Tài liệu Thiết kế phân xưởng sản xuất axetaldehyt

Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetaldehyt Lời cảm ơn Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn của thầy GS.TS Đào Văn Tường đến nay đồ án của em đã được hoàn thành theo đúng thời gian qui định. Em xin cảm ơn thầy PGS Ngô Bình người đã hướng dẫn em hoàn thiện phần thiết kế xây dựng là một phần của đồ án. Em xin chân thành cám ơn các thầy, cô trong bộ môn. Đặc biệt là thầy GS.TS Đào Văn Tường đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian. 2 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất Mục lục Mở đầu..................................................................................................6 Phần I : Tổng quan..............................................................................8 A. Tính chất hoá học của nguyên liệu..................................................8 I. Axetylen..........................................................................................8 I.1. Tính chất của axetylen................................................................8 I.2. Các phương pháp tổng hợp axetylen..........................................11 II. Nước...............................................................................................13 III. Etylen............................................................................................14 III.1. Tính chất của etylen.................................................................14 III.2. Các phương pháp tổng hợp etylen...........................................16 IV. Metanol.........................................................................................16 IV.1. Tính chất của metanol..............................................................16 IV.2. Các phương pháp tổng hợp metanol........................................17 V. Etanol.............................................................................................18 V.1. Tính chất của etanol..................................................................18 V.2. Các phương pháp tổng hợp etanol............................................19 B. Tính chất của sản phẩm....................................................................20 I. Tính chất vật lí của axetaldehyt.......................................................20 II. Tính chất hoá học của axetaldehyt.................................................22 II.1. Phản ứng phân huỷ....................................................................22 II.2. Phản ứng cộng hợp....................................................................22 II.3. Phản ứng oxy hoá......................................................................25 II.4. Phản ứng khử............................................................................26 II.5. Phản ứng polyme hoá................................................................26 II.6. Phản ứng với hợp chất PCl5 tạo hợp chất gemdihalogen..........27 III. ứng dụng của axetaldehyt.............................................................27 C. Các phương pháp sản xuất axetaldehyt............................................28 I. Phương pháp sản xuất axetaldehyt đi từ axetylen...........................29 I.1. Quá trình hydrat hoá axetylen trong pha láng............................30 I.2. Sản xuất axetaldehyt bằng hydrat hoá axetylen tiến hành trong pha khí.............................................................................................................35 I.3. Hydrat hoá gián tiếp axetylen để điều chế axetaldehyt .............37 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt II. Quá trình sản xuất axetaldehyt từ etanol........................................38 II.1. Quá trình sản xuất axetaldehyt từ quá trình dehydro hoá của etanol...............................................................................................................38 II.2. Quá trình sản xuất axetaldehyt bằng oxy hoá etanol.................39 III. Quá trình sản xuất axetaldehyt từ etylen.......................................39 