Mô phỏng dây truyền crackinh MTBE tạo isobutane của IFP bằng phần mềm HYSYS

Mô phỏng dây truyền crackinh MTBE tạo isobutane của IFP bằng phần mềm HYSYSMô phỏng dây truyền crackinh MTBE tạo isobutane của IFP bằng phần mềm HYSYSMô phỏng dây truyền crackinh MTBE tạo isobutane của IFP bằng phần mềm HYSYSMô phỏng dây truyền crackinh MTBE tạo isobutane của IFP bằng phần mềm HYSYS

MỤC LỤC

MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN 1

SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE 1

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN HÓA CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG 4

1 Nguyên liệu Toluen 4

1.1 Tính chất vật lý 4

1.2 Tính chất hóa học 4

2.3 Ứng dụng 6

2 Nguyên liệu Clo 7

2.1 Tính chất vật lý 7

2.2 Tính chất hóa học 8

2.3 Ứng dụng của Clo 10

2.4 Điều chế Clo 11

3 Sản phẩm chính Benzyl Cloride 11

3.1 Tính chất vật lý 11

3.2 Ứng dụng và các phản ứng 12

3.3 Phương pháp điều chế 13

3.4 An toàn khi sử dụng 13

4 Tính chất của axit HCl 14

4.1 Tính chất vật lý 14

4.2 Tính chất hóa học 14

4.3 Các phương pháp sản xuất axit HCl phổ biến trên thế giới 16

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE .20

1 Mô phỏng dây chuyền phản ứng tạo Benzyl Cloride 20

1.1 Thuyết minh dây chuyền: 20

1.2 Quá trình mô phỏng dây chuyền 23

2 Biện luận quá trình mô phỏng 33

3 Xác định các thông số của tháp chưng 38

4 Tuần hoàn lại dòng Toluen 40

5 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 45

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN HÓA CHẤT THAM GIA

PHẢN ỨNG

1 Nguyên liệu Toluen

1.1 Tính chất vật lý

- Toluen dễ bắt cháy (do nhiệt độ chớp cháy thấp), cháy tạo ra nhiều muội

- Toluen có khả năng hòa tan trong benzene, etanol, các xeton và phần lớn dung môi hữu cơ, rất ít tan trong nước

Công thức cấu tạo :

2.2.1 Phản ứng thế vào electrophin vào nhân thơm

Nhóm thế CH3 là nhóm thế loại I với ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp vàsiêu liên hợp đến electron π trong vòng benzene làm mật độ e trong vòng benzenetăng lên ở các vị trí ortho và para, đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng thế

2.2.2 Phản ứng tại nhóm thế CH3

- Phản ứng halogen hóa:

C6H5-CH3 + Cl2 → C6H5-CH2– Cl

- Tham gia phản ứng với brom khan cho ra bromtoluen và axit HBr

- Phản ứng với khí clo tạo ra diclometan và axit HCL

- Phản ứng cộng với H2 tạo ra metylxiclohexan

- Phản ứng oxy hóa với nhóm metyl

- Phản ứng oxi hóa với các điều kiện thích hợp :

C6H5-CH3 + O2 → C6H5-CHO

hoặc C6H5-CH3 + O2 → C6H5-COOH

Toluen tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia phản ứng cộng và

bền vững với các chất oxi hóa Đó cũng còn gọi là tính thơm  bởi vì đó là tính chất

hóa học đặc trưng chung của các hiđrocacbon thơm

2.3 Ứng dụng

- Trong công nghiệp và đời sống thì toluene đóng một vai trò quan trọng:

 Là thành phần cấu từ làm tăng trị số octan, nâng cao giá trị của xăng, đặcbiệt trong hoàn cảnh hiện nay khi phụ gia chì đã gần như không còn sửdụng do làm ô nhiễm môi trường thì tầm quan trọng của toluene ngyafcàng lớn

 Bên cạnh đó toluen còn là nguyên liệu chính sản xuất thuốc nổ TNT, ứngdụng trong các lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác quặng …

 Trong công nghiệp hóa chất, toluene đa phần sử dụng để sản xuấtbenzene, ngoài ra còn sự dụng làm dung môi, sản xuất sơn

2 Nguyên liệu Clo

Trong tự nhiên clo chỉ được tìm thấy trong dạng các ion clorua (Cl-) Cácclorua tạo ra các loại muối hòa tan trong nước biển — khoảng 1,9% khối lượngcủa nước biển là các ion clorua Trong nước của biển Chết và các mỏ nước mặnngầm thì nồng độ của các ion clorua còn cao hơn nữa

