ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

lược dòng nhập liệu và sản phẩm 2 1. Nguyên liệu Ethylene 2 2. Nguyên liệu Benzene 3 3. Sản phẩm chính Ethylbenzene 4 II. Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động 5 1. Điều kiện phản ứng 5 2. Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 5 III. Quá trình tổng hợp Ethybenzene 6 1. Tóm tắt đầu vào vàlược dòng nhập liệu và sản phẩm 2 1. Nguyên liệu Ethylene 2 2. Nguyên liệu Benzene 3 3. Sản phẩm chính Ethylbenzene 4 II. Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động 5 1. Điều kiện phản ứng 5 2. Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 5 III. Quá trình tổng hợp Ethybenzene 6 1. Tóm tắt đầu vào vàlược dòng nhập liệu và sản phẩm 2 1. Nguyên liệu Ethylene 2 2. Nguyên liệu Benzene 3 3. Sản phẩm chính Ethylbenzene 4 II. Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động 5 1. Điều kiện phản ứng 5 2. Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 5 III. Quá trình tổng hợp Ethybenzene 6 1. Tóm tắt đầu vào và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Đề tài: Sản xuất Ethylbenzene

Giảng viên: Nguyễn Thành Duy Quang

Nhóm: A03

MỤC LỤC

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

PHẦN II: NỘI DUNG 2

I Sơ lược dòng nhập liệu và sản phẩm 2

1 Nguyên liệu Ethylene 2

2 Nguyên liệu Benzene 3

3 Sản phẩm chính Ethylbenzene 4

II Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động 5

1 Điều kiện phản ứng 5

2 Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 5

III Quá trình tổng hợp Ethybenzene 6

1 Tóm tắt đầu vào và đầu ra 6

2 Quy trình tóm tắt 6

3 Thiết bị 7

IV Phần tính toán 13

1 Thiết bị phản ứng 13

2 Thiết bị trao đổi nhiệt 14

3 Bơm 15

V Bàn luận 16

VI Tài liệu tham khảo 16

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp hóa chất là một trong những ngành mũi nhọn của đất nước ta hiện nay Các sản phẩm hóa chất luôn tồn tại xung quanh chúng ta từ lớp sơn trên cánh cửa cho đến từng đồ dùng gia dụng hàng ngày, từ tủ bếp đến phòng tắm, v.v Chúng là kết quả của một loạt các quy trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mong muốn Và như một lẽ tự nhiên mọi hoạt động sản xuất ta luôn cần có nguyên liệu của nó Ethylbenzene, một trong những hydrocacbon thơm được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu ( >99%), được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất Styrene Là một thành tố quan trọng trong đời sống của chúng ta hiện nay

Hiện nay hầu hết Ethylbenzene được sản xuất trong thương mạị đều từ quá trình Ankyl hóa một Benzene bằng Ethylene Sự sản xuất Ethylbenzene tiêu thụ 50% lượng Benzene trên thế giới Quá trình Ankyl hóa được tiến hành chủ yếu theo 2 phương pháp:

- Tiến hành trong pha lỏng với xúc tác AlCl3

- Tiến hành trong pha hơi với xúc tác rắn tầng cố định

Trong bài báo cáo này, với kiến thức đã được học trong môn Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học cùng với việc tham khảo tài liệu và vận dụng phần mềm mô phỏng và tối ưu Hysys V8.8 em sẽ mô tả quy trình HAD

PHẦN II: NỘI DUNG

I Sơ lược dòng nhập liệu và sản phẩm

1 Nguyên liệu Ethylene

Hình 1: Thông số nhập liệu của Ethylen.

