
2
H + NH
3
Axetylen tác dụng với thành phần của cao lanh như HSiCl
3
thực hiện trong
pha lỏng với xúc tác là Pt, trong hợp chất của Pt tạo thành silicon hữu cơ.
HC CH + HSiCl
3
H
2
C
C SiCl
3
H
2.2.3 Phản ứng trùng hợp của axetylen.
Nhị hợp: Ở nhiệt độ 80
0
C thổi axetylen qua dung dịch bão hòa Cu
2
Cl
2
xảy
ra phản ứng Dime hóa tạo ra vinyl axetylen.
HC CH
2
H
2
C
C C CH
H
Tam hợp: Ở nhiệt độ 600
0
C dưới tác dụng của than hoạt tính, axetylen trùng
hợp tạo thành C
6
H
6
.
HC CH
3
C
6
H
6
Đa hợp: Ở nhiệt độ 200÷300
0
C có bột đồng xúc tác axetylen trùng hợp tạo
thành Kypren.
HC CH
n
(CH)
2n
Trang 9
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Ngoài ra, từ C
2
H
2
Reppe đã tổng hợp ra 1,3,5,7 xyclooctatetran với hiệu suất
71%. Nhiệt độ phản ứng 65÷100
o
C, áp suất 15÷25atm nâng lên từ từ, xúc tác là
Ni(CN)
2
.
2.2.4 Phản ứng oxi hóa của axetylen.
- Phản ứng với dung dịch KMnO
4
:
3C
2
H
2
+ 8KMnO
4
- > 3KOOC – COOK + 8MnO
2
+ 2KOH + 2H
2
O
- Phản ứng đốt cháy:
2C
2
H
2
+ 5O
2
- > 4CO
2
+ 2H
2
O
2.3 Ứng dụng của axetylen.
Axetylen có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp, nó đóng
vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ.
Trang 10
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Ngoài ra axetylen còn dùng để thắp sáng, hàn cắt kim loại, chiếm 30% lượng
axetylen sản xuất ra. Axetylen còn có một số ứng dụng quan trọng khác như: sản
xuất làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa sinh, hóa polymer và sản xuất
dược phẩm…
Trang 11
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
AXETYLEN TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN
3.1 Cơ sở hóa lý của quá trình phân hủy hydrocacbon để sản xuất
axetylen.
3.1.1 Cơ sở nhiệt động lực học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon.
Quá trình phân hủy hydrocacbon ở nhiệt độ cao thành axetylen bao gồm
nhiều phản ứng thuận nghịch. Với nguyên liệu là hydrocacbon nhẹ (khí tự nhiên và
khí đồng hành), quá trình nhiệt phân có thể có các phản ứng sau:
2CH
4
C
2
H
2
+ 3H
2
2CH
4
C
2
H
4
+ 2H
2
Trang 12
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
C
2
H
6
C
2
H
4
+ H
2
C
2
H
6
C
2
H
2
+ 2H
2
C
3
H
8
C
2
H
4
+ CH
4
C
3
H
8
C
3
H
6
+ H
2
C
3
H
8
1,5CH
2
+ 2,5H
2
C
4
H
10
C
2
H
4
+ C
2
H
6
C
4
H
10
C
4
H
8
+ H
2
C
4
H
10
2C
2
H
2
+ 3H
2
C
2
H
4
⇒ C
2
H
2
+ H
2
C
3
H
6
⇒ 1,5C
2
H
2
+ 1,5H
2
Các phản ứng này đều là các phản ứng thu nhiệt điển hình và là phản ứng tăng
thể tích. Quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn do các tính chất nhiệt
động của các hydrocacbon.
Trên hình 3.1biểu diễn năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon phụ
thuộc vào nhiệt độ. Từ đồ thị hình 3.1 thấy rằng, ở nhiệt độ thường axetylen không
thể tạo thành các hydrocacbon khác. Từ đồ thị cũng cho thấy năng lượng tự do
Gibbs của axetylen giảm khi tăng nhiệt độ trong khi năng lượng tự do Gibbs của các
hydrocacbon khác lại tăng lên. Ở nhiệt độ cao hơn 1230
0
C axetylen ổn định hơn các
hydrocacbon khác. Đường năng lượng tự do Gibbs của axetylen cắt các đường khác
tại nhiệt độ cao hơn với các hydrocacbon có mạch cacbon trong phân tử ngắn hơn.
Điều đó có nghĩa là quá trình sản xuất axetylen từ metan đòi hỏi thực hiện ở nhiệt
độ cao hơn quá trình sản xuất từ các hydrocacbon nặng hơn.
Trang 13
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Hình 3.1.Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon
phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt độ
được miêu tả trên hình 3.2cho thấy axetylen bắt đầu được tạo thành ở nhiệt độ cao
hơn 1000 K (730
0
C). Như vậy quá trình đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ cao và cần
phải cung cấp năng lượng khá lớn.
Hình 3.2. Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào
nhiệt độ.
Tuy nhiên ngay cả ở nhiệt độ cao axetylen vẫn kém bền hơn các cấu tử tạo
nên axetylen tức là kém bền hơn C và H
2
như trên hình 3.1. Sự chênh lệch nhiệt độ
giữa axetylen với C và H
2
tồn tại tới 4200 K:
C
2
H
2
→ 2C
(R)
+ H
2(K )
; -∆G
298
= -209,3 kJ/mol.
Trang 14
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Quá trình phân hủy tạo thành muội cacbon theo các phản ứng sau:
CH
4
C + 2H
2
C
2
H
6
2C + 3H
2
C
2
H
4
2C + 2H
2
C
2
H
2
2C + H
2
Như vậy, chính axetylen tạo thành cũng bị phân hủy nếu điều kiện phản ứng
thích hợp cho quá trình tạo muội cacbon.Quá trình tạo muội xảy ra mãnh liệt ở
khoảng nhiệt độ 1200…1600
0
C, nghĩa là ở vùng nhiệt độ phản ứng.Để hạn chế quá
trình tạo muội phải giảm nhanh nhiệt độ hỗn hợp khí phản ứng bằng cách phun
nước hoặc phun dầu, gọi là trình “tôi” bằng nước hoặc bằng dầu.
Người ta thấy rằng, với phản ứng phân hủy axetylen, áp suất không ảnh
hưởng mà yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng là nhiệt độ và thời gian phản ứng.
Nhiệt độ càng cao, thời gian phản ứng càng dài, sự phân hủy axetylen càng tăng,
hàm lượng axetylen thu được càng thấp.
3.1.2 Cơ chế của quá trình.
Quá trình nhiệt phân hydrocacbon ở nhiệt độ cao xảy ra theo các phản ứng
thuận nghịch sau:
C
2
H
6
C
2
H
2
+ 2H
2
∆H
298
= 376 kJ/mol.
2CH
4
C
2
H
2
+ 3H
2
∆H
298
= 311 kJ/mol.
Các phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt, cân bằng chuyển dịch theo chiều
thuận ở nhiệt độ 1000…1300
0
C. Thực tế để đạt vận tốc phản ứng đủ lớn, quá trình
cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn, cụ thể ở 1500 …1600
0
C với CH
4
, còn đối với các
hydrocacbon lỏng quá trình thực hiện ở 1200
0
C.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc:
CH
4
→:CH
2
+ H
2
:CH
2
+ CH
4
→ C
2
H
6
C
2
H
6
→ C
2
H
4
+ H
2
Trang 15
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
C
2
H
4
→ C
2
H
2
+ H
2
C
2
H
2
→ 2C + H
2
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tạo thành axetylen tiến hành qua
giai đoạn trung gian tạo thành ⋅CH
3
:CH
2
:CH. Quá trình phân hủy metan có cơ chế
chuỗi gốc như sau:
2CH
4
- 2H
2CH
3
- 2H
2 CH
2
- 2H
2 CH
CH
3
CH
3
- 2H
CH
2
- 2H
CH
2
CH
CH
Các gốc :CH có thể trùng hợp:
n(CH≡) → C
n
H
2n
n(CH≡) → C
n
H
n-m
+ 0,5mH
2
Trong hỗn hợp sản xuất khí thu được ngoài những parafin và olefin thấp còn
có một lượng không lớn benzene, hydrocacbon, nhóm axetylen – metyl axetylen
CH
3
-C≡CH cũng như vinyl axetylen CH
2
=CH-C≡CH và diaxetylen CH≡C-C≡CH,

