Quy trình sản xuất maleic anhydride từ benzene

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KÝ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH ĐỀ TÀI QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MALEIC ANHYDRIDE TỪ BENZEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA MỘT PHẦNMÔ PHỎNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT BẰNG HYSIS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KÝ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH ĐỀ TÀI: QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT MALEIC ANHYDRIDE TỪ BENZEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HĨA MỘT PHẦN Nhóm – Lớp L02 GVHD: Nguyễn Thành Duy Quang Sinh viên thực MSSV Phạm Ngô Bảo Trân 1915618 Nguyễn Bá Lộc 1914016 Nguyễn Quốc Thái 1915115 Nguyễn Phúc Đạt 1913052 Nguyễn Thị Hồng Thắm 1915212 Lê Thị Hồng Thương 1915443 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU I/TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM .8 1.Nguyên liệu : benzene 1.1 Công thức 1.2 Tính chất vật lý: 1.3 Tính chất hóa học 1.4 Tồn trữ vận chuyển Benzene: .9 1.5 Ứng dụng 10 2.Sản phẩm chính: Maleic anhydride 10 2.1 Công thức .11 2.2 Tính chất vật lý 11 2.3 Tính chất hóa học 11 2.4 Ứng dụng 12 2.5 Phương thức sản xuất 12 2.6 Bảo quản sử dụng 13 3.Chất xúc tác 13 II/CƠ SỞ QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 14 1.Thông tin phản ứng 14 2.Động học phản ứng 15 3.Điều kiện phản ứng thiết bị 15 Công nghệ 16 4.1 Lò phản ứng tầng cố định nhiều ống 16 III.CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18 1.Cấu trúc vào ra: 18 Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu: 19 3.Suất lượng, thơng số dịng dịng vào: 20 IV.THIẾT KẾ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 22 V HỆ THỐNG TÁCH CHẤT: 22 VI.THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT: 23 VII HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ 26 VIII KẾT LUẬN 27 IX DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .27 LỜI CẢM ƠN Môn học “ Thiết kế hệ thống quy trình cơng nghệ hóa học” mơn học quan trọng ngành Hóa nói chung mà chuyên ngành kỹ thuật hóa học nói riêng Vì vậy, kiến thức mơn học hữu ích cần thiết cho chúng em học tập làm việc sau Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy không truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em, mà tận tình hướng dẫn chúng em hồn thành tốt đồ án mơn học NHĨM THỰC HIỆN LỜI MỞ ĐẦU Maleic anhydride hợp chất hữu với cơng thức C4H2O3, anhydride axit maleic Maleic anhydride tổng hợp từ phản ứng oxi hóa có chọn lọc n-butane benzene Tuy nhiên đến năm 2006, số nhà máy tiếp tục sử dụng benzene benzen tăng cao Những tiến công nghệ xúc tác, tăng áp lực điều tiết lợi chi phí butan so với benzene dẫn đến chuyển đổi nhanh chóng benzene thành butan Sự đời sáng chế xúc tác oxi hóa benzen với cải tiến xúc tác oxit vanadi phần thiếu để tạo quy trình thương mại khả thi cho MA Với nhu cầu sử dụng hóa chất cơng nghiệp ngày tăng cao mà việc khai thác dầu mỏ ngày giảm dần đòi hỏi cần tìm nguồn ngun liệu hóa chất để đáp ứng nhiều nhu cầu người Một hóa chất quan trọng Maleic Anhydride Maleic Anhydride có ảnh hưởng việc sản xuất sản phẩm công nghiệp? Hiện nay, Maleic Anhydride ứng dụng nhiều công nghiệp sản xuất phụ gia dầu nhờn, nhựa, polymer, hóa