Thiết kế phân xưởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên năng suất 25000tấn/ năm

Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

cộng hoà xã hội chủ nghiã việt nam
độc lập - tự do - hạnh phúc

đồ án tốt nghiệp
Họ và tên: võ chí hải
Lớp: Hoá Dầu- K44
Ngành học: Tổng Hợp Hữu Cơ Hoá Dầu

Đề tài: Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên
năng suất 25000tấn/ năm
Nội dung:


Tính chất của axetylen



ứng dung của axetylen



Công nghệ sản xuất axetylen

Tính toán công nghệ
Tính toán thiết bị
Thiết kế xây dựng
Tính toán kinh tế

Cán bộ hớng dẫn : PGS. TS Nguyễn Thị Minh Hiền
Ngày giao nhiêm vụ thiết kế: 20/02/2004
Ngày hoàn thành nhiêm vụ:
Ngày 30 Tháng 05 Năm 2004
Chủ nhiệm khoa
( Ký và ghi rõ họ tên)

kết quả đánh giá
Điển quá trình làm tốt nghiệp
Điểm duyệt :
Điểm bảo vệ:

Cán bộ hớng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Ngày 30 tháng 05 năm 2004
(ký tên)

CHủ tịch hội đồng
(Ký và ghi rõ họ tên)

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

1


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Mở đầu
Axetylen là chất có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, đặc
biệt là trong công nghiệp, axetylen đợc dùng làm nguyên liệu ban đầu để tổng
hợp các chất hữu cơ quan trọng nh :
Vinylclorua: là chất khí dễ cháy, nổ, có mùi ete, tan trong ete và cồn, tan ít
trong nớc, sôi ở nhiệt độ 450C. Là monome quan trọng để sản xuất vinylclorua
polyme. Và các copolyme của nó dùng trong tổng hợp hữu cơ và chất phụ gia.
Vinylaxetat : là chất lỏng không màu, không tan trong nớc, dễ cháy, sôi ở
370C, dùng nh hoá chất không gian và trong sản xuất các polyme và coplyme
nh polyvinyl
Vinylete : là chất lỏng không màu dễ bốc cháy, dễ nổ, tan trong kiềm,
axeton, ete, ít tan trong nớc, sôi ở 390C và dùng làm chất gây mê.
Acrylonytryl :là chất lỏng không màu dùng trong sản xuất cao su, acrylic,
sợi.
Axetandehyt : dùng để sản xuất axitaxetic.
Ngoài ra từ axetylen ngời ta còn sản xuất ra các hợp chất hoá học quan trọng
khac nh : nhựa, chất bám dính, chất phủ bề mặt, chất dẫn điện hữu cơ và có rất
nhiều sản phẩm khác đi từ axetylen.

Chính vì có rất nhiều ứng dụng nh vậy nên axetylen đợc sản xuất rất nhiều
trên thế giới và các nhà công nghệ luôn luôn nghiên cứu mong tìm ra các quá
trình công nghệ khác nhau để sản xuất ra axetylen nhằm đem lại hiệu quả
kinh tế cao nhất.
Axetylen đợc sản xuất từ hai nguồn nguyên liệu chính là : canxicacbua và
hydrocacbon (dạng rắn, lỏng, khí). Hiện nay Mỹ và các nớc châu Âu sản xuất
axetylen từ hydrocacbon còn ở Italia, Nhật, Nam Phi, ấn Độ axetylen đợc sản
xuất từ canxicacbua.
Sản xuất axetylen từ hydrocacbon là quá trình mới đợc phát triển khoảng
30 năm gần đây. Trong công nghệ này hydrocacbon bị nhiệt phân ở nhiệt độ
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

2


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

cao ( từ 1100 ữ 15000C ) trong điều kiện đoạn nhiệt và thời gian phản ứng rất
ngắn( 0,005 ữ 0,02 giây) sau đó sản phẩm đợc nhanh chóng làm lạnh để hạ
nhiệt độ xuống nhằm hạn chế các phản ứng phân hủy axetylen.
Công nghệ sản xuất axetylen từ dầu khí chủ yếu là khí đồng hành và khí
thiên nhiên đã đợc biết đến từ lâu, đây là nguồn nguyên liệu rất sẵn có đối với
các quốc gia có tiềm năng về dầu khí trên thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng, công nghệ này có tính kinh tế cao, không gây ô nhiễm môi trờng, rất
hợp với xu thế thời đại nơi mà con ngời đặt vấn đề môi trờng lên hàng đầu.
Và đề tài này là: "Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí tự nhiên

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

3


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Phần 1 : tổng quan lý thuyết
Chơng 1: Giới thiệu nguyên liệu
Khí tự nhiên là khí nằm trong tầng chứa khí (mỏ khí) và thành phần
chủ yếu là metan (có thể chiếm đến 97% theo thể tích). Khí tự nhiên là nguồn
tài nguyên khổng lồ với trữ lợng rất lớn (hàng trăm nghìn tỉ m3) phân bố trên
đất liền và ngoài biển. Hiện nay ngời ta đã tìm ra mỏ khí tự nhiên với trữ lợng
lớn ở nhiều nơi trên thế giới nh: Liên Xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam
Mỹ, Canada, Đông Nam á, Mehyco, Uc, Tây Phi, Nhật Bản
ở Việt Nam đã phát hiện sự có mặt của khí tự nhiên ở một số nơi nh :
Tiền Hải (Thái Bình), vùng trũng Nam Côn Sơn (Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng
Ngọc) mới đợc phát hiện có trữ lợng lớn khoảng 70 tỷ m 3 khí tự nhiên. Thành
phần khí tự nhiên ở đây chứa tới 96% CH4, 2%C2H6, 2% các khí khác.
Quá trình khai thác và sử dụng khí tự nhiên còn gặp nhiều khó khăn và
hạn chế do vấn đề khai thác và vận chuyển phức tạp, đòi hỏi vốn đầu t lớn nhng lợi ích của nó đem lại đối với nền kinh tế nói chung và ngành công nghệ
hoá học nói riêng là rất lớn.
Hàm lợng CH4 trong khí tự nhiên là rất lớn, vì vậy việc nghiên cứu tìm ra
phơng pháp sử dụng nguồn CH 4 dồi dào này để chế biến ra các nguyên liệu đa
dạng hơn cho tổng hợp hữu cơ đang là đề tài thu hút sự quang tâm của các nhà
khoa học đầu ngành, có uy tín trong nớc cũng nh trên thế giới.
Để nhận đợc sản phẩm riêng trong khí tự nhiên ngời ta nghiên cứu và xây
dựng các nhà máy chế biến khí với nhiều phơng pháp khác nhau và tùy thuộc
vào mỏ khí (nguyên liệu ban đầu) mà có những công nghệ phù hợp mong đem

lại hiệu qủa trong qúa trình chế biến các hoá chất thơng phẩm.
Đặc biệt ở nớc ta tiềm năng về khí khá phong phú. Nh vậy nớc ta có điều
kiện phát triển công nghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ. Khai thác và sử dụng
hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trong tơng lai ngành công nghiệp dầu

