Thiết kế và mô phỏng công nghệ sản xuất VINYL CHLORIDE MONOMER 94%

MỤC LỤC Phần I. TỔNG QUAN 3 I. Vinyl clorua (VC) 3 1. Tính chất 3 2. Ứng dụng: 4 3. Các phương pháp sản xuất Vinyl Clorua (VC) trong công nghiệp 4 II. Thiết kế và lựa chọn công nghệ 6 1. Nguyên liệu 6 2. Các quá trình phản ứng 10 3. Các thiết bị chính 12 4. Thiết kế công nghệ 14 Phần II.MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH 15 I. Thông số thiết kế 15 1. Tính toán năng suất Vinyl clorua 15 2. Tính toán cân bằng vật chất 16 II. Thông số đầu vào cho quá trình 17 III. Kết quả mô phỏng 29 1. Kết quả 29 2. Phân tích kết quả 29 3. Kích thước thiết bị 29 PhẦN III .TÍNH TOÁN KINH TẾ 31 I. Tính toán tổng mức đầu tư (TCI) và ROI 31 II. Kết luận 35 VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG 36 I. Ảnh hưởng tới con người và môi trường 36 II. Biện pháp 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Phần I. TỔNG QUAN Vinyl clorua (VC) Tính chất Bảng tính chất của Vinyl Clorua Vinyl Clorua Danh pháp IUPAC Chloroethene Tên khác Vinyl chloride monomer hoặc chloroethylene Công thức phân tử H2C=CHCl Cấu trúc phân tử Phân tử lượng 62.5 kgmole THUỘC TÍNH Trọng lượng riêng 0.969 gcm3 Độ hòa tan trong nước 2.7 gL (0.0432 molL) Nhiệt độ tới hạn 156,8°C Áp suất tới hạn 5,6 kPa Điểm sôi 13oC d_420 0,9834 Nhiệt độ nóng chảy 153,8℃ Nhiệt độ sôi 13,4℃ Vinyl clorua (VC), ở nhiệt độ và áp suất thấp thường là chất khí, không mầu ở điều kiện tiêu chuẩn, có mùi ete, tạo tạo hỗn hợp nổ với không khí (giới hạn nổ từ 3,626 % thể tích(TTTT)). VC có nồng độ cho phép của nó khi làm việc là 1 ppm trong thời gian 8h một ngày sản xuất. Khi tiếp xúc nồng độ cao thì nó gây choáng, hôn mê, bị bỏng da nếu tiếp xúc trực tiếp. Không tan trong nước nhưng nó có khả năng tan trong các dung môi hữu cơ như acetone, rượu etylic, hydrocacbon thơm và hydrocacbon mạch thẳng Vinyl clorua có tính độc, dễ cháy, và gây ung thư. Nó có thể được hình thành trong môi trường khi các sinh vật đất phá vỡ dung môi chứa clo. Vinyl clorua được thải ra từ các ngành công nghiệp hoặc được hình thành từ sự phân hủy của các hóa chất clo có thể xâm nhập vào không khí và nguồn cung cấp nước uống. Vinyl clorua là một chất gây ô nhiễm thông thường được tìm thấy gần các bãi chôn lấp rác. Do đó: Nhân viên không được tiếp xúc quá 1ppm trong hơn 8 giờ làm viêc hoặc không quá 5ppm với thời gian 15 phút. Nếu tiếp xúc hơn 100ppm sẽ dẫn đến các bệnh nghiêm trọng. Vinyl chloride phải được lưu trữ và vận chuyển trong môi trường khí trơ. Cần sử dụng chất ổn định ngăn ngừa trùng hợp trong quá trình xử lý và lưu trữ. Ứng dụng: Vinyl clorua (VC) là một trong những hóa chất hàng đầu được sử dụng chủ yếu cho sản xuất polyvinyl clorua (PVC). Năm 2005 là khoảng 35 triệu tấn mỗi năm, với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 3%. Được sử dụng trong các phản ứng đồng trùng hợp các monomer khác như vinydeclorua CH2=CCl2, axetat vinyl CH2=CHOCOCH2, acrylnitril CH2=CHCN tạo thành các polymer có giá trị. Được sử dụng làm chất làm lạnh (tuy nhiên vì tính chất độc