III.1. Quá trình oxy hoá trực tiếp etylen...........................................39 III.2. Công nghệ sản xuất..................................................................44 IV. Quá trình sản xuất axetaldehyt từ hydrocacbon no......................50 V. Sản xuất axetaldehyt từ nguồn C1..................................................51 V.1. Sản xuất axetaldehyt trực tiếp từ khí tổng hợp.........................51 V.2. Sản xuất axetaldehyt từ metanol, metyl axetat hoặc anhydrit axetic...............................................................................................................52 VI. So sánh các phương pháp sản xuất axetaldehyt............................52 Phần II: Tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng...................54 I. tính cân bằng vật chất......................................................................54 I.1. Tính cân bằng vật chất đối với tháp dehydro hoá.......................55 I.2. Tính cân bằng vật chất đối với tháp hấp thụ...............................57 I.3. Tính cân bằng vật chất đối với tháp chưng.................................60 I.4. Tính cân bằng vật chất đối với tháp tinh luyện..........................61 II. Tính cân bằng nhiệt lượng..............................................................62 II.1. Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào......................................62 II.2. Nhiệt lượng do các phản ứng tạo thành....................................63 II.3. Nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng...................................................................................................................65 II.4. Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra khỏi thiết bị phản ứng........65 II.5. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh.......................66 Phần III: Tính toán thiết bị chính........................................................67 I. Tính lượng xúc tác đi qua thiết bị....................................................67 II. Tính kích thước thiết bị chính........................................................68 III. Tính toán cơ khí............................................................................69 III.1. Tính kích thước các ống dẫn....................................................69 III.2. Tính chiều dầy thân thiết bị.....................................................71 III.3. Tính nắp và đáy thiết bị...........................................................74 Phần IV : Xây dựng nhà công nghiệp..................................................77 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt I. Chọn địa điểm xây dựng nhà máy...................................................77 II. Yêu cầu về khu đất xây dựng.........................................................78 III. Mặt bằng nhà máy.........................................................................79 IV. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy..................................................82 V. Nguyên tắc trong thiết kế tổng mặt bằng nhà máy........................83 Phần V : An toàn lao động...................................................................87 Kết luận.................................................................................................89 Tài liệu tham khảo................................................................................90 5 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất Mở đầu Axetaldehyt hay còn gọi là etanal. Có công thức phân tử là CH 3CHO, axetaldehyt được phát hiện vào năm 1774 bởi Sheele, khi ông cho phản ứng giữa mangan đioxit có mầu đen (MnO2) và axit Sunphuric với rượu. Về mặt cấu tạo của axetaldehyt được giải thích vào năm 1835 bởi Liebig, là người tạo ra axetaldehyt tinh khiết bằng việc oxy hoá rượu etylic với axit cromic và cũng đã chỉ rõ tên gọi của sản phẩm này là “Andehyt”. Axetaldehyt là một chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp, là một chất lỏng có khả năng bắt lửa