Thiet ke phan xuong san xuat nhua pvc nang suat 180938

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤ

MỤC LỤC..................................................................................................1
PHẦN I: MỞ ĐẨU.....................................................................................3
PHẦN II: TỔNG QUAN............................................................................4
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ SẢN XUẤT PVC................................4
I.1.Lịch sử phát triển của PVC [5]........................................................4
I.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ PVC................................................6
II. HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC.............................9
II.1 vinyl clorua...................................................................................9
II.2 Tính chất của PVC: [5]...............................................................19
II.3 Ứng dụng của nhựa PVC.............................................................22
II.4 Phản ứng trùng hợp – cơ sở lý thuyết trùng hợp gốc...................23
II.4.2 Phát triển mạch..........................................................................24
II.4.3 Ngắt mạch.................................................................................30
II.4.4 Phản ứng chuyển mạch.............................................................30
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÙNG HỢP VINYLCORUA.................33
III.1. Trùng hợp khối..........................................................................35
III.2. Trùng hợp dung dịch..................................................................36
III.3. Trùng hợp nhũ tương.................................................................37
IV. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUYỀN PHÙ
...............................................................................................................39
IV.1. Quy cách nguyên liệu và thành phần.........................................39
IV.2. Thành phần nguyên liệu............................................................40
IV.3. Dây truyền sản xuất và thiết bị..................................................40
PHẦN III: TÍNH TỐN..........................................................................41
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT.......................................................41
I.1.Tính năng suất cho một ngày làm việc..........................................41
I.2 Tính cân băng vật chất cho 1 tấn sản phẩm...................................42
I.3. Tính cân bằng vật chất cho một nồi phản ứng đối với một mẻ sản phẩm.

............................................................................................................48
I.4. Tính cân bằng vật chất cho một ngày sản xuất.............................51
I.5 Tính cân bằng vật chất cho một năm sản xuất..............................53
II. TÍNH TỐN CƠ KHÍ......................................................................55
II.1. Thiết bị phản ứng chính..............................................................55
II.2. Tính thiết bị phụ..........................................................................70
III. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ TRÙNG HỢP.....84
III.1.Tính tốn nhiệt cho giai đoạn đun nóng hỗn hợp từ nhiệt độ đầu 250C
lên nhiệt độ trùng hợp 700C................................................................85
III.2. Giai đoạn giữ nhiệt phản ứng 700C............................................89
IV. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ SẤY....................92
PHẦN IV: AN TOÀN LAO ĐỘNG........................................................94

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-1-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN V: ĐIỆN NƯỚC...........................................................................97
I. TÍNH ĐIỆN CHIẾU SÁNG...............................................................97
I.1. Tính đèn cho khu vực sản xuất được tính theo cơng thức sau:....97
II. TÍNH ĐIỆN TRỰC TIẾP SẢN XUẤT..........................................101
III. NƯỚC............................................................................................102
PHẦN VI: KINH TẾ..............................................................................104
I. MỤC ĐÍCH .....................................................................................104
II. NỘI DUNG PHẦN KINH TẾ........................................................105
II.1. Xác định chi phí nguyên vật liệu( bao gồm: điện, nước,nguyên liệu). 105
II.2. Chi phí sản xuất chung..............................................................107

II.3. Chi phí nhân cơng.....................................................................109
II.4. Chi phí quản lý..........................................................................112
II.5. Chi phí tiêu thụ..........................................................................113
II.6. Dự kiến doanh thu và hiệu quả đầu tư......................................113
PHẦN VI: XÂY DỰNG........................................................................113
I. XÁC ĐỊNH ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG NHÀ MÁY.........................113
I.1. Cơ sở để xác định địa điểm xây dựng........................................113
I.2. Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng.....................................114
II. THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG NHÀ MÁY................................115
II.2. Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng nhà máy.............................117
III. THUYẾT MINH THIẾT KẾ MẶT BẰNG VÀ MẶT CẮT PHÂN
XƯỞNG...............................................................................................117
III.1.Thiết kế tổng mặt bằng.............................................................118
III.2. Thiết kế mặt cắt.......................................................................118
III.3. Giới thiệu giải pháp kết cấu chính của nhà..............................119
PHẦN VII: KẾT LUẬN.........................................................................121
Tài liệu tham khảo..................................................................................122

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-2-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN I: MỞ ĐẨU
Chất dẻo là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến và rộng rãi
trong đời sống xã hội. Nó khơng chỉ được sử dụng để tạo ra những vật dụng đơn
giản mà còn được ứng dụng trong các ngành đòi hỏi độ chính xác và mức độ
tinh vi cao. Chất dẻo đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống con

người như: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông...Ngày nay cùng với sự phát
triển không ngừng của xã hội là quá trình khai thác cạn kiệt các nguồn tài
nguyên thiên nhiên. Như vậy, vấn đề tìm vật liệu thay thế cho các vật liệu truyền
thống là một trong những vấn đề cấp bách. Quá trình sử dụng chất dẻo thay thế
cho các vật liệu khác ngày càng mở rộng và đã cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật.
Ở Việt Nam, ngành sản xuất và ứng dụng trong các lĩnh vực cơng nghệ
cao cịn tương đối mới mẻ. Do những ngun nhân chủ quan và khách mà số
lượng các nhà máy sản xuất chất dẻo hiện có khơng nhiều và chưa đáp ứng được
nhu cầu về chất dẻo trong nước. Đứng trước nhu cầu về nhựa nói chung và PVC
nói riêng của Việt Nam cũng như thế giới mà đề tài tốt nghiệp của tôi chọn là:
“ Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PVC năng suất 3000 tấn/năm bằng
phương pháp trùng hợp huyền phù ”. PVC là một trong những chất dẻo được
sử dụng phổ biến và có nhu cầu cao trong số các chất dẻo được sử dụng ở việt
nam mà theo như nhiều ngươi nó là một trong những chất dẻo của thế kỷ 21.
Do trình độ bản thân có hạn và trong khoảng thời gian hạn hẹp hơn nữa
thiết kế là một cơng việc phức tạp địi hỏi người thiết kế phải hiểu biết nhiều
lĩnh vực đặc biệt là kiến thức chuyên ngành, kiến thức về xây dựng công nghiệp,
kiến thức về kinh tế học... nên trong bản đồ án của em khơng tránh khỏi những
sai sót. Tuy nhiên được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong trường đặc
biệt là cô Phan Minh Ngọc, thầy Ngơ Bình, thầy Nguyễn Quang Chương cùng
với sự cố gắng, sáng tạo, ham học hỏi của bản thân mà em đã hoàn thành bản đồ
án tốt nghiệp này với sai sót được hạn chế đến mức thấp nhất. Em rất mong
nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-3-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN II: TỔNG QUAN
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ SẢN XUẤT PVC
I.1.Lịch sử phát triển của PVC [5].
Vinylclorua(VC) được khám phá lần đầu tiên bởi Regnault vào năm 1835 và
polyme của nó lần đầu tiên nhận được vào năm 1838. Năm 1872 baumnn đã
công bố tổng hợp được một số vinyl bao gồm VC sử dụng ở dạng bột màu trắng
gọi là PVC. Từ đó cơng nghệ tổng hợp PVC đã có những bước tiến bộ có ý
nghĩa quan trọng ở Đức và ở Mỹ PVC là một trong những polyme tổng hợp lâu
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-4-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

đời nhất. Sản phẩm thương mại của PVC bắt đầu ở Đức vào đầu những năm
1930 được sản xuất theo phương pháp trùng hợp nhũ tương. Bước đột phá đầu
tiên để khắc phục quá trình và vấn đề ổn định nhiệt của PVC được biết đến vào
1932 khi Semon khám phá ra blend của PVC với este trọng lượng phân tử thấp.
PVC là một trong những polyme quan trọng nhất trên thế giới và là một trong
những polyme được sản xuất khắp thế giới cho tính chất hố học và tính chất vật
lý có tính chất cao. Trong nhưng năm của thập niên 1930 sản lượng PVC gần
như tăng gấp đơi, 30 triệu tấn /năm. Chính nhờ có những tính chất hố lý có
nhiều ưu điểm mà PVC có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Với hàm lượng clo
cao 57% nó là chất làm chậm cháy hiệu quả. Chi phí cho monome thấp do đó
giá của polyme giảm, nhóm clorit có cực thúc đẩy liên kết của PVC với loại este
phân tử lương thấp và các polyme khác. PVC là một polyme hidrô cacbon chất
lượng cao đối với thời tiết và do đó được ứng dụng ngồi trời. Blend của PVC
với este trọng lượng phân tử thấp mở ra nhiều ứng dụng cho PVC như: lam vỏ

bọc đệm, quần áo và đặc biệt là các thiết bị y tế.
PVC được san xuất chủ yếu bằng phương pháp trùng hợp gốc. Tuy nhiên
trùng hợp gốc VC cho kết quả tạo thành các phân tử với nhiều đồng phân tạo ra
và khuyết tật cấu trúc.
Nhiều biện pháp cải tiến tính chất yếu kèm của PVC được thực hiện bằng
cách thêm các chất phụ gia như: chất hoá dẻo, chất ổn định nhiệt, chất bôi trơn,
chất độn và các polyme khác ví dụ: đồng trùng hợp với monome khác và biến
đổi hình thái phân tử để cải thiện khả năng gia công. Graft đã đồng trùng hợp
PVC với monome acrylic và vinylaxetat (VAC) và các blend với MBS và ABS
đã được thí nghiệm để cải thiện độ bền va chạm. Đồng trùng hợp VC với các
monome imit đã được nghiên cứu để tăng tính dẫn nhiệt của PVC có thể liên
quan đến sự có mặt của các chuỗi mắt xích bất thường và dựa vào đó có thể tổng
hợp PVC khơng có cấu trúc đầu cuối. Trùng hợp theo cơ chế ion của VC là một
cách hay để tạo PVC bao gồm chỉ có các mắt xích thơng thường theo phương
pháp trùng hợp ion tự nhiên. Đây là một phương pháp tổng hợp PVC rất đáng
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-5-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

quan tâm theo quan điểm tính bền nhiệt của PVC. Tuy nhiên rất khó khăn để đạt
được PVC trong lượng phân tử cao nếu sử dụng xúc tác anionic.

