thiết kế thệ thống tổng hợp axetaldehyt từ nguyên liệu ban đầu là axetylen và nước

LỜI CÁM ƠN
Tập thể nhóm sinh viên thực hiện đồ án này xin chân thành gửi lời cám ơn tới PGS.TS
Nguyễn Văn Thông cùng các thầy, cô giáo trong khoa Hoá học và công nghệ thực phẩm
đã giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập và thực hiện đồ án này.
Tập thể nhóm thiết kế đồ án cũng bày tỏ lời cám ơn thầy Dương Khắc Hồng đã hỗ trợ
nhóm trong thời gian hoàn thành nhiệm vụ.
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp hoá chất cùng với
tốc độ phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực tri thức như vật lý, toán học, hoá học đây
chính là nguyên nhân thúc đẩy sự ra đời và phát triển cơ sở lý thuyết về công nghệ tổng
hợp hữu cơ, thực tế đã chứng minh công nghệ tổng hợp hữu không chỉ là cơ sở của công
nghiệp tổng hợp hữu cơ và hoá dầu mà còn được ứng dụng nhiều trong vật liệu xây dựng,
may mặc và nhiều ngành khác… Qua đồ án này, chúng em xin trình bày và giới thiệu
những vấn đề mà mình tìm hiểu được về công nghệ cũng như cách thức tính toán thiết kế
thệ thống tổng Axetaldehyt từ nguyên liệu ban đầu là axetylen và nước.
Axetaldehyt hay còn gọi là Etanal có công thức phân tử là CH
3
CHO, axetaldehyt
được phát hiện bởi Sheele vào năm 1774 khi ông thực hiện phản ứng giữa mangan đioxit
có màu đen (MnO
2
) và axit sunfuric với rượu.
2
Phần I: TỔNG QUAN
Chương 1: Nguyên liệu Axetylen
1.1.1. Tính chất vật lý
Ở điều kiện thường axetylen là chất khí không màu, không độc nhưng có khả năng
gây mê. Axetylen tinh khiết có mùi hơi ngọt, mùi tỏi của axetylen là do axetylen được
sản xuất từ cacbua canxi có lẫn tạp chất PH
3

, H
2
S, NH
3
, arsenic (AsH
3
) hoặc silicon
hidrit.
Quá trình tạo thành axetylen cần cung cấp một lượng nhiệt lớn:

2 2 2
2 C H C H+ →
(1) ∆H
f
= +226,90 kJ/mol tại T= 298,15K.
Axetylen hấp phụ trên Carbon hoạt tính (than hoạt tính), SiO
2
và Zeolite. Axetylen cũng
hấp phụ trên bề mặt một số kim loại và thủy tinh.Axetylen dễ tạo hỗn hợp nổ với không
khí trong một giới hạn rất rộng (từ 2,5 ÷ 81,5 % thể tích) và tạo hỗn hợp nổ với oxi trong
giới hạn (từ 2,8 ÷ 78% thể tích).
1.1.2. Tính chất hóa học.
1.1.2.1. Đặc điểm cấu tạo của phân tử axetylen.
Công thức cấu tạo của axetylen: H - C≡C - H
Liên kết ba ( - C≡C - ) được tạo nên bởi 2 nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp, tức là
kiểu lai tạo đường thẳng. Trong liên kết ba có một liên kết σ do sự xen phủ trục của hai
electron lai tạo, còn hai liên kết π do sự xen phủ bên của 2 cặp electron p.
Một đặc điểm khá quan trọng là các nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp có độ
âm điện lớn hơn của các cacbon lai hóa sp
2

, sp
3
.
Csp > Csp
2
> Csp
3
Kết quả là trong liên kết ≡C-H có sự phân cực mạnh: ≡C  H làm tăng mômen
lưỡng cực của liên kết và làm tăng khả năng của hydro tách ra dưới dạng proton, do đó
tính axit của axetylen là lớn hơn cả so với etylen và etan. Do đặc điểm cấu tạo của
3
axetylen như đã trình bày ở trên mà axetylen dễ dàng tham gia các phản ứng như : phản
ứng thế, phản ứng cộng hợp, thế nguyên tử hydro, polime hóa và phản ứng đóng vòng.
1.1.3. Phương pháp sản xuất axetylen
Thực hiện theo hai phương pháp.
• Phương pháp sản xuất Axetylen từ cacbua canxi.
Cacbua canxi thu được từ oxyt canxi và cốc trong lò hồ quang điện phản ứng thu nhiệt
mạnh mẽ và đòi hỏi nguồn năng lượng dự trữ lớn, là phần tử quy định giá thành axetylen.
2
0
2 2 2 2 2 298
3
2 ( ) , 127 /
CaO C CaC CO
CaC H O C H Ca OH H kJ mol
+ → +
+ → + −∆ =
• Phương pháp sản xuất Axentylen từ hyđrocacbon.
Người ta thu được axentylen từ CH
4

và những parafin khác bằng cách nhiệt phân ở
nhiệt độ cao theo phản ứng thuận nghịch sau.