cao, có mùi hơi cay. Bởi vì có khả năng phản ứng hoá học cao nên axetaldehyt là một chất trung gian quan trọng trong việc sản xuất ra các sản phẩm hoá học như: axit axetic, anhydric acetic, etyl axetal, axit peracetic, rượu butylic, penta erythritol, muối clorin axetaldehyt , 2- etyl hexanol, glyoxal, alkyl amin, pyridin, và các chất hoá học khác. Axetaldehyt được áp dụng trong thương mại đầu tiên vào những năm 1914 cho đến năm 1918 ở Đức (Wacker – Chemie và Hoechst) và ở Canada (Shawinigan). Axetaldehyt là một chất trung gian trong quá trình trao đổi chất của thực vật và các cơ quan của động vật, trong đó nó có khả năng được tách ra với số lượng nhỏ. Số lượng lớn của axetaldehyt liên quan đến nhiều quá trình sinh học: như là một chất trung gian trong quá trình lên men rượu, axetaldehyt có mặt với một lượng nhỏ trong tất cả các đồ uống có cồn như là bia, rượu,và các loại rượu mạnh. Axetaldehyt cũng được tách ra từ nước Ðp trái cây, dầu ăn ,cà phê khô, và khói thuốc lá. Nhiều quá trình sản xuất axetaldehyt mang tính thương mại gồm có: quá trình dehydro hoá hoặc oxy hoá của rượu etylic, quá trình hợp nước của axetylen , oxy hoá từng phần của hydrocacbon và oxy hoá trực tiếp của etylen. Vào những năm 1970 trên thế giới công suất của quá trình sản xuất theo phương pháp oxy hoá trực tiếp tăng đến khoảng 2.10 6tấn /năm. Tuy nhiên, ngày nay tính quan trọng của axetaldehyt như một chất hữu cơ trung gian đang phát triển đều đều,có nhiều quá trình sản xuất của axetaldehyt đã được phát triển: như là quá trình ôxô cho ta rượu butylic,và 2-etylhexanol, quá trình Monsanto cho ta axit axetic. Trong tương lai, các quá trình mới đối với anhydrit axetic,vinylaxetat, axetaldehyt như một nguyên liệu ban đầu. 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Do đó, hiện nay việc sử dụng axetaldehyt làm nguyên liệu ban đầu có phần giảm đi. Tuy nhiên nó vẫn còn là sản phẩm trung gian vô cùng quan trọng trong công nghiệp hoá học. Việt Nam trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nghành dầu khí thì việc chế biến các sản phẩm đi từ dầu khí là một nhiệm vụ quan trọng đối với sinh viên nói chung và sinh viên ngành hoá dầu nói riêng. 7 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất Phần I: Tổng quan A-TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU. I-AXETYLEN. I.1-Tính chất của Axetylen Axetaldehyt là một chất khí,có chứa liên kết ba trong phân tử, axetylen có nhiều ứng dụng trong kinh tế cũng nh trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Từ axetylen có thể điều chế ra các hợp chất hữu cơ quan trọng nh: axetaldehyt ,axit axetic, vinyl clorua, cao su tổng hợp…đây là những hợp chất trung gian quan trọng cho quá trình tổng hợp hữu cơ cơ bản. I.1.1-Tính chất vật lý. Axetylen (C2H2), có công thức cấu tạo là(CH≡CH), là một chất khí, không mầu, nguyên chất không mùi, nhẹ hơn không khí, Ýt tan trong nước, ngưng tụ ở –83,8oC (0,102Mpa). Axetylen tan nhiều hơn trong các dung môi hữu cơ nh : alcol, ete đặc biệt tan nhiều trong axeton (ở áp suất thường, một lít axeton hoà tan được 25 lít axetylen ) Axetylen là một chất thu nhiệt, vì vậy khi đốt cháy thoát ra một lượng nhiệt lớn. Do tính chất này nên người ta đã sử dụng axetylen trong việc hàn cắt kim loại, axetylen cháy trong không khí tạo ra ngọn lửa sáng, tạo ra CO 2 và H2O. CH≡CH + 5/2O2 → 2CO2 + H2O ∆Ho298 = -315kcal/mol. Axetylen là một hợp chất không bền về mặt nhiệt động (dễ tạo hỗn hợp nổ với không khí trong giới hạn rộng (2 ÷ 82%) thể tích axetylen , với O2 từ (2,8 ÷ 78%) thể tích axetylen, nó có thể bị phân huỷ tạo ra C và H kèm theo hiện tượng nổ, phản ứng nổ toả nhiều nhiệt, do đó làm tăng khả năng nguy hiểm về nổ của axetylen. Do vậy khi vận chuyển để tăng độ an toàn người ta thường pha thêm chất phụ gia. I.1.2- Tính chất hoá học. Do đặc điểm cấu tạo của axetylen là có liên kết ba trong phân tử nên có khả năng tham gia phản ứng hoá học rất cao như: tham gia phản ứng oxy 8 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt hoá khử,…ngoài ra axetylen còn có khả năng tham gia phản ứng thế nguyên tử H ở liên kết ba bằng nguyên tử kim loại.  