Tự động hóa các quá trình công nghệ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Việc ứng dụng rộng rãi Tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa, thực phẩm đang là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất và thực phẩm. Tự động hóa chính là sự ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị và các máy điều khiển. Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn (các điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người. Những hiệu quả mà Tự động hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế xã hội là vô cùng quan trọng, đó là: Năng suất thiết bị công nghệ tăng trên cơ sở duy trì các thông số tối ưu của công nghệ. Chất lượng sản phẩm cao, ổn định và giá thành hạ. Giảm tổn thất, chi phí nguyên vật liệu cũng như nhiên liệu trong sản xuất. Giảm kích thước nhà xưởng, tiết kiệm mặt bằng. Nâng cao năng suất lao động và tăng cường độ của quá trình. Cho phép ứng dụng các công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao, không thể tiến hành được trong điều kiện điều khiển thủ công. Giảm sự mài mòn thiết bị và kéo dài khoảng thời gian giữa các đợt sửa chữa, qua đó tăng độ đồng đều trong chế độ làm việc của thiết bị. Nâng cao độ tin cậy của quá trình, hạn chế các sự cố trong sản xuất. Cải thiện điều kiện lao động cho các nhân viên sản xuất, đặc biệt quan trọng ở những công đoạn độc hại, có ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động.Trong bài tiểu luận này em xin trình bày về “Tự động hóa quá trình sản xuất axit axetic bằng phương pháp oxi hóa axetaldehyt”.Axit axetic là một hợp chất hữu cơ quan trọng liên quan đến nhiều ngành công nghiệp như: sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất bánh kẹo, gia vị và rượu; sử dụng trong công nghiệp sản xuất sơn, sản xuất nhựa, ngoài ra nó còn làm dung môi cho nhiều quá trình khác. Do có tầm quan trọng như vậy nên nhu cầu sử dụng axit axetic là rất lớn, đòi hỏi ngành sản xuất axit axetic phải có bước phát triển phù hợp với nhu cầu đó. Trong công nghiệp, axit axetic được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp oxy hóa axetaldehyt trong pha lỏng với tác nhân oxy hóa là oxy hoặc không khí. Đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm cho hiệu suất rất cao thường đạt 95 ÷ 98%, nó đóng góp rất nhiều vào nhu cầu sử dụng axit axetic của con người.
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Tự động hóa các quá trình công nghệ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Việc ứng dụng rộng rãi Tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa, thực phẩm đang là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất và thực phẩm Tự động hóa chính là sự ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị và các máy điều khiển Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn (các điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người Những hiệu quả mà Tự động hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế xã hội là vô cùng quan trọng, đó là:
* Năng suất thiết bị công nghệ tăng trên cơ sở duy trì các thông số tối ưu của công nghệ
* Chất lượng sản phẩm cao, ổn định và giá thành hạ
* Giảm tổn thất, chi phí nguyên vật liệu cũng như nhiên liệu trong sản xuất
* Giảm kích thước nhà xưởng, tiết kiệm mặt bằng
* Nâng cao năng suất lao động và tăng cường độ của quá trình
* Cho phép ứng dụng các công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao, không thể tiến hành được trong điều kiện điều khiển thủ công
* Giảm sự mài mòn thiết bị và kéo dài khoảng thời gian giữa các đợt sửa chữa, qua đó tăng độ đồng đều trong chế độ làm việc của thiết bị
* Nâng cao độ tin cậy của quá trình, hạn chế các sự cố trong sản xuất
* Cải thiện điều kiện lao động cho các nhân viên sản xuất, đặc biệt quan trọng ở những công đoạn độc hại, có ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động
Trong bài tiểu luận này em xin trình bày về “Tự động hóa quá trình sản xuất axit axetic bằng phương pháp oxi hóa axetaldehyt”.
