Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Acid acetic (axit axetic hay axit etanoic, $\text{CH}_3\text{COOH}$) là hợp chất hữu cơ cơ bản thuộc dãy đồng đẳng axit monocacboxylic, đóng vai trò nguyên liệu trung gian cốt lõi trong ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ - hóa dầu. Hóa chất này được ứng dụng sâu rộng trong các lĩnh vực sản xuất cuối dòng như monome vinyl axetat (VAM - phục vụ công nghiệp sơn, chất kết dính), axit terephtalic tinh khiết (PTA - sản xuất sợi polyester), etyl axetat (dung môi công nghiệp), anhydric axetic, cũng như ngành dệt may và chế biến thực phẩm.

Theo các khảo sát thị trường quốc tế, nhu cầu tiêu thụ acid acetic toàn cầu tăng trưởng liên tục từ 6,11 triệu tấn (năm 2000) lên 10,24 triệu tấn (năm 2011) và dự kiến đạt 15,53 triệu tấn vào năm 2020 (tốc độ tăng trưởng trung bình 4,7%/năm). Trong đó, khu vực Châu Á – Thái Bình Dương chiếm tỷ trọng chi phối (hơn 60% năm 2011 và dự báo trên 72% năm 2020), dẫn đầu là thị trường Trung Quốc và sự hồi phục tiêu thụ tại Mỹ.

Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng acid acetic phục vụ công nghiệp liên tục gia tăng nhưng nguồn cung trong nước hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào nhập khẩu. Năng lực sản xuất nội địa thời điểm nghiên cứu chủ yếu dựa vào phương pháp vi sinh với quy mô nhỏ, nồng độ sản phẩm thấp và hiệu quả kinh tế chưa đáp ứng yêu cầu công nghiệp. Các đề tài nghiên cứu chuyển giao từ cồn etylic của Viện Hóa học Công nghiệp, Viện Hóa học hay Đại học Tổng hợp Hà Nội chưa được triển khai quy mô lớn. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế một dây chuyền công nghệ sản xuất acid acetic quy mô công nghiệp với năng suất cao và giá thành hợp lý là nhiệm vụ cấp thiết.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan tình hình thị trường, phân tích cấu trúc tiêu thụ acid acetic và so sánh các phương pháp tổng hợp hóa dầu hiện đại (carbonyl hóa methanol, oxy hóa axetaldehyt, oxy hóa trực tiếp hydrocacbon no/không no).
  2. Đánh giá tính toán kinh tế kỹ thuật (lợi nhuận gộp - Gross Profit) để lựa chọn phương án công nghệ tối ưu.
  3. Thiết kế quy trình công nghệ sản xuất acid acetic bằng phương pháp oxy hóa axetaldehyt đạt công suất 100.000 tấn/năm.
  4. Tính toán chi tiết cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ dây chuyền, trọng tâm là thiết bị phản ứng oxy hóa và các tháp chưng cất tách phân đoạn.
  5. Thiết kế kết cấu cơ khí, tính toán độ bền, chiều dày thân - đáy - nắp, và lựa chọn vật liệu chịu ăn mòn cho tháp phản ứng oxy hóa chính.

Đối tượng nghiên cứu là phản ứng oxy hóa pha lỏng axetaldehyt bằng oxy kỹ thuật với xúc tác mangan axetat. Phạm vi thiết kế xác định tại phân xưởng công nghệ có năng suất 100.000 tấn acid acetic/năm, làm việc liên tục 330 ngày/năm (tương đương 7.920 giờ vận hành/năm).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết hóa học và công nghệ

Phản ứng oxy hóa axetaldehyt diễn ra theo cơ chế chuỗi gốc tự do tạo sản phẩm trung gian là axit peraxetic ($\text{CH}_3\text{COOOH}$), tiếp tục tác dụng với axetaldehyt để tạo thành axetaldehyt monoperaxetat (AMP). Sau đó, AMP nhanh chóng phân hủy thành acid acetic thông qua sự chuyển dịch hydro theo cơ chế chuyển vị Baeyer - Villiger: $$\text{CH}_3\text{CHO} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{COOOH}$$ $$\text{CH}_3\text{COOOH} + \text{CH}_3\text{CHO} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)OOCOCH}_3 \text{ (AMP)} \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COOH}$$

