BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HYSYS THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CNHH Đề tài Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa

Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Đại học Bách Khoa TP.HCM BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HYSYS THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CNHH Đề tài Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa Giảng viên phụ trách: Nhóm lớp: Nguyễn Kim Trung A04 Nhóm thực hiện: Dương Chí Cường 1710709 Lê Lâm Thùy Hân 1711225 Vũ Hồng Khơi 1711824 Lê Minh Trung 1710353 Phạm Thanh Vân 1710383 Ngày 25/12/2019 Sản xuất phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí DANH SÁCH THÀNH VIÊN Nhóm lớp: A04 Lịch học: Thứ 5, tiết – Nhóm: B7 Đề tài: Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa Danh sách thành viên: Họ tên MSSV Dương Chí Cường 1710709 Lê Lâm Thùy Hân 1711225 Vũ Hồng Khơi 1711824 Lê Minh Trung 1710353 Phạm Thanh Vân  Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NỘI DUNG CHÍNH Giới thiệu chung 10 1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHENOL 10 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP PHENOL TRONG CÔNG NGHIỆP 12 Cơ sở cho trình thiết kế 13 2.1 THÔNG TIN CÁC PHẢN ỨNG 13 2.2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 13 Quy trình sản xuất phenol 14 3.1 3.1.1 Benzoic acid 14 3.1.2 Khơng khí 14 3.1.3 Nước 14 3.1.4 Nitrogen 14 3.1.5 Nikel oxide (NiO) 15 3.1.6 Nikel Ferrite (NiFe2O4) 16 3.2 NGUYÊN LIỆU & SẢN PHẨM 14 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH 16 Phân tích giai đoạn quy trình 18 4.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN 18 Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí 4.1.1 Các cấu tử 18 4.1.2 Gói nhiệt động 18 4.1.3 Phản ứng 19 4.2 THIẾT KẾ QUY TRÌNH 21 4.2.1 Điều kiện dòng nhập liệu 21 4.2.2 Xử lý trước vào bình phản ứng 21 4.2.2.1 Chuẩn bị dòng lỏng 21 4.2.3 Hoạt động bình phản ứng 23 4.2.4 Xử lý sau phản ứng 24 4.2.5 Hoạt động bình tách pha 26 4.2.6 Hoạt động tháp chưng cất 27 KẾT LUẬN 32 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Benzoic Acid lưu trữ thực tế 14 Hình Máy sản xuất khí nitrogen trơ 15 Hình Nikel oxide lưu trữ thực tế 15 Hình Sơ đồ quy trình công nghệ điều chế 16 Hình Danh sách cấu tử nhập HYSYS 18 Hình Gói nhiệt động sử dụng HYSYS 19 Hình Sơ đồ phản ứng & phụ phản ứng oxy hóa benzoic acid để sản xuất phenol 19 Hình Thơng số phản ứng (1) nhập HYSYS 20 Hình Thơng số phản ứng (2) nhập HYSYS 20 Hình 10 Phần xử lý trước vào bình phản ứng 21 Hình 11 Phần chuẩn bị dòng lỏng trước vào thiết bị trộn 21 Hình 12 Thơng số dòng lỏng sau bơm qua thiết bị gia nhiệt hóa 22 Hình 13 Phần chuẩn bị dịng khí trước vào thiết bi phản ứng 22 Hình 14 Thơng số dịng khí sau qua tiền xử lý trước vào bình phản ứng 23 Hình 15 Thành phần dịng trước sau qua thiết bị phản ứng 23 Hình 16 Thơng số dịng trước sau vào thiết bị phản ứng 24 Hình 17 Thơng số dịng sản phẩm thơ pha khí 24 Hình 18 Thơng số sản phẩm sau làm lạnh 25 Hình 19 Dịng sản phẩm sau tách nhiệt độ 30oC 25 Hình 20 Dịng sản phẩm sau tách 50oC 26 Hình 21 Thơng số bình tách hai pha 26 Hình 22 Thành phẩn dòng trước sau vào thiết bị tách hai pha 27 Hình 23 Thơng số tháp chưng cất 27 Hình 24 Thơng số dịng chất trước vào tháp chưng cất 28 Hình 25 Tháp chưng cất số mâm 8, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 28 Hình 26 Tháp chưng cất số mâm 9, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 29 Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Hình 27 Tháp chưng cất số mâm 10, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 29 Hình 28 Các specs & thông số tháp chưng cất số mâm 10 30 Hình 29 Thành phần dòng sản phẩm cuối 30 Hình 30 Các thơng số dịng sản phẩm cuối 31  Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: DANH MỤC BẢNG Bảng Độ chuyển hóa độ chọn lọc phản ứng với hệ xúc tác khác 13  Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Phenol tiền chất quan trọng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu quan trọng nhựa phenol, bis – phenol A, aniline, … số hóa chất nơng nghiệp Hiện nay, phương pháp sử dụng để điều chế phenol phản ứng oxy hóa cumene Trong q trình này, cumeme tổng hợp từ phản ứng benzene propylene Sau đó, tiến hành oxy hóa phenol oxy khơng khí tạo thành cumeme hydroperoxide phân hủy để tạo thành phenol acetone Đây trình có lợi mặt kinh tế điều kiện phản ứng ơn hịa, hiệu suất phenol cao sản phẩm phenol acetone có lợi ích lớn kinh tế Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng acetone giảm dần nhu cầu phenol lại tăng mạnh, làm phát sinh nhu cầu phát triển phản ứng tổng hợp Dow process thời gian gần xem quy trình tổng hợp phenol hiệu để thay cho trình Trong trình này, toluene oxy hóa tạo thành benzoic acid hệ xúc tác cobalt – manganese, sau benzoic acid tiếp tục oxy hóa oxy khơng khí để tạo thành phenol xúc tác đồng Tuy vậy, xúc tác đồng cho hiệu suất phenol thấp, dễ tạo xỉ làm giảm chu trình sống xúc tác Vì vậy, báo cáo trình bày quy trình tổng hợp phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí dựa thơng tin khảo sát từ xúc tác NiO NiFe2O4 để thu độ chuyển hóa độ chọn lọc tốt  Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: NỘI DUNG CHÍNH Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Giới thiệu chung 1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHENOL 1.1.1 Lịch sử Phenol phát vào năm 1834 Friedlieb Ferdinand Runge, người chiết xuất (ở dạng khơng tinh khiết) từ nhựa than đá Than đá nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất phenol ngành công nghiệp hóa dầu phát triển Năm 1841, nhà hóa học người Pháp Auguste Laurent thu phenol dạng tinh khiết Đặc tính khử trùng phenol Sir Joseph Lister (1827 – 1912) sử dụng lần kỹ thuật giải phẫu Lister cho vết thương phải làm hồn tồn, ơng phủ lên vết thương miếng giẻ vải lanh phủ ngâm axit carbolic (tên gọi khác phenol) cho dù xuất kích ứng da tiếp xúc với phenol Trong đó, Carlisle, Anh, phủ thử nghiệm phương pháp xử lý nước thải sử dụng axit carbolic để giảm mùi hồ nước thải Axit carbolic (phenol) thành phần hoạt chất số thuốc giảm đau đường uống Chloraseptic, đường xơng (phun) Carmex Nó thành phần cầu khói Carbolic Ball, thiết bị thị trường Luân Đôn vào kỷ XIX sử dụng để chống dịch bệnh cúm bệnh khác Vì rẻ tiền, dễ điều chế, gây chết nhanh chóng êm dịu với gram, phenol sử dụng phương tiện giết người Đức quốc xã chiến thứ hai từ năm 1939 đến ngày cuối chiến Thời kỳ đó, Zyklon-B, phát minh Gerhard Lenz, sử dụng phòng ngạt để giết người với số lượng lớn, phát xít Đức cịn dùng phenol tiêm cho nạn nhân để sát hại nhóm người biện pháp tiết kiệm kinh tế Việc tiêm phenol áp dụng với hàng ngàn người dân trại tập trung, đặc biệt Auschwitz-Birkenau 1.1.2 Tính chất Phenol hợp chất hữu có vịng thơm với cơng thức phân tử C6H5OH Phân tử bao gồm nhóm phenyl (−C6H5) liên kết với nhóm hydroxy (-OH) 10 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Hình Gói nhiệt động sử dụng HYSYS 4.1.3 Phản ứng Quá trình phản ứng sử dụng xúc tác NiO/NiFe2O4 (tỉ lệ 1:1) Có nhiều phản ứng xảy ra, bao gồm phản ứng oxi hóa khơng hồn tồn, phản ứng esther hóa,…: Hình Sơ đồ phản ứng & phụ phản ứng oxy hóa benzoic acid để sản xuất phenol Tuy nhiên, sản phẩm có độ chọn lọc cao phenol benzene, hợp chất lại xuất dạng vết, chúng khơng đề cập đến trình 19 Sản xuất phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Do đó, phần tập xét hai phản ứng chính: C6H5COOH + 0.5O2 → C6H5OH + CO2 C6H5COOH → C6H6 + CO2 (1) (2) Vì điều kiện khơng cho phép, nên ta nhập liệu phản ứng động học (kinetic) liệu phản ứng cân (equilibrium) mà sử dụng kiểu phản ứng độ chuyển hóa (conversion) Theo kiện thu từ báo khoa học, với điều kiện bình phản ứng, nhiệt độ, xúc tác đề cập, độ chuyển hóa benzoic acid 100%, độ chọn lọc phản ứng (1) 88% Hình Thông số phản ứng (1) nhập HYSYS Hình Thơng số phản ứng (2) nhập HYSYS 20 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH 4.2 Nhóm B7 – Nội dung đề tài: THIẾT KẾ QUY TRÌNH 4.2.1 Điều kiện dịng nhập liệu Phản ứng pha hơi, áp suất khí (10 atm) nhiệt độ giữ không đổi 400oC 4.2.2 Xử lý trước vào bình phản ứng Hình 10 Phần xử lý trước vào bình phản ứng 4.2.2.1 Chuẩn bị dịng lỏng Benzoic acid nước với tỉ lệ 1:40 theo số mol khuấy trộn hịa tan hồn tồn nhiệt độ phịng, áp suất khí Sau dung dịch bơm vào thiết bị gia nhiệt hóa lên 4000C Hình 11 Phần chuẩn bị dịng lỏng trước vào thiết bị trộn 21 Sản xuất phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Hình 12 Thơng số dịng lỏng sau bơm qua thiết bị gia nhiệt hóa 4.2.2.2 Chuẩn bị dịng khí Khí nitrogen (N2) tinh khiết nằm bình nén xả thơng qua van tiết lưu với áp suất 12 at Không khí bên ngồi lọc qua màng lọc bụi sau nén đến áp suất 12 at hịa trộn với dịng N2 Dịng khí gia nhiệt lên đến 4000C sau tiếp tục hịa với dịng nước acid benzoic nhập trực tiếp vào thiết bị phản ứng Hình 13 Phần chuẩn bị dịng khí trước vào thiết bi phản ứng 22 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Hình 14 Thơng số dịng khí sau qua tiền xử lý trước vào bình phản ứng 4.2.3 Hoạt động bình phản ứng Hình 15 Thành phần dòng trước sau qua thiết bị phản ứng 23 Sản xuất phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Bình phản ứng PFR nhập liệu liên tục suất lượng 610 kmol/h Sử dụng xúc tác NiO - NiFe2O4 với tỉ lệ 1:1 – tỉ lệ tối ưu cho độ chuyển hóa xấp xỉ 100% độ chọn lọc sản phẩm 88% diện tích bề mặt riêng xúc tác 6.1 m2/g Tại đây, phản ứng (tạo phenol) phản ứng phụ (tạo benzene) xảy đồng thời Thể tích bình phản ứng khoảng 100 m3 thời gian lưu tương ứng 0.178 phút, có lắp thiết bị thu nhiệt để cố định nhiệt độ phản ứng 400oC Hình 16 Thơng số dòng trước sau vào thiết bị phản ứng 4.2.4 Xử lý sau phản ứng Là giai đoạn làm lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm, nhằm tách pha chuẩn bị bước vào thiết bị tách pha lỏng – khí Ban đầu, dịng sản phẩm sau phản ứng có thơng số sau: Hình 17 Thơng số dịng sản phẩm thơ pha khí 24 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Hình 18 Thơng số sản phẩm sau làm lạnh Nhiệt độ 400oC diễn áp suất 1200 kPa, sau qua Cooler, dòng sản phẩm giảm xuống 30oC, 1100 kPa Lựa chọn 1100kPa để áp suất lớn áp suất bình chưng cất Bình chưng cất có áp suất 1000 kPa nhỏ sản phẩm đỉnh tồn hai pha đỉnh Khi sản phẩm sau làm lạnh sau: Nếu giảm xuống 30oC sau tách, dịng sản phẩm khí có chứa thêm phenol: Hình 19 Dòng sản phẩm sau tách nhiệt độ 30oC 25 Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Trong đó, dịng sản phẩm sau tách 50oC là: Hình 20 Dịng sản phẩm sau tách 50oC Chính vậy, việc hạ nhiệt độ tiêu thụ lượng 2,564.107 kJ/giờ hiệu suất thu sản phẩm cuối tốt bước sau 4.2.5 Hoạt động bình tách pha Hình 21 Thơng số bình tách hai pha 26 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Mục