Đồ án 3 GVHD TS Nguyễn Thị Thu Huyền MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6 1 1 Giới thiệu chung về nhựa polyester không no và ứng dụng 6 1 1 1 Tình hình sản xuất và khả năng tiêu thụ nhựa polyeste[.]
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về nhựa polyester không no và ứng dụng
Nhựa polyester là một loại nhựa nhiệt rắn phổ biến trong công nghệ composite Polyester không no có khả năng đóng rắn ở dạng lỏng hoặc rắn khi có điều kiện thích hợp, và thường được gọi ngắn gọn là nhựa polyester.
1.1.1 Tình hình sản xuất và khả năng tiêu thụ nhựa polyeste không no hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới
Theo số liệu thống kê, tổng khối lượng nhựa polyester sản xuất được năm 2002 là 21.000.000 tấn, chiếm đến 58% sản lượng nhựa tổng hợp trên toàn thế giới [3].
Tháng 1 năm 1997, tạp chí Modern Plastic đã đưa ra đánh giá về tình hình sử dụng và tiêu thụ nhựa UPE ở các thị trường Tây Âu, Nhật Bản, và trên toàn thế giới trong 2 năm 1995, 1996 ở Bảng 1 1 sau (như sau):
Bảng 1.1: Mức độ tiêu thụ nhựa UPE trên toàn thế giới [2]
Sản lượng (triệu Pound/năm)
Mặc dù thị trường tiêu thụ tại Việt Nam rất mạnh, quy mô sản xuất trong nước lại nhỏ và đơn lẻ, chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu từ nước ngoài Sự phát triển của các cụm công nghiệp lọc-hóa dầu trong nước, như Dung Quất, đang góp phần thay đổi tình hình này.
Nghi Sơn có khả năng giải quyết vấn đề này thông qua quá trình tinh chế dầu thô thành các sản phẩm dầu mỏ khác nhau Quá trình này cho phép chuyển đổi dầu thô thành các hóa chất hữu ích, bao gồm monome, là khối cấu tạo cơ bản của polyme Điều này mở ra hướng đi mới cho sản xuất nhựa UPE và cung cấp nguyên liệu sản xuất trong nước.
1.1.2 Các phương pháp tổng hợp [3]
Phương pháp tổng hợp nhựa ảnh hưởng đến khối lượng phân tử trung bình và các tính chất cơ lý của nhựa, bao gồm độ bền cơ học, độ bền uốn và độ nhớt Thông thường, nhựa UPE được tổng hợp theo hai phương pháp chính.
- Phương pháp một giai đoạn.
- Phương pháp hai giai đoạn.
1.1.2.1 Phương pháp một giai đoạn
Cho toàn bộ nguyên liệu vào thiết bị phản ứng và gia nhiệt từ từ đến nhiệt độ phản ứng khoảng 195 205 °C Mở van sục khí trơ và sử dụng xylen để dẫn hơi nước qua thiết bị ngưng tụ Duy trì nhiệt độ cho đến khi chỉ số axit đạt 30 35, sau đó thêm chất ức chế hydroquinon với hàm lượng 0,01% so với nhựa.
1.1.2.2 Phương pháp hai giai đoạn
Giai đoạn 1: Điều chế monoester
Monoester được tạo ra bằng cách trộn các diol và anhydric ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp (180÷190⁰C) Quá trình được thực hiện như sau:
Cho nguyên liệu vào thiết bị phản ứng và gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp để đảm bảo anhydric phản ứng hoàn toàn với các diol, tạo sự đồng đều cho mạch và hạn chế hiện tượng thăng hoa, bốc hơi của nguyên liệu Nhiệt độ sôi ban đầu khoảng 180 độ C.
Nhiệt độ 190⁰C phụ thuộc vào độ ẩm của nguyên liệu Qua thời gian, lượng glycol phản ứng với AP, AM, AA tăng lên, dẫn đến hàm lượng Ethylen glycol tự do giảm, làm tăng tỷ lệ nước và giảm nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng Cần giữ phản ứng ở nhiệt độ sôi cho đến khi nhiệt độ ổn định.
(khoảng 170⁰C ), tương ứng lúc đó chỉ số axit không thay đổi nữa thì dừng phản ứng.
Giai đoạn 2: Nâng nhiệt độ tạo polyester
- Tiếp tục nâng nhiệt độ để các monoester đa tụ tạo thành polyester Các phản ứng xảy ra trong quá trình nhày như sau:
HO OC CH CH COO CH 2 CH 2 OH + CO
H CH 2 CH 2 OOC CH CH COO CH 2 CH 2 OOC
- Phản ứng trùng hợp nối đôi AM:
CH CH + CH CO CH CO O 180 O C CH CO
Hoặc trùng hợp với các nối đôi giữa các mạch phân tử với nhau.
+ Các phản ứng trên gây ra hiện tượng gel hóa nhựa, đặc biệt khi có mặt oxy nguyên tử.
+ Phản ứng đóng vòng nội phân tử và ngoại phân tử:
+ Các phản ứng phụ này xảy ra làm đứt mạch phân tử, làm khối lượng phân tử trung bình giảm, do đó tính chất cơ lý cũng giảm theo.
