Trong những năm qua, vật liệu polime được ứng dụng rộng rãi và ngày càng không thể thiếu được trong đời sống vật chất của con người . Do đó ngành công nghiệp về vật liệu polime cũng được phát triển. Một trong những nguồn nguyên liệu là vinyclorua (gọi tắt VC). Có công thức hoá học là CH2=CHCl. VC được ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu được dùng làm monome trong quá trình polyme hoá để tổng hợp thành polivinylclorua, khoảng 95% tổng lượng VC dùng để tổng hợp PVC và các polime khác. PVC là chất dẻo có nhiều tính chất mà ta mong muốn như độ ổn định hoá học cao, ít bị ăn mòn( bị phá huỷ bởi các axit mạnh như H2SO4, HCl) có khả năng co giãn và độ bền tương đối lớn, cách điện tốt, không thấm nước, không bị phá huỷ khi tiếp xúc với nước và có một số tính năng ưu việt khác, do có những tính chất tốt như vậy, PVC được dùng để sản xuất các loại ống dẫn các chất hoá học, làm vật liệu lót bên trong các thiết bị hoá học làm việc ở nhiệt độ thấp, để thay thế thép không gỉ và các hợp kim đắt tiền.
Trang 1MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học ngày càng phát triển, những thành công mà khoa họcđem lại ngày càng to lớn, sự đóng góp không nhỏ của khoa học đem lại cho conngười nhiều lợi ích, không những thay thế con người mà còn tạo ra các giá trị thiếtthực về kinh tế Một trong những tiến bộ đó là con người đã tạo ra các mạch điềukhiển tự động, vận dụng tự động hóa vào trong các quá trình công nghệ giúp tựđộng quá trình sản xuất, nhờ vậy mà năng suất lao động được nâng lên cùng vớicác sản phẩm có chất lượng, ổn định, giá thành thấp
Chính những lợi ích mà tự động hóa mang lại mà các nhà công nghệ tìm mọicách tự động hóa trong dây chuyền sản xuất đến mức có thể phù hợp với những chỉtiêu cho phép
Trong tiểu luận này em trình bày “Tự động hóa quá trình sản xuất Vinylclorua bằng phương pháp hydroclo hóa Axetylen”
Trong những năm qua, vật liệu polime được ứng dụng rộng rãi và ngày càngkhông thể thiếu được trong đời sống vật chất của con người Do đó ngành côngnghiệp về vật liệu polime cũng được phát triển Một trong những nguồn nguyênliệu là vinyclorua (gọi tắt VC) Có công thức hoá học là CH2=CHCl
VC được ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu được dùng làm monome trongquá trình polyme hoá để tổng hợp thành polivinylclorua, khoảng 95% tổng lượng
VC dùng để tổng hợp PVC và các polime khác PVC là chất dẻo có nhiều tính chất
mà ta mong muốn như độ ổn định hoá học cao, ít bị ăn mòn( bị phá huỷ bởi cácaxit mạnh như H2SO4, HCl) có khả năng co giãn và độ bền tương đối lớn, cáchđiện tốt, không thấm nước, không bị phá huỷ khi tiếp xúc với nước và có một sốtính năng ưu việt khác, do có những tính chất tốt như vậy, PVC được dùng để sảnxuất các loại ống dẫn các chất hoá học, làm vật liệu lót bên trong các thiết bị hoáhọc làm việc ở nhiệt độ thấp, để thay thế thép không gỉ và các hợp kim đắt tiền
Trang 2PHẦN I: MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ I.1 Sản xuất VC đi từ Axetylen:
Sản xuất VC từ axetylen là phương pháp phổ biến trong công nghiệp, nhất làđối với các nước có nền công nghiệp dầu mỏ chưa phát triển Đối với nước ta vìnền công nghiệp dầu mỏ chưa phát triển, hơn nữa nước ta có tiềm năng về than đá
và đá vôi, rất thuận tiện cho việc sản xuất axetylen
+ Cơ sở quá trình sản xuất VC từ axetylen dựa trên phản ứng:
CH≡CH +HCl→CH2 =CHCl
Tại áp suất thường không có xúc tác, phản ứng không tiến hành do vậy khikhông có xúc tác ta phải tiến hành ở áp suất cao, nhưng ở áp suất cao các sản phẩmphụ tạo ra nhiều (1,1 dicloetan và VC bị trùng hợp ) những sản phụ này không cólợi cho việc thu sản phẩm cũng như bảo quản thiết bị Do đó trong sản xuất người
