Mô phỏng dây chuyền sản xuất benzyl cloride1

MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE1 MỤC LỤC MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE CHƯƠNG I – TỔNG QUAN HÓA CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG Nguyên liệu Toluen 1.1 Tính chất vật lý 1.2 Tính chất hóa học .4 2.3 Ứng dụng Nguyên liệu Clo .7 2.1 Tính chất vật lý 2.2 Tính chất hóa học .8 2.3 Ứng dụng Clo 10 2.4 Điều chế Clo .11 Sản phẩm Benzyl Cloride 11 3.1 Tính chất vật lý 11 3.2 Ứng dụng phản ứng 12 3.3 Phương pháp điều chế 13 3.4 An toàn sử dụng .13 Tính chất axit HCl 14 4.1 Tính chất vật lý 14 4.2 Tính chất hóa học 14 4.3 Các phương pháp sản xuất axit HCl phổ biến giới 16 CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE 20 Mô dây chuyền phản ứng tạo Benzyl Cloride 20 1.1 Thuyết minh dây chuyền: 20 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE2 1.2 Quá trình mô dây chuyền 23 Biện luận q trình mơ 33 Xác định thông số tháp chưng 38 Tuần hồn lại dịng Toluen 40 Tính tốn cân vật chất cân lượng 45 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE3 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN HÓA CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG Nguyên liệu Toluen 1.1 Tính chất vật lý - Toluen dễ bắt cháy (do nhiệt độ chớp cháy thấp), cháy tạo nhiều muội - Toluen có khả hịa tan benzene, etanol, xeton phần lớn dung môi hữu cơ, tan nước Tính chất vật lí Toluen Tính chất 1.2 Giá trị Khối lượng phân tử (đvC) 92.14 Nhiệt độ sôi (oC) 110-111ºC Nhiệt độ đông đặc (oC) -93ºC Điểm chớp cháy (oC) 4.4ºC Tỷ trọng (g/mL) 25oC 0.865 Độ nhớt (N.s/m2)tại 25oC 0.56 Áp suất bão hòa (mm Hg) 20oC 22 Chỉ số khúc xạ 20oC 1.496 Tính chất hóa học Cơng thức hóa học : C6H5-CH3 MƠ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE4 Công thức cấu tạo : 2.2.1 Phản ứng vào electrophin vào nhân thơm Nhóm CH3 nhóm loại I với ảnh hưởng hiệu ứng liên hợp siêu liên hợp đến electron π vòng benzene làm mật độ e vòng benzene tăng lên vị trí ortho para, đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng 2.2.2 Phản ứng nhóm CH3 - Phản ứng halogen hóa: C6H5-CH3 + Cl2 → C6H5-CH2– Cl - Tham gia phản ứng với brom khan cho bromtoluen axit HBr - Phản ứng với khí clo tạo diclometan axit HCL MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE5 - Phản ứng cộng với H2 tạo metylxiclohexan - Phản ứng oxy hóa với nhóm metyl - Phản ứng oxi hóa với điều kiện thích hợp : C6H5-CH3 + O2 → C6H5-CHO C6H5-CH3 + O2 → C6H5-COOH Toluen tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia phản ứng cộng bền vững với chất oxi hóa Đó cịn gọi tính thơm  bởi tính chất hóa học đặc trưng chung hiđrocacbon thơm 2.3 Ứng dụng - Trong cơng nghiệp đời sống toluene đóng vai trò quan trọng:  Là thành phần cấu từ làm tăng trị số octan, nâng cao giá trị xăng, đặc biệt hoàn cảnh phụ gia chì gần khơng cịn sử dụng làm nhiễm mơi trường tầm quan trọng toluene ngyaf lớn MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE6  Bên cạnh toluen cịn nguyên liệu sản xuất thuốc nổ TNT, ứng dụng lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác quặng …  Trong cơng nghiệp hóa chất, toluene đa phần sử dụng để sản xuất benzene, cịn dụng làm dung mơi, sản xuất sơn Nguyên liệu Clo Trong tự