Axit axetic là một hợp chất hữu cơ quan trọng liên quan đến nhiều ngành công nghiệp như: sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất bánh kẹo, gia vị và rượu; sử dụng trong công nghiệp sản xuất sơn, sản xuất nhựa, ngoài
ra nó còn làm dung môi cho nhiều quá trình khác Do có tầm quan trọng như
Trang 2vậy nên nhu cầu sử dụng axit axetic là rất lớn, đòi hỏi ngành sản xuất axit axetic phải có bước phát triển phù hợp với nhu cầu đó Trong công nghiệp, axit axetic được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp oxy hóa axetaldehyt trong pha lỏng với tác nhân oxy hóa là oxy hoặc không khí Đây là một phương pháp có nhiều ưu điểm cho hiệu suất rất cao thường đạt 95 ÷ 98%, nó đóng góp rất nhiều vào nhu cầu sử dụng axit axetic của con người
Trang 3PHẦN I
MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT AXETIC
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH OXY HÓA AXETALDEHYT SẢN XUẤT AXIT AXETIC
I.1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình
I.1.1.1 Axit axetic (CH 3 COOH)
Axit axetic là một axit hữu cơ yếu, nó là một chất lỏng không màu, có mùi hăng, có tính ăn mòn và là chất nguy hiểm đối với da Axit axetic có nhiệt độ nóng chảy 16,6oC, nhiệt độ sôi tại 101,3 kPa là 117,9oC và có khối lượng riêng 1,105 g/cm3
Axit axetic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dệt, đồng thời là sản phẩm trung gian rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ Trong các dẫn xuất của axit axetic thì vinyl axetat và anhydric axetic có ứng dụng rộng rãi nhất Vinyl axetat được sử dụng trong quá trình sản xuất sơn, chất kết dính, giấy bọc và trong công nghiệp dệt Anhydric axetic được sử dụng để sản xuất sợi bong, đầu lọc thuốc lá, nhựa xenlulo và xử lý sợi Ngoài ra, axit axetic còn dùng làm dung môi cho nhiều quá trình khác
I.1.1.2.Axetaldehyt (CH 3 CHO)
Axetaldehyt là một chất lỏng không màu, có mùi cay gây ngạt thở, hăng
và khi pha loãng có mùi trái cây nhẹ; có nhiệt độ sôi tại 101,3 kPa là 20,16oC Axetaldehyt tan hoàn toàn trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ, là hợp chất có khả năng phản ứng hóa học rất cao
Axetaldehyt dễ bị biến đổi thành paraldehyt và andehyt crotonic, ngay cả khi bảo quản thì một lượng nhỏ axetaldehyt cũng bị biến đổi Vì vậy mà làm cho sản phẩm của quá trình không tinh khiết, có lẫn nhiều tạp chất, gây khó khăn cho quá trình tình chế và làm sạch sản phẩm, hiệu quả không cao Cùng một điều kiện oxy hóa và xúc tác, axetaldehyt có thể bị biến đổi thành nhiều sản phẩm khác nhau:
Trang 4CH3CHO + 0,5O2 CH3COOH
2CH3CHO + 1,5O2 CH3COOCH3 + H2O + CO2
3CH3CHO + O2 CH3CH(OCOCH3)2 + H2O
3CH3CHO + 3O2 HCOOH + 2CH3COOH + H2O + CO2
3CH3CHO + 5O2 4COCO2 + 4COH2O
Để khắc phục hiện tượng này, ngoài việc khống chế nghiêm ngặt chế độ oxy hóa và sử dụng loại xúc tác thích hợp ta còn phải sử dụng axetaldehyt có hàm lượng trên 99% khối lương, không quá 1% khối lượng paraldehyt và andehyt crotonic
Khoảng 95% axetaldehyt được dùng làm sản phẩm trung gian trong các nhà máy chế biến hóa học, nhưng chủ yếu là để sản xuất axit axetic
I.1.1.3 Xúc tác
Xúc tác sử dụng cho quá trình oxy hóa axetaldehyt có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng và hướng phản ứng theo chiều tạo sản phẩm chính và đảm bảo sự chảy qua của tất cả các giai đoạn với vận tốc như nhau Mặt khác, xúc tác còn có một vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa aldehyt, đó là chúng phân hủy các peroxyt và giảm tối thiểu nguy cơ nổ
Hiện nay, người ta thường dùng xúc tác axetat mangan Ngoài ra, có thể