đích bình tách pha nhằm đưa pha khí ngoài, tách pha lỏng cho bước Khi pha khí tách trên, pha lỏng tách xuống Ở đây, khơng cần nhập thơng số khác, kết thu sau tách sau: Hình 22 Thành phẩn dòng trước sau vào thiết bị tách hai pha 4.2.6 Hoạt động tháp chưng cất Trước vào tháp chưng cất, dòng lưu chất nâng lên 180oC để đảm bảo nhiệt độ mâm từ 180oC trở lên: Hình 23 Thơng số tháp chưng cất 27 Sản xuất phenol từ benzoic acid thơng qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Tháp chưng cất phần quan trọng qui trình theo báo nhóm nghiên cứu Jun Miki, Minoru Asanuma, Yakudo Tachibana, Tsutomu Shikada, lượng nước ban đầu nhập liệu lớn, chất mang hỗ trợ cho hiệu phản ứng Chính thế, trước vào tháp chưng cất, nồng độ phenol dòng chất khoảng 0.1029% w/w, việc tăng nồng độ sản phẩm cần thiết Hình 24 Thơng số dịng chất trước vào tháp chưng cất Qua lần khảo sát số mâm tối thiểu để đạt spec nồng độ Hình 25 Tháp chưng cất số mâm 8, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 28 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Hình 26 Tháp chưng cất số mâm 9, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 Tuy nhiên để đảm bảo đạt hiệu chưng cất mong muốn với nồng độ đỉnh đáy cao 0.99 số mâm chọn lúc 10 Hình 27 Tháp chưng cất số mâm 10, spec nồng độ đỉnh & đáy 0.999 0.9979 Ở đây, quan tâm đến Spec nồng độ đỉnh đáy Cụ thể, nồng độ H2O đỉnh 0.9979, nồng độ benzoic acid đáy 0.999 Ta tiếp tục nâng nồng độ đỉnh lên để đạt spec yêu cầu cần phải tăng số mâm chưng cất Điều không cần thiết tốn 29 Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí Hình 28 Các specs & thông số tháp chưng cất số mâm 10 Mặc khác, dựa vào thông số trên, ta thấy nồng độ phenol mâm mâm gần với nồng độ phenol dòng nhập liệu nhất, đồng thời nhiệt độ gần nhiệt độ dịng nhập liệu Do đó, nhập liệu mâm lý tưởng Trong này, ta chọn mâm nhập liệu mâm số Hình 29 Thành phần dòng sản phẩm cuối 30 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: Hình 30 Các thơng số dòng sản phẩm cuối Dòng sản phẩm cuối có lưu lượng 8.492 kgmole/h, đạt hiệu suất tổng quát 84.92% Nhiệt độ dòng sản phẩm 288.2oC  31 Sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa oxy khơng khí KẾT LUẬN Quy trình tổng hợp đề xuất cho hiệu suất phenol tổng 84,8% (lưu lượng phenol dòng 8,48 kmol/h ứng với lưu lượng benzoic acid nhập liệu 10 kmol/h) Quy trình đề xuất cịn nhiều hạn chế do: - Thơng tin sử dụng báo cáo dựa nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm (kích thước thiết bị dạng ống có đường kính 20 mm chiều dài 500 mm) nên việc scale lên quy mô lớn gây nhiều sai số chưa tìm thấy thông số hệ số hiệu chỉnh - Việc sử dụng nhiều H2O N2 làm tăng chi phí sản xuất gây phức tạp cho bước phân tách hậu kỳ  32 Thiết kế hệ thống quy trình CNHH Nhóm B7 – Nội dung đề tài: DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Miki, J., Asanuma, M., Tachibana, Y and Shikada, T (1995) Vapor Phase Oxidation of Benzoic Acid to Phenol over a Novel Catalyst System Consisting of NiO and NiFe2O4 Journal of Catalysis, 151(2), pp.323-329 [2] TOLCOVA, M., HRONEC, K., ILAVSKY, J and KABESOVA, M (1986) Oxidation of benzoic acid to phenol in the vapor phase - I Mechanistic aspects Journal of Catalysis, 101(1), pp.153-161 [3] Fraga-Dubreuil, J., Garcia-Serna, J., Garcia-Verdugo, E., Dudd, L., Aird, G., Thomas, W and Poliakoff, M (p2006) The catalytic oxidation of benzoic acid to phenol in high temperature water The Journal of Supercritical Fluids, 39(2), pp.220-227 [4] Douglas, J (2000) Conceptual design of chemical processes New York, N.Y.: McGraw-Hill  33