thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục

Trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ Axetaldehyt đóng một vai trò rất quan trọng. Nó là chất trung gian để sản xuất các chất khác. Một lượng lớn Axetaldehyt là để sản xuất axit Axetic.Từ Axetaldehyt ta tổng hợp ra thuốc nhộm, polyeste, sản xuất chất bảo quản, poly Axetaldehyt…là những chất đóng vai trò rất quan trọng trọng trong nền công nghiệp hiện nay.9 Vào những năm 1970, công suất của quá trình sản xuất theo phương pháp oxi hóa trực tiếp trên thế giới 2 x 106 tấnnăm. Nó được sản xuất chủ yếu ở Celanese và hãng Eastman (USA), hãng Wacker Chemic và hãng Hoechst (Đức) và hãng Aldehyde Co., KyoWa Yuka Co., Mitsubishi Chemical Industries, Chisso Corp., Sumitomo, Showa Denko, Mitsui (Nhật Bản), Montedison (Italia), Lonza (Thuỵ Điển) hãng Pemax (Mexico). Năng suất của quá trình sản xuất axetaldehyt bằng cách oxi hóa trực tiếp từ etylen tăng lên từ năm 1960. Hiện nay sản lượng Axetaldehyt trên thế giới là hơn 1 tỷ tấn mỗi năm.10 Ở Việt Nam, ngành công nghiệp dầu khí đang ngày càng phát triển tạo ra một nguồn nguyên nhiên liệu dồi dào cho các nghành công nghiệp khác, đặc biệt là nghành tổng hợp hữu cơ, từ đó tổng hợp được vô số các hợp chất hóa học phục vụ cho đời sống. Vì vậy với tính toán thiết kế quy trình công nghệ sản xuất Axetaldehyt là một điều cần thiết và quan trọng. Đó cũng là lý do để chúng tôi thực hiện đề tài này. Nội dung của đề tài gồm: • Tổng quan lý thuyết về Axetaldehyt • Thiết kế quy trình công nghệ • Tính toán cho thiết bị chính

Vào những năm 1970, công suất của quá trình sản xuất theo phương pháp oxihóa trực tiếp trên thế giới 2 x 106 tấn/năm Nó được sản xuất chủ yếu ở Celanese vàhãng Eastman (USA), hãng Wacker - Chemic và hãng Hoechst (Đức) và hãngAldehyde Co., Kyo-Wa Yuka Co., Mitsubishi Chemical Industries, Chisso Corp.,Sumitomo, Showa Denko, Mitsui (Nhật Bản), Montedison (Italia), Lonza (Thuỵ Điển)hãng Pemax (Mexico) Năng suất của quá trình sản xuất axetaldehyt bằng cách oxi hóatrực tiếp từ etylen tăng lên từ năm 1960 Hiện nay sản lượng Axetaldehyt trên thế giới

là hơn 1 tỷ tấn mỗi năm.[10]

Ở Việt Nam, ngành công nghiệp dầu khí đang ngày càng phát triển tạo ra mộtnguồn nguyên nhiên liệu dồi dào cho các nghành công nghiệp khác, đặc biệt là nghànhtổng hợp hữu cơ, từ đó tổng hợp được vô số các hợp chất hóa học phục vụ cho đờisống Vì vậy với tính toán thiết kế quy trình công nghệ sản xuất Axetaldehyt là mộtđiều cần thiết và quan trọng Đó cũng là lý do để chúng tôi thực hiện đề tài này

Nội dung của đề tài gồm:

• Tổng quan lý thuyết về Axetaldehyt

• Thiết kế quy trình công nghệ

• Tính toán cho thiết bị chính

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

1.1. Giới thiệu chung về Axetaldehyt

Axetaldehyt là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học là CH3CHO, đây làmột trong những aldehyt quan trọng nhất, xuất hiện phổ biến trong tự nhiên và đượcsản xuất rộng rãi trong công nghiệp.

1.1.1. Tính chất vật lý

Axetaldehyt là chất lỏng không màu, linh động, có mùi hơi cay, khi pha loãngmột lượng nhỏ thì có mùi trái cây Tan trong nước với mọi tỉ lệ

Bảng 1.1: Một số thông số vật lí cơ bản.[1]

Khối lượng phân tử (g.mol-1) 44,05

Khối lượng riêng (g.cm-1) 0,788

Độ nhớt ở 20oC (NS/m2) 0,215

Áp suất tới hạn (Mpa) 6,44

Nhiệt độ tới hạn (oC) 181,5 hoặc 187,8

Tỉ trọng tương đối d4t = 0,8045 ÷ 0,001325t

Chỉ số khúc xạ nDt = 1,34240 ÷ 0,0005635 t

Tỉ trọng pha hơi so với không khí 1,52

Bảng 1.2: Sức căng bề mặt tại nhiệt độ và tỷ trọng khác nhau[1]:

Nhiệt độ, oC d4t Sức căng bề mặt mN cm-1

Bảng 1.3: Áp suất hơi của axetandehyt trong pha hơi.[1]

Nhiệt độ oC Áp suất hơi,

Bảng 1.4: Áp suất hơi của dung dịch axetandehyt.[1]

Nhiệt độ oC % mol Áp suất riêng

- Hằng số phân ly tại 0oC là: 0,7 x 10-4 mol/l

CH3CHO CH2-CHO + H+ ; K = 0,7 x 10-4 mol/l

Hầu hết axetandehyt có thể trộn lẫn với nước và những dung môi hữu cơ để tạohỗn hợp đồng sôi như tạo với axit axetic, benzen, axeton, etanol, metanol, dung môinaphta, toluen, xilen, etyl ete, parandehyt

1.1.2. Tính chất hóa học.

Do trong phân tử có nhóm (-CO), là nhóm phân cực về phía O làm phân cực liênkết do đó Axetaldehyt phản ứng hóa học mạnh hơn Ankel Axetaldehyt là hợp chất cókhả năng phản ứng hóa học khá cao, nó là hợp chất điển hình có chứa nhóm andehyt(CHO)

- Phản ứng đặc trưng: cộng Nucleophil AN

Ví dụ: Cộng H2, HCN, RMgX, bisunfit, ancol…

CH3CHO + H2 CH3CH2OH

CH3CHO + HCN CH3C(CN)OH

- Phản ứng thay thế nguyên tử O của nhóm Cacbonyl

Ví dụ: tác dụng với hyaroxiamin, hydrazin, phenyl hydrazin, semi cacbazit…

CH3CHO + H2N –NH2 CH3-CHN – NH2 +H2O

CH3CHO + H2N – NHC6H5 CH3 - CHN – C6H5 + H2O

CH3CHO + H2N–CO–NH–NH2 CH3-CHN – CO –NH –NH2 +H2O

- Phản ứng thay thế nguyên tử của nguyên tử

Ví dụ: thay thế H bằng Halogen, phản ứng ngưng tụ aldol

CH3CHO + CH3CHO CH3-CH(OH)-CH2-CHO + H2O

- Phản ứng oxi hóa axit

CH3CHO + 2AgNO3 + NH3 + H2O CH3COONH4 + NH4NO3 + 2Ag

Đồng phân

Giống như nhiều hợp chất Cacbonyl khác, Axetaldehyt có khả năng tautome hóa(đồng phân vỗ biến) để tạo thành enol Dạng enol của Axetaldehyt là vinyl alcolhol(Ethenol)