3.2 Lựa chọn nguyên liệu sản xuất axetylen.
Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng các hydrocacbon ở dạng khí
hoặc lỏng hoặc hổn hợp của chúng. Tuy nhiên thành phần hóa học của nguyên liệu
là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất các sản phẩm chính của quá trình
(axetylen và etylen,…). Kết quả tốt nhất nhận được khi nhiệt phân n- parafin, đồng
thời nhiệt phản ứng phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng nguyên tử của hydrocacbon
nguyên liệu. Ví dụ:
2CH
4
C
2
H
2
+ 3H
2
; ∆H
298
= +89,97 kcal/mol.
C
2
H
6
C
2
H
2
+ 2H
2
; ∆H
298
= +71,4 kcal/mol.
2C
3
H
8
3C
2
H
2
+ 5H
2
; ∆H
298
= +70,9 kcal/mol.
Trang 16
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
C
4
H
10
2C
2
H
2
+ 3H
2
; ∆H
298
= +69,3 kcal/mol.
Như vậy từ các phương trình phản ứng cho thấy phản ứng tạo axetylen từ
metan đến butan có khả năng xảy ra, trong đó nhiệt phân metan tốn nhiều năng
lượng hơn cả.Nhiệt phân izo- parafin và naphta cho hiệu suất cao.
Nguyên liệu kém hiệu quả nhất là hyđrocacbon thơm, khi phân hủy lượng
axetylen nhận được không đáng kể mà tạo nhiều cốc và nhựa.
Thành phần của nguyên liệu xác định nhiệt độ và áp suất của quá trình.Khối
lượng phân tử của hyđrocacbon nguyên liệu càng lớn, độ bền nhiệt càng thấp nên
nhiệt độ phản ứng thích hợp cũng giảm xuống.
Mêtan nhiệt phân ở nhiệt độ cao nhất thường là 1400
0
C và thời gian lưu của
nó trong vùng phản ứng nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,01 giây). Quá trình chuyển hóa mêtan
ở áp suất dư 0,1 đến 0,2 atm xảy ra tới độ sâu phân hủy là 30% và nồng độ axetylen
trong khí đạt được vào khoảng 10% theo thể tích.
Etan là nguyên liệu tiện lợi để sản xuất axetylen. Nếu nhiệt phân ở nhiệt độ
vừa phải, nó là nguyên liệu tốt nhất để nhận etylen, ở nhiệt độ cao hiệu suất
axetylen từ nguyên liệu là etan cũng rất lớn. Với điều kiện quá trình thực hiện ở
nhiệt độ 1400
0
C và áp suất 0,065 atm, thời gian tiếp xúc 0,05 giây, hiệu suất
axetylen đạt cực đại 17% thể tích.
Propan và butan cũng như các parafin nặng hơn cũng được sử dụng để sản
xuất axetylen, đồng thời nhận etylen và các olefin khác. Ngoài ra người ta có thể
dùng cả xăng hay phân đoạn keroxen để làm nguyên liệu. Khi tăng tỷ trọng của
nguyên liệu , hiệu suất tổng cộng các hyđrocacbon không no (axetylen, etylen…) có
tăng nhưng hiệu suất nhựa và cốc cũng tăng lên đáng kể.
Trang 17
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Q =
Tổng số mol axetylen và olefin
Tổng số mol nguyên liệu
Trong quá trình nhiệt phân, chế độ nhiệt là yếu tố cơ bản xác định hiệu suất
các sản phẩm. Để điều khiển chế độ nhiệt, ngăn ngừa sự tạo muội cacbon và tạo
nhựa trong lò phản ứng, người ta thường pha thêm hơi nước vào. Để đánh giá hiệu
suất axetylen trong quá trình nhiệt phân, người ta dùng 2 đại lượng: độ chuyển hóa
tổng cộng (còn gọi là hệ số nhiệt phân tổng cộng ) và độ chuyển hóa đến axetylen
(còn gọi là hệ số nhiệt phân hữu ích) định nghĩa như sau :
X =
Số mol axetylen
Tổng số mol nguyên liệu
Ngoài ra để đặc trưng cho quá trình người ta còn dùng đại lượng độ sâu phân
hủy nguyên liệu ban đầu đến các chất đơn giản (cacbon, hyđro). Thông thường
người ta phán đoán độ sâu phân hủy theo tỉ trọng của các khí sản phẩm vì nó là đại
lượng tỉ lệ nghịch với độ sâu phân hủy.
3.3 Các công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và hydrocacbon.
Để sản xuất axetylen người ta dùng phản ứng nhiệt phân hyđrocacbon ở
nhiệt độ cao. Tùy theo cách cấp nhiệt để thực hiện phản ứng nhiệt phân
hyđrocacbon thành axetylen mà người ta chia thành nhóm các phương pháp sau:
- Quá trình nhiệt điện.
- Quá trình oxy hóa không hoàn toàn.
3.3.1 Quá trình nhiệt điện.
Bản chất của quá trình là sự phóng điện trong môi trường hyđrocacbon khí,
sẽ xảy ra sự đốt nóng cục bộ hỗn hợp khí và cắt mạch các phân tử của nó thành các
Trang 18
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
gốc tự do, tái hợp các gốc tự do này dẫn tới hình thành axetylen và các động đẳng
của nó, muội cacbon, hyđro và các hyđrocacbon cao hơn.
Quá trình nhiệt điện có những ưu điểm sau:
- Nguồn năng lượng cấp cho quá trình không phụ thuộc vào nguyên
liệu hyđrocacbon.
- Tiêu hao hyđrocacbon có thể giảm 50%.
- Với điều kiện năng lượng điện có sẵn và rẻ thì sử dụng quá trình này
kinh tế hơn.
Năm 1962, hãng Dupont (Mỹ) đã phát minh ra loại lò hồ quang với các điện
cực đồng trục để sản xuất axetylen từ hyđrocacbon khí.Theo phương pháp này đã
xây dựng thiết bị công nghiệp với năng suất 25 tấn C
2
H
2
/năm. Sau này, phương
pháp ngày càng hoàn thiện, người ta đưa thêm vào hỗn hợp phản ứng sau khi ra
khỏi vùng tia lửa điện một lượng nguyên liệu mới, nhờ thế nhiệt độ của hỗn hợp khí
giảm từ 1500 … 1600
0
C xuống 800…1000
0
C. Sử dụng nhiệt lượng của khí phản
ứng ở giai đoạn này của quá trình đã nâng cao được hiệu suất axetylen và etylen
trên một đơn vị điện năng tiêu hao. Quá trình 2 giai đoạn đã được các hãng
Chemishe – Werke Huls và Dupont áp dụng trong công nghiệp.
Sau này quá trình nhiệt điện để sản xuất axetylen bằng dòng plasma nhiệt độ
thấp của hyđro hay argon. Điều đó cho phép giảm được 20 …30% tiêu hao điện
năng trên một đơn vị axetylen thương phẩm .
Nguyên liệu của quá trình là hyđrocacbon khí, lỏng hoặc rắn, có thể sử dụng
than.Cấu trúc lò hồ quang và sơ đồ tinh chế sản phẩm thích hợp cho các loại nguyên
liệu hyđrocacbon khác nhau.Với nguyên liệu là hydrocacbon khí, chỉ có thể sử dụng
quá trình một giai đoạn cho hồ quang tiếp xúc trực tiếp với dòng khí. Còn với
nguyên liệu lỏng hoặc rắn, có thể sử dụng quá trình một giai đoạn hoặc hai giai
đoạn. Đầu tiền hydro được đốt nóng trong lò đốt, sau đó nguyên liệu lỏng hoặc rắn
được phun vào dòng plasma hydro.
Hình 3.6 mô tả hai kiểu lò hồ quang.Trong cả hai quá trình nhiệt phân có tạo
thành hydro nên ở cả hai quá trình một giai đoạn và hai giai đoạn, hồ quang cháy
trong môi trường hydro.
Trang 19
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Quá trình nhiệt điện được thực hiện trong thiết bị phản ứng dòng một chiều
với công suất 8200 kW. Điện áp tạo hồ quang là 7000 V, cường độ dòng điện là
1150A, hệ số cos ϕ = 0,7… 0,75. Chiều dài của buồng hồ quang có thể tới 1m.Các
điện cực được làm lạnh bằng nước. Tất cả các phần của thiết bị phản ứng được chế
tạo bằng thép.