Phương pháp tiến hành bao gồm việc thay thế hệ thống sinh hàn ngược bằng sinh hàn chưng cất để tách nước và glycol dư thừa Nhiệt độ được nâng lên từ 200 đến 250⁰C và chất ổn định được thêm vào để ngăn ngừa gel hóa của nhựa Sục khí CO2 vào thiết bị phản ứng giúp tạo môi trường khí trơ, tách loại sản phẩm phụ và cải thiện quá trình trộn hợp Để tăng tốc độ tách nước, xylen được cho vào nồi phản ứng, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, từ đó sản phẩm nhựa thu được có khối lượng phân tử trung bình lớn.
1.1.2.3 Ưu, nhược điểm của mỗi phương pháp tổng hợp
Phương pháp một giai đoạn có thời gian phản ứng ngắn và chi phí đầu tư thấp Tuy nhiên, việc thất thoát các chất ở nhiệt độ cao có thể làm thay đổi tỷ lệ các cấu tử ban đầu, dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc mạch phân tử, giảm khối lượng phân tử và tăng độ nhớt.
Phương pháp hai giai đoạn giúp kiểm soát nhiệt độ hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu sự thất thoát các chất và cho phép điều chỉnh cấu trúc mạch đồng đều hơn, cải thiện tính chất của nhựa một cách đáng kể.
- Để khống chế phản ứng khi chỉ số axit đạt yêu cầu khoảng 30÷35, người ta thêm chất hãm trùng hợp Hydrroquinon vào với hàm lượng 0,01% so với nhựa.
1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của quá trình tổng nhựa UPE ở Việt Nam
Việc tự tổng hợp nhựa UPE với chất lượng phù hợp giúp Việt Nam chủ động nguồn nguyên liệu sản xuất, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao tính cạnh tranh cho các sản phẩm nhựa UPE, như gạch ốp lát của công ty VICOSTONE và trong ngành công nghiệp hàng hải.
Quy trình sản xuất nhựa UPE
1.2.1 Nguyên liệu tổng hợp UPE
Nguyên liệu chính để sản xuất UPE bao gồm polyol và polyaxit, trong đó diol và diaxit không no thường được sử dụng Sự đa dạng của diol và diaxit dẫn đến việc UPE tổng hợp có những tính chất khác nhau, tùy thuộc vào đặc tính của các nguyên liệu này.
Poliaxit (diaxit): thường các poliaxit ở dạng ankydric để tổng hợp nhựa vì các anhydric có hoạt tính cao hơn và không tạo sản phẩm phụ
- Polyaxit không no a Anhydric maleic (AM): C2H2(CO)2O
Hình 1.1 Công thức cấu tạo của Anhydric Maleic
+ Tính chất vật lí đặc trưng: khối lượng phân tử: M đvC, nhiệt độ nóng chảy: tnc= 35 o C, khối lượng riêng: ρ= 1480 kg/m 3 , nhiệt độ sôi: ts9,9 C.⁰
AM là một chất tinh thể màu trắng, có khả năng hút ẩm mạnh và tan trong nhiều dung môi như nước, rượu, cloroform và benzen Chất này có thể được tổng hợp từ butadien hoặc oxy hóa từ Furfurol, với khả năng đồng trùng hợp cao và tương hợp tốt với styren Ở dạng kết tinh, AM có hình thoi và dễ thăng hoa Đây là nguyên liệu dễ tìm, giá cả phải chăng và có thể tổng hợp UPE với các tính chất cơ lý tốt.
- Polyaxit no a Anhydric phtalic (AP) (C8H4O3)
Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Anhydric Phtalic
AP có khối lượng phân tử M8 đvC, nhiệt độ nóng chảy 130°C, khối lượng riêng 1530 kg/m³ và nhiệt độ sôi 1°C Đây là nguyên liệu dễ kiếm và rẻ tiền, từ đó sản xuất ra nhựa UPE với giá thành thấp, bền nhiệt, độ bay hơi thấp, tính chất điện môi tốt và tương đối bền trong xăng, dầu cũng như các chất dẻo ở nhiệt độ thường UPE từ AP có thể được sử dụng làm chất hóa dẻo cho PVC AP là tinh thể màu trắng, tan trong nước, rượu, ete, dễ hút ẩm và thăng hoa Anhydric Adipic (AA) có công thức hóa học C6H8O3.
Hình 1.3 Công thức cấu tạo của Anhydric Adipic
- Polyol (diol) a Etylen glycol (EG) (C2H6O2)
Hình 1.4 Công thức cấu tạo của Etylen Glycol
Etylen glycol có các tính chất giống như một ancol thông thường nhưng do ảnh hưởng của hai nhóm –OH nên có tính axit mạnh hơn.
Etylen glycol là một chất lỏng không màu, dễ hút ẩm, giá thành thấp và tan tốt trong nước cũng như rượu UPE được tổng hợp từ Etylen glycol tạo ra nhựa giòn với độ kết tinh cao và cấu trúc chặt chẽ Propylen glycol (PG) có công thức hóa học là C3H8O2.
Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Propylen glycol
PG là chất lỏng không màu, hòa tan trong nước theo bất cứ tỷ lệ nào UPE đi từ
PG có độ kết tinh thấp, độ bền uốn cao, độ hòa tan trong styren cao hơn etylen glycol
Styren là Monomer thường dùng để đóng rắn UPE, là monomer có khả năng tạo liên kết ngang để khâu mạch polymer Styren có những đặc điểm sau:
Phản ứng đồng trùng hợp với polyester không no giúp tăng cường độ cứng và độ bền cơ học, đồng thời giảm thiểu độ co ngót của nhựa Ngoài ra, vật liệu này còn có khả năng chịu thời tiết tốt và cách điện hiệu quả.
+ Chỉ số khúc xạ của styren sau khi đóng rắn cao.
+ Styren là chất lỏng không tan trong nước nhưng tan được trong các dung môi hữu cơ.
Styren không bền dưới ánh sáng và dễ tự trùng hợp, vì vậy cần bảo quản trong môi trường khí trơ, ở nhiệt độ thấp và sử dụng chất ức chế Hydroquinon để đảm bảo tính ổn định.
Hình 1.6 Công thức cấu tạo của Styren
+ Các thông số vật lý của Styren: Khối lượng phân tử M = 104 g/mol, khối lượng riêng: ρ = 980,9 kg/m 3 , nhiệt độ nóng chảy t 0 nc= -30,63 0 C,
Trong quá trình tổng hợp nhựa UPE, việc sử dụng các nguyên liệu phụ bên cạnh các thành phần chính là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả tổng hợp và cải thiện chất lượng sản phẩm.
Hydoquinon là tác nhân được dùng làm chất ổn định trong quá trình tổng hợp
Hỗn hợp polyester không no với monomer không thể bảo quản lâu dài do khả năng trùng hợp chậm ở nhiệt độ phòng Để ngăn chặn quá trình đồng trùng hợp, có thể sử dụng các phương pháp khác nhau, chủ yếu là thêm chất làm chậm vào phản ứng để kiểm soát quá trình đóng rắn Chất ổn định giúp ngăn ngừa sự hình thành gốc tự do, từ đó ngăn chặn phản ứng trùng hợp.
Xylen tạo ra hỗn hợp đẳng phí với nước, giúp lôi cuốn hơi nước sinh ra và tách nước khỏi phản ứng ngưng tụ nhựa Điều này nhằm tăng tốc độ phản ứng và nâng cao tốc độ chuyển hóa trong quá trình sản xuất polyester không no.
Hỗn hợp diphenyl được sử dụng làm chất tải nhiệt cho phản ứng, được đưa vào lớp vỏ áo thiết bị phản ứng dưới dạng dung dịch từ dưới lên.
UPE có nhiều cách phân loại nhưng thông thường người ta phân loại theo hai cách sau:
1.2.2.1 Phân loại theo cấu trúc.
Dựa vào vị trí nối đôi có trong mạch phân tử UPE, nhựa UPE được chia làm hai loại sau:
- UPE maleat: là loại nhựa UPE tổng hợp từ diol và diaxite Ví dụ như polyester etylen maleat đi từ polyethylen glycol và anhydric maleic:
Hình 1.7 Công thức hóa học của UPE maleat
- UPE acrylate: ngoài diol và diaxit còn có một axit không no một chức.
UPE dạng acrylate là loại mạch thẳng, cuối mạch có một nối đôi
1.2.2.2 Phân loại theo mục đích sử dụng
Loại UPE được tổng hợp từ Ethylen glycol (EG), Anhydric phtalic (AP),
Propylen glycol (PG) và Anhydric maleic (AM) là hai thành phần quan trọng trong ngành nhựa tổng hợp PG giúp tăng cường khả năng tương hợp với Styren, tạo ra nhựa tổng hợp có độ nhớt thấp Nhựa này thường được sử dụng để gia công các sản phẩm như ca nô và bồn tắm.
Loại nhựa này được tạo ra bằng cách thay thế một phần axit phthalic (AP) bằng axit hai chức mạch thẳng như axit adipic hoặc axit đơn chức, hoặc glycol mạch dài như diethylen glycol và dipropylen glycol Nhựa này thường được sử dụng để đúc các chi tiết nhỏ, trang trí sản phẩm gỗ và đồ mỹ nghệ.
- UPE có độ nhớt cao và bền môi trường Để UPE bền trong môi trường người ta thay một phần AP bằng axit isophatlic.
UPE tổng hợp từ axit phtalic có khả năng ổn định nhiệt, bền cơ học và bền hóa chất vượt trội, nên được ứng dụng rộng rãi làm lớp phủ bề mặt Tuy nhiên, chi phí sản xuất của loại vật liệu này vẫn còn tương đối cao.
UPE có độ co ngót thấp nhờ vào việc tạo ra các lỗ xốp bên trong nhựa trong quá trình đóng rắn Điều này được thực hiện bằng cách bổ sung nhựa nhiệt dẻo như Oligomer styren hoặc Oligomer methyl-methacrylat hòa tan trong polyme, giúp bù đắp cho sự co ngót của nhựa Kết quả là UPE có độ co ngót thấp và tính chất xốp.
