vovongtinhyeu
New Member
Download miễn phí Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen công suất 70.000 tấn/năm
PHAÀN I: MễÛ ẹAÀU 1
PHAÀN II :TOÅNG QUAN CHệễNG I: TÍNH CHAÁT VAÄT LYÙ VAỉ HOÙA HOẽC CUÛA AXETYLEN 4
I . Giụựi thieọu. Axetylen là hydrocacbon có một liên kết 3 đơn
II. Tớnh chaỏt vaọt lyự. 6
III. Tớnh chaỏt hoựa hoùc. 11
III.1. Caực phaỷn ửựng quan troùng trong coõng nghieọp 12
Chương II. Các tính chất của nguyên liệu 24
1. Canxi cacbua. 24
2.Nguyên liệu là hydrocacbon . 27
Chương III: Ứng dụng của axetylen 30
Phần II: Các phương pháp sản xuất 32
Chương I: Công gnhệ sản xuất Axetylen từ than đá và cacbua can xi. 32
1. Thiết bị loại ướt. 34
2. Thiết bị loại khô. 35
3. Phương pháp sản xuất Axetylen trực tiếp từ than đá. 38
ChươngII. Sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên. 41
1. Sơ lược về nguyên liệu khí thiên nhiên. 41
2. Cơ sở nhiệt động học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon. 44
3. Cơ chế của quá trình. 47
4. Động học quá trình nhiệt phân các hydrocacbon nguyên liệu. 48
5. Động học tạo thành và phân huỷ axetylen. 51
6. Các công nghệ sản xuất axetylen. 55
7.Phương pháp tách axetylen ra khỏi hỗn hợp khí nhiệt phân. Khí sau
CHƯƠNG III. So sánh các công nghệ sản xuất và chọn sơ đồ công nghệ sản xuất. 69
Phần IV: Tính toán 73
Chương I. Tính cân bằng vật chất 73
I. Tính cân bằng vật chất cho quá trình tách Axetylen bằng dung môi NMP-H2O. 73
II. Tính cân bằng vật chất trong thiết bị phản ứng. 82
Chương II: Tính cân bằng nhiệt lượng. 89
1.Tính nhiệt dung riêng của Oxy kỹ thuật. 89
2.Nhiệt dung riêng của khí tự nhiên đi vào ở 6000C: 90
3.Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 92
4.Tính nhiệt dung riêng của khí nhiệt phân ra ở 800C. 94
4.1.Nhiệt dung riêng của các cấu tử tương ứng trong hỗn hợp khí nhiệt phân 95
4.2.Tính lượng nhiệt cần lấy trong quá trình tui Q7: 97
Chương III. Tính toán thiết bị chính 103
I. Tính thiết bị phản ứng chính 103
1. Tính đường kính và số ống phân phối khí. 103
II. Tính toán cơ khí cho thiết bị phản ứng chính 105
1.Tính chiều dày thân thiết bị. 106
2. Tính đường kính ống dẫn: 107
2. Tính thiết bị làm lạnh khi Cr-acking. 109
2.1 Tính đường kính tháp. 109
2.2 Tính chiều cao của đoạn tháp 112
3. Tính tháp hấp thụ. 113
4. Chiều cao của tháp 115
Để tải tài liệu này, vui lòng Trả lời bài viết, Mods sẽ gửi Link download cho bạn ngay qua hòm tin nhắn.
Ketnooi -
You must be registered for see links
Ai cần tài liệu gì mà không tìm thấy ở Ketnooi, đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
ìn giây, hỗn hợp cốc - khí được làm nguội nhanh bởi nước hay khí. Công nghệ hồ quang của hãng Hulss cũng có hệ thống làm lạnh sơ bộ tương 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 lượng CO tuỳ từng trường hợp vào lượng oxy ở trong than. Do sự có mặt của N và S trong than nên các sản phẩm phụ khác cũng được tạo thành như HCN, CS2, COS và mercaptan. Do đó người ta phải thiết kế thêm hệ thống tách khí. Phụ thuộc vào hàm lượng 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 lượng chất bốc trong than có từ 33 á 50%. Vì vậy 50% còn lại sẽ là than gỗ. Cho đến nay những thí nghiệm đưa than gỗ vào sử dụng trong công nghiệp chế biến cao su vẫn chưa thu được kết quả. Do đó than này vẫn chỉ được sử dụng cho việc khí hoá hay làm nhiên liệu.