ta phải dùng xúc tác
Sản xuất VC đi từ Axetylen có thể tiến hành ở pha lỏng hoặc pha khí
• Cơ chế của quá trình sản xuất VC từ axetylen:
Phản ứng cộng HCl và axetylen đặc trưng cho liên kết nối ba:
CH ≡ CH + →HCl
CH2 = CHCl ; ∆H = 112,4 (kJ/mol) Theo độ tỏa nhiệt nó vượt trội hơn ba lần so với phản ứng hydro clo hoáolefin Nó có chiều ngược lại chút ít, nhưng khi giảm nhiệt độ cân bằng hoàn toàndịch chuyển về phía phải Hằng số cân bằng khi tạo VC:
KCB (ở 2000C) = 8.104
KCB (ở 3000C) = 7.102
Trang 3Quá trình cộng HCl vào axetylen xảy ra liên tiếp tạo VC và 1,1 dicloetan:
200oC, khi dùng những chất khô hơn Tương tự như axetandehyt (do tạp chất ẩmkhông lớn lắm) và 1,1 dicloetan được tạo thành không quá 1%
Đối với pha lỏng tốt nhất là dùng muối Cu2+ vì nó không bị mất hoạt tính vàtăng mức độ của phản ứng cộng nước của axetylen Xúc tác là dung dịch CuCl2
trong HCl có chứa muối clorua amon Khi có CuCl2 quá trình phụ dime hoáaxetylen càng tăng và tạo thành vinylaxetylen
Tác động xúc tác của muối thuỷ ngân và đồng vào phản ứng hydroclo hoáđược giải thích bằng sự tạo thành những phản ứng phối hợp trong đó axetylen bịkích hoạt và tác dụng với anion clo và chất trung gian thu được trạng thái chuyểnđổi với liên kết cacbon hoặc những hợp chất hữu cơ chóng bị phân giải bởi axit
Vì sự tạo thành đồng thời ít nhiều của những phức không hoạt động với HCl(hoặc anionclo), sự tạo thành của VC trong pha khí được mô tả theo phương trình
động học sau:
HCl
HCl H C
P b
P P K R
.1
2 2+
=
Trang 4Sản phẩm thu được là VC Nó là một monome quan trọng dùng nhiều để tổnghợp các vật liệu polime khác Khi polime hóa có mặt peroxit nó tạo ra PVC.
I.2 Sản xuất VC từ C 2 H 2 theo phương pháp pha khí :
I.2.1 Xúc tác
Xúc tác của quá trình tổng hợp VC theo phương pháp pha khí trong trườnghợp này dùng xúc tác HgCl2 ngâm tẩm trên than hoạt tính Đặc điểm của loại muốinày là rất độc nên người ta có xu hướng thay thế muối thuỷ ngân bằng các muốikim loại khác như BaCl2, CdCl2 …khi nồng độ HgCl2 trên than hoạt tính tăng, hiệusuất chuyển hóa axetylen thành vinyl clorua tăng
Ta thấy nồng độ HgCl2 tăng 5-10% thì hiệu suất tăng vọt lên, ngưng khi nồng
độ HgCl2 lớn hơn 20% hiệu suất chuyển hoá tăng chậm đồng thời phản ứng tỏanhiệt làm cho xúc tác bị nung nóng cục bộ HgCl2 bị thăng hoa, axetylen trùng hợpbao phủ bề mặt xúc tác làm cho xúc tác giảm hoạt tính nhanh
% HgCl2 trên than hoạt
I.2.2 Sản xuất VC từ axetylen theo phương pháp pha khí
Ta tiến hành cho đồng thời C2H2 và khí HCl qua lớp xúc tác rắn ở nhiệt độcao ta được VC Xúc tác dùng là HgCl2 ngâm trên than hoạt tính Hiện nay có
Trang 5bắt đầu phân hủy ở 3000C thì nó thăng hoa Thường thì ta làm lạnh hoàn toàn vớicác tác nhân làm lạnh là nước dưới áp suất hoặc dầu làm lạnh tuần hoàn để làmmát thiết bị phản ứng chính, đảm bảo nhiệt độ ổn định (không quá 2000C) để đạthiệu suất chuyển hoá cao nhất
Ngày nay xúc tác được dùng rộng rải trong công nghiệp là HgCl2 10% trọnglượng trên than hoạt tính
Cùng với các phản ứng chính, trong quá trình còn tạo ra một số phản ứng phụ.Nếu dư C2H2 sẽ tạo thành dicloetan theo phản ứng
Nếu dư nhiều khí HCl cũng sinh ra phản ứng phụ
Trang 6Để đảm bảo lượng C2H2 phản ứng hết ta phải cho thừa một lượng HCl tốt nhất
CH≡CH + H2O −−→ CH3-CHO
Chính những phản ứng này gây giảm hoạt tính của xúc tác dẫn đến thời giansống của xúc tác giảm, làm tăng giá thành sản phẩm, vì vậy cần làm sạch nguyênliệu để loại các thành phần tạp chất Hơi axetylen trước khi đưa vào thiết bị phảnứng được đưa qua tháp chứa dung dịch K2Cr2O7, tại đây xảy ra phản ứng oxy hoákhử loại bỏ H2S, H3P
Trang 7 Không có H2S và H3P.