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

4


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

khí sẽ là một ngành công nghiệp phát triển mạnh đóng góp đáng kể vào sự
phát triển nền kinh tế của đất nớc ta.
Bảng 1 Thành phần hoá học trung bình của khí thiên nhiên và khí đồng hành
ở Việt Nam (%thể tích) :
Các cấu tử
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
CO2
N2

Khí đồng hành
Bạch Hổ
Đại Hùng

73,0
77,0
12,0
10,0
7,0
5,0
2,9
3,3
2,5
1,2
0,7
3,0
0,5
3,0

Rồng
78,0
3,0
2,0
1,0
1,0
2,0
2,0

Khí tự nhiên
Tiền Hải
Rồng Tự Do
87,6
84,0
3,1

6,0
1,2
4,0
1,0
2,0
0,8
2,0
3,0
4,0
3,0
4,0

Nh vậy qua bảng 1 ta thấy trong thành phần khí thì metan chiếm lợng
rất lớn trong thành phần khí. Và metan là một trong những nguyên liệu quan
trọng cho ngành tổng hợp hữu cơ. Điều này đợc thể hiện qua sơ đồ:
CH3Cl
Clo hóa

CH2Cl2
CHCl3
CCl4

Nitro hóa
+NH3 +CO2

CH3NO2
HCN

CH4
Chuyển hóa

Nhiệt phân
Oxy hóa

CO+2H2
CH CH
CH3OH
HCHO
HCOOH

Chơng 2: giới thiệu về axetylen

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

5


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

2.1 Tính chất vật lý : [5, 7, 9, 13]

Axetylen là chất khí không màu, ở dạng tinh khiết có mùi ete yếu (ở nhiệt độ
và áp suất thờng). Khi cháy axetylen tỏa nhiệt lớn nên đợc dùng để hàn, cắt
kim loại. Axetylen tan nhiều trong các dung môi khác nhau, tan nhiều trong nớc khi ở nhiệt độ thấp.
Axetylen có giới hạn nổ lớn 2 đến 81% có khi đến 100% (do quá trình
polime hoá axetylen toả nhiệt lớn có thể gây nổ). Ngoài ra axetylen dễ dàng
tạo hỗn hợp nổ với clo nhất là khi có ánh sáng. Các nguyên tử cacbon trong
axetylen liên kết với nhau ở dạng lai hóa sản phẩm của obitan nguyên tử
cacbon. Độ dài liên kết giảm theo thứ tự từ etan, etylen, axetylen.

Trong điều kiện thờng axetylen là chất khí không màu, không độc nhng có
khả năng gây mê, axetylen tinh khiết có mùi hơi ngọt, axetylen ít tan trong nớc nhẹ hơn không khí và đợc đặc trng bởi các hằng số vật lý sau:


Ngng tụ ở - 830C áp suất khí quyển.



Nhiệt độ tới hạn 35,50C.



áp suất tới hạn 6,04 Mpa.



Tỷ nhiệt Cp20 là 0,402.

Khi cháy axetylen toả ra một lợng nhiệt lớn, khả năng sinh nhiệt C2H2 bằng
13,307 kcal/ m2. Dễ tạo hỗn hợp nổ với không khí trong một giới hạn rộng( 2ữ
81% thể tích axetylen). Tạo hỗn hợp nổ với oxy (2,8 ữ7,8% thể tích axetylen).
Ngoài ra axetylen dễ dàng tạo thành hỗn hợp nổ với Clo, Flo nhất là khi có tác
dụng của ánh sáng. Khi vận chuyển ngời ta thờng pha thêm khí trơ, hydro,
amoniac vào để giảm khả năng cháy nổ. Khi phân hủy axetylen có thể xảy ra
phản ứng nổ nhiệt độ lên tới 28000C.
C2H2 2C + H2

H298 = - 54,164 cal/mol.

Phản ứng phân rã này xảy ra không có oxy nhng có chất kích hoạt tơng

ứng nh: tia lửa, ma sát Khi ở áp suất 2atm thì sự phân rã có đặc điểm cục
bộ và không nguy hiểm. Khi ở áp suất cao hơn 2atm sự phân rã có đặc tính nổ
với sóng kích nổ lan truyền với vận tốc lớn hơn 1000m/s. Ngoài ra sự dễ nổ

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

6


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

của axetylen càng tăng nếu có mặt những kim loại có khả năng tạo thành
axetylua: MCH2, M2C2 Vì vậy để tránh xảy ra quá trình nổ trong sản xuất
hay trong tổng hợp hoá dầu khác ngời ta cố gắng làm việc ở áp suất <=2atm
(giới hạn không nguy hiểm).
Trờng hợp phải làm việc trong điều kiện áp suất cao thì ngời ta làm
loãng axetylen bằng nitơ. Khi nén axetylen ngời ta dùng máy nén khí đặc biệt,
có vận tốc chuyển dịch thấp, mức độ nén nhỏ và nhiệt độ khí sau mỗi bậc của
máy nén không quá 1000C. Trong quá trình tính toán và thiết kế phải chú ý tới
hệ số an toàn của độ bền, trang thiết bị bảo hiểm.
ở nhiệt độ môi trờng và áp suất khí quyển axetylen tinh khiết không bị
phân hủy bởi nhiệt độ va chạm và khi có chất xúc tác. Vì vậy axetylen không
thể hoá lỏng để vận chuyển và bảo quản. Axetylen rắn ít bị phân hủy hơn so
với dạng lỏng nhng nó là một vật liệu không ổn định và nguy hiểm.
Tính chất quan trọng khác của axetylen là khả năng hoà tan của nó lớn hơn
nhiều so với những hydrocacbon khác. Điều này ta áp dụng hiệu quả trong
quá trình vận chuyển, phân tách, bảo quản và làm sạch.
Bảng 2: độ hoà tan của axetylen trong một số dung môi hữu cơ ở 20 0C và