hại ngày nay đã ngưng sử dụng). Các phương pháp sản xuất Vinyl Clorua (VC) trong công nghiệp Các quá trình chính trong công nghiệp để sản xuất Vinyl Clorua (VC): Cộng Clo vào ethylene, sau đó nhiệt phân EDC để tạo thành VC và HCl Cộng HCl và axetylene. Cracking EDC tạo VCM và HCl. Oxi clo hóa ethylene. Clo hóa trực tiếp ethylene Công nghệ sản xuất Vinyl clorua từ ethylene là phương pháp mới, có nhiều ưu điểm, nhất là với những nước có nguồn dầu mỏ phong phú. C2H4 + Cl2 → C2H3Cl + HCl Phản ứng này có ưu điểm là tạo ra luôn VCM mà không cần 2 bước. Nhưng nó xảy ra ở nhiệt độ cao, tạo ra ít VCM và tạo ra 1 lượng lớn sản phẩm phụ là dicloetylene, tạo ra HCl khó tiêu thụ. Chi phí sản xuất của quá trình này cao hơn các quá trình khác. Sản xuất Vinyl clorua từ axetylen và HCl C2H2 + HCl → C2H3Cl Ở áp suất thường không có xúc tác, phản ứng không xảy ra. Muốn phản ứng xảy ra có thể tăng áp suất lên cao nhưng khi đó các phản ứng tạo sản phẩm phụ xảy ra mạnh, làm giảm hiệu suất và tăng chi phí phân tách. Khi tiến hành phản ứng chuyển hóa axetylen thành vinyl clorua cần sử dụng xúc tác chọn lọc nhằm làm tăng vận tốc giai đoạn đầu. Độ chuyển hóa đạt 98% tại 150°C trong sự có mặt của chất xúc tác HgCl2. Phản ứng này ở điều kiện vừa phải nhưng xúc tác độc nên cách này đang được nghiên cứu. Sản xuất Vinyl clorua monomer đi từ Dicloetan (EDC) Công nghệ pha lỏng Phản ứng chính: ClCH2CH2Cl + NaOH → CH2=CHCl + NaCl +H2O Công nghệ sử dụng quá trình trong pha lỏng để tách HCl ra khỏi Dicloetan không được dùng phổ biến trong công nghiệp do nguyên liệu Clo đắt mà lại bị mất đi do tạo thành muối NaCl. Công nghệ pha khí C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl Phản ứng bắt đầu xảy ra ở 300 oC,và áp suất khí quyển 1atm nhưng phản ứng chỉ đạt được tốc độ cao ở khoảng nhiệt độ 400550oC. Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc, lượng VCM thu được ít. Để hạ thấp nhiệt độ phản ứng, người ta dùng xúc tác có khả năng tách Clo. Để tránh phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao tạo nhiều sản phẩm phụ người ta thường dùng chất xúc tiến cho phản ứng như Clo, Brom, … để thuận lợi cho quá trình chuyển hóa. C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2 C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl Cả quá trình là : C2H4 + Cl2 → C2H3Cl + HCl Quá rình này gồm 2 bước phản ứng. Thứ nhất là phản ứng clo hóa ethylene tạo EDC phản ứng này có độ chuyển hóa 98% tại 90° C và 1atm với chất xúc tác là FeCl3 . Thứ 2 là phản ứng tạo VCM bằng cách cracking chọn lọc EDC tại 500°C với độ chuyển hóa 60% Quá trình này ít tạo ra sản phẩm phụ EDC nhưng phản ứng tạo ra HCl Oxy clo hóa ethylene C2H4 + 2HCl + 0.5 O2 → C2H4Cl2 + H2O C2H4 + Cl2 → C2H3Cl + HCl Cả quá trình là : C2H4 + HCl + 0.5 O2 → C2H3Cl + H2O Đây là phản ứng tỏa nhiệt cao độ chuyển hóa của phản ứng tạo EDC đạt trên 95% tại nhiệt độ 250°C với xúc tác CuCl2. Cũng như là cách 3 phản ứng thứ hai là phản ứng cracking tạo VCM. Thiết kế và lựa chọn công nghệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

