Tìm hiểu công nghệ sản xuất PVC và tính toán một số thông số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với năng suất 150 000 tấnnăm

Với những vai trò và ưu điểm nổi bật đó của PVC thì việc tìm hiểu, nghiên cứu nhữngphương pháp, công nghệ sản xuất và cách tính toán một thiết bị, dây chuyền sản xuấtPVC là không thể thi

Đồ án môn học

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với lọc dầu, hóa dầu ngày càng có vai trò quan trọng không chỉ đối với kinh tế

mà còn với cả chính trị và xã hội của đất nước Các sản phẩm của ngành công nghiệp hóadầu ngày càng có những đóng góp to lớn đối với sự ổn định của quốc gia Trong đó,không thể không kể đến vị trí của công nghiệp chế biến polyme, sản xuất chất dẻo Nhờ

có nhiều tính chất rất đặc biệt, chất dẻo đã đáp ứng được nhiều yêu cầu ngày càng caocủa khoa học kỹ thuật và đời sống hàng ngày Không những thế nguồn nguyên liệu đểsán xuất ra chất dẻo tương đối đa dạng đó là than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và cả nhữngphế phẩm trong nông, lâm nghiệp

Chất dẻo lại có ưu điểm là dễ gia công hơn so với kim loại, gia công nhanh chóng vàtiết kiệm hơn PVC – một trong những loại chất dẻo phổ biến, được sử dụng rộng rãi.Công nghệ sản xuất PVC hiện nay đang phát triển rất mạnh là do nhựa này có nhiều đặcđiểm tốt như sự ổn định hoá học, bền cơ học, dễ gia công ra nhiều loại sản phẩm thôngdụng và hơn thế nữa nguồn nguyên liệu cũng tương đối sẵn

Với những vai trò và ưu điểm nổi bật đó của PVC thì việc tìm hiểu, nghiên cứu nhữngphương pháp, công nghệ sản xuất và cách tính toán một thiết bị, dây chuyền sản xuấtPVC là không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ hóa học Cũng với những mục đích

trên, đề tài đồ án “Tìm hiểu công nghệ sản xuất PVC và tính toán một số thông số kỹ thuật cho thiết bị phản ứng với năng suất 150.000 tấn/năm” sẽ đưa ra những hiểu biết

cơ bản về PVC, các công nghệ sản xuất hiện nay và tính toán một số thông số kỹ thuậtcho thiết bị phản ứng

Với những kĩ năng, kinh nghiệm và kiến thức còn ít ỏi của mình thì việc thiếu sóttrong khi thực hiện đồ án là không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được được sự đónggóp các ý kiến từ phía các thầy cô và các bạn để bài đố án thêm hoàn thiện

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thị Linh trong bộ môn Lọc HóaDầu trường Đại Học Mỏ-Địa Chất cùng các bạn trong Nhóm 5 nói riêng và các bạn tronglớp nói chung đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình em thực hiện đồ án

Nguyễn Văn Lực

Đồ án môn học

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Cấu trúc và tính chất của PVC 3

1.1.1 Cấu trúc của PVC 3

1.1.2 Tính chất của PVC 4

1.1.2.1 Tính chất vật lí của PVC 4

1.2.2.2 Tính chất hóa học của PVC 5

1.2 Ứng dụng của PVC 8

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC 9

2.1 Nguyên liệu 9

2.1.1 Tính chất lý học 9

2.1.2 Tính chất hoá học 10

2.2 Các phương pháp và công nghệ sản xuất PVC 12

2.2.1 Phương pháp trùng hợp khối 12

2.2.2 Phương pháp trùng hợp dung dịch 13

2.2.3 Phương pháp trùng hợp nhũ tương 13

2.2.4 Phương pháp trùng hợp huyền phù 15

2.3 So sánh các phương pháp 17

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 20 3.1 Tính cân bằng vật chất 20

3.1.1.Cân bằng vật chất cho một tháng sản xuất 20

3.1.2 Tính năng suất cho 1 mẻ phản ứng 22

3.2 Tính cân bằng nhiệt lượng 26

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Nó luôn tồn tại ở hai dạng cấu tạo là đầu nối đuôi và đầu nối đầu.