Phần lớn các muối clorua hòa tan trong nước, vì thế các clorua rắn thôngthường chỉ tìm thấy trong những vùng khí hậu khô hoặc ở sâu dưới đất Trong lớp

vỏ Trái Đất, clo có giá trị trung bình khoảng 126 ppm, chủ yếu ở dạng halit (muốimỏ) (natri clorua), sylvit (kali clorua) và cacnalit (magiê clorua, kali clorua ngậmsáu phân tử nước) Có hơn 2000 hợp chất của clo vô cơ tồn tại trong tự nhiên

2.1 Tính chất vật lý

Clo, khí hóa lỏng dưới áp suất 8 bar ở nhiệt độ phòng Kích thước cột chấtlỏng là ca 0.3x 3 cm Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hai nguyên tử clo hìnhthành các phân tử có hai nguyên từ Cl2 Đây là một chất khí màu vàng xanh cómùi đặc biệt mạnh mẽ của nó, mùi thuốc tẩy Sự gắn kết giữa hai nguyên tử làtương đối yếu (chỉ 242,58 ± 0,004 kJ/ mol), mà làm cho phân tử Cl2 phản ứng cao

Điểm sôi bầu không khí thường xuyên là khoảng -34˚C, nhưng nó có thểđược hóa lỏng ở nhiệt độ phòng với áp lực trên 8 atm Nguyên tố này là thành viêncủa nhóm halôgen tạo ra một loạt các muối và được tách ra từ các clorua thông quaquá trình ôxi hóa hay phổ biến hơn là điện phân Clo là một khí có khả năng phản

ứng ngay lập tức gần như với mọi nguyên tố Ở 10 °C một lít nước hòa tan 3,10 lítclo và ở 30 °C chỉ là 1,77 lít.

- Clo là chất khí, màu vàng lục, mùi hắc

- Clo nặng gấp 2,5 lần không khí và tan được trong nước

- Ở 20oC, một thể tích nước hòa tan 2,5 thể tích khí clo

- Clo là khí độc

2.2 Tính chất hóa học

Ngoài những tính chất hóa học của một phi kim như tác dụng với hầu hếtkim loại tạo thành muối Clorua, tác dụng với Hiđro tạo khí hiđro clorua Phươngpháp Clo hóa là sử dụng khí Clo mới sinh (khí Clo mới sinh có khả năng hoạt hóarất cao hơn hẳn khí Clo đã được cất giữ trong các bình chứa một thời gian) tácdụng trực tiếp với đối tượng cần Clo hóa như các kim loại, oxit kim loại hoặc cáchợp chất hữu cơ (benzen, toluen ), với nước, bazơ,

a) Tác dụng với kim loại

Các halogen hoạt động hoá học mạnh do phân tử của chúng phân li tươngđối dễ dàng thành nguyên tử, nguyên tử có tính chất hoá học rất mạnh

Phản ứng kết hợp halogen với kim loại xảy ra đặc biệt nhanh và thoát ranhiệt lượng lớn

Na + Cl2 → NaCl

Khi kết hợp với kim loại, các halogen oxi hoá các kim loại đến hoá trị cựcđại của kim loại.

Cl2(k) + Fe(r) → FeCl3(r)

(Nếu Fe dư: Fe dư +  2FeCl 3 → 3FeCl 2 )

Cl2(k) + Cu(r) →CuCl2(r)Clo tác dụng với hầu hết các kim loại tạo thành muối clorua

b) Tác dụng với hiđro

Cl2(k) + H2(k) →→ 2HCl(k)Khí HCl tan nhiều trong nước tạo thành dung dịch axit hiđrocloric

Clo có những tính chất hóa học của phi kim. Clo là một phi kim hoạt độnghóa học mạnh, clo không trực tiếp phản ứng với oxi

a) Tác dụng với nước

Cl2(k) + H2O(l) ⇌ HCl(dd) + HClO(dd) (phản ứng xảy ra theo 2 chiều ngược nhau)

Nước clo là dung dịch hỗn hợp các chất HCl, HClO và Cl2 nên có màu vànglục, mùi hắc của khí clo Nếu cho quì tím vào dd đó, lúc đầu quì tím hóa đỏ, sau đónhanh chóng bị mất màu là do tác dụng oxi hóa mạnh của axit hipoclorơ HClO

b) Tác dụng với dung dịch NaOH

Cl2(k) + 2NaOH(dd) → NaCl(dd) + NaClO(dd) + H2O(l)

Dung dịch hỗn hợp gồm NaCl (natri clorua) và NaClO (natri hipoclorit)được gọi là nước Gia-ven Dung dịch này có tính tẩy màu vì tương tự như HClO,NaClO có tính oxi hóa mạnh

