Tìm hiểu về Công nghệ xản xuất vinylclorua

p chưng cất để thực hiện các nhiệm vụ: - Tách sản phẩm phụ HCl ở dạng khí trong tháp (3). - Tách VinylClorua thô trong tháp (4). - Tinh chế VinylClorua để giảm lượng HCl từ 500ppm xuống dưới 10ppm trong tháp (5). - Tách các sản phẩm phụ khác trong các tháp (6,7) và tách, thu hồi DCE trong tháp (8) và đưa trở lại thiết bị phản ứng. Sản phẩm VinylClorua sau khi tách HCl được đem đi trung hoà bởi NaOH, sấy khô sẽ được VinylClorua thương phẩm. Hình 4: Sơ đồ công nghệ sản xuất VinylClorua từ EDC. 3. Công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Etylen. Công nghệ sản xuất VinylClorua từ Etylen là phương pháp mới, có nhiều ưu điểm, nhất là với những nước có nguồn dầu mỏ phong phú. a. Cơ chế phản ứng của phương pháp. Phương pháp cân bằng theo Clo để sản xuất VinylClorua từ Etylen là phương pháp quan trọng trong các quá trình OxiClo hóa. Nó là sự kết hợp của ba quá trình : - Cộng hợp trực tiếp Clo và Etylen tạo thành 1,2-DiCloEtan. - Dehyroclo hóa 1,2-DiCloEtan thành VinylClorua. - OxiClo hóa Etylen thành 1,2-DiCloEtan với sự tham gia của HCl tạo ra khi dehidroclo hóa. Theo kết quả của các phản ứng trên thì từ phản ứng giữa Etylen, Clo và Oxi ta sẽ nhận được VinylClorua. Trong quá trình này, Clo được sử dụng hoàn toàn và không tạo thành HCl. Phương pháp này không cần sử dụng Axetylen đắt tiền và hiện nay là phương pháp kinh tế nhất để tổng hợp VinylClorua. Giá thành monome nhận được giảm từ 25-30% so với phương pháp hidroclo hóa Axetylen. Phản ứng Clo hóa và OxiClo hóa Etylen là hai phản ứng phát nhiệt nên người ta thường kết hợp nó với phản ứng thu nhiệt là phản ứng dehidroclo hóa 1,2 - DiCloEtan. Để đảm bảo năng suất tạo thành sản phẩm VinylClorua với quá trình tổng hợp trực tiếp VinylClorua từ Etylen, ta phải tiến hành phản ứng dưới một lượng dư Etylen ở mức thấp và nhiệt độ của quá trình tổng hợp không được cao quá, chỉ vào khoảng 300 - 6000C. Hiệu suất tạo thành VinylClorua cao nhất ở khoảng nhiệt độ 350 - 4500C. Với quá trình này xúc tác thường được sử dụng là xúc tác muối kim loại chuyển tiếp, nếu phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao sẽ khử mất hoạt tính của xúc tác và bản thân Etylen sẽ bị oxy hóa sâu tạo thành CO và CO2 làm giảm năng suất của quá trình . b. Dây chuyền sản xuất VinylClorua từ Etylen. Trong thiết bị (1) Etylen và clo phản ứng với nhau trong pha lỏng tạo DCE. Nhiệt tỏa ra từ phản ứng được thu hồi dùng cho quá trình chưng cất (3) thu DCE và dùng để phân hủy DCE thu hồi sau khi làm sạch sản phẩm VinylClorua . DCE tinh khiết được cracking trong (4) và tạo VinylClorua và HCl. Sản phẩm đi ra từ (4) được làm lạnh rồi cho qua thiết bị chưng luyện (6,7) tách VinylClorua và HCl. HCl thu được từ đỉnh tháp (6) cho đi vào thiết bị oxi hóa (2). DCE chưa bị nhiệt phân được tách ra ở (7) và cho tuần hoàn lại (3), VinylClorua thu được từ (7) rất tinh khiết (nồng độ 99,9%). Trong thiết bị oxiclo hóa, HCl tuần hoàn kết hợp với Etylen và Oxi trong thiết bị tầng sôi tạo 1,2 DiCloEtan và nước, nhiệt sinh ra do phản ứng được dùng cho quá trình chưng cất VinylClorua và DCE . Sau khi làm lạnh sản phẩm phản ứng trong (8), nước được loại bỏ, DCE cho qua (10) làm khô và tách khí rồi được đưa qua (3) chưng cất làm sạch. Khí HCl thoát ra từ (10) đưa vào thiết bị (11) để thu hồi Clo. Tại thiết bị clo hóa (12) chuyển C2H2 trong HCl từ (6) thành Etylen nâng cao độ sạch sản phẩm và hiệu quả của quá trình. 