ChươngII. Sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên.
1. Sơ lược về nguyên liệu khí thiên nhiên.
Khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dưới mặt đất, là hỗn hợp hydrocacbon của dãy đồng đẳng metan gồm: metan, etan, propan, butan. Những thành phần chủ yếu của khí tự nhiên là metan. Khí tự nhiên là nguồn tài nguyên quí giá với trử lượng lớn, phân bố trên đất liền hay ngoài biển. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều mỏ khí tự nhiên với trữ lượng lớn ở nhiều nơi trên thế giới: Liên xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam Mỹ, Canada, Đông Nam á, Nhật Bản... ở nước ta hiện nay đã phát hiện nhiều mỏ khí thiên nhiên như ở Tiền Hải (Thái Bình), Nam Cô Sơn (Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng Ngọc) với trữ lượng khoảng 70 tỷ m3. Thành phần khí tự nhiên ở nước ta chứa 96% metan, 2% Etylen, 2% các khí khác.
Việc khai thác và sử dụng khí tự nhiên còn hạn chế như vận chuyển dù bằng xe, tàu hay đường ống đều tiêu tốn năng lượng và đắt, hơn nữa không an toàn. Tuy nhiên chúng có nhiều giá trị trong chế biến để sản xuất nguyên liệu và nhiên liệu phục vụ cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Để thu được sản phẩm riêng từ khí thiên nhiên người ta xây dựng các nhà máy chế biến khí với nhiều phương pháp khác nhau như: Ngưng tụ nhiệt độ thấp, hấp thụ nhiệt độ thấp, chưng cất nhiệt độ thấp.
ở nhiều mỏ khí, khí thiên nhiên thu hồi được là khí chua, khí chua là khí có nhiều H2S và CO2. Mặc dù CO2 chứa một lượng không đáng kể trong khí thiên nhiên nhưng nó là điều không mong muốn, bởi vì khi vận chuyển khí thiên nhiên đòi hỏi phải chi phí nhiều hơn, làm giảm nhiệt cháy của khí và gây ăn mòn đường ống, nồng độ CO2 có thể được cho phép ở một tỷ lệ % nhất định. Trong một số trường hợp nồng độ của H2S trong khí thương phẩm phải được giảm xuống dưới 3pPhần mềm bởi vì H2S là một hợp chất có độc tính cao. Hơn nữa, nó là một chất gây ăn mòn mạnh khi kết hợp với nước và khi cháy tạo ra sản phẩm SO2 và SO3 cũng là chất độc và gây ăn mòn mạnh. Do đó khí chua cần tách lưu huỳnh hay làm ngọt khí để làm giảm nồng độ H2S chỉ còn vết.
Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của S. Trước khi đưa vào chế biến, khí cần qua công đoạn chuẩn bị tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng các quá trình tách bụi, tách hơi nước và các khí axit.
Trong baỷng sau ủửa ra thaứnh phaàn cuỷa khớ tửù nhieõn khai thaực tửứ moọt vaứi moỷ cuỷa Vieọt Nam.
Khớ tửù nhieõn ủửụùc khai thaực tửứ vuứng truừng Nam Coõn Sụn coự chửựa 96% Meõtan, 2%Etan, 1%CO2 vaứ 1% caực khớ khaực. Caực caỏu tửỷ cụ baỷn cuỷa khớ tửù nhieõn vaứ khớ ủoàng haứnh laứ hydrocacbon no, caực parafin daừy ủoàng ủaỳng cuỷa Meõtan.
Trong khớ tửù nhieõn Meõtan laứ chuỷ yeỏu, trong khớ ủoàng haứnh thaứnh phaàn thay ủoồi trong khoaỷng khaự roọng. ẹieàu ủoự raỏt quan troùng trong vieọc lửùa choùn coõng ngheọ cheỏ bieỏn thớch hụùp, sửỷ duùng hụùp lớ nguoàn nguyeõn lieọu vaứ saỷn phaồm nhaọn ủửụùc.
Thaứnh phaàn hoaự hoùc trung bỡnh cuỷa khớ tửù nhieõn vaứ khớ ủoàng haứnh ụỷ Vieọt Nam(%theồ tớch) [I –14 ].