chất cơng nghiệp, loại acid…Anhydrit maleic chất trung gian hóa học sử dụng sản xuất nhựa polyester không bão hịa có độ bền cấu trúc cao đặc tính điện môi tốt Anhydride maleic sử dụng để sản xuất chất phủ bề mặt, chất phụ gia bôi trơn hóa chất nơng nghiệp bao gồm axit fumaric axit succinic Nhiều nước giới quan tâm đến công nghệ nhằm tổng hợp Maleic Anhydrit cách có hiệu cải tiến kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất phát triển công nghệ dựa vào thành có Trong đồ án chúng em nêu lên nội dung liên quan đến việc sản xuất Maleic Anhydrit trình oxi hóa khơng hồn tồn benzen Đầu tiên tìm hiểu tổng quan lí thuyết, đề cập đến nguồn gốc, tính chất nguyên liệu benzene, sản phẩm Maleic Anhydrit Tiếp theo thiết kế quy trình cơng nghệ, lựa chọn cơng nghệ xúc tác để sản xuất Maleic Anhydrit Cuối tính tốn kinh tế thông số công nghệ I/TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.Nguyên liệu : benzene 1.1 Cơng thức Benzen có cơng thức phân tử : C6H6 Cơng thức cấu tạo: 1.2 Tính chất vật lý: Benzen hydrocacbon thơm, điều kiện bình thường chất lỏng không màu, mùi dịu dễ chịu, dễ cháy Benzen tan nước rượu Một số thông số vật lý Benzene: Công thức phân tử C6H6 Khối lượng phân tử 78.1121 g/mol Khối lượng riêng 0.8786 g/cm3 Nhiệt độ sôi 80.1 độ C Nhiệt độ nóng chảy 5.5 độ C Độ nhớt 0.7528 cP (10 °C), 0.6076 cP (25 °C), 0.4965 cP (40 °C) , 0.3075 cP (80°C) Độ tan nước 1.79 /l (20-25 °C) 1.3 Tính chất hóa học Tác dụng với oxi: Khi đốt benzen cháy không khí tạo C02 H20, lửa có nhiều khói đen (muội than) C6H6 + O2 → 6CO2 + 3H2O Phản ứng với với brom: - Benzen không làm màu dung dịch brom etilen axetilen Nó tham gia phản ứng với brom lỏng cần có xúc tác bột sắt C6H6 (l) + Br2 (l) → HBr + C6H5Br Chú ý: Benzen phản ứng với Brom nguyên chất không phản ứng với dung dịch nước Brom Phản ứng cộng: - Benzen khó tham gia phản ứng cộng etilen axetilen Tuy nhiên, điều kiện thích hợp benzen có phản ứng cộng với số chất H2, Cl2,… C6H6 + H2 → C6H12 C6H6 + Cl2 → C6H6Cl6 - Do phân tử có cấu tạo đặc biệt nên benzen vừa có phản ứng vừa có phản ứng cộng 1.4 Tồn trữ vận chuyển Benzene: Tồn trữ: - Benzen hóa chất độc hại có khả gây bệnh ung thư cho người Vấn đề tồn trữ benzen phương pháp hoàn toàn cần thiết để đảm bảo công nhân nhà máy người dân sống khu vực xung quanh không tiếp xúc trực tiếp với hoá chất độc hại - Ngồi điều cần thiết để giảm nguy hiểm cháy gây benzene Duy trì nhiệt độ bồn chứa độ C để ngăn chặn benzen tự đóng băng, cách sử dụng miếng đệm sưởi thể tích nhỏ cuộn dây sử dụng với thể tích lớn với vật liệu cách nhiệt Bồn chứa phải kín, thường xuyên kiểm tra tránh tượng rò rỉ Sử dụng cột thu lôi để tránh tượng sét đánh gây cháy nổ Mọi hoạt động tiếp xúc người phải có trang bị lao động theo yêu cầu Nghiêm cấm hành động gây cháy nổ quanh khu vực bồn chứa Vận chuyển: Các tàu, xe chứa phải dọn trước tải để tránh làm nhiễm - nguồn ngun liệu Trong q trình tải benzene sinh điện tích bề mặt đường ống, - bồn chứa nên phải có phận nối đất phân phối điện tĩnh để tránh gây cháy nổ, đồng thời khống chế lưu lượng đường ống đảm bảo an tồn Có hệ thống chữa cháy hoạt động kèm trình vận chuyển 1.5 Ứng dụng Ngày lượng lớn benzen chủ yếu để: - Sản xuất styren cho tổng hợp polymer Sản xuất cumen cho việc sản xuất lúc axeton phenol