Khí HCl có độ tinh khiết ≥ 95%
Không có Oxy và Clo
Trong quá trình phản ứng nhiệt lượng tỏa ra rất lớn, với phản ứng chính tạo ra
VC nhiệt lượng tỏa ra là 26900kcal/mol Còn với phản ứng phụ tạo ra dicloetannhiệt lượng tỏa ra là 40200 kcal/mol Lượng nhiệt này cũng ảnh hưởng đến việclựa chọn thiết bị phản ứng loại ống chùm, đường kính các ống trong thiết bị cóchứa xúc tác cũng ảnh hưởng đến chế độ và tốc độ dòng khí trong ống
Bên ngoài ống của thiết bị là chất làm mát, có thể dùng nước dưới áp suấtthường hoặc dầu làm mát để tải nhiệt Việc lựa chọn tác nhân làm mát cũng tuỳthuộc vào yêu cầu kinh tế, kĩ thuật và điều kiện từng nơi Trong trường hợp sửdụng nước dưới áp suất thường có một số ưu nhược điểm sau:
- Ưu điểm: Nước sẵn có không độc hại, rẻ tiền, có nhiệt dung lớn nên dể điềuchỉnh nhiệt độ của thiết bị
- Nhược điểm: Lượng nước cần dùng cho thiết bị lớn nên thiết bị cồng kềnh
và làm mát trong khoảng nhiệt độ không cao (do nhiệt độ sôi của nướcthấp)
Việc làm mát bằng dầu khắc phục được những nhược điểm trên nhưng giáthành cao hơn Chính vì vậy tuỳ từng điều kiện mà ta chọn tác nhân làm mát chophù hợp
I.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất VC bằng phương pháp hydroclo hóa Axetylen
Hỗn hợp axetylen và cloruahydro cho qua vùng phản ứng có chứa đầy xúc tácrắn (HgCl2/C*) Chất ban đầu phải khô để không tạo ra sự tạo thành axetaldehytquá nhiều và không tạo sự ăn mòn qúa mức cho thiết bị, HCl có tỷ lệ dư một chút
Trang 8so với axetylen (5-10%) để làm tăng mức độ chuyển hóa axetylen Nhiệt độ tối ưukhoảng 160-180oC, khi đó qúa trình xảy ra đủ nhanh và đồng thời xảy ra sự lôicuốn HgCl2 nhiều (HgCl2 có độ hóa hơi cao) Khi HgCl2 hao hụt dần dần và giảmhoạt độ phản ứng, người ta tăng nhiệt độ đến ≈ 200oC.
