QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACRYLIC ACID TỪ PROPYLENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA MỘT PHẦN TRÊN XÚC TÁC

3 LỜI CÁM ƠN Qua quá trình học môn ‘Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học’, chúng em đã được trang bị những kiến thức, nguyên lý cơ bản của việc thiết kế một quy trình, đó là nền tảng vững chắ.

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 A – NỘI DUNG CHÍNH I.LỜI MỞ ĐẦU II.CƠ SỞ CHO QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 2.1.Thông tin phản ứng 2.2.Thông tin động học phản ứng 2.3.Tổng quan nguyên liệu sản phẩm 10 2.3.1.Nguyên liệu – Propylene .10 2.3.2.Nguyên liệu - Nước 12 2.3.3.Ngun liệu - Khơng khí 12 2.3.4.Sản phẩm – Acrylic acid 12 2.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid 13 2.4.1 Sản xuất axit acrylic từ acetylene - Tổng hợp Reppe từ công nghệ BASF 13 2.4.2 Polyme hóa β-propiolactone chưng phân hủy với nước sản phẩm polime thu 14 III.LỰA CHỌN QUY TRÌNH VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT 15 3.1.Lựa chọn quy trình 15 3.2.Cân vật chất 16 3.2.1.Cấu trúc vào 16 3.2.2.Cấu trúc hoàn lưu .17 3.2.3.Suất lượng, thành phần dịng vào, hồn lưu 17 IV MÔ PHỎNG HYSYS 21 3.1 Thuyết minh 21 3.2 Các cấu tử 22 3.3 Gói nhiệt động 22 3.4 Thơng số thành phần mol dịng 23 3.5 Thiết bị 26 a Thiết bị phản ứng .26 b Tháp chưng cất 28 c.Tháp hấp thụ 30 V HỆ THỐNG TÁCH CHẤT 32 4.1 Trình tự tách 32 4.2 Hệ thống tách 33 VI HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT .34 VII HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ 34 VIII KẾT LUẬN .36 IX NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 36 B - TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Cấu trúc 2D Propylene 11 Cấu trúc 3D Propylene 11 Cấu trúc 2D Acrylic Acid 12 Cấu trúc 3D Acrylic Acid 12 Sơ đồ cấu trúc vào 16 Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu 17 Thơng số suất lượng dịng nhập liệu propylene (propene) 17 Thông số suất lượng dòng nhập liệu 18 Thông số suất lượng dịng khơng khí nhập liệu 18 10 Thông số suất lượng dòng sản phẩm acrylic acid 19 11 Thành phần mol dòng acrylic acid sản phẩm 19 12 Thơng số suất lượng dịng acetic acid sản phẩm 20 13 Thành phần mol dòng acetic acid sản phẩm 20 14 Mơ quy trình sản xuất Acrylic Acid phần mềm Aspen Hysys 21 15 Các cấu tử quy trình 22 16 Các hệ số nhị phân gói UNIQUAC Hysys 22 17 Thông số thiết kế thiết bị phản ứng PFR-100 26 18 Thơng số dịng vào thiết bị phản ứng 27 19 Thơng số dịng khỏi thiết bị phản ứng 28 20 Thông số thiết kế tháp chưng cất T-105 28 21 Thông số thành phần dòng vào khỏi tháp chưng cất T-105 (1) 29 22 Thông số điều kiện hoạt động tháp chưng cất T-105 29 23 Thành phần qua mâm tháp chưng cất 30 24 Thông số thiết kế tháp hấp thụ T-100 30 25 Thông số thiết kế tháp hấp thụ T-101 31 26 Thông số thiết kế thiết bị hấp thụ có thiết bị gia nhiệt đáy tháp T-103 31 27 Thông số thiết kế thiết bị hấp thụ có gia nhiệt đáy tháp