molkJHHHCHC
molkJHHHCCH
/311,2
/376,32
0
29822262
0
2982224
−=∆−+↔
−=∆−+↔
Ngoài nguyên liệu chính sản xuất axetaldehyt từ axetylen ta còn có thể sản xuất
axetaldehyt từ etylen, etanol, methanol, hydrocacbon no, …
4
Chương 2: Tính chất Axentandehyt
2.1. Tính chất vật lý của axetandehyt.
Axetandehyt có công thức phân tử: C
2
H
4
O hay CH
3
CHO, khối lượng phân tử 44,054,
axetandehyt là chất lỏng không màu, linh động, có mùi hơi cay, khi pha loãng một lượng nhỏ
thì có mùi trái cây.
Nhiệt độ sôi của axetandehyt gần với nhiệt độ phòng.
- Tại 101,3kpa : T
s

= 20,16
0
C
- Điểm nóng chảy ở 101,3Kpa là: -123,5
0
C
- Áp suất tới hạn : 6,44 Mpa
- Sức căng bề mặt tại nhiệt độ và tỷ trọng khác nhau:
Bảng 2.1. Sức căng bề mặt
Nhiệt độ,
0
C d
4
t
Sức căng bề mặt mN cm
-1
0,1 0,8090 23,9
20,0 0,7833 21,2
50,0 0,74099 17,0
Bảng 2.2. Áp suất hơi của axetandehyt
Nhiệt độ
0
C áp suất hơi, mmHg Nhiệt độ
0
C áp suất hơi, atm
-97 3 20,8 1
-48 33 44,8 2
-23 103 58,3 3
0 337 68,0 4
10 503,4 75,7 5

27,55 1000
5
Bảng 2.3. Áp suất hơi của dung dịch axetandehyt
Nhiệt độ
0
C % mol
áp suất riêng
Phần, mmHg
Nhiệt độ
0
C % mol
áp suất từng
phần, mmHg
10 4,9 74,5 20 5,4 125,2
10 10,5 139,8 20 12,8 295,2
10 46,4 363,4 20 21,8 432,6
2.2. Tính chất hóa học.
2.2.1. Phản ứng cộng.
2.2.1.1. Phản ứng cộng H
2
O.
Axetandehyt tạo với nước hợp chất hydrat không bền, các hidrat vẫn chỉ được biết
đến như là nước clo của axetandehyt bền CCl
3
CH(OH)
2
.
2.2.1.2. Phản ứng cộng với ancol (rượu).
Axetandehyt phản ứng cộng rượu cho ta hợp chất hemiaxetal (là hợp chất có chứa
nhóm

( ) ( )
ORO HC
/
\
−
2.2.1.3. Phản ứng cộng với hợp chất amin và amoniac.
Axetandehyt dễ dàng tham gia phản ứng cộng với amoniac trong pha hơi hoặc trong dung
dịch để tạo dạng andehyt – amoni hay CH
3
CH(OH) NH
2
.
CH
3
CHO + NH
3
→ CH
3
CH (OH) NH
2
2.2.1.4. Phản ứng cộng với hợp chất Natri bisunfit.
Axetandehyt tác dụng với dung dịch NaHSO
3
tạo dạng sản phẩm trong suốt của sản
phẩm cộng. Axetandehyt cũng có thể tách ra từ tinh thể này.
CH
3
CHO + NaHSO
3
→ CH

3
- C - SO
3
Na
|
6
OH
2.2.1.5. Phản ứng cộng với andehyt và xeton.
Hai phân tử axetandehyt kết hợp với nhau trong sự có mặt của xúc tác bazơ hoặc axit
loãng, nhiệt độ vừa phải thì tạo axetandol (CH
3
CH(OH)CH
2
CHO.
CH
3
CHO + CH
3
CHO → CH
3
CH(OH)CH
2
CHO
2.2.1.6. Phản ứng cộng với halogen hợp chất halogen.
Các halogen (Br
2
, I
2
, Cl
2

, F
2
) có thể thay thế nguyên tử H của nhóm metyl (CH
2
)
Phospho pentaclorua (PCl
5
) nguyên tử oxi được thay thế bởi Cl
2
tạo 1,1 - diclo etan
CH
3
CHCl
2
.
Hypoclorit ClO
-
3
với axetandehyt tạo clorofom (CHCl
3
) và chất dùng sản xuất thuốc
gây mê.
2.2.2. Phản ứng oxi hóa.
Một lượng lớn axetandehyt sản xuất ra trong công nghiệp được dùng sản xuất axit
axetic bằng phản ứng oxi hóa với oxi hoặc không khí do đó Axetandehyt là chất trung
gian trong chuỗi phản ứng sau:
CH
3
CHO + 1/2 O
2

