Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
LỜI CẢM ƠN
Một niềm tri ân sâu sắc xin gửi đến quý thầy cô khoa Hóa học và Công nghệ
thực phẩm, những người đã truyền đạt kiến thức vô giá làm nền tảng cho công việc
sau này. Cũng như câu “Không bao giờ xây nên một tòa nhà cao nếu không có một
cái móng vững chắc”.
Và đặc biệt xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ths ……… , người đã trực
tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để nhóm thực hiện đồ án này.
Cuối cùng xin gởi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong Khoa Hóa học và
Công nghệ thực phẩm.Đặc biệt là Thầy luôn dồi dào sức khỏe để dạy dỗ chúng em
và các thế hệ sau trở thành người có ích cho đất nước.
tháng 5/2012
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhóm 3. Lớp DH09H2 Trang 1
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
MỞ ĐẦU
Axetylen là chất có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, đặc biệt
là trong công nghiệp, axetylen được dùng làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp các
chất hữu cơ quan trọng như: Vinylclorua, Vinylaxetat, Vinylete, Acrylonytryl,
Axetandehyt. Ngoài ra từ axetylen người ta còn sản xuất ra các hợp chất hóa học
quan trọng khác như: 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 như vậy nên việc chế biến axetylen để sử
dụng tối đa giá trị hiện có trong một thế giới mà nguồn năng lượng đang cạn kiệt
dần là một nhiệm vụ bức thiết đặt ra cho ngành công nghệ kĩ thuật hóa học.
Trong khuôn khổ của đồ án này chúng tôi thiết kế “phân xưởng sản xuất
axetylen từ khí tự nhiên” thông qua việc tính toán thiết bị phân phối khí, tháp hấp
thụ, thiết bị làm lạnh Để giải quyết tốt vấn đề trên thì đồ án này là sự tổng hợp
nhiều kiến thức về chế biến nhiệt, cracking, ngưng tụ, làm lạnh,…
Trang 2
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:

lý nguồn tài nguyên quý giá này. Trong tương lai ngành công nghệ dầu khí sẽ là một
ngành công nghiệp phát triển mạnh đóng góp đáng kể vào sự phát triển của nền
kinh tế của đất nước ta.
Trang 3
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Bảng 1: Thành phần hóa học trung bình của khí thiên nhiên và khí đồng
hành ở Việt Nam ( % thể tích ).
Các cấu tử khí
đồng hành, khí
tự nhiên
Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Tiền Hải
Rồng Tự
Do
CH
4
73,0 77,0 78,0 87,6 84,0
C
2
H
6
12,0 10,0 3,0 3,1 6,0
C
3
H
8
7,0 5,0 2,0 1,2 4,0
C
4
H
10

0
C,760 mmHg) d = 1,17 kg/m
3
+ Trọng lượng phân tử M=26,08 kg/kmol
+ Nhiệt dung riêng phân tử C
p
=0,402 kJ/kg
+ Nhiệt dung ngưng tụ t
nt
=-83,8
0
C
+ Nhiệt độ tới hạn t
tn
=-35,5
0
C
+ Áp suất tời hạn P
tn
=6,04 MPa
+ Nhiệt thăng hoa 21,59 kJ/mol
+ Nhiệt hóa hơi 15,21 kJ/mol
+ Tỷ trọng 0,686 kg/m
3
Tính chất quan trọng khác của axetylen là khả năng hòa tan của nó lơn hơn
nhiều so với những hydro cacbon khác. Điều này ta áp dụng hiệu quả trong quá
trình vận chuyển, phân tách, bảo quản và làm sạch.
Bảng 2: Độ hòa tan của axetylen trong một số dung môi hữu cơ ở 20
0
C