4. Phương pháp liên hợp sản xuất VinylClorua Ngoài các phương pháp sản xuất VinylClorua như trên, người ta còn dùng phương pháp liên hợp để sản xuất VinylClorua. Quá trình liên hợp là quá trình sản xuất mà trong đó, các quá trình phản ứng khác nhau được kết hợp lại nhằm đạt kết quả mong muốn. Quá trình này sử dụng sản phẩm phụ của quá trình khác làm nguyên liệu, do đó tận dụng được triệt để nguồn nguyên liệu ban đầu. Ngoài ra còn giảm bớt được một phần nguyên liệu Axetylen đắt tiền bằn nguyên liệu Etylen rẻ tiền hơn mà không ảnh hưởng tới năng suất chung. Với phương pháp liên hợp, các nhược điểm của từng quá trình trên đã được khắc phục. a. Quá trình liên hợp Clo hoá Etylen, tách HCl và HyđroClo hoá Axetylen. * Quá trình này dựa trên các phản ứng: (1) (2) HCl từ phản ứng (2) có thể dùng cho phản ứng HyđroClo Axetylen. (2) Phản ứng tổng cộng: * Sơ đồ quá trình sản xuất: - Với nguồn nguyên liệu đầu là hỗn hợp Axetylen và Etylen với tỷ lệ mol là 1:1.l. - Với nguồn nguyên liệu đầu là Axetylen và Etylen riêng rẽ với tỷ lệ mol là 1:1.l. b. Quá trình liên hợp Clo hoá, Oxy hoá Etylen và Cracking DCE. * Quá trình này dựa trên các phản ứng: (1) (2) (3) Phản ứng tổng cộng:  Sơ đồ quá trình: ưu điểm của quá 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 đến Axetylen nên có chi phí rẻ hơn. IV. thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất. 1. Đánh giá và lựa chọn công nghệ. Hiện nay ở nước ta ngành công nghiệp hoá dầu và tổng hợp hữu cơ chưa phát triển, vì vậy việc thiết kế các dây chuyền công nghệ cho ngành công nghiệp này mang một ý nghĩa hết sức quan trọng. Với mỗi dây chuyền được thiết kế tốt, làm việc hiệu quả sẽ là nền tảng kích thích cho sự ra đời của các dây chuyền công nghệ tiếp theo, từ đó nâng dần lên vị thế của ngành công nghiệp hữu cơ, hoá dầu trong nền kinh tế. Với đề tài thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất VinylClorua, dựa vào tổng quan về các công nghệ sản xuất hiện nay trên thế giới cùng với những ưu nhược điểm của từng công nghệ ta thấy rằng: công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Axetylen và HCl sử dụng pha khí là phù hợp nhất với điều kiện nước ta do: - Tuy nước ta có tiềm năng lớn về nguồn dầu mỏ nhưng ngành công nghiệp hữu cơ, hoá dầu ở nước ta chưa phát triển nên nguồn nguyên liệu cho các quá trình công nghệ khác ta chưa thể chủ động được, ít nhất là trong năm đến mười năm tới. Trong khi đó, nước ta đang là nước xuất khẩu than lớn trên thế giới, chất lượng than tốt, quá trình sản xuất Axetylen từ than đá ở nước ta đã được thực hiện trong nhiều năm tạo điều kiện cho việc cung cấp nguồn nguyên liệu Axetylen kỹ thuật cho dây chuyền công nghệ một cách chủ động. - Trong tình hình hiện nay của đất nước ta, các nguồn nguyên liệu cho sản xuất đều phải nhập từ nước ngoài với giá cao, thường xuyên