→ CH
3
COOH
2.2.3. Phản ứng khử.
Axetandehyt dễ dàng hidro hóa để tạo etanol theo phản ứng sau:
CH
3
CHO + H
2
→ CH
3
CH
2
OH
2.2.4. Phản ứng hỗn hợp.
7
axit axetic
Acohol
oxi hóa
axetandehyt
oxi hóa
Phản ứng giữa các phân tử (Tishchenko) của axetandehyt cho ta dung môi quan trọng
là etyl acetat dùng sản xuất axit axetic, các phản ứng này dùng xúc tác và alimium
ancolat (Ro)
3
Al.
2.3. Ứng dụng của Axetandehyt.
Axetandehyt có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ, khoảng 90%
lượng axetandehyt sản xuất ra trên thế giới được sử dụng trong các nhà máy như hợp chất
trung gian để tạo ra các sản phẩm khác có nhiều ứng dụng trong thực tế. Ứng dụng lớn

nhất của axetandehyt là làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất ra axit axetic
(CH
3
COOH). Từ axit axetic (CH
3
COOH) ta có thể tổng hợp được nhiều hợp chất hoá học
khác nhau như: vinyl axetat, monoclo axetic, axetal este và anhydric axetic.
Ngoài những ứng dụng trên thì axetandehyt còn được sử dụng cho việc tạo ra butadien
(C
4
H
8
). Đây là hợp chất được dùng cho việc sản xuất ra nhựa, MTBE,…nhựa phenol
andehyt.
8
Chương III. Phương pháp sản xuất Axetandehyt
3.1 Quá trình hydrat hóa trực tiếp axetylen trong pha lỏng.
Sự cộng nước với axetylen theo phương pháp M.G. Kutrerov.
CH ≡ CH + H
2
O → CH
3
CHO, ∆H =-150,1 kJ/mol.
Cộng nước với xúc tác thủy ngân theo phương pháp Kutrurov được tiến hành trong
pha lỏng bằng cách cho axetylen lội qua dung dịch H
2
SO
4
10÷ 20% và chứa 0,5 ÷ 0,6 %
HgO (thực ra ở dung dịch này thủy ngân nằm dưới dạng muối HgSO

4
) ở điều kiện trên,
song song với sự hợp nước của axetandehyt sẽ xảy ra 2 quá trình phụ là ngưng tụ
axetandehyt tạo thành andehyt crotonic và nhựa. Cơ chế như sau:
Muối HgSO
4
kết hợp với axetylen tạo hợp chất trung gian.

Sau đó:

Hợp chất trung gian này tiếp tục thủy phân tạo axetandehyt .

Tuy nhiên một phần axetandehyt oxi hóa thành axit axetic và khử HgSO
4
thành Hg
+
hay
Hg theo phản ứng sau:
2CH
3
CHO → CH
3
-CH=CH-CHO + H
2
O → Nhựa
CH
3
CHO + Hg
2+
+ H

2
O → CH
3
-COOH + Hg
+
+ 2H
+
9

Sự tạo thành nhựa đã làm mất hoạt tính xúc tác cùng với sự khử muối thủy ngân tạo
Hg
+
cũng làm mất hoạt tính xúc tác. Để hạn chế điều này cần phải giảm nồng độ
axetandehyt trong hỗn hợp phản ứng bằng cách liên tục lấy axetandehyt mới sinh trong
dòng khí axetylen. Đặc biệt để tránh khỏi sự tạo thành muối thủy ngân người ta đã thêm
vào phản ứng một lượng muối sắt III có khả năng oxi hóa thủy ngân.
Fe
3+
+ Hg
+
→ Fe
2+
+ Hg
2+
(1)
Lượng Fe
3+
thường dùng dư so với thủy ngân (4%), do đó xúc tác có thể làm việc
trong thời gian dài. Tuy vậy sau một thời gian thì lượng Fe
2+

sẽ tăng lên do đó cần phải tái
sinh xúc tác, bằng cách oxi hóa xúc tác bằng HNO
3
vậy hao hụt xúc tác thủy ngân do
thủy ngân bị lôi cuốn theo sản phẩm là điều không tránh khỏi (thường hao hụt khoảng
1÷1,5 kg thủy ngân /1 tấn axetandehyt).
Hg + Fe
2
(SO
4
)
3
→ Hg
2
SO
4
+ 2FeSO
4
Phương trình oxi hóa xúc tác bằng axit nitric.
6FeSO
4
+ 2HNO
3
+ 3H
2
SO
4
→ 3Fe
2
(SO