Hệ thống phản ứng phụ song song bao gồm sự tạo thành metyl axetat, etyliden diaxetat, axit formic, metanol, formaldehyt, khí $\text{CO}$, $\text{CO}_2$ và $\text{H}_2\text{O}$. Quá trình sử dụng xúc tác đồng thể muối axetat kim loại chuyển tiếp, tối ưu nhất là mangan axetat $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mn}$, giúp phân hủy nhanh peroxit, duy trì nồng độ gốc tự do ở mức an toàn nhằm tránh tích tụ AMP gây nguy cơ cháy nổ, đồng thời hạn chế các phản ứng cắt mạch tạo sản phẩm phụ.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp so sánh kinh tế kỹ thuật: Sử dụng dữ liệu giá nguyên liệu và sản phẩm trên thị trường hóa chất quốc tế để thiết lập bảng tính lợi nhuận gộp (Gross Profit) theo định mức mol/khối lượng cho từng phương án công nghệ.
  • Phương pháp cân bằng vật chất: Ứng dụng định luật bảo toàn khối lượng, tính toán phân bố dòng vật chất dựa trên độ chuyển hóa nguyên liệu (axetaldehyt 98%), độ tinh khiết dòng vào (99,3%), tỷ lệ xúc tác và lượng oxy kỹ thuật tiêu hao qua 5 phản ứng hóa học chính/phụ.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, tích hợp các giá trị nhiệt dung riêng thực nghiệm ($C_p$), nhiệt cháy ($H_c$) của các cấu tử tại nhiệt độ vận hành để tính toán tổng nhiệt phản ứng tỏa ra, nhiệt tổn thất và lưu lượng nước làm mát.
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Tính toán thủy động lực học để xác định đường kính tháp sủi bọt, vận tốc pha khí/lỏng; áp dụng tiêu chuẩn tính toán độ bền thành mỏng hình trụ chịu áp suất trong để xác định bề dày thân, nắp elip, đáy elip có gờ theo giới hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu thép không gỉ.

Nguồn dữ liệu sử dụng

Đồ án khai thác dữ liệu từ các báo cáo phân tích ngành hóa chất của GBI Research, hệ thống số liệu giá nguyên vật liệu thương mại hóa chất quốc tế, sổ tay kỹ thuật hóa lý và giáo trình tính toán thiết bị hóa chất của Bộ môn Lọc - Hóa dầu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

Thiết kế và triển khai công nghệ

Dây chuyền công nghệ tổng thể

Quy trình sản xuất gồm ba công đoạn liên hoàn:

  1. Công đoạn oxy hóa axetaldehyt: Thực hiện trong tháp sủi bọt làm việc liên tục ở nhiệt độ 60 - 70°C và áp suất 3 - 4 at. Dung dịch axetaldehyt hòa tan xúc tác mangan axetat (hàm lượng 0,08% khối lượng) được nạp liên tục cùng dòng khí oxy kỹ thuật. Nhiệt phản ứng tỏa ra rất lớn được giải nhiệt trực tiếp bằng hệ thống ống xoắn ruột gà làm mát bằng nước lạnh đặt trong tháp.
  2. Công đoạn chưng cất tách phân đoạn:
    • Tháp tách phần nhẹ: Tách hỗn hợp đỉnh gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn acid acetic ($\text{CH}_3\text{CHO}$ chưa phản ứng, $\text{HCOOH}$, $\text{CH}_3\text{COOCH}_3$, $\text{H}_2\text{O}$). Dòng hơi đỉnh được ngưng tụ, một phần hồi lưu và một phần đưa đi xử lý/thu hồi axetaldehyt.
    • Tháp tách phần nặng: Dung dịch đáy tháp nhẹ được cấp vào tháp thứ hai để bốc hơi acid acetic tinh khiết lên đỉnh ở 125°C. Phần đáy giữ lại các cấu tử nặng gồm xúc tác mangan axetat, etyliden diaxetat, paraldehyt và cặn nhựa.
  3. Công đoạn làm sạch và hoàn thiện sản phẩm: Dòng acid acetic sau chưng cất được xử lý oxy hóa bổ sung bằng dung dịch thuốc tím $\text{KMnO}_4$ trong môi trường $\text{H}_2\text{SO}_4$ để triệt tiêu hoàn toàn lượng vết tạp chất khử ($\text{HCOOH}$, aldehyt dư), thu hồi sản phẩm acid acetic thương phẩm đạt độ tinh khiết cao.
[Nguyên liệu CH3CHO + Xúc tác] ---> [Tháp oxy hóa sủi bọt (4 at, 60-70°C)] ---> [Tháp chưng tách nhẹ] ---> [Tháp chưng tách nặng] ---> [Làm sạch KMnO4] ---> Acid Acetic tinh khiết
                                            ^                                            |                           |
                                      [Oxy kỹ thuật]                               (Đỉnh: este, HCOOH)        (Đáy: cặn, xúc tác)

Thông số thiết kế cơ khí tháp phản ứng oxy hóa

Bộ phận / Thông số Quy cách / Giá trị thiết kế Đơn vị Ghi chú kỹ thuật
Dạng thiết bị Tháp sủi bọt hình trụ đứng - Chia làm 5 đoạn có lưới ngăn chống quá nhiệt
Chiều cao tổng thể ($H$) 15,0 m Phần dưới ($H_d = 12\text{ m}$), phần mở rộng đỉnh ($H_t = 3\text{ m}$)
Đường kính phần dưới ($D_d$) 1,0 m Tương ứng phần chứa dung dịch phản ứng
Đường kính phần trên ($D_t$) 1,8 m Giảm vận tốc khí, giảm lôi cuốn hạt lỏng
Áp suất làm việc ($P_{mt}$) 4,0 atm Áp suất thiết kế tổng $P = 4,92 \times 10^5\text{ N/m}^2$
Nhiệt độ phản ứng 60 - 70 °C Ổn định pha lỏng, tránh phân hủy nổ
Vật liệu chế tạo Thép không gỉ X18H10T - Kháng ăn mòn acid acetic, tốc độ gỉ 0,06 mm/năm
Bề dày thân tháp ($S_{than}$) 6,0 mm Đã gồm hệ số ăn mòn và dung sai $C = 1,5\text{ mm}$
Bề dày nắp và đáy ($S_{nap/day}$) 8,0 mm Nắp/đáy dạng elip có gờ chịu áp lực
Diện tích truyền nhiệt ($F$) 200 $\text{m}^2$ Ống xoắn ruột gà bằng nhôm làm mát liên tục
Đường kính ống nạp liệu ($d_1$) 200 mm Cấp hỗn hợp axetaldehyt và xúc tác
Đường kính ống dẫn oxy ($d_2$) 150 mm Cấp oxy sủi bọt qua đáy và các đoạn tháp
Đường kính ống tháo lỏng ($d_4$) 200 mm Dẫn hỗn hợp acid thô sang tháp chưng nhẹ
Đường kính ống hơi đỉnh ($d_6$) 200 mm Dẫn khí thải $\text{CO}_2, \text{N}_2, \text{O}_2$ và hơi thu hồi

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu chung về acid acetic

Chương I trình bày tổng quan về cấu tạo, tính chất lý hóa, các ứng dụng công nghiệp và bức tranh thị trường của acid acetic.

  1. Cơ cấu tiêu thụ cuối dòng (năm 2011): VAM dẫn đầu với 3,46 triệu tấn (chiếm phần lớn trong ngành sơn/keo dán), tiếp theo là PTA đạt 2,16 triệu tấn (ngành sợi polyeste, tốc độ tăng trưởng >4%/năm), etyl axetat đạt 1,31 triệu tấn. Ba lĩnh vực này chiếm 75% tổng nhu cầu toàn cầu (10,24 triệu tấn). Anhydric axetic và các ứng dụng khác tiêu thụ 3,24 triệu tấn.
  2. So sánh kinh tế giữa các công nghệ sản xuất: Tác giả phân tích 4 tuyến công nghệ chính kèm tính toán lợi nhuận gộp trên đơn vị sản phẩm (Gross Profit):
Phương pháp công nghệ Tuyến nguyên liệu chính Điều kiện công nghệ điển hình Lợi nhuận gộp tính toán (cents/lb AAC)
1. Carbonyl hóa methanol $\text{CH}_3\text{OH} + \text{CO}$ BASF ($250^\circ\text{C}, 70\text{ MPa}, \text{CoI}_2$); Monsanto ($180^\circ\text{C}, 3\text{ MPa}, \text{Rh}$) 22,0100
2. Oxy hóa axetaldehyt $\text{CH}_3\text{CHO} + \text{O}_2$ Xúc tác $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mn}$, pha lỏng $60 - 75^\circ\text{C}, 3 - 4\text{ at}$ 33,8475
3. Oxy hóa n-butan $n\text{-C}4\text{H}{10} + \text{O}_2$ Pha lỏng $100 - 200^\circ\text{C}, 55\text{ atm}$, xúc tác $\text{Co/Cr}$ hoặc không xúc tác (Hüls) 29,7720
4. Oxy hóa trực tiếp etylen $\text{C}_2\text{H}_4 + \text{O}_2$ Một giai đoạn (Showa Denko), xúc tác $\text{Pd}$ / axit heteropoly 29,8390

