(TIỂU LUẬN) bài tập lớn thiết kế hệ thống quy trình đề tài 12 quá trình sản xuất acrylic acid 20 000 tấn năm, độ tinh khiết 99,6%, vận hành 7200h năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC  BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH ĐỀ TÀI 12 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACRYLIC ACID 20.000 TẤN/ NĂM, ĐỘ TINH KHIẾT 99,6%, VẬN HÀNH 7200H/ NĂM Giảng viên phụ trách Trần Hải Ưng Nhóm lớp L05 Nhóm 12 Tên thành viên Lữ Thị Ngọc Thuý Nguyễn Thị Thanh Thuý Tạ Ngọc Khánh Thy THƠNG TIN THÀNH VIÊN Nhóm lớp L05 Nhóm 12 Đề tài 12 Họ Lữ Thị Ngọc Thuý Nguyễn Thị Thanh Thuý Tạ Ngọc Khánh Thy  LỜI CÁM ƠN Qua q trình học mơn ‘Thiết kế hệ thống quy trình cơng nghệ hóa học’, chúng em trang bị kiến thức, nguyên lý việc thiết kế quy trình, tảng vững cho công việc tương lai chúng em Để hồn thành báo cáo này, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu tạo tiền đề để hoàn thành tốt tiểu luận Bài tiểu luận kết trình nỗ lực tất thành viên nhóm Tuy nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót hạn chế Rất mong nhận góp ý thầy để tiểu luận hồn thiện NHĨM THỰC HIỆN BÁO CÁO MỤC LỤC NỘI DUNG CHÍNH I LỜI MỞ ĐẦU II CƠ SỞ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ (deadline 7/4) II.1 Thông tin phản ứng II.2 Thông tin động học phản ứng II.3 Tổng quan nguyên liệu sản phẩm II.3.1 Nguyên liệu - Propylene II.3.2 Sản phẩm – Acrylic acid II.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid III LỰA CHỌN QUY TRÌNH VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT (deadline 7/4) III.1 Lựa chọn quy trình: theo mẻ hay liên tục III.2 Cân vật chất III.2.1 Sơ đồ cấu trúc III.2.2 Suất lượng, thành phần dịng vào, hồn lưu IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁCH CHẤT (deadline 15/4) IV.1 Các cấu tử dòng vật chất sau thiết bị phản ứng IV.2 Quá trình phân tách pha IV.3 Sơ đồ chưng cất thu sản phẩm V THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT(deadline 20/4) V.1 Tính tốn nhiệt độ pinch V.2 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt kỹ thuật pinch VI HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ (deadline 20/4) DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG I LỜI MỞ ĐẦU Acrylic acid hợp chất sử dụng chủ yếu chất trung gian trình tổng hợp acrylate ester Acrylate ester sau dùng nhiều ngành công nghiệp ngành công nghiệp tã, ngành xử lý nước công nghiệp sơn, dệt Trên quy mơ tồn cầu, tỷ lệ tiêu thụ axit acrylic dự kiến đạt 8.000 năm 2020 Con số dự kiến cao ứng dụng mới, bao gồm sản phẩm chăm sóc cá nhân, chất tẩy rửa sản phẩm khác Do vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp hố chất, việc sản xuất theo quy mơ lớn điều cần thiết Vì vậy, mục đích tiểu luận để tính tốn thiết kế quy trình cơng nghệ hố học để sản xuất 20.000 acrylic acid với độ tinh khiết 99,6% vận hành 7200 tiếng năm với điều kiện tối ưu đảm bảo an toàn Acrylic acid tổng hợp từ phản ứng oxy hoá phần propylene II CƠ SỞ CHO Q TRÌNH THIẾT KẾ 2.1 Thơng tin phản ứng Có nhiều