Đề tài thiết lập dự án thiết kế quá trình sản xuất ethylen glycol từ ethylen oxit và nước với công suất 100000lbhr

Đề tài thiết lập dự án thiết kế quá trình sản xuất ethylen glycol từ ethylen oxit và nước với công suất 100000lbhr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Bộ môn: Lọc Hóa - Dầu

BÀI TẬP NHÓM

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Trung Kiên

Nhóm sinh viên thực hiện: 1) Nguyễn hữa lan (0964040031)

2) Vũ Thị Lý (0964040032)

3) Đinh Trọng Lĩnh (0964040033)

4) Hà Thọ Lực (0964040034)

5) Phạm Đức Mạnh (0964040035)

6) Lê Xuân Minh (0964040036)

Lớp: K54A-TH lọc hóa dầu Tên Đề Tài: thiết lập dự án thiết kế quá trình sản xuất Ethylen Glycol từ

Ethylen oxit và Nước với công suất 100000lb/hr

Lời mở đầu

Chúng ta đang sống trong một xã hội hiện đại và vẫn đang trên đà phát triển mạnh

mẽ Chất lượng cuộc sống con người đang dần được cải thiện thì nhu cầu về tinh thần và vật chất ngày càng cao ,vì vậy các ngành công nghệ trên toàn thế giới đã không ngừng tìm tòi và nghiên cứu để đua ra được các sản phẩm phù hợp với đòi hỏi của thị trường Trong đó công nghiệp hóa chất cũng không phải ngoại lệ Đây là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn Nó không những mang lại nguồn lợi đáng kể,mà còn thúc đẩy cácngành khác phát triển theo

Cùng với sự phát triển của công nghiệp, ngành công nghiệp hóa dầu ngày càng phát triển mạnh mẽ và chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực với mục đích chủ yếu là giải quyết vấn đề nguyên liệu cho sản xuất công nghiệp, dân dụng… Tuy ra đời có muộn hơn các ngành khác, nhưng khả năng ứng dụng của nó là vô cùng rộng lớn Hầu hết các vật liệu trong kỹ thuật và đời sống ngày nay đều được thay thế bằng nhiều loại vật liệu mới được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu trong công nghiệp dầu mỏ

Do đó việc sản suất các hợp chất hóa học từ nguồn nguyên liệu lọc dầu ngày càng gia

tăng đáng kể Một trong những loại hóa chất được sản xuất nhiều là ethylen glycol

Ethylen glycol là một chất có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, là nguyên liệu trung gian cho quá trình sản xuất nhựa alkyd, nhựa polyester…và nó có nhiều ứng dụng rộng rãi như làm giảm nhiệt độ đông như hệ nước, khả năng hút ẩm, độ bền hóa học cao…

Chính vì thế mà việc tìm hiểu công nghệ sản xuất ethylen glycol là rất cần thiết Đặc biệt là nhà máy sản xuất ethylen glycol bằng quá trình hydrat hóa ethylene oxit Đó là lí

do chúng em chọn đề tài : thiết lập dự án thiết kế quá trình sản xuất Ethylen Glycol từ Ethylen oxit và Nước với công suất 100000lb/hr.

Để thực hiện được bài tập này,xin cảm ơn sự giúp đỡ và giảng dạy nhiệt tình

của thầy giáo Phạm Trung Kiên, công tác tại bộ môn Lọc Hóa Dầu – khoa Dầu Khí –

ĐH Mỏ Địa Chất Do thời gian không nhiều, kiến thức về môn học còn thiếu sót nên trong bài tập lớn này còn những sai lầm và nhược điểm, mong thầy giáo thông cảm vàgiúp đỡ Chúng em chân thành cảm ơn!

Thanh Hóa, ngày 14 tháng 11 năm 2013

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Hữu Lan

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu về EthyleneGlycol (EG)

Etylen glycol , 1,2-ethanediol, có công thức cấu tạo : HOCH2CH2OH, (Mr62.07) với tên thường gọi là Glycol là một rượu hai nhóm chức đơn giản nhất Được sản xuất đầu tiên bởi WUZT bằng cách cho phản ứng giữa 1,2-dibromoethan với CH3COOAg để tạo sản phẩm diEtylen acetat este,sau đó sử dụng H2 phân huỷ este đó thành Etylenglycol

E.G được sử dụng đầu tiên trong Đại chiến thế giới I với vai trò sản xuất thuốc nổ

(Etylen glycol dinitrate) và sau này thành một trong những sản phẩm công nghiệp quan trọng