Phản ứng cộng. + Phản ứng hydro hoá. Phản ứng hydro hoá liên kết ba thường tiến hành với hydro phân tử, xúc tác kim loại (Ni,Pd,Pt).Tuỳ thuộc vào loại xúc tác mà có sản phẩm của quá trình cộng hợp là olefin hay prafin. Pd CH ≡ CH + H2 → CH2 = CH2 Nếu thay xúc tác Pd bằng Ni ta có: CH ≡ CH + HNi 2 → CH3 - CH3 + Phản ứng cộng halogen (đặc biệt là Cl2,Br2) Phản ứng cộng halogen xảy ra theo hai giai đoạn CH ≡ CH + Br2 → Br - CH = CH – Br Br - CH = CH – Br + Br2 → Br2 - CH – CH – Br2 Đối với clo ở điều kiện thường phản ứng xảy ra quá mãnh liệt toả nhiều nhiệt nên gây phản ứng phân huỷ. + Phản ứng cộng hydro halogenua. Phản ứng này xảy ra khi có mặt xúc tác là muối thuỷ ngân. HgCl CH ≡ CH + HCl → H2C = CH – Cl + Axetylen tham gia phản ứng cộng alcol và cộng axit cacboxylic. Dưới tác dụng của xúc tác là thuỷ ngân sunfat axetylen tác dụng với alcol tạo ra ete vinylic, cộng với axit cacboxylic tạo ra este của alcol vinylic. CH ≡ CH + C2H5OH → H2C = CH – O – C2H5 CH ≡ CH + CH3COOH → H2C = CH – O – CO – CH3  Phản ứng trùng hợp Dưới tác dụng của xúc tác là muối đồng (I), axetylen trùng hợp hai phân tử (dime hoá) tạo ra vinyl axetylen CuCl 2 CH ≡ CH → H2C = CH – C ≡ CH NH4Cl 9 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Axetylen cũng có thể trùng hợp ba phân tử cho divinyl axetylen hoặc bốn phân tử tạo ra 1,5,7-octatrien. Khi cho axetylen đi qua ống nung đỏ tới 600 ÷ 800oC axetylen trùng hợp tạo ra benzen. C 3CH ≡ CH →0 C6H6 600 c  Phản ứng thế kim loại và tính axit yếu của axetylen. + Tính axit yếu. Nguyên tử H đính vào nguyên tử cacbon mang liên kết ba rất linh động, do vậy các alkyl loại này có tính axit yếu và có thể tham gia phản ứng thế kim loại. Trong axetylen có hai nguyên tử H đều đính vào cacbon mang liên kết ba. Nguyên nhân tính linh động của H trong axetylen so với etylen và etan là do : độ âm điện của cacbon ở trạng thái lai tạo khác nhau. Cacbon lai tạo sp có độ âm điện lớn nhất , kế đó là sp2, cuối cùng là sp3 C sp > C sp 2 > C sp 3 Đó là vì ở cacbon lai tạo sp trong obital lai tạo tỷ lệ electron s là electron có mức năng lượng thấp ở gần nhân, chiếm tới 50% lớn hơn hẳn tỷ lệ electron trong obital lai tạo sp2, sp3. Do độ âm điện của obital lai tạo sp lớn nên liên kết C-H của cacbon mang liên kết ba phân cực mạnh, tăng cường khả năng proton hoá của nguyên tử H, còng nh khả năng thế với kim loại. + Phản ứng thế với kim loại kiềm và kiềm thổ. Hằng số phân ly axit của axetylen là ka = 10-22nên tính axit của axetylen rất yếu. Do vậy nguyên tử kim loại Na có thể đẩy nguyên tử H ra khỏi phân tử axetylen 150oC CH ≡ CH + 2Na → CH ≡ CNa +1/2H2 CH ≡ CH + NaNH2 → CH ≡ CNa + NH3 + Phản ứng thế với các kim loại khác Khi cho axetylen đi qua dung dịch bạc nitrat trong ammoniac, hay dung dịch muối đồng (I) trong amoniac ta thấy nguyên tử H được thay thế bởi nguyên tử Ag hay Cu một cách dễ dàng. [Ag(NH3)]+ 10 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt CH ≡ CH Thiết kế phân xưởng sản xuất → AgC ≡ CAg↓  Phản ứng oxy hoá - khử. Axetylen cháy trong không khí và toả rất nhiều nhiệt CH ≡ CH + O2 → CO2 +H2O + 1320 Kj Đây là phản ứng rất nguy hiểm. Nếu để hỗn hợp axetylen và oxy(1:2,5) theo thể tích thì khả năng nổ của nó rất cao.  Axetylen tham gia phản ứng cộng H2O. Khi có mặt thuỷ ngân sunfat làm xúc tác. CH ≡ CH + H2O → [CH2 = CH - OH] → CH3 – CH = O Alcol vinylic không bền Qua các tính chất trên cho ta thấy, từ axetylen có thể điều chế ra được rất nhiều chất mới , những chất này có ứng dụng rất lớn trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ hoá dầu. I.2- Các phương pháp tổng hợp Axetylen Axetylen được tổng hợp từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nh: than đá, đá vôi , hay từ hydrocacbon. I.2.1- Tổng hợp Axetylen từ cacbua canxi. Tổng hợp axetylen từ cacbua canxi phương pháp chủ yếu trong sản xuất axetylen cho tổng hợp hữu cơ. Phương pháp này được sử dụng từ lâu và hiện nay vẫn được sử dụng khá phổ biến. Ở Việt Nam phương pháp điều chế axetylen từ canxi cacbua là phương pháp chủ đạo để sản xuất axetylen trong công nghiệp. Cơ sở của phương pháp dựa trên phản ứng: CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 Trong sản xuất, khi phân huỷ 1 kg C 2H2 nguyên chất cần 0,562 kg nước ta thu được 1,156 kg vôi tôi và 0,406 kg axetylen. Phản ứng phân huỷ CaC2 bằng nước toả nhiều nhiệt, khi sản xuất axetylen người ta phải lấy bớt nhiệt phản ứng bằng cách cho bốc hơi nước. Tổng hợp axetylen từ cacbua canxi thường đi theo 2 phương pháp chính: phương pháp ướt và phương pháp khô.  