* Đầu nối đuôi:

Cấu tạo ở dạng nhánh này rất ít từ 50- 100 mắt xích cơ sở mới có một nhánh Năm

1940 Fuller nghiên cứu tia X và thấy rằng PVC thương mại thường là những chất vô địnhhình mặc dù vẫn có một lượng nhỏ kết tinh [1]

1.1.2 Tính chất của PVC

1.1.2.1 Tính chất vật lí của PVC

PVC là một polyme vô định hình ở dạng bột trắng hay vàng nhạt, có trọng lượngriêng là 1,4 1,45 Chỉ số khúc xạ 1,544 PVC là một loại nhựa dẻo chịu nhiệt trongkhoảng 80 1600C Trọng lượng phân tử không đồng đều, độ trùng hợp từ 100 2000 Để

có vật liệu bền và co giãn thì 70% các phần của polyme phải có độ trùng hợp từ 1000 trởlên PVC lão hoá rất nhanh, dẫn đến giảm tính co giãn và tính chất cơ học

Tính chất điện của sản phẩm PVC phụ thuộc vào quá trình hình thành:

- Hằng số điện môi tại 60 Hz và 30 0C là 3,54

- Hằng số điện môi tại 1000 Hz và 30 0C là 3,41

- Hệ số công suất tại thời điểm trên là3,51% và 2,51%.

- Cường độ điện môi: 1080 V/ml

PVC có tính hoạt động hoá học khá lớn: trong các quá trình biến đổi hoá học đều

có các nguyên tử Clo tham gia phản ứng và thường kéo theo cả nguyên tử Hidro ởCacbon bên cạnh

Cl Cl Cl

Đồ án môn học

Nhiệt độ càng cao HCl toả ra càng mạnh và càng có nhiều liên kết nối các mạch làmgiảm tính chất hoà tan của polyme PVC ở trong dung môi và ngay ở nhiệt độ thườngcũng có HCl thoát ra và ở đây chủ yếu xảy ra quá trình oxy hoá Ngược lại PVC trong khí

N2 khi đun nóng không bị oxy hoá mà sẽ có cấu tạo lưới

Muốn đuổi hết nguyên tử Clo ra khỏi PVC người ta cho tác dụng dung dịchpolyme trong tetrahydro- furan một thời gian lâu với dung dịch kiềm trong rượu và sẽ tạothành polyen có cấu tạo như sau:

- Thay Clo bằng nhóm amin OCOCH3 OCOCH3

Khi tác dụng dung dịch PVC với amôniac trong bình có áp suất và ở nhiệt độ cao

sẽ tạo thành một số nhóm amin và các liên kết amin nối các mạch, mức độ thay thế khôngquá 15 20%

Nguyễn Văn Lực 6 Lọc Hóa Dầu A-K53

Đồ án môn học

- Thế Clo bởi nhân thơm

Khi cho tác dụng dung dịch PVC trong têtra hydro furan hay dicloetan với benzen(hay Alkyl benzen) ở 00C hay ở nhiệt độ thường với xúc tác Clorua nhôm (AlCl3) sẽ tạothành một số nhóm Aryl

Đồ án môn học

1.2 Ứng dụng của PVC

Do nhựa PVC có nhiều tính chất quý như: ổn định hoá học, bền thời tiết, bền ôxyhoá, cách điện, dễ gia công, giá thành thấp,…vì vậy nó được sử dụng rất rộng rãi trongnhiều lĩnh vực Sản phẩm được tạo ra từ PVC rất đa dạng trên 2/3 lượng PVC được dùnglàm các sản phẩm lâu bền như ống dẫn nước, khung cửa sổ, bàn ghế…còn lại PVC đượcgia công thành những sản phẩm khác như màng mỏng, bao bì, giày dép giả da, dây bọccách điện,…

Trong thời gian gần đây, người ta đặc biệt chú ý đến loại PVC cứng và xốp, có thểlàm vật liệu thay thế gỗ, sự thay thế này có ảnh hưởng đến giá thành và sự ổn định, dẫnđến sự thuận lợi cho quá trình tổng hợp vật liệu Tuy nhiên các sản phẩm làm bằng vật

liệu PVC rất khó phân huỷ và trong quá trình sản xuất có tách ra các chất ảnh hưởng xấutới môi trường và đã có những lời chỉ trích từ cơ quan bảo vệ môi trường, nhưng các nhàkinh tế cho rằng mức độ tăng trưởng PVC trên quy mô toàn cầu vẫn được duy trì trongthời gian tới và bước vào thế kỷ XXI địa vị của PVC vẫn vững vàng trên thị trường.Nền công nghiệp chất dẻo nói chung và nhựa PVC nói riêng vô cùng quan trọngtrong nền kinh tế quốc dân là lĩnh vực không thể thiếu được và luôn gắn liền với sự pháttriển cuả khoa học kỹ thuật [1]