Năng suất toàn thế giới sản xuất Etylen Glycol theo phản ứng thuỷ phân Etylen Oxit ướctính khoảng 7.106t/a

E.G được sử dụng trong làm chất chống đông trong bộ phận làm mát của động cơ ôtô,và đồng thời là nguyên liệu quan trọng cho việc sản xuất sợi polyester

2 Tính chất vật lý của EG:

E.G là chất lỏng không màu không mùi và có vị ngọt nó rất háo nước và có thể tan hoàn toàn trong rất nhiều dung môi phân cực như nước,rượu,E.O và aceton Tuy nhiên đối vớicác dung môi không phân cực như Benzen,Toluen,Diclo Etan,cloroform,khả năng hoà tan của E.G với chúng không phải là cao lắm

3 Tính chất hóa học của EG:

Etylen glycol có tính chất hoá học của một rượu hai chức thông thường Ở đây,ta chỉ chú

ý đến những tính chất hóa học đặc biệt và những phản ứng quan trọng trong công

nghiệp.Với hai nhóm chức cạnh nhau cho phép xảy ra phản ứng đóng vòng ete hay thực hiện phản ứng trùng ngưng tạo ra những poly este với các axit đa chức khác có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp

a)Phản ứng ôxy hoá:

E.G rất dễ dàng bị ôxy hoá bởi các tác nhân ôxy hoá như O2,HNO3 cho ta một loạt các sản phẩm khác nhau như glycolaldehyde (HOCH2CHO) ,glycolic acid (HOCH2COOH), glyoxal (CHOCHO), glyoxylic acid (HCOCOOH), oxalic acid (HOOCCOOH),

formaldehyde (HCHO), and formic acid (HCOOH).Mỗi điều kiện tiến hành phản ứng sẽcho ta một sản phẩm chính khác nhau.Việc ôxy hoá E.G pha hơi với tác nhân không khí trên xúc tác Cu tạo sản phẩm glyoxal có vai trò quan trọng trong công nghiệp.Còn khi

thực hiện phản ứng nhằm chia tách liên kết C-C kết hợp ôxy hoá sẽ tạo ra sản phẩm là andehyt foocmic và axit foocmic.

b)Phản ứng tạo 1,3-dioxolan:

1,3-dioxolan là sản phẩm của phản ứng giữa Etylen glycol với hợp chất cacbonyl

Phản ứng trên cho hiệu suất cao khi ta loại nước ra khỏi sản phẩm.Phản ứng này nhằm mục đích bảo vệ nhóm cacbonyl trong quá trình phản ứng tổng hợp hữu cơ

c)Phản ứng tạo ete và este hoá:

E.G có thể bị alkyl hoá hay axyl hoá để tạo ra sản phẩm ete hay các este tương ứng.Tuy nhiên,việc có hai nhóm chức –OH sẽ dẫn tới việc tạo sản phẩm mono- hoặc di-

ete,mono-,di- este phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của mỗi chất phản ứng.Phản ứng este hóa giữa E.G với axit terephtalic tạo ra polyeste là một trong những phản ứng có ý nghĩahết sức quan trọng trong tổng hợp sợi polyeste

a) Chất trung gian để sản xuất nhựa:

Nhựa alkyd : Quá trình ester hoá của EG với polyhydric acid tạo ra polyester Sau đó, Polyester này được biến đối với cồn hoặc dầu làm khô để dùng làm nguyên liệu cho ngành sơn Phản ứng giữa EG và acid dihydric cacboxylic hoặc các anhydride đặc biệt như : Phthalic anhydride tạo ra alkyd resins, đây là nguyên liệu sản xuất cao su tổng hợp, keo dán hoặc các loại sơn phủ bề mặt

- Các loại nhựa polyester (dạng sợi, màng polyester và nhựa polyethylene terephthalate (PET)

- Nhựa polyester dùng trong sản xuất tàu thuyền, nguyên liệu ngành xây dựng, thân máy bay, xe hơi, dệt và bao bì

- Sợi polyester thường được dùng trong ngành dệt như quần áo và thảm

- Màng Poliester thường được dùng trong bao bì và màng co trong hàng hoá tiêu dùng, sản xuất băng video, đĩa vi tính

- Nhựa ( polyethylene terephthalate) dùng để sản xuất chai đựng nước uống (chai pet),

thùng chứa và bao bì thực phẩm

b) Chất chống đông

- Chất chống đông làm mát dùng trong động cơ xe máy, máy bay và đường băng

- Dung dịch tải nhiệt ( các bình nén khí, gia nhiệt, thông gió, máy lạnh)