Phương pháp ướt: 11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Trong phương pháp này, axetylen được chuyển hoá với số lượng nước dư đưa vào thiết bị. Phương pháp này năng suất nhỏ hơn (1000 m 3 C2H2/h), và cồng kềnh. Tuy nhiên, phương pháp phân huỷ cacbua canxi bằng phương pháp ướt tự động hoá các thiết bị dễ dàng hơn phương pháp khô. Mặt khác sản phẩm thu được trong phương pháp ướt khá sạch.  Phương pháp khô: Đây là phương pháp chủ yếu để sản xuất axetylen trong công nghiệp. Phương pháp này cho năng suất cao hơn phương pháp ướt (2000 m 3 C2H2/h). Sản xuất axetylen theo phương pháp khô cho ta bã vôi khô nên dễ lấy ra và dễ chuyên chở, có thể tận dụng được bã vôi trong lĩnh vực khác. Thiết bị trong phương pháp này nhỏ, tiện sử dụng hơn. Tuy nhiên, sản xuất theo phương pháp này cần nhiệt độ cao hơn phương pháp ướt, phân huỷ canxi cacbua không hoàn toàn, khó khống chế điều kiện sản xuất của quá trình. Sản phẩm thu được có độ tinh khiết không cao. Do cả hai phương pháp có những ưu nhược điểm có thể chấp nhận được. Cho nên cả hai phương pháp này hiện nay vẫn còn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất axetylen. I.2.2- Tổng hợp Axetylen từ hydrocacbon: Cùng với sự phát triển của ngành dầu khí, người ta điều chế axetylen từ cacbua hydro khí (metan, etan, ...) hay từ dầu mỏ. Thông dụng hơn cả là dùng metan vì: metan thường có trong các mỏ, trong khí dầu mỏ, khí cốc, khí thiên nhiên. Phản ứng thuỷ phân metan và các đồng đẳng của nó để thành axetylen là phản ứng thu nhiệt. 2CH4 → HC ≡ CH + 3H2 - 90 Kcal C2H6 → HC ≡ CH + 2H2 - 74,4 Kcal 2C3H8 → 3HC ≡ CH + 5H2 - 212,7 Kcal Để ngăn ngừa sự phân huỷ axetylen người ta cho khí phản ứng qua vùng nhiệt độ cao trong thời gian rất ngắn (0,01 ÷ 0,001 giây) đồng thời làm lạnh nhanh sản phẩm tạo thành. Phản ứng phân huỷ metan để tạo thành axetylen bắt đầu ở 800 oC, để đạt hiệu suất theo yêu cầu thì nhiệt độ cần phải ở 1500÷ 1800oC. Các đồng đẳng của metan thì phân huỷ thành axetylen ở nhiệt độ thấp hơn, vào khoảng 12 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt 1100÷1200oC. Axetylen bền ở nhệt độ cao khoảng 1100÷1600oC và tương đối kém bền ở nhiệt độ 800÷1000oC. Để phân huỷ metan và đồng đẳng của nó thành axetylen người ta phải dùng các phương pháp sau:  Cracking điện. Nguyên tắc của quá trình là thổi nhanh cacbua hydro khí qua hồ quang điện. Vai trò của hồ quang điện là tạo nên nhiệt độ cao trong vùng phản ứng, nhiệt độ có thể đạt đến khoảng 3000oC.  Cracking nhiệt. Khi nhiệt phân metan, người ta chỉ dùng một phần CH 4 làm nhiên liệu để tạo nhiệt độ cao cho vùng phản ứng. Quá trình cracking metan tiến hành ở 1400÷1500oC, để đạt đến nhiệt độ đó cần dùng oxy kỹ thuật, vì nếu dùng không khí nitơ sẽ hấp thụ bớt nhiệt và làm cho ta phải đốt một lượng metan lớn, tỷ lệ thể tích CH4/O2 = 2/1 ÷ 1,6/1 . Khi cracking những cacbua hydro bậc cao tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cracking metan (từ 1000÷1300oC). Trong quá trình người ta dùng hơi nước với tỷ số H2O/C3H8= 6,5/1. Vận tốc khí trong lò gần 50 m/s, nhiệt độ trung bình trong zôn phản ứng 1100oC, khí sản phẩm ra có nhiệt độ gần 300oC, được làm lạnh ba bậc để hạ nhiệt độ theo yêu cầu.  