TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FORMALDEHYDE

L ỜI M Ỡ ĐẦU

Nói đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không nói đến sự tự
động hóa. Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa,
thực phẩm là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa
chất và thực phẩm. Bởi tự động hóa là việc ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị, các
máy điều khiển. Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình
công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với các tiêu chuẩn
(điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người.
Chính vì những lợi ích trên mà các nhà công nghệ luôn tìm mọi cách để tự
động hóa dây chuyền sản xuất của mình đến mức có thể và những hiệu quả mà tự
động hóa mag lại cho sự phát triển của nền kinh tế xã hội là không thể phủ nhận, đó
là:
+ Nắng suất thiết bị công nghệ trên cơ sở duy trì các thông số tối ưu của công
nghệ.
+ Chất lượng sản phẩm ổ định.
+ Giảm tổn thất, chi phí nguyên, nhiên, vật liệu trong sản xuất.
+ Cho phép sử dụng công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao.
+ giảm kích thước phân xưởng, tiết kieenk mặt bằng.
+ Cải thiện môi trường lao động, nhất là những công việc mang tính độc hại,
nặng nhọc.
Môn học “ Điều khiển các quá trình Công nghệ hóa học ” đã trang bị cho
các học viên những kiến thức cơ bản, cách thức, trình tự, nguyên lý của các phép
đo để tiến hành tự động hóa các quá trình công nghệ.
Tiểu luận : “ Tự động hóa quá trình sản xuất formalin ” là kiến thức của em
qua quá trình học tập môn học Điều khiển các quá trình công nghệ hóa học.


CHƯƠNG I
MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
FORMALDEHYDE

I.Giới thiệu chung về Formalin.
Formalin xuất hiện trong tự nhiên và được hình thành từ các hợp chất hữu cơ
nhờ quá trình quang hóa trong khí quyển, từ khi có sự sống trên trái đất.
Formaldehyde là một trong những hợp chất andehyde quan trọng được cung
cấp trên thị trường, hiện nay co khowngr 50 ngành công nghiệp sử dụng
Formaldehyde và mỗi năm có khoảng 9 tỷ hợp chất ở dạng dung dịch nước 37 ÷
50%, gọi là Formaldehyde đã được cung cấp. Đây là một trong những bán thành
phẩm quan trọng cho ngành tổng hợp hữ cơ và nhiều ngành khác, chẳng hạn: ngành
y tế (dùng để ướp xác, tẩy mùi), ngành thực phẩm (để tránh ôi thiu), thuộc da
(trong công nghiệp thuộc da giày)…
Formaldehyde cũng được tạo thành từ các hợp chất trong quá trình cháy không
hoàn toàn, do đó ta có thể thấy sự có mặt của nó trong khí cháy của động cơ xe,
nhiệt nhà máy, khí đốt và ngay trong khói thuốc lá. Fprmaldehyde được tổng hợp
lần đầu tiên và những năm 1859, khi đó Butleroy thực hiện thủy phân metylen
axetat và chỉ ra mùi đặc trưng của dung dịch. Đến năm 1867, Hofmann đã tổng hợp
được Formanldehyde bằng cách chuẩn bị hỗn hợp hơi Metanol-Không khí đi qua
lớp xúc tác Platin(Pt) ở dạng sợi xoắn đã được đun nóng. Sau đó Kekule đã điều
chế Formaldehyde tinh khiết năm 1882.
Quá trình sản xuất mang tính công nghiệp của Formaldehyde đã trở nên phổ
biến vào năm 1882, khi Tollens đã khám phá ra một phương pháp điều chỉnh tỷ lệ
lượng hơi Metanol-Không khí và sự ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng. Năm 1886
Loew đã thay thế xúc tác dạng sợi xoắn Pt bằng xúc tác lưới đồng (Cu) có hiểu quả
hơn. Một nhà máy của Đức – Mercklin anh Losekann bắt đàu đi vào sản xuất và
bán Formaldehyde trên thị trường vào năm 1889. Một nhà máy khác của Đức –
Hugo Bank lần đầu tiên sử đã tìm ra cách sử dụng xúc tác bạc vào năm 1910.
Công nghiệp tiếp tục phát triển từ 1900 ÷ 1905, khi nawg suất, loại thiết bị,
nhu cầu sử dụng Fornaldehyde ngày càng tăng lên. Năm 1905 Badische Anulin Và
Soda Fabrik bắt đầu sản xuất Fornaldehyde qua một quá trình liên tục, sử dụng xúc