I.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ PVC
Trên thế giới [6.1]
Trong phần lớn thời gian của thập niên 1990, sản xuất PVC là một lĩnh
vực sản xuất không đạt lợi nhuận cao. Điều này đã khiến nhiều công ty đóng cửa
nhà máy, rút khỏi sản xuất PVC hoặc sáp nhập với nhau. Rất ít nhà máy mới

được dự kiến xây dựng.
Tuy nhiên, nhu cầu PVC đã tăng mạnh vào cuối thập niên, bất chấp những
vấn đề môi trường. Kết quả là, sau khi ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng tài
chính Châu Á giảm dần, nhu cầu PVC đã tăng lên sít sao với mức cung và lợi
nhuận đã tăng trở lại trong năm 1999.
Trong 5 năm tới, thị trường PVC toàn cầu với tổng khối lượng 26 triệu tấn
sẽ tăng trưởng khoảng 4,1% /năm. Châu Á là thị trường lớn nhất và cũng sẽ có
tỷ lệ tăng trưởng cao nhất (trừ Nhật Bản). Sản xuất PVC ở Châu Mỹ Latinh,
Trung Đông và Châu Phi cũng sẽ tăng nhanh nhưng với mức khởi điểm thấp,
cịn Bắc Mỹ có tiềm năng tăng trưởng khá chắc chắn (khoảng 4%/năm).
Ngành xây dựng là lĩnh vực sử dụng chủ yếu đối với các sản phẩm PVC.
Trong lĩnh vực hàng tiêu dùng và bao bì đống gói, các sản phẩm PVC đang mất
dần thị phần vì nó được thay thế bởi các sản phẩm khác thân môi trường hơn.
Những yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất PVC toàn cầu là:
 Sự tăng trưởng kinh tế sẽ kéo theo sự tăng nhu cầu PVC.
 Giá năng lượng cao có thể làm giảm tốc độ tăng trưởng kinh tế.
 Các vấn đề về mơi trường có thể khơng kìm hãm sự tăng trưởng sản
xuất PVC, nhưng có thể hạn chế việc xây dựng các nhà máy PVC
mới.
Cơ cấu sử dụng 5,3 triệu tấn PVC tại các nước Tây Âu như sau:
Cơ cấu sử dụng PVC tại các nước Tây Âu:

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-6-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ống dẫn

27%

Kết cấu xây dựng

18%

Tấm màng cứng

10%

Bọc cáp

9%

Chai lọ

9%

Màng mềm

7%

Lát sàn

6%

Các ứng dụng khác

6%

Lớp sơn lót

3%

Ống mềm

3%

Sản phẩm xốp

2%

Cộng

100%

Tại Việt Nam
Năm 2000 cả nước tiêu thụ khoảng 150.000 tấn bột PVC, năm 2000 trong
nước sản xuất đáp ứng được khoảng 40% nhu cầu và phải nhập khẩu 60% từ
nhiều nước trên thế giới [7].
Năm 2002, toàn ngành nhựa Việt Nam đã sử dụng 1.260.000 tấn nguyên
liệu nhựa, trong đó PP, PE, PVC là các nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất
chiếm khoảng 71,3% tổng nhu cầu nguyên liệu [6.2]
Mức tiêu thụ theo từng loại nguyên liệu nhựa năm 2002 như sau:
PP

380.000 tấn

PVC:

180.000 tấn

PE

340.000 tấn

Hiện nay, Việt Nam đã có 2 nhà máy sản xuất ngun liệu hố chất ngành
nhựa:
- Liên doanh Việt Nam – Thái Lan TPC Vina (100.000 tấn bột
PVC/năm).
- Liên doanh Việt Nam – Malaysia Phú Mỹ (200.000 tấn bột PVC/năm).
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-7-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Các nhà máy chuẩn bị đưa vào hoạt động là:
- Liên doanh Việt Nam – Hàn Quốc LG Vina(40.000 tấn DOP/năm).
- Liên doanh Việt Nam – Đài Loan Việt Hữu (20.000 tấn dầu ổn
định/năm).
- Liên doanh Việt Nam – Thái Lan Việt Thái (150.000 tấn PVC/năm).
- Atofina 100% vốn Pháp (150.000 tấn PVC/năm). [8]
Bảng II - 1
Thống kê nhập khẩu PVC: đvt triệu USD [10]
Tên

Năm 1998

Năm 1999

Năm 2000

10

nước
Hàn

11.7

7.4

16.5

/2001
6.1

Quốc
Singapo
Thái

8.8
12.5

4.9
12.1

16.5

21

4.0
11.3

Lan
Nhật

7.7

4.8

7.9

3.1

0.4

0.2

2.2

0.4

73

36

Bản
Arập Xê

– út
Ấn Độ
Hồng

2.7

Kông
Mỹ
Malaixi

0.2

a
Tổng số 53.5

41

tháng

Hiện nay các nhà máy PVC ở Việt Nam vẫn đang hoạt động hết công
suất. Nhu cầu PVC trong nước vẫn chưa đáp ứng được đầy đủ. PVC vẫn đang là
loại nhựa có nhu cầu lớn được nhà nước ưu tiên phát triển