- Ethylene có công thức CH2=CH2 , là chất được sử dụng rộng rãi nhất thế giới trong công nghiệp hóa dầu, được sử dụng làm nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nhiều chất hữu cơ như ethybenzene, ethylglycol, một số acid,…

- Ethylene là chất khí không màu, dễ cháy, mùi ngọt

- Tính chất vật lí:

+ Nhiệt độ tới hạn là 9,900C

+ Áp suất tới hạn là 5,117 MPa

+ Mật độ tới hạn là 0,21 g/cm3

+ Sức căng bề mặt: Tại nhiệt độ sôi là 16,5 mN/m

Tại 00C là 1,1 mN/m

+ Nhiệt độ sôi là -103,710C

+ Nhiệt độ nóng chảy là -169,20C

2 Nguyên liệu Benzene

Hình 2 : Thông số nhập liệu của benzen

- Nhiệt độ nóng chảy 5,50C Nhiệt độ sôi 80,10C

- Phản ứng đặc trưng của nó là phản ứng thế electrophin nhờ vào cấu tạo đặc biệt, phản ứng cộng, oxi hóa cần điều kiện khắc nghiệt hơn

- Ứng dụng:

+ Benzene có vai trò quan trọng trong thực tế , là nguyên liệu chính để sản xuất các loại thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng và vô số các ứng dụng khác trong đời sống xã hội

+ Là nguyên liệu tạo phẩm nhuộm, dược phẩm, trong việc sản xuất chất phụ gia tăng chỉ số octane cho xăng,

+ Trong thí nghiệm benzene dùng để làm dung môi rất phổ biến

- Benzene là một hóa chất độc hại, gây ung thư cho con người Vấn đề tồn trữ benzene là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân nhà máy và người dân sống ở khu vực xung quanh Phải luôn duy trì nhiệt độ bồn chứa trên 80C để ngăn chặn benzene đóng băng Bồn chứa phải kín, thường xuyên kiểm tra để phát hiện rò rỉ Sử dụng cột thu lôi để tránh sấm sét Mọi hoạt động tiếp xúc của con người phải có trang bị bảo hộ đi kèm theo

- Các tàu xe vận chuyển benzene phải được dọn sạch sẽ trước khi tải để tránh gây nhiễm bẩn nguồn nhiên liệu, trong quá trình benzene vận hành trong đường ống thường tích điện, cần nối đất để tránh gây cháy nổ, đồng thời khống chế lưu lượng

để đảm bảo an toàn Hệ thống chữa cháy hoạt động đi kèm phải thường xuyên kiểm tra để đảm bảo

3 Sản phẩm chính Ethylbenzene

- Ethylbezene có công thức phân tử là C6H5C2H5

- Công thức cấu tạo:

- Ở nhiệt độ phòng : Ethylbenzene là

 Chất lỏng trong suốt, không màu

 Có mừi thơm đặc trưng, tương đối độc hại khi uống phải, hít thở và hấp phụ qua da, gây kích ứng nhẹ cho da và mắt

- Một số tính chất đặc trưng của ethylbenzene:

Nhiệt độ chớp cháy cốc

kín

Độ nhớt động học tại

Tỷ trọng tại:

150C

200C

250C

0,8670 0,86262

- Phản ứng mang tính thương mại quan trọng nhất của ethylbenzene là phản ứng khử

để tạo thành styrene

- Cũng giống như toluen, ethylbenzene có thể tham gia phản ứng dealkyl hóa có mặt của xúc tác hoặc phản ứng trong điều kiện nhiệt độ cao để tạo benzene

- Tồn trữ và vận chuyển:

 Ethylbenzene là chất lỏng dễ cháy nên phải được tồn trữ và vận chuyển trong các thùng chứa bằng thép và phải được kiểm soát cẩn thận

 Nhiệt độ chớp cháy là 15-200C vì vậy tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp và các nguồn nhiệt

 Ethylbenzene có thể tích tụ tĩnh điện do đó phải chú ý đến các biện pháp chống lại tĩnh xã (tia lửa gây nguy hiểm)

II Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động

1 Điều kiện phản ứng

Xảy ra ở áp suất (p = 2000 kPa) và nhiệt độ tương đối cao (T ≈ 300 ºC) trong thiết bị PFR ở điều kiện đoạn nhiệt

2 Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học

- Sản phẩm của Ethylbenzene được sản xuất thông qua phản ứng trực tiếp giữa ethylene và benzene:

C6H6+C2H4⟶C6H5C2H5

-r1=k0,1e−E1 /RT

C ethylene C benzene

- Phản ứng giữa EB và ehtylene để sản xuất DEB cũng được biểu diễn như sau:

C6H5C2H5+C2H4⟶C6H4(C2H5)2

-r2=k0,2e−E2/RT

C ethylene C BB

- Một phản ứng phụ xảy ra giữa DEB và ethylene cũng có thể sản xuất ra triethylbenzene Tuy nhiên, để giảm số lượng phản ứng phụ thì tỉ lệ mol giữa benzene và ethylbenzene được giữ ở mức cao xấp xỉ 8:1

- Quá trình sản xuất đó của DEB là không mong đợi và giá trị của nó cũng như sản phẩm khác là khá thấp

- Để tối ưu hoá sản phẩm mong muốn EB thì DEB phải được tách ra và hoàn lưu lại nhờ thiết bị tách nơi mà lượng benzene thừa được thêm vào để sản xuất EB thông qua phương trình cân bằng sau:

C6H4(C2H5)2+C6H6⥂ 2C6H5C2H5

-r1=k0,3e−E3 /RT

C DEB C benzene

- Lượng benzene thu thập bao gồm một lượng nhỏ toluene không tinh khiết.Toluene phản ứng lại với ethylene từ ethylbenzene và propylene:

C6H5C H3+2C2H4⟶C6H5C2H5+C3H6

-r4=k0,4e−E4 /RT

C ethylbenzene2 C toluene

III Quá trình tổng hợp Ethybenzene

1 Tóm tắt đầu vào và đầu ra

Benzene (<2% tạp chất)

- Nhiệt độ: 25 0C

- Áp suất: 110 kPa

- Nhập liệu: 99 kmole/h

Ethylbenzene: độ tinh khiết (99,9%)

- Nhiệt độ: 139 0C

- Áp suất: 110 kPa

- Suất lượng đầu ra: 4932 kg/h Ethylene (7% tạp chất)

- Nhiệt độ: 25 0C

- Áp suất: 2000 kPa

- Nhập liệu: 100 kmole/h

Khí (chủ yếu là ethane )

2 Quy trình tóm tắt

- Hỗn hợp bezen tái chế và polyalkynbenze được đưa vào bình trộn MIX-100 Từ bình MIX-100, nó được bơm nâng áp suất lên khoảng 2000 kPa (20 atm) và gửi đến một máy gia nhiệt (E-100) để đưa đến nhiệt độ phản ứng (khoảng 400 °C)

- Benzen nóng được trộn với ethylene ngay trước khi vào hệ thống phản ứng

PFR-100, PFR-102 sản phẩm thu được trộn với ethylene tại bình MIX rồi được làm mát

ở Cooler

- Sản phẩm sau đó được đưa qua bình phản ứng PFR-103 Tiếp đó lần lượt đi qua 3 Cooler E-103, E-104, E-105 để hạ nhiệt độ hỗ hợp từ 400°C xuống 70°C, chuẩn bị cho quá trình tách

- Máy tách (V-100) có nhiệm vụ tách thành 2 pha

 Ethylene được thu ở phần cất của đỉnh tháp như khí đốt nhiên liệu được tiêu thụ trong lò đốt

 Sau đó các chất lỏng ngưng tụ được gửi đến tháp chưng cất T-100 để loại

bỏ propene trong sản phẩm đáy

- Sản phẩm đáy thu được đi vào tháp benzene T-101, benzen được tách tại phần đỉnh tháp và quay trở lại dòng nhập liệu ban đầu

- Các sản phẩm tại đáy được gửi đến tháp T-102, nơi mà sản phẩm EB ( 99,9 %) được lấy ra tại phần đỉnh tháp

- Các sản phẩm tại đáy đi qua bơm rồi trộn với hỗn hợp benzen - ethylene ở

MIX-101 để tái sử dụng

3 Thiết bị

a) Thiết bị trộn

Mục đích: Trộn tạo độ đồng đều cho hỗn hợp

Ví dụ: Tại thiết bị trộn MIX – 101

Hình 3: Ký hiệu dòng vào và dòng ra

Hình 4: Thông số của hỗn hợp trước và sau khi trộn.

b) Thiết bị phản ứng dạng ống

Mục đích: Là môi trường cho các chất phản ứng, các chất phản ứng lần lượt trong

3 thiết bị để tăng hiệu suất tạo ethylbenzene, giảm thiểu tối đa tạo sản phẩm phụ

Ví dụ: Thành phần của dòng đầu vào và đầu ra của thiết bị phản ứng PFR – 101

c) Separat o r V-100

Mục đích: Loại bỏ phần lớn khí (ethylene, ethane, propylene) ở đỉnh

654,9 (kgmole/h)

18 566,2 (kgmole/h)

Gas 88,79 (kgmole/h) Ví dụ:

Hình 6: Thành phần của cấu tử sau khi ra khỏi thiết bị tách V-100

d) Thiết bị phân dòng TEE-100

Mục đích: Chia Ethylene thành 3 dòng để phản ứng lần lượt tại các bình phản ứng nối tiếp nhau

Thành phần 100 kgmole/h 30 kgmole/h 35 kgmole/h 35 kgmole/h Ví dụ:

Hình 7: Thông số của các dòng Ethylene sau khi ra khỏi thiết bị phân dòng TEE-100

e) Bơm P-100

Mục đích: vận chuyển dòng lưu chất đến thiết bị

Tên Đầu vào ( dòng) Đầu ra ( dòng) Hiệu suất bơm (%)

Ví dụ :

Hình 8: Nhiệt độ và áp suất của dòng sau khi ra khỏi bơm.

f) Thiết bị trao đổi nhiệt

 Thiết bị làm lạnh: làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp trước khi qua giai đoạn tiếp theo

( dòng) ( dòng)Đầu ra Nhiệt độ vào( ºC) Nhiệt độ ra( ºC)

Ví dụ:

Hình 9: Thông số sau khi ra khỏi Cooler.

 Thiết bị gia nhiệt: Nâng nhiệt độ của hỗn hợp để chuẩn bị vào giai đoạn tiếp theo

Tên Đầu vào

(dòng)

Đầu ra (dòng)

Nhiệt độ vào (0C)

Nhiệt độ ra (0C)

Ví dụ:

Hình 10: Thông số sau khi ra khỏi heater

g) Tháp chưng cất

Mục đích: Để tách các chất, thu hồi được cấu tử mình mong muốn

Tên Đầu

vào (dòng)

Đầu ra (dòng) Hiệu suất

mâm(%

)

Số mâm Chiều cao

cột(m)

Đường kính cột(m)

Mâm nhập liệu

Ví dụ: cho tháp chưng T – 100

Hình 11: Sơ đồ tháp chưng cất

IV Phần tính toán

1 Thiết bị phản ứng

- Sử dụng thiết bị phản ứng dạng ống (PFR), dễ dàng đạt được độ chuyển hóa cao, nhưng bù lại rất khó điều chỉnh nhiệt độ

- Thêm vào đó, hệ đang hoạt động tại điều kiện đoạn nhiệt, nên dòng ra bao giờ cũng dùng Cooler đã hạ nhiệt độ trước khi vào phản ứng tiếp theo

 PFR – 100:

- Giả sử:

C6H6+C2H4⟶C6H5C2H5 ∆ H298=−105500 kJ /kmol

r1=k0,1e−E1 /RT C ethylene C benzene

 Benzen và Ethylene là dòng lý tưởng và không phản ứng phụ

 Dòng nhập liệu : Benzen 470,388 kmol/h, Ethylene 27,9 kmol/h

 Nhiệt độ của phản ứng : 300 ºC

 Áp suất khoảng 2000kPa

 Suất lượng dòng nhập liệu : F0=635,6 kmol /h

 Độ chuyển hóa là X= 0,2575

 Nhiệt dung của hỗn hợp không đổi : C p= 22,59 kJ/mol K

 Lưu lượng: v= 64,73 m3/h

- Sử dụng phương trình thiết kế thiết bị phản ứng bình ống lý tưởng hoạt động ổn định , trong hệ đoạn nhiệt

- Dựa vào dòng nhập liệu dễ dàng thầy rằng Benzen chứa một lượng dư, nên sẽ dùng

số mol, của Ethylene để tính toán

T −T0=−(∆ H )∗F0

m t∗C p ∗(X− X0)(1)

Trong đó:

- X, X0: độ chuyển hóa của sản phẩm theo phản ứng.

- ∆ H: nhiệt phản ứng

- T ,T0: nhiệt độ đầu ra và đầu vào.