tác bạc tinh thể, sản lượng Formaldehyde đạt được là 30kg/ngày dưới dạng dung
dịch nước 30% trọng lượng.
Methanol cần thiết cho quá trình sản xuất Formaldehyde được thu hồi từ
ngành công nghiệp hỗ cacbon hóa. Sự phát triển của quá trình tổng hợp Metanol ở
áp suất cao do Bachische Anilin Và Soda Fabrik cho phép sản xuất Fornaldehyde
trên phạm vi công nghiệp với quy mô rộng lớn vào năm 1925.
Các phương pháp sản xuất Formaldehyde phụ thuộc và xúc tác quá trình oxi
hóa Metanol. Khoảng một nửa Metanol sản xuất ra được ứng dụng sản xuất nhựa
Ure-Formaldehyed, nhựa Phenol- Formaldehyde. Mặt khác, khoảng 25% được sử
dụng để tạo ra các polymer cao phân tử khác và các nhựa khác như: nhựa
polyaxetal, pentaerithritol C(CH2OH)4, urotropin, butandiol và các sản phẩm khác.
Hằng năm, nước ta phải nhập khẩu Formaldehyde để sản xuất các vật liệu
polymer, vật liệu cách điện, cách nhiệt, chất mạ kim loại, chất phị trợ cho công
nghiệp dệt, chất sát trùng trong chăn nuôi, …
II.Công nghệ sản xuất Formaldehyde dùng xúc tác bạc.
Vào năm 1920 hãng BASF lần đầu tiên đưa vào vận hành công nghiệp công
nghệ sản xuất Formaldehyde từ hỗn hợp methanol – không khí. Hỗn hợp chứa 4550% methanol (giới hạn nổ trên cua hỗn hợp), phần còn lại là không khí. Trong
điều kiện áp suất khí quyển, ở nhiệt độ 600-720 0C trên xúc tác Ag, các phản ứng
chính là oxy hóa methanol và dehydro hóa sẽ xảy ra như sau:
CH2O +H2 (A) ∆H1 = 84 KJ/mol

CH3OH
H2 + 1/2 O2

H2O

(B) ∆H2 = -243 KJ/mol

CH2O +H2O (C) ∆H3 = -159 KJ/mol

CH3OH + 1/2 O2

Trong đó phản ứng (A) thu nhiệt còn phản ứng (B), (C) tỏa ra lượng nhiệt lớn.
Ngoài các phản ứng chính, trong điều kiện nhiệt độ cao và có mặt oxy, hydro
còn xảy ra các phản ứng sau:
CH2O

CO +H2

(D)

CH2O + O2

CO2 +H2O

(E)

CH2O + 1/2 O2

HCOOH

(F)


CH3OH + H2

CH4 + H2O

(G)

Các phản ứng (A)-(C) tạo ra sản phẩm là dung dịch formaldehyde với nồng độ
khoảng 40%.
Các phản ứng (D)-(F) làm giảm hiệu suất chuyển hóa formaldehyde và tạo ra
khí trong thành phần khí thải và axit formic lẫn trong dung dịch formalin. Phản ứng
(A) là thuận nghịch và thu nhiệt nhưng toàn cục quá trình tỏa nhiệt và được tiến
hành ở chế độ đoạn nhiệt.
Hiệu suất chuyển hóa formaldehyde được tính theo công thức sau:


%CO2 + %CO + %CH 4
 % HSF = 100 − 100
%
0,528.(% N 2 ) + % H 2 + 2(%CH 4 ) − 2.(%CO2 ) − 2.(%O2 ) 


Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa của quá trình
là nhiệt độ, xúc tác, áp suất,tỷ lệ metanol/không khí.
Hiệu suất chuyển hóa ở áp suất 1atm tăng theo nhiệt độ. Ví dụ trên xúc tác
bạc:
400oC

hiệu suất chuyển hóa¸ α = 50%

500oC

hiệu suất chuyển hóa ¸ α = 90%

700oC

hiệu suất chuyển hóa ¸ α = 99%

Vì vậy để có hiệu suất cao, đối với công nghệ này nhiệt độ phản ứng thường
giữ trong khoảng 560-7200C.
Xúc tác thường được sử dụng trong công nghiệp ở các dạng sau:
+ Xúc tác lưới bạc cho mức chuyển hóa 60-65% và độ chọn lọc theo HCHO là
85-90%.
+ Xúc tác bạc tinh thể lớn dạng hạt 0,5-3mm. Bề dày lớp xúc tác vài chục mm
đặt trên lưới thép không gỉ được phủ bằng lưới bạc hoặc đồng. Mức độ chuyển hóa
trên lớp xúc tác này đạt 75-85%, độ chọn lọc 90-92%. Nhược điểm của loái xúc tác
này là rất nhạy đối với tình trạng quá nhiệt và tạp chất, việc chế tạo bột Ag khó
khăn, lượng Ag sử dụng lớn.