Hình 3.6. Lò hồ quang điện của Huls với nguyên liệu là khí, lỏng hoặc rắn.
Nguyên liệu là khí hydrocacbon được đưa vào buồng trộn theo hướng tiếp
tuyến với thành buồng, do đó tạo nên dòng xoáy chuyển động xuống anôt. Nhiệt độ
trung bình của dòng khí là 1600
0
C. Hồ quang điện do tác dụng chuyển động quay
của dòng khí mà cũng quay tròn chuyển động xuống anôt phía dưới. Khi đó các
điểm chạm của hồ quang vào thành điện cực luôn luôn thay đổi, điều đó cho phép
tránh được sự đốt cháy điện cực.
Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí giảm xuống 800
0
C, người ta phun nước vào để
“tôi” sản phẩm khí, nhanh chóng hạ nhiệt độ xuống còn khoảng 180…200
0
C. Ở
nhiệt độ này dùng xyclon có thể tách khoảng 60% muội. Sau đó rửa bằng nước
(hoặc dầu) để tách hết cặn muội và nhựa, rồi đưa đi chế biến thu hồi axetylen,
etylen…
Trên hình 3.7 biểu diễn hiệu suất axetylen, etylen và năng lượng yêu cầu cho
các hydrocacbon trong quá trình không “tôi” trong những điệu kiện xác định. Metan
có năng lượng yêu cầu riêng (SER) cao nhất và cho hiệu suất axetylen cao nhất,
Trang 20
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
hiệu suất etylen thấp nhất. Đối với các hydrocacbon có mạch cacbon càng lớn, năng
lượng yêu cầu riêng và hiệu suất axetylen giảm xuống tương đương với sự giảm
nhiệt cấp vào để tạo ra axetylen từ các hydrocacbon khác nhau.
Hình 3.7. Hiệu suất axetylen, etylen trong quá trình không “tôi”.
Nhiệt phân có quá trình “tôi” thực chất là một quá trình nhiệt phân có điều
khiển.Loại và lượng hydrocacbon sử dụng để “tôi” sơ bộ có thể rất đa dạng. Hình
3.8 mô tả đặc trưng hiệu suất sản phẩm với tốc độ “tôi” khác nhau trong trường hợp
metan là nguyên liệu và propan là chất để “tôi”. Hiệu suất axetylen và hydro không
chịu ảnh hưởng của tốc độ “tôi”, trong khi đó etylen có điểm cực đại sau đó giảm
xuống khi thời gian “tôi” quá ngắn. Đối với propan hiệu suất có tăng và tỷ lệ C
3
: C
2
nhỏ hơn 0,25.
Các hydrocacbon còn lại với tỷ lệ như sau: etan 100, propan 75, n-butan
,izo-butan 24, 1-buten 53.
Trang 21
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Hình 3.8. Đồ thị hiệu suất sản phẩm của quá trình có “tôi” sơ bộ.
Vì nhiệt độ của khí sau khi “tôi” sơ bộ trên 1200
0
C nên người ta dùng một
hệ thống “tôi” bằng dầu để thu hồi khoảng 80% nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt dạng
hơi. Hỗn hợp dầu – muội cacbon tạo thành có thể biến đổi tiếp thành sunfua và cốc
dầu mỏ cao cấp không tro.Sơ đồ trên hình 3.9 biểu diễn quá trình nhiệt điện có sử
dụng hệ thống “tôi” bằng dầu của Huls.
3.3.2 Quá trình oxy hóa không hoàn toàn.
Trong quá trình này một phần nguyên liệu được đốt cháy đến nhiệt độ phản
ứng và cấp nhiệt cho phản ứng.Các nguyên liệu có chứa cacbon như metan, etan,
LNG, LPG, naphta, gazoil, ngay cả than hoặc cốc có thể sử dụng để sản xuất
axetylen bằng nhóm các phương pháp nhiệt phân này.