2.3 Ứng dụng của Clo

Clo là một hóa chất quan trọng trong làm tinh khiết nước, trong việc khửtrùng hay tẩy trắng và là khí gây ngạt (mù tạc)

Clo được sử dụng rộng rãi trong sản xuất của nhiều đồ vật sử dụng hàng ngày

 Sử dụng (trong dạng axít hipoclorơ HClO) để diệt khuẩn từ nước uống vàtrong các bể bơi Thậm chí một lượng nhỏ nước uống hiện nay cũng là được

xử lý với clo

 Sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, khử trùng, thuốc nhuộm, thực phẩm,thuốc trừ sâu, sơn, sản phẩm hóa dầu, chất dẻo, dược phẩm, dệt may, dungmôi và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác

Trong hóa hữu cơ chất này được sử dụng rộng rãi như là chất ôxi hóa vàchất thế vì clo thông thường tạo ra nhiều thuộc tính có ý nghĩa trong các hợp chấthữu cơ khi nó thây thế hiđrô (chẳng hạn như trong sản xuất cao su tổng hợp)

Clo cũng được sử dụng trong sản xuất các muối clorat, clorofom, cacbontetraclorua và trong việc chiết xuất brôm

Ngoài ra Clo còn được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:

- Khử trùng nước sinh hoạt;

- Tẩy trắng vải, sợi, bột giấy;

- Điều chế nước Gia-ven, clorua vôi,

- Điều chế nhựa PVC, chất dẻo, chất màu, caosu,

2.4 Điều chế Clo

2.4.1 Điều chế trong phòng thí nghiệm

4HCl(dd đặc) + MnO2(r) → MnCl2(dd) + Cl2(k) + 2H2O(l)2.4.2 Điều chế trong công nghiệp

Điện phân dung dịch bão hòa NaCl, có màng ngăn xốp:

Cấu tạo phân tử như hình dưới:

Đây là một chất lỏng không màu, có khả năng phản ứng cao và có ứng dụngrộng rãi trong công nghiệp hóa chất

Các tính chất hóa học của benzyl chloride được thể hiện bảng dưới:

Giới hạn nổ với không khí >1.1 %V

Độ tan trong nước Hầu như không tan trong nước

Trong quá trình tổng hợp hữu cơ, benzyl clorua được sử dụng để đưa vàonhóm bảo vệ benzyl trong phản ứng với cồn, tạo ra ete benzyl tương ứng, axitcarboxylic, và ester benzyl Benzoic acid (C6H5COOH) có thể được điều chế bằngcách oxy hóa benzyl clorua với sự hiện diện của kiềm KMnO4:

C6H5CH2Cl + 2 KOH + 2 [O] → C6H5COOK + KCl + H2O

Benzyl clorua có thể được sử dụng trong tổng hợp các loại thuốcamphetamine, và vì lý do này, việc bán benzyl clorua được theo dõi bởi CụcQuảnlý Thuốc Phép thuốcMỹ.

Benzyl clorua cũng phản ứng dễ dàng với magiê kim loại để tạo ra một chấtthử Grignard Tốt hơn benzyl bromide để điều chế thuốc thử này, vì phản ứng củabromua với magiê có xu hướng hình thành sản phẩm khớp nối Wurtz 1,2-diphenylethane

3.3 Phương pháp điều chế

Benzyl clorua được điều chế công nghiệp bằng phản ứng quang phổ pha khígiữa toluene với chlorine:

C6H5CH3 + Cl2 → C6H5CH2Cl + HClBằng cách này, khoảng 100.000 tấn được sản xuất hàng năm Phản ứng tiếntriển theo quá trình tự do của gốc tự do, liên quan đến sự liên kết các nguyên tử clo

tự do Các sản phẩm phụ của phản ứng bao gồm benzal clorua và benzotrichloride

Các phương pháp sản xuất khác tồn tại, chẳng hạn như chloromethylationBlanc của benzen Benzyl clorua lần đầu tiên được điều chế từ việc xử lý rượubenzyl với axit clohiđric

3.4 An toàn khi sử dụng

Benzyl clorua là một chất alkylating Chỉ số phản ứng cao của nó (so vớialkyl chlorides), benzyl clorua phản ứng với nước trong phản ứng thủy phân để tạothành benzyl alcohol và acid hydrocloric Khi tiếp xúc với màng nhầy, thủy phântạo ra axit clohiđric Do đó, benzyl clorua là một dụng cụ lachrymator và đã được

sử dụng trong chiến tranh hóa học Nó cũng rất gây kích ứng với da

Nó được phân loại là chất có tính độc hại cao tại Hoa Kỳ như được địnhnghĩa trong Mục 302 của Luật Hoa Kỳ về Kế hoạch Khẩn cấp và Luật QuyềnCộng đồng (42 USC 11002) và phải tuân theo các yêu cầu báo cáo nghiêm ngặtcủa các cơ sở sản xuất, Hoặc sử dụng nó với số lượng đáng kể