UPE bền ánh sáng và bức xạ mặt trời là loại nhựa có khả năng chống lại sự đổi màu và phân hủy do tác động của ánh sáng mặt trời và bức xạ tử ngoại Để đạt được tính năng này, người ta thường bổ sung vào nhựa các chất ổn định quang.
Benzophenol hoặc thay một phần Styren bằng Methylmethacrylat.
Tổng quan về quá trình chưng luyện gián đoạn
Chưng luyện là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các thành phần riêng biệt, trong đó vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại Động lực của quá trình này xuất phát từ sự khác biệt về độ bay hơi và nhiệt hóa hơi của các thành phần ở cùng một nhiệt độ.
Chưng luyện gián đoạn là kỹ thuật phổ biến trong việc tách các hệ có năng suất vừa và nhỏ, thường được sử dụng để phân tách, tinh chế và loại bỏ tạp chất trong ngành công nghiệp hóa học, thực phẩm và dược phẩm Phương pháp này nổi bật với sự đơn giản và tính linh hoạt, cho phép sử dụng một thiết bị cho nhiều quá trình tách khác nhau Bằng cách thay đổi chỉ số hồi lưu R, có thể tạo ra các sản phẩm khác nhau từ cùng một hỗn hợp đầu Tuy nhiên, nhược điểm của chưng luyện gián đoạn là thời gian lưu của hỗn hợp lỏng tại nhiệt độ cao lâu, dẫn đến khả năng phân hủy nhiệt và giảm chất lượng sản phẩm, cùng với việc tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với phương pháp chưng luyện liên tục.
1.3.1 Các cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn
Một số cấu hình của tháp chưng luyện gián đoạn thường gặp trong công nghiệp:
- Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu truyền thống [5]
Hình 1.9 Tháp chưng luyện gián đoạn truyền thống
Trong mô hình tháp trên có sự xuất hiện thêm thiết bị thiết bị phân tách pha lỏng.
Thiết bị này nâng cao hiệu quả phân tách trong quá trình chưng cất hỗn hợp có độ hòa tan hạn chế Hỗn hợp hơi ngưng tụ trên thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp sẽ được đưa vào thiết bị phân tách pha lỏng, nơi diễn ra quá trình phân lớp lỏng – lỏng Phần pha lỏng giàu cấu tử cần tách sẽ được thu hồi làm sản phẩm, trong khi phần còn lại sẽ được hồi lưu trở lại tháp.
- Tháp chưng luyện gián đoạn có bình trung gian [5]
Tháp chưng luyện gián đoạn với bình trung gian chứa nguyên liệu bao gồm hai đoạn chưng và một đoạn luyện, hoạt động liên tục Đặc điểm nổi bật của loại tháp này là khả năng tối ưu hóa quá trình chưng luyện.
Nguyên liệu được đưa vào vị trí trung tâm của thân tháp, trong khi chất lỏng tại đĩa tiếp liệu được tuần hoàn trở lại bình trung gian Điều này dẫn đến việc thành phần chất lỏng trong bình trung gian có độ đậm đặc cao hơn so với ở đĩa tiếp liệu.
Một phần sản phẩm hoặc bán sản phẩm có thể được lấy ra đồng thời ở đáy và đỉnh tháp
- Tháp chưng luyện gián đoạn có nhiều bình trung gian:
Hình 1.11 Tháp chưng luyện gián đoạn có nhiều bình trung gian
Tháp chưng luyện gián đoạn nhiều bình chứa trung gian có cấu trúc tương tự như tháp chưng luyện gián đoạn một bình trung gian, nhưng có thêm một hoặc nhiều bình chứa nguyên liệu đầu và sản phẩm trung gian Khi vận hành ở chế độ hồi lưu toàn phần, các mẻ nguyên liệu trong mỗi bình chứa sẽ được tinh chế như sản phẩm của quá trình chưng cất Quá trình tinh chế này phụ thuộc vào số đĩa trong mỗi đoạn của tháp, lưu lượng bốc hơi, lượng nguyên liệu nạp vào ban đầu và thời gian làm việc Bình chứa trên đỉnh sẽ chứa nhiều cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, trong khi bình dưới cùng chứa các cấu tử có nhiệt độ sôi cao nhất, và các bình trung gian chứa các cấu tử có nhiệt độ sôi trung bình.
- Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu đảo ngược:
Tháp có nồi bốc hơi ở đỉnh, được đề xuất bởi Robinson và Gilliland vào năm 1950, kết hợp giữa nạp nguyên liệu và ngưng tụ hồi lưu Tháp này hoạt động như một thiết bị chưng cất, với sản phẩm được thu hồi ở đáy tháp, bắt đầu từ các cấu tử nặng có nhiệt độ sôi cao, sau đó là các cấu tử dễ bay hơi Mục tiêu của quy trình vận hành là ngăn chặn sự phân hủy nhiệt của sản phẩm có nhiệt độ sôi cao Tháp đã được kiểm chứng bởi Muitaba và Macchietto.
Nguyên lý vận hành chung:
Thiết bị đun bay hơi đáy tháp sử dụng lượng lỏng F để cấp nhiệt, làm cho dung dịch sôi Dòng hơi di chuyển từ dưới lên và ngưng tụ ở đỉnh tháp.