T-104 32 28 Trình tự tách chất 33 29 Hệ thống tách chất 33 DANH MỤC BẢNG Bảng Thơng số dịng 24 Bảng Thành phần mol dòng 26 Bảng Thông số hoạt động thiết bị phản ứng PRF-100 27 Bảng 4.Thơng số dịng vật chất……………………………………………… 32 Bảng Bảng liệt kê giá thành nguyên liệu sản phẩm (tham khảo)………………… 33 Bảng Bảng liệt kê giá thành thiết bị (tham khảo………………………………………33 A – NỘI DUNG CHÍNH 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 cơng 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 trò 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 hoá 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 oxi 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 + O2 → CO2 + 2H2O C3H4O + 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 Acrylic acid Phản ứng C3H6 + O2 → C2H4O2 + CO2 + H2O Phản ứng Acetic acid C3H6 + O2 → 3CO2 + 3H2O Phản ứng −𝐸𝑖 Mà −𝑟𝑖 = 𝑘0,𝑖 × 𝑒 𝑅𝑇 × 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑝𝑦𝑙𝑒𝑛𝑒 × 𝑃𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛 Đơn vị áp suất kPa, giá trị Ei ko,i cho bảng sau: i Ei (kcal/kmol) ko,i 15000 1.59 x 105 20000 8.83 x 105 25000 1.81 x 108 Những thơng số động học trình bày sử dụng khoảng nhiệt độ 250 – 330°C Trên 330°C, chất xúc tác bắt đầu kết tủa cịn 250°C tốc độ phản ứng giảm nhanh Do đó, chất xúc tác khơng thể hoạt động khoảng nhiệt độ 250 – 330°C 2.3 Tổng quan nguyên liệu sản phẩm 2.3.1 Ngun 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 10 Cơng thức cấu tạo: Hình Cấu trúc 2D Propylene Hình 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 11 2.3.2 Nguyên liệu - Nước Ở ta sử dụng hai nguồn cung nước cho quy trình - Hơi nước cung cấp từ lò nhiệt 159oC, áp suất 600 kPa cho dòng nhập liệu - Nước tinh khiết thường sử dụng tháp hấp thu Trong thực tế, ta sử dụng nước khử ion mục đích kinh tế hiệu suất 2.3.3 Ngun liệu - Khơng khí Khơng khí tự nhiên có thành phần bao gồm 20% O2, 80% N2, nguồn cung cấp O2 cho q trình oxy hóa propylene Ngồi khơng khí bao gồm lượng lớn khí N2 trơ q trình phản ứng để làm lỗng hỗn hợp có chứa propylene, giảm nguy propylene bị phân hủy gây cháy nổ 2.3.4 Sản phẩm – Acrylic acid Acrylic acid hợp chất hữu có mùi chát chua đặc trưng Có thể trộn lẫn với nước, ete, rượu chloroform 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 Cấu trúc 2D Acrylic Acid Hình Cấu trúc 3D Acrylic Acid 12 Suất lượng dòng 569757 705712 3021 705712 1476 704235 704235 569691 134544 (kg/h) Suất lượng dòng 6300 7806.4 42.079 7806.4 18.52 7787.9 7787.9 6300 1487.9 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Nhiệt độ (°C) 55.73 40.09 81.23 40 40 40 40.09 40.09 40.09 Áp suất (kPa) 240 240 150 130 130 130 240 240 240 Tỉ lệ mol pha 0 1 0 0 165906 25436 156412 156412 25436 130976 3225 250 1537 1537 1537 250 1287 Waste DIPE 35 (kmol/h) Suất lượng dòng 156412 156412 (kg/h) Suất lượng dòng 1537 (kmol/h) water Nhiệt độ (°C) 118.62 40 40.09 Áp suất (kPa) 190 240 240 Tỉ lệ mol pha 0 34930 1296 132273 1938 12.68 