CH3CHO CH2CHOH

Hằng số cân bằng chỉ là 6.103ở nhiệt độ phòng, do đó lượng Axetaldehytchuyển sang dạng enol là rất nhỏ

1.1.3. Các phương pháp sản xuất axetaldehyt

Bao gồm các phương pháp chính sau:

• Sản xuất axetaldehyt đi từ etylen

Đây là quá trình được phát triển vào những năm 1957 - 1959 bởi hãng Hoechst

và hãng Wacker-Chemie Chất xúc tác cho quá trình này là dung dịch PdCl2, CuCl2.Axetaldehyt hoàn toàn đã được quan sát trong phản ứng giữa etylen và dung dịchPdCl2

C2H4 + 1/2O2 CH3CHO ; H = -244 KJ/mol

Độ chọn lọc của quá trình oxi hóa C2H4 phụ thuộc chủ yếu vào xúc tác PdCl2

trong phalỏng theo phản ứng

C2H4 + PdCl2 + H2O CH3CHO + Pd + 2HCl

Ở hãng Wacker-Hoechst kim loại Pd được oxi hóa trở lại bởi dung dịch CuCl2,tiếp đó nó tác dụng lại với oxi để tạo lại CuCl2

Pd + 2CuCl2 PdCl2 + 2CuCl2CuCl + 1/2O2 + 2HCl 2CuCl2 + H2OBởi vậy chỉ cần một lượng nhỏ PdCl2 cũng đủ yêu cầu cho sự chuyển hóa etylen

• Sản xuất axetaldehyt đi từ axetylen

Hydrat hóa axetylen với xúc tác là muối thủy ngân sẽ cho ra dạng enol, sau đótautome hóa sẽ được axetaldehyt Đây là con đường sản xuất chính khi chưa có chutrình Wacker

Quá trình hydrat hóa axetylen đã trở thành quá trình công nghiệp trong suốt thếchiến thứ I Ngày nay do sự phát triển của ngành dầu khí nên phương pháp này dầnđược thay thế bằng phương pháp đi từ etylen do từ etylen có giá thành rẻ hơn đi từaxetylen

Chất xúc tác quan trọng nhất cho quá trình hydrat hóa (cộng H2O) là hợp chấtHg

Ngày nay việc sản xuất axetaldehyt từ axetylen có thể thực hiện theo 2 cách sauđây:

- Hydrat hóa trực tiếp axetylen dùng xúc tác thủy ngân tiến hành ở pha lỏng

- Hydrat hóa axetylen tiến hành ởpha hơi

• Sản xuất axetaldehyt đi từ etanol

Đây là phương pháp lâu đời nhất để sản xuất axetaldehyt và là phương pháp tốtnhất trong phòng thí nghiệm Trong công nghiệp etanol được oxi hóa với xúc tác oxitbằng không khí trong pha hơi

CH3CH2OH + 1/2O2 CH3CHO + H2O, ∆H =242 kJ/mol

Thường dùng xúc tác là Cu hoặc Ag kim loại hoặc hợp chất của chúng (oxi hayhợp kim) đều là những xúc tác đáp ứng tốt cho quá trình này

• Ứng dụng lớn nhất của axetaldehyt là làm nguyên liệu cho quá trình sản xuấtaxit axetic (CH3COOH) Từ axit axetic có thể tổng hợp được nhiều hợp chấthóa học khác nhau như vinyl axetal, monoclo axetic, axetal este …

o Vinyl axetal được dùng trong ngành sản xuất nhũ tương, trong sảnxuất sơn, keo dính, dệt may

o Anhidic axetic được sử dụng trong sản xuất vải sợi xenlulo axetal,đầu lọc trong việc sản xuất thuốc lá, nhựa xenlulolic.

• Axetaldehyt được sử dụng trong sản xuất nước hoa, nhựa polyester, thuốcnhuộm cơ bản Axetaldehyt cũng được sử dụng như một chất bảo quản hoaquả và cá, như một chất hương liệu Làm dung môi trong cao su, thuộc da

và các ngành công nghiệp giấy

• Trước đây, axetaldehyt được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất axit axetic,tuy nhiên ứng dụng này sau đó ít được sử dụng do sản xuất axit axetic từmetalnol thì hiệu quả hơn

Qua đó ta thấy được tầm quan trọng của Axetaldehyt trong nghành công nghiệphữu cơ, để từ đó có thể sản xuất ra nhiều hợp chất khác nhau với những ứng dụng cụthể khác nhau.Góp phần làm phong phú cho cuộc sống hiện tại và tương lai

1.2. Phương pháp sản xuất axetaldehyt đi từ axetylen

1.2.1. Axetylen

Axetylen là một chất khí có chứa liên kết ba trong phân tử, nó có nhiều ứng dụngtrong kinh tế cũng như trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu Từ axetylen có thểđiều chế ra nhiều chất quan trọng và cần thiết cho sản xuất công nghiệp nhưaxetaldehyt,axit axetic, vinyl clorua, vinyl axetat, cao su tổng hợp Các chất này rấtquan trọng trong việc sử dụng làm hợp chất trung gian để tổng hợp hữu cơ, hoá dầu

1.2.1.1. Tính chất vật lí

Axetylen là chất khí không màu, ở dạng tinh khiết có mùi của este yếu, nó ngưng

tụ ở - 83,8oC, áp suất 0,102 MPa

Nhiệt độ tới hạn là : +35,50C , áp suất tới hạn là 6,04 MPa

C2H2 là chất khí nhẹ hơn không khí, ít tan trong nước ở điều kiện bình thườngmột thể tích nước hoà tan được một thể tích khí axetylen Khi áp suất tăng lên độ hoàtan cũng tăng theo Axetylen tan nhiều hơn trong các dung môi hữu cơ như alcol, ete,đặc biệt tan rất nhiều trong axeton Dưới áp suất thường 1 lít axeton hoà tan được 25lít axetylen Muốn chuyên chở axetylen được nhiều và tránh nguy hiểm nổ người tacho axetylen hoà tan trong axeton dưới áp suất cao 12 - 15 at Dưới áp suất này 1 lítaxeton hoà tan được 300 lít axetylen Bình thép chứa dung dịch axetylen trong axetonkhông nguy hiểm so với axetylen lỏng, nhất là khi dùng thêm các khối xốp vô cơ chấtđầy trong bình

Axetylen là một hợp chất không bền về mặt nhiệt động, nó có thể bị phân huỷtạo ra cacbon và hydro kèm theo hiện tượng nổ Phản ứng nổ có thể khơi mào bằngnhiệt, bằng thuỷ ngân funminat hoặc tự nổ dưới áp suất cao Phản ứng nổ toả nhiềunhiệt, ∆Ho

298 = -54,9 Kcal/ mol Nhiệt độ của khối khí lúc đó có thể lên hàng nghìn độ.Axetylen là hợp chất thu nhiệt vì vậy khi đốt cháy toả ra một lượng nhiệt lớn.Khi dùng hỗn hợp axetylen - oxy làm khí cắt hàn, cắt kim loại màu, muốn hàn tốt thìphải sử dụng khí trơ (argon) để oxy không tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt kim loại hàn.Axetylen cháy trong không khí cho ta ngọn lửa sáng, tạo ra CO2 và H2O

HC ≡ CH + 5/2 O2 → 2CO2 + H2O ∆Ho

298= -315 Kcal/mol

Bảng 1.5 Những hằng số vật lý cơ bản của axetylen [1]

Những hằng số vật lý cơ bản của axetylen

- Khối lượng phân tử (M)

- Nhiệt độ nóng chảy

- Áp suất hơi bão hòa

- Nhiệt nóng chảy

- Nhiệt bay hơi

- Các đại lượng tới hạn

+ Tr

+ Pr

+

- Điểm nóng chảy ở 101,3kPa

- Điểm thăng hoa ở 101,3kPa

- ρkhí

- ρlỏng (181,1K)

- Tính chất ở 273,15K và 101,3 kPa:

+ ρkhí

+ Nhiệt dung riêng (Cp )

+ Nhiệt dung riêng (Cv )

5,585kJ/mol15,21kJ/mol

308,85K6,345Mpa0,231g/cm3

192,15K(-80,85oC)189,55K(-83,45oC1,729.10-3 g/cm3

341 m/s0,99098,32 kJ/mol197J/mol.K

1.2.1.2. Tính chất hóa học

Axetylen có cấu tạo chứa liên kết ba trong phân tử nên có khả năng phản ứnghoá học cao Liên kết ba có năng lượng liên kết là 199.6 Kcal/mol Độ âm điện củanguyên tử cacbon lớn làm tăng khả năng tách nguyên tử hydro, làm cho axetylen cótính axít yếu.

• Cộng halogen

CH ≡ CH + Br2→ BrCH = CHBrBrCH = CHBr + Br2→ Br2CH – CHBr2

Đối với Clo phản ứng xảy ra quá mãnh liệt, toả nhiều nhiệt nên gây phản ứnghuỷ.Trong điều kiện kỹ thuật người ta cho phản ứng cộng Clo trực tiếp với C2H2 trongnhững khối xốp

Phản ứng công nước vào C2H2 và đồng đẳng được Kuserop nghiên cứu năm

1881 Phản ứng tiến hành bằng cách cho C2H2 đi vào dung dịch axit sunfuric loãng cóchứa thuỷ ngân sunfat đóng vai trò xúc tác

HC ≡ CH + H2O HgCl

2 [ CH2 = CH −OH] → CH3CHO

alcolvinylic không bền

• Cộng alcol và axít cacboxylic

Dưới tác dụng của xúc tác thuỷ ngân sunfat hoặc CCl3-COOH, BF3 và HgO,

C2H2 có thể cho phản ứng cộng với alcol tạo ra ete vinylic, cộng với axít cacboxylictạo ra este của Alcol vinylic

( tới 1013 lần ) và hơn tính axit của etylen và etan ít nhất 1018 lần

Nguyên nhân tính linh động cao của nguyên tử hydro trong axetylen so với trongetylen và etan là do độ âm điện của nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hợp khác nhau

Csp> Csp2> Csp3

Do độ âm điện lớn nên liên kết C – H của cacbon mang liên kết ba phân cựcmạnh, tăng cường khả năng prôton hóa của nguyên tử hydro cũng như khả năng thếvới kim loại

• Phản ứng thế với các kim loại khác

Cho axetylen qua Natri kim loại đun nóng ở 1500C hoặc qua dung dịch lỏngNatri amidua (NaNH2) sẽ tạo ra dẫn suất thế Natri axetylenua

Do axetylen là một nguyên liệu đầu vô cùng quan trọng trong công nghiệp tổnghợp hữu cơ Do đó đã từ lâu axetylen được tổng hợp từ rất nhiều nguồn nguyên liệukhác nhau như: than đá, đá vôi hay hydro cacbon

1.2.1.3.1. Sản xuất axetylen đi từ cacbua canxi.

Sản xuất axetylen đi từ nguyên liệu là cacbua canxi, đây là phương pháp chủyếu trong sản xuất axetylen cho tổng hợp hữu cơ.Phương pháp này được sử dụng từrất lâu và nay vẫn được sử dụng khá phổ biến.ở Việt Nam, phương pháp này vẫn làphương pháp chủ yếu để sản xuất axetylen trong công nghiệp

Phương pháp này dựa trên phương trình phản ứng:

CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca(OH)2 + 31,1 KcalTrong sản xuất, khi phân huỷ 1 Kg CaC2 nguyên chất cần 0,562 Kg nước, thuđược 1,156 Kg đá vôi và 0,406 Kg axetylen

Phản ứng phân huỷ CaC2 bằng nước toả rất nhiều nhiệt, nên khi sản xuấtaxetylen phải lấy bớt nhiệt phản ứng bằng cách cho bốc hơi nước

Tổng hợp axetylen từ cacbua canxi thường đi theo hai phương pháp chính đó là:phương pháp ướt và phương pháp khô

• Phương pháp ướt:

Trong phương pháp này axetylen được chuyển hoá với lượng nước dư đi vàothiết bị Phương pháp này cho năng suất nhỏ 1000 m3 C2H2 / h , bã vôi ướt khó sửdụng Thiết bị sử dụng trong phương pháp này lớn và cồng kềnh.Tuy nhiên phươngpháp này dễ tự động hoá hơn phương pháp khô Hơn nữa sản phẩm thu được trongphương pháp ướt khá sạch

• Phương pháp khô:

Đây là phương pháp chủ yếu để sản xuất axetylen trong công nghiệp Phươngpháp này cho năng suất cao hơn phương pháp ướt, có thể đạt 2000 m3/h Sản xuấtaxetylen theo phương pháp khô cho ta bã vôi khô cho nên dễ lấy ra và dễ chuyênchở, có thể tận dụng bã vôi trong các lĩnh vực khác Thiết bị trong phương pháp nàynhỏ và tiện sử dụng hơn Tuy nhiên sản xuất theo phương pháp này cần nhiệt độ caohơn phương pháp ướt, phân huỷ cácbua canxi không hoàn toàn, khó khống chế điềukiện của quá trình Sản phẩm thu được có độ tinh khiết không cao

Do cả hai phương pháp có những ưu điểm riêng nhất định, nên cả hai phươngpháp này vẫn còn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất axetylen.

1.2.1.3.2. Sản xuất axetylen từ hydro cacbon.

Đây là một phương pháp mới dùng để sản xuất axetylen.Cùng với sự phát triểncủa nghành dầu khí, phương pháp này dần dần được thay thế phương pháp sản xuấtaxetylen từ cacbua canxi Sản xuất axetylen từ hydro cacbon, chủ yếu là hydrocacbon khí như metan, etan, propan

Phản ứng phân huỷ metan và các đồng đẳng của nó để sản xuất axetylen nhưsau:

2CH4→ C2H2 + 3H2 - Q ( Q = 90 Kcal )

C2H6 → C2H2 + 2H2 - Q ( Q = 74,4 Kcal )2C3H8→ 3C2H2+ 5 H2 - Q ( Q = 212,7 Kcal )Phản ứng phân huỷ metan để tạo thành axetylen bắt đầu ở 800 0C, để đạt hiệusuất theo yêu cầu thì nhiệt độ phải là 1500 ÷ 1800 0C Các đồng đẳng của metan thìphân huỷ tạo thành axetylen ở nhiệt độ thấp hơn ( khoảng 1100 ÷ 1200 0C )

Để phân huỷ metan và các đồng đẳng của nó thành axetylen, người ta dùng cácphươngpháp sau

• Cracking điện :

Phương pháp này thực hiện lần đầu tiên ở Đức năm 1940.Nguyên tắc của quátrình là thổi nhanh hydro cacbon khí nguyên liệu qua hồ quang điện Vai trò của hồquang điện là tạo ra nhiệt độ cao trong vùng phản ứng, nhiệt độ có thể đến 3000 0C Metan chuyển hoá sau một lần phản ứng khoảng 50 %, khí ra có chứa 40 %

C2H2, phần còn lại là etylen, cacbon và các đồng đẳng của metan

Thực tế khi phân huỷ 100 kg khí thiên nhiên có chứa 80 % metan ta thu được:

45 kg axetylen, 9,2 kg etylen, 5,3kg than ( bồ hóng ), 143 m3 H2

Nồng độ axetylen trong khí sản phẩm khoảng 13 ÷ 16 % thể tích Trước khiđem dùng cần phải phân riêng và tách hydro ( dùng trong công nghiệp tổng hợpamoniac ), bồ hóng ( dùng trong công nghiệp cao su ) và khí chưa phản ứng tuầnhoàn

• Cracking nhiệt :

Khi nhiệt phân metan, ta dùng một phần metan làm nhiên liệu để tạo nhiệt độcao cho phản ứng.Qúa trình này tiến hành ở 1400 ÷ 1500 0C, để đạt đến nhiệt độ đó

ta phải dùng oxy kỹ thuật Trong quá trình này người ta dùng hơi nước cùng vớipentan với tỉ lệ là H2O/C5H12 = 6,5 /1 Vận tốc khí đi trong lò gần 50 m/s, nhiệt độtrung bình là 1100 0C Sản phẩm ra phải làm lạnh 3 bậc để hạ nhiệt độ sản phẩm theoyêu cầu

• Cracking nhiệt trực tiếp

Đun nóng metan đến nhiệt độ yêu cầu, nhờ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt đunnóng Nung nóng đến nhiệt độ 1300 ÷ 1600 0C bằng cách thổi khí đốt vào, sau đóthổi metan Phản ứng thu nhiều nhiệt nên vật đệm chóng nguội đi, chỉ sau một phútlại thổi khí đốt vào và quá trình cứ tiếp tục như vậy

Năm 1950, hãng BASF đã sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên theo phươngpháp này, áp dụng với qui mô công nghiệp, đến năm 1983 tổng sản lượng axetylentrên toàn thế giới sản xuất theo phương pháp này đạt khoảng 40.000 tấn / năm

1.2.2. Quá trình tổng hợp axetaldehyt từ axetylen.[7]

Chất xúc tác quan trọng nhất của quá trình cộng hợp nước của axetylen trongcông nghiệp là các hợp chất của thuỷ ngân:

C2H2+ H2O → CH3CHO , ∆H = - 138,2 kJ/mol

Phương pháp này chỉ thành công trong công nghiệp khi quá trình polime hoá vàquá trình ngưng tụ các sản phẩm của axetaldehyt tạo thành trong môi trường axit trungtính bị loại bỏ Để đạt được điều này thì các nước công nghiệp dầu mỏ liên kết lại vớinhau năm 1912, đã đề xuất ra một quá trình sử dụng vượt quá lượng axetylen trongcùng một điều kiện nhiệt độ và tách ra sản phẩm trung gian axetaldehyt từ các phảnứng lỏng Cùng lúc đó thì nhiệt của phản ứng được lấy từ quá trình chưng cất mộtlượng nước thích hợp Các phản ứng phụ như là oxy hoá axetaldehyt tạo ra axit axetic

và cacbon đi oxyt, kết quả là làm giảm nồng độ Hg2 + thành kim loại thuỷ ngân Ở cácnước phương tây, quá trình sản xuất axetaldehyt từ axetylen đã không còn phổ biếnnữa

Ngày nay việc sản suất axetaldehyt được tiến hành theo 2 phương pháp sau:

 Hydrat hoá trực tiếp axetylen dùng xúc tác thuỷ ngân tiến hành ở phalỏng

 Hydrat hoá axetylen tiến hành ở pha khí.

1.2.2.1. Cơ chế

Phản ứng tiến hành theo cơ chế sau:

Theo Kusherop trước hết thuỷ ngân sunfat kết hợp với phân tử axetaldehyt tạomột hợp chất phức ít tan:

Sau đó hợp chất phức này bị thuỷ phân cho hợp chất cacbonyl và giải phóngthuỷ ngân sunfat

Một phần axetaldehyt bị oxi hoá thành axit axetic và khử HgSO4 thành Hg

CH3CHO + HgSO4 + H2O → CH3COOH + H2SO4 + Hg

Để ngăn chặn quá trình này người ta cho thêm Fe 3+ vào phản ứng và quá trìnhoxy hoá kim loại thuỷ ngân tạo Hg2+, như vậy có thể đảm bảo được hoạt tính của xúctác

1.2.2.2. Xúc tác:

Có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình, theo nguyên tắc để chuẩn bị xúc tác cóthể dùng nhiều loại axit khác nhau: axit sunfuric H2SO4, axit phốtphoric H3PO4, axitclohydric HCl Trong đó tốt nhất là sử dụng axit sunfuric vì nó cho vận tốc phản ứnglớn nhất và hiệu suất axetaldehyt cao.[3]

Nồng độ axit sunfuric dao động trong khoảng 6 - 35 % ( theo lượng chất lỏng ).Nồng độ axit càng cao vận tốc phản ứng càng lớn và giảm lượng xúc tác cần thiết,nhưng nồng độ axit lớn sẽ tạo thành nhựa gây ra hao và bẩn.Thông thường người tadùng axit nồng độ 20%

Nồng độ oxyt thuỷ ngân trong xúc tác lỏng không cho lớn hơn 1 %.Khi nồng độHgO lớn hơn 1% ít ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng mà làm hao tổn thuỷ ngân khi đitái sinh dung dịch xúc tác.