+ Nhiệt độ bốc cháy 415kcal/kg

+ Nhiệt độ nóng chảy 18,4kcal/kg

+ Nhiệt độ bốc hơi ở 250C 78,5kcal/kg

+ Trọng lượng riêng 0,969kcal/kg

+ Nhiệt dung riêng dạng lỏng ở 250C 0,83kcal/kgđộ

+ Nhiệt dung riêng dạng hơi ở 250C 0,207kcal/kgđộ

+ Giới hạn nồng độ của hỗn hợp với không khí từ 3,62 26,6% thể tích

Đồ án môn học

+ Tính chất độc của VC:

VC độc hơn so với etylclorua và ít độc hơn clorofom và tetra clorua cacbon Cókhả năng gây mê qua hệ thống hô hấp của con người và cơ thể động vật Con người khitiếp xúc hơi VC ở mức 25% thì chỉ trong 3 phút đã bắt đầu bị choáng váng và mất thăngbằng định hướng Nếu hàm lượng VC trong không khí là 0,5% thì con người có thể làmviệc trong một vài giờ mà không có tác động sinh lý nào đáng kể cả [2]

2.1.2 Tính chất hoá học

Công thức cấu tạo:

Cl

Do có chứa liên kết đôi và nguyên tử Clo linh động nên các phản ứng hoá học của VC

là phản ứng của nguyên tử Clo linh động VC không tan trong nước, tan trong các dungmôi hữu cơ như axeton, rượu etylic, cacbon hydro thơm, cacbon hydro mạch thẳng

Trong phân tử VC có liên kết nối đôi và một nguyên tử Clo linh động, do đó phản ứnghoá học chủ yếu là phản ứng kết hợp hoặc phản ứng của nguyên tử Clo trong phân tử VC

Nguyễn Văn Lực 10 Lọc Hóa Dầu A-K53

Còn trong điều kiện có không khí VC bị oxi hoá hoàn toàn.

CH2 CH CH CH +

HCl Cl

- Bảo quản: Trước đây VC được bảo quản và vận chuyển với sự có mặt của một lượngnhỏ phenol để ức chế phản ứng polyme hoá Ngày nay VC được sản xuất với độ tinh

Đồ án môn học

khiết cao và không cần chất ức chế trong bảo quản đồng thời do được làm sạch nước nên

VC không gây ăn mòn có thể được bảo quản trong các thùng thép cacbon thường

2.2 Các phương pháp và công nghệ sản xuất PVC

Bảng 1: Tổng sản lượng PVC của các phương pháp (Đơn vị: Triệu tấn)

Hệ phản ứng bao gồm: monome+ chất khởi đầu:

Thông thường trùng hợp khối ở áp suất cao và nhiệt độ cao, cũng có thể trùng hợp khí Vinylclorua mà không cần áp suất, cho hỗn hợp monome với một ít CCl4

Đồ án môn học

Và peroxit benzoil trùng hợp.ở 60- 77oC sẽ tạo thành polyme lỏng phân tử thấp Ở nhiệt

độ thấp hơn tốc độ chuyển mạnh qua dung môi CCl4 giảm xuống nên có được polymerắn

Thời gian trùng hợp tương đối dài, dung môi tiêu tốn nhiều mà cần với nồng độtinh khiết cao vì vậy trong thực tế ít được sử dụng Hiện nay trùng hợp dung dịch chỉ để

Đồ án môn học

Chất ổn định PH để đảm bảo cho phản ứng trùng hợp nhũ tương có thể xảy ra Sản phẩmtạo thành trong quá trình trùng hợp nhũ tương ở dạng Latex, kích thước hạt bé 0,01.10-61.10-6, khối lượng phân tử lớn, độ đồng đều cao, nhiệt độ phản ứng thấp Vì vậy được sửdụng nhiều, tuy nhiên có nhược điểm là sản phẩm bị nhiễm bẩn ở chất nhũ hoá, nên tínhchất cách điện của polyme kém

Sơ đồ khối của quá trình sản xuất PVC bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương

Chất khơi mào+nước Hạt nhựa VCM thu hồi Không khí nóng Không khí+hơi nước

Hình 1: Sơ đồ khối của quá trình sản xuất PVC bằng phương pháp trùng hợp nhũ

tương

Quá trình sản xuất PVC bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương VCM bao gồm cácgiai đoạn chính là: chuẩn bị nguyên liệu  polymer hóa  vận chuyển VCM  tồn trữ latex làm khô  nghiền tạo hạt  đóng gói tồn trữ

