Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin

Đồ án tốt nghiệp Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin SVHT: Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin MỤC LỤC Trang Mở đầu ............................................................................................................ 5 Phần I: Tổng quan về lý thuyết .......................................................................... 7 Chương I: Tính chất và ứng dụng của sản phẩm Formaldehyde ................. 7 I. Giới thiệu chung:7 ..................................................................................... 7 II.Tính chất vật lý7 ..................................................................................... 7 III. Tính chất hóa học10 ............................................................................10 1. Phản ứng phân huỷ10 ..................................................................10 2. Phản ứng oxy hóa khử10 .............................................................10 3. Phản ứng giữa các phân tử Formaldehyde11 ................................11 4. Phản ứng Cannizzaro11 ...............................................................11 5. Phản ứng Tischenko11.................................................................11 6. Phản ứng Polime hóa11 ...............................................................11 IV. Chỉ tiêu Formalin thương phẩm .........................................................11 V. ứng dụng của sản phẩm Formaldehyde ...............................................12 Chương II: Giới thiệu chung về nguyên liệu của quá trình sản xuất formalin ................................................................................................................13 I. Giới thiệu13 .............................................................................................13 II. Tính chất vật lý13 ....................................................................................13 III. Tính chất hóa học14 ...............................................................................14 1. Phản ứng hydro hóa14 ...................................................................14 2. Phản ứng tách nước15 ....................................................................15 3. Phản ứng oxy hóa15 .....................................................................15 4. Phản ứng dehydro hóa15 ...............................................................15 IV. Chỉ tiêu nguyên liệu Metanol để sản xuất Formalin trên xúc tác Bạc15 ...15 1. Nước15 ........................................................................................15 2. Metanol kỹ thuật15 ......................................................................15 3. Không khí15 ................................................................................15 V. Một số ứng dụng của Metanol16 ..............................................................16 1. Sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa học16 .......................16 2. Sử dông trong các lĩnh vực năng lượng16 ....................................16 3. Các ứng dụng khác16 ..................................................................16 Chương III: Các phương pháp sản xuất Formalin ........................................17 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 I.Quá trình sản xuất Formaldehyde sử dụng xúc tác Bạc .....................17 1. Công nghệ chuyển hóa hoàn toàn Metanol(CN BASF).19 ..........19 2. Công nghệ chuyển hóa không hoàn toàn và chưng thu hồi Metanol21 ...................................................................................................... ...................................................................................................21 II. Công nghệ sản xuất Formaldehyde sử dụng xúc tác oxit .................23 1. Công nghệ đặc trưng của quá trình sản xuất Formalin trên cơ sở xúc tác oxit kim loại là công ngẹ dùa trên phương pháp Formox25 ..25 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất Formalin của viện nghiên cứu xúc tác27 ..................................................................................................27 Chương IV: So sánh về mặt kinh tế của các quá trình sản xuất Formaldehyde và lùa chọn sơ đồ công nghệ. ...................................................30 I.So sánh các quá trình30 ..........................................................................30 II. Lùa chọn sơ đò công nghệ32 ................................................................32 Chương V: Các phương pháp sản xuất Formalin khác ................................33 I.Quá trình sản xuất Formaldehyde bằng cách oxy hóa Metan33............33 II. oxy hóa etylen34 ...............................................................................34 III. Thuỷ phân clorua metylen34 ............................................................34 