KHOA DẦU KHÍ

BỘ MÔN LỌC - HÓA DẦU

- -DỰ ÁN

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

VINYL CHLORIDE MONOMER 94%

Giảng viên giảng dạy: TS Phạm Trung Kiên

Sinh viên thực hiện

Hà Nội, tháng 10 năm 2020

 Vinyl clorua (VC), ở nhiệt độ và áp suất thấp thường là chất khí, không mầu ở điều kiện tiêu chuẩn, có mùi ete, tạo tạo hỗn hợp nổ với không khí (giới hạn nổ từ 3,6-26 % thể tích(TT/TT)).

 VC có nồng độ cho phép của nó khi làm việc là 1 ppm trong thời gian 8h một ngày sản xuất Khi tiếp xúc nồng độ cao thì nó gây choáng, hôn mê,

bị bỏng da nếu tiếp xúc trực tiếp

 Không tan trong nước nhưng nó có khả năng tan trong các dung môi hữu

cơ như acetone, rượu etylic, hydrocacbon thơm và hydrocacbon mạch thẳng

 Vinyl clorua có tính độc, dễ cháy, và gây ung thư Nó có thể được hình thành trong môi trường khi các sinh vật đất phá vỡ dung môi "chứa clo" Vinyl clorua được thải ra từ các ngành công nghiệp hoặc được hình thành

từ sự phân hủy của các hóa chất clo có thể xâm nhập vào không khí và nguồn cung cấp nước uống Vinyl clorua là một chất gây ô nhiễm thông thường được tìm thấy gần các bãi chôn lấp rác

 Do đó: Nhân viên không được tiếp xúc quá 1ppm trong hơn 8 giờ làm viêc hoặc không quá 5ppm với thời gian 15 phút Nếu tiếp xúc hơn 100ppm sẽ dẫn đến các bệnh nghiêm trọng

 Vinyl chloride phải được lưu trữ và vận chuyển trong môi trường khí trơ Cần sử dụng chất ổn định ngăn ngừa trùng hợp trong quá trình xử lý và lưu trữ

2 Ứng dụng:

 Vinyl clorua (VC) là một trong những hóa chất hàng đầu được sử dụng chủ yếu cho sản xuất polyvinyl clorua (PVC) Năm 2005 là khoảng 35 triệu tấn mỗi năm, với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 3%

 Được sử dụng trong các phản ứng đồng trùng hợp các monomer khác nhưvinydeclorua CH2=CCl2, axetat vinyl CH2=CHOCOCH2, acrylnitril

CH2=CHCN tạo thành các polymer có giá trị

 Được sử dụng làm chất làm lạnh (tuy nhiên vì tính chất độc hại ngày nay

đã ngưng sử dụng)

3 Các phương pháp sản xuất Vinyl Clorua (VC) trong công nghiệp

Các quá trình chính trong công nghiệp để sản xuất Vinyl Clorua (VC):

 Cộng Clo vào ethylene, sau đó nhiệt phân EDC để tạo thành VC vàHCl

 Cộng HCl và axetylene.

 Cracking EDC tạo VCM và HCl

 Oxi clo hóa ethylene

a Clo hóa trực tiếp ethylene

Công nghệ sản xuất Vinyl clorua từ ethylene là phương pháp mới, có nhiều ưu điểm, nhất là với những nước có nguồn dầu mỏ phong phú