4
)
3
+ 4H
2
O +2NO
Việc tái sinh xúc tác gồm các giai đoạn sau:
-Dùng hơi nóng thổi hết axetandehyt có trong dung dịch xúc tác ra .
-Lắng để tách cặn bã hữu cơ có trong xúc tác.
-Bão hòa dung dịch bằng axit sunfuric và sunfat .
-Dùng axit nitric để oxi hóa sắt Fe
2+
thành Fe
3+
, dùng không khí thổi vào dung dịch
để khuấy trộn và đẩy oxit nitơ ra ngoài.
Xúc tác đã được tái sinh đem chưng khô với CaCO
3
và đem dùng lại, xúc tác kỹ thuật
thường thành phần như sau:
• 200g H
2
SO
4
/1 lít dung dịch xúc tác .
• 4g Fe
2+
/ 1 lít dung dịch xúc tác .
• 0,4 ÷ 0,5g Hg /1lít dung dịch xúc tác.
• 36g Fe

3+
/ 1lít dung dịch xúc tác.
10
Để tránh ngộ độc cho xúc tác thì axetylen trước khi đưa vào phản ứng phải làm sạch hết
H
3
P, H
2
S, AsH
3
, NH
3

3.1.1 Quá trình oxi hóa ướt (Hoechst).
Quá trình oxi hóa ướt tránh trực tiếp tiếp xúc sự độc hại của hợp chất thủy ngân.
Trong phương pháp này sắt sunfat Fe
2
(SO
4
)
3
được thêm vào để oxi hóa thủy ngân kim
loại thành Hg
2+
.
Axetandehyt và nước được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh, axetandehyt cuối cùng được
rửa bằng nước từ thiết bị hồi lưu khí, khí ở thiết bị này đã được làm lạnh đến nhiệt độ
25÷30
0
C. Khoảng 8÷10% dung dịch axetandehyt nhận được, ngoài ra trong khí có lẫn N

2
và
CO
2
được xem như là sản phẩm phụ của quá trình.
3.1.2. Quá trình Chisso.
Quá trình Chisso cũng sử dụng H
2
SO
4
và dung dịch muối thủy ngân sunfat làm xúc tác
cho quá trình. Axetylen phản ứng hoàn toàn với dung dịch xúc tác tại 68-78
0
C và áp suất
140 MPa. Sự kết hợp giữa áp suất và độ chân không tại nhiệt độ thấp qua từng giai đoạn
thì lượng axetylen cần dùng là không lớn. Axetandehyt tinh khiết thu được nhờ quá trình
tách và được chưng cất ở ngay tại nhiệt độ phản ứng. Cũng như trong quá trình Hoechst,
chất xúc tác có thể hoàn nguyên khi dùng HNO
3
Sơ đồ công nghệ sản xuất axetandehyt đi từ axetylen:
Mô tả dây chuyền: Khí axetylen mới và axetylen tuần hoàn cho vào máy thổi khí (1)
ở đấy áp suất không cao hơn 1,5at. Qua thiết bị tách sơ bộ (2), vào dưới tháp hydrat hoá
(3), hơi nước cho vào từ dưới lên, phản ứng chính diễn ra tại đây. Hỗn hợp hơi thoát ra ở đỉnh
tháp hydrat hoá liên tục cho vào các thiết bị làm lạnh (4), hỗn hợp sau khi được làm lạnh được
tách xúc tác ở thiết bị (5) sau đó tiếp tục được làm lạnh bổ sung khi qua thiết bị số (8). Xúc tác
mất hoạt tính được lấy ra ở cửa bên rồi cho qua thiết bị tái sinh xúc tác (7). Xúc tác khi tái sinh
dẫn trở lại tháp hyđrat cùng với xúc tác tuần hoàn. Phần ngưng tụ ở tháp làm lạnh (4) (chủ yếu
11
là nước) cho quay lại tháp hydrat hoá (3) cùng với xúc tác sinh. Dung dịch nước axetaldehit
(ngưng tụ thiết bị làm lạnh (8)) cùng với hơi và khí không ngưng cho vào tháp hấp thụ đĩa (9).

Dùng nước rửa để tách axetandehyt ra khỏi axetylen chưa phản ứng, thu được
axetylen cho quay trở lại tháp hyđrat hoá. Nitơ, oxi trong nguyên liệu và CO
2
tạo thành
trong phản ứng, để tránh tích tụ các khí trơ này trong thiết bị, ta tách bỏ bằng cách rút bớt
một phần khí tuần hoàn. Hay nói cách khác trong thiết bị phản ứng thì một phần khí tuần
hoàn phải đem tái sinh (dùng nước dưới áp suất thấp để rửa axetylen) hoặc dùng để sản
xuất than hoạt tính, tricloetylen và nhiều sản phẩm khác.
Dung dịch axetandehyt 8÷10% thu được ở đáy tháp hấp thụ (9) cho qua thiết bị trao
đổi nhiệt (11) vào tháp tách sơ bộ (12). Sản phẩm thu được ở đỉnh tháp chưng cất sơ bộ
(12) được cho qua thiết bị ngưng tụ (13), sau đó tách nốt phần axetylen cho quay lại tháp
hyđrat hoá, phần đáy tháp (12) (chủ yếu là nước chứa có chứa một ít axít) tháo ra cống.
Phần sản phẩm thu được ở đỉnh tháp (12) tiếp tục cho vào tháp tinh luyện (15).
Axetaldehyt tinh khiết thu được ở đỉnh tháp tinh luyện cho qua thiết bị ngưng tụ sản
phẩm đỉnh, sau đó vào bể chứa. Phần chủ yếu (nhẹ) ở đáy tháp tinh luyện: dung dịch
nước axetaldehyt với hỗn hợp phụ tạo thành aldehyt crôtonic được bay hơi trở lại tháp
nhờ thiết bị dun sôi đáy tháp số (14).
Sản xuất axetandehyt theo phương pháp này thu được sản phẩm có nồng độ
axetandehyt cao.
Axetandehyt: 99,4 ÷ 99,8%
Axit axetic: 0,03%
Paraandehyt: 0,03 ÷ 0,1%
Aldehyt crotonic: 0,02 ÷ 0,03%
Nước: 0,05%
Nhưng phương pháp này hao tốn thủy ngân, dẫn đến giá thành sản phẩm tăng.
12
Phần II
Tính cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và tính toán thiết bị chính
Số liệu ban đầu:
- Năng suất 50.000 tấn /năm

- Thành phần hỗn hợp khí nguyên liệu vào:
• C
2
H
2
= 98.95%
• H
2
O = 0,04%
• O
2
= 0,01%
• N
2
= 1%
- Thành phần sản phẩm :
• CH
3
CHO = 95%
• CH
3
COOH = 5%
- Mức độ chuyển hóa mỗi lần đưa nguyên liệu vào là 55%
- Nhiệt độ phản ứng là: 97
o
C
- Tổn thất CH
3
CHO

là: 6%
- Nước công nghiệp xem như đã loại tạp chất.
13
Chương 1: Tính cân bằng vật chất
1.1. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị chính (tháp dehydrat hoá).
1.1.1.Tính thời gian làm việc của phân xưởng:
Dây chuyền sản xuất làm việc liên tục không nghỉ ngày lễ và chủ nhật, chỉ ngừng làm
việc khi cần thiết phải sửa chữa hoặc bảo dưỡng.
Thời gian làm việc được tính theo công thức:
T
tt
= T - T
ngh
Trong đó :
T
tt
: Số ngày làm việc thực tế của thiết bị trong 1 năm.
T: Tổng số ngày trong một năm 365 (ngày).
T
ngh
: Thời gian nghỉ để sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng thiết bị trong một năm.
Ở đây ta chọn số ngày nghỉ của thiết bị là 30 ngày (gồm các ngày nghỉ để sữa chữa,
bảo dưỡng).
Vậy : T
tt
= T - T
ngh
= 365 - 30 = 335 (ngày)
Thiết bị làm việc liên tục trong 335 ngày nên số giờ làm việc trong 1 năm sẽ là:
335 × 24 =8040 (giờ/năm)

1.1.2. Tính tiêu hao nguyên liệu.
1.1.2.1. Tính lượng C
2
H
2
cần dùng để sản xuất CH
3
CHO:
Năng suất thiết bị sản xuất CH
3
CHO trong 1 giờ tính bằng kg là:

50.000 1000
6218,905( / )
8040
N kg h
×
= =
Trong quá trình sản xuất do bị tổn thất một lượng CH
3
CHO là 6% cho nên lượng
CH
3
CHO tổn thất là:
14
6218,905 0,06 373,134( / )
TT
N kg h= × =
Vậy năng suất thực tế của thiết bị là:
N

thực tế
= 6218,905+ 373,134 =6592,039(kg/h)
Phương trình phản ứng xảy
C
2
H
2
+ H
2
O
2 4
2
H SO
Hg
+
→
CH
3
CHO (1)
26 18 44
x y 6592,039
Lượng C
2
H
2
cần dùng cho quá trình tạo thành 6592,039( kg) CH
3
CHO
trong 1 giờ là:
6592,039 26

3895,296( )
44
X kg
×
= =
Ta có mức độ chuyển hóa của C
2
H
2
là 55% đối với mỗi lần đưa nguyên liệu vào, vậy
lượng C
2
H
2
cần dùng là:

2 2
( )
3895,296.100
7082,356( / )
55
C H Cd
G kg h= =
Mặt khác theo đề ra thì độ chuyển hóa của C
2
H
2
thành CH
3
CHO đạt 95% nên lượng

C
2
H
2
kỹ thuật cần dùng là:
2 2
( )
7082,235.100
7455,112( / )
95
C H KT
G kg h= =
Lượng C
2
H
2
dư là:

2 2
( )
7455,112 3895,296 3559,816( / )
C H d
G kg h
= − =
15
Mà nồng độ của C
2
H
2
đưa vào là 98,95% nên lượng C

2
H
2
thực tế đưa vào thiết bị là:
2 2
( )
7082,235.100
7157,388( / )
98,95
C H TT
G kg h= =
Do trong phần khí C
2
H
2
nguyên liệu đưa vào có chứa 0,04% hàm lượng nước.
Vậy lượng nước (H
2
O) chiếm là:

2
7082,235.0,04
2,533( / )
100
H O
G kg h= =
Trong phần khí C
2
H
2

nguyên liệu đưa vào có lẫn một lượng khí Oxi (O
2
) là 0,01% do đó
lượng khí O
2
chiếm là:

2
7082,235.0,01
0,708( / )
100
O
G kg h= =
Lượng khí Nitơ (N
2
) lẫn trong khí nguyên liệu chiếm 1%.
Vậy lượng khí N
2
chiếm là:

2
7082,235.1
70,822( / )
100
N
G kg h= =
1.1.2.2. Tính lượng nước cần dùng cho quá trình:
Nước công nghiệp xem như đã loại tạp chất. Vậy lượng H
2
O cần dùng tính theo phản

ứng (1) là:
6592,039 18
2696,743( / )
44
y kg h
×
= =
1.1.2.3. Tính tiêu hao nguyên liệu cho sản phẩm phụ:
Trong phản ứng tạo thành CH
3
CHO ngoài sản chính con có những sản phụ khác như
là: axit axetic(CH
3
COOH), andehyt crotonic(C
3
H
5
CHO).
CH
3
CHO + 1/2O
2
→ CH
3
COOH (2)
16
Theo phản ứng (2) ta thấy cứ 44 (kg) CH
3
CHO cộng với 16 (kg) O
2

thì tạo thành 60
(kg) CH
3
COOH.
Vậy cứ 6592,039 (kg) CH
3
CHO cộng với m (kg) O
2
tạo thành n (kg) CH
3
COOH.
CH
3
CHO + CH≡CH → CH
2
=CH-CH
2
-CHO (3)
Trong phản ứng (3) ta thấy cứ 44 (kg) CH
3
CHO cộng với 26 (kg) C
2
H
2
thì tạo thành
70 (kg) C
3
H
5
CHO.

Vậy cứ 6592,039 (kg) CH
3
CHO sẽ cần p (kg) C
2
H
2
và tạo ra q (kg) C
3
H
5
CHO
Theo yêu cầu tính toán ta có 5% lượng CH
3
CHO tham gia phản ứng phụ:
Vậy lượng CH
3
CHO tham gia vào các phản ứng phụ là:
5692,039 × 0,05 = 329,602 (kg/h)
Do đó thực tế thu được lượng CH
3
CHO của quá trình là:
5692,039– 329,602 =6262,437 (kg/h)
Lượng CH
3
CHO tham gia phản ứng phụ (2) là:
0,708.44
1,947( / )
16
kg h=
Từ phản ứng (2) thì lượng CH

3
COOH tạo thành sẽ là:
1,947.60
2,655( / )
44
n kg h=
Lượng CH
3
CHO tham gia phản ứng (3) sẽ là:
3298,602 –1,947 = 327,655 (kg/h)
Và từ phản ứng (3) thì lượng C
3
H
5
CHO tạo thành sẽ là:
327,655.70
521,269( / )
44
q kg h= =
Lượng C
2
H
2
cần dùng cho phản ứng (3) sẽ là:
327,655.26
193,614( / )
44
p kg h= =
Trong quá trình phản ứng thì Σ G
ra

= Σ G
vào
17
CH3CHO, CH3COOH
C3H5CHO, C2H2, N2
CH3CHO, CH3COOH
C3H5CHO, C2H2, H2O
C2H2, N2
H2O
Bảng1.1. cân bằng vật chất cho thiết bị Hydrat hoá
Các cấu tử vào kg/h Sản phẩm ra kg/h
C
2
H
2
kt 7455,112 CH
3
CHO 6262,437
C
2
H
2
(p/ư phụ) 193,614 CH
3
COOH 2,655
O
2
0,708 C
3
H

5
CHO 521,269
N
2
70,822 C
2
H
2
(dư) 3559,816
H
2
O (p/ư) 2696,743 N
2
70,822
H
2
O (lẫn) 2,833 H
2
O (lẫn) 2,833
Tổng vào 10419,832 Tổng ra 10419,832
1.2. Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ.
Sản phẩm sau khi ra khỏi tháp hydrat hóa qua hệ thống làm lạnh, phần ngưng tụ của
thiết bị làm lạnh chủ yếu là nước được cho quay trở lại tháp hydrat hóa. Dung dịch
axetandehyt cùng với hơi và không khí không ngưng khác được đưa sang tháp hấp thụ.
Tại tháp hấp thụ ta dùng nước (H
2
O) để hấp thụ axetylen dư. Nguyên liệu vào tháp hấp
thụ gồm có: CH
3
CHO, CH

3
COOH, C
3
H
5
CHO, C
2
H
2
(dư), và N
2
.
Sơ đồ như sau:
Phương trình cân bằng vật chất của quá trình .
G.(y
đ
- y
c
) = L(x
c
- x
đ
)
Trong đó:
- L: lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h.
- G: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, kg/h.
- y
đ
, y
c