4 Tính chất của axit HCl

4.1 Tính chất vật lý

Ở điều kiện thông thường (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, chiếu sáng), dungdịch Axit clohydric thường được quan sát thấy là một chất lỏng không màu, trongsuốt hoặc vàng nhạt (do lẫn hợp chất), có thể bốc khói, hơi nhớt, nặng hơn nước

Hydro clorua là một khí không màu, mùi hắc gây kích thích niêm mạc, rấtđộc Trong không khí ẩm, HCl kết hợp với hơi nước tạo khói, HCl tan mạnh trongnước, nó ở dạng khan không ăn mòn kim loại, là một khí bền nhiệt chỉ bị phânhủy nhẹ ở nhiệt độ trên 15000C

4.2 Tính chất hóa học

Axit clohiđric là axit một nấc, tức nó có thể phân ly cho ra một ion H+ và ionclo, Cl− Khi hòa tan trong nước, H+ liên kết với phân tử nước tạo thành ionhydronium, H3O+:

HCl + H2O → H3O+ + Cl−

Do phân ly hoàn toàn trong nước nên axit clohiđric được xếp vào nhóm axit

mạnh Các axit monoproton có một hằng số điện ly, Ka, cho thấy mức độ phân ly

của nó trong nước Đối với các axit mạnh tương tự như HCl, thì Ka có giá trị lớn,

và bên cạnh đó, cũng đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết để xác định giá trị Ka đối

với HCl Giá trị Ka thường được tính thông qua pKa, giá trị pKa của HCl, tùy theo

nguồn, dao động trong khoảng -3 đến -7, thậm chí đến -9,3

Khi cho các muối clorua như NaCl vào dung dịch HCl thì chúng không ảnhhưởng đến giá trị pH, điều này cho thấy rằng ion Cl− là một gốc bazơ liên hợp cực

kỳ yếu và HCl bị phân ly hoàn toàn trong dung dịch Đối với các dung dịch axitclohiđric trung bình đến mạnh, người ta cho rằng số mol H+ bằng với số mol HCl,với độ tin cậy 4 chữ số thập phân

Trong số sáu axit vô cơ mạnh phổ biến, axit clohiđric là một axitmonoproton ít có khả năng tạo phản ứng giảm số oxy hóa Nó là một trong nhữngaxit mạnh ít độc hại nhất khi tiếp xúc bằng tay; ngoài tính axit, nó còn bao gồm cácion clo không phản ứng và không độc hại Các dung dịch axit clohiđric trung bình-mạnh thì khá ổn định khi lưu trữ

Axit clohiđric thường được dùng phổ biến trong việc chuẩn độ dung dịchbazơ Các axit chuẩn độ mạnh cho các kết quả chính xác hơn do có điểm cuối rõràng Axit clohiđric dạng hỗn hợp đẳng phí (gần 20,2%) có thể được dùng như mộttiêu chuẩn cơ bản trong phân tích định lượng, mặc dù nồng độ chính xác của nóphụ thuộc vào áp suất khí quyển khi điều chế nó

Axit clohiđric thường được dùng trong việc chuẩn bị mẫu trong hóa phântích Axit clohiđric đặc có thể hòa tan một số kim loại, tạo ra các khí hydro và clo

Nó phản ứng với các hợp chất bazơ như canxi cacbonat hoặc đồng(II) ôxít, tạothành các dung dịch hòa tan có thể dùng để phân tích

Như các loại axit khác, HCl có khả năng tác dụng với:

 Kim loại: Giải phóng khí hiđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loại đứngsau hiđro trong dãy hoạt động hóa học các kim loại như Cu, Hg, Ag, Pt, Au)

Fe + 2HCl → FeCl2+ H2

 Ôxít bazơ: Tạo muối clorua và nước.

a Ngọn lửa tổng hợp HCl trong lò

Quá trình này tổng hợp trực tiếp từ khí clo và hiđro cho ra sản phẩm có độ tinhkhiết cao

H2 + Cl2 → 2 HCl(ΔH= -184,74 KJ/mol)