1atm.
Dung môi
metanol
Metylaxetat
Axeton
Dimetylfomamid

Công thức
CH3OH
CH3COOCH3
CH3COCH3
HCON(CH3)2

Thể tích axetylen/thể tích dung môi
11,3
19,5
23
32

Sự có mặt của các hydrocacbon khác ít ảnh hởng đến độ hoà tan của axetylen
trong oxy lỏng. Hệ số tự phân tán của axetylen ở 25 0C và 0,1Mpa là
0,133cm2.s-1. ở 00C và 0,1Mpa hệ số phân tán tơng hỗ của axetylen trong hỗn
hợp khí với He, Ar, O2 và không khí lần lợt là 0,538 ; 0,188 ; 0,191 cm2.s-1 .
Axetylen bị hấp phụ trên than hoạt tính silicoxit và zeolit. Các chất hấp phụ
này dùng để tách axetylen từ hỗn hợp khí. Axetylen cũng bị hấp phụ trên bề

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

7

Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

mặt kim loại và thủy tinh. Dung dịch keo của paradi có thể hấp phụ tới 460mg
C2H2/1gPd.
Sự thay đổi độ tan của axetylen trong oxy và nitơ lỏng theo nhiệt độ đợc mô
tả bởi phơng trình:
logx= 0,051.T- 9,49 (N2lỏng)
logx =0,039.T 8,73 (O2lỏng)
60k < T < 100T
Trong đó x là phần mol của axetylen bị hoà tan .
Trong quá trình vận chuyển ngời ta pha thêm khí trơ vào để giảm bớt khả
năng gây nổ của axetylen.
2.2- Tính chất hoá học [9, 17, 13]

Axetylen là hydrocacbon không no có liên kết ba trong phân tử do đó có khả
năng hoạt động hoá học cao. Liên kết ba trong phân tử axetylen tạo thành do
liên kết và hai liên kết . Liên kết nối hai nguyên tử C bằng khoảng cách
ngắn nhất và đợc biểu diễn bằng đờng thẳng. Để phá vỡ liên kết cần năng lợng 62,77 kcal/mol.
Hai liên kết nằm ở hai mặt phẳng vuông góc nhau, năng lợng phá vỡ
chúng bằng 38,39 và 26,99 kcal/mol. Khi tham gia phản ứng hoá học liên kết
ba bị phá vỡ để tạo thành liên kết đôi hoặc các hợp chất bão hoà .
Do tính không no và năng lợng tạo thành lớn nên axetylen có khả năng phản
ứng dễ dàng với rất nhiều nguyên tố và hợp chất. Vì vậy axetylen đợc dùng
làm nguyên liệu thô cho nhiều quá trình tổng hợp khác nhau. Trong đó quan
trọng nhất là phản ứng cộng, thế nguyên tử H, polime hoá và phản ứng đóng
vòng.
Axetylen rất dễ tham gia phản ứng tấn công nucleofin hơn so với nhiều chất.

Liên kết phân cực C-H làm axetylen có tính axit (pka=25) nên axetylen dễ hoà
tan trong các dung môi bazơ. Vì thế áp suất hơi của các dung dịch này không
tuân theo định luật Raoult vì tính axit này mà axetylen dễ hoà tan với các
dung môi thông thờng do tạo liên kết hydro với chúng. Vì vậy ngoài các khả
năng tham gia phản ứng cộng hợp, trùng hợp, oxyhoá, axetylen còn tham gia
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

8


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

phản ứng thế nguyên tử H bằng kim loại và các phản ứng polyme đóng vòng
mạch thẳng
2.2.1- Phản ứng cộng hợp


Cộng hợp với H2: tiến hành trên xúc tác Pd ở p = 1atm và t0 = 250300oC
CH CH + H2 CH2 = CH2



H = - 41,7 kcal/mol

Cộng hợp với H2 với xúc tác Ni, t0:
0

Ni,t

CH3- CH3
CH CH
+2H 2



Phản ứng cộng hợp với H2O khi có xúc tác Hg và H2SO4 ở 70ữ100oC.
CH CH + H2O CH3CHO

H= - 38,8kcal/mol.

Phản ứng cộng hợp với H2O khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360450oC.
2CH CH + 3H2O CH3- CO- CH3 + CO2 + 2H2


Phản ứng cộng với rợu khi xúc tác KOH và to = 150 160oC,

P = 2ữ4atm.
CH CH + ROH CH2 = CHOR
Cơ chế: ROH + KOH ROK+ H2O
ROK+ C2H2 RO- CH= CHK
RO- CH= CHK + ROH RO - CH = CH2+ ROK
ROK + H2O ROH + KOH
Với R là một nhóm ankyl.


Axetylen tác dụng với H2S ở 120oC tạo thành một số hợp chất có

lu huỳnh.
CH CH+ H2S CH2S SH

Vinylmecaptan

C2H5SH

etylmecaptan
+C2H2

H2C

CH2
S

C2H5- S CH = CH2
Etylvinylsunfit.

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

9


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Thioetylen

+C2H5SH

Polymetriokol

C2H5 S (CH2)2S C2H5
Etylendietylsunfit



Axetylen tác dụng với mecaptan xúc tác là KOH tạo ra đợc

vinylthioeten.
CH CH + RSH CH2=CH- SR.


Vinyl hoá C2H2 với xúc tác là hợp chất của Zn hoặc Cdvinylamin.
CH CH + HN



R1 CH2= CH- N

R

R2

R

Axetylen tác dụng với CO va H2O(cacbonyl hoá) xúc tác Ni(CO4) ta thu

đợc axitacrylic.
CH CH + CO + H2O CH2= CH- COOH
Trong điều kiện tơng tự axetylen tác dụng với rợu va CO tạo thành

eteacrylic (xúc tác la Ni(CO)4 , 30350C có HCl).
CH CH + CO + ROH CH2= CH COOR.