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

-8-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II. HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT PVC
II.1 vinyl clorua
II.1.1 Tính chất của vinyl clorua [2]
Vinyl clorua có nhiệt đồ sơi -1340 là một chất khí ở áp suất và nhiệt độ
thường. Ở nhiệt độ trùng hợp điển hình là 50 – 700C thì áp suất bay hơi của
vinyl clorua là 800-1250 Kpa. Vinyl clorua tan nhẹ trong nước. Tính chất này
ảnh hưởng đến q trình trùng hợp huyền phù. Quá trình trùng hợp vinyl
clorua toả nhiệt rất mạnh. Nhiệt dung riêng và nhiệt hoá hơi của nó là 1,352
KJ.kg-1K-1 và 20,6 kJ mol-1. Giới hạn nổ của vinyl clorua trong khơng khí là
4-22 % thể tích.
Bảng II - 2
Một số tính chất vật lý của vinyl clorua [8]
Khối lượng phân tử
Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg, 0C
Nhiệt độ nóng chảy 0C
Tỷ trọng tại -200C, g/ml
Độ nhớt tại -200C, ep
Sức căng bề mặt tại -100C, dyne/

62,501
-13,37
-78
0,98343
0,274
20,88

cm
Áp suất hơi tại 250C, cal/g
71,26
Nhiệt dung riêng của lỏng, cal/g/ 0,38

0

C
Ẩn nhiệt hoá hơi tại 250C, cal/g
Nhiệt độ tới hạn, 0C
Áp suất tới hạn, atm

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

71,26
158,4
52,2

-9-


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.1.2 Qui trình sản xuất vinyl clorua (VCM) (20064-[5])
Những biến đổi trong lịch sử của các quy trình sản xuất VCM.
1. Quy trình axetylen và HCl
Điện phân NaCl

HCl

Than / Cacbua

Acetylen

Tổng hợp VCM

VCM

2. Quy trình kết hợp etylen và axetylen

Cl2
Clo hố trực tiếp

EDC

Phân huỷ nhiệt

Ethylenne

HCl

Acetylenne

VCM

Q trình Acetylene

3. Quy trình khí trộn tử Naphta
Cl2
Naphta

Phân huỷ nhiệt Naphtha
Trộn khí

Ethylenne

Cộng hợp HCl vào Acetylene

Clo hoá trực tiếp
EDC

HCl

Phân huỷ nhiệt EDC
VCM

4. Quy trình oxy-clo hố

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 10 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Cl2

Clo hố trực tiếp

Thơ

Ethylenne

Tinh chế EDC
Oxy Clo hố

Oxygen

Tuần hồn EDC
HCl

Phân huỷ nhiệt EDC
VCM

II.1.2.1 Quy trình axetylen
Giai đoạn đầu của công nghiệp PVC bắt đầu vào những năm 1930 đến
giữa những năm 1960, loại nguyên liệu thấp của PVC đước sản xuất bằng
phương pháp axetylen. VCM được tổng hợp từ axetylen và HCl bằng phản ứng
trong pha khí với sự có mặt của clorua thuỷ ngân làm xúc tác ở nhiệt độ khoảng
1500C. Axetylen được sản xuất từ cacbua (carbide) chế tạo từ than đá.
Ethylenne

CaC 2 +2 H 2 O→CH ≡CH +Ca ( OH )2

CH ≡CH + HCl →CH 2 =CHCl ( VCM )

II.1.2.2 Quy trình kết hợp etylen và axetylen
Etylen giá rẻ từ ngành cơng nghiệp hố dầu mới phát triển lúc đó đã cung
cấp nguyên liệu thấp để sản xuất etylen điclorua (EDC). EDC là tiền thân của
VCM. Phân huỷ nhiệt của EDC cho ra VCM và HCl, chất này khơng được sử
dụng cho mục đích nào trong cơng nghiệp hố dầu lúc bấy giờ.
Q trình axetylen của VCM được coi là thích hợp để tiêu thụ HCl từ sự
phân huỷ nhiệt của EDC. Cuối những năm 60 tại Nhật, sự kết hợp giữa hai quá
trình etylen và axetylen để sản xuất VCM đã được ứng dụng như là một giai
đoạn quá độ của công nghiệp than và hoá dầu.

CH 2 Cl−CH 2 Cl→CH 2 =CHCl ( VCM )+ HCl

CH 2 =CH 2 +Cl 2 →CH 2 Cl−CH 2 Cl ( EDC )

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 11 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CH ≡CH + Cl 2 →CH 2 =CHCl ( VCM )
II.1.2.3 Quy trình khí trộn từ naphta (dầu mỏ)
Trong các quy trình được đề cập trên đây thì quy trình axetylen từ các hợp
chất các bua vẫn cần đến. Cả etylen và axetylen đều được điều chế trực tiếp từ
phản ứng phân huỷ ở nhiệt độ cao của naphta ở 2000 0C. Trước tiên, hỗn hợp khí
etylen và axetylen phản ứng với HCl và axetylen được chuyển đổi thành VCM.
Sau đó, phần etylen cịn lại phản ứng với Cl2 và chuyển thành EDC. Quy trình
này được gọi là quy trình khí trộn và đã được phát triển bởi Kureha Chemical
vào những năm 60. Sau đó, Kureha Chemical đã phát triển tiếp quá trình này
bằng việc đổi nguyên liệu thấp từ naphta thành dầu thô và thành công trong việc
phát triển dây chuyền mới vào những năm 70.
Nippon Zeon cũng phát triển quy trình VCM tương tự, quy trình kết hợp
axetylen và etylen từ sự phân huỷ của naphta. Trong quy trình này, trước tiên
khí phân huỷ được tách ra riêng rẽ thành axetylen và etylen và sau đó mỗi khí
được cung cấp cho mỗi phản ứng tương ứng. Axetylen được tách riêng bằng
phương pháp hấp thụ dung dịch bằng dung mơi dimetyl formandehyt.
Những quy trình này bị loại bỏ vào cuối những năm 70 do thiết tính cạnh
tranh về kinh tế so với quy trình oxy-clo hố.
II.1.2.4 Quy trình oxy-clo hố