: nồng độ đầu và nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hổn hợp
khí (kg/kg khí trơ).
18
- x
c
, x
đ
: nồng độ đầu và nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi
(kg/kg dung môi).
Khối lượng hổn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ là:
3 3 3 5 2 2 2
V CH CHO CH COOH C H CHO C H N
V
V
G G G G G G
G 6262,437 2,655 521,269 3559,816 70,822
G =10416,999 (Kg/h)
= + + + +
= + + + +
Xem như C
2
H
2
bị hấp thụ là 90%. Vậy lượng C
2
H
2
bị hấp thụ là:

2 2

C H (ht)
3559,816 90
G 3203,834(Kg / h)
100
×
= =
Lượng C
2
H
2
không bị hấp thụ là:

2 2
C H (kht)
G 3559,816 3203,834 355,982(Kg / h)
= − =
Mặt khác ta biết dung dịch axetandehyt đi ra khỏi tháp hấp thụ chứa 8,95%. Vậy lượng
dung dich đi ra khỏi tháo hấp thụ là:

đáy
6262,437 100
G 69971,363(Kg / h)
8,95
×
= =
Hổn hợp ra khỏi đáy gồm có: CH
3
CHO, CH
3
COOH, C

3
H
5
CHO, C
2
H
2( bị hấp thụ)
, H
2
O
3 3 3 5 2 2 2
2 3 3 3 5 2 2
2
2
d CH CHO CH COOH C H CHO C H H O
H O d CH CHO CH COOH C H CHO C H
H O
H O
G G G G G G
G G (G G G G )
G 69971,363 (6262,437 2,655 521,269 355,982
G 62829,020(Kg / h)
= + + + +
= − + + +
= − + + +
=
Theo phương trình cân bằng vật chất
VR
GG ∑=∑
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho thiết bị hấp thụ:

Bảng 1.2. Cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ.
Cấu tử vào Kg/h Cấu tử ra Kg/h
CH
3
CHO 6262,437 CH
3
CHO 6262,437
19
CH
3
COOH 2,655 CH
3
COOH 2,655
C
3
H
5
CHO 521,269 C
3
H
5
CHO 521,269
C
2
H
2
3559,816 C
2
H
2

( bị hấp thụ) 3203,834
N
2
70,822 C
2
H
2
( Không bị hấp thụ) 355,982
H
2
O 62829,020 N
2
70,822
H
2
O 62829,020
V
G∑
73246,026
R
G∑
73246,026
20
Hơi
CH3CHO, CH3COOH
C3H5CHO, C2H2, H2O
C2H2
H2O, CH3COOH
CH3CHO
C3H5CHO

1.3. Tính cân bằng vật chất cho tháp chưng.
Sau khi ra khỏi tháp hấp thụ hổn hợp được đưa sang tháp bốc hơi tại đây axetylen ra
khỏi đỉnh tháp. Ta có sơ đồ như sau:
Hỗn hợp vào thiết bị phản ứng gồm có: CH
3
CHO, CH
3
COOH, C
3
H
5
CHO, C
2
H
2
(Bị hấp
thụ) và H
2
O.
Do vậy lượng vào thiết bị phản ứng là:
3 3 3 5 2 2 2
V CH CHO CH COOH C H CHO C H H O
V
V
G G G G G G
G 6262,437 2,655 521,269 3203,834 62829,020
G 72819,215(Kg / h)
= + + + +
= + + + +

=
Ra khỏi đỉnh tháp của thiết bị phản ứng bao gồm: dung dịch CH
3
CHO
C
3
H
5
CHO và khí C
2
H
2
thoát ra ở đỉnh.
- Lượng C
2
H
2
ra khỏi đỉnh tháp chính là lượng đã vào tháp:

2 2
C H
G 3203,832(kg / h)
=
- Lượng dung dịch CH
3
CHO, C
3
H
5
CHO ra khỏi tháp là:

G 6262,437 521,629 6783,706(kg / h)= + =
Đi ra ở đáy của thiết bị phản ứng là CH
3
COOH và H
2
O.
21
CH3CHO,C3H5CHO
C3H5CHO, H2O
CH3CHO
Hơi nước
3 2
d CH COOH H O
G G G 2,655 62829,020 62831,675(kg / h)= + = + =
Theo phương trình cân bằng vật chất
VR
GG ∑=∑
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho thiết bị:
Bảng 1.3. Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng
Cấu tử vào Kg/h Cấu tử ra Kg/h
CH
3
CHO 6262,437 CH
3
CHO 6262,437
CH
3
COOH 2,655 C
3

H
5
CHO 521,269
C
3
H
5
CHO 521,269 Hổn hợp ra ở đáy 62831,675
C
2
H
2
3203,834 C
2
H
2
3103,834
H
2
O 62829,020
V
G∑
72819,215
R
G∑
72819,215
1.4. Tính cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Sơ đồ như sau:
Hổn hợp đi vào thiết bị phản ứng gồm có: CH
3