Tác dụng với R- CO R ở 90 ữ 950C, t = 4 ữ 6 atm xúc tác là

CuC2.2H2O.2C2H2 ta thu đợc butyldion1,4 và có sản phẩm trung gian là rợu
propangylic.
R
CH CH

R-CO-R

R R

CH C- C- R

R- C- C R

OH


OH OH

Cộng hợp với muối halogen tạo hợp chất đồng thời có đồng phân cis và

trans.
H

HgCl

C=C

Cl

H
Trans

Cl
CH CH + HgCl2

HgCl
C=C

H

H

Cis

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

10


Đồ án tốt nghiệp



Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Cộng hợp halogen:
H H

CH CH + Br2 Br -C = C - Br


+ Br2

CHBr2- CHBr2

Khi cộng hợp với Cl2 trong pha khí phản ứng xảy ra mãnh liệt, dễ

dàng nổ do đó phải tiến hành trong pha lỏng có xúc tác antrimonitriclorua.
SbCl3 + Cl2
CH CH + 2SbCl5

SbCl5
CHCl2 CHCl2 + 2SbCl3

Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô cơ, hữu cơ tạo thành các vinyl
có nhiều giá trị.
Cộng với HCl, phản ứng có thể tiến hành trong pha hơi ở 150ữ180oC có xúc
tác HgCl2 / C hoặc tiến hành trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl 2 ta thu đợc
vinylclorua.
CH CH + HCl CH2= CHCl
Cộng hợp với H2 SO4 tạo thành vinylsunfo:
CH CH + H2SO 4 CH2= CH- OSO3H
ở nhiệt độ 80oC có CuCl2 và NH4Cl làm xúc tác, axetylen tác dụng với
HCN tạo thành acrylonitryl.
CH CH+ CH3COOH CH2 =CHCOOCH3

CH CH+ HCN H2C = CH- CN
Axetylen tác dụng với axit hữu cơ khi có xúc tác tạo ra các ete ở 180
200oC, phản ứng pha hơi và xúc tác muối axetat của Cl hoặc Zn trên than
hoạt tính cho ta vinylaxetat.
CH CH+ CH3COOH CH2=CHCOOCH3
Hay tạo ra các vinyl của axit cacboxilic lớn hơn, khi phản ứng tiến hành trong
pha lỏng và xúc tác là Zn hoặc Cd.
CH CH+ RCOOH CH2 = CH- COOR
Vinyl hoá axetylen với xúc tác KOH tạo thành vinylphenyl.

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

11


Đồ án tốt nghiệp
OH

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44
O CH = CH2

CH CH +

Với xúc tác là muối kaliamit, axetylen tác dụng với axitamid.
CH CH + RCO NH2 RCO NH CH = CH2
Hydroqinol đợc tạo thành dung môi phù hợp (dioxan) ở 170 và 700atm.
2CH CH + 3CO +H2 O OH


+ CO2

Hydroquinon đợc tạo thànhOH
từ C2H2 và khí tổng hợp ở 01000C và

50350atm với xúc tác là rutenicacbonyl. OH
2CH CH + 2CO + H2
OH

phản ứng của C2H2 và CO với sự có mặt của octacacbonyldicoban,
(CO)3Co(CO)2Co(CO)3 . ở áp suất 200 ữ1000atm và 1000C tạo ra sản phẩm
là hỗn hợp cis, trans của bifurandion.
O
CH CH + 4CO

O

O

O
Cis -

O

O
O
Trans -

O

2.2.2- Phản ứng thế của axetylen

Nguyên tử hydro của C2H2 thể hiện tính axit có khả năng tham gia phản
ứng thế với kim loại kiềm , Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn ... Tạo thành axetylenit
kim loại rất dễ nổ.
2M + C2H2 M2C2 + H2
+ Na
+ Na
HC CNa
NaC CNa
HC CH
H
H

HC CH + 2Cu Cu- C C - Cu + H2


Axetylen cả kim loại kiềm và kiềm thổ có thể tạo ra nhờ tác dụng với

amit kim loại trong andehyt amoniac lỏng.
C2H2 + MNH2 MC2H + NH3
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

12


Đồ án tốt nghiệp



Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Axetylen tác dụng với thành phần của xilanh nh HSiCl3 thực hiện

trong pha lỏng với xúc tác là Pt, trong hợp chất của Pt tạo thành Silicon
hữu cơ.

HC CH + HSiCl3 CH2= CH- SiCl3

2.2.3- Phản ứng trùng hợp của Axetylen.
ở nhiệt độ 200 ữ 3000C có bột đồng xúc tác axetylen trùng hợp tạo
thành Kypren.
nHC CH (CH)2n
Kypren đợc dùng làm chất cách điện
ở nhiệt độ 6000C dới tác dụng của than hoạt tính, axetylen trùng hợp tạo
thành C6H6
3C2H2 C6H6
Khi thổi axetylen qua dung dịch bão hoà Cu2Cl2 xảy ra phản ứng Dime
hoá tạo ra vinyl axetylen.
2HC CH CH2= CH- C CH
Phản ứng này tiến hành ở 800C, mức độ chuyển hoá sau một quá trình
khoảng 15%. Hiệu suất 80% tính theo axetylen. Vynylaxetylen là nguyên
liệu để sản xuất cao su tổng hợp clopren.
Từ C2H2 Reppe đã tổng hợp ra 1,3,5,7 xyclooctatetran với hiệu suất 71%.
Nhiệt độ phản ứng 65 ữ 100oC, áp suất 15 ữ 25atm đợc nâng lên từ từ, xúc
tác là Ni(CN)2.
4CH CH

+ (các sản phẩm phụ)

2.3. ứng dụng của axetylen

Axetylen có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp, nó
đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ.
Polyacrylic axit

Các sản phẩm

Axit acrylic
Este acrylic

Polyacrylic

Nhựa
Keo dán
Vật liệu tán xạ

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

13


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Vinylclorua

Polyvinylclorua

Chất dẻo

Vinyl ete

Polyvinyl ete

Nhựa
Keo dán

Vinyl ete

Polyvinyl ete

Vật liệu tán xạ

Các vinyl

Vinyl đặc biệt

Poly axetylen

Axetylen hydroxy

Butindiol

Polyme vinyl
Vinyl axetat

Sản phẩm phụ
Thuốc trừ sâu

Sơn

Dung môi hữu cơ
Metyl butynol, izophytol
Rợu propangylic

Vitamin
Chất ổn định

Thuốc diệt côn trùng
Thức ăn gia súc
Dợc phẩm
Các sản phẩm khác

Ngoài ra axetylen còn dùng để thắp sáng, hàn cắt kim loại trong đó
mục đích thắp sáng và hàn cắt kim loại chiếm 30% l ợng axetylen sản xuất
ra.
Axetylen còn phục vụ trong một số ứng dụng quan trọng khác nh: sản
xuất làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hoá sinh, hoá polyme và sản
xuất dợc phẩm.
2.4. Một số thông tin tham khảo về axetylen [13, 15]



An toàn trong vận chuyển và tồn chứa: axetylen là một chất hoạt động

ngay trong điều kiện thờng. Axetylen cháy toả ra nhiệt lợng 226,9KJ/mol tại
298oK. Tại âm vùng cháy nhiệt độ có thể là 3100 oC nhng thờng cháy sinh ra
cacboxit và các sản phẩm phụ nh: metan, butylen nên nhiệt trung bình
2800ữ2900oC.