C2H4 + Cl2 → C2H3Cl + HCl

Phản ứng này có ưu điểm là tạo ra luôn VCM mà không cần 2 bước Nhưng nó xảy ra ở nhiệt độ cao, tạo ra ít VCM và tạo ra 1 lượng lớn sản phẩm phụ là dicloetylene, tạo ra HCl khó tiêu thụ Chi phí sản xuất của quá trình này cao hơncác quá trình khác

b Sản xuất Vinyl clorua từ axetylen và HCl

C2H2 + HCl → C2H3Cl

Ở áp suất thường không có xúc tác, phản ứng không xảy ra Muốn phản ứng xảy

ra có thể tăng áp suất lên cao nhưng khi đó các phản ứng tạo sản phẩm phụ xảy

ra mạnh, làm giảm hiệu suất và tăng chi phí phân tách

Khi tiến hành phản ứng chuyển hóa axetylen thành vinyl clorua cần sử dụng xúctác chọn lọc nhằm làm tăng vận tốc giai đoạn đầu Độ chuyển hóa đạt 98% tại 150°C trong sự có mặt của chất xúc tác HgCl2 Phản ứng này ở điều kiện vừa phải nhưng xúc tác độc nên cách này đang được nghiên cứu

c Sản xuất Vinyl clorua monomer đi từ Dicloetan (EDC)

Công nghệ pha lỏng

Phản ứng chính:

ClCH2-CH2Cl + NaOH → CH2=CH-Cl + NaCl +H2O

Công nghệ sử dụng quá trình trong pha lỏng để tách HCl ra khỏi Dicloetan không được dùng phổ biến trong công nghiệp do nguyên liệu Clo đắt mà lại bị mất đi do tạo thành muối NaCl

Công nghệ pha khí

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl

Phản ứng bắt đầu xảy ra ở 300 oC,và áp suất khí quyển 1atm nhưng phản ứng chỉ đạt được tốc độ cao ở khoảng nhiệt độ 400-550oC Phản ứng xảy ra theo cơ

chế gốc, lượng VCM thu được ít Để hạ thấp nhiệt độ phản ứng, người ta dùng xúc tác có khả năng tách Clo.

Để tránh phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao tạo nhiều sản phẩm phụ người

ta thường dùng chất xúc tiến cho phản ứng như Clo, Brom, … để thuận lợi cho quá trình chuyển hóa

Quá trình này ít tạo ra sản phẩm phụ EDC nhưng phản ứng tạo ra HCl

d Oxy clo hóa ethylene

II Thiết kế và lựa chọn công nghệ

Nhận thấy các ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp Clo hóa trực tiếp

từ ethylen, chúng em đã lựa chọn và thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất Vinyl Clorua Monomer (VCM) để tối ưu hóa quá trình sản xuất và thu được VC

có độ tinh khiết cao và tận dụng được nguồn HCl sinh ra từ phản ứng để tiếp tụcchuyển hóa thành VC giúp hạn chế việc tồn trữ HCl gây ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường , tận dụng nguồn nguyên liệu có kinh tế thấp để tạo ra những nguồn nguyên liệu cho kinh tế cao hơn

1.Nguyên liệu

a)Etylen

Tính chất:

 Ở điều kiện thường ethylene là khí không màu không mùi, nhẹ hơn khôngkhí(d=28/29 ) , dễ cháy Ethylene hầu như không tan trong nước nhưng

dễ tan trong các dung môi hữu cơ

 Cấu tạo đơn giản, hoạt tính cao

 Tương đối rẻ tiền

 Dễ sản xuất từ các hydrocacbon khác nhau bằng quá trình cracking với hiệu suất cao

 Các phản ứng đi từ nguyên liệu etylen tạo thành ít sản phẩm phụ hơn so với phản ứng đi các olefin khác

 Ethylene là nguyên liệu quan trọng trong tổng hợp hóa học

 Từ etylen có thể tổng hợp ra nhiều sản phẩm trung gian quan trọng có giátrị cao như vinyl clorua (VC), vinyl acetat, axit acrylic, styrene,…

Nhiệt độ tới hạn (oC)

Giới hạn nổ trong không khí tại

20oC, 1 at (%V)Giới hạn dưới Giới hạn trên

 Trong tự nhiên, Clo thường tồn tại ở dạng hợp chất Cụ thể là ở dạng muối clorua, đặc biệt là muối ăn NaCl KCl cũng là một loại muối khá phổ biến, nó có trong một số loại khoáng vật như cacnalit

và xinvinit.