cách để tổng hợp acrylic acid cách phổ biến oxy hoá phần propylene Cơ chế phản ứng trình sản xuất acrylic acid từ propylene gồm hai bước: đầu tiên, propylene oxy hóa thành acrolein sau acrolein tiếp tục oxy hóa thành acrylic acid Hai bước thường diễn với xúc tác điều kiện vận hành khác C3H6 + O2 → C3H4O + H2O Acrolein C3H4O + O2 → C3H4O2 Acrylic acid Bên cạnh đó, xảy số phản ứng phụ liên quan đến oxy hóa tác chất sản phẩm Một số phản ứng phụ đặc trưng sau: C3H4O + C3H4O + O2 → CO2 + 2H2O O2 → C2H4O2 + CO2 Acetic acid C3H6 + O2 → 3CO2 + 3H2O 2.2 Thông tin động học phản ứng Những phản ứng xảy phản ứng không thuận nghịch Động học chất xúc tác sử dụng quy trình sau: C3H4O + O2 → C3H4O2 + H2O Phản ứng −Ei Mà −ri =k0 ,i ×e Đơn vị áp suất kPa, giá trị Ei ko,i cho bảng sau: i Những thông số động học trình bày sử dụng khoảng nhiệt độ 250 – 330°C Trên 330°C, chất xúc tác bắt đầu kết tủa 250°C tốc độ phản ứng giảm nhanh Do đó, chất xúc tác khơng thể hoạt động ngồi khoảng nhiệt độ 250 – 330°C 2.3 Tổng quan nguyên liệu sản phẩm 2.3.1 Nguyên liệu – Propylene Propylene chất khí khơng màu, mùi ngọt, cháy với lửa màu vàng, có mùi hắc ứng dụng sản xuất polypropylene, nhứng loại polymer phổ biến sản xuất giới a Tổng quan Propylen: Các tên gọi khác: propene, 1-propene, methylethylene,… Cơng thức hóa học: C3H6 Cơng thức cấu tạo: Hình 1: cấu trúc 2D Propylene Hình 2: cấu trúc 3D Propylene b Tính chất vật lý o Khí khơng màu, mùi giống dầu mỏ o Khối lượng riêng: 1,91 kh/m3 thể khí( 1.013 bar, 15 0C), 613 kg/m3 với thể lỏng o Nhiệt độ nóng chảy: -185,2oC (88K, -301,4oF) o Nhiệt độ sôi: -47,6 oC (225,6K, -53,7 oF) o Độ hòa tan nước: 0,61g/m3 o Độ nhớt: 8,34 μPa.s 16,7 oC o Propylene chất thu từ dầu mỏ, vận chuyển dạng khí hóa lỏng áp suất cao o Tiếp xúc với chất lỏng gây tê cóng đồng thời dễ cháy o Khối lượng phân tử nặng khơng khí c Ứng dụng Ứng dụng cho propylene polypropylene, sử dụng thiết bị điện, điện tử, ống nhựa, đồ gia dụng 2.3.2 Sản phẩm – Acrylic aci Acrylic acid hợp chất hữu có mùi chat chua đặc trưng Có thể trộn lẫn với nước, ete, rượi clorofrom Trong hóa học, axit acrylic tạo thành loại axit quan trọng để sử dụng nhà máy hóa chất lớn ngành cơng nghiệp sử dụng rộng rãi sản xuất thương mại a Tổng quan Acrylic Acid Cơng thức hóa học: C3H4O2 Cơng thức cấu tạo: Hình 3: cấu trúc 2D Acrylic Acid Hình 4: cấu trúc 3D Acrylic Acid b Tính chất vật lý o Trạng thái, màu sắc: Chất lỏng, không màu o Khối lượng phân tử: 72.06 gam/mol o Nhiệt độ nóng chảy: 13oC o Nhiệt độ sơi: 141oC o Khả hịa tan nước đáng kể: 10 gam o Độ nhớt: 1,3 cP 20oC o Áp suất hơi: 3,2mmHg 20oC o Điểm chớp cháy: 68oC o Nhiệt độ tự bốc cháy: 429oC o Mật độ: 1,051 gam/ml 25oC o Mật độ hơi: 2.5 so với khơng khí o o Chỉ số khúc xạ: N20/D 1,421 Nhiệt độ lưu trữ bảo quản: 15- 25oC c Ứng dụng Acrylic Acid sử dụng chủ yếu hợp chất trung gian sản xuất acrylate, este acrylate sử dụng nhiều sản xuất polymer Trong đời sống chúng ứng dụng sản xuất sơn, làm chất bôi trơn phụ gia dầu tự nhiên ngành công nghệ dược phẩm 2.