Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất VC

nhiên các phương pháp tận dụng clo này đều có mặt hạn chế như độ tinh khiết của axit clohydric thu được chưa cao và sự chuyển hóa của nó trong qúa trình sản xuất chung nằm trên mức yêu cầu. Vì vậy, vấn đề sử dụng hoàn toàn hơn clo như chuyển nó thành HCl hay khắc phục sự tạo thành HCl phụ đã trở nên quan trọng hơn tất cả đối với tính chất kinh tế của qúa trình sản xuất chất hữu cơ chứa clo. Vấn đề này sẽ được giải quyết nhờ qúa trình clo oxy hóa (hay gọi là oxyclo hóa): Phản ứng Dicon là phản ứng cơ sở của qúa trình này: 2HCl + 0,5 O2 H2O + Cl2 - ∆Ho298 = 43,5 KJ/mol Do tính tỏa nhiệt của phản ứng nên cân bằng của nó dịch chuyển sang phải khi ở nhiệt độ thấp, nhưng tất cả các chất xúc tác đã biết trên cơ sở CuCl2 đều chỉ cho phép làm việc ở 200 – 400oC. Trong các điều kiện này sẽ xảy ra các phản ứng clo hóa còn khi kết hợp cả hai qúa trình trong cùng một thiết bị (gọi là qúa trình) clo oxy hóa với sự tham gia của HCl và O2 sẽ là qúa trình không thuận nghịch. RH + HCl + 0,5 O2 RCl + H2O Ngoài phản ứng cơ sở còn xảy ra phản ứng là oxy hóa hydrocacbon bằng oxy, thuỷ ngân các dẫn xuất clo bằng hơi nước và dehydro clo hóa. Do nguyên nhân này, qúa trình có thể chỉ sử dụng đối với các tác chất ổn định hay đối với metan, etylen, benzen và ở mức độ nhỏ đối với etan. Đầu tiên, nó đã được sử dụng để điều chế phenol qua qúa trình clo oxy hóa benzen, nhưng qúa trình này của Rasig đã bị mất giá trị của nó. Chỉ trong thời gian gần đây, phương pháp mới được ứng dụng để tổng hợp các dẫn xuất clo mạch thẳng, thấp phân tử. Khi clo oxy hóa etylen ở 210 – 280oC sẽ xảy ra sự cộng hợp clo theo liên kết đôi chứ không xảy ra phản ứng thế. Đối với trường hợp này người ta đã xác định rằng sự clo hóa thực hiện không phải bởi clo mà trực tiếp bởi CuCl2, CuCl2 được tái sinh dưới tác dụng của HCl và O2. CH2 = CH2 + 2HCl + 0,5O2 ClCH2 – CH2Cl + H2O CH2 = CH2 + 2CuCl2 ClCH2 – CH2Cl + Cu2Cl2 Cu2Cl2 + 2HCl + 0,5O2 2CuCl2 + H2O Như vậy, oxy sẽ oxy hóa Cu2Cl2 thành oxy clorua Cu (II) và nhờ HCl chuyển thành CuCl2. Các chất xúc tác của qúa trình oxy clo hóa được chế tạo bởi chất mang (đá bọt, silicat Axetylen,...), bởi muối đã sấy khô. Cấu tử cơ sở của chúng là clorua Cu (II). Để giảm độ nóng chảy của nó, người ta bổ sung KCl vào, KCl sẽ tạo phức với CuCl2. Người ta cũng đưa ra các loại xúc tác khác là hợp chất của các nguyên tố đất hiếm. Đặc điểm nổi bật quan trọng của qúa trình là tính tỏa nhiệt của nó rất cao nên trong thiết bị phản ứng cần phải bố trí bộ phận trao đổi nhiệt. Thông thường người ta sử dụng các thiết bị phản ứng với xúc tác giả lỏng, tác chất lạnh được đưa vào trong nó còn nhiệt lượng toả ra sẽ giảm nhờ bộ phận trao đổi nhiệt bên trong làm bay hơi nước ngưng tụ để tái sinh hơi có áp suất tương ứng. Người ta có thể sử dụng các thiết bị phản ứng với lớp xúc tác cố định, chúng được chế tạo dưới dạng thiết bị vỏ ống như đã trình bày để hydroclo hóa axetylen. Không khí thường được sử dụng làm chất oxy hóa, trong đó để giảm thể tích thiết bị, vận chuyển chất dễ cũng như tách loại các sản phẩm được tốt hơn người ta vận hành thiết bị ở áp suất 0,3 – 1 Mpa cũng