- Chất chống đông và làm mát động cơ xe hơi

- Dùng trong các công thức pha chế hệ nước như keo dán, sơn latex, các nhựa tương tự như nhựa đường

- Dung môi hoà tan thuốc nhuộm trong ngành dệt và thuộc da

- EG có thể hoà tan tốt thuốc nhuộm nên nó được trong quá trình nhuộm màu và hoàn thiện gỗ, chỉ được dùng trong trường hợp độ bay hơi thấp

- Làm nguyên liệu ban đầu trong sản xuất polyol bắt nguồn từ Ethylene oxid, các polyol này được dùng làm chất bôi trơn hoặc phản ứng với isocyanates trong sản xuất

polyurethanes.Không được dùng EG trong thực phẩm và dược

Ta có thể thấy được Ethylen Glycol có ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là trong ngành công nghiệp hóa chất bởi vậy việc sản xuất EG là hết sức cần thiết

Nội dung của bài toán dề cập đến việc thiết lập dự án thiết kế quá trình sản xuất EthylenGlycol từ Ethylen Oxit và nước:

CHƯƠNG II THIẾT LẬP DỰ ÁN THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHYLEN GLYCOL TỪ ETHYLEN OXIT VÀ NƯỚC VỚI CÔNG SUẤT

100000lb/hr

I.).THIẾT KẾ CẤU TRÚC PHÂN TỬ

Như chúng ta đã biết EG là một chất có ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như đã nói ở trên do vậy trước tiên trước khi đi vào thiết kế quá trình sản xuất EG từ Ethylen Glycol và Nước thì chúng ta phải đi thiết kế cấu trúc phân tử của EG

Ethylen Glycol có công thức cấu tạo là HO-CH2-CH2-OH

Và có cấu trúc không gian như sau

Cấu trúc dạng rỗng

Cấu trúc dạng đặc

Ta có một số thông số vật lý về EG như sau

Nhiệt độ điểm sôi tại 101325pa:197.600C

Dưới đây là thông số vật lý của các loại ethylene glycol

Dựa vào những thông số trên về EG ta đã biết được những thông số kỹ thuật của EG mà chúng ta cấn thiết kế và sản xuất

II) KHỞI TẠO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ EG

CH2=CH2 + HClO HO-CH2-CH2-Cl

HO-CH2-CH2-Cl + NaHCO3 HO-CH2-CH2-OH + CO2 + H2O + NaCl

3) Phương pháp dựa trên quá trình cacbonyl hóa formaldehyt thành axit glycol, sau

đó este hóa axit này tạo hydrin metyl axetat, hydro phân este

+ Sản phẩm phụ: metyl format, metanol, nước

7) Phương pháp hydro hóa n-butyl oxalat thành EG và n-butyl ancol Butyl oxalatđược tạo bởi quá trình oxi cacbonyl hóa n-butanol trong pha lỏng:

2n-C4H9OH + 2CO + ½ O2 (n-C4H9COO)2 + H2O

(n-C4H9COO)2 + 4H2 Cu-Cr HO-CH2-CH2-OH + 2n-C4H9OH

Trên đây là những cách để điều chế EG tuy nhiên phương pháp điều chế EG từ Ethylen oxit và nước cho ta hiệu suất cũng như giá thành cao do vậy chúng ta sẽ nghiên cứa quá

trình sản xuất EG từ ethylene oxit và nước

Ta có phương trình phản ứng điều chế EG từ ethylene oxit và nước như sau

Do vậy sau khi phản ứng xong thì chúng ta cần phải tinh chế sản phẩm EG như mong muốn sau đây là sơ đồ khối và sơ đồ công nghệ đơn giản của quá trình sản xuất EG từ ethylene oxit và nước

III) Xây dựa sơ đồ công nghệ và sơ đồ khối của quá trình sản xuất EG từ ethylene glycol

và nước

Sơ đồ khối quá trình sản xuất Ethylen Glycol từ Ethylen oxit và nước

Thiết bị làm khô

Thiết bị tinh chế sản

Diethylen Glycol

Monoethylen Glycol

Triethylen Glycol

Ethylen oxit

C 2 H 4 O

Sơ đồ công dòng quá trình sản xuất Ethylen Glycol từ Ethylen oxit và nước

Monoethylene Glycol Diethylene Glycol Triethylene Glycol

Polyethylene Glycol

H thiết bị trao đổi nhiệt

Sau đây là sơ đồ công nghệ của quá trình sản xuất EG từ ethylene oxit và nước trong công nghiệp

