ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm 1 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 1 Nội dung:  Tính chất của axetylen  Ứng dung của axetylen  Công nghệ sản xuất axetylen  Tính toán công nghệ  Tính toán thiết bị  Thiết kế xây dựng  Tính toán kinh tế Cán bộ hướng dẫn : Ngày giao nhiêm vụ thiết kế: 20/02/2004 Ngày hoàn thành nhiêm vụ: CHỦ NHIỆM KHOA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ( Ký và ghi rõ họ tên)(Ký và ghi rõ họ tên) KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ SINH VIÊN THỰC HIỆN Điển quá trình làm tốt nghiệp (Ký và ghi rõ họ tên) Điểm duyệt : Điểm bảo vệ: (ký tên) CHủ tịch hội đồng (Ký và ghi rõ họ tên) MỞ ĐẦU 2 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 2 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: là chất khí dễ cháy, nổ, có mùi ete, tan trong ete và cồn, tan ít trong nước, sôi ở nhiệt độ 45 0 C. Là monome quan trọng để sản xuất vinylclorua polyme. Và các copolyme của nó dùng trong tổng hợp hữu cơ và chất phụ gia.  Vinylaxetat : là chất lỏng không màu, không tan trong nước, dễ cháy, sôi ở 37 0 C, dùng như hoá chất không gian và trong sản xuất các polyme và coplyme như polyvinyl…  Vinylete : là chất lỏng không màu dễ bốc cháy, dễ nổ, tan trong kiềm, axeton, ete, ít tan trong nước, sôi ở 39 0 C và dùng làm chất gây mê.  Acrylonytryl :là chất lỏng không màu dùng trong sản xuất cao su, acrylic, sợi.  Axetandehyt : dùng để sản xuất axitaxetic. Ngoài ra từ axetylen người ta còn sản xuất ra các hợp chất hoá học quan trọng khac 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 axetylen được sản xuất rất nhiều trên thế giới và các nhà công nghệ luôn luôn nghiên cứu mong tìm ra các quá trình công nghệ khác nhau để sản xuất ra axetylen nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Axetylen được sản xuất từ hai nguồn nguyên liệu chính là : canxicacbua và hydrocacbon (dạng rắn, lỏng, khí). Hiện nay Mỹ và các nước châu Âu sản xuất axetylen từ hydrocacbon còn ở Italia, Nhật, Nam Phi, Ấn Độ axetylen được sản xuất từ canxicacbua. Sản xuất axetylen từ hydrocacbon là quá trình mới được phát triển khoảng 30 năm gần đây. Trong công nghệ này hydrocacbon bị nhiệt phân ở nhiệt độ cao ( từ 1100 ÷ 1500 0 C ) trong điều kiện đoạn nhiệt và thời gian phản ứng rất 3 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 3 ngắn( 0,005 ÷ 0,02 giây) sau đó sản phẩm được nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế các phản ứng phân hủy axetylen. Công nghệ sản xuất axetylen từ dầu khí chủ yếu là khí đồng hành và khí thiên nhiên đã được biết đến từ lâu, đây là nguồn nhiên liệu rất sẵn có đối với các quốc gia có tiềm năng về dầu khí trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, công nghệ này có tính kinh tế cao, không gây ô nhiễm môi trường, rất hợp với xu thế thời đại nơi mà con người đặt vấn đề môi trường lên hàng đầu. Và đề tài này là: "Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên” 4 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 4 PHẦN 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 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 đất liền và ngoài biển. Hiện nay người ta đã tìm ra 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 A, Mehyco, Uc, Tây Phi, Nhật Bản… Ở 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 nghành công nghệ hoá học nói riêng là rất lớn. Hàm lượng CH 4 trong khí tự nhiên là rất lớn, 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 quang tâm của các nhà khoa học đầu nghành, có uy tín trong nước cũng như trên thế giới. 