Đồ án Tốt nghiệp Kỹ thuật Hóa học: Thiết kế phân xưởng sản xuất PVC (35.000 tấn/năm)

Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Hóa học tập trung vào thiết kế phân xưởng sản xuất PVC. Khám phá quy trình công nghệ, các bước thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả.

• Tác giả: Hồ Thị Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thế Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kĩ thuật hóa học
• Đề tài: Thiết kế phân xưởng sản xuất nhựa PVC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khám Phá Phương Pháp Huyền Phù Nền Tảng Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất PVC

Trong bối cảnh công nghiệp hóa chất không ngừng phát triển, việc thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù đóng vai trò cực kỳ quan trọng, đáp ứng nhu cầu thị trường về loại polymer đa dụng này. Nhựa PVC (Polyvinyl Chloride) là một trong những vật liệu nhựa tổng hợp được ứng dụng rộng rãi nhất thế giới, từ vật liệu xây dựng đến các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày. Việc lựa chọn phương pháp trùng hợp huyền phù không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng mà còn quyết định đến hiệu suất hoạt động và tính kinh tế của toàn bộ nhà máy PVC. Phương pháp này nổi bật với khả năng kiểm soát tốt quá trình phản ứng, tạo ra hạt polymer có kích thước đồng đều và ít tạp chất. Một đồ án tốt nghiệp PVC về chủ đề này thường tập trung vào việc nghiên cứu sâu rộng các yếu tố kỹ thuật, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và bố trí thiết bị để đạt được hiệu quả tối ưu.

Việc thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về hóa học polymer, kỹ thuật hóa học và các quy định về an toàn, môi trường. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một quy trình sản xuất bền vững, tiết kiệm năng lượng và mang lại sản phẩm nhựa PVC chất lượng cao. Các chuyên gia cần phân tích kỹ lưỡng các số liệu đầu vào như độ ẩm nguyên liệu, hiệu suất phản ứng, và tổn thất trong từng giai đoạn của quy trình công nghệ PVC. Sự thành công của dự án phụ thuộc vào việc tích hợp hài hòa giữa lý thuyết và thực tiễn, từ việc chọn lựa hóa chất khơi mào phù hợp đến việc tối ưu hóa thiết bị sản xuất PVC chính và phụ trợ. Đây là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi sự chính xác và tư duy đổi mới để xây dựng một nhà máy PVC hiện đại, đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp.

1.1. Tổng quan về nhựa PVC và vai trò công nghiệp

Nhựa PVC là một polymer nhiệt dẻo được sản xuất từ Vinyl Chloride Monomer (VCM). Vật liệu này có tính chất cơ học tốt, kháng hóa chất, chịu được thời tiết và có giá thành phải chăng, làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ngành công nghiệp. Từ ống dẫn nước, khung cửa sổ, dây cáp điện, đến bao bì và đồ chơi, PVC hiện diện khắp nơi. Nhu cầu ngày càng tăng đối với nhựa PVC đã thúc đẩy sự phát triển của các quy trình công nghệ PVC tiên tiến, trong đó phương pháp trùng hợp huyền phù chiếm ưu thế nhờ vào khả năng kiểm soát chất lượng sản phẩm và quy mô sản xuất lớn.

1.2. Lý do chọn phương pháp huyền phù trong sản xuất PVC

Phương pháp trùng hợp huyền phù là lựa chọn phổ biến nhất để sản xuất PVC, chiếm khoảng 80% tổng sản lượng toàn cầu. Phương pháp này liên quan đến việc phân tán VCM lỏng trong nước dưới dạng các giọt nhỏ, sử dụng chất ổn định và chất khơi mào tan trong dầu. Ưu điểm nổi bật của nó bao gồm khả năng kiểm soát nhiệt độ phản ứng hiệu quả, dễ dàng điều khiển kích thước hạt polymer, và sản phẩm PVC thu được có độ tinh khiết cao. Ngoài ra, việc tách polymer khỏi môi trường phản ứng cũng tương đối đơn giản, làm cho quy trình công nghệ PVC này trở nên kinh tế và hiệu quả cho quy mô công nghiệp lớn.

