Đề tài: Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm

Chia sẻ: Nguyen Quan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

149
lượt xem 40
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 450C...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 0
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 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 1
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 450C. 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 370C, 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 390C 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  15000C ) trong điều kiện đoạn nhiệt và thời gian phản ứng rất Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 2
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” Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 3
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 m3) 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 m3 khí tự nhiên. Thành phần khí tự nhiên ở đây chứa tới 96% CH 4, 2%C2H6,2% 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 CH4 trong khí tự nhiên là rất lớn, vì vậy việc nghiên cứu tìm ra phương pháp sử dụng nguồn CH4 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 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 4
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 2H 6 12,0 10,0 3,0 3,1 6,0 C 3H 8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C4H10 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C5H12 2,5 1,2 1,0 0,8 2,0 CO 2 0,7 3,0 2,0 3,0 4,0 N2 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: CH3Cl Clo hoá CH2Cl2 CHCl3 CCl4 Nitro hoá CH3NO2 +NH3 +CO2 HCN CH4 Chuyển hoá CO+2H2 Nhiệt phân CH  CH CH3OH Oxy hoá HCHO HCOOH Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 5
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 - 830C áp suất khí quyển. Nhiệt độ tới hạn 35,50C. Áp suất tới hạn 6,04 Mpa. Tỷ nhiệt Cp20 là 0,402. Khi cháy axetylen toả ra một lượng nhiệt lớn, khả năng sinh nhiệt C2H2 bằng 13,307 kcal/ m2. 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 28000C. C2H2→ 2C + H 2 ∆H298 = - 54,164 cal/mol. Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 6
Phản ứng phân rã này xảy ra không có oxy nhưng có chất kích hoạt tương 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: MCH2, M2C2 … 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
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 250C và 0,1Mpa là 0,133cm2.s-1. Ở 00C và 0,1Mpa hệ số phân tán tương hỗ của axetylen trong hỗn hợp khí với He, Ar, O 2 và không khí lần lượt là 0,538 ; 0,188 ; 0,191 cm2.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 C2H2/1gPd. 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 (N2lỏng) logx =0,039.T – 8,73 (O2lỏng) 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 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 8
quan trọng nhất là phản ứng cộng, thế nguyên tử H, polime hoá và phản ứng đóng vòng. 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 t0=250300oC CH CH + H 2CH2 = CH2∆H = - 41,7 kcal/mol Cộng hợp với H2 với xúc tác Ni, t0: CH CH CH3- CH3 Phản ứng cộng hợp với H 2O khi có xúc tác Hg và H2SO4 ở 70100oC. CH CH + H 2O  CH3CHO ∆H= - 38,8kcal/mol. Phản ứng cộng hợp với H2O khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360450oC. 2CH  CH + 3H2OCH3- CO- CH3 + CO 2 + 2H 2 Phản ứng cộng với rượu khi xúc tác KOH và to=150 160oC, P= 24atm. CH CH + ROH CH 2 = CHOR Cơ chế: ROH + KOH  ROK+ H2O ROK+ C2H2 RO- CH= CHK RO- CH= CHK + ROH  RO - CH = CH2+ ROK Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 9