Trong điều kiện thờng axetylen có thể cháy tạo nhiệt độ 335 oC trong

không khí và trong oxy là 300 oC. Ngoài ra axetylen có giới hạn nổ rộng do

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

14


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

đó trong quá trình vận chuyển và tồn chứa rất nguy hiểm. Khi vận chuyển đ ờng ống càng ngắn càng tốt. Nếu dài quá thì axetylen sẽ tự nổ. Nếu vận
chuyển bằng các thiết bị chứa thì phải tránh va chạm và mồi lửa.


Khi tồn chứa axetylen đợc hóa lỏng ở 30ữ50atm, ở nhiệt độ thờng thì

cách này cũng rất nguy hiểm. Hiện nay thờng nén ở - 80 oC và áp suất
1,3atm. Còn nếu tồn chứa thời gian dài ngời ta thêm vào khoảng 2% axeton
hay xylen để làm giảm giới hạn nổ trên của axetylen.
Tóm lại axetylen là chất dễ cháy nổ, tồn chứa và vận chuyển rất khó khăn
nên hết sức cẩn thận và đề phòng đối với hoá chất này. Các thiết bị phục vụ
cho hoá chất này cũng phải có cấu tạo và khả năng phòng chống cháy nổ
cao.
Ngoài ra axetylen là một hoá chất rất nguy hiểm ảnh hởng đến sức
khoẻ con ngời và môi trờng sống. Axetylen nguyên chất là một chất ngạc
thông dụng. Đối với con ngời hít vào khoảng 10% C 2H2 có thể làm say nhẹ,
khoảng 20% thể tích thì gây ngộ độc, ở 30% thì gây ra sự không nhận biết

đợc.

Chơng 3. Các quá trình công nghệ sản xuất
axetylen
3.1- Công nghệ sản xuất axetylen từ than đá hay cacbuacanxi
[1, 7]

Với sự phát triển của ngành khai thác dầu mỏ hiện nay ngời ta quan tâm
nhiều hơn đến hớng sản xuất axetylen từ hydrocacbon. Mặc dù vậy quá trình
sản xuất axeylen từ than đá vẫn phát triển và đóng một vai trò quan trọng
trong công nghiệp hoá học.

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

15


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Xuất phát từ nguồn nguyên liệu rẻ tiền và phong phú là đá vôi và than đá,
axetylen đợc tổng hợp qua các phản ứg sau:
CaO + 3C CaC2 + CO

H =108kcal/mol

Sau đó CaC2 phản ứng với H2O tạo thành C2H2 và Ca(OH)2 phản ứng toả nhiệt
mạnh.
CaC2 + H2O C2H2 + CaO

CaO + H2O Ca(OH)2

H= - 129kcal/mol

Do đó trong sản xuất thơng mại, thiết bị sản xuất axetylen phải đợc thiết kế
sao cho có thể tiêu tán nhiệt của phản ứng.
Nguyên liệu canxicacbua dùng để sản xuất axetylen đợc sử dụng ở dạng hạt
có kích cỡ (tính bằng mm) 2ữ4, 4ữ7, 7ữ15, 15ữ25, 25ữ50, 50ữ80. Sự phân
loại này đợc qui định thành tiêu chuẩn ở hầu hết các nớc
Có hai dạng thiết bị sản xuất axetylen từ CaC 2(với lu lợng sản phẩm lớn hơn
10m3 axetylen/h) đó là thiết bị loại khô và thiết bị loại ớt.
Trong thiết bị loại ớt axetylen chuyển hoá với lợng nớc d vào. Trong hầu
hết các trờng hợp đều thu đợc vôi ở dạng huyền phù.
Trong thiết bị loại khô nớc đợc trộn với canxicacbua theo đúng tỷ lợng
trong phản ứng hoá học và đủ để lấy nhiệt của phản ứng. Canxihydroxit thu
đợc ở dạng bột có độ ẩm 16%. Nhiệt của phản ứng đợc phân tán bằng cách
bay hơi một phần nớc trong thiết bị.
3.1.1- Phơng pháp ớt.
CaO + 3C CaC2 + CO
Canxicacbua phản ứng với nớc tạo thành axetylen và Ca(OH) 2 phản
ứng toả nhiều nhiệt .
CaC2 +2H2O C2H2 + Ca(OH)2

H= - 129kcal/mol.

Để phân hủy 1kg CaC2 cần khoảng 10kg H2O. Phơng pháp này cho phép sản
xuất an toàn vì lợng nớc d đó dễ thu nhiệt của phản ứng .
Ta có các trờng hợp sau:

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

16


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Trùng hợp cacbua trong nớccacbua đợc trộn lẫn với một lợng lớn nớc d
với một tốc độ khí tơng ứng với tốc độ khí thoát ra.
Trùng hợp nớc trên cacbua nớc đợc đa vào với một tốc độ khống chế vào
trong thùng chứa cacbua.
Trùng hợp hệ tiếp xúc mà trong đó nớc và CaC2 nằm trong một mặt tiếp
xúc cố định.
Trong cả ba trờng hợp tren thì trờng hợp cacbua trong nớc đợc sử dụng
nhiều hơn cả do có ít nguy hiểm và dễ sử dụng nhất . Trờng hợp này CaC2 lập
tức đợc nhúng vào nớc d để loại trừ sự quá nhiệt và phải thiết lập điều kiện để
tháo nhiệt.