vì mục đích này thỉnh thoảng người ta sử dụng oxy kỹ thuật làm chất oxy hóa, nó cho phép tiến hành hoàn lưu các chất chưa chuyển hóa. Oxy thường dùng với lượng dư nhỏ (gần bằng 5%) so với lượng lý thuyết cần để oxy hóa HCl. Tỷ lệ mol của HCl và tác chất hữu cơ phụ thuộc vào số lượng các nguyên tử clo đưa vào trong phân tử. Độ chuyển hóa của HCl và oxy đạt 80 – 90% trong đó 2 – 5% hydrocachon ban đầu bị cháy thành CO2. * Công nghệ sản xuất Vinyclorua từ Etylen : Phương pháp cân bằng theo clo để sản xuất clorua vinyl từ etylen là phương pháp quan trọng trong các qúa trình clo oxy hóa. Nó là sự kết hợp của 3 qúa trình: Cộng hợp trực tiếp clo và etylen tạo thành 1,2 – dicloetan; dehydroclo hóa nhiệt 1,2 – dicloetan thành cloruavinyl và qúa trình clo oxy hóa etylen thành 1,2 – dicloetan với sự tham gia của HCl tạo ra khi dehydro clo hóa. + Qúa trình dựa trên các phản ứng sau: C2H4 + Cl2 CH2Cl – CH2Cl ∆H = -220 kJ/mol (1) 2CH2Cl – CH2Cl 2CH2 = CHCl + 2HCl (2) C2H4 + 2HCl + 1/2 O2 CH2Cl – CH2Cl + H2O (3) Phản ứng tổng cộng: 2C2H4 + Cl2 + 1/2 O2 2CH2 = CHCl + H2O Theo kết qủa từ etylen, clo và oxy sẽ nhận được cloruavinyl trong đó clo được sử dụng hoàn toàn và không tạo thành HCl. Phương pháp này không cần sử dụng axetylen đắt tiền và hiện nay nó là phương pháp kinh tế nhất để tổng hợp cloruavinyl: giá thành monome nhận được giảm từ 25 – 30% so với phương pháp hydroclo hóa axetylen. -Dây chuyền công nghệ sản xuât VC từ etylen : . Phản ứng cộng hợp clo trực tiếp etylen thành 1,2 – dicloetan thực hiện trong tháp clo hóa 1, ở đây clo và etylen được cho vào qua các cơ cấu sục khí tương ứng. Mực chất lỏng trong tháp luôn thay đổi, xúc tác (FeCl3) hoà tan trong chất lỏng này. Nhiệt phản ứng dùng làm bay hơi 1,2 – dicloetan, hơi của nó thoát lên phía trên và ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh ngưng tụ 2. Phần ngưng chảy xuống bồn chứa 3, từ đây một phần của nó cho hoàn lưu trở về tháp (để giữ chế độ nhiệt bình thường cho phản ứng và mực chất lỏng không thay đổi), còn phần còn lại thì đem đi chưng phân đoạn. Trong bồn chứa 3 từ phần ngưng sẽ tách được các khí còn lại, các khí này có thể được làm lạnh bổ sung bằng dung dịch muối trong thiết bị làm lạnh 2 để hạn chế sự mất mát 1,2 – dicloetan, khí thoát ra từ thiết bị làm lạnh này được đem đi làm sạch và sau đó thải vào khí quyển. Giai đoạn oxy clo tiến hành trong thiết bị phản ứng 5 với lớp xúc tác giả lỏng dưới áp suất 0,5 Mpa ở 260 – 280oC. Etylen, khí hoàn lưu và cloruahydro được trộn sơ bộ trong ống sau đó là trong thiết bị trộn 4, oxy kỹ thuật sẽ bổ sung vào thiết bị này. Phương pháp khuấy trộn và thành phần hỗn hợp phải được bảo đảm tránh điều kiện gây nổ cho qúa trình làm việc. Trong thiết bị phản ứng 5 nhiệt toả ra được dùng làm bay hơi nước ngưng dưới áp suất, theo kết quả sẽ thu nhận hơi công nghệ, hơi này được sử dụng trong hệ thống thiết bị này. Các khí phản ứng bao gồm etylen chưa chuyển hóa, oxy và clo hydro cũng như hơi 1,2 – dicloetan và hợp chất khí trơ sẽ được làm lạnh trong thiết bị làm lạnh 6 bằng hỗn hợp nước và 1,2 dicloetan hoàn lưu từ thiết bị làm lạnh 7. Một phần hỗn hợp hơi, khí đã làm lạnh được tinh chế ra khỏi HCl