MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, cùng với nền khoa học hiện đại, công nghệ hóa học không ngừng phát triển và chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Công nghệ về hợp chất cao phân tử là một trong những công nghệ điển hình, rất tiêu biểu về tốc độ phát triển và phạm vi sử dụng. Trong đó ngành sản xuất chất dẻo chiếm vị trí rất quan trọng. Một trong những sản phẩm của ngành sản xuất chất dẻo được sử dụng rộng rãi đó là Polyvinyl clorua (PVC).
PVC đã vô tình được phát hiện ra ít nhất hai lần trong thế kỷ 19. Năm 1835 lần đầu tiên Henri Regnault đã tổng hsợp được vinyl clorua, nguyên liệu chính để tạo nên PVC. Lần thứ hai được phát hiện bởi Baumann vao năm 1872, khi ông phơi ống nghiệm chứa vinyl clorua dưới ánh sáng mặt trời, sản phẩm tạo ra có dạng bột màu trắng và bản chất hóa học của nó chưa được xác định. Các nghiên cứu về sự tạo thành PVC đầy đủ hơn đã được công bố vào năm 1912 do Iwan Ostromislensky (Nga) và Fritz Klatte (Đức) nghiên cứu độc lập.
Tuy nhiên polyme mới này vẫn không được ứng dụng và không được quan tâm nhiều, bởi tính kém ổn định, cứng và rất khó gia công. Cuối thế kỷ 19, các sản phẩm như axetylen và clo đang trong tình trạng khủng hoảng thừa, việc có thể sản xuất được PVC từ các nguyên liệu này là một giải pháp rất hữu hiệu. Năm 1926, khi tiến sĩ Waldo Semon vô tình phát hiện ra chất hoá dẻo cho PVC, đây mới là một bước đột phá đầu tiên để khắc phục nhược điểm khi gia công cho PVC, sau đó là các nghiên cứu về chất ổn định cho PVC. Đến năm 1933, nhiều dạng PVC đã được tổng hợp ở Mỹ và Đức nhưng phải đến năm 1937, PVC mới được sản xuất trên quy mô công nghiệp hoàn chỉnh tại Đức và sau đó là ở Mỹ.
Nhựa Polyvinyl clorua là một trong những sản phẩm ra đời sớm của nền sản xuất chất dẻo. Trong công nghệ sản xuất nhựa Polyvinylclorua, tùy theo phương pháp sản xuất và thành phần của các cấu tử tham gia có thể thu được một số loại nhựa có tỷ trọng khác nhau như: K-58, K-66R, K66G, K66F, K-71. Nhựa Polyvinyl clorua có nhiều đặc điểm tốt như ổn định hóa học, bền cơ học, dễ gia công, gia thanh thâp nên PVC được ứng dụng trong sản xuất các loại màng, ống, dây dẫn… Ngoài ra, PVC có một tính năng đặc biệt: kìm hãm sự cháy. Cũng chính vì đặc điểm này mà PVC gần như chiếm vị trí độc tôn trong lĩnh vực xây dựng dân dụng.
Bước sang thế kỷ 21, điều kiện kinh tế toàn cầu đã được cải thiện và vì thế nhu cầu PVC rất lớn, lớn hơn nhiều so với dự báo. Sản lượng PVC của thế giới năm 2021 đạt tới hơn 60.27 mtpa và mức tăng trưởng trong giai đoạn 2022-2026 là hơn 2%/năm. Tại châu Á, Trung Quốc có sáu dự án PVC được lên kế hoạch và công bố, với tổng công suất khoảng 3,25 triệu tấn vào năm 2026. Ngành sản xuất nhựa PVC ở Việt Nam bắt đầu vào năm 1998 với sự hiện diện của liên doanh TPC Vina (tiền thân là Mitsui Vina).
Đây là liên doanh giữa Công ty Cổ phần Nhựa và Hóa chất Thái Lan (TPC), Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam (Vinachem) và Công ty Nhựa Việt Nam (Vinaplast). Nhờ liên doanh này lượng PVC nhập khẩu giảm từ 74,000 tấn năm 1997 xuống còn 61,000 tấn vào năm 1999 và chỉ còn trên dưới 50,000 tấn vào những năm sau này. Hiện nay công suất của TPC Vina là 210,000 tấn/năm. Năm 2002, nhà máy sản xuất PVC thứ hai (Liên doanh giữa Petronas Malaysia với Bà Rịa – Vũng Tàu) có công suất 100,000 tấn/năm cũng bắt đầu tham gia vào thị trường [3].
Cũng như trên thế giới, nhu cầu sử dụng PVC ngày càng tăng Như vậy, cho đến năm 2021 - 2022 và cả các năm sau đó, Việt Nam vẫn còn phải nhập khẩu PVC. Do đó, việc đầu tư phát triển ngành công nghiệp sản xuất nhựa PVC là vô cùng quan trọng và cấp thiết. Đó là lý do em chọn đề tài: “Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa Polyvinyl clorua theo phương pháp trùng hợp huyền phù. Năng suất 35000 tấn/năm”.
PHẦN II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2. Nguyên liệu tổng hợp nhựa PVC Quá trình tổng hợp PVC huyền phù cần những nguyên liệu chính sau: Vinyl Clorua Monomer (VCM), nước, chất khơi mào, chất nhũ hoá,chất ổn định huyền phù, Anti- Foam, air, NaOH,… và những hóa chất hỗ trợ khác. Vinyl chloride monomer[2] Vinyl clorua là nguyên liệu chính để sản xuất Polyvinyl clorua. Công thức phân tử: C2H3Cl.
Công thức cấu tạo: 2. Thành phần - Vinyl chloride: 99.90 % wt - Hợp chất Acetylenic : 10 ppm tối đa - HCl tối đa 1ppm. - Fe tối đa 1ppm. - Hợp chất Clo tối đa 100 ppm.
- Butadien tối đa 10 ppm. Các tạp chất này nếu tồn tại với nồng độ quá giới hạn cho phép thì sẽ ảnh hưởng đến tốc độ polymer hóa, kích thước hạt, chất lượng sản phẩm. Tính chất vật lý Vinyl Clorua cực kỳ dễ cháy và là chất khí không màu ở nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh. Dưới áp suất cao hoặc nhiệt độ giảm Vinyl Clorua là chất lỏng.
Vinyl Clorua có nguy cơ cháy nổ ở nồng độ từ khoảng 3,6% đến 33% trong không khí. Tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa hoặc nguồn nhiệt năng lượng cao sẽ dẫn đến cháy. Vinyl Clorua thực tế không tan trong nước nhưng tan trong rươu va trong cac dung môi hưu cơ khac như: axeton, hydrocacbon thơm hay mach thẳng.Vinyl Clorua có tính phản ứng cao và có thể phản ứng với các chất oxi hóa và nhiều hợp chất hữu cơ khác. Vinyl Clorua trùng hợp tỏa nhiệt khi có ánh sáng, không khí, oxy hoặc chất xúc tác.
Các chất ức chế thường được thêm vào Vinyl Clorua để ngăn chặn quá trình trùng hợp trong quá trình bảo quản.[2] Ở điêu kiên thương VCM la môt chât khi không mau: VCM la môt chât khi dê chay nô ơ nhiêt đô va ap suât thương. VCM dê hoa long, tan it trong nươc. Tan trong rươu va trong cac dung môi hưu cơ khac như: axeton, hydrocacbon thơm hay mach thẳng. VCM không ăn mon ơ nhiêt đô thương trong điêu kiên khô.
Khi tiêp xuc vơi nươc se sinh ra môt lương nho HCl co thê gây ăn mon săt thep. Vinyl clorua có tính độc, khi tiếp xúc nhiều có thể gây ung thư gan. Nồng độ cho phép của nó khi tiếp xúc làm việc là 1 ppm trong thời gian 8h một ngày sản xuất. Khi tiếp xúc với vinyl clorua nồng độ cao thì nó gây choáng, mất ổn định gây hôn mê có thể gây bỏng da nếu tiếp xúc trực tiếp với VCM.
VCM co mui đăc thu giông Clorofom (CHCl3). Ngoai quan: môt khi đôc không mau ơ nhiêt đô môi trương xung quanh, co mui ngot nhẹ ơ nông đô cao.1: Tính chất vật lý của VCM Tính chất Giá trị, đơn vị đo Nhiệt độ nóng -153,71oC chảy Nhiệt độ sôi ở 1 -13,8oC atm Điểm bốc cháy 472oC Điểm chớp nháy -78oC Nhiệt hóa hơi 75,2 kcal/kg (ở 35oC) Nhiệt dung riêng 0,4 kcal/kg.đô (ở 35oC) Độ dẫn nhiệt 0,116 kcal/m. Tính chất hoá học Do chứa liên kết đôi và nguyên tử Clo linh động nên VCM tham gia các phản ứng sau: Phản ứng cộng hợp: VCM tác dụng với Halogen cho 1,1,2-Triclo Etan ở điều kiện môi trường khô ở khoảng 140 − 150oC hoặc ở 80oC và có chiếu sáng, xúc tác SbCl 3. Khi có xúc tác FeCl3 hoặc AlCl3 thì VCM phản ứng với HCl: Cộng với H2: Phản ứng trùng hợp tạo PVC: Phản ứng thủy phân: Khi nung nóng với kiềm, HCl bị tách ra khỏi VCM tạo Axetylen: Tác dụng với Phenolat hay Ancolat tạo Ete Vinyl: Phản ứng tạo hợp chất cơ kim.
Phản ứng oxi hóa: VCM đốt trong không khí tạo thành CO2 và HCl.3 Bảo quản VCM Để thuận tiện cho việc vận chuyển và bảo quản, VCM thường được nén ở áp suất khoảng 3 kg/c m2. Tại áp suất này VCM là một chất lỏng trong suốt, không màu, có tỉ trọng 0. Vinyl clorua cũng có thể bảo quản ở nhiệt độ thấp (-20 ℃ và thấp hơn) trong trường hợp không có chất ổn định nếu không có O2 và dưới áp suất khí N 2 thì có thể bảo quản ở nhiệt độ thường. Thường thêm vào một lượng khoảng 5 ppm (so với vinyl clorua) các chất như hydroquinon, tert- butyl pirokatesin khi bảo quản và chuyên chở.
Từ Axetylen: C2H2 Phương trình phản ứng: CH ≡ CH + HCl → CH2 = CHCl (1) Điều kiện phản ứng: p = 4 – 6 atm, t = 200oC, xúc tác HgCl2 Phương pháp này cũng được dùng phổ biến trên thế giới: Quá trình thực hiện liên tục trong thiết bị tiếp xúc loại ống ở 160 – 200 oC. Xúc tác là Thủy ngân Clorua phủ lên bề mặt than hoạt tính một lượng 10 – 15%. Khí C2H2 và HCl làm sạch, sấy khô cho vào thiết bị phản ứng. Cho chất xúc tác vào trong các ống của thiết bị phản ứng và khoảng cách giữa các ống cho dầu tuần hoàn ở nhiệt độ 70 – 130oC.
Nhiệt độ của phản ứng có thể đạt đến 160oC. Hỗn hợp sau phản ứng gồm: Vinylclorua tạo ra, dicloetan, axetaldehyt, axetilen, HCl được đưa qua thiết bị phun dùng nước và dung dịch kiềm 10 % để rửa khí mục đích là hấp thụ khí HCl. Sau đó cho vào tháp sấy bằng KOH rắn rồi qua thiết bị làm lạnh đến -40 oC ngưng tụ VCM và hợp chất có nhiệt độ sôi cao hơn. Sau quá trình ngưng tụ cho qua tháp tinh luyện hoạt động liên tục để đuổi sạch axetaldehyt, dicloetan và các sản phẩm phụ khác.
Sau đó VCM được tách ra khỏi C2H2 hoà tan ở trong thiết bị chưng cất khác. Từ Etylen: C2H4 Khi đi từ etylen, quá trình sẽ xảy ra theo 2 bước: Trước tiên là clo hóa etylen để tạo ra 1,2-etylen-diclorua (EDC), tiếp theo là nhiệt phân EDC thành VCM và axit clohydric (HCl): CH2 = CH2 + Cl2 → CH2Cl – CH2Cl (2) CH2Cl – CH2Cl → CH2 = CHCl + HCl (3) Như vậy, chỉ một nửa phân tử Clo tham gia vào phản ứng để tạo thành VCM, nửa còn lại tạo thành HCl. Lượng HCl này đôi khi không có nơi tiêu thụ, đòi hỏi phải xử lý rất tốn kém. Có nhiều hướng khắc phục vấn đề này.
Một trong những hướng đó là sử dụng kết hợp cả Axetylen và Etylen.