Đầu những năm 60, quy trình oxy-clo hoá được phát triển bởi Dow
Chemical, Stauffer và Goodrich ở Mỹ. Tại Nhật Tosoh ứng dụng quy trình oxyclo hố vào năm 1966.
Từng bậc phản ứng của quy trình oxy-clo hố có thể được thể hiện dưới
đây:

CH 2 =CH 2 +Cl 2 →CH 2 Cl−CH 2 Cl
CH 2 Cl−CH 2 Cl→CH 2 =CHCl + HCl
CH 2 =CH 2 +Cl 2 + 1/2 O 2 →CH 2 Cl−CH 2 Cl+ H 2 O

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 12 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Phản ứng tổng của quy trình oxy – clo hoá cân bằng là:

2CH 2 =CH 2 +Cl 2 +1/2 O 2 →2CH 2 Cl−CH 2 Cl + H 2 O
Các bước của quy trình :
(1) Clo hố trực tiếp
(2) Tinh chế EDC
(3) Oxy-clo hoá
(4) Phân huỷ nhiệt của EDC
(5) Thu hồi HCl từ lỏng và khí thải
[6] Dưới đây là công nghệ của Công ty EVC để sản xuất VCM và etylen
điclorua (EDC) từ etylen, clo và oxy, áp dụng quy trình oxy-clo hố với lớp xúc
tác tầng cố định, hiệu suất cao (quy trình LTC). Quy trình cơng nghệ này đã
giành được giải thưởng Kirkpatrick Chemical Engineering Achievement Award.
Trên thế giới hiện nay có 52 nhà máy áp dụng công nghệ này vận hành

hoặc đang được xây dựng, với tổng công suất 4,7 triệu tấn VCM/năm và 11,2
triệu tấn EDC/năm. Công suất của từng nhà máy nằm trong khoảng từ 10.000
đến 650.000 tấn VCM/năm.
Mô tả quy trình:
EDC được sản xuất cả ở cơng đoạn clo hố bổ sung và cơng đoạn oxy-clo
hố của quy trình. Ở cơng đoạn Clo hố bổ sung, etyl và clo phản ứng với nhau
trong pha lỏng, tạo thành EDC:

C2 H 4 +Cl 2 →C 2 H 4 Cl 2
Nhiệt của phản ứng được sử dụng để chưng cất EDC tạo thành ở cơng
đoạn clo hố trực tiếp và cơng đoạn oxy-clo hố. Nhờ đó, tiết kiệm được 0,6 tấn
hơi/tấn VCM so với quy trình thơng thường. Ở cơng đoạn oxy-clo hố, etylen,
oxy và HCl phản ứng với nhau tạo thành EDC:
C2 H 4 +2 HCl+1/2 O2 →C2 H 4 Cl 2 + H 2 O

Đây là phản ứng ở pha hơi, diễn ra trong tầng xúc tác cố định, nhiệt phản
ứng được sử dụng để sinh hơi cao áp. Bằng việc sử dụng oxy thay cho khơng
khí, lượng khí quạt ra giảm 95%, chi phí năng lượng và chi phí đầu tư cũng
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 13 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

giảm. EDC được rửa và làm khô, sau đó được tinh chế trong bộ phận clo hố
trực tiếp.
VCM được tạo ra nhờ cracking EDC hồi lưu đã làm sạch và EDC từ cơng
đoạn clo hố trực tiếp. Phản ứng cracking này được thực hiện trong lò nhiệt
phân:

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl
Sau khi làm nguội nhanh và thu hồi năng lượng trong một hệ thống đặc
biệt, các sản phẩm được tách thành HCl (hồi lưu về công đoạn oxy-clo hố).
VCM có độ trinh khiết cao và EDC chưa phản ứng (hồi lưu về cơng đoạn clo
hố và tinh chế).
Quy trình sản xuất VCM này có thể được điều chỉnh “cân bằng” sao cho
nhà máy chỉ sản xuất sản phẩm VCM hoặc nhà máy có thể được thiết kế để sử
dụng các dịng EDC hoặc HCl nhập từ ngồi. Quy trình này được tự động hố
để có thể vận hành ổn định, an toàn, với khả năng giảm năng suất khi cần. Ngồi
ra, quy trình này cũng được thiết kế để có thể khởi động và ngừng một cách dễ
dàng. Chi phí nhân cơng, vốn, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp. Hiệu suất
phản ứng đổi với etylen và clo đạt trên 98%.
Quy trình sản xuất EDC bằng phản ứng clo hoá trực tiếp ở nhiệt độ
cao (quy trình HTC).
Đây là quy trình của Cơng ty EVC để sản xuất etylen điclorua (EDC) từ
etylen và clo. Quy trình này có hiệu quả năng lượng cao vì sử dụng nhiệt phản
ứng để làm bay hơi EDC, nhờ đó có thể tinh chế sản phẩm bằng chưng cất phân
đoạn. Khác với những quy trình khác như quy trình LTC, ở quy trình này khơng
cần dùng nước rửa sản phẩm để loại bỏ clorua sắt (III), vì vầy khơng cần xử lý
nước thải.
Nhiệt tạo ra trong quá trình đủ để tinh chế các dòng EDC khác như EDC
trong nhà máy VCM cân bằng hoặc EDC sản xuất the quy trình oxy-clo hố,
nhờ đó tiêu thụ hơi giảm đáng kể.
Mơ tả quy trình:
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 14 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết bị phản ứng có thiết kế độc đáo với một thanh chữ U nối với bình
tách lỏng – khí nằm ngang. Các khí phản ứng được nạp vào đáy của thanh chữ U
này, tại đây chúng được hoà tan và liên kết với nhau dưới áp suất tĩnh đủ lớn để
ngăn ngừa sự sôi trong vùng phản ứng. Trên vùng này, nhiệt phản ứng tạo ra các
bong bóng hơi nổi lên trê và đi vào bình phản ứng nằm ngang. Sự chênh lệch
mật độ trong hai nhánh của thanh chữ U đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của
EDC.
Ưu điểm : Các ưu điểm chính của quy trình HTC là:
- Tiết kiệm năng lượng: lượng hơi tiêu hao thực trong nhà máy cân bằng
có thể giảm 0,8 tấn / tấn VCM.
- Sản phẩm sạch: EDC sản xuất theo quy trình này có thể được sử dụng
trực tiếp trong lị phản ứng cracking hoặc bán ra ngồi.
- Độ an tồn cao: Cơng ty EVC đã phát triển hệ thống điều khiển và bảo
vệ chắc chắn, có khả năng xử lý tất cả các nguy cơ đã biết.
- Hiệu quả sử dụng nguyên liệu cao: thiết bị phản ứng của quy trình
HTC chuyển hố các khí ngun liệu etylen và clo thành EDC sạch
với hiệu suất chuyển hoá đạt 98,5% và 99,0% tương ứng.
- Thiết kế được thử nghiệm tốt, đáng tin cậy: thiết bị phản ứng HTC
không có các bộ phận chuyển động, được chế tạo từ các vật liệu được
chọn lọc tốt, đã biểu thị tuổi thọ vận hành cao và nhu cầu bảo dưỡng
thấp.
- Lượng nước thải giảm: không cần rửa sản phẩm EDC sản xuất theo
quy trình này, vì vậy lượng nước thải cần phải xử lý giảm. Ngoài ra,
mức tiêu thịu xút cũng rất thấp.
Quy trình sản xuất EDC bằng phương pháp oxy clo hố
Đây là quy trình Vinnolit của Cơng ty Vin Tec dùng để sản xuất EDC
bằng phản ứng toả nhiệt giữa các nguyên liệu etylen, HCl khan và oxy. Có thể
xử dụng HCl khan từ quá trình sản xuất VCM hoặc từ các q trình khác. Cơng
nghệ này đã được áp dụng tại 13 thiết bị phản ứng ở 10 nhà máy, hoặc như một

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 15 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

nhà máy sử dụng HCl riêng rẽ hoặc như một bộ phận của quy trình VCM cân
bằng. Trong một số trường hợp nó có thể thay thế cho các cơng nghệ oxy – clo
hố hiện có bằng cách thay đổi thiết bị phản ứng cho phù hợp. Hai dây chuyền
sản xuất theo công nghệ này cũng đang trong giai đoạn hồn thiện.
Mơ tả quy trình:
Có thể sử dụng oxy từ nhà máy tách khơng khí hoặc từ quy trình hấp phụ
áp suất cao PSA. Quy trình Vinnolit cũng có khả năng dùng cả etylen hoặc HCl
khan chứa các dịng khí đi từ các quy trình clo hố trực tiếp, axetalđehyt,
monoclo axetic axit,…
Phản ứng toả nhiệt của quy trình diễn ra trong thiết bị phản ứng tầng sơi có xúc
tác clorua đồng, ở nhiệt độ 200 – 220 0C. Nhiệt phản ứng được thu hồi để sinh
hơi cao áp (10 bar) hoặc gia nhiệt các chất lỏng truyền nhiệt.
Bột xúc tác được loại bỏ nhờ bộ lọc xúc tác khí nóng kiểu mới, hoặc bằng
cách xử lý nước thải sao cho nó đáp ứng các quy định chặt chẽ nhất về giới hạn
hàm lượng đồng, đioxin và furan. Quy trình thân mơi trường này sử dụng khí
hồi lưu, nạp nó trở lại thiết bị phản ứng sau khi đã ngưng tụ EDC và nước. Sau
khi loại bỏ EDC, nước thải của quá trình đáp ứng những yêu cầu chặt chẽ nhất
về môi trường.
Sau khi loại bỏ CO2 và cloral/ cloetanol, EDC thô được tinh chế trong
thiết bị chưng cất EDC. Nó có thể được sử dụng làm nguyên liệu nạp lị
cracking nhiệt phân hoặc bán ran ngồi.
Những đặc điểm và ưu điểm quan trọng:

 Đáng tin cậy: Sự khống chế nhiệt độ ổn định, liên kết với thiết bị truyền
nhiệt hiệu quả cao và sự phân phối nhiệt đồng đều (khơng có các điểm
q nóng) trong tàn sơi khiến cho dây chuyền thiết bị có thể dễ dàng đạt
tỷ lệ thời gian vận hành trên 99% /năm. Hệ thống phun nguyên liệu được
thiết kế đặc biệt cho phép vận hành hai năm khơng cần bảo dưỡng. Diện
tích truyền nhiệt lớn cho phép đạt nhiệt độ và áp suất hơi nước cao hơn
trong các ống xoắn làm lạnh nhờ đó tăng độ an tồn đối với nhiệt độ giới
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 16 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

hạn bề mặt, nơi có thể xảy ra sự ăn mòn do nhiệt độ xuống đến điểm
sương của axit HCl.