Nguyễn Văn Lực 14 Lọc Hóa Dầu A-K53

Đồ án môn học

2.2.4 Phương pháp trùng hợp huyền phù

Hệ phản ứng bao gồm: monome, chất khơi mào, môi trường phân tán và chất ổn định huyền phù Trong trường hợp huyền phù monome được chuyển thành các giọt phântán trong môi trường đồng nhất dưới tác dụng của chất ổn định

Do chất khơi mào tan trong monome, nên quá trình kích thích và trùng hợp đều sảy

ra trong các hạt monome lơ lửng trong môi trường nước nhờ sự khuấy trộn mạnh mẽ,monome không tan trong nước được phân bố trong môi trường nước thành các giọt nhỏ

có kích thước từ 10.10-6 5.10-6m Mỗi giọt monome trong hệ huyền phù có thể được xemnhư là thiết bị phản ứng trùng hợp khối cực nhỏ có bề mặt thoát nhiệt với môi trườngnước lớn, tránh hiện tượng quá tải nhiệt cục bộ Cùng với sự tiến triển của qúa trình trùnghợp độ nhớt bên trong các giọt tăng lên nên phân chia nhỏ các giọt đã keo tụ rất khó, đểtránh xảy ra hiện tượng này cần bổ xung các chất ổn định như: gelatin, PVA, …các chấtnày tạo màng xung quanh giọt và ngăn cản các giọt keo tụ lại với nhau

Ở giai đoạn đầu của quá trình trùng hợp huyền phù độ chuyển hoá chưa đáng kể(1- 2%) các hạt PVC rất nhỏ xuất hiện bên trong các giọt monome, các hạt PVC này sẽ dichuyển đến bề mặt phân cách của VC và nước dẫn đến sự ghép của chất keo bảo vệ trênPVC, kết quả tạo ra các màng bao bọc xung quanh các giọt màng này có tính chất củamột polyme liên kết ngang, vì thế nó không tan trong chất hoá dẻo ở nhiệt độ cao Cấutrúc của hạt PVC rất quan trọng vì nó quyết định hai đặc tính của PVC đó là: PVC là vậtliệu nhạy nhiệt, nên phải có khả năng chuyển thành sản phẩm cuối cùng mà không bịphân huỷ trong khi gia công và khả năng hấp thụ các chất phụ gia đặc biệt là hoá dẻo

Quá trình phản ứng xảy ra trong thời gian dài, nhiệt độ phản ứng khoảng 600C vàđược duy trì trong suốt giai đoạn phản ứng, đến khi áp suất bắt đầu giảm do monome đãtham gia phản ứng thì lúc này mức độ chuyển hoá khoảng 80% không còn VC tự do nữa

Sản phẩm polyme tạo thành ở dạng huyền phù trong nước, dễ keo tụ tạo thànhdạng bột xốp kích thước khoảng 0,01 0,3 mm

Sơ đồ công nghệ sản xuất PVC bằng phương pháp trùng hợp huyền phù

Sơ đồ sản xuất PVC theo phương pháp trùng hợp huyền phù được cho trong Hình 2

Đồ án môn học

Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Nước qua thiết bị lường nước (5),thiết bị hòa tan (6) và thiết bị phân lớp (7) đượcbơm lên thùng lường dung dịch Gelatin và nước ở thùng (2) được đưa cùng lúc vào nồiphản ứng (1) VC được đưa từ thùng chứa (4) vào nồi phản ứng Tại đây, xảy ra phản ứngtrùng hợp VC để tạo sản phẩm PVC Sản phẩm PVC đi ra được bơm vào thiết bị lắng,lượng VC chưa phản ứng được đưa vào thùng (4) Ở thiết bị lắng người ta cho thêmNaOH vào để xử lý hệ huyền phù sau khi đã trùng hợp xong PVC sau khi lắng được đưavào máy ly tâm để tách PVC và phần lớn được đem đi sấy còn một ít PVC có lẫn trongnước được đưa vào thiết bị lắng (13) và tuần hoàn lại để được vào thiết bị lắng (9) cònphần nước và chất thải được đưa vào cống thải