và CO2 trong thiết bị lọc khí đốt cháy bằng kiềm 9 và sẽ được làm lạnh lần cuối trong thiết bị 10. Phần ngưng được tách ra khỏi khí trong thiết bị phân ly 11, sau đó hoàn lưu khí tuần hoàn (hỗn hợp etylen, ôxy và các chất trơ) về quá trình oxy clo hoá nhờ máy nén 13. Một phần khí này chuyển sang thiết bị tách loại khí khác để hạn chế sự tích tụ nhiều các tạp chất trơ và sau khi thu hồi các chất hữu cơ chứa clo dễ bay hơi từ nó và làm sạch thì thải chúng ra ngoài khí quyển. Phần ngưng từ thiết bị phân ly 11 chuyển sang thiết bị phân ly 12, ở đây sẽ tách được nặng hơn là 1,2- dicloêtan ra khỏi nước. Nó được sử dụng để pha loãng chất kiềm dùng làm sạch khí trong thiết bị lọc khí 9, điều này cho phép hạn chế sự thất thoát trong quá trình hoà tan 1,2- dicloetan. 1,2- đicloêtan thu nhận khi oxy clo hoá được bão hoà bằng nước nên nó cần phải sử lý tiếp theo trong tháp sấy 14 với sự hỗ trợ của nồi đun 15, thiết bị làm lạnh ngưng tụ 2 và thiết bị phân ly 12. Sau khi cả hai dòng 1,2- dicloêtan này từ các giai đoạn clo hoá trực tiếp và oxy clo hoá không bị chuyển hoá khi nhiệt phân sẽ được phối trộn với nhau. Trong tháp chưng phân đoạn 16 sẽ chưng tách được 1,2- dicloetan ra khỏi các clorua bậc cao và nó sẽ được thu hồi trong thiết bị định lượng 17 với độ tinh khiết cao. Quá trình nhiệt phân 1,2- dicloetan thành cloruavinyl và HCl tiến hành trong buồng đốt ống 19 ở 1,5 ữ 2 MPa và 500 0C. Các khí phản ứng được làm lạnh trong thiết bị lạnh 20 bởi 1,2- dicloetan tuần hoàn và sau đó là trong thiết bị làm lạnh ngưng tụ 2 bởi nước. Kế tiếp hỗn hợp sẽ tham gia vào tháp chưng phân đoạn 2 với sự hỗ trợ của nồi đun, thiết bị lạnh ngưng tụ và thiết bị phân ly 11. áp suất trong tháp cho phép ngưng tụ HCl dưới dạng nhớt và tiến hành tinh chế có hiệu quả các sản phẩm ra khỏi HCl ở dạng tinh khiết. Khí HCl này được chuyển sang quá trình oxy Clo hoá. Chất lỏng ở đáy tháp 21 gồm aaaaaaaâaaaaaaaa cloruavinyl và 1,2- dicloetan chưa chuyển hoá được đưa qua tháp 22 làm việc dưới áp suất để bảo đảm ngưng tụ cloruavinyl và chưng tách nó ra khỏi dicloetan chưa chuyển hoá, dicloetan này được hoàn lưu trở về quá trình chưng phân đoạn. + Ưu điểm của qúa trình: tiêu tốn ít năng lượng (do tận dụng được nhiệt của các phản ứng toả nhiệt), sử dụng được HCl tạo thành và không dùng C2H2 do vậy chi phí rẻ hơn. + Sơ đồ qúa trình: Clo hóa Oxy clo hóa Cracking Tách VC EDC VC Oxy Etylen Clo EDC HCl Cloruavinyl nhận được chứa 99,9 % chất chủ yếu và đây là một điều thuận lợi cho quá trình polime hoá tiếp theo. -Sơ đồ công nghệ của qúa trình biểu diễn hình 5 dưới đây: * Các quá trình kết hợp oxy clo hoá và phân huỷ các dẫn xuất clo : Trong quá trình tổng hợp cloruavinyl vừa xem phản ứng oxy clo hoá và phân huỷ HCl được tiến hành các thiết bị phản ứng khác nhau. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ đến 400ữ 4500C sẽ xuất hiện khả năng xảy ra đồng thời hai quá trình và lượng nhiệt dư của qúa trình oxyclo hoá sẽ bù trừ lượng nhiệt cần dùng cho phản ứng phân huỷ. Phương pháp dựa trên cơ sở này là một trong các phương pháp có hiều quả nhất hiện nay để điều chế tri- và tetra- cloetylen từ 1,2- đicloêtan hay các dẫn xuất clo C2 khác: 2CH2Cl – CH2Cl + Cl2 + 1,5O2 2CHCl = CCl2 + 3H2O 2CH2Cl – CH2Cl + 2Cl2 + 2O2 2CCl2 = CCl2 + 4H2O So với phương pháp kết quả kết hợp giữa phản ứng Clo hoá và dehydro clo hoá 1,2- đicloêtan, phương pháp này thuận lợi hơn do chi phí clo thấp nhất và loại được sự tạo thành HCl phụ, rõ ràng trong qúa trình này tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa Clo và 1,2- dicloetan sẽ nhận được hỗn hợp các Cloetylen, trong đó các chất với số nguyên tử Clo chưa đạt sẽ hoàn lưu trở về phản ứng. Qúa trình có thể thực hiện để điều chế đồng thời tri- và tetra- clo etylen khi sử dụng không chỉ 1,2- dicloetan mà cả các phế phẩm khác của chuỗi dẫn xuất clo C2 làm nguyên liệu. Qúa trình tiến hành trong thiết bị phản ứng với lớp xúc tác giả lỏng tương tự như sơ đồ điều chế clorua vinyl trong đó nhiệt dư sẽ được giảm nhờ làm giảm sôi nước ngưng và tái sinh hơi có áp suất cao. Trong công nghiệp có nhiều hệ thống với công suất lớn để điều chế đồng thời tri- và tetra- cloetylen bằng phương pháp đã nêu. Khi sử dụng tetra- cloetan cần giảm nhiều lượng yêu cầu của clo. CHCl2 – CHCl2 + 0,5O2 CCl2 = CCl2 + H2O Với mục đích làm giảm các dẫn xuất clo C2, người ta sử dụng etan hay hỗn hợp của nó với etylen làm nguyên liệu, vì vậy người ta quan tâm đến qúa trình “Transkat”, trong đó phản ứng xảy ra trong sự nóng chảy hoàn toàn của chất xúc tác cho qúa trình oxy clo hóa cùng với sự phân chia các giai đoạn clo hóa và oxy hóa. Phương pháp này không được phổ biến do hệ thống hoàn lưu hỗn hợp nóng chảy cồng kềnh. Các phương pháp khác đều dựa trên cơ sở của sự tổ hợp hay tiến hành đồng thời qúa trình clo oxy hóa trực tiếp với qúa trình phân huỷ HCl cũng như các phản ứng khác. Ví dụ một trong số các phương pháp nổi bật trong công nghiệp (hình trên) là trong thiết bị phản ứng 1 tiến hành đồng thời phản ứng clo hoá trực tiếp etan (hay hỗn hợp của nó với etylen) và phản ứng tách loại HCl từ các dẫn xuất clo trong cơ cấu 2 từ các sản phẩm của giai đoạn đầu tiên sẽ tách được các clo olefin chính (cloruavinyl, vinyllidenclorua) còn các chất còn dư như etylen, etan chưa chuyển hóa và HCl được chuyển sang thiết bị phản ứng 3 để tiến hành qúa trình oxy clo hóa. ở đây sẽ điều chế được các cloetan và tách chúng ra khỏi không khí hoàn lưu trở về thiết bị phản ứng 1. Qúa trình có thể tổ hợp với phản ứng hydroclo hóa vinyl liden clorua để sản xuất metylclorofoc cũng như oxy clo hóa tất cả các chất hữu cơ chứa clo không phải là sản phẩm chính để tạo thành tri- và tetra-cloetylen. Như vậy sự xuất hiện các qúa trình công nghệ tiến hành đồng thời và tổ hợp với qúa trình phân huỷ các dẫn xuất clo và với qúa trình oxy clo hoá sẽ gây ra sự ảnh hưởng lớn tới công nghệ tổng hợp nhiều nhất các sản phẩm hữu cơ chứa clo cũng như đến hiệu quả kinh tế của các qúa trình sản xuất này và đến tính chất bảo toàn môi trường xung quanh. Các qúa trình này cùng lúc được sử dụng rộng rãi và nó cho phép loại từ từ các qúa trình sản xuất kém hiệu quả. phần II : tính toán Các số liệu ban đầu: Thiết kế phân xưởng sản xuất VC đi từ C2H2 và HCl trên xúc tác HgCl2/C* có năng suất 90.000 tấn/năm. C2H2 kỹ thuật có nồng độ thể tích 99%. H2O: 0,03%; O2: 0,01%; N2: 