bài tập lớn thiết kế hệ thống quy trình đề tài 12 quá trình sản xuất acrylic acid 20 000 tấn năm, độ tinh khiết 99,6%, vận hành 7200h năm

LỜI MỞ ĐẦU Acrylic acid là một hợp chất được sử dụng chủ yếu như một chất trung gian trong quá trình tổng hợp acrylate ester.. Do vai trò khá quan trọng của nó trong ngành công nghiệp ho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC



BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH

ĐỀ TÀI 12 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACRYLIC ACID 20.000 TẤN/ NĂM, ĐỘ TINH KHIẾT 99,6%, VẬN HÀNH 7200H/ NĂM

Giảng viên phụ trách Trần Hải Ưng

Tên thành viên

Lữ Thị Ngọc Thuý Nguyễn Thị Thanh Thuý

Tạ Ngọc Khánh Thy

THÔNG TIN THÀNH VIÊN

Nhóm lớp L05

Nhóm 12

Đề tài 12



LỜI CÁM ƠN

Qua quá trình học môn ‘Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học’, chúng em đã được trang bị những kiến thức, nguyên lý cơ bản của việc thiết kế một quy trình, đó là nền tảng vững chắc cho công việc trong tương lai của chúng em

Để có thể hoàn thành bài báo cáo này, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy vì đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu tạo tiền

đề để hoàn thành tốt bài tiểu luận

Bài tiểu luận là kết quả của quá trình nỗ lực của tất cả các thành viên trong nhóm Tuy nhiên vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự góp ý của thầy để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn

NHÓM THỰC HIỆN BÁO CÁO

MỤC LỤC

NỘI DUNG CHÍNH

II CƠ SỞ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ (deadline 7/4)

II.1 Thông tin phản ứng

II.2 Thông tin động học phản ứng

II.3 Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm

II.3.1 Nguyên liệu - Propylene II.3.2 Sản phẩm – Acrylic acid II.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid hiện tại

III LỰA CHỌN QUY TRÌNH VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT (deadline

7/4)

III.1 Lựa chọn quy trình: theo mẻ hay liên tục

III.2 Cân bằng vật chất

III.2.1 Sơ đồ cấu trúc III.2.2 Suất lượng, thành phần dòng vào, ra và hoàn lưu

IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCH CHẤT (deadline 15/4)

IV.1 Các cấu tử trong dòng vật chất sau thiết bị phản ứng

IV.2 Quá trình phân tách pha

IV.3 Sơ đồ chưng cất thu sản phẩm

V THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT(deadline 20/4)

V.1 Tính toán nhiệt độ pinch

V.2 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng kỹ thuật pinch

VI HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ (deadline 20/4)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

I LỜI MỞ ĐẦU

Acrylic acid là một hợp chất được sử dụng chủ yếu như một chất trung gian trong quá trình tổng hợp acrylate ester Acrylate ester sau đó được dùng trong nhiều ngành công nghiệp như ngành công nghiệp tã, ngành xử lý nước hoặc công nghiệp sơn, dệt Trên quy

mô toàn cầu, tỷ lệ tiêu thụ axit acrylic dự kiến đạt hơn 8.000 tấn cho đến năm 2020 Con

số này dự kiến sẽ còn cao hơn nữa do các ứng dụng mới, bao gồm sản phẩm chăm sóc cá nhân, chất tẩy rửa và các sản phẩm khác Do vai trò khá quan trọng của nó trong ngành công nghiệp hoá chất, việc sản xuất nó theo quy mô lớn là điều cần thiết

Vì vậy, mục đích của tiểu luận này là để tính toán và thiết kế một quy trình công nghệ hoá học để sản xuất 20.000 tấn acrylic acid với độ tinh khiết 99,6% và vận hành trong 7200 tiếng trong một năm với các điều kiện tối ưu và đảm bảo an toàn Acrylic acid sẽ được tổng hợp từ phản ứng oxy hoá một phần propylene

II CƠ SỞ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ

2.1 Thông tin phản ứng

Có nhiều cách để tổng hợp acrylic acid nhưng cách phổ biến nhất là oxy hoá một phần propylene Cơ chế phản ứng của quá trình sản xuất acrylic acid từ propylene này gồm hai bước: đầu tiên, propylene được oxy hóa thành acrolein và sau đó acrolein tiếp tục oxy hóa thành acrylic acid Hai bước trên thường diễn ra với các xúc tác và điều kiện vận hành khác nhau