biến động thì việc tự tạo cho mình sự chủ động trong sản xuất là một yêu cầu quan trọng. Với những nhận xét trên ta quyết định chọn công nghệ tổng hợp VinylClorua từ Axetylen và HCl sử dụng pha khí. 2. Thiết kế dây chuyền công nghệ. Với công nghệ vừa lựa chọn ta thiết kế dây chuyền sản xuất như bản vẽ. Dây chuyền được chia ra làm hai phần - Phần đầu là phần phản ứng có nhiệm vụ chuẩn bị nguyên liệu, thực hiện phản ứng chuyển hoá từ nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm cuối cùng, tách sơ bộ các loại tạp chất. - Phần sau là phần tinh chế sản phẩm có nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất, tinh chế sản phẩm tới độ tinh khiết yêu cầu cho các quá trình tiếp theo. Các thiết bị chính của dây chuyền được lựa chọn như sau: - Thiết bị phản ứng là thiết bị hình trụ, bên trong có các ống chứa xúc tác, dạng ống chùm. - Xúc tác sử dụng là xúc tác HgCl2/C*. - Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. - Các tháp chưng cất, tháp hấp thụ đều dạng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền. 3. Thuyết minh dây chuyền công nghệ. * Phần phản ứng: Nguyên liệu Axetylen kỹ thuật được máy nén (1) đưa vào tháp làm khô (2). Tháp làm khô dùng tác nhân là axit H2SO4 đậm đặc để hấp thụ hơi nước có trong nguyên liệu nhằm đưa hàm lượng hơi nước trong nguyên liệu xuông đến mức cho phép để giảm phản ứng phụ tạo Axetaldehyt. Sau đó Axetylen nguyên liệu được đưa qua thiết bị lọc bụi (3) để tách các chất dạng bụi, tránh khả năng lâu dần có thể làm tắc ống chứa xúc tác. Khí sau khi tách bụi cùng với khí Axetylen chưa phản ứng tuần hoàn được trộn với khí nguyên liệu HCl kỹ thuật trong thiết bị trộn rồi hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào thiết bị phản ứng (5), tuỳ theo năng suất mà có thể chọn một hay hai thiết bị làm việc, ở đây ta chọn một thiết bị. Trong thiết bị phản ứng, nguyên liệu được đun nóng một phần nhờ chất tải nhiệt đi ngoài ống sau đó tiếp xúc với xúc tác ở nhiệt độ cao xảy ra phản ứng. ở điều kiện 130oC, 3 at, phản ứng xảy ra và toả nhiệt mạnh, một phần nhiệt lượng sẽ nung nóng khí chưa phản ứng, một phần truyền qua thành ống theo chất tải nhiệt đi ra ngoài. Sản phẩm phản ứng cùng các khí nguyên liệu dư, khí trơ sau đó được đưa tới tháp rửa nước (6) nhằm hấp thụ và tách khí HCl dư, bụi; tiếp theo là tháp rửa bằng dung dịch kiềm nhằm trung hoà và tách nốt phần HCl còn lại. Sản phẩm sau đó được đưa đi tinh chế. * Phần tinh chế sản phẩm. Khí VinylClorua có chứa hơi nước và các tạp chất khác được máy nén (8) nén tới 7 at, làm lạnh. Hầu hết các chất trong sản phẩm sẽ bị ngưng tụ ở điều kiện này. Sau khi được đưa vào tháp tách ba pha (9), phần nước ngưng tụ bị tách ra ngoài. Phần khí không ngưng được đưa đến tháp tách sản phẩm nhẹ (11), pha hữu cơ trong thiết bị tách pha được đưa vào tháp tách nước (10) để tách nốt phần nước còn lại trong sản phẩm sau đó VinylClorua được đưa tới tháp tinh chế (13) để tách nốt các sản phẩm nặng để được sản phẩm VinylClorua đạt tiêu chuẩn thương phẩm. Tháp tách này làm việc ở điều kiện 4,5 at, nhiệt độ thấp để tránh khả năng phân huỷ sản phẩm. ở tháp (11), phần nặng chứa hầu hết là Axetylen được đưa sang tháp tách Axetylen (12) để tách triệt để Axetylen và đưa hồi lưu về trộn với nguyên liệu Axetylen mới. Phần 2. Tính toán dây chuyền sản xuất. A. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình. Với mục đích giúp cho quá trình thiết kế các dây chuyền công nghệ được thực hiện một cách thuận tiện, chính xác hơn, việc ứng dụng tin học là một tất yếu. Dưới sự giúp đỡ của máy tính điện tử, việc giải quyết các bài toán công nghệ đã được giải quyết một cách hiệu quả. Những ưu - nhược điểm cụ thể của việc ứng dụng tin học trong công nghệ hoá học: * Ưu điểm. - Các bài toán công nghệ luôn được giải một cách tổng quát nhất, không cần các số liệu đầu cụ thể, do đó việc thiết kế một lần có thể được sử dụng nhiều lần với các bộ số liệu khác nhau (có thể ứng dụng để tìm ra chế độ công nghệ tối ưu cho quá trình). - Nhiều bài toán công nghệ hết sức phức tạp, phải sử dụng nhiều loại kiến thức khác nhau nên việc giải quyết bằng tay hết sức khó khăn, nhất là trong trường hợp phải tính lại cho mỗi lần thiết kế với các thông số mới. - Với các bài toán thiết kế phải sử dụng nhiều thông số khác nhau, việc tra cứu bằng tay trở nên hết sức khó khăn. Khi sử dụng máy tính, việc dùng các thuật toán để tính các thông số cần thiết với độ chính xác đạt yêu cầu rất dễ dàng, nhanh chóng. Các số liệu này chỉ cần nhập một lần rồi sau đó có thể áp dụng cho nhiều chương trình khác nhau. - Khi được kết nối với các thiết bị tự động, chương trình có khả năng kiểm soát toàn bộ quá trình sản xuất, tăng khả năng tự động hoá cho nhà máy. - Việc tính toán với máy tính điện tử trở nên hết sức nhanh chóng và cho kết quả chính xác, giao diện thân thiện với người sử dụng. * Nhược điểm. - Do có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng phải xét đến trong quá trình, cơ sở dữ liệu lớn nên độ phức tạp của bài toán rất lớn, cần nhiều người cùng làm việc. - Để thực xây dựng được chương trình chạy tốt, cho kết quả chính xác, dễ sử dụng đỏi hỏi người lập trình phải có kiến thức tổng quát về cả hai lĩnh vực: hoá học và tin học. - Các chế độ công nghệ (ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất,...) của quá trình phải được các nhà hoá học nghiên cứu cụ thể, chính xác. Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều ngôn ngữ lập trình. Mỗi ngôn ngữ lập trình được viết ra nhằm phục vụ cho một vài yêu cầu cụ thể nào đó. Ngôn ngữ Visual Basic là một ngôn ngữ lập trình trực quan được tạo ra nhằm giúp cho các nhà lập trình có khả năng phát triển ứng dụng của mình một cách nhanh nhất. có nhiều ưu, nhược điểm so với các ngôn ngữ khác: - Là một ngôn ngữ bậc cao, nó hết sức thân thiện với người sử dụng, từ người nghiệp dư tới các nhà phát triển phần mềm chuyên nghiệp. Ngôn ngữ viết gần giống lối suy nghĩ của người lập trình, giao diện thiết kế trực quan (Visual) giúp người lập trình không cần quan tâm quá nhiều vào những công đoạn không cần thiết. Trong khi viết chương trình, nhà lập trình có thể sử dụng các thành phần thích hợp có sẵn một cách uyển chuyển để có một chương trình đáp ứng yêu cầu đặt ra một cách nhanh nhất. - Tuy nhiên, với ngôn ngữ Visual