Cracking nhiệt trực tiếp. Đun nóng metan đến nhiệt độ yêu cầu nhờ tiếp xúc trực tiếp với bề mặt đun nóng. Nung nóng đến nhiệt độ 1300 oC bằng cách thổi khí đốt vào, sau đó thổi metan vào. Năm 1950, hãng BASF đã sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên theo phương pháp này được áp dụng với quy mô công nghiệp, đến năm 1983 tổng sản lượng axetylen trên toàn thế giới sản xuất theo phương pháp đạt khoảng 40.000 tấn/năm. II.NƯỚC Trong công nghiệp hoá học nước đóng một vai trò hết sức quan trọng. Trong sản xuất nước thường được dùng làm dung môi cho nhiều quá trình chế biến hoá học. Ngoài ra, nước còn được sử dụng nh là: chất làm lạnh, chất tải nhiệt…Trong công nghiệp tổng hợp axetaldehyt thì nước là một chất không thể thiếu. 13 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất • Tính chất vật lý của nước. O 0,96AO µH-O=1,5D µH2O=1,85D H H Năng lượng liên kết EO-H=463 kj/mol. Nước là một chất lỏng không mùi, không vị. Nước nguyên chất sôi ở 100oC, nhiệt dung riêng của nước lớn nhất trong tất cả các chất lỏng cộng hoá trị, do các phân tử nước có liên kết hydro khá mạnh, nên khi đun nước nóng cần tiêu tốn một lượng nhiệt để phá vỡ các liên kết hydro, khối lượng riêng của nước lớn nhất ở 4oC (d =1g/cm3) • Tính chất hoá học của nước. Nước rất bền với nhiệt H2O → H2 + 1/2 O2 Khả năng phản ứng hoá học của nước rất lớn nó tham gia vào các phản ứng hoá học nh: - Phản ứng hoà tan nhiều hợp chất ion và hợp chất cộng hoá trị phân cực. - Phản ứng điện li các chất điện li. - Phản ứng thuỷ phân các muối,este. - Phản ứng oxy hoá - khử. Ngoài ra nứơc còn dùng làm xúc tác cho một số phản ứng hoá học khác III-ETYLEN. III.1- Tính chất của Etylen III.1.1-Tính chất vật lý của Etylen . Ở điều kiện thường etylen là một chất khí, hoá lỏng ở –105 oC, không mầu, không mùi, hầu như không tan trong nước(ở 0 oC 100 thể tích nước hoà tan 0,25 thể tích khí etylen ). 14 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Trong không khí, etylen cháy với ngọn lửa sáng hơn ngọn lửa của mêtan, tạo thành khí CO2 và hơi nước. Hỗn hợp etylen và oxy là hỗn hợp nổ mạnh do phản ứng đốt cháy toả nhiều nhiệt. Trong công nghiệp cũng có thể dùng hỗn hợp etylen và oxy để cắt hàn kim loại. Etylen có khả năng phản ứng hoá học rất cao: do trong phân tử chứa liên kết đôi, liên kết đôi này làm cho phân tử etylen kém bền dẫn đến có khả năng tham gia phản ứng hoá học cao. Etylen tham gia các phản ứng hoá học nh: phản ứng cộng, phản ứng oxy hoá, phản ứng trùng hợp…  Phản ứng cộng. - Cộng hydro. Ni CH2 = CH2 + H2 → CH3 – CH3 - Cộng electrophyl. Các tác nhân phản ứng như: các halogen (Cl 2,Br2,I2), các hydro halogenua (HCl,HBr), các axit (HOCl,HOBr), nước, axit sunfuric, nếu có thể cộng được vào nối đôi của etylen cho các hợp chất no tương ứng. CH2 = CH2 + Cl2 → Cl- CH2 -CH2- Cl CH2 = CH2 + HCl → Cl- CH2 –CH3 CH2 = CH2 + HOCl → Cl- CH2 –CH2 - OH CH2 = CH2 +H2SO4 → CH2 –CH3  OSO3H CH2 = CH2 +H2O→ HO - CH2 – CH3  Phản ứng oxy hoá Với xúc tác là PdCl2,CuCl2trong dung dịch HCl etylen bị oxy hoá thành Axetaldehyt C2H4 + 1/2O2 → CH3 – CHO  Phản ứng thế. Do nguyên tử hydro đính với cacbon mang liên kết đôi bằng liên kết C-H có năng lượng liên kết lớn hơn nhiều so với liên kết C-H khác. Vì vậy, việc thay thế nguyên tử hydro (ở vị trí vinyl) bằng halogen tiến hành trong điều kiện khó khăn, như ở nhiệt độ cao. 200÷600oC 15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt CH2 = CH2 + Cl2 → CH2 = CH – Cl + HCl.  Phản ứng trùng hợp và tautome hoá. nCH2=CH2 → [-CH2-CH2-]n Phản ứng tautome hoá là dạng trùng hợp đặc biệt của etylen nCH2= CH2 + CCl4 → Cl(CH2- CH2)nCCl3 III.2- Các phương pháp tổng hợp etylen . Ngày nay etylen dần dần thay thế axetylen trong nhiều quá trình tổng hợp hữu cơ. Etylen với những ứng dụng của nó, hiện nay công nghệ tổng hợp etylen rất phong phó. Trong công nghiệp, etylen có thể thu được từ khí than cốc. Hiện nay người ta chủ yếu thu khí etylen từ chưng cất dầu mỏ. Trên 97% sản lượng etylen thu được trên thế giới được sản xuất từ quá trình cracking dầu mỏ. Nguồn etylen thu được chủ yếu lấy từ khí đồng hành hoặc từ các mỏ khí tự nhiên. Qua các quá trình chế biến như là: quá trình hấp thụ , hấp phụ, ngưng tụ, chưng cất nhiệt độ thấp ta thu được etylen tinh khiết dùng cho chế biến hoá học. IV- METANOL IV.1- tính chất của Metanol. IV.1.1- tính chất vật lý . Metanol