C3H6 + O2 → C3H4O + H2O Acrolein

C3H4O +12 O2 → C3H4O2

Acrylic acid Bên cạnh đó, có thể xảy ra một số phản ứng phụ liên quan đến sự oxy hóa của tác chất và sản phẩm Một số phản ứng phụ đặc trưng như sau:

C3H4O + 72 O2 → 3 CO2 + 2H2O

C3H4O + 32 O2 → C2H4O2 + CO2

Acetic acid

C3H6 + 92 O2 → 3CO2 + 3H2O

2.2 Thông tin động học phản ứng

Những phản ứng xảy ra đều là phản ứng không thuận nghịch Động học đối với chất xúc tác được sử dụng trong quy trình này như sau:

C3H4O +32 O2 → C3H4O2 + H2O Phản ứng 1

Acrylic acid

C3H6 + 52 O2 → C2H4O2 + CO2 + H2O Phản ứng 2

Acetic acid

C3H6 + 92 O2 → 3CO2 + 3H2O Phản ứng 3

Mà −r i =k 0, i × e −E i

RT × P propylene × P oxygen

Đơn vị của áp suất là kPa, giá trị của Ei và ko,i được cho trong bảng sau:

i Ei (kcal/kmol) ko,i

Những thông số động học được trình bày trên đây được sử dụng trong khoảng nhiệt độ

250 – 330°C Trên 330°C, các chất xúc tác bắt đầu kết tủa còn dưới 250°C thì tốc độ phản ứng giảm nhanh Do đó, các chất xúc tác không thể hoạt động được ngoài khoảng nhiệt

độ 250 – 330°C

2.3 Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm

2.3.1 Nguyên liệu – Propylene

Propylene là một chất khí không màu, mùi hơi ngọt, cháy với ngọt lửa màu vàng, có mùi hắc ứng dụng chính là sản xuất polypropylene, một trong nhứng loại polymer phổ biến nhất được sản xuất trên thế giới

a Tổng quan về Propylen:

Các tên gọi khác: propene, 1-propene, methylethylene,…

Công thức hóa học: C3H6

Công thức cấu tạo:

Hình 1: cấu trúc 2D của Propylene

Hình 2: cấu trúc 3D của Propylene

b Tính chất vật lý

o Khí không màu, mùi giống dầu mỏ

o Khối lượng riêng: 1,91 kh/m3 ở thể khí( 1.013 bar, 15 0C), 613 kg/m3 với thể lỏng

o Nhiệt độ nóng chảy: -185,2oC (88K, -301,4oF)

o Nhiệt độ sôi: -47,6 oC (225,6K, -53,7 oF)

o Độ hòa tan trong nước: 0,61g/m3

o Độ nhớt: 8,34 μPa.s ở 16,7 oC

o Propylene là chất thu được từ dầu mỏ, được vận chuyển dưới dạng khí hóa lỏng dưới áp suất cao

o Tiếp xúc với chất lỏng có thể gây tê cóng đồng thời rất dễ cháy

o Khối lượng phân tử nặng hơn không khí

c Ứng dụng

Ứng dụng chính cho propylene là polypropylene, được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử, các ống nhựa, đồ gia dụng

2.3.2 Sản phẩm – Acrylic aci

Acrylic acid là một hợp chất hữu cơ có mùi chat hoặc chua đặc trưng Có thể trộn lẫn với nước, ete, rượi và clorofrom Trong hóa học, axit acrylic tạo thành một loại axit quan trọng để sử dụng trong các nhà máy hóa chất lớn và các ngành công nghiệp vì nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thương mại

a Tổng quan về Acrylic Acid

Công thức hóa học: C3H4O2

Công thức cấu tạo:

Hình 3: cấu trúc 2D của Acrylic Acid

Hình 4: cấu trúc 3D của Acrylic Acid

b Tính chất vật lý

o Trạng thái, màu sắc: Chất lỏng, không màu

o Khối lượng phân tử: 72.06 gam/mol

o Nhiệt độ nóng chảy: 13oC

o Nhiệt độ sôi: 141oC

o Khả năng hòa tan trong nước khá đáng kể: hơn 10 gam

o Độ nhớt: 1,3 cP ở 20oC

o Áp suất hơi: 3,2mmHg ở 20oC

o Điểm chớp cháy: 68oC

o Nhiệt độ tự bốc cháy: 429oC

o Mật độ: 1,051 gam/ml ở 25oC

o Chỉ số khúc xạ: N20/D 1,421.