Basic thì chính những ưu điểm lại tạo nên những nhược điểm của nó: do chương trình viết ra bao gồm nhiều thành phần nên khi phân phối tới người sử dụng phải đóng gói tất cả những thành phần liên quan kèm theo làm cho chương trình dễ mất ổn định; là một ngôn ngữ bậc cao nên khi chương trình được dịch ra mã máy sẽ chạy chậm hơn so với khi dùng ngôn ngữ khác như C, C++,... Từ những nhận xét trên ta thấy rằng việc sử dụng ngôn ngữ Visual Basic để giải quyết các bài toán trong công nghệ hoá học là rất thích hợp. Do đó với đề tài dùng công cụ mô phỏng để giải quyết bài toán thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất VinylClorua, ngôn ngữ Visual Basic là ngôn ngữ lập trình được lựa chọn. Về cơ sở dữ liệu dùng cho chương trình, hiện tại trên thế giới có ba chương trình quản lý thông dụng nhất là : Microsoft Access, SQL của hãng Microsoft và Orcale của hãng cùng tên. Hai chương trình sau là chương trình chuyên dụng, có khả năng tạo những bộ cơ sở dữ liệu rất lớn nhưng được bán với giá khá cao. Chường trình MS Access là chương trình được hãng Microsoft cung cấp kèm theo bộ MS Office hết sức phổ biến trên thế giới. Chương trình này không có khả năng tạo cơ sở dữ liệu lớn như hai chương trình trước nhưng với đồ án này thì nó đủ khả năng đáp ứng. Do đó MS Access là chương trình được chọn để quản lý cơ sở dữ liệu dùng trong đồ án này. B. Xây dựng chương trình, tính toán cho quá trình. * Sơ đồ thuật toán chung. Hình 5: Sơ đồ thuật toán chính của chương trình. Hình 5 chỉ rõ thuật toán chính sử dụng trong chương trình. Nó dùng để kiểm soát dữ liệu nhập vào, tình toán, chuyển đổi linh hoạt giữa các quá trình tính toán khác nhau nhằm mang đến khả năng linh hoạt nhất cho người sử dụng. Với mỗi quá trình cụ thể thì phần tính toán là quan trọng nhất và được giải quyết nhờ việc sử dụng các thuật toán khác nhau nhằm đưa ra kết quả chính xác nhất. Với quá trình tính toán, việc khó khăn nhất là tìm được công thức chung nhất cho toàn bộ quá trình. Có nhiều quá trình không có công thức chung, khi đó ta phải khéo léo sử dụng các phương án khác. I. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng. * Các số liệu ban đầu: - Năng suất dây chuyền: 20.000 tấn/năm. - Thành phần nguyên liệu: + Nguyên liệu HCl gồm: - HCl 97% (phần thể tích) - Cl2 0,15% - N2 2,5% - H2 0,35% + Nguyên liệu Axetylen gồm: - C2H2 99,1% - H2O 0,05% - O2 0,01% - N2 0,84% - Độ chuyển hoá của phản ứng chính: 98% - Độ chuyển hoá của tạo DCE: 35% Để phục vụ cho việc tính các thông số của quá trình sản xuất, một yêu cầu không thể thiếu là phải tính được cân bằng vật chất cho quá trình. Trong mỗi quá trình, khối lượng các chất vào, ra luôn bằng nhau. Do trong sản xuất, các thông số được cho dưới dạng thể tích, phần thể tích nên khi tính cân bằng vật chất, các thông số nhất thiết phải đổi sang khối lượng, nồng độ khối lượng. Với chương trình, khi tính toán luôn kiểm tra tính chính xác của số liệu nhập vào. Với bất cứ số liệu nào chưa nhập, nhập chưa chính xác sẽ có cảnh báo. Để đảm bảo cho chương trình chạy đúng, không bị lỗi, khi số liệu chưa chính xác, chương trình sẽ không tính hoặc chạy tiếp. 1. Đổi nồng