+ Xúc tác Ag trên đá bọt, lượng Ag thường chiếm tới 36%. Có hiệu suất
chuyển hóa metanol và tính chọn lọc gần như tương đương xúc tác bạc tinh thể lớn(
α = 75-80%, tính chọn lọc 89-90%). Độ bền nhiệt và độ bền chống chất độc tốt.
Hiện nay xúc tác Ag trên đá bọt được sử dụng phổ biến hơn cả trong công nghiệp
sản xuất formaldehyde. BASF là hãng đầu tiên trên thế giới sản xuất và là nhà cung
cấp xúc tác lớn cho các nhà máy sản xuất formaldehyde trên toàn thế giới theo
công nghệ này.
+ Tuổi thọ xúc tác tùy thuộc cách chế tạo của mỗi nhà máy sản xuất và điều
kiện vận hành (từ 2-6 tháng). Khi hoạt tính và độ chọn lọc của xúc tác giảm đi rõ
rệt cần phải thay thế hoặc tái sinh lại.
+ Xúc tác chế tạo và đươc tái sinh bằng phương pháp điện hóa.

III.Sơ đồ sản xuất formaldehyde theo công nghệ BASF.


Hơi nước
8

Nước

Nước

7

2

Hơi

4

6

6

Không khí
8

1

7

Hơi

3

Metanol,
nước

Dung dòch Formaldehyde 40%

Hình 1 : Dây chuyền sản xuất Formalin theo công nghệ BASF
1. Thiết bò bốc hơi
2. Thiết bò phản ứng
3. Thiết bò trao đổi nhiệt
4. Tháp hấp thụ
5. Nồi hấp thụ nhiệt
6. Thiết bò làm lạnh
7. Thiết bò đun nóng quá nhiệt
8. Thiết bò thổi không khí

Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ:


Đặc trưng của công nghệ này là duy trì độ chuyển hóa methanol ở nhiệt độ cao
đến 7200C. Do đó methanol có mức độ chuyển hóa cao. Sản phẩm có nồng độ (4050%) Formaldehyde, 1.3% methanol và 0.01% axit formic. Hiệu suất của quá trình
đạt 89-95%.
Hỗn hợp methanol và nước được dẫn vào cột bay hơi. Không khía sạch được
dẫn vào cột chưng tách. Hỗn hợp không khí và methanol được tại thành và tong đó
còn có cả một lượng khí trơ (NO 2, H2O và CO2). Với mong muốn sao cho hỗn hợp
phản ứng nằm ngoài giới hoạn nổ, bao gồm khoảng 605 là methanol, 40% là khí trơ
và các loại khác. Một hỗn hợp hoi tạo thành quay trở lại thiết bị bay hơi.
Sự đòi hỏi nhiệt trong quá trình bay hơi hỗn hợp methanol và nước được thực
hiện bởi thiết bị gia nhiệt hoặc nhiệt thừa cảu cột hấp thụ. Sau khi qua thiết bị gia
nhiệt thì hỗn hợp có nhiệt độ rất cao và được dẫn vào thiết bị phản ứng. Trong thiết
bị phản ứng hỗn hợp hơi đi qua lớp xúc tác bạc có bề dày khoảng 25-30mm. Lớp
xúc tác này được trỉa rộng treenn các đĩa của thiết bị phả ứng, điều này cho phép
phản ứng diễn ra trên bề mặt là tốt nhất. Những tầng trung gian được gia nhiệt bằng
cách đun nóng ngoài.