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 (nguyên liệu ban đầu) mà có những công nghệ phù hợp mong đem lại hiệu quả trong qua trình chế biến các hoá 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 nghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ. Khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trong tương lai nghành công 5 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 5                   nghiệp dầu khí sẽ là một nghành công nghiệp phát triển mạnh đóng góp đáng kể vào sự phát trỉên nền kinh tế của đất nước ta. Bảng 1 Thành phần hoá 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 trong thành phần khí thì metan chiếm lượng rất lớn trong thành phần khí. Và metan là một trong những nguyên liệu quan trọng cho ngành tổng hợp hữu cơ. Điều này được thể hiện qua sơ đồ: 6 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 6 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ AXETYLEN 2.1 – TÍNH CHẤT VẬT LÝ : Axetylen là chất khí không màu, ở dạng tinh khiết có mùi ete yếu (ở nhiệt độ và áp suất thường). Khi cháy axetylen toả nhiệt lớn nên được dùng để hàn, cắt kim loại. Axetylen tan nhiều trong các dung môi khác nhau, tan nhiều trong nước khi ở nhiệt độ thấp. Axetylen có giới hạn nổ lớn 2 đến 81% có khi đến 100% (do quá trình polime hoá axetylen toả nhiệt lớn có thể gây nổ). Ngoài ra axetylen dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với clo nhất là khi có ánh sáng. Các nguyên tử cacbon trong axetylen liên kết với nhau ở dạng lai hoá sản phẩm của obitan nguyên tử cacbon. Độ dài liên kết giảm theo thứ tự từ etan, etylen, axetylen. Trong điều kiện thường axetylen là chất khí không màu, không độc nhưng có khả năng gây mê, axetylen tinh khiết có mùi hơi ngọt, axetylen ít tan trong nước nhẹ hơn không khí và được đặc trưng bỏi các hằng số vật lý sau:  Ngưng tụ ở - 83 0 C áp suất khí quyển.  Nhiệt độ tới hạn 35,5 0 C.  Áp suất tới hạn 6,04 Mpa.  Tỷ nhiệt Cp 20 là 0,402. Khi cháy axetylen toả ra một lượng nhiệt lớn, khả năng sinh nhiệt C 2 H 2 bằng 13,307 kcal/ m 2 . Dễ tạo hỗn hợp nổ với không khí trong một giới hạn rộng( 2÷ 81% thể tích axetylen). Tạo hỗn hợp nổ với oxy (2,8 ÷7,8% thể tích axetylen). Ngoài ra axetylen dễ dàng tạo thành hỗn hợp nổ với Clo, Flo nhất là khi có tác dụng của ánh sáng. Khi vận chuyển người ta thường pha thêm khí trơ, hydro, amoniac vào để giảm khả năng cháy nổ. Khi phân huỷ axetylen có thể xảy ra phản ứng nổ nhiệt độ lên tới 2800 0 C. C 2 H 2 → 2C + H 2 ∆H 298 = - 54,164 cal/mol. Phản ứng phân rã này xảy ra không có oxy nhưng có chất kích hoạt tương 7 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 7 ứng như: tia lửa, ma sát… Khi ở áp suất 2atm thì sự phân rã có đặc điểm cục bộ và không nguy hiểm. Khi ở áp suất cao hơn 2atm sự phân rã có đặc tính nổ với sóng kích nổ lan truyền với vận tốc lớn hơn 1000m/s. Ngoài ra sự dễ nổ của axetylen càng tăng nếu có mặt những kim loại có khả năng tạo thành axetylua: MCH 2 , M 2 C 2 … Vì vậy để tránh xảy ra quá trình nổ trong sản xuất hay trong tổng hợp hoá dầu khác người ta cố gắng làm việc ở áp suất <=2atm (giới hạn không nguy hiểm). Trường hợp phải làm việc trong điều kiện áp suất cao thì người ta làm loãng axetylen bằng nitơ. Khi nén axetylen người ta dùng máy nén khí đặc biệt, có vận tốc chuyển dich thấp, mức độ nén nhỏ và nhiệt độ khí sau mỗi bậc của máy nén không quá 100 0 C. Trong quá trình tính toán và thiết kế phải chú ý tới hệ số an toàn của độ bền, trang thiết bi bảo hiểm. Ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển axetylen tinh khiết không bị phân huỷ bởi nhiệt do va chạm và khi có chất xúc tác. Vì vậy axetylen không thể hoá lỏng để vận chuyển và bảo quản. Axetylen rắn ít bị phân huỷ hơn so với dạng lỏng nhưng nó là một vật liệu không ổn định và nguy hiểm. Tính chất quan trọng khác của axetylen là khả năng hoà tan của nó lớn hơn nhiều so với những hydrocacbon khác. Điều này ta áp dụng hiệu quả trong quá trình vận chuyển, phân tách, bảo quản và làm sạch. Bảng 2: độ hoà tan của axetylen trong một số dung môi hữu cơ ở 20 0 C và 1atm. 