 Tan vừa phải trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ

 Khí clo rất độc có hại cho sức khỏe con người

 Tan ít trong nước

 Hóa lỏng là -1830C dưới áp suất của khí quyển 1 atm

 Oxi trong không khí là sản phẩm của quá trình quang hợp

Ứng dụng:

 Là chất duy trì sự hô hấp, nên được ứng dụng rộng rãi trong y tế

 Được sử dụng làm chất oxy hóa

 Được sử dụng trong công nghệ hàn cũng như sản xuất thép và rượumethanol

d Xúc tác FeCl3

Tính chất :

FeCl3 có màu nâu đen, mùi đặc trưng và có độ nhớt cao

 Khối lượng mol là 162.2 g/mol (khan) và 270.3 g/mol (ngậm 6 nước)

 Khối lượng riêng là 2.898 g/cm3 (khan) và 1.82 g/cm3 (ngậm 6 nước)

 Điểm nóng chảy là 306 °C (khan) và 37 °C (ngậm 6 nước)

 Điểm sôi là 315 °C

 FeCl3 tan được trong nước, Methanol, Ethanol và các dung môi khác

Ứng dụng:

FeCl3 ứng dụng trong phòng thí nghiệm

• FeCl3 thường được sử dụng như là một axit Lewis xúc tác phản ứng như khử trùng bằng clo của các hợp chất thơm và phản ứng Friedel-Thủ công

mỹ nghệ của các chất thơm

FeCl3 ứng dụng trong công nghệ xử lý nước

• FeCl3 có các tính chất như hoạt động được tốt cả trong điều kiện nhiệt độthấp và trong khoảng pH rộng Khoảng làm việc tối ưu nhất pH từ 7 –8,5.FeCl3 tạo bông bền và thô

• FeCl3 có thể sử dụng được cho nước có nồng độ muối cao Vì vậy nó được coi là hóa chất xử lý rác thải công nghiệp và nước thải đô thị

• FeCl3 có tác dụng như keo lắng để làm nước trong hơn Đặc biệt, FeCl3 với phản ứng kết tủa thì nó còn loại bỏ photphase

FeCl3 ứng dụng trong công nghiêp

• FeCl3 là thành phần trong thuốc trừ sâu

• FeCl3 được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bo mạch in Dùng làm tácnhân khắc axit cho bản in khắc; chất cầm màu; chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ; chất làm sạch nước; dùng trong nhiếp ảnh…

• FeCl3 được sử dụng như một chất giữ màu và là thành phần được sử dụng trong các chất nhuộm

• FeCl3 được xem như thành phần có mặt trong các bồn tẩy tạp chất cho nhôm và thép

FeCl3 ứng dụng trong y học

• FeCl3 được sử dụng làm chất làm se vết thương

 Ngoài ra, FeCl3 còn có rất nhiều ứng dụng khác trong cuộc sống và công nghiệp

e HCl

 Sản xuất các hợp chất hữu cơ

 Sản xuất các hợp chất vô cơ

 Kiển soát và trung hòa độ pH

 Tái sinh bằng cách trao đổi ion

1 Các quá trình phản ứng

a Quá trình clo hóa ethylen:

Giai đoạn clo hóa ethylene thành 1,2 - ethylenedichloride (EDC):

• Việc clo hóa trực tiếp ethylene có thể được tiến hành theo hai kỹ thuật:

o Clo hóa nhiệt độ thấp (LTC)

Nhiệt cần tiến hành cho quá trình clo hoá ở 20oC – 30oC

Ưu điểm: Do phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp 20-30oC thấp hơn nhiệt độ sôi của Dicloetan và làm lạnh khối phản ứng (bằng cách trao đổi nhiệt bên ngoài thiết bị hay băng cách tuần hoàn thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài và bên trong) nên ít tạo sản phẩm phụ Đồng thời phản ứng Clo hoá tạo ra nhanh, thiết bị phản