Sản phẩm phản ứng sau khi làm sạch được đưa vào tháp hấp thụ đệm bốn bậc
có làm lạnh trung gian. Nhiệt lượng cần để bốc hơi hỗn hợp methanol-nước được
cung cấp nhờ thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy tháp hấp thụ.
Sản phẩm tuần hoàn trong giai đoạn đầu có thể đạt tới 50% Formaldehyde.
Sản phẩm cuối cùng chứa 40-55% khối lượng formaldehyde và mong muốn đạt
được 0.01% axit formic, 1.3% methanol. Phần khí thải được dẫn vào thiết bị đốt,
sau đó đốt nó tỏa ra một năng lượng khoảng 1970 kJ/m 3 (vì trước khi đốt cháy khí
chứa 4.8% CO2, 0.3% Co, 1.8% H2 còn lại là NO2, nước, methanol và
formaldehyde). Khí sau khi chyas không chứa chất gây ô nhiễm môi trường. Tổng
lượng khí cháy là 3 tấn/100 tấn formaldehyde sản xuất được.
Thời gian sống xủa xúc tác phụ thuộc vào độ tinh khiết, ví dụ một số hợp chất
vô cơ của nguyên liệu đầu có thể gây ngộ độc xúc tác.
Vì Formaldehyde ăn mòn thép cacbon nên tất cả các phần dung dịch
formaldehyde đi qua phải được làm bằng thép chống gỉ. Hơn nữa tất cả các ống dẫn
nước cũng như ống dẫn khí phải được làm bằng kim loại, nhằm bảo vệ xúc tác bạc
chống lại sự ngộ độc xúc tác. Nếu nhiệt độ phù hợp thì năng suất thiết bị tăng khi
đường thiết bị tăng.


CHƯƠNG II
TỰ ĐỘNG HÓA


I.Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động diều chỉnh.
Sơ đồ cấu trúc của hệ diều khiển tự động:

ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N: Nguồn;
BĐK: Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều chỉnh; Y:
Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; YPV: Giá trị thực tế của thông số Y;
YSV: Giá trị đặt của thông số Y.

Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm cho thông
số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được Y PV thay đổi, dẫn đến giá trị sai lệch ε
thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh µ thay đổi, và do đó thiết bị chấp hành
sẽ đưa ra tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vào sai lệch làm cho thông số
công nghệ Y trở lại bình thường.
Trong dây chuyền công nghệ sản xuất formaldehyde thì đối tượng cần điều
chỉnh tự động là thiết bị phản ứng.
Yêu cầu điều khiển:
Đảm bảo các thông số kỹ thuật của thiết bị phản ứng như nhiệt độ, áp suất để
thu được sản phẩm mong muốn, đạt chất lượng yêu cầu. Đảm bảo tính an toàn cho
quá trình sản xuất.
Các tác động điều chỉnh của thiết bị phản ứng:
+ Do quá trình phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao, do vậy ta phải tăng nhiệt độ
liên tục nên ta phải điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp, và cảnh báo sự cố cho tháp
làm việc ổn định.
+ Các thông số nhiễu chủ yếu là chất lượng nguyên liệu và xúc tác, sự cố
đường ống dẫn liệu, sự cố ở thiết bị làm lạnh,…


Ngoài ra, do methanol là chất dễ bay hơi tại nhiệt độ thấp nên áp suất trong
thiết bị phả ứng phải thay đổi lien tục trong suốt thời gian phản ứng. Áp suất cũng
phải được điều khiển sao cho không vượt qua giới hạn của thiết bị phản ứng. Nhằm
đề phòng cháy nổ khi vận hành.
II.Thiết lập tự động hóa điều khiển thiết bị phản ứng trong qúa trình sản xuất
Formanldehyde.
+ Đo và diều khiển áp suất trong tháp: do methanol là chất dễ bay hơi or áp
suất thấp nên áp suất được diều khiển sao cho không vượt quá giới hạn nổ của thiết
bị. Ta lắp đặt khí cụ đo cảnh báo giới hạn của áp suất khi có sự cố xảy ra.

+ Đo và điều khiển lưu lượng sản phẩm: ta dùng khí cụ đo tính tổng dùng để

chỉ thị và định lượng số lượng nhất định. Cơ cấu chấp hành có chức năng đóng van
khi lượng chảy qua vượt giá trị đặt.

+ Đo và điều khiển lưu lượng nguyên liệu vào: do dòng nguyên liệu có thể làm
nhiễu ảnh hưởng tới sự ổn định của tháp nên ta dùng khí cụ đo lưu lượng, ghi, lắp
đặt tại chỗ va truyền tin hiệu về phòng điều khiển. Khi lưu lượng vào tháp vượt quá
cho phép thì van sẽ điều chỉnh lưu lượng vào cho thích hợp.


+ Đo và điều chỉnh các thông số làm việc của tháp: đo các thông số nhiệt độ,
áp suất, mức trong thiết bị phản ứng và truyền tín hiệu về phòng điều khiển để có
điểu khiển cho tháp không làm việc quá giới hạn an toàn của tháp.

+ Đo và điều khiển lượng nước nóng cấp vào tháp: dùng bộ từ xa một thông số
lưu lượng đặt để diều chỉnh lượng nước nónh cấp vào tháp, nếu vượt quá hạn cho
phép van sẽ tự động khóa lại.