H2O

C2H4O

Thuyết minh sơ đồ công nghệ: ethylene oxide và hơi nước đưa vào thiết bị trộn

nguyên liệu đầu để chúng có thể trộn lẫn vào nhau Hốn hợp được trao đổi nhiệt với dònghơi nước ngưng từ vùng sấy để làm nóng hốn hợp nguyên liệu Hốn hợp tiếp tục được gianhiệt đến nhiệt độ khoảng 200oC và được đưa vào thiết bị hydrat hóa Tại thiết bị hydrat hóa các phản ứng tạo EG xảy ra Sản phẩm đi ra khỏi thiết bị là hỗn hợp các etylen glycol (mono-, di-, tri-, polyetylen glycol ) và nước

Dòng sản phẩm được đưa vào vùng sấy có hút chân không để tách phần lớn lượng nước

vì lượng nước đưa vào ban đầu tương đối nhiều so với Etyle Oxit) Ở vùng sấy bao gồm các thiết bị là các tháp bay hơi có thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp (gia nhiệt bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp hoặc trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm của thiết bị trước đó) Dòng sản phẩm đi ra khỏi vùng sấy là một phần nhỏ nước và hỗn hợp các etylen glycol

Sản phẩm tiếp tục được đưa vào thiết bị dehydrat hóa (thiết bị là tháp chưng luyện )để tách triệt để nước ở đỉnh tháp Nước được tuần hoàn về thiết bị trộn ban đầu ở đáy tháp bao gôm hỗn hợp các EG

Hỗn hợp được chuyển qua tháp tách monoetylenglycol thong qua bơm ly tâm ở đáy thiết

bị có thiết bị gia nhiệt đáy tháp nâng nhiệt độ lên cao (198oC<T<243oC) để hóa hơi mono-EG và ngưng tụ thu ở đỉnh tháp Sản phẩm đáy tháp là rafinat (di-, tri-, polyEG) được chuyển qua tháp tách di- EG và được gia nhiệt đáy tháp đến nhiệt độ thích hợp (244o C<T<287oC) để tách di-EG và thu ở đỉnh tháp Sản phẩm đáy được đưa qua tháp tách tri-EG được gia nhiệt tới nhiệt độ phù hợp (> 288oC) để tách tri-EG Phần đáy gồm các poly-EG được lấy ra ở đáy tháp

Thành phần các sản phẩm lấy ra ngoài các điều kiện công nghệ còn phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ lệ Nước/Etylen Oxit cho vào ban đầu

Như vậy ta biết được rằng để đạt được hiệu quả của quá trình là tốt nhất và để thu được lượng mono ethylene là nhiều nhất và hạn chế các phản ứng phụ sảy ra trong quá trình thì ngoài điều kiện về công nghệ như nhiệt độ áp suất chất xúc tác cho quá trình thì quá trình này để đạt được hiệu quả như mong muốn thì nó còn phụ thuộc vào tỷ lệ

nước/ethylene oxit cho vào ban đầu sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ nước/ehtylen oxit và hàm lượng ethylen oxit chuyển hóa trong quá trình

Hình: Thành phần sản phẩm thu được từ quá trình thủy phân theo tỉ lệ EO/H

a- là monoethylen glycol

b- là diethylen glycol

c- là tri ethylene glycol

d- là các poly ethylene glycol

và EG sau khi được tinh chế thì nó phải đảm bảo được các chỉ tiêu về chất lượng như sau:

Việc tạo thành các sản phẩm phụ ở trên là không thể tránh khỏi do phản ứng của etylen oxyt với etylen glycol sinh ra nhanh hơn là phản ứng của nó với nước.Hiệu suất tạo sản phẩm phụ có thể được xử lý bằng cách cho dư thật nhiều H2O.Thường có thể sử dụng số mol nước gấp 20 lần so với etylen oxyt.

Người ta cũng có thể sử dụng H2SO4 để làm xúc tác cho quá trình,nhưng thực tế không cần vậy vì hiệu suất của nó chỉ cao hơn hiệu suất phản ứng thuỷ phân không cần xúc tác.Theo nghiên cứu thì sẽ có khoảng 90% etylen oxyt được chuyển hóa thành mono-etylen glycol.Còn 10% thành các dạng khác

Sau khi rời khỏi thiết bị phản ứng,sản phẩm sẽ được làm sạch bằng các cột chưng với

áp suất giảm dần

Nước được quay trở lại thiết bị phản ứng, còn các sản phẩm lần lượt được tách ra bằng các cột chưng luyện như trên sơ đồ trên.Thực tế thì nồng độ của tri-E.G là quá bé đểnhận biết được.Nhiệt giải phóng từ thiết bị phản ứng sẽ được sử dụng cho quá trình chưng cất.Cần phải chú ý tới các sản phẩm phụ như andedyt hoá có thể xảy ra.Hình dáng của thiết bị phản ứng sẽ giúp giảm thiểu phản ứng này và tăng hiệu quả chọn lọc của sản phẩm chính