Sản xuất cyclohexan tổng hợp tơ nilon Làm dung mơi, sản xuất dược liệu 2.Sản phẩm chính: Maleic anhydride 2.1 Tổng quan maleic anhydride Maleic anhydride (MA) anhydride axit cis-butenedioic (axit maleic), sản phẩm trung gian có nhu cầu dự kiến cao Các tên khác anhydride maleic 2,5-furandione, dihydro-2,5-dioxofuran, anhydride độc tố, anhydride cisbutenedioic Anhydrit maleic lần tổng hợp vào năm 1830, không sản xuất thương mại khoảng năm 1930 Ban đầu thương mại hóa vào đầu năm 1930 thơng qua q trình oxy hóa chọn lọc benzene Trước năm 1930, MA hình thành với số lượng nhỏ sản phẩm phụ trình anhydrit phthalic Việc sử dụng benzen làm nguyên liệu để sản xuất anhydrit maleic chiếm ưu thị trường giới vào năm 1980 Tuy nhiên, việc sử dụng benzen bắt đầu thay đổi thay n-butan vào năm 1974 tác dụng độc hại khía cạnh kinh tế Vào năm 1980 Hoa Kỳ, 100% sản lượng anhydrit maleic sử dụng butan làm nguyên liệu 2.6 Bảo quản sử dụng Bảo quản nơi khơ thống mát Tránh bảo quản xử lý acid chất oxi hóa Bên cạnh Anhyrit maleic, sản phẩm phụ q trình oxy hóa benzene axit maleic, axit fumaric, cacbon monoxit nước Trong trình sản xuất Anhyrit maleic lượng nhỏ benzoquinone tìm thấy sản phẩm phản ứng, gọi sản phẩm trung gian Ngoài benzoquinone, formaldehyde, diphenul, phenol hydroquinone sản xuất với lượng nhỏ 3.Chất xúc tác Vanadi (V) oxit hợp chất vô với công thức V2O5 hợp chất quan trọng vanadi, tiền thân để tạo hợp kim vanadi chất xúc tác công nghiệp Pentoxit vanadi chất rắn màu nâu/ vàng, kết tủa từ dung dịch nước, màu sắc màu da cam Trong vanadi photpho oxit sử dụng cho nguyên liệu Butan Anhidrit maleic sản phẩm q trình oxy hóa xúc tác V2O5 butan với khơng khí C4H10 + 4O2 -> C2H2(CO)2O +8H2O Molybden trioxide : hợp chất hóa học với cơng thức MoO3 Hợp chất sản xuất quy mô lớn hợp chất molypden Ứng dụng chinh trinh oxy hóa làm chất xúc tác nguyên liệu để sản xuất molypden kim loại MoO3 sản xuất công nghiệp cách rang molypden dislfide 2MoS2 + 7O2 -> 2MoO3 +4 SO2 Pentoxit vanadi molybden trioxit chất xúc tác sử dụng cho nguyên liệu benzen II/CƠ SỞ Q TRÌNH THIẾT KẾ 1.Thơng tin phản ứng Maleic anhydride tạo thành cách oxi hóa có chọn lọc benzen lò phản ứng Phản ứng xảy pha khí với nhiệt độ khoảng từ 400 – 450oC Benzen hóa hơi, trộn với khơng khí nén sau làm nóng lị nung Chất xúc tác trơ có khả dẫn điện cao để loại bỏ nhiệt sinh tờ phản ứng oxi hóa chọn lọc phản ứng phụ Phản ứng diễn lò phản ứng: Phản ứng chính: C6H6 + 4.5O2 k1 C4H2O3 + 2CO2 + 2H2O Phản ứng phụ: C6H6 + 7.5O2 C4H2O3 + O2 k2 k3 6CO2 + 3H2O 4CO2 + H2O C6H6 + 1.5O2 k4 C6H4O2 + 2H2O Tất phản ứng tỏa nhiệt cao Vì lý này, tỷ lệ khơng khí với benzen vào lị phản ứng giữ mức cao Nồng độ đầu vào điển hình xấp xỉ 1,5% thể tích benzen khơng khí sử dụng Quá trình làm mát thực cách tuần hồn muối nóng chảy (hỗn hợp natri nitrit natri nitrat) đồng thời xuyên qua vỏ lò phản ứng qua ống chứa chất xúc tác khí chất phản ứng Sự chuyển hóa benzene gần tồn (khoảng 96%) độ chọn lọc MA đạt đến 73% Do quy định mơi trường ( hạn chế thải khí 5µg/m3 ), lượng benzen chưa phản ứng phải xử lý: hấp phụ tái chế đốt cháy 2.Động học phản ứng Phương trình tốc độ phản ứng: -ri = ki.Cbenzen -r3 = k3 Cmaleic anhydride k1 = 7.7 x106 exp ( -25,143 /RT) k2 = 6.31 x107 exp ( -29,850 /RT) k3 = 2,33 x107 exp (-21,429 /RT) k4 = 7,20 x105 exp (-27,149 /RT) Đơn vị tốc độ phản ứng ri kmol/m3s , lượng hoạt hóa cal/mol , đơn vị ki m3(Khí)/m3(lị phản ứng).s đơn vị nồng độ kmol/m3 (khí) 3.