1300 Suất lượng dòng (kg/h) Suất lượng dòng (kmol/h) Bảng Thơng số dịng 24 Thành phần dịng Water Gas off Propene 0.052 0.052 0 0 0 Air 0.570 0.570 0.499 0.001 0.966 06 0.966 CO2 0 0.002 0.003 0 0.003 H2O 0.377 0.377 0.445 0.978 0.030 Acetic acid 0 0.001 0.001 06 0 Acrylic acid 0 0.053 0.021 08 0.025 0 di-i-P-Ether 0 0 0 0 10 11 12 13 14 15 16 Propene 0 0 0 0 Air 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 CO2 0 0 0 0 H2O 0.999 0.978 0.978 0.978 0.978 0.978 0.005 0.137 Acetic acid 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Acrylic acid 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.027 di-i-P-Ether 0 0 0 0.995 0.835 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Propene 0 0 0 0 Air 0 0 0.060 0 0 CO2 0 0 0 0 H2O 0.139 0.140 0.140 0.214 Acetic acid 0 0.022 0 0 0 Acrylic acid 0 0.978 0 0 0 di-i-P-Ether 0.860 0.860 0.860 0.725 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Propene 0 0 0 0 Air 0 0 0.165 0 0 CO2 0 0 0 0 25 0.030 0.974 0.139 0.139 0.139 0.860 0.860 0.860 1.000 0.139 0.860 H2O 0.603 0.005 0.005 0.005 0.008 Acetic acid 0 0 0 0 Acrylic acid 0 0 0 0 di-i-P-Ether 0.397 0.995 0.995 0.995 0.827 35 Waste DIPE Acrylic Acetic acid acid water Propene 0 0 Air 0 0 CO2 0 0 H2O 0.005 1.000 0 Acetic acid 0 0.004 0.360 Acrylic acid 0 0.996 0.640 di-i-P-Ether 0.995 1.000 0 0.005 0.005 0.005 0.995 0.995 0.995 Bảng Thành phần mol dịng 3.5 Thiết bị a Thiết bị phản ứng Hình 17 Thơng số thiết kế thiết bị phản ứng PFR-100 26 0.005 0.995 Unit PFR-100 Pressure Drop kPa 50 Heat Flow kJ/h 22650551 Reactor Volume m3 21.67 Bed Voidage 0.5 Bảng Thông số hoạt động thiết bị phản ứng PRF-100 Hình 18 Thơng số dịng vào thiết bị phản ứng 27 Hình 19 Thơng số dòng khỏi thiết bị phản ứng b Tháp chưng cất Hình 20 Thơng số thiết kế tháp chưng cất T-105 28 Hình 21 Thơng số thành phần dịng vào khỏi tháp chưng cất T-105 (1) Hình 22 Thông số điều kiện hoạt động tháp chưng cất T-105 29 Hình 23 Thành phần qua mâm tháp chưng cất c Tháp hấp thụ Hình 24 Thơng số thiết kế tháp hấp thụ T-100 30 Hình 25 Thơng số thiết kế tháp hấp thụ T-101 Hình 26 Thơng số thiết kế thiết bị hấp thụ có thiết bị gia nhiệt đáy tháp T-103 31 Hình 27 Thơng số thiết kế thiết bị hấp thụ có gia nhiệt đáy tháp T-104 V HỆ THỐNG TÁCH CHẤT 4.1 Trình tự tách Cấu tử Moles/h Nhiệt độ sơi oC - A: H2O 1942,99 90 B: DIPE 1293,3 69 72 C: Acetic Acid 1.0977 118 28 D: Acrylic Acid 41.1713 141 23 ∆T Theo quy luật C1: Tách H2O DIPE trước suất lượng mol cấu tử lớn nhất, sau tách Acetic Acid Acrylic Acid 32 Hình 28 Trình tự tách chất 4.2 Hệ thống tách Hình 29 Hệ thống tách chất 33 VI HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT Dịng Tính Tin hot (oC) chất Tout hot Base duty (oC) (kJ/h) E-100 Nóng 72.7 40 22924124.17 E-101 Nóng 71.2 62.3 256026713.17 E-102 Nóng 81.2 40 58542645.50 Bảng Thơng số dịng vật chất VII HIỆU QUẢ KINH TẾ SƠ BỘ Tên chất Giá Propene $1048 / MT Khơng khí $1.00 / m3 Hơi nước $3.00 / kg Nước $1.00 / m3 