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 hoà tan của axetylen trong oxy lỏng. Hệ số tự 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 8 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 8 hỗn hợp khí với He, Ar, O 2 và không khí lần lượt là 0,538 ; 0,188 ; 0,191 cm 2 .s -1 . Axetylen bị hấp phụ 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 thuỷ tinh. Dung dịch keo của paradi có thể hấp phụ tới 460mg C 2 H 2 /1gPd. Sự thay đổi độ tan của axetylen trong oxy và nitơ lỏng theo nhiệt độ được mô tả bỡi phương trình: logx= 0,051.T- 9,49 (N 2 lỏng) logx =0,039.T – 8,73 (O 2 lỏng) 60k < T < 100T Trong đó x là phần mol của axetylen bị hoà tan . Trong quá trình vận chuyển người ta pha thêm khí trơ vào để giảm bớt khả năng gây nổ của axetylen. 2.2- TÍNH CHẤT HOÁ HỌC: Axetylen là hydrocacbon không no có liên kết ba trong phân tử do đó có khả năng hoạt động hoá học cao. Liên kết ba trong phân tử axetylen tạo thành do liên kết ó và hai liên kết Ï. Liên kết ó nối hai nguyên tử C bằng kgoảng cách ngắn nhất và được biểu diễn bằng đường thẳng. Để phá vỡ liên kết ó cần năng lượng 62,77 kcal/mol. Hai liên kết Ï nằm ở hai mặt phẳng vuông góc nhau, năng lượng phá vỡ chúng bằng 38,39 và 26,99 kcal/mol. Khi tham gia phản ứng hoá học liên kết ba bị phá vỡ để tạo thành liên kết đôi hoặc các hợp chất bão hoà . Do tính không no và năng lượng tạo thành lớn nên axetylen có khả năng phản ứng dễ dàng với rất nhiều 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 hoá và phản ứng đóng vòng. 9 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 9 Axetylen rất dễ tham gia phản ứng tấn công nucleofin hơn so với nhiều chất. Liên kết phân cực C-H làm axetylen có tính axit (pka=25) nên axetylen dễ hoà tan trong các dung môi bazơ. Vì thế áp suất hơi của các dung dịch này không tuân theo định luật Raoult vì tính axit này mà axetylen dễ hoà 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 hợp, trùng hợp, oxyhoá, axetylen còn tham gia phản ứng thế nguyên tử H bằng kim loại và các phản ứng polyme đóng vòng mạch thẳng… 2.2.1- Phản ứng cộng hợp  Cộng hợp với H 2 : tiến hành trên xúc tác Pd ở p =1atm và t 0 =250300 o C CH ≡CH + H 2 →CH 2 = CH 2 ∆H = - 41,7 kcal/mol  Cộng hợp với H 2 với xúc tác Ni, t 0 : CH ≡CH→ CH 3 - CH 3  Phản ứng cộng hợp với H 2 O khi có xúc tác Hg và H 2 SO 4 ở 70÷100 o C. CH ≡CH + H 2 O → CH 3 CHO ∆H= - 38,8kcal/mol.  Phản ứng cộng hợp với H 2 O khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360450 o C. 2CH ≡ CH + 3H 2 O→CH 3 - CO- CH 3 + CO 2 + 2H 2  Phản ứng cộng với rượu khi xúc tác KOH và t o =150 160 o C, P= 2÷4atm. CH≡ CH + ROH→ CH 2 = CHOR Cơ chế: ROH + KOH → ROK+ H 2 O ROK+ C 2 H 2 → RO- CH= CHK RO- CH= CHK + ROH → RO - CH = CH 2 + ROK ROK + H 2 O → ROH + KOH Với R là một nhóm ankyl.  Axetylen tác dụng với H 2 S ở 120 o C tạo thành một số hợp chất có lưu huỳnh. CH Î CH+ H 2 S →CH 2 S – SH C 2 H 5 SH 10 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 10 [...]... phải thiết lập điều kiện để tháo nhiệt Hình.1- Sơ đồ dây chuyền sản xuất axetylen đi từ cacbuacanxi bằng phương pháp ươt 19 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 19 1 Toa chứa; 2 Đường ray; 3 Bồn áp suất; 4,7 Sinh hàn; 5 Thiết bị lắng; 6 Thiết bị tổng hợp Axetylen; 8,9,10 Tháp tưới; 11 Thùng chứa khí "ướt"; 12 Thiết bị chắn ngọn lửa; 13 Thiết bị nén Axetylen tạo thành trong thiết. .. hơn các Khydrocacbon Hình 5: Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt khác 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 hydrocacbon nặng hơn 27 27 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên k Từ đồ thị hình 5 cho thấy axetylen bắt đầu tạo thành ở nhiệt độ cao hơn 10000 K (7300C) Như vậy... trong sản xuất thương mại, thiết bị sản xuất axetylen phải được thiết kế sao cho có thể tiêu tán nhiệt của phản ứng Nguyên liệu canxicacbua