Điều kiện phản ứng thiết bị Chất xúc tác hỗn hợp oxit vanadi molypden giá đỡ trơ Nhiệt độ phản ứng đầu vào điển hình nằm khoảng 350 ° C đến 400 ° C Chất xúc tác đặt ống đường kính 25 mm, dài 3,2 m Đường kính viên xúc tác mm Nhiệt độ tối đa mà chất xúc tác tiếp xúc mà không gây hư hỏng phục hồi (thiêu kết) 650 ° C Lị phản ứng dạng đóng gói nên định thiết bị trao đổi dạng vỏ ống Diện tích truyền nhiệt phải tính tốn dựa tổng diện tích bên ngồi ống chứa đầy chất xúc tác yêu cầu từ mơ Vì nhiệt độ cao liên quan, vỏ vật liệu ống phải thép không gỉ Hệ số truyền nhiệt tổng thể cho lò phản ứng nên đặt 100 W / m2 ° C Công nghệ Một số công nghệ tồn để sản xuất anhydrit maleic mà chủ yếu phân loại thành loại tùy thuộc vào loại lò phản ứng sử dụng: lò phản ứng cố định nhiều ống, tầng sơi vận chuyển lị phản ứng 4.1 Lò phản ứng tầng cố định nhiều ống Giống phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt cao khác, q trình oxy hóa phần hydrocacbon thành anhydrit maleic thực lớp xúc tác cố định đơn giản Lớp xúc tác phải làm mát hiệu để tránh nhiệt độ cao gây bất lợi cho hiệu suất lò phản ứng phá hủy chất xúc tác Do đó, lị phản ứng đa ống sử dụng Lò phản ứng cố định công nghiệp thường bao gồm khoảng 30.000 ống riêng lẻ chứa đầy chất xúc tác Các ống thường có chiều dài từ 3,5 đến 6m có đường kính bên khoảng 20 đến 35 mm Muối nóng chảy chảy qua mặt vỏ sử dụng để làm mát ống đề cập Dòng chảy muối nóng chảy dẫn vng góc với ống vách ngăn để truyền nhiệt tối ưu từ bên ống đến muối Nhiệt loại bỏ khỏi bể muối tuần hoàn cách tạo nước áp suất cao Công suất tối đa lò phản ứng tầng cố định đơn, đa ống giới hạn khoảng 20.000 năm Các hydrocacbon thường vào lị phản ứng từ phía trộn kỹ với luồng khơng khí riêng biệt máy trộn tĩnh Hỗn hợp thu sau vào ống lò phản ứng Do nguồn cung cấp hydrocacbon oxy riêng biệt, nên tránh thời gian tiếp xúc dài với điều kiện giới hạn cháy nổ Các sản phẩm rời khỏi bình phản ứng phía Do hướng dịng chảy này, xảy tượng tầng sôi chất xúc tác vị trí chúng Khí phụ lị phản ứng phải đốt để phá hủy benzen sản phẩm phụ chưa phản ứng trước thải khí Thơng thường, phản ứng thực nhiệt độ từ 350 đến 450 oC áp suất cao từ - bar Khí đưa vào ống lò phản ứng, chúng thường mát so với hỗn hợp muối thiết bị trao đổi nhiệt, dẫn đến tác dụng làm mát hỗn hợp muối thiết bị trao đổi nhiệt Vấn đề quan trọng nhiệt độ khí ống lị phản ứng lớn hỗn hợp muối thiết bị trao đổi nhiệt Do đó, điểm nóng tạo ống chất xúc tác Nếu không kiểm sốt, điểm nóng ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ chất xúc tác bảo trì lị phản ứng, làm giảm suất lị phản ứng Hoạt động kiểm sốt nhiệt độ thách thức thơng thường có hàng nghìn ống có số điểm đo nhiệt độ Để đảm bảo an tồn, lị phản ứng trang bị đĩa vỡ khu vực đầu vào lối lò phản ứng trường hợp xảy cháy nổ Mặc dù cấu hình tầng cố định phổ biến sử dụng vài năm, mở rộng dễ dàng Tuy nhiên, nồng độ hydrocacbon đầu vào hạn chế nguy cháy nổ, điểm nóng xảy khơng ổn định chất xúc tác, tái sinh nó, mối quan tâm mà công nghệ phải đối mặt III.CÂN BẰNG VẬT CHẤT 1.Cấu trúc vào ra: Hình : Sơ đồ cấu trúc vào Nguyên liệu sử dụng benzen khơng khí