Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về khí thiên nhiên.......................................................................3
1.2. Tổng quan về axetylen..........................................................................................3
1.2.1.Tính chất vật lý...........................................................................................3
1.2.2.Tính chất hoá học................................................................................................4
1.2.2.1. Các phản ứng vinyl hoá và sản phẩm............................................................5
1.2.2.2. Các phản ứng etylnyl hoá và sản phẩm................................................7
1.2.2.3. Các phản ứng cacbonyl hoá và sản phẩm............................................7
1.2.2.4. Qúa trình vòng hoá và Polyme hoá của Axetylen................................8
1.2.2.5. Các phản ứng khác.................................................................................9
CHƯƠNG 2. CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXETYLEN.........10
2.1 Công nghệ sản xuất axetylen từ than đá hay cacbuacanxi................................10
2.2 Công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và hydrocacbon.....................10
2.2.1 Cơ sở nhiệt động học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon.......................10
2.2.2. Lựa chọn nguyên liệu để sản xuất axetylen ...................................................17
2.3 Các công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và hydrocacbon .............19
2.3.1. Quá trình nhiệt điện.........................................................................................19
2.3.2 Quá trình oxy hoá không hoàn toàn...............................................................19
2.3.3 Phương pháp tách axetylen ra khỏi hỗn hợp khí nhiệt phân.........................22
2.4 So sánh các phương pháp...................................................................................23
2.5. Thuyết minh dây chuyền công nghệ..................................................................24
CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT........................................................25
3.1. Cân bằng vật chất cho quá trình tách axetylen bằng dung môi NMP- H2O.. 25
3.2. Tính cân bằng vật chất trong thiết bị phản ứng.................................................31
CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.................................................35
4.1. Tính nhiệt dung riêng của oxy kỹ thuật............................................................35
4.2. Tính nhiệt dung riêng của khí tự nhiên đi vào ở 6000C....................................36
GVHD: Dương Khắc Hồng
1
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
4.3. Tính nhiệt dung riêng của khí nhiệt phân ra ở 800C........................................39
4.3.1. Nhiệt dung riêng của các cấu tử tương ứng trong hỗn hợp khí phân...........39
4.3.2. Tính nhiệt lượng cần lấy trong quá trình tôi: Q7 ...........................................41
CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ....................................................................46
5.1. Tính toán thiết bị chính......................................................................................46
5.1.1. Đường kính ống số ống phân phối khí trong thiết bị phân phối khí...........46
5.1.2: Thể tích vùng phản ứng.....................................................................................47
5.1.3: Tính toán vùng làm mát..................................................................................47
5.1.4: Tính toán các ống dẫn.....................................................................................48
5.2: Tính toán thiết bị phụ.........................................................................................49
5.2.1. Tính thiết bị làm lạnh khi cracking.......................................................49
5.2.2. Tính đường kính tháp......................................................................................49
5.3. Tính tháp hấp thụ.......................................................................................52
CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ...............................................................57
6.1. Tính thân tháp hấp thụ..............................................................................57
6.2. Tính đường kính các ống dẫn....................................................................59
KẾT LUẬN................................................................................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................62
GVHD: Dương Khắc Hồng
2
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ khí nằm sâu dưới mặt đất. Trong khí
thiên nhiên thành phần chủ yếu là metan (CH4) chiếm khoảng 93 –99% mol còn lại là các
hợp chất khác như etan (C2H6), Propan (C3H8) và một lượng nhỏ butan (C4H8) ngoài ra
còn có các thành phần phi hydrocacbon khác như N2, CO2, H2S, He, H2.
Hiện nay người ta đã tìm ra mỏ khí tự nhiên với trữ lượng lớn ở nhiều nơi trên thế
giới như: Liên Xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam Mỹ, Canada, Đông Nam Á,
Mehyco, Úc, Tây Phi, Nhật Bản…
1.2. Tổng quan về axetylen
Axetylen có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp hoá học và có nhiều ứng dụng
trong trong các quá trình gia công kim loại. Nhiệt độ ngọn lửa của khí axetylen rất cao nên
người ta dùng khí axetylen để hàn ,cắt, tẩy gỉ,khử C…
Quá trình nhiệt phân trực tiếp hydrocacbon để sản xuất axetylen là một quá trình
phức tạp, mới xuất hiện trong công nghiệp trong vòng năm mươi năm trở lại đây.Trong
công nghệ này hydrocacbon bị nhiệt phân ở nhiệt độ cao (1100 – 15000C) trong điều kiện
đoạn nhiệt và thời gian phản ứng rất ngắn (từ 0,005- 0 02 giây).Sau đó sản phẩm được
nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế các phản ứng phân huỷ
axetylen.
Tuy quá trình đi từ nguyên liệu hydrocacbon có năng suất lớn, thích hợp trong
công nghiệp nhưng sản xuất axetylen từ canxi cacbua vẫn giữ vai trò nhất định của nó
trong công nghiệp ở những nước không có tiềm năng về khí tự nhiên và khí đồng hành
hay dùng axetylen trong các việc hàn cắt kim loại.
1.2.1.Tính chất vật lý
Hai nguyên tử cacbon của phân tử axetylen ở trạng thái lai hoá sp, chúng liên kết
với nhau bằng một liên kết() và hai liên kết . Mỗi nguyên tử cacbon còn một liên kết
() với nguyên tử H.
GVHD: Dương Khắc Hồng
3
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
Tuy nhiên, theo thứ tự đó thì xu hướng hút electron của nguyên tử cacbon lại tăng
(etan
k1 ). Vì vậy trong thực tế nhiệt
phân metan nồng độ etan nhận được rất nhỏ, và ngay cả nhiệt độ cao nồng độ của etan
trong sản phẩm cũng không cao.
Hình 3: Đồ thị hiệu suất sản phẩm axetylen phụ thuộc thời gian phản ứng ở nhiệt độ 1900 0C
Trên hình 7: đưa ra quá trình tính toán độ chuyển hoá của metan thành axetylen và mức
độ phân huỷ axetylen ở nhiệt độ 19000C theo các phản ứng.
2CH4 ↔C2H2 + 3H2
C2H2 ↔2C + H2
Sự Phụ thuộc của độ chuyển hoá vào hằng số tốc độ và thời gian phản ứng ? được
biểu diễn bằng phương trình.
ε
k1
k 4 −k 1
−k 1 τ
.e
−e
k4 τ
Từ đó xác định được độ chuyển hoá cực đại metan thành axetylen ?max và thời gian
thích hợp polà:
GVHD: Dương Khắc Hồng
16
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
ε max
1 −r ln τ r−1 −ln τ r−1
e
−e
1−r
τ OP
ln r
r−1 .k
Trong đó: r = k4/k1, với k là hằng số tốc độ chuyển hoá etan thành axetylen.
Trong điều kiện sản xuất, để hạn chế các phản ứng phân huỷ, polime hoá các sản
phẩm, người ta thực hiện quá trình "tôi" sản phẩm bằng cách tưới trực tiếp nước vào sản
phẩm. Khi đó có thể xảy ra phản ứng axetylen và hơi nước.
C2H2 + 2H2O ↔ 2CO + 3H2
Tốc độ phản ứng này thường không lớn và khi có sự giảm đột ngột nhiệt độ khi "tôi"
phản ứng này thực tế không xảy ra.
Trong điều kiện của quá trình không những chỉ phân huỷ C và H2 mà còn tạo thành
các hợp chất không no khác nhau. Vì thế trong hỗn hợp khí nhiệt phân còn có cả H 2,
metan, etylen, vinyl axetylen, benzen...
2.2.2. Lựa chọn nguyên liệu để sản xuất axetylen
Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng các hydrocacbon ở dạng khí hoặc
lỏng hoặc hỗn hợp của chúng. Tuy nhiên thành phần hoá học của nguyên liệu là một yếu
tố quan trọng quyết định đến hiệu suất các sản phẩm chính của quá trình (axetylen và
etylen...). Kết quả tốt nhất nhận được khi nhiệt phân n-parafin, đồng thời nhiệt phản ứng
phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng phân tử của hydrocacbon nguyên liệu. Ví dụ:
2CH4↔C2H2+3H2
∆H298 = +89,97 kcal/mol
C2H6↔C2H2+2H2
∆H298 = +71,4 kcal/mol
2C3H8↔3C2H2+5H2 ∆H298 = +70,9 kcal/mol
C4H10↔2C2H2+ 3H2 ∆H298 = 69,3
kcal/mol
Như vậy từ các phương trình phản ứng cho thấy phản ứng tạo axetylen từ metan đến
butan có khả năng xảy ra, trong đó nhiệt phân metan tốn nhiều năng lượng hơn cả. Nhiệt
phân izo - parafin và naphta cho hiệu suất cao.
GVHD: Dương Khắc Hồng
17
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
Nguyên liệu kém hiệu quả nhất là hydrocacbon thơm, khi phân huỷ, lượng axetylen
nhận được không đáng kể mà lại tạo nhiều cốc, nhựa.
Metan nhiệt phân ở nhiệt độ cao nhất, thường là hơn 14000C và thời gian lưu của nó
trong vùng phản ứng là nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,01 giây). Quá trình chuyển hoá metan ở áp
suất dư từ 0,1 đến 0,2 atm xảy ra tới độ sâu phân huỷ là 30 % và nồng độ axetylen trong
khí đạt được vào khoảng 10% thể tích.
Etan là nguyên liệu tiện lợi để sản xuất axetylen. Nếu nhiệt phân ở nhiệt độ cao vừa
phải, nó là nguyên liệu tốt nhất để nhận etylen, ở nhiệt độ cao, hiệu suất axetylen từ
nguyên liệu là etan cũng rất lớn. Với điều kiện quá trình thực hiện ở nhiệt độ 1400 0C và
áp suất 0,065 atm, thời gian tiếp xúc 0,05 giây, hiệu suất axetylen đạt được cực đại 17%
thể tích.
Propan và butan cũng như các parafin nặng hơn cũng được sử dụng để sản xuất
axetylen, đồng thời nhận được etylen và các olefin khác.