.ở 0
0
C và 0,1MPa; hệ số phân tán tương hỗ của axetylen trong hỗn hợp
lần lượt là 0,538 ; 0,188;0,191 cm
2
.s
-1
.
Trang 6
+ H
2
O
HC CH
CH
3
CHO
H = -38,8 kcal/mol
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
Axetylen bị hấp thụ 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 mặt
kim loại và thủy tinh. Dung dịch keo của paradin có thế hấp phụ tới 460mg
C
2
H
2
/1g/Pd.
2.2 Tính chất hóa học.
Axetylen là hydrocacbon không no có liên kết ba trong phân tử, do đó có khả
năng hoạt động hóa học cao. Khi tham gia phản ứng hóa học liên kết ba bị phá vỡ
để tạo thành liên kết đôi hoặc các hợp chất bão hòa. Do tính không no và

2
HC CH H
3
C CH
3
Ni,t
0
∗ Cộng hợp với H
2
O:
- Khi có xúc tác Hg và H
2
SO
4
ở 70 – 100
0
C.
- Khi xúc tác kẽm và oxit sắt ở 360
0
C.
+ 3H
2
O
HC CH
CH
3
COCH
3
+ CO
2

2
C C
HgCl
H
H
Cl
C C
HgCl
H
Cl
H
cis
trans
∗ Cộng hợp với axit:
Axetylen phản ứng cộng với nhiều axit vô vơ, hữu cơ tạo thành các vinyl có
nhiều giá trị.
Cộng với HCl, phản ứng có thể tiến hành trong pha hơi ở 150
0
C-180
0
C có
xúc tác HgCl
2
/C hoặc tiến hành trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl
2
ta thu được
vinylclorua.
HC CH + HCl H
2
C CHCl

HC CH + CH
3
COOH
H
2
C CHOCOCH
3
Trang 8
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
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.
HC CH + RCOOH
H
2
C CHOCOR
2.2.2 Phản ứng thế của axetylen.
Nguyên tử hydro của C
2
H
2
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.
CuC CCu + H
2
2M + C
2
H
2
M

pha lỏng với xúc tác là Pt, trong hợp chất của Pt tạo thành silicon hữu cơ.
HC CH + HSiCl
3
H
2
C
C SiCl
3
H
2.2.3 Phản ứng trùng hợp của axetylen.
Nhị hợp: Ở nhiệt độ 80
0
C thổi axetylen qua dung dịch bão hòa Cu
2
Cl
2
xảy
ra phản ứng Dime hóa tạo ra vinyl axetylen.
HC CH
2
H
2
C
C C CH
H
Tam hợp: Ở nhiệt độ 600
0
C dưới tác dụng của than hoạt tính, axetylen trùng
hợp tạo thành C
6

2.2.4 Phản ứng oxi hóa của axetylen.
- Phản ứng với dung dịch KMnO
4
:
3C
2
H
2
+ 8KMnO
4
- > 3KOOC – COOK + 8MnO
2
+ 2KOH + 2H
2
O
- Phản ứng đốt cháy:
2C
2
H
2
+ 5O
2
- > 4CO
2
+ 2H
2
O
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.

+ 2H
2
Trang 12
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
C
2
H
6
C
2
H
4
+ H
2
C
2
H
6
C
2
H
2
+ 2H
2
C
3
H
8
C
2

+ C
2
H
6
C
4
H
10
C
4
H
8
+ H
2
C
4
H
10
2C
2
H
2
+ 3H
2
C
2
H
4
⇒ C
2

Hình 3.1.Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon
phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt độ
được miêu tả trên hình 3.2cho thấy axetylen bắt đầu được tạo thành ở nhiệt độ cao
hơn 1000 K (730
0
C). Như vậy quá trình đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ cao và cần
phải cung cấp năng lượng khá lớn.
Hình 3.2. Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào
nhiệt độ.
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 H
2
như trên hình 3.1. Sự chênh lệch nhiệt độ
giữa axetylen với C và H
2
tồn tại tới 4200 K:
C
2
H
2
→ 2C
(R)
+ H
2(K )
; -∆G
298
= -209,3 kJ/mol.
Trang 14
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:

Người ta thấy rằng, với phản ứng phân hủy axetylen, áp suất không ảnh
hưởng mà yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng là nhiệt độ và thời gian phản ứng.
Nhiệt độ càng cao, thời gian phản ứng càng dài, sự phân hủy axetylen càng tăng,
hàm lượng axetylen thu được càng thấp.
3.1.2 Cơ chế của quá trình.
Quá trình nhiệt phân hydrocacbon ở nhiệt độ cao xảy ra theo các phản ứng
thuận nghịch sau:
C
2
H
6
C
2
H
2
+ 2H
2
∆H
298
= 376 kJ/mol.
2CH
4
C
2
H
2
+ 3H
2
∆H
298