nhiên clo tìm thấy dạng ion clorua (Cl -) Các clorua tạo loại muối hòa tan nước biển — khoảng 1,9% khối lượng nước biển ion clorua Trong nước biển Chết mỏ nước mặn ngầm nồng độ ion clorua cao Phần lớn muối clorua hòa tan nước, clorua rắn thơng thường tìm thấy vùng khí hậu khơ sâu đất Trong lớp vỏ Trái Đất, clo có giá trị trung bình khoảng 126 ppm, chủ yếu dạng halit (muối mỏ) (natri clorua), sylvit (kali clorua) cacnalit (magiê clorua, kali clorua ngậm sáu phân tử nước) Có 2000 hợp chất clo vơ tồn tự nhiên 2.1 Tính chất vật lý Clo, khí hóa lỏng áp suất bar nhiệt độ phịng Kích thước cột chất lỏng ca 0.3x 3 cm Ở nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn, hai ngun tử clo hình thành phân tử có hai nguyên từ Cl2 Đây chất khí màu vàng xanh có mùi đặc biệt mạnh mẽ nó, mùi thuốc tẩy Sự gắn kết hai nguyên tử tương đối yếu (chỉ 242,58 ± 0,004 kJ/ mol), mà làm cho phân tử Cl2 phản ứng cao Điểm sơi bầu khơng khí thường xun khoảng -34˚C, hóa lỏng nhiệt độ phịng với áp lực atm Nguyên tố thành viên nhóm halơgen tạo loạt muối tách từ clorua thông qua q trình ơxi hóa hay phổ biến điện phân Clo khí có khả phản MƠ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE7 ứng gần với nguyên tố Ở 10 °C lít nước hịa tan 3,10 lít clo 30 °C 1,77 lít - Clo chất khí, màu vàng lục, mùi hắc - Clo nặng gấp 2,5 lần khơng khí tan nước - Ở 20oC, thể tích nước hịa tan 2,5 thể tích khí clo - Clo khí độc 2.2 Tính chất hóa học Ngồi tính chất hóa học phi kim tác dụng với hầu hết kim loại tạo thành muối Clorua, tác dụng với Hiđro tạo khí hiđro clorua Phương pháp Clo hóa sử dụng khí Clo sinh (khí Clo sinh có khả hoạt hóa cao hẳn khí Clo cất giữ bình chứa thời gian) tác dụng trực tiếp với đối tượng cần Clo hóa kim loại, oxit kim loại hợp chất hữu (benzen, toluen ), với nước, bazơ, a) Tác dụng với kim loại Các halogen hoạt động hoá học mạnh phân tử chúng phân li tương đối dễ dàng thành ngun tử, ngun tử có tính chất hoá học mạnh Phản ứng kết hợp halogen với kim loại xảy đặc biệt nhanh thoát nhiệt lượng lớn Na + Cl2 → NaCl MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE8 Khi kết hợp với kim loại, halogen oxi hoá kim loại đến hoá trị cực đại kim loại Cl2(k) + Fe(r) → FeCl3(r) (Nếu Fe dư: Fe dư +  2FeCl3 → 3FeCl2) Cl2(k) + Cu(r) →CuCl2(r) Clo tác dụng với hầu hết kim loại tạo thành muối clorua b) Tác dụng với hiđro Cl2(k) + H2(k) →→ 2HCl(k) Khí HCl tan nhiều nước tạo thành dung dịch axit hiđrocloric Clo có tính chất hóa học phi kim. Clo phi kim hoạt động hóa học mạnh, clo khơng trực tiếp phản ứng với oxi a) Tác dụng với nước Cl2(k) + H2O(l) ⇌ HCl(dd) + HClO(dd) (phản ứng xảy theo chiều ngược nhau) Nước clo dung dịch hỗn hợp chất HCl, HClO Cl 2 nên có màu vàng lục, mùi hắc khí clo Nếu cho q tím vào dd đó, lúc đầu q tím hóa đỏ, sau nhanh chóng bị mất màu tác dụng oxi hóa mạnh của axit hipoclorơ HClO b) Tác dụng với dung dịch NaOH MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE9 Cl2(k) + 2NaOH(dd) → NaCl(dd) + NaClO(dd) + H2O(l) Dung dịch hỗn hợp gồm NaCl (natri clorua) NaClO (natri hipoclorit) gọi nước Gia-ven Dung dịch có tính tẩy màu tương tự HClO, NaClO có tính oxi hóa mạnh 2.3 Ứng dụng Clo Clo hóa chất quan trọng làm tinh khiết nước, việc khử trùng hay tẩy trắng khí gây