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid 2.4.1 Sản xuất axit acrylic từ acetylene - Tổng hợp Reppe từ công nghệ BASF Ni(CO)4 + 4CH≡CH + H2O + 2HCl → 4CH2=CH-COOH + NiCl2 + H2 Dựa phản ứng tổng hợp Reppe hãng BASF phát triển công nghệ sản xuất axit acrylic phản ứng cộng hợp CO vào acetylene với xúc tác cacbonyl niken Do Ni(CO)4 sử dụng chất xúc tác nên trình phải tiến hành điều kiện nghiêm ngặt với nhiệt độ từ 150- 290oC (trung bình 225oC) áp suất 3-20 MPa (thường 10MPa) Để trì phản ứng pha lỏng, người ta sử dụng dung môi tetrahydrofuran (THF) Đây phản ứng tỏa nhiệt mạnh, xảy theo chế chuỗi gốc, tự xúc tác, nhanh nhiệt độ thấp 25-70oC áp suất Lượng hydro tạo thành khơng có mặt sản phẩm chúng tham gia vào phản ứng phụ sinh propionate, metanol,… Trong phản ứng trên, Ni(CO) chất phản ứng cho vào theo tỉ lượng định 2.4.2.Polyme hóa β-propiolactone chưng phân hủy với nước sản phẩm polyme thu Phương pháp liên quan đến trình sản xuất keten từ axit axetic, dựa vào phản ứng formaldehyde môi trường acetone methanol Xúc tác cho trình AlCl3 ZnCl2 β- propiolactone sau thủy phân nước, cách gia nhiệt 10 khoảng 100-150oC sau lên đến 260oC , thủy phân trực tiếp môi trường chân không 50oC với có mặt H3PO4 để tạo thành axit acrylic Phương pháp tổng hợp này, thương mại hóa Celanese Goodrich, ngưng sử dụng nhà khoa học phát khả gây ung thư β-propiolactone III LỰA CHỌN QUY TRÌNH VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Lựa chọn quy trình: theo mẻ hay liên tục Sau xem xét ưu nhược điểm, lựa chọn quy trình sản xuất liên tục tối ưu hơn, Yếu tố Quy mơ Chất lượng sản phẩm Hiệu cơng nghệ Bảo trì vận hành Ngun liệu An tồn Tuy nhiên, cơng nghệ liên tục có mặt hạn chế so với theo mẻ chi phí đầu tư cao hơn, q trình bảo trì vệ sinh trang thiết bị khó khăn Tuy nhiên, điều bỏ qua so với ưu điểm bên 3.2 Cân vật chất 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát a Cấu trúc vào 11 Hình Sơ đồ cấu trúc vào Nguyên liệu sử dụng Propylen Oxy lấy từ khơng khí, bên cạnh dịng nhập liệu bổ sung thêm lượng lớn nước để đảm bảo cho thiết bị phản ứng hoạt động ổn định an toàn Sản phẩm mong muốn quy trình Acrylic Acid với độ tinh khiết 99,6% tính theo mol Acrylic Acid sản lượng lượng 20.000 tấn/năm b Cấu trúc hồn lưu Hình Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu 12 3.2.2 Suất lượng, thành phần dịng vào, hồn lưu 13 ... việc sản xuất theo quy mơ lớn điều cần thiết Vì vậy, mục đích tiểu luận để tính tốn thiết kế quy trình cơng nghệ hố học để sản xuất 20. 000 acrylic acid với độ tinh khiết 99,6% vận hành 7200 tiếng... định an tồn Sản phẩm mong muốn quy trình Acrylic Acid với độ tinh khiết 99,6% tính theo mol Acrylic Acid sản lượng lượng 20. 000 tấn/ năm b Cấu trúc hồn lưu Hình Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu 12 3.2.2 Suất...THƠNG TIN THÀNH VIÊN Nhóm lớp L05 Nhóm 12 Đề tài 12 Họ Lữ Thị Ngọc Thuý Nguyễn Thị Thanh Thuý Tạ Ngọc Khánh Thy  LỜI CÁM ƠN Qua q trình học mơn ? ?Thiết kế hệ thống quy trình cơng nghệ hóa học’,