ứng khá đơn giản, không chế nhiệt độ dẽ dàng,làm việc an toàn, Dicloetan có độtinh khiết cao, hiệu suất Dicloetan cao, sự chuyển hoá đạt tới 100% đối với Clo

và độ chọn lọc của Etylen gần bằng 99%

Nhược điểm: Do phải làm lạnh khối phản ứng và tốn năng lượng cho quá trình chưng cất vì phản ứng ở nhiệt độ thấp (lượng hơi cần cho quá trình làm sạch Dicloetan) tốn nhiều công đoạn xử lý làm sạch

o Clo hóa nhiệt độ cao (HTC)

Công nghệ Clo hoá trực tiếp Etylen nhiệt độ cao là một xu thế mới trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ hoá dầu hiện nay phản ứng được tiến hành tại điểm sôi của EDC ở mức 1,5 -5 bar và 90 đến 150°C, không phải làm lạnh khối phản ứng

mà kết hợp nhiệt phản ứng dùng để bốc hơi Dicloetan và chưng tách hỗn hợp phản ứng Hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, chuyển hóa các khí nguyên liệu ethylene và clo thành EDC sạch với hiệu suất đạt trên 99%

Giai đoạn nhiệt phân EDC thành VC:

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl (- 71 kJ/mol)

• Điều kiện phản ứng: nhiệt độ 5000C

• Áp suất 12atm

• Phản ứng tỏa nhiệt, độ chuyển hóa 60%

Quá trình oxy hóa HCl tạo ra Cl2

Tận thu HCl:

0.5O2 + 2HCl → Cl2 + H2O

Nhiệt độ 600 , 1atm, độ chuyển hóa 100 , điều kiện xúc tác CuCl2/Al2O3

b Xúc tác và nhiệt động của quá trình phản ứng

Quá trình clo hóa ethylen:

Phản ứng được tiến hành trong pha lỏng (điều khiển nhiệt độ ethylenedicloride EDC) với sự có mặt của xúc tác Lewis (FeCl3) dạng hoà tan

Cơ chế phản ứng Phản ứng cộng hợp ái lực điện tử vào etylen, phản ứng cộng hợp qua nhiều giai đoạn Phản ứng cộng hợp vào nối đôi C=C theo cơ chế ái điện tử khi có mặt xúc tác Lewis làm cho liên kết π dễ bị phân cực, với tác nhâncộng hợp phân cực (Cl2) Nhờ có sự phân cực trước nên giai đoạn tạo phức nhanh Quá trình phức phá vỡ liên kết π tạo ra ion là quá trình khó và chậm Nó quyết định thời gian cộng hợp chung của quá trình Vì vậy, tốc độ cộng hợp

được xác định ở giai đoạn phá vỡ liên kết π tạo ra ion Hơn nữa tác nhân ái điện

tử sẽ cộng hợp vào trước và được cộng hợp vào giai đoạn quyết định này, giai đoạn cộng hợp Cl- vào cation cacboni xảy ra nhanh và hướng cộng hợp ở phía sau nguyên tử clo đã có trong phân tử

Ngoài ra, EDC còn có khả năng làm xúc tác cho phản ứng giữa clo và etylen Trong quá trình còn có một số phản ứng phụ tạo ra từ cloetan, tetracloetan và polycloric…

CH2= CH2 + 2Cl2 → CH2Cl- CH2Cl + HCl

CH2= CH2 + 3Cl2 → CH2Cl- CHCl2 + 2HCl

Tuỳ theo sự khống chế nhiệt độ của quá trình mà sản phẩm phụ tạo nhiều hay ít.Khoảng nhiệt độ từ –30 đến -20oC ta thu được chủ yếu EDC, ở 20oC ta thu đượcchủ yếu là Tricloetan và nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì lượng tetracloetan tạo thành càng nhiều Qua các quá trình nghiên cứu, khi cho vào môi trường phản ứng một lượng oxy hoặc không khí sẽ ức chế sự tạo thành sản phẩm phụ