H2O
1

H2O
3
4

2

12
C2H2

7

8

9

10

14

13

6

5

Vôi bùn

H2SO4

NaOCl

NaOH

Hình.1- Sơ đồ dây chuyền sản xuất axetylen đi từ cacbuacanxi bằng phơng pháp ơt.
1. Toa chứa; 2. Đờng ray; 3. Bồn áp suất; 4,7. Sinh hàn; 5. Thiết bị lắng; 6.
Thiết bị tổng hợp Axetylen; 8,9,10. Tháp tới; 11. Thùng chứa khí "ớt"; 12.
Thiết bị chắn ngọn lửa; 13. Thiết bị nén.
Axetylen tạo thành trong thiết bị tái sinh có nhiệt độ 50 ữ 600C nó đợc

làm lạnh trong bộ làm lạnh (7) đợc tách khỏi phần ngng và chuyển qua thiết bị
lọc bậc thang (8) với dòng hồi lu là dung dịch H2SO4. Trong (8) axetylen đợc
giải phóng khỏi phần d amoniac tan trong nớc lúc tái sinh và lúc ngng tụ tại
bộ làm lạnh (7). Sau đó khí chuyển đến thiết bị lọc (9) với dòng hồi lu là dung
dịch hipoclorua natri. Cuối cùng chuyển đến bộ lọc kiềm (10) để làm sạch do
bị nhiễm ở tháp hipoclorua natri. Đối với tất cả những dung dịch hấp thụ thì
hoàn lu đợc thực hiện nhờ bơm ly tâm. Phần dung dịch đã sử dụng đợc lấy ra
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

17


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

khỏi hệ một cách định kỳ và thay dung dịch mới. Axetylen đã làm sạch đợc
thu lại trong thùng chứa ớt (11) từ đây nó chuyển đi tiêu dùng bằng thiết bị
nén khí (13) (hoặc máy thổi ga). Sau khi qua van thủy lực bảo hiểm hoặc thiết
bị chắn lửa (12).
Tạp chất và làm sạch axetylen.
Axetylen đỉa từ thiết bị phản ứng (6) có nồng độ cao nhng vẫn còn lẫn
nhiều tạp chất nh: NH3, H2, PH3 và một số khí khác. Các khí tạp chất này có
lẫn trong axetylen là do các tạp chất có trong canxicacbua dới tác dụng với nớc tạo thành .
Ca3N2 + 6H2O 3Ca(OH)2 + 2NH3
CaS + 2H2O Ca(OH)2 + H2S
Những tạp chất này rất có hại khi chế biến hoá chất axetylen, bởi vì
chúng có khả năng làm mất hoạt tính hoặc làm bẩn ngộ độc xúc tác. Vì vậy
làm sạch là một giai đoạn bắt buột trong sản xuất.
Phơng pháp làm sạch có hiệu quả là dùng các hợp chất hoá học:

Để làm sạch ngời ta dùng dung dịch NaClO để oxyhóa tạp chất axit tơng ứng
4NaClO + PH3 H3PO4 + 4NaCl
4NaClO + H2S H2SO4 + 4NaCl
4NaClO + SiH4 SiO2 + 2H2O + 4NaCl
4NaClO + AsH3 H3AsO4+4NaCl
3.1.2- Phơng pháp khô.
Thiết bị tổng hợp loại khô đợc sử dụng chủ yếu trong sản xuất axetylen
với sản lợng lớn dùng cho mục đích tổng hợp hoá học.
So với thiết bị loại ớt, u điểm chính của thiết bị loại khô là canxi
hydroxit tạo thành trong vai trò là sản phẩm phụ có thể đợc sử dụng rất nhiều
quá trình sản xuất khác nhau một cách dễ dàng hơn và đa dạng hơn so với vôi
bùn thu đợc trong thiết bị loại ớt. Hơn nữa chỉ có canxihydroxit khô mới có
khả năng sử dụng trong quá trình tái sản xuất cacbua từ vôi.

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

18


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Hai tiêu chuẩn quan trọng nhất trong việc thiết kế thiết bị loại khô là tỉ
lệ khí hoá cao và loại bỏ những nguy hiểm do sự quá nhiệt gây ra. Trong các
thế hệ đầu của thiết bị loại khô này, ngời ta sử dụng các loại thiết bị nh trống
quay, máy khuấy cánh, sàng rung... để làm tăng cờng khả năng phản ứng bề
mặt cacbua thô.
Mặc dù có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến hiệu suất khí hoá của cacbua
nh: tỷ trọng, độ xốp và cấu trúc tinh thể cacbua nhng yếu tố ảnh hởng lớn

nhất đến hiệu suất khí hoá đó là bề mặt riêng. Vì vậy nguyên liệu cacbua sử
dụng phải mịn đều (0 ữ 3mm) thờng chỉ mất thời gian nhỏ so với sử dụng
cacbua thô, kết quả là hiệu suất cao.
Dây chuyền sản xuất xetylen sử dụng thiết bị loại khô của knapsack
đang đợc sử dụng rộng rãi trên thế giới.

Thùng cacbua
Nước rửa

Vôi bùn

Axetylen

Hình 2: Dây chuyền sử dụng thiết bị loại khô của knapsack
a) Băng tải; b) thùng nạp liệu; c) Bánh quay hình sao; d) Băng tải nạp liệu;
e) Thiết bị khí hoá; f) Bunke chứa vôi; g) Băng tải tháo vôi; h) Băng tải trang;
i) Tháp rửa cấp; k) Tháp rửa khí cấp 2; l) Thùng kín ngâm khí.
Các hạt cacbua mịn cỡ hạt 0 ữ 3mm rơi từ băng tải (a) vào thùng nạp
liệu (b). Băng tải đa nguyên liệu tới từ thùng chứa cacbua. Do dòng cacbua
luôn đợc nạp tuần hoàn nên thùng nạp liệu là một van ngăn khí giữa thiết bị
khí hoá và hệ thống dây chuyền. Cacbua đợc nạp vào thiết bị khí hoá (e) qua
bánh xe hình sao (C) và băng tải nạp liệu (d). Hiện nay thiết bị khí hoá lớn