dùng để sản xuất axetylen được sử dụng ỏ dạng hạt có kích cỡ (tính bằng mm) 2÷4, 4÷7, 7÷15, 15÷25, 25÷50, 50÷80 Sự phân loại này được qui định thành tiêu chuẩn ở hầu hết các nước Có hai dạng thiết bị sản xuất axetylen từ CaC 2(với lưu lượng sản phẩm lớn hơn 10m3 axetylen/ h)... tạo thành và phân huỷ axetylen Ở nhiệt cao, axetylen được tạo thành sẽ tiếp tục bị phân huỷ và tham gia vào các phản ứng phụ khác như polyme hoá, tạo muội cacbon làm giảm hiệu suất axetylen 32 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 32 Đối với nguyên liệu là khí tự nhiên, cấu tử metan chiếm chủ yếu (trên 90%) Sự tạo thành axetylen khi nhiệt phân metan chỉ bắt đầu xảy ra khi nhiệt độ... trình tự nhiệt, trong đó năng lượng cần cho quá trình cracking được cung cấp nhờ đốt cháy một phần nguyên liệu Các công nghệ điển hình gồm có BASF (nguyên liệu đầu là naphtha), kỹ thuật ngọn lửa chìm (BASF đi 17 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 17 từ nguyên liệu đầu thô và SBA từ metan), Hoechst HTP (đốt cháy khí cracking để cấp nhiệt cho phản ứng) 3.1- CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXETYLEN. .. hỗn hợp cốc - khí được làm nguội 25 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 25 nhanh bởi nước hoặc khí Công nghệ hồ quang của hãng Hulss cũng có hệ thống làm lạnh sơ bộ tương tự Áp suất của hệ có thể biến đổi trong khoảng từ 0,2 đến 1,0 bar Ngoài axetylen, trong khí thoát ra còn có một lượng CO tuỳ thuộc vào lượng oxy ở trong than Do sự có mặt của N và S trong than nên các sản phẩm phụ... tiêu chuẩn - Khí plasma H2 (thay cho Ar) làm tăng hiệu suất axetylen 24 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 24 Khí vỏ Than đá Khí vỏ Nam Nam Nước làm mát Hình 3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị plasma nhiệt phân than của hãng AVCO Lò hồ quang của AVCO bao gồm cột catốt phủ vonfram làm lạnh bằng nước Lò hồ quang được định hướng bởi từ trường bao quanh anốt, nó làm anốt của lò quay quanh... độ hỗn hợp khí phản ứng bằng cách phun nước hoặc phun dầu, gọi là quá trình "tôi" bằng nước hoặc bằng dầu Người ta thấy rằng, với phản ứng phân huỷ axetylen, áp suất không ảnh hưởng mà yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng đó là nhiệt độ và thời gian 28 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 28 phản ứng, thời gian phản ứng càng dài sự phân huỷ axetylen càng tăng, hàm lượng axetylen thu... tính, axetylen trùng hợp tạo thành C6H6 3C2H2 → C6H6  Khi thổi axetylen qua dung dịch bão hoà Cu2Cl2 xảy ra phản ứng Dime hoá tạo ra vinyl axetylen 2HC Î CH → CH2= CH- C Î CH  Phản ứng này tiến hành ở 800C, mức độ chuyển hoá sau một quá trình khoảng 15% Hiệu suất 80% tính theo axetylen Vynyl axetylen là nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp clopren 14 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí. .. hơn 10000C nhận được axetylen với hiệu suất lớn do phân huỷ etylen và propan.Do vậy axetylen nhận được khi nhiệt phân propan là do quá trình phân huỷ các sản phẩm bậc nhất như etylen và propylen Thay đổi áp suất từ 1 đến 7 atm ít ảnh hưởng đến thành phần của sản phẩm cuối khi nhiệt phân parafin Chỉ khi áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, thành phần sản phẩm bắt đầu phụ thuộc vào áp suất riêng phần ban . TỐT NGHIỆP Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm 1 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 1 Nội dung:  Tính chất của axetylen . đề môi trường lên hàng đầu. Và đề tài này là: " ;Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên 4 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 4 PHẦN 1 : TỔNG QUAN LÝ. trình khoảng 15% . Hiệu suất 80% tính theo axetylen. Vynyl axetylen là nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp clopren. 14 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 14  Từ C 2 H 2 Reppe