 An toàn: oxy được phối trộn với HCl khan bên ngoài thiết bị phản ứng và
được nạp vào tầng sôi độc lập với etylen. Hàm lượng oxy trong dịng hồi
lưu là khoảng 0,5% (thể tích), ngồi giới hạn cháy nổ.

 Linh hoạt: thiết bị có thể vận hành ở mức 20% cơng suất thiết kế và có thể
thay đổi nhanh chóng chế độ nạp liệu cho phù hợp.

 Chi phí sản xuất thấp: xúc tác có tuổi thọ phục vụ không hạn chế, tỷ lệ
hao hụt thấp nhờ hệ thống xyclo hiệu quả cao (tiêu hao dưới 20 gam xúc
tác

/tấn

EDC).

Hiệu

suất

phản

ứng

của nguyên liệu (98,5% đối với etylen, 99% đối với HCl khan, 94% đối
với oxy) và khả năng sử dụng oxy giá thành thấp từ quy trình PSA đảm
bảo tính cạnh tranh cao của quy trình này nhờ giá thành sản xuất thấp.

 Hiệu quả về môi trường: Hiệu suất phản ứng 99% là yếu tố then chốt để
giảm sự hình thành các sản phẩm phụ. Hệ thống lọc khí nóng hiệu quả cao
cho phép tách những lượng nhỏ bột xúc tác mịn. Ngoài việc loại bỏ EDC
dư trong nước thải bằng phương pháp giải hấp với hơi nước, quy trình này
khơng cần thiết bị xử lý bổ sung khác cho nước thải. Nước thải đạt tiêu
chuẩn môi trường của EU đối với các nhà máy sản xuất vinyl: hàm lượng
EDC < 5g/tấn công suất tinh chế EDC, hàm lượng Cu < 1g /tấn công suất
oxy – clo hoá, các thành phần tương tự đioxin < 1 μg TEQ/ tấn công suấtg TEQ/ tấn công suất
oxy – clo hố.
Các thơng số vận hành chính:
Nhiệt độ vận hành:

200 – 2250C

Áp suất vận hành:

2,5 – 4 bar

Áp suất hơi:

0 bar

Sản xuất EDC bằng quy trình oxy – clo hố một bước
Đây là quy trình VCM cân bằng của Cơng ty EVC, sử dụng oxy sạch và
etylen trong phản ứng oxy – clo hoá để chuyển hoá HCl thành EDC với
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 17 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

lượng khí đi thấp nhất, khơng có các chất gây ô nhiễm cỡ micro, không
gây nhiễm độc kim loại nặng đối với nước thải, khơng có sự tích trữ bùn xúc
tác để phải xử lý một cách tốn kém.
Quy trình này đã được vận hành thương mại từ năm 1979. Từ đó đến nay
đã có 18 nhà máy được đưa vào vận hành với công suất từ 50.000 đến
600.000 tấn/ năm.
Mơ tả quy trình:
Ở thiết bị phản ứng với tầng xúc tác cố định, vỏ đơn; nhiệt phản ứng được
lấy đi để sinh hơi cao áp. Phản ứng được thực hiện với sự dư thừa lớn etylen.
Sự chia tâng xúc tác một cách linh hoạt, sự phân bố nhiệt độ phản ứng thích
hợp và lưu lượng nạp liệu cao, cùng với hệ thiết bị phản ứng đơ chiếc là
những yếu tố giúp tạo ra sản lượng tối đa và hạn chế sản phẩm phụ ở mức tối
thiểu. Sau khi ngưng tụ và tách các sản phẩm phản ứng (EDC và nước),
etylen dư được nén và hồi lưu trở lại dịng khí đã được làm sạch này được rút

ra một phần để ngăn ngừa sự tích tụ các chất trơ. Thơng thường, dịng khí
sạch này được làm khơ và đưa đến bộ phận clo hoá trực tiếp để thu hổi
etylen.
Điều kiện vận hành:
Thiết bị phối trộn oxy được thiết kế đặc biệt và hệ thống khoá liên động
đảm bảo sự vận hành an toàn ngoài giới hạn cháy nổ. Kiểu thiết kế đơn giản
và quy cách chất lượng cao của vật liệu chế tạo khiến cho thời gian sử dụng
giữa 2 lần sửa chữa lên đến 2 – 3 năm, tỷ lệ thời gian vận hành đạt 98% trong
một năm. Nhiệt phản ứng được thu hồi để sinh hơi cao áp (18 bar) sử dụng
cho các bộ phận khác nhau của quy trình VCM (ví dụ nhiệt phân). Nước thải
khơng chứa bột xúc tác lơ lửng, vì vậy không cần để lắng và xử lý như nước
thải độc hại. Hàm lượng Đồng trong các dòng nước thải của tần xúc tác cố
định dưới 0,3 ppm, vì vậy khơng cần phải xử lý.
Chỉ tiêu tiêu hao nguyên vật liệu:

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 18 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Quy trình thường đạt hiệu suất chọn lọc 98% đối với etylen và HCl, hiệu
suất chuyển hoá HCl đạt 99,8%. Do vận hành trong môi trường giàu etylen,
quy trình chỉ tạo ra khoảng một nửa lượng CO và CO 2 so vơi các quy trình
tầng sơi thơng thường khác. Chỉ tiêu tiêu hao đối với 1 tấn EDC là:
HCl:

0,748 tấn

Etylen:

0,288 tấn

Oxy:

0,170 tấn

Nước làm lạnh:

48 m3

Điện:

50 kWh

Năng lượng làm lạnh:

1320 kcal

Hơi sinh ra (17,5 bar):

0,850 tấn

II.2 Tính chất của PVC: [5]
Nhựa PVC có dạng bột trắng, độ bền nhiệt thấp, mềm dẻo khi dùng thêm
chất hoá dẻo, kháng thời tiết ổn tốt, ổn định kích thước tốt, độ bền sử dụng
cao, sự chống lão hoá cao, dễ tạo màu sắc, trọng lượng nặng hơn so với một
số chất dẻo khác, cách điện tần số cao kém, độ bền ổn định nhiệt kém, độ bền
va đập kém, độc với chất độn, PVC là nguyên liệu không dễ cháy.

Nhựa PVC được tạo thành từ phản ứng trùng hợp VC:
CH2 = CH

[ CH2 = CH]

Cl

Cl

PVC tạo thành là hợp chất no và phản ứng trùng hợp có khuynh hướng
xảy ra theo cơ chế trùng hợp gốc.
II.2.1 Cấu trúc
Cấu trúc của PVC phụ thuộc mạnh cả vào tính chất vật lý và sự ổn định
nhiệt. Mặc dù quang phổ 1H NMR được sử dụng để xác định cấu trúc của
PVC nhưng quang phổ 13C NMR vẫn là phương pháp được ưu tiên sử dụng
hơn để xác định cấu trúc của PVC. Những nghiên cứu này đã xác định được
số lượng của các đơn vị monome cộng thêm vào mạch. Phương thức kết hợp
Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 19 -


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

monome vào mạch đang phát triển không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc lập thể
của đoạn cuối mạch. Năng lượng hoạt hoá cho sự cộng hợp kiểu cấu trúc
isotactic cao hơn cấu trúc syndiotactic khoảng 500 – 600 cal/mol. Vì vậy
hàm lượng của cấu trúc syndiotactic trong PVC thu được bởi trùng hợp gốc
sẽ giảm khi tăng nhiệt độ phản ứng.
II.2.2 Trạng thái tinh thể và vô định hình

Trạng thái tinh thể tương ứng với chuỗi syndiotactic. Mặc dù chuỗi
syndiotactic thu được từ trùng hợp gốc thường ngắn nhưng có lực hút rất
mạnh giữa các mạch chứa liên kết lưỡng cực C-Cl từ đó cung cấp lực hút rất
mạnh tạo thành tinh thể. Nhiệt độ nóng chảy lý thuyết của PVC syndiotactic
tinh khiết khoảng 400 0C, nhưng loại polyme như vậy chưa từng được tổng
hợp. Nhiệt độ nóng chảy của PVC tổng hợp bằng trùng hợp gốc là 102-210
0

C phụ thuộc vào kích thước nhỏ và độ khơng hồn hảo của cấu trúc thu

được. Sự đơng đặc lại của PVC liên quan tới trạng thái tinh thể. Khi phản
ứng trùng hợp diễn ra tại nhiệt độ thấp hơn thì hàm lượng tinh thể trong PVC
giảm. Khả năng của PVC tạo ra phạm vi rộng các kết cấu với các loại chất
hoá dẻo là rất quan trọng trong các ứng dụng thực tế. Cấu trúc tinh thể đóng
vai trò liên kết vật lý giữa các loại vật liệu khác nhau trong thực tế. Đơn vị đo
của syndiotactic PVC được xác định là đơn vị orthorhombic vơi a-, b- và ctương ứng với 1,06; 0,54 và 0,51 nm. Vì hầu hết PVC ở trạng thái vơ định
hình nên nhiệt độ hoá thuỷ tinh phụ thuộc vào cấu trúc phân tử. Ảnh hưởng
của Mn và cấu trúc riêng rẽ. Nhiệt độ hoá thuỷ tinh T g của PVC thường là 70
– 80 0C. Khi thêm chất hố dẻo vào thì nhiệt độ hoá thuỷ tinh T g sẽ giảm
xuống dưới nhiệt độ phịng.
II.2.3 Độ ổn định nhiệt
Tính nhạy cảm của PVC tổng hợp bằng trùn hợp gốc đối với sự thối hố
nhiệt đã được tìm hiểu khá rõ và được quy cho sự có mặt của các khuyết tật
cấu trúc như đơn vị đầu nối đầu, clo bậc 3 ở các bon mạch nhánh và nguyên
tử clo gần kề liên kết đơi. Đốt nóng PVC lên trên 100 0C làm cho nó thối

Nguyễn Mạnh Hùng – Polyme – K45

- 20 -