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

19


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

nhất có đờng kính là 3,5m và chiều cao tổng cở là 8,0 m. Trong thiết bị có tối
đa 13 đĩa tròn. Các đĩa đợc thiết kế hình vành khăn có các lỗ tròn luân phiên ở
gần vỏ thiết bị. Một máy khuấy đợc đặt ở giữa và xen kẽ ở giữa các đĩa là các
cánh khuấy. Trục cánh khuấy chuyển động làm quay các cánh khuấy ngang
về mặt đĩa.
Khối cacbua đầu tiên rơi xuống đĩa cao nhất cùng lúc với nớc đa vào để
sản xuất. Hỗn hợp phản ứng bao gồm cacbua, nớc và canxi hydroxit đợc
khuấy trộn bởi các cánh khuấy theo phía hớng ra ngoài viền, rơi xuống đĩa thứ
hai, quay trở lại theo hớng tâm,... Khi hỗn hợp phản ứng đạt tới đĩa cuối cùng,
hầu nh toàn bộ khối cacbua đã bị khí hoá. Canxi hydroxit, còn chứa khoảng
6% nớc, rơi xuống buồng chứa vôi (1) ở đây một lớp vôi dày khoảng 2mm
đóng vai trò nh là một van ngăn khí giữa thiết bị khí hoá và hệ thống băng tải
vận chuyển vôi. Vôi đợc tháo ra liên tục.
Khí sản phẩm thoát khỏi thiết bị qua băng tải trang chứa 25% axetylen và
75% hơi nớc. Lợng hơi nớc chính là kết quả quá trình toả nhiệt của phản ứng,
lợng bụi hydrat vôi mang theo axetylen có thể lên tới vài trăm kilogam. Băng
tải trang H giữ lại phần lớn lợng bụi này và đa chúng trở lại thiết bị chính.
Phần bụi còn lại đợc đa cùng với khí sang tháp rửa cấp 1 tại đây bùn vôi đợc
phun vào khí axetylen nóng (900C) để rửa bụi vôi một phần hơi nớc ngng tụ do
có sự làm lạnh đồng thời. Trong tháp rửa cấp 2 (k). Khí axetylen đợc tới bởi nớc phun từ trên đỉnh tháp để làm lạnh khí xuống dới 400C, hơi nớc tiếp tục ngng tụ tại đây. Đồng thời tại tháp này khí amoniac lẫn trong axetylen cũng bị
loại bỏ.
Khí axetylen rời khỏi tháp rửa qua thùng ngâm khí kín sản phẩm thu đợc vẫn còn lẫn tạp chất dạng hợp chất sunfua và photphorua. Dây chuyền của
knapsack phù hợp với lợng cacbua nạp vào là 15 tấn/h, tơng đơng với sản lợng
axetylen là 3750m3/h. Trong toàn bộ quá trình này thu đợc khoảng 17,5 tấn
canxi hydroxit/h. áp suất trong thiết bị 1,15 bar.
Thiết bị tổng hợp loại khô của hãng Shawinigan cũng sử dụng nguyên
liệu mịn đều và có nhiều ứng dụng khác nhau.Thiết bị loại này bao gồm
nhiều đĩa chồng lên nhau.

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

20


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Canxi hydroxit tạo thành (còn gọi là vôi cacbua) có ứng dụng rộng rãi,
ví dụ trong công nghiệp xây dựng (để điều chế vữa xây xi măng); trong công
nghiệp hoá học (để trung hoà và tái sinh trong lò cacbua) trong công nghiệp
(nh sản xuất phân bón); và để tinh chế nớc và xử lý nớc thải.
3.1.3- Phơng pháp sản xuất axetylen trực tiếp từ than đá.
Từ đầu những năm 1960 ngời ta đã tiến hành một loạt các thí nghiệm về
sự hoá than để tạo thành axetylen sử dụng phơng pháp hồ quang hoặc plasma.
Kết quả thu đợc nh sau:
- Có thể thu đợc hiệu suất axetylen 30%
- Do khả năng đốt than rất nhanh dới tác dụng của tia plasma mà sản lợng khí tổng hợp thu đợc cao hơn chất bốc than đo ở điều kiện tiêu chuẩn.
- Khí plasma H2 (thay cho Ar) làm tăng hiệu suất axetylen

Khí vỏ
Hình 3: Sơ đồ nguyên
lý thiết bị plasma nhiệt phân than của hãng AVCO
Than đá
Khí vỏ

Lò hồ quang của AVCO bao gồm cột catốt phủ vonfram làm lạnh bằng
nớc. Lò hồ quang đợc định hớng bởi từ trờng bao quanh anốt, nó làm anốt của
lò quay quanh vàNamtránh

châm sự cháy bùng.

Nam châm

Nguyên liệu than đá khô và tinh đợc đa vào lò bằng dòng khí H2 đi bên
Nớc làm mát

ngoài catốt. Ngoài ra ngời ta còn đa vào các dòng khí không than đi bao
quanh bên ngoài anốt và catốt nh một lớp vỏ bọc (còn gọi là khí vỏ). Khi đi
ngang qua vùng hồ quang. Các hạt than đợc gia nhiệt nhanh chóng. Chất bốc
đợc tách ra và đợc bẻ gãy tạo thành axetylen và các sản phẩm phụ, phần cặn
rắn bao gồm các hạt cốc mịn bao bọc bởi bồ hóng. Sau thời gian c trú khoảng
vài phần nghìn giây, hỗn hợp cốc - khí đợc làm nguội nhanh bởi nớc hoặc khí.
Công nghệ hồ quang của hãng Hulss cũng có hệ thống làm lạnh sơ bộ tơng tự.
áp suất của hệ có thể biến đổi trong khoảng từ 0,2 đến 1,0 bar.
Ngoài axetylen, trong khí thoát ra còn có một lợng CO tuỳ thuộc vào lợng oxy ở trong than. Do sự có mặt của N và S trong than nên các sản phẩm
phụ khác cũng đợc tạo thành nh HCN, CS2, COS và mercaptan. Do đó ngời ta
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

21


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

phải thiết kế thêm hệ thống tách khí. Phụ thuộc vào hàm lợng hydro trong
than, mà quá trình có thể tự có đủ hydro thậm chí là thừa. Tổng hiệu suất khí
của than dựa trên hàm lợng chất bốc trong than có từ 33 ữ 50%. Vì vậy 50%
còn lại sẽ là than gỗ. Cho đến nay những thí nghiệm đa than gỗ vào sử dụng

trong công nghiệp chế biến cao su vẫn cha thu đợc kết quả. Do đó than này
vẫn chỉ đợc sử dụng cho việc khí hóa hoặc làm nhiên liệu.
3.2- Công nghệ sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên và
hydrocacbon.