II. Thách Thức Và Yêu Cầu Kỹ Thuật Khi Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất PVC Huyền Phù Hiện Đại

Việc thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về nhiều yếu tố kỹ thuật và vận hành. Các thách thức chính bao gồm việc đảm bảo hiệu suất tối đa, giảm thiểu tổn thất nguyên liệu, và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn môi trường PVC. Một trong những khó khăn lớn nhất là việc thiết kế các thiết bị sản xuất PVC có khả năng chịu áp suất và nhiệt độ cao, đồng thời phải đảm bảo tính đồng nhất của hệ huyền phù trong suốt quá trình phản ứng. Các nhà thiết kế phải tính toán chính xác cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất PVC nhằm tối ưu hóa lượng nguyên liệu và năng lượng tiêu thụ. Năng suất của nhà máy PVC, ví dụ 35000 tấn/năm, đặt ra yêu cầu cao về quy mô và độ tin cậy của từng thiết bị.

Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu xây dựng và bố trí mặt bằng phân xưởng PVC cũng là một thách thức, đặc biệt khi phải đối phó với các hóa chất ăn mòn và dễ cháy như VCM. Đồ án tốt nghiệp PVC thường nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá rủi ro và phát triển các giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người lao động. Điều này bao gồm việc tích hợp hệ thống xử lý khí thải, nước thải, và quản lý chất thải rắn một cách hiệu quả. Việc liên tục cập nhật các công nghệ mới và tiêu chuẩn quốc tế trong quy trình công nghệ PVC là chìa khóa để vượt qua những thách thức này, xây dựng một nhà máy PVC không chỉ hiệu quả về kinh tế mà còn bền vững về môi trường và an toàn.

2.1. Các yếu tố ban đầu cần phân tích cho thiết kế phân xưởng PVC

Trước khi bắt đầu thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù, việc thu thập và phân tích dữ liệu ban đầu là tối quan trọng. Các thông số cần xem xét bao gồm: năng suất mong muốn (ví dụ, 35000 tấn/năm), đặc tính của nguyên liệu đầu vào (VCM), các chỉ số về độ ẩm (sau sấy 0,2%, trước sấy 20%), hiệu suất phản ứng (85%), và tỷ lệ tổn thất (chuẩn bị nguyên liệu 0,04%, xử lý tách monomer 0,5%). Việc lựa chọn dây chuyền sản xuất PVC và công nghệ cụ thể cũng cần được thuyết minh rõ ràng dựa trên các phân tích này. Một phân tích toàn diện sẽ giúp đưa ra các quyết định chính xác về quy mô, loại thiết bị sản xuất PVC và bố trí mặt bằng.

2.2. Vấn đề an toàn và môi trường trong quy trình công nghệ PVC

An toàn lao động và vệ sinh môi trường là những yếu tố không thể bỏ qua khi thiết kế phân xưởng sản xuất PVC. VCM là chất dễ cháy, độc hại và có khả năng gây ung thư, do đó, việc kiểm soát rò rỉ và phát thải VCM là tối quan trọng. Phân xưởng PVC cần được trang bị hệ thống thông gió hiệu quả, thiết bị phòng cháy chữa cháy chuyên dụng, và các quy trình xử lý khẩn cấp. Về môi trường, các giải pháp thu hồi và tái chế VCM dư thừa, xử lý nước thải chứa polymer và các chất phụ gia, cũng như quản lý chất thải rắn phải được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo tuân thủ các quy định hiện hành và giảm thiểu tác động tiêu cực.

III. Hướng Dẫn Chi Tiết Quy Trình Công Nghệ Trùng Hợp Huyền Phù PVC Hiệu Quả

Việc nắm vững quy trình công nghệ PVC là yếu tố cốt lõi để thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù đạt hiệu quả cao. Phương pháp trùng hợp huyền phù bao gồm nhiều giai đoạn liên tiếp, từ chuẩn bị nguyên liệu đến tách và sấy sản phẩm. Quá trình bắt đầu với việc chuẩn bị Vinyl Chloride Monomer (VCM), nước khử khoáng, chất khơi mào (peroxide, peracide, perester, hợp chất azo) và chất ổn định huyền phù. Các chất khơi mào này có khả năng tạo gốc tự do, đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn khơi mào phản ứng. Phản ứng trùng hợp VCM xảy ra theo cơ chế gốc tự do, gồm ba giai đoạn chính: khơi mào, phát triển mạch và ngắt mạch. Việc kiểm soát chính xác nhiệt độ và áp suất trong thiết bị phản ứng là cực kỳ quan trọng để đảm bảo chất lượng nhựa PVC và hiệu suất phản ứng. Hệ thống khuấy trộn trong thiết bị sản xuất PVC phải được thiết kế để duy trì sự phân tán đồng nhất của VCM trong nước, ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt polymer.

Sau khi phản ứng trùng hợp huyền phù hoàn tất, hỗn hợp huyền phù chứa PVC và VCM dư sẽ được chuyển sang giai đoạn tách và thu hồi VCM. Đây là bước quan trọng để đảm bảo an toàn sản phẩm và tối ưu hóa chi phí nguyên liệu. Các thiết bị sản xuất PVC như cột tách (stripping column) được sử dụng để loại bỏ VCM còn sót lại bằng cách sục hơi nước nóng và tạo chân không. Hiệu quả của quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng VCM dư trong sản phẩm cuối cùng, một chỉ số quan trọng về chất lượng và an toàn của nhựa PVC. Cuối cùng, huyền phù PVC đã tách VCM sẽ được sấy khô để thu được bột PVC thành phẩm, sẵn sàng cho các ứng dụng tiếp theo. Toàn bộ dây chuyền sản xuất PVC cần được giám sát và điều khiển tự động để duy trì các thông số vận hành ổn định.

3.1. Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu và khơi mào phản ứng VCM

Trong quy trình công nghệ PVC theo phương pháp huyền phù, việc chuẩn bị nguyên liệu chính xác là yếu tố quyết định. VCM được đưa vào thiết bị phản ứng cùng với nước khử khoáng, chất khơi mào và chất ổn định. Chất khơi mào, như các hợp chất peroxide hoặc azo, tạo ra các gốc tự do để khởi động phản ứng trùng hợp. Có nhiều phương pháp khơi mào như bằng nhiệt, quang hoặc bức xạ. Mặc dù nhiệt có thể tạo gốc tự do, phản ứng thường chậm và cho polymer khối lượng phân tử thấp. Phương pháp quang (sử dụng tia cực tím) cho phép trùng hợp ở nhiệt độ thấp và dễ điều chỉnh tốc độ, chủ yếu dùng trong nghiên cứu. Với sản xuất PVC công nghiệp, việc sử dụng các chất khơi mào hóa học là phổ biến nhất để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

3.2. Các bước chính trong quá trình trùng hợp huyền phù

Quá trình trùng hợp huyền phù diễn ra trong thiết bị phản ứng có cánh khuấy để duy trì sự phân tán. Giai đoạn khơi mào tạo gốc tự do, gốc này tấn công liên kết đôi của VCM để tạo trung tâm hoạt động mới. Tiếp theo là giai đoạn phát triển mạch, nơi các gốc tự do kết hợp với nhiều phân tử VCM để tạo thành chuỗi polymer dài. Cuối cùng, giai đoạn ngắt mạch xảy ra khi hai gốc tự do kết hợp hoặc gốc tự do phản ứng với tạp chất. Việc kiểm soát nhiệt độ trong thiết bị phản ứng là vô cùng quan trọng, thường bằng hệ thống áo nhiệt hoặc ống xoắn, để duy trì tốc độ phản ứng tối ưu và tránh runaway reaction, đảm bảo nhựa PVC thành phẩm có các tính chất mong muốn.