Caực caỏu tửỷ
Khớ ủoàng haứnh
Khớ tửù nhieõn
Baùch Hoồ
ẹaùi Huứng
Roàng
Tieàn Haỷi
Roàng tửù do
CH4
73
77
78
87.6
84
C2H6
13
10
3.0
3.1
6.0
C3H8
7.0
5.0
2.0
1.2
4.0
C4H10
2.9
3.3
1.0
1.0
2.0
C5H12
2.5
1.2
1.0
0.8
2.0
N2
0.5
0.5
13.0
3.0
10.0
CO2
0.7
3.0
2.0
3.0
4.0
Thaứnh phaàn cuỷa khớ tửù nhieõn .
Thaứnh phaàn
Phaàn mol
Caực Hyủroõcacbon
Meõtan
Etan
Propan
Butan
N – butan
Iso – butan
N – pentan
Iso – pentan
Hexan
Heptan vaứ caực Hyủroõcacbon cao hụn
Phi Hyủrocacbon :
He
N2
CO2
H2S
0.75 á 0.99
á 0.15
á 0.1
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.001
0.00 á 0.05
0.00 á 0.15
0.00 á 0.10
0.00 á 0.30
2. Cơ sở nhiệt động học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon.
Quá trình phân huỷ 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 sau:
2CH4 ô C2H2 + 3H2
2CH4 ô C2H4 + 2H2
C2H6 ô C2H4 + H2
C2H6 ô C2H2 + 2H2
C3H8 ô C2H4 + CH4
C3H8 ô C3H6 + H2
C3H8 ô 1,5 C2H2 + 2,5H2
C4H10 ô C2H4 + C2H6
C4H10 ô C4H8 + H2
C4H10 ô 2C2H 2 + 3 H2
C2H4 ô C2H2 + H2
C3H6 ô 1,5C2H2 + 1,5H2
Các phản ứng này đều là các phản ứng thu nhiệt điển hình và là phản ứng tăng thể tích: Quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn do các tính chất nhiệt động của các hydrocacbon.
140-
120-
100-
80-
60-
40-
20-
0-
-20-
-40
300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900
DGf kJ/mol
C(rắn), H2 khí
CH4
C2H6
nC4H10
C3H6
C3H6
C2H4
C2H2
Hình 5: Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt độ K
Từ đồ thị hình 5 thấy rằng: ở nhiệt độ thường axetylen không thể tạo thành từ các hydrocacbon khác.Năng lượng tự do Gibbs của axetylen giảm khi tăng nhiệt độ trong khi năng lượng 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 nhiệt độ cao quá trình sản xuất hydrocacbon nặng hơn.
28-
24-
20-
16-
12-
8-
4-
1200 1400 1600 1800 2000
Axetylen % thể tích
Nhiệt độ K
k
Hình 6: Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt
Từ đồ thị hình 6 cho thấy axetylen bắt đầu tạo thành ở nhiệt độ cao hơn 1000 K (7300C). Như vậy quá trình đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ cao và cần cung cấp năng lượng 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 4200k.
C2H2 đ 2CR + H2K - DG298 = - 209,3 kJ/mol
Quá trình phân huỷ tạo muối cacbon theo các phản ứng sau:
CH4 ô C + 2H2
C2H6 ô 2C + 3H2
C2H4 ô 2C + 2H2
C2H2 ô 2C + H2
Như vậy, chính axetylen tạo thành cũng bị phân huỷ nếu điều kiện phản ứng thích hợp cho quá trình tạo muội cacbon. Quá trình tạo muội xảy ra mảnh liệt ở khoảng nhiệt độ 1200 á 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 nước hay phun dầu, gọi là quá trình "tôi" bằng nước hay bằng dầu.
Người ta thấy rằng, với phản ứng phân huỷ axetylen, áp suất không ảnh hưởng mà yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng đó là nhiệt độ và thời gian phản ứng, thời gian phản ứng càng dài sự phân huỷ axetylen càng tăng, hàm lượng axetylen thu được càng thấp.
3. Cơ chế của quá trình.
Quá trình nhiệt phản hydrocacbon ở nhiệt độ cao xảy ra theo các phản ứng thuận nghịch sau:
2CH4 ô C2H2 + 3H2 DH298 = 376 kJ/mol
C2H6 ô C2H2 + 2H2 DH298 = 311 kJ/mol
Các phản ứng trên là các phản ứng thu nhiệt, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ở nhiệt độ 1000 .... 13000C. Thực tế để đạt vận tốc đủ lớn, quá trình cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn cụ thể ở 1500 á 16000C với CH4, còn đối với hydrocacbon lỏng quá trình thực hiện ở 12000C.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc.
CH4 đ : CH2 + H2
: CH2 + CH4 đ C2H6
C2H6 đ C2H4 + H2
C2H4 đ C2H2 + H2
C2H2 đ 2C + H2
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tạo thành Axetylen tiến hành qua giai đoạn trung gian tạo thành . Quá trình phân huỷ metan có cơ chế chuỗi gốc như sau:
Các gốc có thể trùng hợp
n(CH º) đ CnH2n
n(CH º) đ CnHn-m + 0,5mHz
Trong hỗn hợp sản phẩm khí thu được ngoài những parafin và olefin thấp còn có một lượng không lớn bezen, hydrocacbon, nhóm axetylen- metyl axetylen CH3 - C º CH cũng như Vinyl axetylen CH2 = CH - C º CH và diaxetylen CH º C - C º CH.
4. Động học quá trình nhiệt phân các hydrocacbon nguyên liệu.
Hiệu suất Axetylen quá trình nhiệt phân hydrocacbon được xác định bằng động học tiến hành phản ứng: Tốc độ tạo thành axetylen cần cao hơn tốc độ phân huỷ của nó thành các chất đơn giản. Vì thế để đạt được hiệu suất cao với sản phẩm chính là axetylen cần hạn chế các phản ứng không mong muốn bằng cách làm lạnh nhanh sản phẩm phản ứng (quá trình "tôi").
Quá trình phân huỷ từng hợp chất riêng biệt của hỗn hợp hydrocacbon khí được giả thiết như sau: Quá trình ph...
Ngoài Axetylen, trong khí thoát ra còn có một lượng CO tuỳ từng trường hợp vào lượng oxy ở trong than. Do sự có mặt của N và S trong than nên các sản phẩm phụ khác cũng được tạo thành như HCN, CS2, COS và mercaptan. Do đó người ta phải thiết kế thêm hệ thống tách khí. Phụ thuộc vào hàm lượng 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 lượng chất bốc trong than có từ 33 á 50%. Vì vậy 50% còn lại sẽ là than gỗ. Cho đến nay những thí nghiệm đưa than gỗ vào sử dụng trong công nghiệp chế biến cao su vẫn chưa thu được kết quả. Do đó than này vẫn chỉ được sử dụng cho việc khí hoá hay làm nhiên liệu.
ChươngII. Sản xuất Axetylen từ khí thiên nhiên.
1. Sơ lược về nguyên liệu khí thiên nhiên.
Khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dưới mặt đất, là hỗn hợp hydrocacbon của dãy đồng đẳng metan gồm: metan, etan, propan, butan. Những thành phần chủ yếu của khí tự nhiên là metan. Khí tự nhiên là nguồn tài nguyên quí giá với trử lượng lớn, phân bố trên đất liền hay ngoài biển. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều mỏ khí tự nhiên với trữ lượng lớn ở nhiều nơi trên thế giới: Liên xô cũ, Mỹ, Trung Đông, Bắc Phi, Nam Mỹ, Canada, Đông Nam á, Nhật Bản... ở nước ta hiện nay đã phát hiện nhiều mỏ khí thiên nhiên như ở Tiền Hải (Thái Bình), Nam Cô Sơn (Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng Ngọc) với trữ lượng khoảng 70 tỷ m3. Thành phần khí tự nhiên ở nước ta chứa 96% metan, 2% Etylen, 2% các khí khác.
Việc khai thác và sử dụng khí tự nhiên còn hạn chế như vận chuyển dù bằng xe, tàu hay đường ống đều tiêu tốn năng lượng và đắt, hơn nữa không an toàn. Tuy nhiên chúng có nhiều giá trị trong chế biến để sản xuất nguyên liệu và nhiên liệu phục vụ cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Để thu được sản phẩm riêng từ khí thiên nhiên người ta xây dựng các nhà máy chế biến khí với nhiều phương pháp khác nhau như: Ngưng tụ nhiệt độ thấp, hấp thụ nhiệt độ thấp, chưng cất nhiệt độ thấp.
ở nhiều mỏ khí, khí thiên nhiên thu hồi được là khí chua, khí chua là khí có nhiều H2S và CO2. Mặc dù CO2 chứa một lượng không đáng kể trong khí thiên nhiên nhưng nó là điều không mong muốn, bởi vì khi vận chuyển khí thiên nhiên đòi hỏi phải chi phí nhiều hơn, làm giảm nhiệt cháy của khí và gây ăn mòn đường ống, nồng độ CO2 có thể được cho phép ở một tỷ lệ % nhất định. Trong một số trường hợp nồng độ của H2S trong khí thương phẩm phải được giảm xuống dưới 3pPhần mềm bởi vì H2S là một hợp chất có độc tính cao. Hơn nữa, nó là một chất gây ăn mòn mạnh khi kết hợp với nước và khi cháy tạo ra sản phẩm SO2 và SO3 cũng là chất độc và gây ăn mòn mạnh. Do đó khí chua cần tách lưu huỳnh hay làm ngọt khí để làm giảm nồng độ H2S chỉ còn vết.
Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của S. Trước khi đưa vào chế biến, khí cần qua công đoạn chuẩn bị tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng các quá trình tách bụi, tách hơi nước và các khí axit.
Trong baỷng sau ủửa ra thaứnh phaàn cuỷa khớ tửù nhieõn khai thaực tửứ moọt vaứi moỷ cuỷa Vieọt Nam.
Khớ tửù nhieõn ủửụùc khai thaực tửứ vuứng truừng Nam Coõn Sụn coự chửựa 96% Meõtan, 2%Etan, 1%CO2 vaứ 1% caực khớ khaực. Caực caỏu tửỷ cụ baỷn cuỷa khớ tửù nhieõn vaứ khớ ủoàng haứnh laứ hydrocacbon no, caực parafin daừy ủoàng ủaỳng cuỷa Meõtan.
Trong khớ tửù nhieõn Meõtan laứ chuỷ yeỏu, trong khớ ủoàng haứnh thaứnh phaàn thay ủoồi trong khoaỷng khaự roọng. ẹieàu ủoự raỏt quan troùng trong vieọc lửùa choùn coõng ngheọ cheỏ bieỏn thớch hụùp, sửỷ duùng hụùp lớ nguoàn nguyeõn lieọu vaứ saỷn phaồm nhaọn ủửụùc.
Thaứnh phaàn hoaự hoùc trung bỡnh cuỷa khớ tửù nhieõn vaứ khớ ủoàng haứnh ụỷ Vieọt Nam(%theồ tớch) [I –14 ].
Caực caỏu tửỷ
Khớ ủoàng haứnh
Khớ tửù nhieõn
Baùch Hoồ
ẹaùi Huứng
Roàng
Tieàn Haỷi
Roàng tửù do
CH4
73
77
78
87.6
84
C2H6
13
10
3.0
3.1
6.0
C3H8
7.0
5.0
2.0
1.2
4.0
C4H10
2.9
3.3
1.0
1.0
2.0
C5H12
2.5
1.2
1.0
0.8
2.0
N2
0.5
0.5
13.0
3.0
10.0
CO2
0.7
3.0
2.0
3.0
4.0
Thaứnh phaàn cuỷa khớ tửù nhieõn .
Thaứnh phaàn
Phaàn mol
Caực Hyủroõcacbon
Meõtan
Etan
Propan
Butan
N – butan
Iso – butan
N – pentan
Iso – pentan
Hexan
Heptan vaứ caực Hyủroõcacbon cao hụn
Phi Hyủrocacbon :
He
N2
CO2
H2S
0.75 á 0.99
á 0.15
á 0.1
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.01
0.00 á 0.001
0.00 á 0.05
0.00 á 0.15
0.00 á 0.10
0.00 á 0.30
2. Cơ sở nhiệt động học của quá trình nhiệt phân hydrocacbon.
Quá trình phân huỷ 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 sau:
2CH4 ô C2H2 + 3H2
2CH4 ô C2H4 + 2H2
C2H6 ô C2H4 + H2
C2H6 ô C2H2 + 2H2
C3H8 ô C2H4 + CH4
C3H8 ô C3H6 + H2
C3H8 ô 1,5 C2H2 + 2,5H2
C4H10 ô C2H4 + C2H6
C4H10 ô C4H8 + H2
C4H10 ô 2C2H 2 + 3 H2
C2H4 ô C2H2 + H2
C3H6 ô 1,5C2H2 + 1,5H2
Các phản ứng này đều là các phản ứng thu nhiệt điển hình và là phản ứng tăng thể tích: Quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn do các tính chất nhiệt động của các hydrocacbon.