sử dụng xúc tác axetat coban hoặc axetat đồng, tuy nhiên nếu sử dụng hai loại xúc tác này thì sản phẩm axit axetic thu được sẽ có lẫn cả anhydric axetic Hàm lượng xúc tác có mặt trong khối lượng có ảnh hưởng tới vận tốc oxy hóa Khi tăng nồng độ xúc tác thì tốc độ phản ứng không tăng hoặc tăng rất chậm Giới hạn lượng xúc tác dùng trong sản xuất axit axetic là 0,05 ÷ 0,1% trọng lượng
I.1.1.4 Tác nhân oxy hóa
Trong công nghiệp sản xuất axit axetic người ta thường sử dụng tác nhân oxy hóa là oxy phân tử Đây là loại tác nhân oxy hóa phổ biến nhất dùng cho phần lớn các quá trình oxy hóa Tác nhân này có thể sử dụng dưới dạng không khí, oxy kỹ thuật hoặc hỗn hợp oxy – nitơ Quá trình sử dụng tác nhân oxy không khí thường xảy ra với tốc độ chậm nhưng có thể cải thiện được nhờ tăng nhiệt độ, áp suất Dạng oxy kỹ thuật thường được sử dụng trong
Trang 5trường hợp oxy hóa pha khí, và sự có mặt của nitơ gây cản trở quá trình tách sản phẩm
Cả oxy không khí và oxy kỹ thuật đều tạo hỗn hợp nổ với các hợp chất hữu cơ, mà áp suất càng tăng thì càng tăng giới hạn cháy nổ Do đó cần nghiên cứu cẩn thận tới giới hạn này trước khi sử dụng
Oxy hóa bằng khí oxy thường được tiến hành trong dung dịch nước (nếu
có thể), vì trong dung môi này tránh được cháy nổ Chỉ những nơi phản ứng kém mãnh liệt thì có thể tiến hành trong dung môi hữu cơ
I.1.2 Nguyên tắc của quá trình
Phản ứng oxi hóa axetaldehyt là phản ứng tỏa nhiệt:
CH3CHO + 1/2 O2 → CH3COOH ∆H0
298 = -265 kJ/mol Ban đầu, axetaldehyt tác dụng với oxy sinh ra sản phẩm trung gian là axit peraxetic:
CH3CHO + 1/2 O2 → CH3COOOH Sau đó, axit peraxetic phản ứng với axetaldehyt để cho axit axetic:
CH3COOOH + CH3CHO → 2 CH3COOH Phản ứng được tiến hành trong pha lỏng, có mặt axetat mangan làm xúc tác và xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc Quá trình tạo axit peraxetic không cần đến xúc tác, chỉ quá trình chuyển hóa tiếp theo mới cần thiết có xúc tác Khi phản ứng tạo axit axetic bắt đầu thì màu của dung dịch phản ứng thấy bất chợt xuất hiện màu nâu do mangan(II) axetat bị oxy hóa thành mangan(III) axetat
Sự phân hủy axit peraxetic chỉ được bắt đầu khi có mặt của mangan(III) axetat Do đó có thể nhận biết được lúc bắt đầu của chu kỳ phản ứng Chu kỳ này dài hay ngắn phụ thuộc vào lượng xúc tác đem sử dụng, dùng càng nhiều xúc tác thì chu kỳ này càng dài Chu kỳ khởi động này rất quan trọng vì nó liên quan đến độ nguy hiểm của phản ứng, do khi axit peraxetic tích tụ lại sẽ gây nổ
Các sản phẩm phụ chủ yếu của quá trình là formaldehyt, axit formic, metyl axetat, etyl axetat, axeton, CO2,…
Trang 6I.1.3 Kỹ thuật an toàn cho quá trình phản ứng oxi hóa
I.1.3.1 Thiết bị phản ứng
Tùy thuộc vào loại xúc tác sử dụng và điều kiện tiến hành phản ứng mà trong công nghiệp sử dụng các loại thiết bị phản ứng khác nhau
Trước kia để oxy hóa axetaldehyt người ta đã sử dụng các thiết bị làm việc gián đoạn, tách nhiệt phản ứng bằng các ống làm lạnh hay ống xoắn ruột
gà Ngày nay để phục vụ cho sản xuất lớn người ta đã chế tạo những thiết bị hoàn hảo hơn, đó là các thiết bị cột tháp làm việc liên tục Tháp này được chia thành 4CO đến 5 đoạn, trong mỗi đoạn được trang bị hệ thống ruột gà Quá trình oxy hóa thường tạo ra chất trung gian peroxit nên không được dùng các vật liệu chứa kim loại thay đổi hóa trị để chế tạo thiết bị, vật liệu tốt nhất nên dùng là hợp kim nhôm
Phản ứng oxy hóa là loại phản ứng tỏa nhiệt mạnh, do đó lúc thiết kế cần lưu ý đến vấn đề làm lạnh và gia nhiệt hiệu quả để tránh oxy hóa quá sâu Thường để giải quyết vấn đề này người ta không chế tạo thiết bị có thể tích quá lớn mà tạo hệ thống nhiều thiết bị nhỏ để tiện lợi cho quá trình gia nhiệt
I.1.3.2 Quá trình phản ứng
Trong quá trình phản ứng oxy hóa chúng ta cần phải chú ý đến các vấn
đề về an toàn như sau:
* Phản ứng oxy hóa thường là phản ứng toả nhiệt mạnh, do đó vấn đề đưa hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ khởi động phản ứng là rất quan trọng
* Tỷ lệ tạo thành hỗn hợp nổ của axetaldehyt và oxy ở những nhiệt độ tương ứng cần phải được khảo sát
* Khống chế các sản phẩm trung gian peroxit tạo ra, việc phá hủy nó là
do sự có mặt của chất xúc tác nhằm không dẫn đến nồng độ quá lớn của peroxit tạo ra nổ nguy hiểm
* Đối với tác nhân oxy hóa là hóa chất thì vấn đề bảo quản để tránh cháy
nổ cũng là vấn đề cần phải được chú ý Các chất peroxit khi cọ xát va đập hoặc tiếp xúc với các hợp chất kim loại có hóa trị thay đổi rất dễ gây ra nổ
Do vậy, cần chú ý đến vấn đề này khi thao tác cũng như chọn vật liệu của thiết bị
Trang 7* Trong quá trình thao tác và tinh chế sản phẩm mà trong đó có thể tạo ra
peroxit thì không được cô đến khô hoặc cất quá kiệt để tránh nổ nguy hiểm do
peroxit gây ra
I.2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Sơ đồ công nghệ sản xuất liên tục axit axetic được mô tả ở hình 1
Axit axetic + xúc tác Axetaldehyt
Không khí
Nước Khí thải
Khí
nitơ
Axit axetic
Axit axetic + axetaldehyt loãng
Làm lạnh Làm nóng
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ sản xuất axit axetic bằng phương
pháp oxy hóa axetaldehyt trong pha lỏng
Trang 8Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
Đầu tiên, nạp dung dịch xúc tác vào cột tháp, dung dịch xúc tác được chuẩn bị bằng cách hòa tan mangan(II) axetat trong axit axetic (mangan axetat chiếm 0,1% khối lượng) Sau đó dẫn hơi qua hệ thống ruột gà gia nhiệt cột phản ứng (axit axetic + xúc tác) lên 4CO0 oC và bắt đầu dẫn axetaldehyt và oxy
kỹ thuật hoặc không khí vào Không khí được đưa vào dọc thân tháp ở 5 vị trí khác nhau nhờ các ống phân phối đặc biệt Cột tháp được nạp chất lỏng đến gần phần mở rộng Chất lỏng càng chuyển động lên cao thì nồng độ axit axetic càng tăng và nồng độ axetaldehyt càng giảm
Việc cho axetaldehyt và không khí lúc đầu chỉ cho thật từ từ và thận trọng (chu kỳ khởi động) Phản ứng xảy ra được tín hiệu bằng nhiệt độ phản ứng tăng lên Việc cho không khí lúc khởi đầu chỉ tiến hành ở đoạn cuối của tháp phản ứng, nếu phản ứng có tín hiệu bắt đầu bằng việc tăng nhiệt độ thì mới tiếp tục cho không khí vào các đoạn tiếp theo của tháp, và tốc độ cho khí
và axetaldehyt cũng được tăng lên
Nhiệt độ trong tháp phản ứng là 50 – 65oC, áp suất duy trì là 2 bar với tác nhân là oxy, còn nếu dùng không khí thì có thể duy trì áp suất 7 – 10 bar Điều chỉnh chính xác nhiệt độ trong tháp phản ứng có một ý nghĩa quan trọng bởi vì khi nhiệt độ nhỏ hơn 50 – 65oC sẽ tích tụ peroxit, còn ở nhiệt độ cao hơn sẽ tăng cường phản ứng phụ, đặc biệt là phản ứng oxy hóa hoàn toàn axetaldehyt Để pha loãng hỗn hợp hơi gây nổ người ta cho Nitơ liên tục vào phần trên của cột tháp
Sản phẩm axit axetic lỏng được lấy ra liên tục tại phần mở rộng của tháp phản ứng, được đưa qua thiết bị làm lạnh rồi đưa về bể chứa Axit axetic thu được ở bể chứa là axit axetic thô, có nồng độ 96% Việc tinh chế và làm đậm đặc được thực hiện bằng quá trình chưng cất
Khí thoát ra ở đỉnh tháp phản ứng có mang theo một lượng nhỏ sản phẩm
và tác nhân phản ứng nên được dẫn qua tháp rửa, rửa bằng nước để thu hồi axit axetic và axetaldehyt, còn khí có thành phần chủ yếu là N2 (50%)và CO2
(4CO0%) và một lượng nhỏ O2 (1 – 10% ) được thải trực tiếp vào khí quyển
Trang 9PHẦN II PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ
ĐỐI TƯỢNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH
II.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tự động
Y Z
X
ε µ
ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N: Nguồn; BĐK:
Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều chỉnh; Y: Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; Y PV : Giá trị thực tế của thông số Y; Y SV : Giá trị đặt của thông số Y.
Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm cho thông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được YPV thay đổi, dẫn đến giá trị sai lệch ε (|ε| = YPV – YSV) thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh µ thay đổi, và do đó thiết bị chấp hành sẽ đưa ra tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vào sai lệch làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường Trong sơ đồ công nghệ sản xuất axit axetic đã nêu ở phần I thì đối tượng điều chỉnh tự động cần quan tâm và khảo sát là tháp phản ứng oxy hóa
Các tác động điều chỉnh của tháp phản ứng oxy hóa thường được dùng là lưu lượng nguyên liệu, lượng chất làm lạnh, và lượng khí nitơ cho vào đỉnh tháp
Các thông số nhiễu chủ yếu là chất lượng nguyên liệu và xúc tác, sự cố đường ống dẫn liệu, sự cố ở thiết bị làm lạnh,…
Các thông số điều chỉnh có thể chọn là nhiệt độ ở mỗi đoạn tháp phản ứng, áp suất trong thiết bị phản ứng, tỷ lệ lưu lượng nguyên liệu và hàm lượng oxy trong khí thải
Trang 10Trong quá trình điều chỉnh vừa phải đảm bảo các thông số kỹ thuật của phản ứng (nhiệt độ, áp suất) để thu được sản phẩm mong muốn, đạt yêu cầu
về chất lượng, đồng thời phải đảm bảo tính an toàn cho quá trình sản xuất
II.2 Phân tích mối quan hệ tương quan giữa các thông số điều chỉnh với các tác động điều chỉnh để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp
II.2.1 Nhiệt độ
Đặc điểm của phản ứng oxy hóa là tỏa nhiệt mạnh, do đó khi phản ứng xảy ra sẽ làm cho nhiệt độ trong tháp phản ứng tăng lên liên tục Nếu không
có biện pháp khống chế nhiệt độ trong tháp sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt, không tạo được sản phẩm mong muốn mà thậm chí còn gây nổ nguy hiểm
Do vậy, tất cả các đoạn tháp phản ứng phải có nhiệt kế để đo nhiệt độ, và tốt nhất là dùng loại ghi tự động có cảnh báo để theo dõi liên tục và có tác động điều chỉnh phù hợp
Cụ thể 5 đoạn dưới của tháp phản ứng đã được trang bị ruột gà để có thể làm nóng, làm lạnh liên tục và độc lập, giúp cho việc duy trì ổn định nhiệt độ làm việc trong tháp
Nhiệt độ duy trì trong tháp phản ứng là 50 ÷ 65oC, như vậy miền giá trị đặt (Ysv) để so sánh là 50 ÷ 65oC Nếu giá trị thực đo được (Ypv) nhỏ hơn 50oC thì sẽ đưa ra tác động điều chỉnh là gia nhiệt bằng cách mở van nước nóng vào hệ thống ruột gà Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được lớn hơn 65oC thì phải đưa ra tác động điều chỉnh là mở van dẫn nước lạnh vào hệ thống ruột gà để giảm nhiệt độ trong đoạn tháp đó
II.2.2 Áp suất
Đặc điểm của công nghệ này là phải duy trì hệ ở áp suất thấp để giữ axetaldehyt ở thể lỏng (vì nhiệt độ sôi của axetaldehyt rất thấp: 20,8 oC) Với tác nhân oxy hóa là không khí thì áp suất nên duy trì trong khoảng 7 - 10 bar Khi áp suất trong tháp tăng lên là dấu hiệu của lượng oxy (không khí) cấp vào thừa không phản ứng hết Nếu không có biện pháp điều chỉnh để giảm áp suất kịp thời có thể sẽ gây nổ thiết bị Do đó, yêu cầu công nghệ đặt ra là phải lắp thiết bị đo áp suất để theo dõi áp suất của hệ thống, nếu áp suất tăng quá ngưỡng cho phép phải có tác động điều chỉnh kịp thời bằng cách: giảm lượng không khí cấp vào, hoặc mở van tăng lượng khí thoát ra ở đỉnh tháp