Tỷ số giữa clo và etylen cũng ảnh hưởng nhiều đến sản phẩm phụ, tỷ lệ giữa clo/etylen càng lớn sản phẩm phụ càng nhiều, vì thế trong thực tế người ta thường dùng thiếu clo

3 Các thiết bị chính

a) Thiết bị phản ứng Clo hóa ethylen

Thiết bị phản ứng hình trụ, bên trong có các ống chứa xúc tác

Etylen và Clo kết hợp với nhau trong một phản ứng đồng thể có xúc tác

để tạo thành EDC Thông thường tốc độ phản ứng được điều khiển bằng sự chuyển khối, với sự hấp thụ ethylene là yếu tố giới hạn Vì độ chọn lọc cao, ferric chloride là xúc tác điển hình được lựa chọn cho phản ứng clo hóa

ethylene Cơ chế xúc tác cho phản ứng là cơ chế cộng electrophilic

(electrophilic addition mechanism) Xúc tác làm phân cực Clo và sau đó các phân tử clo phân cực hoạt động như một tác nhân electrophilic để cộng Cl- vào liên kết đôi của ethylene

FeCl3 + Cl2 ↔ FeCl4-Cl+

FeCl4-Cl+ + CH2CH2 → FeCl3 + ClCH2CH2Cl

b) Thiết bị nhiệt phân EDC (thermal cracking)

Nhiệt phân EDC là phản ứng thu nhiệt được tiến hành trong một lò phản ứng

Lò phản ứng gồm 4 phần chính: phần bức xạ, phần đối lưu, phần sốc nhiệt và một ống thoát

c) Thiết bị phản ứng oxy hóa acid clohydric

Thiết bị phản ứng loại ống chùm, xúc tác chặt trong ống, chất tải nhiệt đi ngoài ống Dùng xúc tác CuCl2/Al2O3 do CuCl2 ở nhiệt độ cao dễ bay hơi nên người

ta cho thêm KCl vào để làm giảm độ bay hơi Để giảm nhiệt độ lớn nhất trong thiết bị phản ứng, nhất là lớp tĩnh bằng cách pha loãng xúc tác có chứa 8,2% CuCl2/Al2O3 bằng grafit (chất có khả năng dẫn nhiệt tốt) hoặc dùng xúc tác có hàm lượng CuCl2 khác nhau từ thấp đến cao phân bố từ đầu vào đến đầu ra Các ống thường được chế tạo bằng kim loại của Ni, thiết bị phản ứng được chế tạo bằng thép cacbon

d) Các tháp chưng cất loại tháp đĩa

Distillation Column: Các tháp chưng cất được sử dụng để tách một thànhphần từ hỗn hợp bởi sự khác biệt về nhiệt độ sôi Năng suất tách phụ thuộc sốđĩa, tỉ lệ hồi lưu và lưu lượng đầu vào Trong quá trình tổng hợp vinyl chloridemonomer đạt độ tinh khiết 94% cần hai tháp Thápchưng cất thứ nhất để táchHCl và hỗn hợp dầu vinyl chloride và tháp chưng cất thứ hai dùng để tách vinylchloride monomer và ethylene dichloride (EDC)

e) Các thiết bị gia nhiệt, làm lạnh

- Heater: Dùng để gia nhiệt cho dòng nguyên liệu đi qua nó.

Heater 1: Dùng để gia nhiệt cho dòng EDC trước khi đi vào thiết bịthermal cracking cùng dòng hồi lưu từ thiết bị mixer2 có nhiệt độ 24,79 °C lên343,5 °C cần năng lượng là 1,86 x 10^8 kJ/h

Heater 2: Để tăng nhiệt độ dòng sản phẩm HCl trước khi vào thiết bịphản ứng oxy hóa HCl từ -27,19°C lên 600 °C cần năng lượng 6,3 x 10^7 kJ/h

- Cooler: Dùng để làm lạnh dòng khi đi qua nó.