H
6
→ C
2
H
4
+ H
2
Trang 15
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
C
2
H
4
→ C
2
H
2
+ H
2
C
2
H
2
→ 2C + H
2
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tạo thành axetylen tiến hành qua
giai đoạn trung gian tạo thành ⋅CH
3
:CH

n(CH≡) → C
n
H
n-m
+ 0,5mH
2
Trong hỗn hợp sản xuất khí thu được ngoài những parafin và olefin thấp còn
có một lượng không lớn benzene, hydrocacbon, nhóm axetylen – metyl axetylen
CH
3
-C≡CH cũng như vinyl axetylen CH
2
=CH-C≡CH và diaxetylen CH≡C-C≡CH,
…
3.2 Lựa chọn nguyên liệu sản xuất axetylen.
Nguyên liệu để sản xuất axetylen có thể sử dụng các hydrocacbon ở dạng khí
hoặc lỏng hoặc hổn hợp của chúng. Tuy nhiên thành phần hóa học của nguyên liệu
là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất các sản phẩm chính của quá trình
(axetylen và etylen,…). Kết quả tốt nhất nhận được khi nhiệt phân n- parafin, đồng
thời nhiệt phản ứng phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng nguyên tử của hydrocacbon
nguyên liệu. Ví dụ:
2CH
4
C
2
H
2
+ 3H
2
; ∆H

C
4
H
10
2C
2
H
2
+ 3H
2
; ∆H
298
= +69,3 kcal/mol.
Như vậy từ các phương trình phản ứng cho thấy phản ứng tạo axetylen từ
metan đến butan có khả năng xảy ra, trong đó nhiệt phân metan tốn nhiều năng
lượng hơn cả.Nhiệt phân izo- parafin và naphta cho hiệu suất cao.
Nguyên liệu kém hiệu quả nhất là hyđrocacbon thơm, khi phân hủy lượng
axetylen nhận được không đáng kể mà tạo nhiều cốc và nhựa.
Thành phần của nguyên liệu xác định nhiệt độ và áp suất của quá trình.Khối
lượng phân tử của hyđrocacbon nguyên liệu càng lớn, độ bền nhiệt càng thấp nên
nhiệt độ phản ứng thích hợp cũng giảm xuống.
Mêtan nhiệt phân ở nhiệt độ cao nhất thường là 1400
0
C và thời gian lưu của
nó trong vùng phản ứng nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,01 giây). Quá trình chuyển hóa mêtan
ở áp suất dư 0,1 đến 0,2 atm xảy ra tới độ sâu phân hủy là 30% và nồng độ axetylen
trong khí đạt được vào khoảng 10% theo thể tích.
Etan là nguyên liệu tiện lợi để sản xuất axetylen. Nếu nhiệt phân ở nhiệt độ
vừa phải, nó là nguyên liệu tốt nhất để nhận etylen, ở nhiệt độ cao hiệu suất
axetylen từ nguyên liệu là etan cũng rất lớn. Với điều kiện quá trình thực hiện ở