độ nguyên liệu từ phần thể tích sang phần khối lượng, tính các thông số cơ bản. Công thức chung: Trong đó: - ai : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử i. - Xi : Nồng độ phần mol của cấu tử i. - Mi : Phân tử khối của cấu tử i. Coi các chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn nên phần mol của chất khí tỉ lệ với phần thể tích của nó trong hỗn hợp. Ta có: Với nguyên liệu Axetylen: (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) Thay vào công thức trên ta tính được phần khối lượng của các khí trong hỗn hợp: (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) Hình 6: Bảng nhập các thông số và nồng độ nguyên liệu. Hình 7: Bảng thông báo lỗi số liệu khi nhập chưa đủ, chính xác. Với nguyên liệu HCl tương tự ta có: (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kmol/Kmol) ; (Kg/Kmol) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) (Kg/Kg) Dây chuyền sản xuất làm việc liên tục 24/24 giờ. Thời gian cho các công việc như: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh,... trong một năm dự kiến là 20 ngày. Do đó, thời gian làm việc của dây chuyền trong một năm là: 365 - 20 = 345 ngày hay 365 x 24 = 8.280 giờ/năm Năng suất thiết bị: 20.000 tấn/năm = Kg/h * Kết quả tính toán bằng máy tính cho kết quả trong hình (6). Các phản ứng xảy ra trong quá trình: - Phản ứng chính: (1) - Phản ứng phụ: (2) (3) 1. Tính lượng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng. Công thức chung để tính lượng Axetylen tham gia phản ứng: Công thức chung để tính lượng Axetylen kỹ thuật cần cho quá trình: Công thức chung để tính lượng khí khác có trong nguyên liệu: a. Nguyên liệu Axetylen. Từ phản ứng (1) ta tính được lượng Axetylen cần dùng trong 1 giờ: Kg/h Phản ứng (1) có độ chuyển hoá là 98% nên lượng Axetylen cần dùng là: Kg/h Do trong nguyên liệu, nồng độ của Axetylen chỉ đạt 0,9905 % khối lượng nên lượng Axetylen kỹ thuật thực tế đưa vào thiết bị là: Kg/h Lượng Axetylen dư từ phản ứng (1) là: Kg/h Lượng khí khác có trong nguyên liệu Axetylen đi vào thiết bị phản ứng: - Lượng H2O: Kg/h - Lượng O2: Kg/h - Lượng N2: Kg/h b. Nguyên liệu HCl. Với nguyên liệu HCl tính tương tự, nhưng do HCl lấy dư nên công thức chung để tính lượng HCl kỹ thuật thực tế dùng cho quá trình với R là % khối lượng HCl dư: ,Kg/h Từ phản ứng (1) ta tính được lượng HCl phản ứng trong 1 giờ: ,Kg/h Lượng HCl để phản ứng hết với Axetylen nếu tỉ lệ nguyên liệu là1/1: ,Kg/h Do trong nguyên liệu, nồng độ của HCl chỉ đạt 0,9775 % khối lượng nên lượng HCl kỹ thuật cần dùng là: Kg/h Theo thiết kế, nguyên liệu HCl đưa vào thiết bị phản ứng với một lượng lớn hơn 10% so với lý thuyết nên lượng HCl kỹ thuật thực tế là: Kg/h Trong đó, lượng HCl là: Kg/h Lượng HCl dư từ phản ứng (1) là: Kg/h Lượng khí khác có trong nguyên liệu HCl kỹ thuật đi vào thiết bị phản ứng là: - Lượng Cl2: Kg/h - Lượng H2: Kg/h - Lượng N2: Kg/h Tổng lượng N2 do nguyên liệu Axetylen và HCl kỹ thuật mang vào thiết bị phản ứng là: Kg/h 2. Tính lượng nguyên liệu tiêu hao, sản phẩm tạo thành do phản ứng phụ. Trong quá trình phản ứng, nhiều phản ứng phụ xảy ra do điều kiện nhiệt độ cao, do tạp