Để quá trình xảy ra với độ chọn lọc cao hơn,nhiệt độ thấp hơn và lượng nước yêu cầu giảm đi,thì cần phải có xúc tác.Hơn nữa , việc có xúc tác giúp cho việc phân tách về sau dễ dàng hơn.Tuy nhiên cho tới nay thì mọi xúc tác cho quá trình thuỷ phân này chưa chứng tỏ được hiệu quả kinh tế của nó

Để thực hiện quá trình đạt hiệu suất như mong muốn thì chúng ta có các thông số

về điều kiện vận hành của quá trình này như sau:

 Nguyên liệu ethylene oxit được pha loãng bằng hỗn hợp nước với oxit:tỷ lệ 25/1

20- Thiết bị phản ứng ở áp suất 1.5 Mpa, nhiệt độ đầu vào 1500C, nhiệt độ đầu ra

200-2100C

 Chất xúc tác: H+

 Thời gian lưu: 45 phút dến một giờ

 Độ chọn lọc của sản phẩm: 88.5% mol EG, 10.5% DEG, 0.5%TEG

Trên đây là những thông số cần thiết cho quá trình thiết kế và sản xuất EG từ ethyleneoxit và nước

IV) thiết kế điều khiển cho quá trình sản xuất EG từ ethylene oxit và nước

SP xSP

vapour

SP Ethylene oxit

Nước

Thuyết minh sơ đồ điều khiển

Ta có phản ứng của chúng ta ở đây là phản ứng tỏa nhiệt do vậy chúng ta cần điều khiển nhiệt độ đầu ra của thiết bị do vậy chúng ta cần một dòng năng lượng để có thể điều khiển được nhiệt độ đầu ra như mong muốn ở đây chúng ta dùng dòng năng lượng duty

để duy trì nhiệt độ đầu ra cho thiết bị phản ứng

Dòng sản phẩm ra ở đáy của thiết bị phản ứng và chúng ta sẽ điều khiển nhiệt độ của dòng sản phẩm ra ở đáy của thiết bị phản ứng

Dòng sản phẩm sau khi được đi ra ở đáy của thiết bị phản ứng thì sẽ có một khí cụ đo và chuyển đổi nhiệt độ TT và tác động đến thiết bị điều khiển TC và so sánh với giá trị nhiệt

độ đặt trước TSP ở đây giá trị TSP = 2000C sau khi so sánh với giá trị TSP thì nó sẽ tác động đến thiết bị điều khiển lượng FC tại thiết bị điều khiển lưa lượng FC thì nó sẽ so sánh với thiết bị chuyển đổi lưa lượng FT và giá trị SP và sau đó sẽ tác động đến thiết bị chấp hành ở đây là van và nó sẽ điều chỉnh dòng lưa lượng duty để duy trì nhiệt độ dòng đầu ra = 2000 C để thu được hiệu suất cao nhất

Do đây là thiết bị phản ứng CSTR do vậy một biến chung ta cần điều khiển đó là mức chất lỏng trong thiết bị phản ứng

Để điều khiển mức chất lỏng trong thiết bị phản ứng chúng ta sử dụng khí cụ đo và chuyển đổi mức LT sau đấy nó sẽ tác động đến thiết bị điều khiển mức LC và tiến hành

so sánh với giá trị đặt SP và giá trị SP.ở đây SP = 85%và sau đó nó sẽ tác động đến thiết

bị điều khiển lưa lượng FC và ở đây thì nó sẽ tiến hành điều khiển lưa lượng dòng đầu ra của sản phẩm để đảm bảo được mứa chất lỏng trong thiết bị phản úng theo yêu cầu.thiết

bị điều khiển FC sẽ tác động đến thiết bị chấp hành ở đây là van và điều khiển lưa lượng dòng đầu ra

Biến thứ ba chúng ta cần điều khiển ở đây đó là cần điều khiển thành phần của Ethylen Glycol ở sản phẩm để điều khiển biến này thì chúng ta tiến hành điiều khiển lưa lượng của Ethylen Oxit ở đầu vào như sau

Sản phẩm ra ở đáy của thiết bị phản ứng và được khí cụ chuyển đổi và phân tích AT tác động đến thiết bị điều khiển phân tích AC và nó sẽ tiến hành so sánh với giá trị đặt trước