hyđrocacbon thành axetylen mà người ta chia thành nhóm các phương pháp sau:
- Quá trình nhiệt điện.
- Quá trình oxy hóa không hoàn toàn.
3.3.1 Quá trình nhiệt điện.
Bản chất của quá trình là sự phóng điện trong môi trường hyđrocacbon khí,
sẽ xảy ra sự đốt nóng cục bộ hỗn hợp khí và cắt mạch các phân tử của nó thành các
Trang 18
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
gốc tự do, tái hợp các gốc tự do này dẫn tới hình thành axetylen và các động đẳng
của nó, muội cacbon, hyđro và các hyđrocacbon cao hơn.
Quá trình nhiệt điện có những ưu điểm sau:
- Nguồn năng lượng cấp cho quá trình không phụ thuộc vào nguyên
liệu hyđrocacbon.
- Tiêu hao hyđrocacbon có thể giảm 50%.
- Với điều kiện năng lượng điện có sẵn và rẻ thì sử dụng quá trình này
kinh tế hơn.
Năm 1962, hãng Dupont (Mỹ) đã phát minh ra loại lò hồ quang với các điện
cực đồng trục để sản xuất axetylen từ hyđrocacbon khí.Theo phương pháp này đã
xây dựng thiết bị công nghiệp với năng suất 25 tấn C
2
H
2
/năm. Sau này, phương
pháp ngày càng hoàn thiện, người ta đưa thêm vào hỗn hợp phản ứng sau khi ra
khỏi vùng tia lửa điện một lượng nguyên liệu mới, nhờ thế nhiệt độ của hỗn hợp khí
giảm từ 1500 … 1600
0
C xuống 800…1000
0
C. Sử dụng nhiệt lượng của khí phản

điểm chạm của hồ quang vào thành điện cực luôn luôn thay đổi, điều đó cho phép
tránh được sự đốt cháy điện cực.
Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí giảm xuống 800
0
C, người ta phun nước vào để
“tôi” sản phẩm khí, nhanh chóng hạ nhiệt độ xuống còn khoảng 180…200
0
C. Ở
nhiệt độ này dùng xyclon có thể tách khoảng 60% muội. Sau đó rửa bằng nước
(hoặc dầu) để tách hết cặn muội và nhựa, rồi đưa đi chế biến thu hồi axetylen,
etylen…
Trên hình 3.7 biểu diễn hiệu suất axetylen, etylen và năng lượng yêu cầu cho
các hydrocacbon trong quá trình không “tôi” trong những điệu kiện xác định. Metan
có năng lượng yêu cầu riêng (SER) cao nhất và cho hiệu suất axetylen cao nhất,
Trang 20
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
hiệu suất etylen thấp nhất. Đối với các hydrocacbon có mạch cacbon càng lớn, năng
lượng yêu cầu riêng và hiệu suất axetylen giảm xuống tương đương với sự giảm
nhiệt cấp vào để tạo ra axetylen từ các hydrocacbon khác nhau.
Hình 3.7. Hiệu suất axetylen, etylen trong quá trình không “tôi”.
Nhiệt phân có quá trình “tôi” thực chất là một quá trình nhiệt phân có điều
khiển.Loại và lượng hydrocacbon sử dụng để “tôi” sơ bộ có thể rất đa dạng. Hình
3.8 mô tả đặc trưng hiệu suất sản phẩm với tốc độ “tôi” khác nhau trong trường hợp
metan là nguyên liệu và propan là chất để “tôi”. Hiệu suất axetylen và hydro không
chịu ảnh hưởng của tốc độ “tôi”, trong khi đó etylen có điểm cực đại sau đó giảm
xuống khi thời gian “tôi” quá ngắn. Đối với propan hiệu suất có tăng và tỷ lệ C
3
: C
2
nhỏ hơn 0,25.