Trong quá trình làm việc xúc tác bị giảm hoạt tính khá nhanh do axetaldehyt làchất khử mạnh sẽ khử muối Hg2+ thành Hg+ và Hg

Hg2SO4 + CH3CHO + H2O → Hg2SO4 + H2SO4 + CH3COOH

Hg2SO4 + CH3CHO + H2O → 2Hg + H2SO4 + CH3COOH

Để hạn chế quá trình trên người ta cho vào dung dịch xúc tác các chất oxy hoáyếu có khả năng oxy hoá thuỷ ngân kim loại thành Hg+ và Hg2+, nhưng không ảnhhưởng đến axetaldehyt Người ta hay dùng sunfat sắt để làm chất oxy hoá

Hg + Fe2(SO4)3 → HgSO4 + 2 FeSO4

Hg2SO4 + Fe2(SO4)3 → HgSO4 + 2 FeSO4

Để duy trì nồng độ Fe2(SO4)3 trong dung dịch không thay đổi sau từng quá trìnhlàm việc phải lấy phần FeSO4 ra đi tái sinh:

6 FeSO4+ 2 HNO3 + 3H2SO4 → 3 Fe2(SO4)3 + 4 H2O + 2NO

Việc tái sinh dung dịch phản ứng gồm các giai đoạn sau:

• Dùng hơi nóng thổi hết axetaldehyt có trong dung dịch xúc tác ra

• Lắng để tách các cặn hữu cơ có trong xúc tác

• Bão hoà dung dịch bằng axit sunfuric và sunfat sắt

• Dùng axit nitric để oxy hoá sắt hoá trị 2 thành sắt hoá trị 3, dung không khí thổivào để khuấy trộn và đẩy oxyt nitơ ra

Xúc tác đã tái sinh đem chưng khô với canxi cácbonat và đem dùng lại

Trong kĩ thuật thường dùng xúc tác có thành phần như sau:

0C 20

40 60 80

1.2.2.5.1. Quá trình hydrat hoá axetylen trong pha lỏng.

Phương pháp này tiến hành theo phản ứng của Kysherop: Cho axetylen tácdụng với nước dùng chất xúc tác HgO hoà tan trong axit sunfuric, giai đoạn trung gian

là alcol vinylic không bền và cuối cùng ta được axetaldehyt:

 Thuyết minh sơ đồ

Khí axetylen mới và axetylen tuần hoàn cho vào máy thổi khí, (áp suất khôngcao hơn 1,5 atm ) thổi vào đáy tháp hydrat hoá Hỗn hợp hơi thoát ra ở đỉnh tháphydrat hoá liên tục cho vào các thiết bị làm lạnh Phần ngưng tụ ở tháp làm lạnh ( chủyếu là nước ) cho quay lại tháp hydrat hoá Dung dịch nước axetaldehyt( ngưng tụ ởthiết bị) cùng với hơi và khí không ngưng cho vào tháp hấp thụ đĩa

Dùng nước rửa để tách axetaldehyt ra khỏi axetylen chưa phản ứng, thu đượcaxetylen cho quay lại tháp hydrat hoá Để tránh tích tụ khí trơ (N2, O2, CO2 ) trong thiết

bị phản ứng, một phần khí tuần hoàn phải đem đi tái sinh ( dùng nước áp suất cao đểrửa axetylen ) hoặc dùng để sản xuất than hoạt tính , tricloetylen và nhiều sản phẩmkhác

Dung dịch axetaldehyt 8 - 10% thu được ở tháp rửa cho vào hai tháp tinh luyệnlàm việc liên tục Axetylen thoát ra ở tháp chưng cất sơ bộ cho quay lại tháp hydrathoá Phần chủ yếu ( nhẹ ): dung dịch nước axetaldehyt với hỗn hợp phụ tạo thànhaldehyt crôtonic Phần đáy tháp ( chủ yếu là nước có chứa một ít axit axetic ) tháo racống Phần nhẹ được đưa tới tháp chưng cất số 2 Tại đây axetaldehyt và các sản phẩmphụ được tách riêng biệt.Axetaldehyt được tách ở đỉnh tháp và đưa tới bồn chứa, sảnphẩm phụ được lấy ra ở đáy tháp

Sản xuất axetaldehyttheo phương pháp hydrat hoá trực tiếp dùng xúc tác thuỷngân ta thu được sản phẩm có nồng độ axetaldehyt cao

Bảng 1.7 Sản phẩm của quá trình theo phương pháp hydrat hóa trực tiếp

Axetaldehyt 99,4 - 99,8%

Para andehit 0,03 - 0,1Aldehyt crotonic 0,02 - 0,03

Ngoài ra thuỷ ngân bốc hơi rất độc ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân vàgây ra các bệnh nghề nghiệp Việc tái sinh xúc tác của thuỷ ngân tương đối phức tạp,thiết bị làm việc phải chống ăn mòn của H2SO4 Đó là những nhược điểm của phươngpháp này nên hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước sản xuất axetaldehyttheo phươngpháp khác

1.2.2.5.2. Quá trình sản xuất axetaldehyt bằng axetylen tiến hành trong pha khí.

Năm 1916 người ta đã nghiên cứu phương pháp điều chế axetaldehyt bằng cáchhydrat hoá axetylen dùng xúc tác rắn, nhưng mãi tới những năm gần đây mới áp dụngcho công nghiệp

Khó khăn chính của quá trình là chọn xúc tác và điều kiện phản ứng thích hợp.Xúc tác tốt nhất cho quá trình là axit phôtphoric và muối kẽm tẩm trên thanhoạt tính hoặc silicagen, dùng xúc tác này đạt được hiệu suất axetaldehyt là 92 - 96%

so với lý thuyết và axetylen chuyển hoá được 60%

Nhiệt độ quá trình phụ thuộc vào xúc tác và dao động trong khoảng 250 - 400

0C.Nhiệt độ càng cao thì phản ứng tiến hành càng nhanh nhưng xúc tác cũng mau mấthoạt tính

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hydrat hoá rất lớn nên dễ nung nóng xúc tác làmcho quá trình tạo sản phảm phụ Để khắc phục khó khăn đó người ta cho dư hơi nước

Tỉ số axetylen và hơi nước thường dùng là 1 : 10 đến 1 : 20, hoặc có thể pha thêm khítrơ với hơi nước và cho qua lớp xúc tác ở nhiệt độ cao, do đó có thể dùng vận tốc C2H2

lớn và giảm thời gian tiếp xúc giữa C2H2 và lớp xúc tác đến 1/10 giây, giảm bớt sảnphẩm phụ