Trong quá trình oxy không hoàn toàn, nguyên liệu được trộn với oxy, sau
khi gia nhiệt sơ bộ được đưa vào lò phản ứng. Hỗn hợp sau phản ứng được làm
nguội nhanh (quá trình “tôi”) bằng nước hoặc dầu. “Tôi” bằng nước đơn giản dễ
thực hiện, “tôi” bằng dầu hiệu quả hơn. Người ta có thể sử dụng các hydrocacbon
lỏng để làm nguội, nhờ đó có thể tăng lượng etylen và axetylen được tạo thành
trong khoảng nhiệt độ 1500 … 800
0
C.Quá trình này được gọi là quá trình hai bước.
Cấu trúc lò đốt rất quan trọng, cần đảm bảo các yêu cầu công nghệ.Thời gian
lưu trong vùng phản ứng phải rất ngắn.Hỗn hợp phản ứng phải được phân bố đồng
đều.Tốc độ dòng khí phải cố định trong quá trình phản ứng để đạt hiệu suất phản
ứng cao, tránh hiện tượng cháy kích nổ và tạo cốc.
Công nghệ của BASF sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên đã được thực hiện
từ năm 1950. Cho đến năm 1983 tổng sản lượng axetylen trên toàn thế giới được
sản xuất theo công nghệ này vào khoảng 400.000 tấn/năm. Hầu hết đều sử dụng
phương pháp “tôi” bằng nước, chỉ có một nhà máy ở Đức sử dụng phương pháp
“tôi” bằng dầu.
Hỗn hợp oxy và hydrocacbon được trộn trước theo tỷ lệ xác định. Ban đầu là
quá trình cháy một phần nguyên liệu và ngay sau đó là quá trình oxy hóa không
hoàn toàn hydrocacbon. Trong phương pháp này độ chuyển hóa hydrocacbon
không phụ thuộc vào tốc độ khí đưa vào mà chỉ cần khống chế thời gian lưu trong
Trang 22
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
tầng phản ứng nhỏ hơn nhiều so với thời gian phân hủy trung bình của axetylen.Gia
nhiệt sơ bộ nguyên liệu phản ứng đến nhiệt độ cao nhất có thể đạt được trước khi
đưa vào lò phản ứng sẽ giảm được tiêu hao oxy và hydrocacbon nguyên liệu. Đồng
thời cũng tạo ra tốc độ lan truyền ngọn lửa cao hơn và lưu lượng dòng lớn hơn
trong lò phản ứng.
Hình 3.10. Lò phản ứng oxy hóa không hoàn toàn của BASF.
Tại đỉnh thiết bị, tác nhân phản ứng đã được gia nhiệt sơ bộ (đối với metan
khoảng 600
0
C) được trộn hỗn hợp thật nhanh với oxy tại buồng trộn.Khi hỗn hợp
phản ứng được đưa vào buồng phản ứng, sự bắt lửa xảy ra trong khoảng thời gian
vài mili giây tùy thuộc vào nguyên liệu hydrocacbon và quá trình gia nhiệt sơ
bộ.Các hydrocacbon cao hơn sẽ được gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ thấp hơn so với
metan.Để tránh sự thổi ngược lại của hỗn hợp khí giữa buồng trộn và tầng phản
Trang 23
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
ứng, người ta sử dụng thiết bị khuếch tán là một ống nối từ buồng trộn tới lò đốt.Vì
thành ống nhẵn và luôn luôn có dòng khí đều đặn đi qua các lổ nhỏ của lò đốt nên
thực tế không xảy ra sự chuyển động ngược lại của hỗn hợp khí.Lò đốt gồm những
tấm thép được làm nguội bằng nước và có rất nhiều khe nhỏ để dòng khí đi qua.
Tốc độ dòng khí luôn luôn lớn hơn tốc độ lan truyền ngọn lửa vì vậy ngọn lửa bên
dưới lò đốt không thể đốt ngược trở lại thiết bị khuếch tán. Phía dưới lò đốt có
đường ống bổ sung thêm oxy cho hỗn hợp phản ứng. Trong điều kiện không thuận
lợi ngọn lửa có thể xuất hiện phía trên lò đốt.Trong trường hợp này phải ngắt ngay
dòng oxy và thổi nitơ vào.Nitơ dập tắt sự cháy kích nổ trước khi gây ra sự cố cho
thiết bị.