chất,... Xét phản ứng phụ xảy ra chủ yếu là phản ứng của hơi nước chứa trong nguyên liệu với Axetylen tạo thành Aldehyt và phản ứng cộng hai phân tử HCl vào Axetylen tạo thành 1,1-diclo-Etan. (2) (3) * Xét phản ứng phụ (2). Lượng Axetylen còn lại sau phản ứng (1) là: 20,510 Kg/h. Do phản ứng (2) có độ chuyển hoá là 0,35% nên lượng Axetylen tham gia phản ứng (2) là: Kg/h Lượng Axetylen còn lại sau phản ứng (2) là: Kg/h Lượng HCl tham gia phản ứng (2) là: Kg/h Lượng 1,1-dicloEtan tạo thành từ phản ứng (2) là: Kg/h Lượng HCl còn lại sau phản ứng (2) là: Kg/h * Xét phản ứng phụ (3). (3) Lượng H2O do nguyên liệu mang vào là: 0,311 Kg/h Lượng Axetylen tham gia phản ứng là: Kg/h Lượng Aldehyt tạo thành từ phản ứng là: Kg/h Lượng C2H2 còn lại ra khỏi thiết bị phản ứng là: Kg/h 3. Cân bằng vật chất thiết bị phản ứng: Lượng chất đi vào thiết bị phản ứng Lượng chất ra khỏi thiết bị phản ứng Cấu tử Kg/h Cấu tử Kg/h C2H2 1.025,341 C2H2 dư 12,862 HCl 1.583,360 HCl dư 152,547 Cl2 4,697 Cl2 4,697 H2 0,324 H2 0,324 N2 40,844 N2 40,844 O2 0,104 O2 0,104 H2O 0,311 CH3-CHO 0,760 CH3-CHCl2 27,374 Vinyl Chloride 2.415,461 Tổng vào 2.654,981 Tổng ra 2.654,973 Bảng 4: bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng Hình 8: Bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng. II. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng. - Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu : t1 = 25 oC - Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm : t2 = 120oC Theo thiết kế, chất tải nhiệt làm mát cho thiết bị phản ứng là dầu tải nhiệt có các thông số: - Nhiệt độ đầu vào : 70oC - Nhiệt độ đầu ra : 100oC - Nhiệt dung riêng dầu : Cpd = 0,43 Kcal/Kg.OC - Khối lượng riêng : Kg/m3 1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào. Công thức tính nhiệt lượng của một chất đi vào, ra khỏi thiết bị phản ứng: Kcal/h Trong đó: - G : Lượng chất vào, ra khỏi thiết bị, Kg/h - CP : Nhiệt dung riêng của chất, Kcal/Kg độ - t : Nhiệt độ của chất, oC Việc quan trọng nhất trong việc tính nhiệt lượng của một chất ở đây là tính được nhiệt dung riêng của chất đó ở những nhiệt độ khác nhau do người sử dụng lựa chọn. Do không có công thức chung để tính nhiệt dung riêng cho tất cả các chất (chỉ có cho một số chất với công thức chung là:, và một số chất khác được cho dưới dạng bảng, giản đồ) nên thuật toán để xác định nhiệt dung riêng một cách chung nhất, thuận tiện nhất mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết là qui về chung thành dạng bảng nhiệt dung riêng của các chất phụ thuộc vào nhiệt độ với các khoảng nhiệt độ đủ nhỏ (20oC). Với bảng đã lập ta có thuật toán để xác định nhiệt dung riêng của một chất như sau: to 10 20 CP 30 50 Hình 9: Sơ đồ thuậ toán tìm nhiệt dung riêng một chất theo nhiệt độ. a. Tính nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng. Các cấu tử đi vào thiết bị phản ứng gồm: C2H2, HCl, Cl2, H2, N2, O2, H2O. Theo thiết kế, nhiệt độ của nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng là: t = 25OC, từ [I-227,231,232] ta tra được nhiệt dung riêng của các cấu tử trên. Cấu tử G (Kg/h) CP Q (Kcal/h) C2H2 1.025,341 0,41 10.509,745 HCl 