3.2.1 - Cơ sở nhiệt động học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon.
Quá trình phân hủy hydrocacbon ở nhiệt độ cao thành axetylen bao
gồm nhiều phản ứng thuận nghịch. Với nguyên liệu là hydrocacbon nhẹ (khí
tự nhiên và khí đồng hành), quá trình nhiệt phân có thể có các phản ứng:
2CH4

C2H2

+

3H2

2CH4 C2H4

+

2H2

C2H6 C2H4

+

H2

C2H6 C2H2

+

2H2

C3H8 C2H4

+

CH4

C3H8 C3H6

+

H2

C3H8 1,5 C2H2 +

2,5H2

C2H4

+

C2H6

C4H8

+

H2

C H2C2H2

+

3 H2

C2H2

+

H2

Gf kJ/mol

C4H10
140C4H10
120C4H10
100C2H4
80-

2

2

C3H6 C H1,5C2H2 +
603 6
CH

2

4

1,5H2

CH4

H
3 8
40-này đều là cácCphản
Các phản ứng
ứng thu nhiệt điển hình và là phản ứng tăng
nC4H10
20-trình thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn do các tính chất
thể tích: Quá
C2H6

C(rắn), H2 khí

0- các hydrocacbon.
nhiệt động của
-20-40

300

500

700

900

1100 1300 1500 1700 1900
Nhiệt độ K
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên
Hình 4: Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon
phụ thuộc vào nhiệt độ

22


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Từ đồ thị hình 4 thấy rằng: ở nhiệt độ thờng axetylen không thể tạo
thành từ các hydrocacbon khác. Năng lợng tự do Gibbs của axetylen giảm khi
tăng nhiệt độ, trong khi năng lợng tự do Gibbs của các hydrocacbon khác tăng
lên. ở nhiệt độ cao hơn 12300C axetylen ổn định hơn các hydrocacbon khác.
Điều đó có nghĩa là quá trình sản xuất axetylen từ metan đòi hỏi thực hiện ở
Axetylen % thể tích

nhiệt độ cao hơn quá trình sản xuất từ hydrocacbon nặng hơn.

282420161284-

1200

1400

1600

1800

2000
Nhiệt độ, K
Hình
5: Đường
cong
bằngtừcủa
phảnnhiên
ứng nhiệt
Thiết
kế phân
xởng sản
xuấtcân
axetylen
khí thiên
phân metan phụ thuộc vào nhiệt độ

23


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

Từ đồ thị hình 5 cho thấy axetylen bắt đầu tạo thành ở nhiệt độ cao hơn
10000 K (7300C). Nh vậy quá trình đòi hỏi phải thực hiện ởknhiệt độ cao và
cần phải cung cấp năng lợng lớn.

Tuy nhiên ngay cả ở nhiệt độ cao axetylen vẫn kém bền hơn các cấu tử
tạo nên axetylen tức là kém bền hơn C và H2 tồn tại tới 4200 0K.
C2H2 2CR + H2R

- G298 = - 209,3 kJ/mol

Quá trình phân hủy tạo muối cacbon theo các phản ứng sau:
CH4 C

+

2H2

C2H6 2C +

3H2

C2H4 2C +

2H2

C2H2 2C

+ H2

Nh vậy, chính axetylen tạo thành cũng bị phân hủy nếu điều kiện phản
ứng thích hợp cho quá trình tạo muội cacbon. Quá trình tạo muội xảy ra mãnh
liệt ở khoảng nhiệt độ 1200 ữ 16000C, nghĩa là vùng nhiệt độ phản ứng. Để
hạn chế quá trình tạo muội phải giảm nhanh nhiệt độ hỗn hợp khí phản ứng
bằng cách phun nớc hoặc phun dầu, gọi là quá trình "tôi" bằng nớc hoặc bằng

dầu.
Ngời ta thấy rằng, với phản ứng phân hủy axetylen, áp suất không ảnh
hởng mà yếu tố chính ảnh hởng đến phản ứng đó là nhiệt độ và thời gian phản
ứng, thời gian phản ứng càng dài sự phân hủy axetylen càng tăng, hàm lợng
axetylen thu đợc càng thấp.
a- Cơ chế của quá trình.
Quá trình nhiệt phân hydrocacbon ở nhiệt độ cao xảy ra theo các phản
ứng thuận nghịch sau:
2CH4 C2H2 + 3H2

H298 = 376 kJ/mol

C2H6 C2H2 + 2H2

H298 = 311 kJ/mol

Các phản ứng trên là các phản ứng thu nhiệt, cân bằng chuyển dịch theo
chiều thuận ở nhiệt độ 1000 ữ13000C. Thực tế để đạt vận tốc đủ lớn, quá trình
Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

24


Đồ án tốt nghiệp

Võ Chí Hải - Hoá Dầu -K44

cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn cụ thể ở 1500 ữ 16000C với CH4, còn đối với
hydrocacbon lỏng quá trình thực hiện ở 12000C.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc.

CH4

: CH2 +

: CH2 + CH4

H2

C2H6

C2H6

C2H4 +

H2

C2H4

C2H2 +

H2

C2H2



H2

2C

+

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tạo thành axetylen tiến hành
qua giai đoạn trung gian tạo thành gCH 3: CH 2 , MCH . Quá trình phân hủy
metan có cơ chế chuỗi gốc nh sau:
CH 4
2 CH 3
2 : CH 2

2H
2H
2H






2MCH




CH 3 CH 3

2
H CH 2 = CH 2
2
H CH CH
2

2

Các gốc CH có thể trùng hợp
n(CH ) CnH2n
n(CH ) CnHn-m + 0,5mH2
Trong hỗn hợp sản phẩm khí thu đợc ngoài những parafin và olefin thấp
còn có một lợng không lớn bezen, hydrocacbon, nhóm axetylen- metyl
axetylen CH3 - C CH cũng nh Vinyl axetylen CH2 = CH - C CH và
diaxetylen CH C - C CH.
b- Động học quá trình nhiệt phân các hydrocacbon nguyên liệu.
Hiệu suất axetylen quá trình nhiệt phân hydrocacbon đợc xác định bằng
động học tiến hành phản ứng: tốc độ tạo thành axetylen cần phải cao hơn tốc
độ phân hủy của nó thành các chất đơn giản. Vì thế để đạt đợc hiệu suất cao
với sản phẩm chính là axetylen cần phải hạn chế các phản ứng không mong
muốn bằng cách làm lạnh nhanh sản phẩm phản ứng (quá trình "tôi").

Thiết kế phân xởng sản xuất axetylen từ khí thiên nhiên

25