CHO,C
3
H
5
CHO. Lượng hổn hợp đi vào
đỉnh tháp:
22

3 3
Vào CH CHO CH COOH
G G G 6262,437 521,269 6783,706(Kg / h)= + = + =
Ra khỏi đỉnh tháp tinh luyện ta thu được axetandehyt 98,95%. Vậy lượng axetandehyt ra
khỏi đỉnh tháp là:
3
CH CHO
G 0.9895 6262,437 6196,681(Kg / h)= × =
Còn 1,05% axetandehyt đi ra cùng C
3
H
5
CHO. Do vậy lượng hổn hợp ra khỏi đáy tháp là:
G
đáy
= 521,269 + (0,0105
×
6262,437) = 587,025(Kg/h)
Dung dịch C
3
H
5

CHO ra khỏi đáy tháp tinh luyện được hồi lưu một phần ( khoảng 5%).
Do đó lượng dung dịch C
3
H
5
CHO hồi lưu:
3 5
0,05 939,238 29,351( / )
C H CHO
G Kg h
= × =
Vậy lượng hổn hợp thực chất đi ra khỏi đáy tháp là:
G
đáy
= 587,025 – 29,351= 557,674 (Kg/h)
Theo phương trình cân bằng vật chất
VR
GG ∑=∑
Theo tính toán trên ta có bảng cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Bảng 1.4. cân bằng vật chất cho tháp tinh luyện
Các cấu tử vào Kg/h Các cấu ra Kg/h
CH
3
CHO 6262,437 CH
3
CHO 6196,681
C
3
H
5

CHO 521,269 Hổn hợp ra ở đáy 587,025
V
G∑
6783,706
R
G∑
6783,706
23
Chương 2: Tính cân bằng nhiệt lượng
Phản ứng tạo thành axetandehyt là một phản ứng tỏa nhiệt. Do đó để duy trì phản ứng
liên tục ta cần phải cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt cần thiết.
ở đây ta chọn:
- Nhiệt độ nguyên liệu vào là 25
o
C.
- Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm là 97
o
C.
Theo cân bằng thì Σ nhiệt vào = Σ nhiệt ra.
Hay ∑Q
V
+ ∑Q
pư
=∑Q
R
+ ∑Q
m
Trong đó:
∑Q
V

: tổng nhiệt lượng do các chất mang vào phản ứng, Kcal/h
∑Q
pư
: tổng nhiệt lượng do các phản ứng tỏa ra, Kcal/h
∑Q
r
: tổng nhiệt lượng do các chất mang ra, Kcal/h
∑Q
m
: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, Kcal/h
2.1. Tính nhiệt lượng do các chất tham gia mang vào.
Nguyên liệu đầu vào gồm có axetylen và nước. Lượng nhiệt do các chất mang vào
được tính theo công thức: ∑Q
v
= Q
axetylen
+ Q
nước
Trong đó:
Q
axetylen
:

là nhiệt lượng do axetylen nguyên liệu mang vào, trong đó bao gồm cả H
2
O,
N
2
, O
2

, Kcal/h.
Q
nước
: là nhiệt lượng do nước mang vào, Kcal/h
Mà nhiệt lượng của một cấu tử i mang vào được xác định theo công thức:
24
∑
=
=
n
i
iiii
TCGQ
1
(1)
Trong đó:
Q
i
: là nhiệt lượng của cấu tử thứ i, Kcal/h
T
i
: là nhiệt độ của cấu tử thứ i,
0
C
G
i
: là lưu lượng của cấu tử thứ i, kg/h
C
i
: là nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i ở nhiệt độ T

i
, kcal/kg.độ
Ta tra bảng I.177,[6,193]: Bảng nhiệt dung riêng của chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ và
áp suất, Ta nội suy thì được nhiệt dung riêng của các cấu tử N
2
, O
2
, C
2
H
2
, và nước ở 25
o
C
ta có bảng giá trị sau:
Bảng 2.1. Nhiệt dung riêng của các chất
Cấu tử C
2
H
2
H
2
O O
2
N
2
C
P
, Kcal/kg.độ 0,410 0,9988 0,2199 0,2489
Áp dụng công thức (1) ta tính được nhiệt lượng từng cấu tử vào tháp.

Nhiệt lượng do C
2
H
2
nguyên liệu mang vào là:
2 2
25 0,410 7455,122 76415,001( / )
C H
Q kcal h= × × =
2
25 0,2489 70,822 440,689( / )
N
Q kcal h
= × × =
2
25 0,2199 0,708 3,892( / )
O
Q kcal h
= × × =
2
1
25 0,9988 2,833 70,740( / )
H O
Q kcal h= × × =
Nhiệt lượng do nước mang vào:
2
25 0,9988 2696,743 67337,673( / )
H O
Q kcal h= × × =
Như vậy tổng nhiệt lương do các chất mang vào là:

25