từ năm 1950. Cho đến năm 1983 tổng sản lượng axetylen trên toàn thế giới được
sản xuất theo công nghệ này vào khoảng 400.000 tấn/năm. Hầu hết đều sử dụng
phương pháp “tôi” bằng nước, chỉ có một nhà máy ở Đức sử dụng phương pháp
“tôi” bằng dầu.
Hỗn hợp oxy và hydrocacbon được trộn trước theo tỷ lệ xác định. Ban đầu là
quá trình cháy một phần nguyên liệu và ngay sau đó là quá trình oxy hóa không
hoàn toàn hydrocacbon. Trong phương pháp này độ chuyển hóa hydrocacbon
không phụ thuộc vào tốc độ khí đưa vào mà chỉ cần khống chế thời gian lưu trong
Trang 22
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
tầng phản ứng nhỏ hơn nhiều so với thời gian phân hủy trung bình của axetylen.Gia
nhiệt sơ bộ nguyên liệu phản ứng đến nhiệt độ cao nhất có thể đạt được trước khi
đưa vào lò phản ứng sẽ giảm được tiêu hao oxy và hydrocacbon nguyên liệu. Đồng
thời cũng tạo ra tốc độ lan truyền ngọn lửa cao hơn và lưu lượng dòng lớn hơn
trong lò phản ứng.
Hình 3.10. Lò phản ứng oxy hóa không hoàn toàn của BASF.
Tại đỉnh thiết bị, tác nhân phản ứng đã được gia nhiệt sơ bộ (đối với metan
khoảng 600
0
C) được trộn hỗn hợp thật nhanh với oxy tại buồng trộn.Khi hỗn hợp
phản ứng được đưa vào buồng phản ứng, sự bắt lửa xảy ra trong khoảng thời gian
vài mili giây tùy thuộc vào nguyên liệu hydrocacbon và quá trình gia nhiệt sơ
bộ.Các hydrocacbon cao hơn sẽ được gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ thấp hơn so với
metan.Để tránh sự thổi ngược lại của hỗn hợp khí giữa buồng trộn và tầng phản
Trang 23
Đồ Án Quá Trình Thiết Bị GVHD:
ứng, người ta sử dụng thiết bị khuếch tán là một ống nối từ buồng trộn tới lò đốt.Vì
thành ống nhẵn và luôn luôn có dòng khí đều đặn đi qua các lổ nhỏ của lò đốt nên
thực tế không xảy ra sự chuyển động ngược lại của hỗn hợp khí.Lò đốt gồm những
tấm thép được làm nguội bằng nước và có rất nhiều khe nhỏ để dòng khí đi qua.

0
C, sau đó hỗn hợp
được đưa qua tháp làm lạnh 3 để tiếp tục làm lạnh, tách muội cacbon và bụi cơ học.
Thiết bị lọc điện 4 lắp sau đó cho phép tách triệt để hơn muội cacbon và bụi cơ
học. Khí sạch nhận được từ đỉnh cột làm lạnh có nhiệt độ 30
0
C được đưa qua máy
nén sang bộ phận tinh chế thu sản phẩm axetylen. Muội cacbon được thu hồi nhờ
bộ phận lắng gạn 5 và được đưa sang lò đốt. Thiết bị làm lạnh 6 có tác dụng làm
lạnh nước và bơm vận chuyển tuần hoàn lượng nước đưa vào “tôi” hỗn hợp sau
phản ứng.
Ưu điểm của công nghệ theo sơ đồ này là có thể thu được axetylen với hiệu
suất cao và được làm sạch triệt để muội cacbon. Tuy nhiên cần phải bơm một lượng
lớn nước để “tôi” sản phẩm phản ứng, không tận dụng được nhiệt của phản ứng.
Trong sơ đồ trên hình 3.12người ta đã khắc phục nhược điểm của sơ đồ trên
bằng cách tận dụng nhiệt của phản ứng để nhiệt phân cặn dầu. Tương tự như sơ đồ
trên, ban đầu khí nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ 600 …700
0
C trong thiết
bị gia nhiệt 1, sau đó được dẫn vào thiết bị phản ứng 2, hỗn hợp sau phản ứng được
“tôi” bằng cách phun cặn dầu đến nhiệt độ 200 …250
0
C, lượng dầu chưa cháy hết
được lắng ở đáy tháp và được bơm trở lại nhờ hệ thống bơm màng. Hỗn hợp khí
sau phản ứng cùng với các sản phẩm phân hủy của dầu là các hydrocacbon thơm
(benzene toluen xylen – BTX) được đưa qua trao đổi nhiệt làm sạch khỏi muội
cacbon tại tháp trao đổi nhiệt 3. Tháp trao đổi nhiệt có 3 phần, ở phần dưới cùng
hỗn hợp khí trao đổ nhiệt với dầu, ở phần giữa trao đổi nhiệt tiếp tục và có tách các
hợp chất vòng ngưng tụ, ở phần trên cùng trao đổi nhiệt với hydrocacbon thơm nhẹ
(BTX). Sản phẩm khí đi ra từ trên đỉnh tháp là hỗn hợp của axetylen, cacbonic,