Do độ toả nhiệt cao, người ta thực hiện qúa trình trong thiết bị hình ống trongnhững ống có xúc tác và hỗn hợp khí chuyển động, còn trong khoảng trống giữacác ống là chất làm lạnh hoàn lưu Chất làm lạnh là chất truyền nhiệt hữu cơ(thường là dầu truyền nhiệt) hoặc là nước, dầu tuần hoàn ở ngoài ống để tách nhiệt.Suốt chiều cao ống có đặt từ 8- 12 pin nhiệt điện để đo nhiệt độ dọc theo ống đựngxúc tác ở chỗ nào có nhiệt độ cao nhất là phản ứng đang xảy ra mãnh liệt ở đấy.Khi ta thấy pin nhiệt điện đặt ở đoạn cuối cùng có nhiệt độ cao nhất là xúc tác hếthoạt tính, phải ngừng phản ứng đem xúc tác đi tái sinh
* Dây chuyền công nghệ :
c/ Xử lý khí sản phẩm: Khí sản phẩm rời vùng phản ứng được rửa với NaOH
và nước để tách HCl dư, sau đó được nén tới 0,7 Mpa và làm lạnh, phần lớn sẽđược ngưng tụ Nước được tách ra trong thiết bị lắng và thiết bị chưng cất táchnước Sản phẩm VC được tinh chế trong tháp chưng cất nhiệt độ thấp ở 0,4 – 0,5MPa Khí thu hồi từ thiết bị lắng chứa chủ yếu là axetylen được làm sạch bằng hấpthụ, tách và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng
Sơ đồ sản xuất vinylclorua từ axetylen được trình bày trong hình dưới đây
Trang 9Hình 1.Sơ đồ công nghệ sản xuất VC bằng phương pháp hydroclo hóa axetylen
I.4 Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động điều chỉnh
Y Z
X
e µ
Sơ
đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động:
Trang 10ĐT: 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 εthay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh µ thay đổi, và do đó thiết bị chấphành 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 dây chuyền công nghệ sản xuất VC đã nêu trên thì đối tượng điềuchỉnh tự động cần quan tâm là hai thiết hị phản ứng ống chùm và thiết bị thápchưng để tách sản phẩm VC
Yêu cầu điều khiển:
+ Đảm bảo các thông số kỹ thuật của phản ứng như nhiệt độ, áp suất để thuđược sản phẩm mong muốn, với chất lượng đạt yêu cầu
+ Đảm bảo tính an toàn cho quá trình sản xuất
Các tác động điều chỉnh của thiết bị phản ứng ống chùm thường được dùng làlưu lượng nguyên liệu, lượng chất làm lạnh tuần hoàn trong tháp
Các thông số nhiễu chủ yếu là chất lượng nguyên liệu và xúc tác, sự cố đườngống dẫn liệu, sự cố ở thiết bị làm lạnh,…
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:
I.4.1.Tác động điều chỉnh đối với thiết bị phản ứng ống chùm
Nhiệt độ:
Trang 11Đặc điểm của phản ứng hydro hóa axtylen là tỏa nhiệt mạnh (∆H=-100kJ/mol) Lúc phản ứng xảy ra sẽ tỏa nhiệt làm cho nhiệt độ trong thiết bị phảnứng tăng lên liên tục Nhiệt độ tăng làm cho phản ứng xảy ra nhanh hơn và tỏanhiệt mạnh hơn Nhiệt độ trong thiết bị phản ứng lại tăng lên cao hơn, nếu không
có biện pháp khống chế nhiệt độ trong thiết bị phản ứng sẽ gây ra hiện tượng quánhiệt, không tạo được sản phẩm mong muốn, và thậm chí còn gây nổ nguy hiểm
Do vậy phải có nhiệt kế để đo nhiệt độ, và tốt nhất là dùng loại ghi tự động có cảnhbáo để theo dõi liên tục và có tác động điều chỉnh phù hợp kịp thời
Để điều chỉnh nhiệt độ của tháp ta có thể lắp bộ điều chỉnh nhiệt độ tác độnglên độ đóng hoặc mở của van khi đưa dòng chất tải nhiệt lạnh đi bên ngoài ốngphản ứng Miền giá trị đặt để so sánh (Ysv là 110-2000C) Nếu giá trị thực đo đượcthấp hơn ngưỡng dưới của giá trị đặt (Ysvd = 1100C) thì phải đưa ra tác động điềuchỉnh đóng van dẫn chất tải nhiệt lạnh vào để nâng nhiệt độ của thiết bị phản ứnglên Ngược lại giá trị thực đo được cao hơn ngưỡng trên của giá trị đặt (Ysvd =