là một chất lỏng không mầu, nhiệt độ sôi 64,5 oC, nhiệt độ đóng rắn –97,8oC, trọng lượng riêng bằng 0,79G/cm3, là chất dễ cháy, độc, dễ tạo hỗn hợp nổ với không khí trong giới hạn nồng độ 6÷36,5% . Là chất lỏng phân cực nên metanol có thể hoà tan với nước, các rượu, este, và hầu hết các dung môi hữu cơ khác. Metanol tan rất Ýt trong chất béo và dầu. Do có độ phân cực, metanol hoà tan nhiều chất vô cơ, đặc biệt là muối. IV.1.2- tính chất hoá học . Metanol là rượu đơn giản nhất trong các loại rượu, giống như các đồng đẳng của nó tính chất của metanol chủ yếu phản ứng xảy ra tại vị trí liên kết O-H và liên kết C-O, phản ứng đặc trưng là phản ứng thế nguyên tử H hay là nhóm O-H. 16 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Các phản ứng quan trọng của metanol trong công nghiệp: + Phản ứng dehydro hoá và phản ứng oxy hoá. + Phản ứng cacboni hoá. + Phản ứng este hoá với các axit hữu cơ và vô cơ, cùng với những dẫn xuất của axit khác. + Phản ứng ete hoá. + Phản ứng cộng vào liên kết chưa no. + Phản ứng thế vào nhóm hydroxyl. IV.2- Các phương pháp tổng hợp Metanol . Do ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học , cho nên trên thế giới có rất nhiều công nghệ để sản xuất metanol , phương pháp cổ điển nhất là phương pháp tổng hợp metanol từ quá trình chưng cất gỗ. Ngày nay, người ta tổng hợp metanol bằng các phương pháp hiện đại hơn nh là:  Tổng hợp Metanol từ hydro và cacbon oxit. Phương trình phản ứng. CO + 2H2 → CH3OH Tỷ lệ CO và H2 là 2/1 theo thể tích, xúc tác trong phương pháp này là oxit đồng, kẽm, crom. Phản ứng được thực hiện ở 300 oC, hiệu suất sản phẩm đạt trên 90%, độ tinh khiết của metanol trên 90%. Ngoài ra cũng có thể thay thế CO bằng CO2 . Phản ứng tổng hợp CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O  Tổng hợp Metanol bằng cách oxy hoá trực tiếp metan. CH4 + 1/2O2 → CH3OH Xúc tác thường dùng trong quá trình là sắt hay đồng kim loại, áp suất từ 100 ÷ 200 at, ở nhiệt độ 350 ÷ 470oC, tỷ số giữa mêtan và oxy càng lớn hiệu suất metanol càng cao. Nếu tỷ số CH 4/O2 = 9/1 ở áp suất 100 at và nhiệt độ 360Oc thì hiệu suất metanol là 17%. Các phản ứng xảy trong quá trình đều toả nhiệt, do đó ta cần khống chế ở nhiệt độ thấp để tránh phân huỷ sản phẩm (phương pháp này hiện nay chưa phổ biến do lượng metan bị đốt cháy tương đối lớn). 17 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Ngày nay, phương pháp chủ yếu để sản xuất metanol là đi từ khí tổng hợp. *Khí tổng hợp. Khí tổng hợp là khí mà thành phần của nó là CO và H 2. Khí tổng hợp được điều chế chủ yếu từ khí than đá, từ khí thiên nhiên hay từ khí đồng hành. Khí tổng hợp được sử dụng khá rộng rãi trong quá trình tổng hợp hữu cơ. Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm, mục đích sử dụng mà ta điều chỉnh tỷ lệ giữa hai khí này cho phù hợp. V-ETANOL. V.1- Tính chất của Etanol. V.1.1- tính chất vật lý . Etanol có công thức phân tử là C 2H5OH, là một chất lỏng không mầu, có nhiệt độ sôi 78,3oC, trọng lượng riêng 0,789g/cm3, là chất dễ cháy. Etanol tạo liên kết với nước, khi hoà tan trong nước, do đó etanol tan vô hạn trong nước và tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ. Tạo với nước thành hỗn hợp đẳng phí chứa 95,65. Etanol tạo với không khí hỗn hợp nổ trong giới hạn nồng độ từ 3,3 ÷ 19% thể tích. V.1.1-tính chất hoá học . Etanol có khả năng tham gia nhiều phản ứng hoá học. Etanol có nhóm chức O-H trong phân tử, nên khả năng hoạt động hoá học của nó khá cao. Etanol có khả năng tham gia các phản ứng nh:  Phản ứng este hoá. Etanol tác dụng với các axit hữu cơ và vô cơ với sự có mặt của xúc tác ta thu được este. H2SO4 C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O. C2H5OH + H2SO4 → C2H5OSO2OH  Phản ứng loại nước. Etanol khi tách nước cho ta nhiều sản phẩm khác nhau, tuỳ thuộc vào việc sử dụng các loại xúc tác khác nhau: - Loại nước một phân tử. H2SO4 18 1700C Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt Thiết kế phân xưởng sản xuất C2H5OH → CH2 = CH2 + H2O. - Loại nước hai phân tử. H2SO4 2C2H5OH → C2H5OC2H5 + H2O 1400C  Phản ứng oxy hoá. Etanol tham gia phản ứng oxy hoá cho ta sản phẩm là axetaldehyt , nếu oxy hoá sâu hơn nữa ta thu được sản phẩm là axiy axetic, tác nhân oxy hoá thường là (K2MnO4,K2Cr2O7) trong môi trường axit. [O] [O] C2H5OH → CH3CHO → CH3COOH  Tính axit. Etanol có tính axit yếu, nó có thể tác dụng với natri tạo thành alcolat và giải phóng H2. 