Hỗn hợp khí có nhiệt độ cao ở trong vùng phản ứng trong khoảng thời gian
vài mili giây, sau đó sẽ đi qua vùng “tôi”, tại đó có phun nước hoặc dầu làm mát
tức thời đến 80
0
C (đối với nước) hoặc 200 … 250
0
C (đối với dầu). Tác nhân dùng
để “tôi” hỗn hợp sau phản ứng được dẫn vào từ hệ thống gồm ba ống vòng đặt ngay
phía dưới tầng phản ứng.
Hình 3.11 và 3.12 mô tả các sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen bằng phương
pháp nhiệt phân oxy hóa không hoàn toàn sử dụng quá trình “tôi” bằng nước và
“tôi” bằng dầu.
Hình 3.11. Sơ đồ công nghệ sản xuất axetylen với quá trình “tôi” bằng nước.
Trang 24
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
1. Thiết bị gia nhiệt. 4. Thiết bị lọc điện.
2. Thiết bị phản ứng. 5. Thiết bị thu hồi muội.
3. Tháp làm lạnh. 6. Thiết bị làm lạnh.
Trong công nghệ có “tôi” bằng nước, nguyên liệu khí oxy và metan được đưa
qua thiết bị gia nhiệt 1 đạt nhiệt độ cần thiết khoảng 600…700
0
C, sau đó được đưa
vào thiết bị phản ứng 2, tại đây xảy ra quá trình oxy hóa tạo axetylen. Hỗn hợp sau
phản ứng được làm lạnh nhanh bằng nước đến nhiệt độ 80…90
0
C, sau đó hỗn hợp
được đưa qua tháp làm lạnh 3 để tiếp tục làm lạnh, tách muội cacbon và bụi cơ học.
Thiết bị lọc điện 4 lắp sau đó cho phép tách triệt để hơn muội cacbon và bụi cơ
học. Khí sạch nhận được từ đỉnh cột làm lạnh có nhiệt độ 30
0
C được đưa qua máy
nén sang bộ phận tinh chế thu sản phẩm axetylen. Muội cacbon được thu hồi nhờ
bộ phận lắng gạn 5 và được đưa sang lò đốt. Thiết bị làm lạnh 6 có tác dụng làm
lạnh nước và bơm vận chuyển tuần hoàn lượng nước đưa vào “tôi” hỗn hợp sau
phản ứng.
Ưu điểm của công nghệ theo sơ đồ này là có thể thu được axetylen với hiệu
suất cao và được làm sạch triệt để muội cacbon. Tuy nhiên cần phải bơm một lượng
lớn nước để “tôi” sản phẩm phản ứng, không tận dụng được nhiệt của phản ứng.
Trong sơ đồ trên hình 3.12người ta đã khắc phục nhược điểm của sơ đồ trên
bằng cách tận dụng nhiệt của phản ứng để nhiệt phân cặn dầu. Tương tự như sơ đồ
trên, ban đầu khí nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ 600 …700
0
C trong thiết
bị gia nhiệt 1, sau đó được dẫn vào thiết bị phản ứng 2, hỗn hợp sau phản ứng được
“tôi” bằng cách phun cặn dầu đến nhiệt độ 200 …250
0
C, lượng dầu chưa cháy hết
được lắng ở đáy tháp và được bơm trở lại nhờ hệ thống bơm màng. Hỗn hợp khí
sau phản ứng cùng với các sản phẩm phân hủy của dầu là các hydrocacbon thơm
(benzene toluen xylen – BTX) được đưa qua trao đổi nhiệt làm sạch khỏi muội
cacbon tại tháp trao đổi nhiệt 3. Tháp trao đổi nhiệt có 3 phần, ở phần dưới cùng
hỗn hợp khí trao đổ nhiệt với dầu, ở phần giữa trao đổi nhiệt tiếp tục và có tách các
hợp chất vòng ngưng tụ, ở phần trên cùng trao đổi nhiệt với hydrocacbon thơm nhẹ
(BTX). Sản phẩm khí đi ra từ trên đỉnh tháp là hỗn hợp của axetylen, cacbonic,
BTX,…có nhiệt độ 80
0
C được đưa sang thiết bị làm lạnh cuối 7 để tách BTX. Khí
Trang 25

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×