- F0: suất lượng mol của dòng nhập liệu.

Vậy dựa vào (1): tính được T-T0 = 22,59× 196,822 105500 ×635,6 x (0,2575-0) =1,004

Vậy T = T0 + 1,004 = 1,004 + 291,2 = 292,24 ºC

- Dựa vào phương trình thiết kế bình ống :

V

F0=∫

X 0

X 1

dX

−r(2)

- Phản ứng không thuận nghịch bậc 2 loại hai phân tử A + B → sản phẩm Nhưng do

lượng Benzen lớn hơn rất nhiều so với lượng Ethylene nên xem như lượng Benzen không đổi, và xem phản ứng là phản ứng bậc 1

- Thay vào công thức (2), tìm được thể tích:

V

v =∫

C 0

C 1

dC

−r

Với C0= 0,0439(M), C1= 0,0409(M) sẽ tìm được giá trị V= 8,73(m3)

Tương tự sẽ tính được V của PFR – 101 và PFR – 102

2 Thiết bị trao đổi nhiệt

 Cooler ( E – 102):

- Giả sử :

 Không có mất mát trong quá trình tổn thất nhiệt

 Tác nhân giải nhiệt là nước lạnh T1=10 °C ,T2=25 °C

 Dòng nóng có nhiệt độ : T3=366,1° C , T4=360° C

 Hệ số cấp nhiệt: k = 280 W/m2 K

25° C

Thiết bị trao đổi nhiệt

360

366, 1° C

10° C

- Áp dụng công thức

Q=k F ∆ tlog(3)

∆ tlog=

∆ T max−∆ T min

ln ⁡( ∆T max

∆T min)

=

(360−10)−(366,1−25)

ln 360−10 366,1−25

= 345,53

Với Q = 814800 kJ/h sẽ tìm được F= 8,42 ( m2¿

- Tương tự sẽ tính được bề mặt trao đổi nhiệt của Heater , Cooler còn lại với giả sử

nguồn cung cấp nhiệt hay nguồn giải nhiệt là hơi nước

Tên T1 (° C) T2 (° C) T3 (° C) T4 (° C) F ( m2¿

3 Bơm

- Năng lượng của bơm được xác định :

W = 1,67 v ×∆ P ∈

sh

∈ dr (% )=75+11,5 × log (W )−1,5 ×(log (W ))2

Vậy năng suất của bơm: ∈=∈ sh × ∈ dr

Trong đó:

 ∆ P (bar): độ chênh lệch áp suất tại dòng vào và dòng ra

 W : năng lượng của bơm

 v (m3

/s¿ : lưu lượng thể tích của dòng nhập liệu

- Bơm P – 100:

 W= 31,4277 (kW) = 1,67 41,91 ×(18,90) ∈

sh ×60 → ∈ sh= 0,702

 ∈ dr(% )=75+11,5∗log (31,4277)−1,5∗(log (31,4277))2

∈ dr=¿88,86% = 0,888

Vậy năng suất của bơm P-100 là ∈=¿0,702 x 0,888= 0,62

V Bàn luận

- Nhìn chung quy trình đã đạt được mục tiêu của đề bài, lượng Ethylbenzene dòng

sản phẩm chiếm 99,9% nhưng năng suất chưa cao

- Quy trình sẽ tối ưu hơn, nếu ta SetUp hệ thống pinch để tận dụng nguồn nhiệt

trong quá trình

- Chưa tận dụng lại được nguồn Diethylbenzene hợp lý, trong quy trình của nhóm

em mới chỉ hồi lưu, rồi trộn lại với benzen – ethylene trước khi qua bình phản ứng

- Không thể làm sạch benzene hoàn toàn, trong benzen vẫn còn lẫn tạp chất.

VI Tài liệu tham khảo

1 William J Cannella, “Xylenes and Ethylbenzene,” Kirk-Othmer Encyclopedia of

Chemical Technology, online version (New York: John Wiley and Sons, 2006).

2 “Ethylbenzene,” Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Vol 20, ed J.

J McKetta (New York: Marcel Dekker, 1984), 77–88

3. https://processdesign.mccormick.northwestern.edu/index.php/Main_Page