ngạt (mù tạc) Clo sử dụng rộng rãi sản xuất nhiều đồ vật sử dụng hàng ngày  Sử dụng (trong dạng axít hipoclorơ HClO) để diệt khuẩn từ nước uống bể bơi Thậm chí lượng nhỏ nước uống xử lý với clo  Sử dụng rộng rãi sản xuất giấy, khử trùng, thuốc nhuộm, thực phẩm, thuốc trừ sâu, sơn, sản phẩm hóa dầu, chất dẻo, dược phẩm, dệt may, dung môi nhiều sản phẩm tiêu dùng khác Trong hóa hữu chất sử dụng rộng rãi chất ơxi hóa chất clo thơng thường tạo nhiều thuộc tính có ý nghĩa hợp chất hữu thây hiđrô (chẳng hạn sản xuất cao su tổng hợp) Clo sử dụng sản xuất muối clorat, clorofom, cacbon tetraclorua việc chiết xuất brơm Ngồi Clo cịn ứng dụng lĩnh vực sau: - Khử trùng nước sinh hoạt; - Tẩy trắng vải, sợi, bột giấy; MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE10 - Điều chế nước Gia-ven, clorua vôi, - Điều chế nhựa PVC, chất dẻo, chất màu, caosu, 2.4 Điều chế Clo 2.4.1 Điều chế phịng thí nghiệm 4HCl(dd đặc) + MnO2(r) → MnCl2(dd) + Cl2(k) + 2H2O(l) 2.4.2 Điều chế công nghiệp Điện phân dung dịch bão hịa NaCl, có màng ngăn xốp: 2NaCl(dd) + 2H2O(l) → 2NaOH(dd) + Cl2(k) + H2(k) Sản phẩm Benzyl Cloride 3.1 Tính chất vật lý Benzyl Cloride hay α-chlorotoluen, hợp chất hữu với công thức C6H5CH2Cl Cấu tạo phân tử hình dưới: Đây chất lỏng khơng màu, có khả phản ứng cao có ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp hóa chất MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE32 Biện luận q trình mơ Trong q trình chọn cấu tử để mô phỏng, theo phản ứng đầu cho phản ứng Toluen Clo, cần chọn cấu tử Toluen, Clo, Benzyl Clorid, HCL Bên cạnh đó, cịn có phản ứng trung hịa HCl chưa phản ứng NaOH với phản ứng HCl + NaOH  NaCl + H2O Vì xảy phản ứng nên cần thêm cấu tử: NaOH, NaCl, H 2O, nhiên với việc sử dụng Hysys 2006, khơng trang bị sẵn cấu tử NaCl, ta tạo cấu tử giả cách vào chức Quick Create a Hypo Component sau, với tính chất NaCl: nhiệt độ sôi T = 801 oC tỉ khối = 2160 kg/m3 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE33 Nhiệt độ sôi cấu tử dòng nguyên liệu vào tháp chưng: Cấu tử Nhiệt độ sôi (oC) Benzyl clorid 179.4 Toluen 110.6 H2O 100 HCl -85.05 Thiết bị phản ứng CRV-100 nơi xảy phản ứng chính: C6H5CH3 + Cl2 C6H5CH2Cl + HCl Phản ứng có độ chuyển hóa 50% tính theo Toluen, với sản phẩm Benzyl Clorid HCl, phản ứng thực nhiệt độ 110 oC nên hỗn hợp dòng phản ứng cần phải gia nhiệt thiết bị gia nhiệt E-100 Kết phản ứng hình dưới: MƠ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE34 Các cấu tử có thành phần sau: Cấu tử Thành phần mole Dòng Vap reac (đỉnh TB phản ứng) Benzyl Cloride 0.084 Cl2 0.00 Toluen 0.333 H2O 0.583 HCl NaCl NaOH Dòng Liq reac (đáy TB phản ứng) Benzyl Cloride 0.661 Cl2 Toluen 0.334 H2O 0.005 HCl NaCl NaOH Sản phẩm BenzylCloride chủ yếu nằm dòng đáy thiết bị phản ứng nhiệt độ sôi Benzyl Cloride 178.4 oC, cao nhiệt độ thiết bị phản ứng 110 oC thấy lượng Toluen tồn dòng đỉnh dòng đáy thiết bị phản ứng CRV-100 nhiệt độ phản ứng 110 oC gần với nhiệt độ sôi Toluen 111 oC, lượng Toluen cần tách hồi lưu lại thiết bị phản ứng MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE35 Tuy nhiên lượng sản phẩm dòng đỉnh 546.53 kg/h, để tránh mát sản phẩm, dòng sản phẩm đỉnh tách thiết bị tách V-100 Dòng hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng trước tinh chế cần trung hòa NaOH phản ứng tạo HCl có khả ăn mịn thiết bị cao Đây axit mạnh, cần trung hòa NaOH thiết bị Neutralizer Vì việc cần phải loại HCl nên sử dụng dư NaOH nhằm phản ứng hoàn toàn HCl Phản ứng xảy đạt 100% theo HCl lượng HCl dòng sản phẩm sau thiết bị Đối với dòng đỉnh tháp tách pha V-100 (Vap Sep), chứa lượng lớn Toluen (141.1 kg/h), cần tách để hồi lưu thiết bị tách cấu tử X-100 Tại thiết bị tách cấu tử cần tách 100% HCl để trách cho dòng hồi lưu chứa cấu tử dễ gây ăn mịn thiết bị Và nhiệt độ thiết bị có chênh lệch MƠ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE36 cao nhiệt độ sôi HCl Toluen chênh lệch lớn (nhiệt độ dòng HCl 35 oC nhiệt độ dòng đáy 114 oC) Trước đưa vào tháp tách, dịng hỗn hợp sản phẩm cần có hệ số pha nhỏ 1, cần làm lạnh dịng từ thiết bị trung hòa axit xuống 130 oC Trước mơ tháp chưng tách với mục đích tinh chế Benzyl Cloride, cần tính tốn thơng số cho tháp chưng công cụ Shortcut Distillation Tuy nhiên với tháp chưng tách, cần yêu cầu tách nước Vì để tháp tách hội tụ tính tốn chưng tách, cần có thơng số để số bậc tự Để ý thấy lượng Toluen tách có lưu lượng 28 kgmole/h, nên thêm Spec cho dịng Toluen tách đỉnh, spec – Distillate Rate ta cho phép dịng toluene lấy 25 kgmole/h (khơng q lượng Toluen có tháp) Dịng đáy tháp chưng gồm chủ yếu Benzyl Cloride với độ tinh khiết >99%, làm mát nhiệt phịng thiết bị E-103 nhằm tránh cho sản phẩm bay Dòng đỉnh gồm thành phầm chủ yếu toluene (sau tách nước), hồi lưu thiết bị phản ứng, nhiên, nhiệt dịng hồi lưu cao cảu dòng nguyên liệu, nên cần làm mát nhiệt độ dòng nguyên liệu, áp suất dòng tăng áp bơm P-100 dòng toluene tồn dạng lỏng nhiệt độ 30oC MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE37 Xác định thông số tháp chưng Để xác định thông số tháp chưng, cần sử dụng tính tốn với Shortcut Distillation với thông số đầu vào: Thông số Giá trị Áp suất đỉnh atm Áp suất đáy atm Cấu tử nhẹ đáy (toluene) 0.001 Cấu tử nặng đỉnh (benzyl Cloride) 0.001 Tỉ số hồi lưu Các thơng số dịng ngun liệu đầu vào: MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE38 Thành phần dịng đầu vào: Có thể thấy dịng ngun liệu có cấu tử Benzyl Cloride, Toluen H2O Ở trường hợp này, cần chọn cấu tử nhẹ đỉnh toluene sử dụng toluene cấu tử nhẹ cấu tử cịn lại H2O bay theo MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE39 Sau tính tốn kết sau: Thông số Giá trị Số đĩa tối thiểu 6.6 Số đĩa thực tế 11 Đĩa nạp liệu tối ưu Chỉ số hồi lưu nhỏ 0.341 Chỉ số hồi lưu chọn 0.5 Nhiệt độ đỉnh tháp (oC) 32.99 Nhiệt độ đáy tháp ( oC) 209.9 Tuần hồn lại dịng Toluen Trong dây chuyền, hiệu suất phản ứng 50% tính theo Toluen lượng Toluen dư, cần phải tuần hồn lại dịng Toluen nhằm tránh lãng phí Có thể thấy sơ đồ PFD, lượng Toluen lấy thiết bị thiết bị tách cấu tử thiết bị chưng tách tinh chế Benzyl Cloride Lượng Toluen thiết bị có lưu lượng thành phần sau: Dòng Thành phần mole Lưu lượng (kg/h) Bottom (từ thiết bị tách 0.957 154.63 0.956 1761.3 cấu tử) Toluene not react (từ tháp chưng tách) Tổng 1915.93 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE40 Lượng Toluen sau trộn làm mát xuống nhiệt độ dòng nguyên liệu 30 oC, sau để đảm bảo áp suất đầu vào thiết bị, dòng hồi