Acrylic acid $2370 / MT Acetic acid $1450 / MT DIPE $2300 / MT Bảng Bảng liệt kê giá thành nguyên liệu sản phẩm (tham khảo) Tên thiết bị Số lượng Giá / thiết bị Pump $500 Mixer $10,000 Compressor $5,000 Valve $100 Plug Flow Reactor $30,000 Absorber $20,000 Cooler $15,000 34 Liquid – Liquid Extractor $40,000 Reboiled Absorber $25,000 Recycle $20,000 Separator $30,000 Distillation $80,000 Tee $5,000 Bảng Bảng liệt kê giá thành thiết bị (tham khảo) Giả sử thiết bị vận hành 10 năm Tổng chi phí mua nguyên liệu: ∑ 𝑛𝑔𝑢𝑦ê𝑛 𝑙𝑖ệ𝑢 = (1048 × 1.8095 + × 15.4 + × 5.5775 + 2300 × 1.2964 + × 28.88) × 24 = $118,538.1/𝑛𝑔à𝑦 Tổng chi phí mua thiết bị: ∑ 𝑐ℎ𝑖 𝑝ℎí 𝑡ℎ𝑖ế𝑡 𝑏ị = 500 × + 10000 × + 5000 + 100 + 30000 + 20000 × + 15000 × + 40000 + 25000 × + 20000 × + 30000 × + 80000 + 5000 × = $486,600 Dựa vào điều kiện vận hành nhà máy, chi phí thiết bị trung bình ngày: ∑ 𝑡ℎ𝑖ế𝑡 𝑏ị/𝑛𝑔à𝑦 = 486600 × 24 = $162.2/𝑛𝑔à𝑦 7200 × 10 Tổng chi phí vận hành nhà máy (bao gồm phí sửa chữa, bảo trì thiết bị, nhiên liệu, số chi phí khác,…) ∑ 𝑣ậ𝑛 ℎà𝑛ℎ = $3,000/𝑛𝑔à𝑦 Tổng chi phí cho nhà máy hoạt động ngày: ∑ 𝑐ℎ𝑖 𝑝ℎí ℎ𝑜ạ𝑡 độ𝑛𝑔 = 118538.1 + 162.2 + 3000 = $121,700.3/𝑛𝑔à𝑦 35 Tổng thu từ sản phẩm: ∑ 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 = (2370 × 72.06 × 0.996 × 40 + 1450 × 60.052 × 0.004 × 40) × 24 1000 = $163,629.5/𝑛𝑔à𝑦 Tổng lợi nhuận mà nhà máy thu ngày là: ∑ 𝑙ợ𝑖 𝑛ℎ𝑢ậ𝑛 = ∑ 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 − ∑ 𝑐ℎ𝑖 𝑝ℎí ℎ𝑜ạ𝑡 độ𝑛𝑔 = 163629.5 − 121700.3 = $41,929.2/𝑛𝑔à𝑦 Vậy tổng lợi nhuận nhà máy thu từ quy trình sản xuất acrylic acid thiết kế năm $15,304,158/năm VIII KẾT LUẬN Nhìn chung, quy trình đạt mục tiêu đề là quy trình linh động việc thay đổi số liệu suất lượng, lượng Acrylic Acid dòng sản phẩm chiếm 99.6% bên cạnh có vài hạn chế: - Chưa tách sản phẩm phụ Acetic Acid - Chưa tối ưu thiết kế tháp chưng cất để tránh tổn thât dòng sản phẩm đinh ( phần mol acrylic acid dòng sản phẩm đỉnh cao, lên tới 64%) IX NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 36 37 B - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sakuyama, S., T Ohara, N Shimizu, and K Kubota, “A New Oxidation Process for Acrylic Acid from Propylene”, Chemical Technology, June 1973, 350 [2] Shimizu, T Process for producing acrylic acid from propylene U.S Patent 4,147,885 [3] AGM ONLINE SIMULATION, “Simulation of Acrylic Acid production | Aspen Hysys V10”, https://www.youtube.com/watch?v=mbLXR5s2vOk&t=1501s, ngày truy cập, 24-04-2022 [4] James M.Douglas, “Conceptual Design of Chemical Processes”, McGraw-Hill, 1988 38 ... 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... Thành phần mol dòng acrylic acid sản phẩm 19 12 Thông số suất lượng dòng acetic acid sản phẩm 20 13 Thành phần mol dòng acetic acid sản phẩm 20 14 Mơ quy trình sản xuất Acrylic. .. 2.3.4 .Sản phẩm – Acrylic acid 12 2.4 Các công nghệ sản xuất acrylic acid 13 2.4.1 Sản xuất axit acrylic từ acetylene - Tổng hợp Reppe từ công nghệ BASF 13 2.4.2 Polyme hóa