Chương VI: Công nghệ sản xuất Formalin ding xúc tác Bạc(CN BASF) ..35 I.Sơ đồ công nghệ35 ..............................................................................35 II. Một số đặc trưng về quá trình sản xuất Formaldehyde ding xúc tác Ag 1. Các phản ứng36 ........................................................................36 2. Cơ chế của quá trình38 .............................................................38 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình39 ......................................39 4. Thiết bị phản ứng chính40 ........................................................40 Phần II: Tính toán công nghệ ............................................................................42 I. Các số liệu42 ......................................................................................42 1. Số liệu chất tham gia phản ứng42 .............................................42 2. Thành phần khí thải42 ..............................................................42 3. Tổn thất42 ................................................................................42 4. Phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị phản ứng42 ...................42 5. Thành phần của sản phẩm42 .....................................................42 6. Hệ số chuyển hóa Metanol thành sản phẩm42 ...........................42 II. Tính cân bằng vật chất42 ..................................................................42 1. Tính cho toàn phân xưởng47 ....................................................47 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 2. Cân bằng vật chất cho thiết bị bay hơi Metanol47 .....................47 3. Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chính48 ......................48 4. Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thô48................................48 5. Cân bằng vật chất cho thiết bị đun nóng khí50 ..........................50 III. Tính toán cân bằng nhiệt lượng50 ...................................................50 1. Thiết bị đun nóng không khí50 ................................................50 2. Thiết bị bay hơi Metanol51 ......................................................51 3. Thiết bị đun nóng quá nhiệt khối phản ứng lần 154 ..................54 4. Thiết bị đun nóng quá nhiệt khối phản ứng lần 255 ..................55 5. Thiết bị điều chế Formaldehyde56 ...........................................56 IV. Tính toán thiết bị phản ứng61 .........................................................61 1. Lùa chọn thiết bị phản ứng61 ...................................................61 2. Chọn chất tải nhiệt cung cấp cho dây chuyền sản xuất61 .........61 3. Tính phần thiết bị làm lạnh nhanh hỗn hợp khí sau phản ứng6161 4. Tính đường kính, thể tích líp xúc tác, chiều cao lơp xúc tác phần phản ứng63 ..............................................................................63 5. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu vào thiết bị65 ................65 6. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm ra khỏi thiết bị66 ..............66 7. Tính đáy của thiết bị67.............................................................67 8. Tính nắp của thiết bị68.............................................................68 9. Chiều dày của thân thiết bị68 ...................................................68 Phần III: Tồn chứa và vận chuyển Formalin ..................................................71 Phần IV: Biện pháp bảo vệ môi trường ...........................................................72 Phần V: Thiết kế xây dựng.................................................................................73 I.Đặc điểm sản phẩm của nhà máy73 ......................................................73 II. Địa điểm xây dùng73 .........................................................................73 1. Các yêu cầu chung73 ...............................................................73 2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dùng73 ........................................73 3. Các yêu cầu về môi trường vệ sinh công nghiệp74 ...................74 III. Các giải pháp thiết kế tổng mặt bằng nhà máy74 ..............................74 1. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng nhà máy74 .........................74 2. Các hạng mục công trình75 ......................................................75 Phần VI: Tính toán kinh tế ................................................................................77 I.Mục đích và nhiệm vô77 .......................................................................77 II. Nội dung tính toán kinh tế77 ...............................................................77 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 1. Chế độ làm việc của phân xưởng77 ..........................................77 2. Nhu cầu về nguyên vật liệu, nhiên liệu và năng lượng77 ..........77 a. Nhu cầu về nguyên vật liệu77 ........................................77 b. Nhu cầu về năng lượng78...............................................78 3. Chi phí nguyên vật liệu, nhiên liệu và năng lượng79 .................79 4. Tính vốn đầu tư cố định79 ........................................................79 a. Tính vốn đầu tư xây dùng79 ...........................................79 b. Tính vốn đầu tư cho thiết bị, máy móc79 .......................79 c. Tính vốn đầu tư khác80 ..................................................80 5. Nhu cầu về lao động80 .............................................................80 6. Quỹ lương công nhân và nhân viên toàn phân xưởng81 ............81 7. Tính khấu hao82 .......................................................................82 8. Các khoản chi phí khác82 .........................................................82 9. Tính giá thành sản phẩm82 .......................................................82 a. Tổng doanh thu của phân xưởng trong năm82 ................82 b. Lợi nhuận83 ...................................................................83 c. Hiệu quả kinh tế83 .........................................................83 Kết luận ................................................................................................................84 Tài liệu tham khảo ...............................................................................................85 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 Phần Mở đầu Formaldehyt là một chất khí, ở dạng thương phẩm gọi là formalin (Formalin là dung dịch Formaldehyt 40% trong nước). Formaldehyt là một trong các hoá chất đa dạng nhất và được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác để sản xuất ra các sản phẩm thiết yếu sử dụng trong đời sống. Tổng sản phẩm Formaldehyt của CHLB Đức năm 1981/1982 là 500.000 t/a được coi là một ví dụ điển hình và thống kê các công dụng của Formaldehyt. Một lượng lớn được dùng để sản xuất sản phẩm đông đặc (nh­ nhựa) với urea, melamin và phenol tạo ra nhựa phenol, các chất tổng hợp. Khoảng 200.000 t/a (40%) được sử dụng ở dạng này để sản xuất các sản phẩm có tính chất kết dính (keo dính) và nhựa có tính chất thấm sử dụng trong sản xuất các tấm ván nhỏ, gỗ ván Ðp và đồ gỗ. Các sản phẩm đông đặc này cũng được dùng để sản xuất các sản phẩm nh­: Vật liệu phủ bề mặt...., chúng được sử dông nh­ phô gia trong công nghiệp dệt, thuộc da, cao su và chất kết dính. Những ứng dụng cao hơn bao gồm các giấy sáp và vật liệu lót mặt trong phanh xe. Một lượng rất nhỏ các sản phẩm ngưng tụ ure­ fo được dùng trong sản xuất nhựa bọt (chất dẻo bọt). Chỉ 0.4%(2000 tấn) sản phẩm Formaldehit hàng năm được dùng cho mục đích này trong lĩnh vực khai thác dầu mỏ và khí chỉ 0.88% (400 tấn) dùng làm vật liệu cách điện cho các toà nhà. Khoảng 42% tổng sản lượng Formaldehit được dùng làm chất trung gian để tổng hợp 1.4­butadiol, trimethylot propan và neopentyl glycol, chúng được sử dụng trong sản xuất poly ure than và nhựa polieste, tổng hợp các chất phủ dẻo, tổng hợp các dầu bôi trơn, và các chất hoá dẻo khác. Các hợp chất khác được sản xuất từ Formaldehit bao gồm : pentaerythriol (được sử dụng chủ yếu trong các nguyên liệu cho chất sơn phủ bề mặt), các phức axit nitrilotriacetic (NTA) và axit ethylene diamin etetraacetic (EDTA) cũng được sản xuất từ Formaldehit. Do Formaldehit có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nên giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong chiến lược phát triển công nghiệp nói chung, đặc biệt là Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 công nghiệp hoá chất nói riêng( công nghiệp tổng hợp hữu cơ và công nghiệp sản xuất các hoá chất khác, việc nhập Formalin ( do Formalin là dung dịch của 37% Formaldehit và 63% là nước) nên nhập Formalin từ nước ngoài vào là không kinh tế. Đứng trước tình trạng trên, việc nghiên cứu các chất xúc tác, thiết bị cũng như công nghệ sản xuất trong nước đã được rất nhiều nhà khoa học quan tâm , nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về số lượng và chất lượng sản phẩm Formalin cho nhiều ngành công nghiệp. Việc nghiên cứu và thiết kế phân xưởng sản xuất Formaldehit phù hợp với tình hình trong nước là vấn đề rất cần thiết và cấp bách. Hiện nay có rất nhiều phương pháp công nghiệp sản xuất Formaldehit nhưng phương pháp có hiệu quả và được nhiều nước trên thế giới sử dụng hơn cả là phương pháp oxi hoá metanol: Trên xúc tác kim loại để sản xuất ra Formaldehit. Nếu sử dụng xúc kim loại nh­ Ag, Cu, Pt thì qúa trình này là qúa trình oxi hoá kết hợp với khử H2. Qúa trình này tiến hành ở nhiệt độ cao(680­720 oC ), thuận lợi về mặt nhiệt động nhưng hiệu suất chuyển hoá lại không cao (85%). Nếu dùng hệ xúc tác Fe­Mo thì cho hiệu suất chuyển hoá cao hơn và ưu điểm hơn về mặt kinh tế, hơn nữa nếu dây chuyền sản xuất dùng xúc tác oxit thì cho sản phẩm Formaldehit có chất lượng tốt hơn(vì hàm lượng CH3OH nhỏ) phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau của Formaldehit trong công nghiệp. Tuy nhiên cho đến nay công nghệ trên xúc tác oxit chỉ chiếm 1/3 sản lượng Fomalin của thế giới. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ FORMALDEHYT I. Giới thiệu: Formadehyt tồn tại trong tự nhiên và được tạo ra từ các chất cơ nhờ các qúa trình quang hoá trong khí quyển từ rất lâu trên trái đất. Formaldehyt là sản phẩm biến đổi quan trọng trong động thực vật (bao gồm cả con người). Trong đó Formaldehyt tồn tại với nồng độ thấp. Formaldehyt có mùi hắc và là chất kích thích cho mắt, mòi và họng thậm chí ở nồng độ thấp, giới hạn nồng độ mà có thể phát hiện ra mùi lạ 0.051ppm. Tuy nhiên, Formaldehyt không gây ra bất kỳ sự phá huỷ nào mà mang tính chất mãn tính đối với sức khỏe của con người.Formldehyt cũng được tạo ra khi các chất hữu cơ cháy không hoàn toàn; do đó, Formaldehyt được tìm thấy trong qúa trình đốt khí, vì dô , từ khí thải động cơ, đốt cháy thực vật và thậm chí cả trong khói thuốc.Formaldehyt là một chất hoá học quan trọng trong công nghiệp và được ứng dụng sản xuất ra nhiều sản phẩm công nghiệp và các hàng hóa tiêu dùng. Hiện nay hơn 50 chất trong công nghiệp sử dụng Formaldehyt, chủ yếu ở dạng dung dịch nước và Formaldehyt . II.Tính chất vật lý. Formaldehyde (CH2O) là chất khí không màu, mùi sốc, vị chua,độc (tác động đến mắt, da mòi và cổ họng và kích thích thần kinh ngay cả khi với nồng độ nhá ). Khí Fomandehyde khan hoàn toàn thì tương đối bền vững ở áp suất khí quyểnvà ở nhiệt độ 80­1000C, nhưng ở nhiệt độ thấp hơn thì nó bị Polime hoá chậm.. Sự Polime hoá sẽ tăng nhanh nếu có vết của các hợp chất có cực(nh­ các xít, kiềm và nước). Do vậy dung dịch fomandehydecó xu hướng Polime hoá trong bảo quản. Ở nhiệt độ 4000C và cao hơn thì khí Fomandehyde phân huỷ ở nhiệt độ khá nhanh tạo thành axit, cacbon và hydro. Khí Fomandehyde cháy và tạo thành các hỗn hợp nổ với không khí khi hỗn hợp chứa khoảng7­72% theo thể tích. Nhiệt độ tự bốc cháy là khoảng 3000C. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 Formaldehyde hoá lỏng ở ­19,2oC, tỷ trọng của lỏng là 0,8153 (ở ­20oC) và 0.9172 (ở ­80oC) đóng rắn ở ­118oC dạng bột nhão trắng. Một số hằng số vật lý của formaldehyde . Nhiệt tạo thành formaldehyde ở 25oC là : ­115.9 +6.3 kJ/mol. Năng lượng Gibbs ở 25oC là ­109.9 kJ/mol. Entropy ở 25oC là: 218.8 +0.4 kJ/mol. Nhiệt chảy ở 25oC : 561.5 kJ/mol. Nhiệt hoá hơi ở ­19.2oC : 23.32kJ/mol. Nhiệt dung ở ­25oC : 35.425kJ/mol. Quá trình polyme hoá hoặc trong trạng thái lỏng hoặc trong trạng thái khí đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: áp suất, độ Èm, và một lượng nhỏ acid formic song tương đối nhá. Khí formaldehyde đạt đươc bằng quá trình hoá hơi para formaldehyde(HCHO)n. Hoặc polyme hoá cao hơn thì được ­poly­oxy metylene. Quá trình này đạt được từ 90100% ở dạng tinh khiết và yêu cầu phải bảo quản ở 100 150oC nhằm ngăn cản quá trình trùng hợp. Quá trình phân huỷ hoá học không xẩy ra dưới 400oC. Khí formaldehyde dễ bắt cháy khi ta đưa nhiệt độ mồi lửa tới 430oC hỗn hợp với không khí là hợp chất gây nổ. Tính chất cháy nổ của formaldehyde thường dễ xẩy ra, đặc biệt là khoảng nồng độ 65  70% thể tích. Nhiệt độ thấp formaldehyde lỏng có thể trộn lẫn được với tất cả các dung môi không phân cực nh­: Toluen, ete, chloroform, và cũng có thể là etylaxetat . Khả năng hoà tan giảm khi nhiệt độ tăng. Quá trình bay hơi trùng hợp thường xẩy ra nhiệt độ thường và chỉ để lại một lượng nhỏ khí không tan. Qua nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy monome dạng đơn phân tử của Formandehyde chỉ tồn tại trong dung dịch với nồng độ dung dịch < 0,1% trọng lượng. Dạng chủ yếu của Formandehyde trong dung dịch là metylglycol (HOCH2OH ) và các olygome có khối lượng phân tử thấp với cấu trúc HO(CH2O)nH (n = 1 8 ).Vì vậy mà Formandehyde khó bốc mùi ở điều kiện thường . Hằng số cân bằng của qúa trình hoà tan vật lý của Formandehyde và quá trình phản ứng của Formandehyde tạo thành Metylen glycol và các olygome của nó có thể xác định được. Các thông số kết hợp với các số liệu khác để tính toán các hắng số cân bằng ở tại các nhiệt độ khác nhau từ O0 đến 1500 và nồng độ của Formandehyde là 60% số liệu cho ở bảng 1 nhận được từ quá trình tính toán các hằng số cân bằng của quá trình olygome phân bố trong dung dịch nước với nồng độ 40% khối lượng. Một quá trình nghiên cứu về năng lượng của quá trình tạo thành metylen glycol từ việc hoà tan Formandehyde trong nước cho thấy tốc độ phản ứng thuận càng tăng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin Lương Huy Công Lớp Hóa dầu I – K44 mạnh khi nó xảy ra trong môi trường dung dịch có tính axit. Điều này có nghĩa là sự phân bố của các oligome có khối lượng phân tử cao (n>3) không có sự thay đổi nhanh khi nhiệt độ tăng hoặc có sự pha loãng