Dựa trên kết quả tính toán giá trị chênh lệch biên lợi nhuận (33,8475 cents/lb AAC) cùng hiệu suất chuyển hóa đạt từ 95% đến 98% và khả năng đồng sản xuất anhydric axetic, đồ án lựa chọn phương pháp oxy hóa axetaldehyt làm phương án thiết kế.

Chương II: Quá trình oxy hoá axetaldehyt

Chương này đi sâu vào cơ chế phản ứng chuỗi gốc tự do, phân tích hệ xúc tác và các yếu tố công nghệ chi phối:

  • Cơ chế phản ứng: Quá trình oxy hóa trải qua giai đoạn hình thành axit peraxetic, chuyển hóa trung gian AMP và phân hủy tạo acid acetic. Phản ứng decacbonyl hóa gốc tự do xảy ra khi thiếu oxy hoặc nhiệt độ cao sinh ra các tạp chất $\text{CO}$, $\text{CH}_3\text{OH}$, $\text{HCHO}$ và $\text{HCOOH}$.
  • Hệ xúc tác: Đánh giá các muối kim loại $\text{Co}, \text{Mn}, \text{Cu}, \text{V}$. Xúc tác mangan axetat $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mn}$ thể hiện ưu thế vượt trội nhờ khả năng kiểm soát triệt để nồng độ gốc axetyl peroxit, giảm thiểu tối đa tích tụ peroxit gây nổ và xúc tiến phân hủy nhanh AMP. Tỷ lệ xúc tác lựa chọn là 0,08% khối lượng so với nguyên liệu.
  • Yếu tố công nghệ:
    • Nguyên liệu: Axetaldehyt đạt độ tinh khiết $>99%$, khống chế paraldehyt $<1%$.
    • Nhiệt độ: Khống chế nghiêm ngặt trong khoảng $60 - 70^\circ\text{C}$; nhiệt độ dưới $60^\circ\text{C}$ làm tích tụ peraxit gây nổ, trên $75^\circ\text{C}$ gia tăng phản ứng oxy hóa sâu tạo $\text{CO}_2$ và bay hơi axetaldehyt gây cháy.
    • Áp suất: Duy trì $3 - 4\text{ at}$ để giữ axetaldehyt ở pha lỏng trong điều kiện nhiệt độ phản ứng.
    • Lượng nước: Điều hòa phản ứng thủy phân anhydrit axetic và kiểm soát nồng độ acid thành phẩm.

Phần B: Thiết kế quá trình sản xuất acid acetic bằng phương pháp oxy hoá acetaldehyt với năng suất 100.000 tấn/năm

Phần thiết kế kỹ thuật cung cấp toàn bộ các bảng tính toán công nghệ và kết cấu thiết bị:

  1. Chế độ làm việc và cân bằng vật chất:

    • Thời gian làm việc thực tế: $T_{tt} = 365 - (15 + 20) = 330\text{ ngày/năm} = 7.920\text{ giờ/năm}$.
    • Năng suất lý thuyết: $12.626,263\text{ kg/h}$; bù tổn thất 2%, năng suất thực tế đạt $12.878,79\text{ kg/h}$.
    • Tổng lượng axetaldehyt kỹ thuật nạp vào: $9.705,13\text{ kg/h}$ (chứa $9.637,19\text{ kg/h } \text{CH}_3\text{CHO}$).
    • Phân bố chuyển hóa: 98% axetaldehyt chuyển hóa thành acid acetic ($9.444,446\text{ kg/h}$); 0,5% tạo metyl axetat ($48,19\text{ kg/h}$); 0,35% tạo etyliden diaxetat ($33,73\text{ kg/h}$); 0,075% tạo axit formic ($7,228\text{ kg/h}$); 0,075% cháy tạo $\text{CO}_2$ ($7,228\text{ kg/h}$); còn lại 1% chưa phản ứng ($96,37\text{ kg/h}$, phân bố 50% theo pha hơi đỉnh và 50% ở pha lỏng).
    • Lượng dung dịch xúc tác lỏng cấp vào: $131,15\text{ kg/h}$ (chứa $7,869\text{ kg/h}$ mangan axetat nguyên chất, $91,805\text{ kg/h } \text{CH}_3\text{COOH}$ và $31,476\text{ kg/h } \text{H}_2\text{O}$).
    • Lượng oxy kỹ thuật cấp vào (độ tinh khiết 99%, chuyển hóa 98%): $3.819,19\text{ kg/h}$ (tương đương lưu lượng thể tích khoảng $270\text{ m}^3\text{/h}$ ở 4 at).

  2. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị oxy hóa:

    • Nhiệt lượng phản ứng tỏa ra ($Q_p$): $75.757.142,5\text{ kJ/h}$ (tính toán từ biến thiên entanpi và nhiệt cháy $H_c$ của các cấu tử).
    • Nhiệt đưa vào do sấy nóng và nguyên liệu ($Q_0 + Q_{dn} + Q_{hl}$): $1.043.272,5\text{ kJ/h}$.
    • Tổng nhiệt lượng vào hệ thống: $76.800.415\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt mang ra bởi dòng sản phẩm lỏng/hơi ($Q_{sp}$): $2.119.252,6\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh ($Q_m = 5%$ tổng nhiệt vào): $3.840.020,8\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng bắt buộc phải lấy ra bằng hệ thống nước làm lạnh ($Q_{ll}$): $70.840.407,2\text{ kJ/h}$.
    • Lưu lượng nước làm mát tuần hoàn cần thiết (nước vào $20^\circ\text{C}$, ra $60^\circ\text{C}$, $\Delta t = 40^\circ\text{C}, C_p = 4,181\text{ kJ/kg.}^\circ\text{C}$): đạt $423.573\text{ kg/h}$ (tương đương thể tích $423,57\text{ m}^3\text{/h}$).

  3. Cân bằng tháp chưng cất phần nhẹ và phần nặng:

    • Tháp tách nhẹ: Tách triệt để ở đỉnh $48,063\text{ kg/h } \text{CH}_3\text{CHO}$, $7,556\text{ kg/h } \text{HCOOH}$, $40,52\text{ kg/h } \text{CH}_3\text{COOCH}_3$ và nước; đáy thu được hỗn hợp chứa $12.994,965\text{ kg/h } \text{CH}_3\text{COOH}$ cùng cấu tử nặng.
    • Tháp tách nặng: Gia nhiệt đáy đến $125^\circ\text{C}$, thu hồi toàn bộ $12.994,965\text{ kg/h}$ acid acetic tinh khiết ở đỉnh tháp; phần đáy loại bỏ $7,869\text{ kg/h}$ mangan axetat, $37,307\text{ kg/h}$ etyliden diaxetat và $19,27\text{ kg/h}$ paraldehyt.

  4. Tính toán cơ khí tháp oxy hóa:

    • Ứng suất cho phép của thép không gỉ X18H10T theo giới hạn chảy: $[\sigma_c] = 146\text{ N/mm}^2$ (với hệ số an toàn $n_c = 1,5$ và hệ số hiệu chỉnh $\eta = 0,9$).
    • Chiều dày tính toán thân tháp đoạn dưới ($D_d = 1,0\text{ m}$) và đoạn trên ($D_t = 1,8\text{ m}$): Sau khi cộng đại lượng bổ sung ăn mòn và dung sai bề dày ($C = 1,5\text{ mm}$), bề dày thân được quy chuẩn chọn $S = 6\text{ mm}$.
    • Chiều dày nắp và đáy elip có gờ chịu áp lực trong: Sau kiểm tra ứng suất thử thủy lực, quy chuẩn chọn bề dày đáy và nắp là $S = 8\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật định lượng

  • Xây dựng hoàn chỉnh bảng số liệu cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho phân xưởng sản xuất acid acetic 100.000 tấn/năm với các chỉ số vận hành chi tiết ở từng công đoạn.
  • Xác lập định mức tiêu hao nguyên liệu trên 1 giờ vận hành: $9.705,13\text{ kg}$ axetaldehyt kỹ thuật (99,3%), $3.819,19\text{ kg}$ oxy kỹ thuật (99%) và $131,15\text{ kg}$ dung dịch xúc tác lỏng mangan axetat.
  • Tính toán đầy đủ thông số kết cấu tháp phản ứng sủi bọt: Chiều cao $15\text{ m}$, đường kính phân đoạn $1,0\text{ m} / 1,8\text{ m}$, diện tích bề mặt ống xoắn giải nhiệt $200\text{ m}^2$, lưu lượng nước làm mát yêu cầu $423,57\text{ m}^3\text{/h}$.
  • Xác định quy chuẩn vật liệu chế tạo thiết bị chính là thép không gỉ X18H10T với bề dày thân $6\text{ mm}$, nắp và đáy elip $8\text{ mm}$, bảo đảm độ bền cơ học dưới áp suất thử và chống ăn mòn hóa học trong môi trường acid hữu cơ.

Đóng góp về mặt công nghệ

  • Đưa ra phân tích định lượng so sánh các công nghệ tổng hợp acid acetic, chứng minh phương pháp oxy hóa axetaldehyt đạt mức chênh lệch lợi nhuận gộp cao nhất (33,85 cents/lb AAC) trong điều kiện chi phí nguyên liệu khảo sát.
  • Đề xuất giải pháp an toàn công nghệ thông qua cấu hình tháp sủi bọt chia 5 đoạn có lưới ngăn và cấp oxy phân đoạn nhằm triệt tiêu hiện tượng quá nhiệt cục bộ, kiểm soát ổn định nồng độ peraxit trung gian dưới giới hạn nổ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng trong đồ án dựa trên các điều kiện tĩnh lý thuyết, giả định các cấu tử nhẹ và nặng được phân tách triệt để ở đáy và đỉnh các tháp chưng cất; chưa đi sâu vào động học chi tiết của quá trình truyền khối đa cấu tử và chưa mô hình hóa hệ thống điều khiển tự động hóa phân tán (DCS).
  • Hướng phát triển:
    1. Ứng dụng các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học chuyên dụng (như Aspen Plus hoặc Aspen HYSYS) để mô phỏng động học tháp sủi bọt và tối ưu hóa số đĩa lý thuyết, tỷ số hồi lưu của hệ thống tháp chưng cất.
    2. Nghiên cứu giải pháp công nghệ thu hồi, tái sinh xúc tác mangan axetat từ dòng thải đáy tháp chưng nặng nhằm giảm thiểu phát thải và chi phí hóa chất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Lọc - Hóa dầu, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hữu cơ - Hóa dầu: Tham khảo làm mẫu phương pháp tính toán đồ án môn học Quá trình & Thiết bị công nghệ hóa học, đồ án thiết kế phân xưởng tổng hợp hữu cơ.
  • Kỹ sư thiết kế công nghệ hóa chất: Tham khảo số liệu tính toán cân bằng nhiệt - chất cho các phản ứng pha lỏng tỏa nhiệt lớn có kiểm soát an toàn nổ, cũng như phương pháp tính toán cơ khí cho tháp phản ứng hình trụ chịu áp suất làm việc từ thép không gỉ X18H10T.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn công nghệ oxy hóa axetaldehyt thay vì phương pháp carbonyl hóa methanol của Monsanto?

Dựa trên bài toán tính toán lợi nhuận gộp (Gross Profit) từ dữ liệu giá nguyên liệu và sản phẩm thương mại, phương pháp oxy hóa axetaldehyt mang lại lợi nhuận gộp đạt 33,8475 cents/lb AAC, cao hơn so với phương pháp carbonyl hóa methanol (22,01 cents/lb AAC), oxy hóa n-butan (29,77 cents/lb AAC) và oxy hóa etylen một giai đoạn (29,84 cents/lb AAC). Đồng thời, phương pháp này cho hiệu suất chuyển hóa cao (95 - 98%) và có tính linh hoạt trong việc đồng sản xuất anhydric axetic.

2. Vì sao nhiệt độ phản ứng oxy hóa axetaldehyt phải duy trì nghiêm ngặt trong khoảng 60 - 70°C?

Nhiệt độ là thông số nhạy cảm nhất của quá trình: nếu nhiệt độ thấp hơn $60^\circ\text{C}$, phản ứng phân hủy axit peraxetic ($\text{CH}_3\text{COOOH}$) diễn ra chậm, dẫn đến sự tích tụ peraxit và phức AMP trong thiết bị gây nguy cơ nổ nghiêm trọng; ngược lại, nếu nhiệt độ vượt quá $70 - 75^\circ\text{C}$, các phản ứng phụ oxy hóa sâu tạo $\text{CO}_2, \text{H}_2\text{O}$ gia tăng làm giảm hiệu suất, đồng thời axetaldehyt bay hơi mạnh tạo hỗn hợp nổ nguy hiểm với oxy ở đỉnh tháp.

3. Xúc tác mangan axetat đóng vai trò gì trong phản ứng oxy hóa?

Mangan axetat $(\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mn}$ (sử dụng với hàm lượng 0,08% khối lượng) đóng vai trò điều hòa phản ứng chuỗi: các ion mangan xúc tiến phân hủy nhanh chóng các hợp chất peroxit và axit peraxetic trung gian, giảm nồng độ gốc axetyl peroxit tự do ở trạng thái dừng, ngăn ngừa sự hình thành và tích tụ AMP vượt giới hạn nổ, đồng thời định hướng phản ứng tạo sản phẩm chính acid acetic với độ chọn lọc cao.

4. Lưu lượng nước làm mát 423,57 m³/h cho thiết bị oxy hóa được tính toán từ cơ sở nào?

Phản ứng oxy hóa axetaldehyt tỏa nhiệt rất lớn (tổng nhiệt phản ứng sinh ra $Q_p = 75.757.142,5\text{ kJ/h}$). Cân bằng nhiệt lượng cho thấy lượng nhiệt cần làm lạnh cưỡng bức qua hệ thống ống xoắn ruột gà là $Q_{ll} = 70.840.407,2\text{ kJ/h}$. Với thông số nước làm mát đi vào ở $20^\circ\text{C}$, đi ra ở $60^\circ\text{C}$ ($\Delta t = 40^\circ\text{C}$) và nhiệt dung riêng $C_p = 4,181\text{ kJ/kg.}^\circ\text{C}$, khối lượng nước giải nhiệt cần tuần hoàn là $423.573\text{ kg/h}$, tương đương thể tích $423,57\text{ m}^3\text{/h}$.

5. Vì sao phần trên của tháp phản ứng lại được thiết kế mở rộng đường kính lên 1,8 m?

Tháp phản ứng sủi bọt có đường kính phần dưới là $1,0\text{ m}$ (chiều cao $12\text{ m}$) chứa khối chất lỏng phản ứng. Phần đỉnh tháp (chiều cao $3\text{ m}$) được mở rộng đường kính lên $1,8\text{ m}$ nhằm mục đích làm giảm đột ngột vận tốc dòng khí đi lên, giúp các giọt lỏng axetaldehyt và acid acetic bị lôi cuốn có đủ thời gian lắng đọng rơi trở lại vùng phản ứng, giảm thiểu thất thoát nguyên liệu và tránh hiện tượng mang lỏng sang hệ thống xử lý khí thải.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế phân xưởng sản xuất acid acetic quy mô công nghiệp 100.000 tấn/năm sử dụng công nghệ oxy hóa pha lỏng axetaldehyt với xúc tác mangan axetat. Toàn bộ các hạng mục từ phân tích lựa chọn dây chuyền, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng đến thiết kế kết cấu cơ khí tháp sủi bọt chính chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T đều được giải quyết có hệ thống và đầy đủ số liệu định lượng. Công trình cung cấp nguồn tài liệu tham khảo hoàn chỉnh và có giá trị chuyên môn cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật trong lĩnh vực công nghệ Lọc - Hóa dầu.