lưu tăng áp bơm P-100 để đảm bảo dịng khơng bị trào ngược Dịng hồi lưu có kết mơ hình dưới: MƠ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE41 Thành phần dòng hồi lưu sau: Sự hồi lưu dẫn đến thay đổi dòng sản phẩm, làm tăng khả phản ứng Toluen với Clo Lượng sản phẩm Benzyl Cloride trước sau hồi lưu thể bảng dưới: Sản phẩm Trước hồi lưu (kg/h) Sau hồi lưu (kg/h) Benzyl Cloride 3574.8 3679.9 Lượng thay đổi: (sau hồi lưu – trước hồi lưu) = 105.1 (kg/h) % = (lượng thay đổi/trước hồi lưu)*100 = 2.95% Nhìn vào bảng thấy lượng Benzyl Cloride tăng 2.95% tiến hành hồi lưu lượng Toluen, điều có ý nghĩa với trình sản xuất thực tế, làm tăng lượng sản phẩm, giảm hao hụt nguyên liệu đầu vào MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE42 Do việc hồi lưu làm tăng lượng Toluen cho thêm Clo nhằm tăng thêm sản lượng Benzyl Cloride, khơng thể sử dụng cơng cụ Set nên sử dụng việc khảo sát ảnh hưởng lưu lượng Clo đưa đến hiệu suất phản ứng chính, với yêu cầu hiệu suất phản ứng đạt 50% tính theo Toluen Sự phụ thuộc hiệu suất phản ứng vào lưu lượng Clo thể sau: Như hình thấy rằng, để đạt hiệu suất phản ứng 50% tính theo Toluen lượng Clo cần thiết khoảng 35 – 40 kgmole Chọn lưu lượng Clo 40 kgmole/h MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE43 Khi lưu lượng sản phẩm sau: Sản phẩm Trước hồi lưu (kg/h) Sau hồi lưu (kg/h) Benzyl Cloride 3574.8 4885.9 Lượng thay đổi: (sau hồi lưu – trước hồi lưu) = 1311.1(kg/h) % = (lượng thay đổi/trước hồi lưu)*100 = 36.68% Từ bảng cho thấy với việc tăng lượng Clo từ 30 kgmole/h lên 40 kgmole/h lượng Benzyl Cloride tăng lên nhiều (tăng 36% so với không hồi lưu) MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE44 Tính tốn cân vật chất cân lượng Để tính tốn cân vật chất lượng, ta sử dụng công cụ Property Balance Utility phần mềm Hysys cho thiết bị phản ứng: - Thiết bị phản ứng - Thiết bị trung hịa a Thiết bị phản ứng Tính tốn cân cho thiết bị phản ứng thể hình đây: Cân vật chất thống kê bảng sau: Dòng nguyên liệu To Reactor Tổng Chênh lệch: Lưu lượng khối lượng (kg/h) 8753 8753 -0.021 Dòng sản phẩm Lưu lượng khối lượng (kg/h) Liq reac 5008 Vap reac 3745 Tổng 8753 Sai số = (chênh lệch/tổng)*100 = 0.00% MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE45 Cân lượng cho thiết bị phản ứng Dòng nguyên liệu Giá trị (kJ/h) Dòng sản phẩm Giá trị (kJ/h) To Reactor 4.349e+006 product-lip 6.881e+004 Q2 -5.468e+006 product-Vap -1.189e+006 Tổng -1.120e+006 Tổng -1.120e+006 Chênh lệch: -6.139e-010 Sai số = (chênh lệch/tổng)*100 = 0.00% b Thiết bị phản ứng trung hòa Cân vật liệu cho thiết bị: Dòng nguyên liệu Lưu lượng khối lượng (kg/h) Dòng sản phẩm Lưu lượng khối lượng (kg/h) NaOH 123.0 Salt 179.6 to neutralizer 7536 Neu Vap 7479 Tổng 7659 Tổng 7659 Chênh lệch: 4.532e-002 Cân lượng cho thiết bị: Sai số = (chênh lệch/tổng)*100 = 0.00% MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT BENZYL CLORIDE46 Dòng nguyên liệu Lưu lượng khối lượng (kg/h) Dòng sản phẩm Lưu lượng khối lượng (kg/h) NaOH -1.246e+006 Salt -4.844e+005 to neutralizer 1.808e+005 Neu Vap 2.873e+006 Q4 3.454e+006 Tổng 2.389e+006 Tổng 2.389e+006 Chênh lệch: -8.736e-003 Sai số = (chênh lệch/tổng)*100 = 0.00% Các thiết bị cân vật chất lượng, với sai số 0%