0,96%. HCl nồng độ 97,3%. H2: 0,15%; N2: 2,40%; H2O: 0,05%. áp dụng công thức sau để chuyển đổi từ nồng độ % thể tích sang nồng độ % khối lượng: trong đó: Xi là phần mol của cấu tử i (kmol/kmol) Mi là khối lượng phân tử của cấu tử i (kg/kmol) Coi các chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn, phần mol của các chất khí sẽ tỷ lệ với phần thể tích của các khí đó. Ta có thành phần của C2H2 kỹ thuật: ; ; ; ; Thành phần của HCl kỹ thuật: ; ; ; ; Thay vào công thức trên ta có phần khối lượng của các cấu tử vào theo C2H2 là: Phần khối lượng các cấu tử vào theo HCl: Từ các số liệu này ta thu được bảng sau. Bảng 12: thành phần phần trăm theo khối lượng của nguyên liệu C2H2 kỹ thuật (%) HCl kỹ thuật (%) C2H2 98,94 HCl 98,111 H2O 0,02 H2 0,008 O2 0,01 N2 1,856 N2 1,03 H2O 0,025 100 100 Với dây chuyền sản xuất liên tục 24/24h, trong một năm thời gian sản xuất phải ngừng vì lý do kỹ thuật là: – Với xúc tác HgCl2, thời gian làm việc đạt từ 12 tháng. Để đảm bảo xúc tác luôn có hoạt tính tốt thì ta bố trí thêm một thiết bị phản ứng, như vậy lúc nào cũng có một thiết bị nghỉ để thay đổi xúc tác và hệ thống làm việc được liên tục không phải dừng vì lý do thay đổi xúc tác. Số ngày nghỉ làm việc để sửa chữa lớn, bảo dưỡng: 20 ngày. Số ngày nghỉ làm việc để sửa chữa nhỏ: 10 ngày. Vậy thời gian làm việc của dây chuyền trong một năm là: 365 – 20 – 10 = 335 ngày. Một ngày làm việc 24 giờ chia làm 3 ca nên số giờ làm việc trong một năm là: 335 x 24 = 8040 giờ/năm. Năng suất của dây chuyền trong một giờ sản xuất sẽ là: (tấn/h)(kg/h) Đây chính là lượng VC đi ra khỏi tháp chưng tách. Chọn hiệu suất của tháp chưng luyện là 98% thì lượng VC vào tháp chưng luyện sẽ là: Giả sử lượng VC bị mất mát qua các qúa trình rửa, lắng tách, hấp thụ là 2% thì lượng VC ra khỏi thiết bị phản ứng là: Trong qúa trình sản xuất có nhiều phản ứng phụ xảy ra nhưng tiêu biểu nhất là hai phản ứng tạo 1,1 – dicloetan (EDC) và axetaldehyt, các phản ứng khác xảy ra với hiệu suất thấp, hàm lượng nhỏ nên ta có thể bỏ qua: C2H2 + HCl CH2 = CHCl (1) C2H2 + 2HCl C2H4Cl2 (2) C2H2 + H2O CH3CHO (3) Giả sử chỉ xảy ra các phản ứng trên: Chọn mức độ chuyển hoá VC là 97% mức độ chuyển hoá EDC là 0,2% i. cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng : 1. Xác định lượng nguyên liệu C2H2: Theo phản ứng (1): C2H2 + HCl CH2=CHCl 26 36,5 62,5 thì lượng C2H2 cần thiết để chuyển hoá thành VC trong một giờ là: Do mức độ chuyển hoá chỉ đạt 97% nên lượng C2H2 cần phải dùng là: Lượng C2H2 chưa chuyển hoá thành VC là: Trong đó có một phần C2H2 tạo thành EDC do phản ứng phụ (2) là: Lượng C2H2 còn dư sau khi phản ứng với HCl là: C2H2 có nồng độ thể tích là 98,94% nên lượng C2H2 kỹ thuật ban đầu phải đưa vào là: Lượng C2H2 kỹ thuật ban đầu này khi đưa vào thiết bị có chứa 0,02% H2O; 0,01% O2; 1,03% N2 nên: – Lượng H2O có lẫn trong C2H2 kỹ thuật ban đầu là: – Lượng O2 có lẫn trong C2H2 ban đầu là: – Lượng N2 có lẫn trong C2H2 ban đầu là: Xác định lượng nguyên liệu HCl: Theo phương trình phản ứng (1) ta có lượng HCl cần thiết để tạo ra 9713,037 (kg/h) VC là: Để hiệu suất chuyển hoá tạo VC cao và hạn chế sản phẩm phụ thì lượng HCl cho vào thoả mãn điều kiện: tỷ số C2H2/HCl = 1/1,1 Vậy lượng HCl cần thiết phải đưa vào là: Lượng HCl đã tham gia phản ứng tạo dicloetan: C2H2 + 2HCl C2H4Cl2 (2) 26 73 99 Vậy lượng HCl còn dư chưa tham gia phản ứng: Lượng C2H4Cl2 được tạo thành là: Theo giả thiết, lượng HCl kỹ thuật đưa vào không phải là tinh khiết, HCl có nồng độ 98,111% nên lượng HCl kỹ thuật đưa vào thiết bị phản ứng là: Trong lượng HCl kỹ thuật này có 0,008% H2; 1,856% N2; 0,025% H2O nên ta có: – Lượng H2 đưa vào cùng HCl là: – Lượng N2 đưa vào cùng HCl là: Tổng lượng N2 được đưa vào thiết bị phản ứng là lượng N2 được đưa vào cùng với HCl và C2H2: – Lượng H2O đưa vào cùng HCl là: Lượng nước này chính là lượng nước tham gia phản ứng phụ (3) tạo CH3CHO, còn lượng nước đưa vào cùng C2H2 đã được đưa qua thiết bị sấy còn một lượng không đáng kể nên có thể bỏ qua. C2H2 + H2O CH3CHO (3) 26 18 44 Lượng CH3CHO tạo thành là: Lượng C2H2 tham gia phản ứng (3) là: Vậy lượng C2H2 còn dư sau thiết bị phản ứng là: Từ các số liệu tính toán ở trên ta thiết lập được bảng cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng với: Gvào = G’ra GC2H2 + GHCl + GH2 + GN2 + GH2O + GO2 = G’VC + G’C2H2 + G’HCl + G’H2 + G’N2 + G’O2 + G’C2H4Cl2 + G’CH3CHO Bảng 13 : Cân bằng vật chất tại thiết bị phản ứng Lượng chất vào Lượng chất ra Cấu tử Kg/h Cấu tử Kg/h C2H2 4998,673 C2H2 (dư) 137,207 HCl 7487,532 HCl (dư) 652,616 H2 0,611 H2 0,611 N2 193,682 N2 193,682 O2 0,505 O2 0,505 H2O 1,908 VC 11655,560 C2H4Cl2 38,066 CH3CHO 4,664 Tổng 12682,911 Tổng 12682,911 ii. tính cân bằng vật chất tại hệ thống chưng : Hiệu suất của tháp chưng tách đạt 98% thì lượng VC vào tháp chưng tách là 11422,449 (kg/h). Giả sử lượng C2H4Cl2, CH3CHO bị mất mát từ thiết bị phản ứng qua các hệ thống làm sạch, lắng tách, hấp thụ là 2%; HCl, C2H2 là 96%; (H2 + O2 + N2) là 99% ta có lượng chất vào thiết bị chưng tách là: – Lượng C2H4Cl2 vào thiết bị chưng tách: – Lượng CH3CHO vào thiết bị chưng tách: – Lượng HCl vào thiết bị chưng tách: – Lượng C2H2 vào thiết bị chưng tách: – Lượng (H2+O2+N2) vào thiết bị chưng tách: Lượng chất ra khỏi thiết bị chưng: Lượng VC = 11194,0 (kg/h) Lượng VC mất mát: Với giả thiết hiệu suất tháp chưng đạt 98% thì các sản phẩm phụ sẽ theo cặn ra ngoài là: Lượng C2H4Cl2 : Lượng C2H4Cl2 mất mát: Lượng CH3CHO: Lượng CH3CHO mất mát: Lượng HCl, C2H2, (H2+O2+N2) theo sản phẩm ra ngoài: – Lượng HCl: Lượng HCl mất mát: – Lượng C2H2: Lượng C2H2 mất mát: – Lượng (H2+O2+N2): Lượng (H2+O2+N2) mất mất: Từ các số liệu trên ta thiết lập được bảng cân bằng sau. Bảng 14 : Cân bằng vật chất tại thiết bị chưng tách Lượng chất vào Lượng chất ra Lượng mất mát Cấu tử Kg/h Cấu tử Kg/h Cấu tử Kg/h VC 11422,449 VC 11194,0 VC 228,449 C2H4Cl2 37,305 C2H4Cl2 36,559 C2H4Cl2 0,746 CH3CHO 4,571 CH3CHO 4,480 CH3CHO 0,091 HCl 26,105 HCl 25,583 HCl 0,522 C2H2 5,488 C2H2 5,378 C2H2 0,11 (H2+O2+N2) 1,948 (H2+O2+N2) 1,909 (H2+O2+N2) 0,039 Tổng 11497,866 Tổng 11267,909 Tổng 229,957 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 iii. cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng : Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng được mô tả trên hình sau: Trong đó: Q1 là nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào, (kcal/h). Q2 là nhiệt lượng do nước mang vào, (kcal/h). Q3 là nhiệt lượng do phản ứng toả ra, (kcal/h). Q4 là nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, (kcal/h). Q5 là nhiệt lượng do nước mang ra, (kcal/h). Q6 là nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh, (kcal/h). Hỗn hợp nguyên liệu được gia nhiệt qua thiết bị trao đổi nhiệt, được đưa tới nhiệt độ 160oC trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Chọn nhiệt độ vào thiết bị phản ứng là 160oC, nhiệt độ ra khỏi thiết bị phản ứng là 200oC. Do các phản ứng xảy ra là các phản ứng toả nhiệt nên cần phải khống chế nhiệt độ để phản ứng chính đạt hiệu suất cao nhất. ở đây ta chọn tác nhân khống chế nhiệt độ phản ứng là nước. Nước làm lạnh ở bên ngoài ống, bên trong chứa các lớp xúc tác và phản ứng xảy ra ở đó. Nước vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 25oC Nước ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 50oC Tính nhiệt dung riêng của các cấu tử: ở nhiệt độ 160oC, áp suất 0,1 MPa tra sổ tay ta được nhiệt dung riêng của các chất: (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) được tính theo công thức sau: trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối, T = 273 + 160 = 433K a, b, c là hệ số của phương trình được cho trong bảng 15 sau : Tên chất a.101 b.104 c.10-4 HCl 18,05 2,687 – Từ đó tính được: (kcal/kg.độ) Tại nhiệt độ 200oC, áp suất 0,1 Mpa tra sổ tay ta được nhiệt dung riêng của các chất: (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) (kcal/kg.độ) được tính theo công thức sau: trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối, T = 273 + 200 = 473K a, b, c là hệ số của phương trình được cho trong bảng 16 sau: Tên chất a.101 b.104 c.10-4 HCl 18,05 2,687 – Từ đó tính được: (kcal/kg.độ) Nhiệt dung riêng của VC, EDC, etaldehyt có thể xác định theo nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học như sau: trong đó: là khối lượng mol của hợp chất, kg/kmol là nhiệt dung riêng của hợp chất hoá học, j/kg.độ là số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất là nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố tương ứng, J/kg nguyên tử.độ (cho trong bảng sau) Bảng 17 : Nhiệt dung riêng nguyên tử của các nguyên tố Nguyên tố C C H O Cl 11700 18000 25100 33500 Từ các số liệu này ta tính được nhiệt dung riêng của các chất đó: (kcal/kg.độ); (kcal/kg.độ); (kcal/kg.độ); Tính nhiệt lượng mang vào của thiết bị phản ứng: Nhiệt lượng mang vào của thiết bị phản ứng bao gồm nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào, lượng nhiệt do nước mang vào, nhiệt lượng do phản ứng toả ra được tính như sau: 2.1 Tính nhiệt lượng nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng Q1: Hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng gồm có: C2H2 tinh khiết, HCl tinh khiết, H2O, O2, N2, H2. Do đó nhiệt lượng nguyên liệu mang vào chính là nhiệt lượng của các cấu tử trên. Với nhiệt lượng của từng cấu tử được tính theo công thức: trong đó: là khối lượng của cấu tử i, là nhiệt dung riêng của cấu tử i, kcal/kg.