Tại giai đoạn đầu, toàn bộ lỏng ngưng tụ được hồi lưu về tháp Trong tháp, hai dòng lỏng và hơi di chuyển ngược chiều nhau, từ đó nâng cao hiệu suất tách.
Sau một thời gian nhất định, phần lỏng ngưng tụ trên đỉnh tháp sẽ được liên tục thu hồi làm sản phẩm, trong khi phần còn lại được hồi lưu vào tháp Quá trình này dẫn đến việc giảm dần nồng độ cấu tử dễ bay hơi và tăng cường nồng độ cấu tử khó bay hơi trong tháp chưng.
1.3.2 Các quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn
Vận hành tháp chưng luyện gián đoạn là một nghệ thuật đòi hỏi kỹ sư không chỉ có chuyên môn vững mà còn cần kinh nghiệm xử lý tình huống Có nhiều chiến lược vận hành tháp chưng luyện gián đoạn được áp dụng trong thực tế, và việc lựa chọn chiến lược phù hợp phụ thuộc vào đối tượng chưng cất, mục tiêu kỹ thuật và cấu hình tháp Một số quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn thường gặp trong thực tế bao gồm
1.3.2.1 Quy trình vận hành mở (truyền thống)
Có nhiều chiến lược vận hành tháp chưng luyện gián đoạn khác nhau Chiến lược vận hành truyền thống cho tháp chưng luyện gián đoạn phổ biến:
- Chỉ số hồi lưu không đổi (khi đó thành phần đỉnh thay đổi) Thành phần đỉnh không đổi (khi đó bắt buộc chỉ số hồi lưu thay đổi)
- Chỉ số hồi lưu tối ưu (thông thường chỉ số hồi lưu thay đổi theo một quy trình)
Chiến lược vận hành với thành phần đỉnh không đổi thường áp dụng khi sử dụng vòng điều khiển phản hồi, trong đó dòng hồi lưu hoặc dòng sản phẩm đỉnh được sử dụng làm biến điều khiển Ngược lại, chiến lược vận hành với chỉ số hồi lưu không đổi là quy trình vận hành vòng mở, trong đó các giá trị đã được xác định trước được sử dụng mà không có phản hồi từ quá trình.
Chỉ số hồi lưu được duy trì không đổi trong suốt quá trình chưng luyện, đây là phương pháp đơn giản nhưng kém hiệu quả so với các phương pháp có chỉ số hồi lưu thay đổi Hình 1.12 và Hình 1.13 minh họa sự biến đổi nồng độ sản phẩm ở đỉnh và đáy trong quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không thay đổi.
Hình 1.12 Biến đổi nồng độ của cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh và đáy trong quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi
Quá trình chưng luyện gián đoạn được biểu diễn trên đồ thị x-y với chỉ số hồi lưu không đổi, trong khi thành phần đỉnh giữ nguyên nhưng chỉ số hồi lưu lại thay đổi.
Với cách vận hành thành phần đỉnh không đổi, sản phẩm được lấy ra với lưu lượng cao nhất tương ứng với chỉ số hồi lưu phù hợp, giúp duy trì nồng độ sản phẩm ở giá trị mong muốn Trong quá trình chưng gián đoạn, nồng độ đỉnh có xu hướng giảm và chỉ số hồi lưu được tăng dần bằng cách giảm lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh, cho đến khi nồng độ mong muốn không còn được duy trì.
Tại điểm này sản phẩm được đưa vào thùng nhận khác và sản phẩm trung gian được lấy ra tại chỉ số hồi lưu cao không đổi
Giới thiệu về đối tượng nghiên cứu
Đối tượng được phân tích và nghiên cứu ở đây là sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất nhựa UPE của nhà máy Vicostone
Công ty cổ phần Vicostone là một trong những đơn vị hàng đầu trong ngành sản xuất đá thạch anh tại châu Á, được thành lập vào ngày
19/12/2002 với tên Nhà máy Đá ốp lát cao cấp Vinaconex Năm 2005, công ty cổ phần hóa với vốn điều lệ 30 tỷ đồng Ngày 17/12/2007, công ty cổ phần
Vicostone được niêm yết trên Sàn giao dịch chứng khoán Hà Nội (HNX) với mã
VCS Tháng 08/2014, VCS thực hiện tái cơ cấu và trở thành công ty con của
CTCP Tập đoàn Phượng Hoàng Xanh A&A (Phenikaa) hiện đang nắm giữ khoảng 80% cổ phần Đá thạch anh Vicostone ® được sản xuất với khoảng 90% cốt liệu là thạch anh tự nhiên, được kết dính bằng nhựa polymer và các thành phần tạo màu Sản phẩm này nổi bật với độ cứng và khả năng chống thấm, chống xước vượt trội so với nhiều loại vật liệu ốp lát khác.