IV. Tính Toán Và Bố Trí Thiết Bị Chủ Chốt Trong Thiết Kế Nhà Máy PVC

Việc tính toán và bố trí thiết bị sản xuất PVC đóng vai trò then chốt trong hiệu quả vận hành của bất kỳ phân xưởng PVC nào. Đối với thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù, các kỹ sư phải thực hiện các phép tính phức tạp về cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng để xác định kích thước và loại hình thiết bị phản ứng chính, cũng như các thiết bị phụ như bồn chứa, bơm, cột tách và hệ thống trao đổi nhiệt. Mục tiêu là tối ưu hóa việc sử dụng nguyên liệu, năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành. Công suất 35000 tấn/năm đòi hỏi sự chính xác cao trong từng bước tính toán, từ lượng VCM cần thiết đến lưu lượng nước làm mát và hơi nước nóng. Việc tham khảo các bản thiết kế nhà máy PVC đã được xây dựng trước đó và các tài liệu chuyên ngành là rất cần thiết để đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.

Bên cạnh tính toán công nghệ, việc bố trí xây dựng nhà máy PVC cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Mặt bằng, mặt cắt ngang và dọc của phân xưởng PVC phải được thiết kế sao cho hợp lý, đảm bảo luồng nguyên liệu và sản phẩm thông suốt, dễ dàng bảo trì và sửa chữa thiết bị sản xuất PVC. Đặc biệt, các khu vực xử lý VCM và polymer cần được cách ly hợp lý để đảm bảo an toàn lao động và an toàn môi trường PVC. Ví dụ, bồn chứa trung gian và cột tách được thiết kế với cánh khuấy và hệ thống hút chân không để tối ưu hóa quá trình tách VCM dư. Các thiết bị trao đổi nhiệt cũng cần được bố trí chiến lược để duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo chất lượng nhựa PVC và an toàn cho hệ thống. Một thiết kế phân xưởng PVC tốt không chỉ giải quyết các vấn đề kỹ thuật mà còn tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành lâu dài.

4.1. Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng

Cân bằng vật chất là việc tính toán lượng nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra ở mỗi giai đoạn của quy trình công nghệ PVC. Điều này bao gồm việc xác định lượng VCM, nước, chất khơi mào, chất ổn định, và tính toán lượng PVC thành phẩm, VCM dư thu hồi, và các chất thải. Cân bằng nhiệt lượng là tính toán lượng nhiệt phát sinh và cần được loại bỏ trong quá trình phản ứng trùng hợp huyền phù, cũng như nhiệt lượng cần cung cấp cho các quá trình khác như sấy và tách. Các phép tính này giúp lựa chọn thiết bị sản xuất PVC có công suất phù hợp, tối ưu hóa hệ thống làm mát và gia nhiệt, đảm bảo phản ứng diễn ra trong điều kiện lý tưởng.

4.2. Lựa chọn và bố trí thiết bị phản ứng và thiết bị phụ trợ

Việc lựa chọn thiết bị phản ứng chính là trọng tâm của thiết kế phân xưởng sản xuất PVC. Thiết bị phản ứng phải có khả năng chịu áp suất, nhiệt độ cao và được làm từ vật liệu chống ăn mòn. Hệ thống khuấy trộn là yếu tố cực kỳ quan trọng để duy trì hệ huyền phù đồng nhất và phân tán nhiệt hiệu quả. Các thiết bị phụ trợ như bồn chứa trung gian (ví dụ, bồn A với ba cánh khuấy để phân phối huyền phù liên tục), bơm, và cột tách VCM (stripping column) cũng cần được lựa chọn kỹ lưỡng. Cột tách với nhiều đĩa và hoa nhựa được thiết kế để tăng bề mặt tiếp xúc, tối ưu hóa việc tách VCM còn sót lại trong PVC. Bố trí các thiết bị sản xuất PVC này trên mặt bằng phải đảm bảo dòng chảy vật liệu liên tục, an toàn và dễ tiếp cận cho bảo trì.