140-
120-
100-
80-
60-
40-
20-
0-
-20-
-40
300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900
DGf kJ/mol
C(rắn), H2 khí
CH4
C2H6
nC4H10
C3H6
C3H6
C2H4
C2H2
Hình 5: Năng lượng tự do Gibbs của các hydrocacbon phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt độ K
Từ đồ thị hình 5 thấy rằng: ở nhiệt độ thường axetylen không thể tạo thành từ các hydrocacbon khác.Năng lượng tự do Gibbs của axetylen giảm khi tăng nhiệt độ trong khi năng lượng 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 nhiệt độ cao quá trình sản xuất hydrocacbon nặng hơn.
28-
24-
20-
16-
12-
8-
4-
1200 1400 1600 1800 2000
Axetylen % thể tích
Nhiệt độ K
k
Hình 6: Đường cong cân bằng của phản ứng nhiệt phân metan phụ thuộc vào nhiệt
Từ đồ thị hình 6 cho thấy axetylen bắt đầu tạo thành ở nhiệt độ cao hơn 1000 K (7300C). Như vậy quá trình đòi hỏi phải thực hiện ở nhiệt độ cao và cần cung cấp năng lượng 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 4200k.
C2H2 đ 2CR + H2K - DG298 = - 209,3 kJ/mol
Quá trình phân huỷ tạo muối cacbon theo các phản ứng sau:
CH4 ô C + 2H2
C2H6 ô 2C + 3H2
C2H4 ô 2C + 2H2
C2H2 ô 2C + H2
Như vậy, chính axetylen tạo thành cũng bị phân huỷ nếu điều kiện phản ứng thích hợp cho quá trình tạo muội cacbon. Quá trình tạo muội xảy ra mảnh liệt ở khoảng nhiệt độ 1200 á 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 nước hay phun dầu, gọi là quá trình "tôi" bằng nước hay bằng dầu.
Người ta thấy rằng, với phản ứng phân huỷ axetylen, áp suất không ảnh hưởng mà yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng đó là nhiệt độ và thời gian phản ứng, thời gian phản ứng càng dài sự phân huỷ axetylen càng tăng, hàm lượng axetylen thu được càng thấp.
3. Cơ chế của quá trình.
Quá trình nhiệt phản hydrocacbon ở nhiệt độ cao xảy ra theo các phản ứng thuận nghịch sau:
2CH4 ô C2H2 + 3H2 DH298 = 376 kJ/mol
C2H6 ô C2H2 + 2H2 DH298 = 311 kJ/mol
Các phản ứng trên là các phản ứng thu nhiệt, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ở nhiệt độ 1000 .... 13000C. Thực tế để đạt vận tốc đủ lớn, quá trình cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn cụ thể ở 1500 á 16000C với CH4, còn đối với hydrocacbon lỏng quá trình thực hiện ở 12000C.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc.
CH4 đ : CH2 + H2
: CH2 + CH4 đ C2H6
C2H6 đ C2H4 + H2
C2H4 đ C2H2 + H2
C2H2 đ 2C + H2
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tạo thành Axetylen tiến hành qua giai đoạn trung gian tạo thành . Quá trình phân huỷ metan có cơ chế chuỗi gốc như sau:
Các gốc có thể trùng hợp
n(CH º) đ CnH2n
n(CH º) đ CnHn-m + 0,5mHz
Trong hỗn hợp sản phẩm khí thu được ngoài những parafin và olefin thấp còn có một lượng không lớn bezen, hydrocacbon, nhóm axetylen- metyl axetylen CH3 - C º CH cũng như Vinyl axetylen CH2 = CH - C º CH và diaxetylen CH º C - C º CH.
4. Động học quá trình nhiệt phân các hydrocacbon nguyên liệu.
Hiệu suất Axetylen quá trình nhiệt phân hydrocacbon được xác định bằng động học tiến hành phản ứng: Tốc độ tạo thành axetylen cần cao hơn tốc độ phân huỷ của nó thành các chất đơn giản. Vì thế để đạt được hiệu suất cao với sản phẩm chính là axetylen cần hạn chế các phản ứng không mong muốn bằng cách làm lạnh nhanh sản phẩm phản ứng (quá trình "tôi").
Quá trình phân huỷ từng hợp chất riêng biệt của hỗn hợp hydrocacbon khí được giả thiết như sau: Quá trình ph...