độ là nhiệt độ của cấu tử i, oC áp dụng công thức trên cho từng cấu tử ta có: Thay vào Q1 ta được: 2.2 Tính nhiệt lượng do nước mang vào thiết bị phản ứng Q2: Nước vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 25oC, tra sổ tay ta được nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ này là: (kcal/kg.độ). Gọi khối lượng của nước cần thiết mang vào thiết bị phản ứng để duy trì nhiệt độ phản ứng là thì nhiệt lượng do nước mang vào là: 2.3 Tính nhiệt lượng do phản ứng toả ra Q3: Nhiệt do phản ứng toả ra chủ yếu từ các phản ứng: C2H2 + HCl C2H3Cl Q = 26900 (kcal/kmol) (4) C2H2 + 2HCl C2H4Cl2 Q = 39900 (kcal/kmol) (5) C2H2 + H2O CH3CHO Q = 36130 (kcal/kmol) (6) Với lượng VC tạo thành trong 1 giờ là 9713,037(kg) thì nhiệt lượng toả ra do phản ứng (4) là: Với lượng EDC tạo thành trong 1 giờ là 38,066(kg) thì nhiệt lượng toả ra do phản ứng (5) là: Với lượng Aldehyt tạo thành trong 1 giờ là 4,664(kg) thì nhiệt lượng toả ra do phản ứng (6) là: Vậy tổng nhiệt lượng do phản ứng toả ra là: Vậy tổng nhiệt lượng mang vào của thiết bị phản ứng là: Tính nhiệt lượng mang ra của thiết bị phản ứng: Nhiệt lượng mang ra của thiết bị phản ứng bao gồm nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, lượng nhiệt do nước mang ra, nhiệt lượng do phản ứng toả ra môi trường xung quanh được tính như sau: 3.1 Tính nhiệt lượng sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng Q4: Hỗn hợp sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 200oC gồm có: C2H2dư, HCldư, VC, EDC, CH3CHO, H2, N2, O2. Do đó nhiệt lượng sản phẩm mang ra chính là nhiệt lượng của các cấu tử trên. Nhiệt lượng của từng cấu tử được tính theo công thức: Do đó nhiệt lượng của từng cấu tử ra khỏi thiết bị phản ứng là: 3.2 Tính nhiệt lượng do nước mang ra khỏi thiết bị phản ứng Q5: Nước ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 50oC, tra sổ tay ta được nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ này là: 1(kcal/kg.độ). Khối lượng của nước cần thiết mang vào thiết bị phản ứng để duy trì nhiệt độ phản ứng là thì nhiệt lượng do nước mang vào là: 3.3 Nhiệt lượng do phản ứng toả ra môi trường xung quanh Q6: Giả thiết lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh là 2%, khi đó: Thay tất cả các số liệu này vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có: Giải phương trình này ta được: Từ đó tính được : Vậy: Từ các số liệu này ta lập được bảng sau: Bảng 18 :Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị phản ứng. Nhiệt lượng vào Kcal/h Nhiệt lượng ra Kcal/h Q1 2685558,655 Q4 1267811,614 Q2 6151363,892 Q5 12327382,550 Q3 5035724,556 Q6 277452,942 QV 13872647,10 QR 13872647,11 iv. tính toán thiết bị phản ứng : Thiết bị phản ứng chính có dạng ống chùm, làm việc ở nhiệt độ cao, có các chất ăn mòn thiết bị (HCl), các phản ứng xảy ra ở trong ống có xúc tác, phản ứng toả nhiệt, chất làm lạnh là nước đi bên ngoài ống để lấy nhiệt của phản ứng. Do đó vật liệu chế tạo thiết bị phải có tác dụng chịu được nhiệt độ cao, ít bị ăn mòn bởi axit. Với trường hợp này ta lựa chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T. Chọn chiều chuyển động của hỗn hợp khí đi từ trên xuống, nước làm lạnh đi từ dưới lên. Chọn đường kính ống phản ứng ống có chiều dày Đường kính ngoài Xác định bề mặt truyền nhi