Dùng phương pháp này ta có thể dùng C2H2 nồng độ thấp, chẳng hạn C2H2thuđược khi nhiệt phân CH4 như vậy giảm được giai đoạn làm giàu C2H2

Do những ưu điểm trên nên phương pháp hydrat hoá axetylen dùng xúc tác rắnrất có nhiều triển vọng phát triển

 Thuyết minh sơ đồ

Dòng nguyên liệu axetylen đầu tiên được đưa vào đường (1) và sau đó chia làm 3phần tương đương nhau là (2,3,4) Ba nguồn nguyên liệu này lần lượt được dẫn vào lỗthoát máy phun (5,6,7) Dòng nguyên liệu (4) kết hợp với dòng tuần hoàn (13) đượcdẫn vào đường (12).Hỗn hợp axetylen và hơi nước này được đưa vào thiết bị nungnóng (14) để tăng nhiệt độ lên 3150C, sau đó đưa vào thiết bị (15) Tại đây tiếp xúc vớichất xúc tác trong (16)

Thiết bị chảy dòng chứa etylen chảy từ thiết bị phản ứng (2) có chứa etylen vàaxetylen, sản phẩm axetandehyt với hơi sẽ thoát ra ngoài ở nhiệt độ 4250C ở đường(17), dòng chảy này được trộn lẫn với hỗn hợp nguyên liệu và hơi sạch từ máy phun(6) ở đường (18), nước để làm lạnh ở đường (19) phải đưa vào đủ để làm giảm nhiệt

độ của hỗn hợp phản ứng ở trong ống (18) xuống 3150C là nhiệt độ phản ứng ban đầumong muốn Hỗn hợp ở (18) được đưa vào thiết bị tháo lỏng hình trụ (20) đưa qua ốngvào thiết bị phản ứng (23), ở trong thiết bị này có tiếp xúc với xúc tác cố định (24) làcanxi orthophosphat đã được hoạt hóa 0,3% đồng orthophosphat

Dòng chảy thứ (2) được tháo ra từ dòng chảy (23) qua ống (25) ở nhiệt độ

425oC có thành phần tương tự như dòng chảy thiết bị (15).Nguyên liệu với hơi sạchđược tháo ra từ máy phun 7 qua ống (26) được trộn với nước lạnh qua ống (19) và vàoống (27) được trộn với hỗn hợp ra khỏi thiết bị phản ứng (23) để giảm nhiệt độ, saukhi hỗn hợp đã giảm nhiệt độ được dẫn vào thiết bị hình trụ (29).Ở đây có ống (30) đểthoát chất lỏng ra khỏi thiết bị lượng nước làm lạnh trong ống (25) xuống 315oC lànhiệt độ tối ưu để bắt đầu phản ứng

Hơi bay lên từ thiết bị tháo khuôn hình (29) theo đường (31) vào thiết bị (32) Ởthiết bị (32) nó tiếp xúc với lớp xúc tác cố định là canxi orthor -phosphat.Lượng xúctác ở mỗi lớp thiết bị là như nhau, mỗi loại chứa 48m3 chất xúc tác Thiết bị tháokhuôn hình trụ để bảo vệ không cho dung dịch nước đi vào thiết bị (23) và (32) Thôngthường trong quá trình vận hành thiết bị này là không cần thiết

Dòng thứ (2) tháo ra ở thiết bị (32) ở nhiệt độ 4250C có thành phần của dòngnhư dòng tháo ra ở thiết bị (15) và (24) Dòng thứ biến áp này qua ống (34) vào thiết

bị đun nóng ở thiết bị (14) bằng cách trao đổi nhiệt gián tiếp với hơi, trong ống (12) Ởống (14) dòng thứ biến áp này được làm lạnh tới nhiệt độ 280oC và dẫn vào thiết bị

làm lạnh không khí (36) và ngưng tụ (37) được được vào thiết bị tách nhanh (38), ở đókhí lỏng được tách ra rất hiệu quả.Quá trình này làm việc ở áp suất 15 psi.

Pha khí từ thiết bị tách (38) được vào ống (39) vào thiết bị nén cấp (2), khí đãđược nén đưa qua thiết bị làm lạnh trung gian (41) và sau đó vào thiết bị tách nhanh(43) để tách lỏng khí Thiết bị (43) được vận hành ở áp suất 50 psi.Chất lỏng đượctách ra từ thiết bị (43) được quay lại thiết bị tách nhanh (38) Khí bay ra khỏi thiết bị(43) vào thiết bị làm lạnh hai cấp cao hơn ở đó hỗn hợp khí được nén tới áp suất 170psi

Khí đã nén qua đường (46) vào phân đoạn (47) của thiết bị phân đoạn (48).Mộtphần còn lại của thiết bị cất phân đoạn được nạp với vật liệu nạp phù hợp như yêucầu.Dung dịch lỏng từ thiết bị tách (38) được đẩy vào phân cất phân đoạn.Thiết bị cấtphân đoạn làm việc ở áp suất 150 psi và tới nhiệt độ đỉnh là 45oC và nhiệt độ đáy là

1800C

Hơi ở trên thiết bị (48) gồm etylen, axetylen chưa phản ứng và sản phẩmaxetandehyt được đưa qua ống (52) vào phân đoạn nạp (53) của thiết bị bị cất phânđoạn (54) Thiết bị đun sôi lại (55) và thiết bị ngưng tụ (56) để cung cấp nhiệt cần thiết

và lượng lỏng hồi lưu trong quá trình vận hành thiết bị cất phân đoạn (53) Thiết bị nàylàm việc ở áp suất 135 psi.Nhiệt độ đỉnh là 25oC và nhiệt độ đáy là 40oC.Chất làm lạnhphù hợp nhất là propan và propylen được đưa vào thiết bị (55) để duy trì nhiệt độ làmviệc của thiết bị (53)

Hỗn hợp khí gồm etylen và axetylen chưa phản ứng được tháo ra thì thiết bị(53) qua đường (56) ra ngoài.Dòng hơi nước được lấy ra từ đáy thiết bị (48) qua ống(48) qua ống (60).Một phần nhỏ lượng hơi nước này qua ống (61), (19), (27) để giảmnhiệt độ của dòng chất lỏng của dòng thiết bị (15), (23) đi ra và còn lại là nước đưa rangoài ống (62)

1.2.2.5.3. Hydrat hoá gián tiếp axetylen để điều chế axetaldehyt.

Quá trình tiến hành theo phản ứng:

CH3OH + HC ≡CH → CH3O CH=CH2

CH3OCH = CH2 + H2O→ CH3CHO + CH3OHGiai đoạn một tổng hợp vinyl ête từ axetylen và rượu metylic.Phản ứng tiến hànhdưới áp suất 15 - 60 atm có NaOH tham gia

Giai đoạn hai thuỷ phân vinyl ête, có thể tiến hành trong pha lỏng hoặc pha khí.Nếu tiến hành trong pha lỏng duy trì nhiệt độ 80 - 100 0C, dưới áp suất 2,5 atm

và 0,25% dung dịch H2SO4 Nếu tiến hành ở pha khí, thổi hỗn hợp hơi Vinyl ête vànước ở 210 0C và 5 atm qua xúc tác axit phôtphoric 6% ngậm trên Silicagen Tiếnhành theo phương pháp này ta thu được axetaldehyt rất sạch (99,7 - 99,9%), hiệu suấtđạt 99% so với lý thuyết

Qua tính toán người ta thấy rằng phương pháp này cần một số vốn đầu tư lớn vìphải trang bị các thiết bị làm việc dưới áp suất cao

CHƯƠNG 2 :THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Lựa chọn công nghệ.

Ngày nay có nhiều công nghệ sản xuất axetaldehyt được dùng trên thế giới, mỗicông nghệ đều có những ưu nhược điểm riêng của nó Công nghệ sản xuất đi từ nguồn

nguyên liệu là axetylen có từ lâu đời, sử dụng nguồn nguyên liệu đắt tiền và xúc tácthủy ngân độc nhưng nhờ vào những đặc tính ưu việt của nó nên công nghệ này vẫncòn tồn tại và phát triển Quá trình hydrat hóa trong pha lỏng của công nghệ này vẫn làquá trình chính.

2.2 Xây dựng quy trình.

Hình 1.4.Sơ đồ xây dựng quy trình công nghệ sản xuất axetandehyt đi từ axetylen

• Tháp tổng hợp là tháp sủi bọt Tại đây xảy ra quá trình hydrat hóa axetylen tạothành axetaldehyt Nhiệt độ phản ứng là 97oC, áp suất 2at Trong tháp chứa đầydung dịch xúc tác (Hg2+, H2SO4)

• Hỗn hợp khí sau khi đi ra khỏi tháp phản ứng sẽ vào tháp hấp thụ Tại đâycácsản phẩm sẽ được hấp thụ bằng nước còn khí không phản ứng sẽ tuần hoàn vềdòng nguyên liệu

• Sản phẩm đi ra khỏi tháp hấp thụ sẽ được đưa vào 2 tháp chưng luyện làm việcliên tục nhằm tách hết các sản phẩm phụ

Phương pháp hydrat hóa axetylen trong pha lỏng để sản xuất axetaldehyt cho ta sảnphẩm có độ tinh khiết rất cao

2.3 Sơ đồ công nghệ

 Thuyết minh quy trình công nghệ

Khí axetylen sạch và khí axetylen tuần hoàn sẽ được bơm khí (1) bơm vào thiết

bị tách sơ bộ (2).Tại đây các khí thải và hơi nước sẽ được tách ra ngoài.Khí đã đượctách sẽ đi vào dưới đáy của thiết bị phản ứng (3).Tại nhiệt độ 97oC, áp suất 2ataxetylen bị hydrat hóa tạo ra axetaldehyt và một số sản phẩm phụ khác.Sản phẩm đượclấy ra trên đỉnh tháp.Xúc tác được lấy ra giữa thân tháp và được đưa đến thiết bị táisinh (7).Tại đây xúc tác được tái sinh và được bơm (6) bơm trở lại tháp phản ứng.Hỗn

hợp khí sản phẩm, xúc tác bị lôi cuốn đi ra từ đỉnh tháp phản ứng sẽ đi vào đỉnh thiết

bị làm lạnh (4).Tác nhân làm lạnh là nước.Dòng sản phẩm sẽ được lấy ra ở đáy tháplàm lạnh và được đưa đến thiết bị phân tách và hồi lưu (5).Tại thiết bị này sản phẩm sẽđược tách ra 2 phần riêng biệt Phần lỏng là dung dịch xúc tác sẽ được đưa trở lại thápphản ứng Phần khí là CH3CHO, C3H5CHO, CH3COOH, C2H2dư Hỗn hợp khí này sẽ

đi qua thiết bị làm lạnh bổ sung (8) Hỗn hợp đi ra khỏi tháp làm lạnh bổ sung sẽ đivào tháp rửa khí bằng nước(9) Tại đây các khí CH3CHO, CH3COOH,C3H5CHO, sẽ bịhấp thụ hết và đi xuống đáy tháp, phần khí không bị hấp thụ là C2H2 đi ra khỏi đỉnhtháp và nhập vào dòng hồi lưu quay trở lại làm nguyên liệu Sản phẩm lỏng của tháprửa (9) được đưa đến thùng chứa axetaldehyt thô(10) Axetaldehyt thô này sẽ đượcbơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) đi vào giữa thân tháp chưng cất sơ bộ (12).Hơi quá nhiệt sẽ đi vào đáy tháp gia nhiệt cho tháp Tại tháp chưng cất sơ bộ này phầnnhẹ hơn sẽ được lấy ra ở đỉnh tháp phần lỏng là dung dịch chứa CH3COOH được lấy

ra ở đáy tháp và đi đến thiết bị trao đổi nhiệt làm chất tải nhiệt Hỗn hợp khí khi đi rakhỏi tháp chưng cất sơ bộ (12) được đưa đến thiết bị ngưng tụ, phần khí được đưa trởlại dòng nguyên liệu Phần lỏng đưa vào giữa thân tháp tinh luyện (15).Một phần đượchồi lưu lại tháp (12).Tại tháp tinh luyện axetaldehyt sẽ được tách trên đỉnh tháp quathiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và đi ra bể chứa.Một phần được hồi lưu lại tháp Sảnphẩm lỏng được lấy ra dưới đáy tháp và qua thiết bị đun sôi đáy tháp (14) Dòng lỏngnóng được bơm đưa trở lại tháp tinh luyện một phần lấy ra ngoài.Đây là hỗn hợp gồm

C3H5CHO, CH3COOH

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 3.1 Tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng.