Cooler 1: Dùng để làm lạnh dòng nguyên liệu sau khi qua máy nén từ500°C xuống 58 °C

Cooler 2 : Dùng để làm lạnh dòng sản phẩm trước khi đi vào tháp tách từ106,1 °C xuống 25 °C

f) Các thiết bị máy nén, van giảm áp và trộn

- Compressor: Dùng để tăng áp suất và đẩy dòng nguyên liệu vào thiết bị

phản ứng

Comp 1: Dùng để tăng áp suất dòng nguyên liệu từ 1 atm lên 1,786 atm.Comp 2: Dùng để tăng áp suất dòng nguyên liệu từ 1 atm lên 12 atm.

- Valve: Là van điều áp để chỉnh dòng sản phẩm từ 12 atm xuống 4 atmtrước khi vào tháp chưng cất Distill 2

- Mixer: Dùng để trộn các dòng nguyên liệu đi qua nó có cùng nhiệt độ và

Quá trình sản xuất được chia làm 4 phần:

• Thực hiện các chuỗi phản ứng chuyển hóa từ nguyên liệu ban đầu thành VC

• Tinh chế sản phẩm bằng các tháp chưng cất

• Sử dụng EDC từ quá trình chưng cất tinh chế VC làm nguyên liệu cho quá trình phân hủy EDC

Phân hủyEDC

Clo hóa trựctiếp

Oxy hóaacid hydric

Làm tinhkhiết VCM

• Từ quá trình phân hủy EDC ta thu được HCl hồi lưu lại quá trình oxy hóa HCl

 Mô tả quá trình

Dòng nguyên liệu bao gồm C2H4 và Cl2 với tỷ lệ 1:1 đã được làm nóngđến 90o C và 1,5 atm được đưa vào thiết bị chuyển đổi Phản ứng được thựchiện ở nhiệt độ thường 25oC dòng Liq1 chứa EDC được lấy ra ở đáy đượcđưa vào thiết bị Mixer 2 sau đó được gia nhiệt lên 343,5o C và nén lên ápsuất 12 atm sau đó đưa vào thiết bị chuyển đổi Pyrolysis reactor để thực hiệnquá trình phân hủy EDC thành VCM và HCl Tại thiết bị chuyển đổi nhiệtphản ứng lên đến 500o C do đó các chất đều chuyển sang dạng hơi Dòng hơi

ra ở đỉnh được làm lạnh xuống 58o C trước khi đưa vào tháp chưng cất DC1

để tách loại HCl với hỗn hợp EDC dư và VCM Hỗn hợp đi ra từ đáy thápDistill 1 tiếp tục đưa sang tháp chưng Distill2 để tách EDC dư tuần hoàn trởlại Mixer 2 để tiếp tục chuyển hóa Dòng hơi ra từ đỉnh là VCM có độ tinhkhiết 94% Dòng HCl đi ra từ đỉnh tháp Distill 1 được gia nhiệt và được sửdụng làm nguyên liệu cho quá trình oxy hóa HCl Dòng O2 được đưa vàothiết bị chuyển hóa Recovery HCl cùng với dòng HCl được lấy từ đỉnh thápchưng cất Distill 1 Tại thiết bị phản ứng Recovery HCl nhiệt phản ứng đạt

600o C, dòng hơi ra từ đỉnh chứa Cl2 được tăng áp suất và nhiệt độ bằngCompressor 1 và được hồi lưu lại vào thiết bị phản ứng Direct chlorination

Phần II MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH

I Thông số thiết kế

Độ chuyển hóa quá trình của quá trình clo hóa ethylene 100

Độ chuyển hóa quá trình của EDC trong phản ứng cracking là 60%

Độ chuyển hóa của oxy hóa HCl là 100%,

Độ tinh khiết của sản phẩm VC là 94%

1 Tính toán năng suất Vinyl clorua

Giả sử nhà máy làm việc với 340 ngày/năm và 24 h/ngày

Năng suất VCM đạt được trong 1 giờ làm việc là;

Khối lượng EDC tuần hoàn lại thiết bị Cracking là

 Chlo

 Oxy

Thông số thiết bị

 Thiết bị phản ứng

DirectChlorination

Pyroreactior Oxy hóa HCl