Hình 1.15 Sơ đồ công nghệ sản xuất đá thạch anh của Vicostone
Như ở Hình 1 15 ta nhận thấy một nguyên liệu chính để sản xuất của nhà máy
Vicostone sử dụng chất kết dính nhựa polyester, được nhập khẩu trực tiếp từ Singapore, Đài Loan và UAE với khối lượng khoảng 1.200 tấn mỗi tháng Theo Hiệp hội nhựa Việt Nam, giá nhựa polyester không bão hòa tại Trung Quốc dao động từ 1,3 đến 1,5 USD/kg, trong khi giá nhập khẩu trung bình vào Việt Nam từ 1,80 đến 1,95 USD/kg.
VCS ký hợp đồng nguyên tắc vào đầu năm và xác định giá cùng khối lượng hàng hóa từ 2 đến 3 tháng trước khi xuất hàng Chi phí nhựa chiếm từ 30% đến 40% trong tổng chi phí nguyên vật liệu của VCS Mỗi khi giá mua nhựa đầu vào thay đổi 10%, giá vốn hàng bán của VCS sẽ tăng hoặc giảm tương ứng từ 3% đến 4%.
Như vậy việc tự chủ được nguồn cung polyester sẽ góp phần quan trọng để
Vicostone có thể giảm giá thành sản phẩm, đưa ra với mức giá cạnh tranh hơn, tự chủ được nguồn nguyên liệu đầu vào trong sản xuất
Vào năm 2020, nhà máy sản xuất hóa chất Phenikaa thuộc tập đoàn Phenikaa chính thức đi vào hoạt động, với mục tiêu cung cấp nguyên liệu polyester resin, nguyên liệu chính cho sản xuất đá thạch anh nhân tạo Điều này nhằm thúc đẩy nhanh quá trình nội địa hóa và đạt được sự tự chủ hoàn toàn 100% về loại nguyên liệu này.
Việc tự sản xuất và kiểm soát nguồn cung polyester resin cho phép tối ưu hóa quy trình sản xuất và thu hồi nguyên liệu từ chất thải, sản phẩm phụ Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn là yếu tố quan trọng trong hoạt động của mọi nhà máy.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VÀ PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN
Mục tiêu
Nhu cầu kinh tế từ quá trình sản xuất nhựa Polyester không no UPE dẫn đến việc thải ra một lượng nước thải lớn, trong đó có một phần nguyên liệu sản xuất Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu phương án xử lý sản phẩm phụ của quá trình trùng ngưng Polyester không no, cụ thể là chưng luyện để thu hồi các cấu tử và trộn vào dòng nguyên liệu trong sản xuất nhựa tiếp theo Đối tượng nghiên cứu là propylene glycol, sản phẩm phụ được thu hồi sau khi không thể hồi lưu glycol trong thiết bị phản ứng.
Phương pháp nghiên cứu, đánh giá
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng phần mềm Aspen Plus thuộc bộ AspenONE để mô phỏng và tính toán các tháp chưng cất Mục tiêu là đánh giá các yếu tố ảnh hưởng và tìm ra phương án vận hành tối ưu cho tháp.
Các nội dung chính cần thực hiện
- Đánh giá và chọn một số thông số đầu vào cho quá trình mô phỏng.
- Xây dựng 1 hệ thống chưng luyện liên tục để tách nước.
Mô phỏng khảo sát sự thay đổi nồng độ nước trong sản phẩm đáy và nhiệt lượng đun bay hơi đáy tháp được thực hiện khi thay đổi các thông số như áp suất làm việc, số đĩa lý thuyết, vị trí đĩa tiếp liệu, chỉ số hồi lưu, lưu lượng dòng vào và lưu lượng dòng lấy ra ở đỉnh tháp, sử dụng phần mềm Aspen Plus v10.
- Mô phỏng 1 hệ thống chưng luyện gián đoạn để tách Propylene Glycol
- Mô phỏng khảo sát sự thay đổi nồng độ etylen glycol trong sản phẩm đỉnh
Nhiệt lượng đun bay hơi đáy tháp có thể đạt được 99,5% khi thay đổi các thông số như áp suất làm việc, số đĩa lý thuyết, vị trí đĩa tiếp liệu, chỉ số hồi lưu và năng lượng đáy tháp, được phân tích trên phần mềm Aspen Plus v10.
Thành phần chính của nguyên liệu gồm Đánh giá,
Nước thải từ quá trình sản xuất nhựa polyeste không no UPE tại nhà máy Vicostone chứa các thành phần chính như propylen glycol, diethylen glycol, nước và các tạp chất khác, bao gồm anhidric maleic và anhidric phtalic, được trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2 Thành phần chính của nước thải sau quá trình sản xuất nhựa UPE của công ty Vicostone
STT Cấu tử Phần mol Nhiệt độ sôi ( o C)
Từ Bảng 2 2 ta nhận thấy hỗn hợp
Hình 2.16 Đồ thị tam giác của hỗn hợp các cấu tử nướ, propylen glycol, diethylene glycol
Trong Bảng 2.2 và Hình 2.16, nồng độ nước trong nguyên liệu là 0,89 phần mol với nhiệt độ sôi thấp nhất là 100 °C, cho thấy nước là cấu tử dễ bay hơi nhất và được thu hồi ở đỉnh tháp 1 Glycol sẽ được thu hồi ở đáy tháp 1 Sau đó, dòng nguyên liệu từ đáy tháp 1 được đưa vào tháp tách làm việc gián đoạn, trong đó tạp chất được thu hồi ở giai đoạn đầu và propylene glycol được thu hồi ở đỉnh do có nhiệt độ sôi thấp hơn diethylen glycol.