3 THÙNG LƯỜNG DUNG DỊCH 10 THÙNG LƯỜNG DUNG DỊCH KIỀM

Nguyễn Văn Lực 16 Lọc Hóa Dầu A-K53

Đồ án môn học

2.3 So sánh các phương pháp

Phương pháp trùng hợp dung dịch để sản xuất PVC ít được sử dụng do đòi hỏimột lượng dung môi lớn có độ tinh khiết cao với phương pháp trùng hợp khối thì sảnphẩm chiếm khoảng 8% so với tổng sản lượng nhựa PVC Phương pháp này có độ sạchcao, dây chuyền sản xuất đơn giản Tuy nhiên do sản phẩm tạo ra ở dạng khối, khó giacông, khó tháo khuôn và xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ, làm ảnh hưởng đến chấtlượng sản phẩm vì thế cũng ít được dùng Hai phương pháp trùng hợp nhũ tương và trùnghợp huyền phù được sử dụng rộng rãi (tuy nhiên phương pháp trùng hợp huyền phù vẫnđược sử dụng nhiều hơn) do có nhiều ưu điểm đáng kể sau:

Sản phẩm tạo ra ở dạng hạt, bột dễ gia công, vận tốc trùng hợp cao, độ trùng hợpcao, nhiệt độ phản ứng thấp và đặc biệt không xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ nhưtrùng hợp khối Nhưng có một nhược điểm là dây chuyền sản xuất phức tạp hơn so vớicác phương pháp trùng hợp khác vì phải có thêm các bộ phận như lọc, rửa

Hiện nay, tại Việt Nam cũng đã có nhiều nhà máy áp dụng phương pháp trùng hợphuyền phù để sản xuất PVC, điển hình là nhà máy nhựa và hóa chất Phú Mỹ

Sơ đồ công nghệ của nhà máy được cho trong Hình 3

Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

FVC từ bồn cầu T3101 và RVC được bơm P401 và P402 bơm qua thiết bị lọc thứ nhất S405 trước khi vào lò phản ứng Tại S405 các cặn bẩn có kích thước lớn hơn

25 micromet bị giữ lại

VCM, nước loại khoáng, tác nhân tạo huyền phù và chất xúc tác lần lượt đượcđưa vào lò phản ứng R301 theo một trình tự nhất định Tại đây xảy ra quá trìnhpolyme hóa bên trong các giọt VCM Khi phản ứng polyme hóa kết thúc, sản phẩm rakhỏi lò phản ứng là “slurry” Sau đó “slurry” được bơm P501 đưa đến thiết bị lọcS501 Tiếp đó ‘Slurry” được đưa vào thiết bị tách cao áp V501, tại thiết bị này, phầnlớn VCM được tách ra Sau đó bơm P503 bơm “slurry” qua bình tách thấp áp V502, ởđây một phần VCM được tách ra và nó còn ổn định lưu lượng bơm cho tháp strippingC501 VCM thoát ra trên đỉnh V501 và V502 sẽ dẫn qua hệ thống thu hồi VCM Saukhi “slurry” được tách sơ bộ sẽ tiếp tục được bơm P504 bơm qua thiết bị lọc thứ baS502 trước khi vào tháp stripping C501, tháp này sẽ tách lượng VCM còn lại do yêu

Đồ án môn học

cầu của sản phẩm, chúng được dòng hơi nước nóng đi từ dưới đáy tháp lên cuốn theo

và đi ra ngoài Lượng VCM thu hồi được tái sinh và sử dụng trong quá trình polymehóa tiếp theo

Sản phẩm ra khỏi tháp C501 có hàm lượng VCM nhỏ hơn 1ppm trao đổi nhiệtvới dòng nguyên liệu vào tháp qua thiết bị trao đổi nhiệt E501 Sau đó được bơm đếnthiết bị chứa PVC ướt T503 rồi qua thiết bị sấy ly tâm S503 để loại nước Sản phẩm rakhỏi S503 sẽ đạt được hàm lượng nước khoảng 22 – 30% tùy thuộc vào loại sản phẩm

mà nhà máy sản xuất Người ta tiếp tục sấy khô PVC ở thiết bị sấy tầng sôi D501 đểthu được PVC đạt yêu cầu với hàm lượng nước phải nhỏ hơn 0,2%

Để đạt được tiêu chuẩn về kích thước, PVC được đưa qua thiết bị sàng S504.Sau đó PVC đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển đến thiết bị chứa dạng phễu T505 để điềuchỉnh dòng PVC vào 2 xilo chứa PVC trước khi được chuyển qua khu vực đóng gói

và được lưu giữ trong kho trước khi được tiêu thụ trên thị trường

Hệ thống đóng gói sản phẩm gồm có ba dây chuyền Trong đó hai máy hoạtđộng liên tục, máy còn lại để dự phòng trong trường hợp một trong hai máy kia gặp sự

cố Quá trình đóng gói được thực hiện bằng dây chuyền tự động, đóng sản phẩm thànhtừng gói 25kg hoặc 600kg