2000C) thì phải đưa ra tác động điều chỉnh độ mở của van dẫn chất tải nhiệt lạnh đểgiảm nhiệt độ của thiết bị phản ứng xuống
Lưu lượng:
Để điều chỉnh lưu lượng của hỗn hợp khí phản ứng vào thiết bị phản ứng ta
sử dụng bộ điều chỉnh lưu lượng điều chỉnh độ mở của van Lưu lượng của hỗnhợp phản ứng ở đây chính là vận tốc thể tích của thiết bị, căn cứ và yêu cầu năngsuất đặt ra cho phân xưởng sản xuất mà ta chọn vận tốc để làm việc và các chi tiếtcủa thiết bị Trong thực tế khống chế vận tốc thể tích phù hợp trong khoảng 25 ÷
50 (m3/m3.xt.h) Đây cũng chính là miền giá trị đặt để so sánh Khi giá trị thực thấphơn ngưỡng dưới của giá trị đặt thì bộ điều khiển thực hiện tác động lên van (tăng
độ mở của van), còn khi giá trị thực đo được cao hơn ngưỡng trên của giá trị đặt thì
bộ điều khiển thực hiện tác động giảm độ mở của van
Trang 12PHẦN II: THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH SẢN XUẤT VC
Trong sơ đồ công nghệ này hai đối tượng em thiết lập điều khiển tự động đó
là thiết bị phản ứng ống chùm và tháp tách sản phẩm VC
II.1.Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động thiết bị phản ứng
II.1.1.Đo và điều khiển nhiệt độ:
Hình 2: Sơ đồ chức năng đo và điều khiển nhiệt độ của thiết bị phản ứng
Để điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị phản ứng ta lắp bộ điều chỉnh tầng gồm hai bộ điều chỉnh tự động và một thiết bị chấp hành Ở đây bộ điều chỉnh chính là
bộ TIC, còn bộ phận phụ là FIC Khi tín hiệu ra của bộ điều chỉnh chính là nhiệt độ
sẽ tác động lên bộ điều chỉnh phụ lưu lượng Từ bộ điều chỉnh này thực hiện chức
Trang 13năng hiển thị và đưa ra tác động điều chỉnh độ mở của van hay đóng van của dòng chất tải nhiệt.
II.1.2.Đo và điều khiển lưu lượng:
Hình 3: Sơ đồ chức năng đo và điều khiển lưu lượng của thiết bị phản ứngLưu lượng dòng khí phản ứng đi vào thiết bị phản ứng có ảnh hưởng đếnhiệu suất chuyển hóa và năng suất của thiết bị, vì vậy mà ta lắp bộ khí cụ đo điềuchỉnh lưu lượng đặt tại tủ điều khiển Khi giá trị đo lớn hơn giá trị đặt (ε > 0) cónghĩa là lưu lượng khí đi vào lớn nên thực hiện tác động giảm độ mở của van.Ngược lại khi giá trị đo thấp hơn giá trị đặt (ε < 0) thì bộ điều khiển tác động tăng
độ mở của van
II.2.Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động thiết bị tháp tách sản phẩm VC
Trang 14Tháp chưng tách VC làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất 0,4 – 0,5 MPa.II.2.1.Đo và điều khiển nhiệt độ:
Hình 4: Sơ đồ đo và điều khiển nhiệt độ ở đáy tháp tách VC
Để điều chỉnh nhiệt độ đáy tháp của thiết bị chưng ta lắp bộ điều chỉnh tầnggồm hai bộ điều chỉnh tự động và một thiết bị chấp hành Ở đây bộ điều chỉnh chính là bộ TIC, còn bộ phận phụ là FIC Khi tín hiệu ra của bộ điều chỉnh chính lànhiệt độ sẽ tác động lên bộ điều chỉnh phụ lưu lượng Từ bộ điều chỉnh này thực hiện chức năng hiển thị và đưa ra tác động điều chỉnh độ mở của van hơi vào thiết
bị đun sôi đáy tháp
II.2.2.Đo và điều khiển mức chất lỏng
Trang 15Hình 5: Sơ đồ đo và điều khiển mức chất lỏng ở đỉnh tháp tách VC
Thực hiện đo mức chất lỏng trong Condenser từ đó điều chỉnh sự đóng hay mở vancho thích hợp
Trang 16Hình 6: Sơ đồ đo và điều khiển mức chất lỏng ở đáy tháp tách VCII.2.3.Đo và điều khiển áp suất đỉnh tháp tách VC
Hình 7: Sơ đồ đo và điều khiển áp suất đỉnh tháp tách VCII.2.3.Đo và điều khiển lưu lượng tháp tách VC