ROK + H2O  ROH + KOH Với R là một nhóm ankyl. Axetylen tác dụng với H2S ở 120oC tạo thành một số hợp chất có lưu huỳnh. CH Î CH+ H2S CH 2S – SH C2H 5SH Vinylmecaptan etylmecaptan +C2H2 H2C CH2 C2H 5- S – CH = CH 2 S Etylvinylsunfit. Thioetylen +C2H5SH Polymetriokol C2H5 – S (CH2)2 – S – C2H5 Etylendietylsunfit Axetylen tác dụng với mecaptan xúc tác là KOH tạo ra được vinylthioeten. CH Î CH + RSH CH 2=CH- SR. Vinyl hoá C2H2 với xúc tác là hợp chất của Zn hoặc Cd→vinylamin. CH Î CH + HN R1 CH2= CH- N R R2 R’ Axetylen tác dụng với CO va H2O(cacbonyl hoá) xúc tác Ni(CO4) ta thu được axitacrylic. CH CH + CO + H2O  CH2= CH- COOH Trong điều kiện tương tự axetylen tác dụng với rượu va CO tạo thành eteacrylic (xúc tác la Ni(CO)4 , 30350C có HCl). CH Î CH + CO + ROH  CH2= CH – COOR. Tác dụng với R- CO – R’ ở 90 950C, t = 46atm xúc tác là CuC2.2H2O.2C2H2 ta thu được butyldion1,4 và có sản phẩm trung gian là rượu propangylic. Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 10
Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 11
R R R R-CO-R’ CH Î CH CH C- C- R’ R’- C- C – R’ OH OH OH Cộng hợp với muối halogen tạo hợp chất đồng thời có đồng phân cis và trans. H HgCl Cl HgCl C=C CH  CH + HgCl2 C=C Cl H H H Trans Cis Cộng hợp halogen: H H + Br2 CH Î CH + Br2 Br -C = C - Br CHBr2- CHBr2 Khi cộng hợp với Cl2 trong pha khí phản ứng xảy ra mãnh liệt, dễ dàng nổ do đó phải tiến hành trong pha lỏng có xúc tác antrimonitriclorua. SbCl3 + Cl2 SbCl5 CH Î CH + 2SbCl5 CHCl2 – CHCl2 + 2SbCl3 Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô cơ, hữu cơ tạo thành các vinyl có nhièu giá trị. Cộng với HCl, phản ứng có thể tiến hành trong pha hơi ở 150180oC có xúc tác HgCl2 / C hoặc tiến hành trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl2 ta thu được vinylclorua. CH Î CH + HCl → CH2= CHCl Cộng hợp với H2 SO4 tạo thành vinylsunfo: CH Î CH + H2SO 4→ CH2= CH- OSO3H Ơ nhiệt độ 80oC có CuCl2 và NH4Cl làm xúc tác, axetylen tác dụng với HCN tạo thành acrylonitryl. CH Î CH+ CH3COOH → CH2 =CHCOOCH3 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 12
CH Î CH+ HCN → H 2C = CH- CN Axetylen tác dụng với axit hữu cơ khi có xúc tác tạo ra các ete ở 180 200oC, phản ứng pha hơi và xúc tác muối axetat của Cl hoặc Zn trên than hoạt tính cho ta vinylaxetat. CH Î CH+ CH3COOH → CH2=CHCOOCH3 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. CH Î CH+ RCOOH → CH2 = CH- COOR Vinyl hoá axetylen với xúc tác KOH tạo thành vinylphenyl. OH O – CH = CH2 CH Î CH + Với xúc tác là muối kaliamit, axetylen tác dụng với axitamid. CH Î CH + RCO – NH 2→ RCO – NH – CH = CH 2 Hydroqinol được tạo thành dung môi phù hợp (dioxan) ở 170 và 700atm. OH 2CH Î CH + 3CO +H2 O → + CO2 OH Hydroquinon được tạo thành từ C2H 2 và khí tổng hợp ở 01000C và 50350atm với xúc tác là rutenicacbonyl. OH 2CH Î CH + 2CO + H2→ phản ứng của C2H 2 và CO với sự có OH của octacacbonyldicoban, mặt (CO)3Co(CO)2Co(CO)3 . Ở áp suất 200 1000atm và 1000C tạo ra sản phẩm là hỗn hợp cis, trans của bifurandion. O O O O CH  CH + 4CO Cis - O O O O Trans - 13 Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên
2.2.2- Phản ứng thế của axetylen Nguyên tử hydro của C2H 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. 2M + C2H2→ M2C2 + H 2  Na  Na HC  CH  HC Î CNa  NaC  CNa H  H  HC  CH + 2Cu  Cu- C  C - Cu + H2 Axetylen cả kim loại kiềm và kiềm thổ có thể tạo ra nhờ tác dụng với amit kim loại trong andehyt amoniac lỏng. C2H 2 + MNH2 MC2H + NH3 Axetylen tác dụng với thành phần của xi lan như HSiCl3 hực hiện trong pha lỏng với xúc tác là Pt, trong họp chất của Pt tạo thành Silicon hữu cơ. HC Î CH + HSiCl3 CH2= CH- SiCl3 2.2.3- Phản ứng trùng hợp của Axetylen. ở nhiệt độ 200 3000C có bột đồng xúc tác axetylen trùng hợp tạo thành Kypren. nHC Î CH → (CH)2n. Kypren được dùng làm chất cach điện ở nhiệt độ 6000C dưới tác dụng của than hoạt tính, axetylen trùng hợp tạo thành C6H 6 3C2H2 → C6H 6 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. Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 14
Từ C2H 2 Reppe đã tổng hợp ra 1,3,5,7 xyclooctatetran với hiệu suất 71%. Nhiệt độ phản ứng 65 100oC, áp suất 15 25atm được nâng lên từ từ,xúc tác là Ni(CN)2. 4CH Î CH + (các sản phẩm phụ) 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. Polyacrylic axit Các sản phẩm Axit acrylic Nhựa Este acrylic Polyacrylic Keo dán Vật liệu tán xạ Vinylclorua Polyvinylclorua Chất dẻo Vinyl ete Polyvinyl ete Nhựa Các vinyl Keo dán Vinyl ete Polyvinyl ete Vật liệu tán xạ Vinyl đặc biệt Polyme vinyl Sản phẩm phụ Vinyl axetat Thuốc trừ sâu Poly axetylen Sơn Dung môi hữu cơ Axetylen hydroxy Metyl butynol, izophytol Vitamin Rượu propangylic Chất ổn định Butindiol Thuốc diệt côn trùng Thức ăn gia súc Dược phẩm Các sản phẩm khác Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 15
Ngoài ra axetylen còn dùng để thắp sáng, hàn cắt kim loại trong đó mục đích thắp sáng và hàn cắt kim laọi chiếm 30% lượng axetylen sản xuất ra. Axetylen còn phục vụ trong một số ứng dụng quan trọng khác như: sản xuất làm nguyên liệu cho nghành công nghiệp hoá sinh,hoá polyme và sản xuất dược phẩm. 2.4. MỘT SỐ THÔNG TIN THAM KHẢO VỀ AXETYLEN. An toàn trong vận chuyển và tồn chứa: axetylen là một chất hoạt động ngay trong điều kiện thường. Axetylen cháy toả ra nhiệt lượng 226,9KJ/mol tại 298oK. Tại âm vùng cháy nhiệt độ có thể là 3100 oC nhưng thường cháy sinh ra cacboxit và các sản phẩm phụ như: metan, butylen nên nhiệt trung bình 28002900 oC. Trong điều kiện thường axetylen có thể cháy tạo nhiệt độ 335 oC trong không khí và trong oxy là 300 oC. Ngoài ra axetylen có giới hạn nổ rộng do đó trong quá trình vận chuyển và tồn chứa rất nguy hiểm. Khi vận chuyển đường ống càng ngắn càng tốt. Nếu dài quá thì axetylen sẽ tự nổ. Nếu vận chuyển bằng các thiết bị chứa thì phải tránh va chạm và mồi lửa. Khi tồn chứa axetylen được hoá lỏng ở 3050atm, ở nhiệt độ thường thì cách này cũng rất nguy hiểm. Hiện nay thường nén ở - 80oC và áp suất 1,3atm. Còn nếu tồn chứa thời gian dài người ta thêm vào khoảng 2% axeton hay xylen để làm giảm giới hạn nổ trên của axetylen. Tóm lại axetylen là chất dễ cháy nổ tồn chứa và vận chuyển rất khó khăn nên hết sức cẩn thận và đề phòng đối với hoá chất này các thiết bị phục vụ cho hoá chất này cũng phải có cấu tạo và khả năng phòng chống cháy nổ cao. Ngoài ra axetylen là một hoá chất rất nguy hiểm ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và môi trường sống. Axetylen nguyên chất là một chất ngạc thông dụng. Đối với con người hít vào khoảng 10% C 2H2có thể làm say nhẹ, Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 16