Sản phẩm mong muốn quy trình độ tinh khiết 96,21% theo mol Maleic Anhyride với sản lượng 1152,7 / năm với 8766 sản xuất, ta tính suất lượng Maleic Anhydride: 𝑚 1152,7𝑥1000 𝑡 8766 𝐹= = 𝑀𝑀𝑎𝑙𝑒𝑖𝑐 𝐴𝑛ℎ𝑦𝑑𝑟𝑖𝑑𝑒 𝑥0,877 + 𝑀𝑄𝑢𝑖𝑛𝑜𝑛𝑒 𝑥0,123 98,06𝑥0,9621 + 108,095𝑥0,0379 = 1,34 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ Sơ đồ cấu trúc hồn lưu: Hình: Sơ đồ cấu trúc hồn lưu 3.Suất lượng, thơng số dịng dịng vào: Hình : Thơng số suất lượng dịng nhập liệu Benzen Hình : Thơng số suất lượng dịng hồn lưu Benzen Hình : Thơng số suất lượng dịng sản phẩm IV.THIẾT KẾ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Quy trình sản xuất Maleic anhydride (MA) phương pháp oxy hóa phần benzene: hóa benzene trộn với khơng khí, hỗn hợp tang nhiệt độ trước vào bình phản ứng dạng ống Trong bình phản ứng dạng ống chứa xúc tác V2O5, phản ứng tạo thành hỗn hợp khí gồm MA, nước, CO2, benzene dư, nitrogen, oxy sản phẩm phụ quinone Sau rời bình phản ứng, dịng khí làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp tháp V-101 để tách gần toàn MA vào pha lỏng Pha lỏng đem chưng cất để thu MA có độ tinh khiết 96% Cịn pha khí sau tách tháp V-101, chứa phần lớn benzene chưa phản ứng làm lạnh âm độ dung thiết bị tách pha V-100 thu pha lỏng benzene (độ tinh khiết 99.6%) nhẹ nước đem trộn với benzene nhập liệu để hồi lưu V HỆ THỐNG TÁCH CHẤT: Hình 5: Sơ đồ hệ thống tách chất quy trinh Trình tự tách chất thiết bị chưng cất: Cấu tử Benzen CO2 H2O Maleic Anhydrit Quinone Nitrogen Oxygen Lưu lượng (kg/h) 553.2463 512.0250 129.9361 133.2547 5.8485 8067.8078 1750.3102 Nhiệt độ sôi (oC) 80.49 -77.875 100.585 202.585 293.585 -195.41 -182.61 Denta T 157.49 178.46 102 91 488.995 12.8 Các phương án tách sau: Phương án tách Benzen khỏi sản phẩm phụ: CES (1)= 553.2463 = 0.0522 512.0250 + 129.9361 + 133.2547 + 5.8485 + 8067.8078 + 1750.3102 VI.THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT: Hình 6: Thơng số nhiệt độ dịng vật chất Hình 7: Tính tốn lượng Hình 8: Nhịệt lượng trao đổi dịng vật chất Hình 9: Các dòng nhiệt sơ đồ thiết kế pinch Hình 10: Sơ đồ thiết kế pinch VII HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ Công cụ Aspen Process Economic Analyzer cho tính tốn kinh tế sơ với đầu vào sau: Giá benzene $ 0.5/kg Giá MA $ 1.8/kg Thời gian hoạt động 20 năm Thời gian làm việc /năm 8766 Giá tiện ích (điện, nước, Theo liệu nước, v.v…) Aspen Kết Tổng chi phí thiết bị $ 004 000 Tổng chi phí lắp đặt $ 039 700 Doanh thu từ sản phẩm $ 160 000/ năm Chi phí nguyên liệu $ 156 960/ năm Chi phí tiện ích $ 246 300/ năm Lợi nhuận năm = 160 000 – 156 960 – 246 300 – 004 000/20 – 039 700/20 = $ 604 555/ năm Tỉ suất lợi nhuận = 38.87% VIII KẾT LUẬN Nhìn trình đáp ứng yêu cầu đề bài, quy trình linh động với việc thay đổi suất lượng khác nhau; tỉ suất lợi nhuận tốt Và đạt độ tinh khiết sản phẩm cao (96, 21%), có số vấn đề chưa khắc phục được: Độ chuyển hóa benzen thành maleic anhydride cịn thấp Chưa tối ưu hóa thiết bị chưng cất IX DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ENGR DR N.A AMENAGHAWON, “DESIGN OF A 40,000 TONNES CAPACITY MALEIC ANHYDRIDE PRODUCTION PROCESS USING BENZENE AS FEEDSTOCK”, August 2017 [2] Raman Karuppiah, “maleic anhydride production”, https://www.academia.edu/9569277/maleic_anhydride_production, ngày truy cập, 20-52022