o Nhiệt độ lưu trữ bảo quản: 15-25oC

c Ứng dụng

Acrylic Acid được sử dụng chủ yếu trong hợp chất trung gian trong sản xuất acrylate, các este acrylate được sử dụng nhiều trong sản xuất polymer Trong đời sống chúng được ứng dụng trong sản xuất sơn, làm chất bôi trơn và phụ gia trong dầu tự nhiên

và trong ngành công nghệ dược phẩm

2.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid hiện tại

2.4.1 Sản xuất axit acrylic từ acetylene - Tổng hợp Reppe từ công nghệ BASF

Ni(CO)4 + 4CH≡CH + H2O + 2HCl → 4CH2=CH-COOH + NiCl2 + H2

Dựa trên phản ứng tổng hợp Reppe hãng BASF đã phát triển công nghệ sản xuất axit acrylic bằng phản ứng cộng hợp của CO vào acetylene với xúc tác cacbonyl niken Do Ni(CO)4 được sử dụng như là một chất xúc tác nên quá trình phải tiến hành trong điều kiện nghiêm ngặt hơn với nhiệt độ từ 150- 290oC (trung bình 225oC) và áp suất 3-20 MPa (thường ở 10MPa) Để duy trì phản ứng trong pha lỏng, người ta sử dụng dung môi là tetrahydrofuran (THF)

Đây là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc, tự xúc tác, nhanh ngay ở nhiệt độ thấp 25-70oC và áp suất khi quyển Lượng hydro được tạo thành không có mặt trong sản phẩm do chúng tham gia ngay lập tức vào các phản ứng phụ sinh ra propionate, metanol,… Trong phản ứng trên, Ni(CO)4 là chất phản ứng cho vào theo một

tỉ lượng nhất định

2.4.2.Polyme hóa β-propiolactone và chưng phân hủy với nước sản phẩm

polyme thu được

Phương pháp này liên quan đến quá trình sản xuất keten từ axit axetic, dựa vào phản ứng của formaldehyde trong môi trường acetone hoặc methanol Xúc tác cho quá trình là AlCl3 hoặc ZnCl2 β- propiolactone sau đó được thủy phân bằng nước, bằng cách gia nhiệt

khoảng 100-150oC rồi sau đó lên đến 260oC , hoặc thủy phân trực tiếp trong môi trường chân không ở 50oC với sự có mặt của H3PO4 để tạo thành axit acrylic

Phương pháp tổng hợp này, được thương mại hóa bởi Celanese và Goodrich, đã ngưng sử dụng do các nhà khoa học phát hiện ra khả năng gây ung thư của β-propiolactone

III LỰA CHỌN QUY TRÌNH VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Lựa chọn quy trình: theo mẻ hay liên tục

Sau khi xem xét các ưu nhược điểm, thì lựa chọn quy trình sản xuất liên tục sẽ tối ưu hơn,

vì

Chất lượng sản phẩm Có thể kiểm tra chất lượng sản phẩm liên

tục hoặc theo chu kì Phụ phẩm acetic acid

có thể được lưu trữ và tái chế

Hiệu quả công nghệ Giảm thất thoát năng lượng Hoàn lưu tác

chất và tích hợp năng lượng dễ hơn Bơm, quạt máy nén vận hành với hiệu suất cao hơn

Bảo trì và vận hành Chi phí nhân công thấp hơn

An toàn Có tính an toàn cao hơn Hư hỏng thiết bị

và do công nhân sai sót giảm

Tuy nhiên, công nghệ liên tục có mặt hạn chế so với theo mẻ là chi phí đầu tư cao hơn, quá trình bảo trì và vệ sinh trang thiết bị cũng khó khăn hơn Tuy nhiên, những điều này

có thể bỏ qua nếu so với các ưu điểm bên trên

3.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc vào ra

Nguyên liệu sử dụng là Propylen và Oxy lấy từ không khí, bên cạnh đó dòng nhập liệu được bổ sung thêm lượng lớn hơi nước để đảm bảo cho thiết bị phản ứng hoạt động

ổn định và an toàn Sản phẩm mong muốn trong quy trình này là Acrylic Acid với độ tinh khiết 99,6% tính theo mol của Acrylic Acid và sản lượng lượng là 20.000 tấn/năm

b Cấu trúc hoàn lưu

Hình 2 Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu

3.2.2 Suất lượng, thành phần dòng vào, ra và hoàn lưu