Độ chuyển hoá tổng cộng (còn gọi là hệ số nhiệt phân tổng cộng) và độ chuyển hoá
đến axetylen (còn gọi là hệ số nhiệt phân hữu ích) được định nghĩa như sau:
Q=
Tổng số mol axetylen và olefin
Tổng số mol nguyên liệu
X=
Số mol axetylen
Tổng số mol nguyên liệu
Ngoài ra để đặc trưng cho quá trình người ta còn dùng đại lượng độ sâu phân huỷ
nguyên liệu ban đầu đến các chất đơn giản (C, H2). Thông thường người ta phán đoán độ
sâu phân huỷ theo tỷ trọng của khí sản phẩm vì nó là đại lượng tỉ lệ nghịch với độ sâu
phân huỷ.
2.3 Các công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và hydrocacbon
GVHD: Dương Khắc Hồng
18
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
Để sản xuất axetylen người ta dùng phản ứng nhiệt phân hydrocacbon ở nhiệt độ
cao. Tuỳ theo cách cấp nhiệt để thực hiện phản ứng nhiệt phân hydrocacbon thành
axetylen mà người ta chia thành nhóm các phương pháp sau:
Quá trình nhiệt điện
Quá trình oxy hoá không hoàn toàn
2.3.1. Quá trình nhiệt điện
Bản chất của quá trình là sự phóng điện trong môi trường hydrocacbon khí, sẽ xảy ra
sự đốt nóng cục bộ hỗn hợp khí và cắt mạch là các phân tử của nó thành các gốc tự do, tái
hợp các gốc tự do này dẫn tới tạo thành axetylen và các đồng đẳng của nó, mội cacbon,
hydro và các hydrocacbon cao hơn.
Quá trình nhiệt điện có những ưu điểm sau:
- Nguồn năng lượng cho quá trình không phụ thuộc vào nguyên liệu hydrocacbon.
- Tiêu hao hydrocacbon có thể giảm đến 50%
- Với điều kiện năng lượng điện có sẵn và rẻ thì sử dụng quá trình này kinh tế hơn.
2.3.2 Quá trình oxy hoá không hoàn toàn
Trong quá trình này một phần nguyên liệu được đốt cháy đến nhiệt độ phản ứng và
cấp nhiệt cho phản ứng. Các nguyên liệu có chứa cacbon như metan, etan, LNG, LPG,
naphta, gasoil, ngay cả than hoặc cốc có thể sử dụng để sản xuất axetylen bằng nhóm các
phương pháp nhiệt phân này.
Trong quá trình oxy hoá không hoàn toàn, nguyên liệu được trộn với oxy, sau khi
gia nhiệt sơ bộ được đưa vào lò phản ứng. Hỗn hợp sau phản ứng được làm nguội nhanh
(quá trình ''tôi'') bằng nước hoặc dầu.''Tôi'' bằng nước đơn giản dễ thực hiện, ''tôi'' bằng
dầu hiệu quả hơn. Người ta có thể sử dụng các hydrocacbon lỏng để làm nguội, nhờ đó có
thể tăng lượng etylen và axetylen được tạo thành trong khoảng nhiệt độ 1500÷8000C. Quá
trình này được gọi là quá trình hai bước.
Cấu trúc lò đốt rất quan trọng, cần đảm bảo các yêu cầu công nghệ. Thời gian lưu
trong vùng phản ứng phải rất ngắn. Hỗn hợp phản ứng phải được phân bố đồng đều. Tốc
độ dòng khí phải cố định trong quá trình phản ứng để đạt hiệu suất phản ứng cao, tránh
hiện tượng cháy kích nổ và tạo cốc.
GVHD: Dương Khắc Hồng
19
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Đồ án công nghệ
Khoa hóa học & CNTP
Hình 4. Lò phản ứng oxy hoá không hoàn toàn của BASF
Lò đốt gồm những tấm thép được làm nguội bằng nước và có rất nhiều khe nhỏ để
hỗn hợp khí đi qua. Tốc độ dòng khí luôn luôn lớn hơn tốc độ lan truyền ngọn lửa vì vậy
ngọn lửa bên dưới lò đốt không thể đốt ngược trở lại thiệt bị khuếch tán. Phía dưới lò đốt
có đường ống bổ sung thêm oxy cho hỗn hợp phản ứng. Trong điều kiện không thuận lợi
ngọn lửa có thể xuất hiện phía trên lò đốt. Trong trường hợp này phải ngắt ngay dòng oxy
và thổi Nitơ vào. Nitơ dập tắt sự cháy kích nổ trước khí gây ra sự cố cho thiết bị.
Hỗn hợp khí có nhiệt độ cao ở trong vùng phản ứng trong khoảng vài miligiây, sau
đó đi qua vùng tôi, tại đó có phun nước hoặc dầu làm mát đến nhiệt độ 80oC (đối với
nước) hoặc 200÷ 250oC (đối với dầu). Tác nhân dùng để tôi hỗn hợp sau phản ứng được
dẫn vào từ hệ thống gồm 3 ống vòng đặt ngay phía dưới tầng phản ứng.
GVHD: Dương Khắc Hồng
20
.DOCX 
61 
128 
101 