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2↑. V.2. Các phương pháp tổng hợp Etanol . Etanol có thể được tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, còng nh việc sử dụng nhiều loại công nghệ sản xuất khác nhau. Etanol có thể được tổng hợp từ nguồn hydrocacbon, gỗ, andehyt, hoặc từ quá trình lên men nhiều sản phẩm nông nghiệp khác.  Tổng hợp Etanol từ etylen. Phương pháp này dựa trên phương trình phản ứng sau: C2H4 + H2O → C2H5OH. Tổng hợp Etanol từ etylen thường theo hai phương pháp sau: - Hydrat hoá etylen có axit sunfuric. Quá trình này được tiến hành theo hai giai đoạn. *Tạo este. C2H4 + HO.SO2.OH → C2H5OSO2.OH 2C2H4 + HO.SO2.OH → (C2H5O)2SO2 19 Đồ án tốt nghiệp Axetalđehyt *Thuỷ phân este. Thiết kế phân xưởng sản xuất C2H5OSO2.OH + H2O → C2H5OH + H2SO4. (C2H5O)2SO2 + 2H2O → 2C2H5OH + H2SO4 Thông thường dùng H2SO4 98%, nhiệt độ trong quá trình này từ 60÷ 1000C, sử dụng công nghệ hydrat hoá etylen hai thiết bị. - Hydrat hoá trực tiếp etylen. xt C2H4 + H2O → C2H5OH. Với phương pháp này etylen cho vào cùng tỷ lượng 1: 0,3 hoặc 1: 0,8. Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 250 – 3000C, áp suất 6 – 8 Mpa, xúc tác sử dụng cho quá trình là axit sunfuric. Hiệu suất thu được lớn hơn 95%.  Oxy hoá Etan. C2H6 + 1/2O2 → C2H5OH. Quá trình được tiến hành ở áp suất dưới 100 Axetylen, và nhiệt độ gần 2700C. Hiệu suất của etanol đạt 37% so với etan ban đầu. Tỷ số giữa C 2H6/O2 càng nhỏ, nhiệt độ càng cao thì hiệu suất rượu càng thấp.  Sản xuất Etanol bằng phương pháp lên men. Đây là phương pháp chủ yếu để sản xuất etanol có nồng độ nhẹ dùng cho sinh hoạt hàng ngày. Phương trình phản ứng. (C6H10O5)n + nH2O → nC12H22O11. C12H22O11 → 2C6H12O6 C6H12O6 → C2H5OH + CO2 Từ xenlulo và tinh bét ta có thể thu được etanol qua quá trình chưng cất phân đoạn. Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: nhiệt độ, điều kiện môi trường và công nghệ chưng cất rượu… B- TÍNH CHẤT CỦA SẢN PHẨM. I-TÍNH CHẤT VẬT LÝ . Axetaldehyt có công thức phân tử là CH 3CHO, khối lượng phân tử là 44,054. Axetaldehyt là chất lỏng không màu, có mùi hơi cay, nhiệt độ sôi ở 101,3Kpa là 20,160C. Điểm nóng chảy ở 101,3Kpa là : -123,50C Nhiệt độ tới hạn là : 191,50C. 20 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetalđehyt Áp suất tới hạn là : 6,44Mpa. Tỷ trọng : d4= 0,8045 – 0,001325t. Chỉ sè khúc xạ : nd = 1,3424 – 0,0005635t.  Thể tích pha khí. Ở nhiệt độ 20,10C, áp suất 101,3 Kpa có V = 23,4 l/mol. Ở nhiệt độ 2500C, áp suất 101 Kpa có V = 23,84/mol  Thể tích pha hơi. Ở nhiệt độ 20,160C thì V = 0,531 m3/kg Ở nhiệt độ 250C thì V = 0,541 m3/kg - Tỷ trọng pha hơi so với pha không khí là 1,25. - Áp suất pha hơi: T0C -20 -0,27 5,1 7 67, 6 14,7 6 82 50 100 P(Kpa 16, 43,3 279, 1014 ) 4 4 - Độ nhớt ở pha láng. Ở nhiệt độ 9,50C độ nhớt là : 0,253 Mpa.s. Ở nhiệt độ 200C độ nhớt là : 0,21 Mpa.s. - Độ nhớt ở pha hơi tại nhiệt độ 250C là 8.10-4Mpa.s. - Nhiệt dung pha láng. CP: nhiệt độ 00C là : 2,185 g-1.K-1 CP: nhiệt độ 200C là: 1,385 g-1.K-1 CP: nhiệt độ -800C là: 1,245 g-1.K-1 CP: nhiệt độ 1200C là: 1,545 g-1.K-1 Nhiệt dung ở pha hơi: ở nhiệt độ 250C và áp suất 101,3 Kpa là: 1,245g1 .K-1. Nhiệt cháy của pha lỏng ở áp suất không đổi là P = 1168,79 Kj/Kmol. Nhiệt hoá hơi ở 20,20C là 25,73 Kj/Kmol Nhiệt tạo thành ∆H từ các nguyên tố ở 250C của axetaldehyt ở trạng thái khí là -166,4 Kj/kmol. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tạo thành ở pha khí và pha láng . Entapy của sự hoá hơi tại nhiệt độ trên ở 8000C và 30 Mpa. Năng lượng Gibbs của sự tạo thành ∆G từ các nguyên tố ở 250C cho axetaldehyt ở pha khí là -133,82 Kj/mol. Entropy của axetaldehyt ở nhiệt độ 250C: 21 ∆S = 265,9 j.mol-1.K-1.