Dưới đáy tháp 2 thu được điethylen glycol có nhiệt độ sôi 245 o C.
Các bước tiến hành mô phỏng
Mô hình tháp DSTWU trong Aspen Plus được sử dụng để tối ưu hóa nồng độ của cấu tử nặng và nhẹ, áp suất làm việc của thiết bị đun bay hơi và thiết bị ngưng tụ, cùng với chỉ số hồi lưu mong muốn Qua đó, có thể xác định số đĩa lý thuyết và đĩa tiếp liệu cần thiết cho tháp tách nước.
Với các số liệu thu được từ tháp DSTWU, sử dụng mô hình tháp RacFrac để tiến hành mô phỏng tháp tách nước
Sau đó tiến hành mô phỏng và chạy tháp tách thứ 2 để tách được propylene glycol lựa chọn mô hình NRTL.
Mô phỏng quá trình chưng luyện kết hợp gồm hai tháp tách
2.6.1 Mô phỏng quá trình chưng luyện làm việc liên tục của tháp tách nước
Các thông số đầu vào và điều kiện chọn để khảo sát:
- Dòng nguyên liệu vào ở điều kiện thường (25 o C, áp suất 1at).
- Lưu lượng 8000 kg/ngày (333,34 kg/h) đi qua thiết bị gia nhiệt đến 101 o C
- Tháp đĩa: gồm có 8 đĩa, liệu được nạp vào đĩa thứ 5, đường kính (4m)
- Điều kiện chưng cất là áp suất chân không (sao cho nhiệt độ sôi ở đáy tháp không vượt quá 120 o C).
- Hàm mục tiêu là nồng độ nước trong sản phẩm đáy và nhiệt lượng đun bay hơi đáy tháp.
- Mô hình cân bằng pha: NRTL
Hình 2.17 Mô hình mô phỏng tháp tách nước
Propylen glycol (7%), Diethylen glycol (4%) và nước (89%) cùng với 0,1% các tạp chất như anhidric maleic và anhidric phtalic được xử lý ở điều kiện thường với lưu lượng 8000 kg/ngày Hỗn hợp này sau đó được gia nhiệt đến 101 độ C trước khi đi vào tháp chưng luyện thứ nhất để tách nước ra khỏi hỗn hợp.
Dựa vào đồ thị tam giác, có thể xác định cấu tử di chuyển lên đỉnh và xuống đáy tháp Nước, với nhiệt độ sôi 100 °C, sẽ đi lên đỉnh tháp, trong khi propylene glycol (188 °C) và diethylene glycol (245 °C) sẽ di chuyển xuống đáy tháp.
2.6.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chân không đến khả năng tách của tháp và năng lượng tiêu hao.
Ta có bảng số liệu từ quá trình mô phỏng
Bảng 2.3:Ảnh hưởng của áp suất chân không Áp suất (mmHg) Nồng độ nước ở sản phẩm đáy(khối lượng)
Thiết bị đun bay hơi đáy tháp
916.595 867.128 870.775 860.242 849.574 condenser reboiler Nồng độ nước ở sản phẩm đáy(khối lượng)
Hình 2.18 Đồ thị khảo sát sự thay đổi giữa áp suất chân không với khả năng tách của tháp và năng lượng tiêu hao
Khi thay đổi áp suất chân không của tháp, nồng độ nước ở sản phẩm đáy không bị ảnh hưởng, cụ thể là ở các áp suất 10, 180 và 150.
Khi nồng độ nước ở sản phẩm đáy không đổi tại 250 và 400, việc tăng áp suất chân không của tháp sẽ làm tăng năng lượng tiêu tốn ở thiết bị đun bay hơi đáy tháp Tuy nhiên, nồng độ nước ở sản phẩm đáy tại thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp vẫn giữ nguyên.
2.6.1.2 Khảo sát vị trí đĩa tiếp liệu tới nồng độ nước trong sản phẩm đáy và năng lượng tách
Các thông số đầu vào chọn để khảo sát được sử dụng trong mô phỏng như trên tại các vị trí nạp liệu là đĩa số 1, 2, 4, 5, 7
Bảng 2.4: Khảo sát sự thay đổi của nồng độ nước khi thay đổi đĩa tiếp liệu
N Nồng độ nước sản phẩm đáy Năng lượng tách (kW)
Nồng độ nước sản phẩm đáy Năng lượng tách
Hình 2.19 Đồ thị khảo sát sự thay đổi của nồng độ nước và năng lượng tách khi thay đổi đĩa tiếp liệu
Khi tăng vị trí của đĩa tiếp liệu, nồng độ nước ở sản phẩm đáy không thay đổi, trong khi năng lượng cần để tách ở tháp có xu hướng tăng rồi giảm Cụ thể, năng lượng tách đạt cực đại 830,538 kW tại đĩa tiếp liệu số, và khi nạp liệu vào đĩa số và số 9, năng lượng tách đạt 828,439 kW, giống nhau.