1.583,360 0,20 7.916,800 Cl2 4,697 0,12 14,091 H2 0,324 0,34 2,754 N2 40,844 0,25 255,275 O2 0,104 0,23 0,598 H2O 0,311 0,45 3,499 Bảng 5: Nhiệt lượng do nguyên liệu đưa vào thiết bị phản ứng. Vậy tổng lượng nhiệt do nguyên liệu đưa vào thiết bị phản ứng là: Kcal/h b. Tính nhiệt lượng toả ra do phản ứng trong thiết bị phản ứng. - Với phản ứng chính. Kcal/Kmol Lượng nhiệt toả ra do phản ứng chính: Kcal/h - Với phản ứng phụ tạo diclo-Etan. Kcal/Kmol Lượng nhiệt toả ra do phản ứng: Kcal/h - Với phản ứng phụ tạo Aldehyt. Kcal/Kmol Lượng nhiệt toả ra do phản ứng: Kcal/h Vậy tổng lượng nhiệt sinh ra do phản ứng là: Kcal/h c. Tính nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng. Theo thiết kế, nhiệt độ của sản phẩm mang ra là t = 120OC Tương tự như tính nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng ta có bảng nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng: Vậy tổng lượng nhiệt do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng là: Kcal/h Cấu tử G, Kg/h CP Q, Kcal/h C2H2 dư 12,862 0,46 709,982 HCl dư 152,653 0,22 4.027,980 Cl2 4,697 0,13 73,273 H2 0,324 0,35 13,608 N2 40,844 0,25 1.225,320 O2 0,104 0,29 3,619 CH3-CHO 0,760 0,37 33,744 CH3-CHCl2 27,374 0,30 985,464 Vinyl Chloride 2.415,461 0,21 60.869,620 Bảng 6: Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng. d. Tính nhiệt lượng do dầu làm mát mang vào thiết bị phản ứng. Theo thiết kế, nhiệt độ của dầu làm mát mang vào là t = 70OC Vậy nhiệt lượng do dầu làm mát mang vào thiết bị phản ứng là: Kcal/h e. Tính nhiệt lượng do dầu làm mát mang ra khỏi thiết bị phản ứng. Theo thiết kế, nhiệt độ của dầu làm mát đi ra là t = 100OC Vậy nhiệt lượng do dầu làm mát mang ra khỏi thiết bị phản ứng là: Kcal/h f. Tính nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. Trong quá trình làm việc, nhiệt của thiết bị phản ứng bị mất mát một phần ra môi trường xung quanh. Lượng nhiệt này lấy bằng 0,05 lượng nhiệt đưa vào thiết bị phản ứng và lượng nhiệt toả ra do phản ứng. Kcal/h Kcal/h Kcal/h * Ta có phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị phản ứng. Tổng nhiệt lượng vào bằng tổng nhiệt lượng ra khỏi thiết bị. Kg/h = 73,400 m3/h Nhiệt lượng do dầu làm mát mang vào thiết bị phản ứng. Kcal/h Nhiệt lượng do dầu làm mát mang ra khỏi thiết bị phản ứng. Kcal/h Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh. Kcal/h Từ kết quả tính toán ta có bảng sau: Nhiệt lượng vào Nhiệt lượng ra Thành phần Kcal/h Thành phần Q, Kcal/h QNL 18.702,760 QSp 68.280,670 QPư 1.050.899,727 Qm 152.900,802 QVd 1.988.413,555 QRd 2.840.590,793 Tổng 3.058.016,042 Tổng 3.061.772,265 Bảng 7: Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng. Kết quả do máy tính đưa ra trong hình ở trang bên. Hình 10: Bảng cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng. Hình 11: Bảng tính chi tiết nhiệt lượng của các cấu tử. III. Tính thiết bị phản ứng chính. 1. Tính lượng xúc tác trong thiết bị. Thể tích xúc tác trong thiết bị được tính theo công thức: m3 Trong đó: - Vv : Lưu lượng thể tích của hỗn hợp khí đi qua thiết bị (qua lớp xúc tác), m3/s - t : Thời gian tiếp xúc của hỗn hợp khí với xúc tác trong