V. Tối Ưu Hóa An Toàn Và Nâng Cao Hiệu Suất Sản Xuất PVC Nghiên Cứu Điển Hình

Để đảm bảo phân xưởng PVC hoạt động hiệu quả và bền vững, việc tối ưu hóa an toàn môi trường PVC và nâng cao hiệu suất là không thể thiếu trong quá trình thiết kế phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù. Các cải tiến về hóa chất sử dụng, phương thức tính toán và cách bố trí thiết bị cần được thực hiện để thích nghi với điều kiện hiện tại và các quy định ngày càng nghiêm ngặt. Việc liên tục đánh giá và cải thiện quy trình công nghệ PVC giúp giảm thiểu rủi ro, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và nâng cao chất lượng sản phẩm. Một đồ án tốt nghiệp PVC có thể tập trung vào việc phân tích ưu nhược điểm của từng loại hóa chất khơi mào, từng loại thiết bị sản xuất PVC và vị trí bố trí của chúng, từ đó đưa ra những đề xuất cải tiến có giá trị.

Kết quả nghiên cứu thường chỉ ra mức độ hoàn thiện và hợp lý của một phân xưởng sản xuất PVC theo phương pháp huyền phù, bao gồm các biện pháp cụ thể để đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh môi trường. Việc áp dụng công nghệ thu hồi và tái chế VCM hiệu quả, hệ thống xử lý nước thải và khí thải tiên tiến là những ví dụ điển hình. Trong tương lai, công nghệ sản xuất PVC sẽ tiếp tục hướng tới các giải pháp xanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và giảm thiểu hoàn toàn tác động đến môi trường. Điều này bao gồm việc nghiên cứu các chất xúc tác mới, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và tích hợp các hệ thống tự động hóa thông minh vào nhà máy PVC để đạt được hiệu quả vận hành tối đa và bền vững. Việc đào tạo nhân lực có trình độ cao và cập nhật kiến thức liên tục cũng là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự phát triển lâu dài của ngành.

5.1. Các biện pháp đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh môi trường

Trong phân xưởng PVC, việc xử lý VCM và các hóa chất khác tiềm ẩn nhiều rủi ro. Các biện pháp an toàn bao gồm: thiết kế hệ thống kín để ngăn rò rỉ VCM, lắp đặt cảm biến phát hiện khí độc, hệ thống thông gió cục bộ và tổng thể, trang bị đầy đủ thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE) cho người lao động. Về vệ sinh môi trường, cần có hệ thống thu hồi VCM dư thừa từ các thiết bị như cột tách (stripping column) và bồn chứa để tái sử dụng hoặc xử lý an toàn. Nước thải từ quy trình công nghệ PVC cần được xử lý triệt để để loại bỏ polymer và các chất hóa học khác trước khi xả ra môi trường, nhằm đảm bảo an toàn môi trường PVC.

5.2. Triển vọng và cải tiến trong công nghệ sản xuất PVC

Công nghệ sản xuất PVC không ngừng được cải tiến để tăng hiệu suất và giảm tác động môi trường. Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các chất khơi mào hiệu quả hơn, hệ thống kiểm soát nhiệt độ và áp suất chính xác hơn trong thiết bị phản ứng. Việc tối ưu hóa thiết bị sản xuất PVC như cột tách để thu hồi VCM triệt để hơn là một ưu tiên. Ngoài ra, việc nghiên cứu các vật liệu mới cho thiết bị sản xuất PVC để tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì cũng đang được chú trọng. Tương lai của nhà máy PVC sẽ hướng tới các giải pháp công nghệ 4.0, tự động hóa toàn diện và tích hợp AI để tối ưu hóa mọi khía cạnh của quá trình sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.