Phản ứng diễn ra trong buồng đốt được cung cấp khí clo và hyđro ở nhiệt độtrên 2000 °C có mặt ngọn lửa Để đảm bảo rằng phản ứng diễn ra hoàn toàn, người

ta cung cấp lượng hyđro cao hơn clo một chút (1-2%) để không còn clo trong sảnphẩm Hỗn hợp của hyđro và clo có khả năng gây nổ do đó cần những thiết bị đặc

biệt có khả năng chịu nhiệt cao, và một điểm không thuận lợi là các chất phản ứng

có chi phí cao

b Phản ứng với clorua kim loại

Phản ứng với clorua kim loại, đặc biệt là natri clorua (NaCl), với axitsulfuric

H2SO4) hoặc hydro sulfat: Quá trình này được sử dụng chủ yếu trong thế kỷ 18 haycòn gọi là quy trình Leblanc dùng trong sản xuất natri cacbonat Phản ứng diễn ragồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 150-250 °C, và giai đoạn 2 ở nhiệt

c Sản phẩm clo hóa trong sản xuất chất hữu cơ

 Phản ứng trao đổi gốc clo với HF Phản ứng này được dùng để chuyển sản phẩm clo hóa (RCl) tạo ra HCl

clohiđric yếu và được tách ra Trong khi đó, dòng khí cuối cùng được đưa tới thiết

bị làm sạch để loại HCl tự do trước khi thải ra ngoài không khí

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

BENZYL CLORIDE

1 Mô phỏng dây chuyền phản ứng tạo Benzyl Cloride

1.1 Thuyết minh dây chuyền:

Dòng hỗn hợp sản phẩm được trộn lẫn giữa dòng Toluen, dòng Toluen tuầnhoàn và dòng Clo với lưu lượng lần lượt là 60, 11.65 và 30 kgmole/h và có cùngnhiệt độ là 30oC dòng hỗn hợp này được gia nhiệt lên 110 oC tại thiết bị gia nhiệtE-100 trước khi được đưa vào thiết bị phản ứng CRV-100

Tại thiết bị phản ứng xảy ra phản ứng chính là

C6H5CH3 + Cl2 C6H5CH2Cl + HCl Dòng đỉnh ra khỏi thiết bị phản ứng có lưu lượng 57.05 kgmole/h với thànhphần chính là Toluen và HCl, một lượng nhỏ Benzyl CLoride Dòng sản phẩm này

sẽ được làm mát xuống -35 oC và đi vào thiết bị tách pha

Tại thiết bị tách pha dòng đỉnh tháp gồm phần lớn là HCl và một phầnToluen có lưu lượng là 30.87 kgmole/h, dòng này sẽ được đưa vào thiết bị tách cấu

tử với mục đích là tách hoàn toàn HCl nhằm tránh gây ăn mòn thiết bị cho việc sửdụng sau này dòng đáy tháp tách pha sẽ được hòa trộn với dòng sản phẩm sauthiết bị phản ứng

Dòng HCl thoát ra từ thiết bị tách cấu tử sẽ được sử dụng với mục đích khác,còn dòng đáy có nhiệt độ 110 oC được trộn với dòng Toluen từ tháp tách pha vàtuần hoàn lại thiết bị

Dòng sản phẩm ra khỏi đáy thiết bị phản ứng sau khi hòa trộn với dòng đáytháp tách pha sẽ có lưu lượng là 70.78 kgmole/h Tuy nhiên trong dòng sản phẩm

sẽ có một lượng HCl nhất định Để tránh gây ăn mòn thiết bị, dòng hỗn hợp nàyđược đưa sang thiết bị trung hòa Neutralizer.

Tại thiết bị trung hòa, dòng sản phẩm được trung hòa bằng NaOH 30% vớilưu lượng 5kgmole/h Điều này cho phép lượng HCl được trung hòa hoàn toàn vớihiệu suất phản ứng đạt 100%, tât cả lượng muối NaCl được lấy ra dưới đáy thiết bịcùng với một lượng NaOH, dòng đỉnh sau khi được trung hòa sẽ được giảm nhiệtxuống 130 oC và đi vào tháp chưng tách tinh chế Benzyl Cloride

Tại đỉnh tháp chưng tách, dòng đỉnh được chia làm 2 dòng, một dòng nhằmlấy hơi nước thoát ra và dòng còn lại chứa lượng lớn Toluen, dòng Toluen sau đó

sẽ được hòa trộn với dòng Toluen đi ra từ thiết bị tách cấu tử X-100 Sau khi đi qua

hệ thống làm mát và tăng áp bằng với điều kiện dòng nguyên liệu, dòng toluene sẽđược tuần hoàn lại thiết bị phản ứng

Sơ đồ dây chuyền được thể hiện ở trang bên

1.2 Quá trình mô phỏng dây chuyền

Các cấu tử cho quá trình mô phỏng