Các số liệu ban đầu:

Năng suất: 50.000 tấn /năm

Thành phần nguyên liệu:

C2H2 = 99 %

H2O = 0,03 %

O2= 0,01 %

N2= 0,96 %Mức độ chuyển hoá: 55 %Nước sử dụng trong quá trình là nước công nghiệp, coi như không có tạp chất.Thành phần sản phẩm:

CH3CHO = 97 %

CH3COOH = 3 %Tổn thất: 4 %

3.1.1 Tính cân bằng vật chất.

3.1.1.1 Xác định thời gian làm việc của phân xưởng

Chọn thiết bị làm việc của phân xưởng là loại thiết bị tháp sủi bọt làm việc liêntục không nghỉ ngày lễ và chủ nhật.Thiết bị chỉ ngừng làm việc khi cần phải bảodưỡng, sửa chữa.Năng suất của phân xưởng phụ thuộc rất nhiều vào thời gian làm việccủa thiết bị

Thời gian làm việc được tính theo công thức:

Trong đó:

TTT : Số ngày làm việc thực tế của thiết bị trong năm

T : Tổng số ngày trong một năm (365 ngày)

Tnghi : Số ngày nghỉ để sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng thiết bị, ở đây ta chọn 20 ngày đại

tu, 10 ngày trung tu

Như vậy số ngày làm việc trong thực tế một năm là:

(ngày)

Từ đó ta tính được số giờ làm việc trong một năm là:

(giờ/năm)

3.1.1.2 Cân bằng vật chất đối với tháp hydrat hoá :

a Tính lượng axetylen cần dùng để sản xuất axetaldehyt:

Năng suất sản xuất axetaldehyt trong 1 giờ :

(kg/h)Trong quá trình sản xuất do tổn thất là 4% nên năng suất thực tế của thiết bị là :

là :

(kg/h) Tuy nhiên do mức độ chuyển hoá là 55% nên lượng axetylen tinh khiết thực tế cầndùng là:

(kg/h)Axetylen đưa vào có nồng độ 99% nên lượng axetylen kỹ thuật đưa vào là :

(kg/h)Lượng axetylen còn dư là :

(kg/h)Thành phần nguyên liệu đưa vào có lẫn 0,03% H2O, 0,01% O2, 0,96% N2 Nên ta cóthể tính được lượng tạp chất như sau:

+ Lượng nước lẫn trong nguyên liệu đưa vào :

(kg/h) + Lượng oxi lẫn trong nguyên liệu đưa vào :

(kg/h) + Lượng Nitơ lẫn trong nguyên liệu đưa vào :

(kg/h)

b Lượng nước cần thiết cho quá trình hydrat hoá :

Để tiện cho việc tính toán, ta coi nước dùng trong quá trình là nước kỹ thuật(nước

đã loại bỏ tạp chất)

Vậy lượng nước cần dùng theo phương trình phản ứng (1) là :

(kg/h)

c Tính tiêu hao nguyên liệu cho sản phẩm phụ :

Trong quá trình sản xuất, ngoài sản phẩm tạo ra la axetaldehyt còn có axit axetic,crotonaldehyt

Các phản ứng phụ xảy ra như sau :

CH3CHO + O2CH3COOH (2)

C2H2 + CH3CHO CH3CH=CHCHO (3) Theo các số liệu ban đầu có 3% axetaldehyt tham gia phản ứng phụ Do đó, lượngaxetaldehyt tham gia phản ứng phụ là :

(kg/h) Lượng axetaldehyt thực tế thu được là :

(kg/h)Trong nguyên liệu mang vào có 0,702 kg/h oxi Do vậy, theo phương trình phản ứng(2) lượng axetaldehyt tham gia phản ứng tạo axit axetic mỗi giờ là :

(kg/h)

Do vậy lượng axetaldehyt tham gia phản ứng phụ (3) tạo crotonaldehyt là:

194,03 – 1,9305 = 192,2435 (kg/h) Lượng axetylen tham gia phản ứng (3) là :

(kg/h)Lượng axit axetic tạo ra theo phản ứng (2) là :

(kg/h) Lượng crotonaldehyt tạo ra theo phản ứng phụ (3) là :

(kg/h)Lượng axetylen còn dư sau quá trình phản ứng là :

(kg/h)Trong quá trình sản xuất tổng lượng sản phẩm ra bằng tổng lượng nguyên liệu vào Do

đó, ta có bảng cân bằng vật chất sau :

Bảng 3.1: Cân bằng vật chất cho tháp hydrat hóa

3.1.1.3 Cân bằng vật chất đối với tháp hấp thụ :

Sản phẩm sau khi ra khỏi tháp hydrat hoá, quá hệ thống làm lạnh.Phần ngưng tụ

ở thiết bị làm lạnh chủ yếu là nước được cho quay trở lại tháp hydrat hóa Dung dịchaxetaldehyt cùng với hơi và khí không được ngưng tụ đưa sang tháp hấp thụ

Tại tháp hấp thụ ta dùng nước để hấp thụ axetylen

Sản phẩm đi vào tháp hấp thụ gồm có : CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO,

C2H2(dư), N2, H2O

Phương trình cân bằng vật liệu của quá trình hấp thụ :

Trong đó :

L : lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h

G : lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h

yđ, yc : nồng độ đầu và nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí, kg/kgkhí trơ

xđ, xc : nồng độ đầu và cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi, kg/kg dung môi Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ :

(kg/h)Coi axetylen bị hấp thụ 90%, vậy lượng axetylen hấp thụ là :

(kg/h) Lượng axetylen không bị hấp thụ là :

(kg/h)Mặt khác, biết rằng dung dịch axetaldehyt đi ra khỏi tháp hấp thụ chứa khoảng 9%axetaldehyt, vậy lượng dung dịch đi ra khỏi tháp là :

(kg/h) Hỗn hợp ra khỏi đáy tháp hấp thụ gồm có : CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO,

C2H2(bị hấp thụ), H2O

Suy ra:

(kg/h) Theo phương trình cân bằng vật chất thì tổng lượng ra bằng tổng lượng vào

Bảng 3.2: Cân bằng vật chất cho thiết bị hấp thụ

3.1.1.4 Cân bằng vật chất đối với tháp chưng :

Sau khi thoát ra khỏi tháp hấp thụ, hỗn hợp được đưa sang tháp chưng Tại đâyaxetylen thoát ra khỏi đỉnh tháp

Hỗn hợp vào thiết bị chưng gồm có: CH3CHO, CH3COOH, C3H5CHO, C2H2(bịhấp thụ), H2O

Lượng chất vào thiết bị chưng bằng lượng chất ra khỏi đáy của thiết bị hấp thụ

Các chất ra khỏi thiết bị chưng ở đỉnh gồm có : C2H2, CH3CHO, C3H5CHO

Lượng C2H2 ra khỏi đỉnh tháp là :

(kg/h) Lượng dung dịch axetaldehyt và crotonaldehyt ra khỏi tháp là :

(kg/h)Lượng chất ra khỏi đáy thiết bị gồm : CH3COOH, H2O:

(kg/h)

Ta có lượng vật chất ra bằng lượng vật chất vào

Bảng 3.3: Cân bằng vật chất cho tháp chưng

3.1.1.5 Cân bằng vật chất đối với tháp tinh luyện :

Hỗn hợp đi vào thiết bị tinh luyện gồm có CH3CHO, C3H5CHO

Lượng chất đi vào thiết bị tinh luyện là:

Có 99% axetaldehyt đi ra khỏi tháp tinh luyện

Do vậy lượng axetaldehyt ra khỏi tháp tinh luyện là :

(kg/h)Lượng chất(gồm axetaldehyt và crotonaldehyt) ra khỏi đáy tháp là:

Lượng chất ra khỏi đáy tháp được hồi lưu một phần(5%) Vậy lượng chất thực ra khỏiđáy tháp là:

(kg/h)