2.6.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng hồi lưu (chỉ số hồi lưu) tới nồng độ nước trong sản phẩm đáy và năng lượng tách
Các thông số đầu vào chọn để khảo sát được sử dụng trong mô phỏng như trên tại chỉ số hồi lưu thay đổi lần lượt là 0.5, 1, 2, 4, 8.
Bảng 2.5: Khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng hồi lưu
(Mass) Nồng độ nước ở sản phẩm đáy (% khối lượng)
Nồng độ nước ở sản phẩm đáy
Nă ng lư ợn g tá ch
Hình 2.20 Đồ thị ảnh hưởng của lưu lượng dòng hồi lưu đến nồng độ nước ở sản phẩm đáy và năng lượng tách
Khi tăng lưu lượng dòng hồi lưu, nồng độ nước ở sản phẩm đáy giữ nguyên, trong khi năng lượng tách trong tháp tăng dần và đạt cực đại là 5164,08 kW.
2.6.1.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng lấy ra ở đỉnh tháp đến nồng độ nước ở sản phẩm đáy
Bảng 2.6: Ảnh hưởng của lưu lượng đến nồng độ nước ở sản phẩm đáy và nhiệt độ tháp
(khối lượng) Nhiệt độ( o C) Đỉnh Đáy
Hình 2.21 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của lưu lượng dòng lấy ra ở đỉnh tháp
Khi tăng lưu lượng dòng lấy ra ở đỉnh tháp, nồng độ nước trong sản phẩm đáy giảm dần Nhiệt độ tại đỉnh tháp giữ nguyên, trong khi nhiệt độ ở đáy tháp lại tăng dần.
2.6.1.5 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào đến nồng độ khối lượng của nước trong sản phẩm đáy
Bảng 2.7: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng vào đến nồng độ nước ở sản phẩm đáy
Lưu lượng (kg/giờ) Nồng độ khối lượng nước
Hình 2.22 Đồ thị biễu diễn sự thay đổi của nồng độ nước ở sản phẩm đáy khi thay đổi lưu lượng dòng vào
Từ đồ thị ta nhận thấy nếu ta tăng lưu lượng dòng nguyên liệu vào thì nồng độ của nước ở sản phẩm đáy có xu hướng tang dần.
2.6.2 Mô phỏng quá trình chưng luyện làm việc gián đoạn của tháp tách propylene glycol
Dòng nguyên liệu đầu vào của tháp tách thứ 2 bao gồm sản phẩm thu được từ đáy tháp 1, trong đó có propylene glycol, diethylene glycol và các tạp chất như anhidric maleic và anhidric phtalic.
Các thông số đầu vào và điều kiện chọn để khảo sát:
- Điều kiện chưng cất là áp suất chân không (sao cho nhiệt độ đáy tháp
- Nguyên liệu glycol ở điều kiện thường (25 o C, áp suất 1 at) đưa vào chưng cất gián đoạn trong tháp chưng cất gián đoạn loại đệm (đệm cấu trúc).
- Hàm mục tiêu là nồng độ etylen glycol trong sản phẩm đỉnh (có thể đạt được 99,5%); nhiệt lượng đun bay hơi đáy tháp nhỏ nhất.
- Mô hình cân bằng pha: NRTL
Tháp làm việc ở chế độ gián đoạn, trong đó sản phẩm đáy của tháp tách nước sẽ được làm nguội trước khi được đưa vào tháp tách theo từng mẻ.
Hình 2.23 Mô phỏng tháp tách propylene glycol
2.6.2.1 Ảnh hưởng của chỉ số holdup đến nồng độ Dietylen glycol
Bảng 2.8: Ảnh hưởng của chỉ số holdup đến nồng độ Diethlen glycol
Thời gian(h) Chỉ số holdup (l)
Hình 2.24 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của nồng độ theo thời gian với các chỉ số holdup khác nhau
Từ đồ thị trên ta thấy khi chỉ số holdup trên tháp tăng thì nồng độ của diethylene glycol tăng dần ở sản phẩm đáy
2.6.2.2 Ảnh hưởng của áp suất đến nhiệt độ và nồng độ diethlene glycol ở đáy
Bảng 2.9: Bảng thay đổi nhiệt độ và nồng độ khi thay đổi áp suấy Áp suất(mmHg) Nhiệt độ sản phẩm đáy ( o C) Nồng độ (khối lượng)
Nhiệt độ sản phẩm đáy Nồng độ(khối lượng)
Hình 2.25 Đồ thị thay đổi của nhiệt độ và nồng độ sản phẩm đáy khi áp suất của tháp thay đổi
Từ đồ thị ta nhận thấy nồng độ diethylene glycol không đổi khi thay đổi áp suất và nhiệt độ diẹthylen glycol tăng dần
2.6.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của năng lượng đáy tháp (duty) đến nồng độ
Bảng 2.10: Ảnh hưởng của năng lượng đáy tháp đến nồng độ diethylene glycol
Năng lượng( kW) Nồng độ
Hình 2.26 Đồ thi biểu diễn ảnh hưởng của năng lượng đáy tháp đến nồng độ diethylen glycol