Sơ đồ đo và điều khiển tự động quá trình hoạt động của thiết bị phản ứng trong
quá trình sản xuất Formaldehyde.


III.Mô tả hoạt động của mạch điều khiển nhiệt độ
Trong công nghệ sản xuất formaldehyde thì đặc trưng của phản ứng chính là
sự tỏa nhiệt mạnh. Vấn đề đo, theo dõi và điều khiển nhiệt độ của tháp phản ứng
trong suốt quá trình làm việc là rất quan trọng. Trong thực tế người ta dùng loại
ghi và truyền xa về tủ điều khiển để theo dõi liên tục và có tác động điều chỉnh phù
hợp kịp thời.
Trong tháp được đặt một khí cụ đo nhiệt độ, lắp đặt tại chỗ, truyền xa tín hiệu.
Tất cả tín hiệu được đưa vào bộ xử lý chung PLC, đặt tại tủ điều khiển, để thuận
tiện cho việc điều chỉnh.

Hình 7: Mô hình làm việc của bộ điều chỉnh PLC
PLC là một bộ điều khiển hiện đại, sử dụng máy tính công nghiệp điều khiển,
với nhiều cổng vào. Thiết bị này nhận tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, với tốc
độ cao máy thực hiện các phép tính cần thiết, và dựa vào kết quả tính toán, máy
đưa ra chỉ thị để điều khiển quá trình công nghệ. Chỉ thị đưa ra có thể tác động điều
khiển.
Khí cụ đo nhiệt độ được dùng là loại cặp nhiệt điện. Ưu điểm của dụng cụ này
là gọn, bền, hoạt động ở cả vùng nhiệt độ thấp và cao, dễ dàng đo và điều khiển từ
xa. Nhưng nhược điểm là giữa nhiệt độ cài đặt, và nhiệt độ thực sai nhau đến một
vài độ, tùy thiết bị tiếp nhận.
Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt:
Nguyên tắc hoạt động của cặp nhiệt là dựa trên hiệu ứng nhiệt điện được phát
minh từ 1821.
Hai dây dẫn khác nhau về bản chất, được hàn nối vào nhau, nếu giữa hai mối
hàn có chênh lệch nhiệt độ thì trong mạch xuất hiện một suất điện động (hình 8).
Đo suất điện động này bằng một milivon kế nhạy. Suất điện động phụ thuộc
hiệu số nhiệt độ giữa hai đầu mối hàn. Nếu một đầu ta giữ nhiệt độ không đổi


(thường là 0cC - nước đá đang tan hoặc 100 oC - nước đang sôi) thì suất điện động
chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của mối hàn kia. Do vậy, nếu đo được suất điện động ta
suy ra được nhiệt độ tại đầu dây có mối hàn.

to
Hình 8: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt.
Độ lớn suất điện động của cặp nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ (∆t = t - t o) và phụ
thuộc vào bản chất của mỗi kim loại. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào kết
cấu của cặp nhiệt điện, vào cấu tạo của dụng cụ đo và phụ thuộc vào phương pháp

đo. Và ngoài ra, để đảm bảo độ chính xác của dụng cụ đo, nhiệt độ của cực lạnh
phải được giữ ổn định. Trong điều kiện sản xuất, việc bảo đảm nhiệt độ không thay
đổi khi lắp đặt cặp nhiệt vào thiết bị công nghệ có độ nóng cao, thực tế là không
thực hiện được. Chính vì vậy ta kéo dài cặp nhiệt bằng dây dẫn cùng vật liệu ở cực
lạnh đến vị trí mà ở đó có thể giữ ổn định nhiệt được.
Các cặp nhiệt được chế tạo từ cặp vật liệu như nhau, có khả năng lắp lẫn nhau,
nghĩa là chúng tạo ra suất điện động như nhau ứng với nhiệt độ bằng nhau. Chính
vì vậy ta có thể nối đến một dụng cụ đo thứ cấp thông qua chuyển mạch, nhiều cặp
nhiệt cùng loại để đo nhiệt độ ở nhiều điểm trong dây chuyền công nghệ. Và đây
cũng là một ưu điểm để lựa chọn dụng cụ đo nhiệt độ trong dây chuyền công nghệ
này là cặp nhiệt.
Do dây chuyền công nghệ này làm việc ở khoảng nhiệt độ cao nên cặp nhiệt
thường được dùng là loai: sắt – copen (giới hạn đo từ -200 đến 750 oC). Vì dùng vật
liệu đắt tiền mà phải kéo dài cặp nhiệt bằng dây dẫn cùng loại là không không kinh
tế.


TÀI LIỆU THAM KHẢO