khoảng 20% thể tích thì gây ngộ độc, ở 30% thì gây ra sự không nhận biết được. CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT ACETYLENES Mặc dù có thể đi từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng chỉ có ba phương pháp chính để sản xuất axetylen đó là: thuỷ phân cacbua canxi, hồ quang điện và oxy hoá không hoàn toàn khí tự nhiên. Các quá trình cổ điển liên quan đến cracking nhiệt đã trở nên không còn phù hợp nữa. Những tiến bộ trong công nghệ gần đây đã giúp tạo ra các quá trình hồ quang plasma, cracking dẩu thô và thiết bị phàn ứng cracking tiên tiến. Tuy nhiên các tiến bộ này đa phần mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm do nhu cầu về axetylen không cao. Ở Tây Âu, trừ Đức sử dụng naphtha, nguyên liệu chính để sản xuất axetylen đó là khí tự nhiên. Trong khi đó ở Nhật, phương pháp phổ biến là đi từ cacbua canxi. Để sản xuất axetylen công nghiệp từ nguồn nguyên liệu hydrocacbon, có rất nhiều phương pháp cấp nhiệt khác nhau. Đây cũng chính là điểm khác biệt giữa các công nghệ. ■Các quá trình cấp nhiệt trực tiếp bằng hồ quang điện (công nghệ Huls, DuPont), hoặc bằng Plasma (công nghê DuPont, Huls, UCC, Cyanamid). ■Các quá trình cấp nhiệt gián tiếp sử dụng khối tiếp xúc (công nghệ Wulff), hoặc hơi ở 2000°c (công nghệ Kureha). ■ Các quá 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 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 TỪ THAN ĐÁ HAY CACBUACANXI. Với sự phát triển của ngành khai thác dầu mỏ hiện nay người ta quan tâm nhiều hơn đến hướng sản xuất axetylen từ hydrocacbon. Mặc dù vậy quá trình sản xuất axeylen từ than đá vẫn phát triển và đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp hoá học. Xuất phát từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền và phong phú là đá vôi và than đá, axetylen được tổng hợp qua các phản ứg sau: CaO + 3C → CaC2 + CO ∆H =108kcal/mol Sau đó CaC2 phản ứng với H2O tạo thành C2H 2 và Ca(OH)2 phản ứng toả nhiệt mạnh. CaC2 + H2O → C2H2 + CaO CaO + H2O → Ca(OH)2 ∆H= - 129kcal/mol Do đó 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 CaC2(với lưu lượng sản phẩm lớn hơn 10m3 axetylen/h) đó là thiết bị loại khô và thiết bị loại ướt. Trong thiết bị loại ướt axetylen chuyển hoá với lượng nước dư vào. Trong hầu hết các trường hợp đều thu được vôi ở dạng huyền phù. Trong thiết bị loại khô nước được trộn với canxicacbua theo đúng tỷ lượng trong phản ứng hoá học và đủ để lấy nhiệt của phản ứng. Canxihydroxit thu được ở dạng bột có độ ẩm 16%. Nhiệt của phản ứng được phân tán bằng cách bay hơi một phần nước trong thiết bị. Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 18
3.1.1- Phương pháp ướt. CaO + 3C → CaC 2 + CO Canxicacbua phản ứng với nước tạo thành axetylen và Ca(OH)2 phản ứng toả nhiều nhiệt . CaC2 +2H 2O → C2H2 + Ca(OH)2∆H= - 1339kcal/mol. Để phân huỷ 1kg CaC2cần khoảng 10kg H2O. Phương pháp này cho phép sản xuất an toàn vì lượng nước dư đó dễ thu nhiệt của phản ứng . Ta có các trường hợp sau: Trùng hợp “cacbua trong nước”cacbua được trộn lẫn với một lượng lớn nước dư với một tốc độ khí tương ứng với tốc độ khí thoát ra. Trùng hợp “nước trên cacbua” nước được đưa vào với một tốc độ khống chế vào trong thùng chứa cacbua. Trùng hợp hệ tiếp xúc mà trong đó nước và CaC2 nằm trong một mặt tiếp xúc cố định. Trong cả ba trường hợp tren thì trường hợp “cacbua trong nước” được sử dụng nhiều hơn cả do có ít nguy hiểm và dễ sử dụng nhất . Trường hợp này CaC2 lập tức được nhúng vào nước dư để loại trừ sự quá nhiệt và phải thiết lập điều kiện để tháo nhiệt. 1 2 H2O 12 C2H2 3 7 8 9 10 14 13 4 6 5 Vôi bùn H2SO4 NaOCl NaOH Hình.1- Sơ đồ dây chuyền sản xuất axetylen đi từ cacbuacanxi bằng phương pháp ươt. Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên 19