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

, 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

= 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

( ) ( )
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

, 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

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

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+

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

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).

- 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


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

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

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

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

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

= 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

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

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

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


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)
= + + + +
= + + + +


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

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 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

, 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

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: