đồ án tốt nghiệp nghiên cứu quy trình sản xuất styren từ etylbenzen

MỞ ĐẦU

Styren Có công thức là C6H5CH = CH2, là một monome thơm không bão hòa,còn được gọi là vinylbenzen nó là một chất lỏng không màu,bay hơi dễ dàng và cómùi ngọt.

Phương pháp thông thường để sản xuất monomer styren đó là ankyl hóa bezenvới etylen sau đó dehydro hóa để tạo styren

Styren cung cấp vật liệu rất tốt và có thể thu gom tái chế được, styren được ứngdụng rộng rãi trong các ngành sản xuất nhựa và cao su tổng hợp ngành công nghiệp.Nó được sử dụng trong sản xuất polystyren, cao su styren-butadien (SBR); nhựaacrylonitrile-butadien styren (ABS); nhựa styren acrylonitrile (SAN), lớp phủ bảo vệ,polystyren mở rộng, styren-isoprenestyren (SIS), styren-ethylen-butadien-styren(SEBS) sử dụng tạo thiết bị phụ trợ dệt may, bột màu chất kết dính nhựa polyeste,chất thơm và các ngành công nghiệp trung gian.

Vào năm 1930 nhu cầu cao su tổng hợp styren-butadien trong chiến tranh thếgiới thứ hai đã cung cấp động lực để sản xuất với quy mô lớn.Sau năm 1946 nhựastyren đã mở rộng sản xuất trùng hợp ổn định cho ra loại nhựa không màu,tinh khiếtvà giá rẽ [2].

Styren là một chất lỏng có thể được xử lý một cách dể dàng và an toàn Khicác công nghệ sản xuất styren phát triển thì styren nhanh chóng trở thành một hóa chấtcó nhiều tiềm lực với số lượng lớn trên thế giới Ước tính năm 1993 khoảng 17×106 t/năm và 18×106t vào năm 1995 nó đã tạo ra một lịch sử công nghiệp rất quan trọng[2].

Do styren có nhiều ứng dụng trong đời sống và là nguyên liệu quan trọng trongcông nghệ tổng hợp polyme cũng như trong công nghệ tổng hợp hữu cơ hoá dầu nênnhu cầu sử dụng styren ở nước ta ngày càng tăng Trước đây do hạn chế về công nghệcũng như nguồn nguyên liệu nên nước ta chưa sản xuất đươc styren Nhưng hiện nay,với việc xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất và sắp tới là nhà máy lọc dầu ở NghiSơn-Thanh Hoá, nên nước ta có khả năng sản xuất được styren để đáp ứng nhu cầutron g nước và xuất khẩu ra nước ngoài.

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ STYREN1 TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

Hầu hết monome styren được sản xuất bằng phương pháp dehydro hóaetylbenzen hoặc là đồng sản phẩm của quá trình sản xuất propylen oxyt, cũng có thểthu từ phân đoạn C5 của xăng nhiệt phân.

1.1.Nguyên liệu etylbenzen

Bảng 1: Một số thông số vật lý đặc trưng của etylbenzen [2].

Nhiệt độ sôi tại 101,3 kPa 0C 136,2

Độ nhớt động học tại 37,80C m2/S 0,6428.10-6

Tỷ trọng tại:150C200C250C

1.1.2 Tính chất hóa học

Phản ứng mang tính thương mại quan trọng nhất của etylbenzen là phản ứng khửđể tạo thành styren, phản ứng này thực hiện ở nhiệt độ cao (600 – 6600C), dùng xúctác K/FeO, hơi nước trong phản ứng này được sử dụng như một dung môi Độ chọnlọc của phản ứng lên tới 90 – 97 % mol, độ chuyển hóa là 60 – 70 % Ngoài ra, cònxảy ra phản ứng phụ dealkyl hóa etylbenzen thành benzen và toluen [2].

Một phản ứng không kém phần quan trọng và đang được ứng dụng rộng rãi hiệnnay là quá trình oxi hóa etylbenzen bằng không khí để sản xuất hydroperoxit[C6H5CH(OOH)CH3] Phản ứng xảy ra trong pha lỏng và không có mặt của xúc tác.Tuy nhiên hydroperoxit là chất không bền nhiệt nên phải hạn chế tiếp xúc với nhiệt độcao để tránh bị phân hủy và các phản ứng phụ.

Năm 1999, khoảng 15% lượng etylbenzen trên toàn thế giới được dùng để sảnxuất đồng thời mono styren và propylen oxit [2].

Cũng giống như toluen, etylbenzen có thể tham gia phản ứng dealkyl hóa có mặtcủa xúc tác hoặc phản ứng trong điều kiện nhiệt độ cao để tạo benzen.

Ngoài ra, etylbenzen còn trải qua một số phản ứng đặc trưng khác của các hợpchất thơm.

1.1.3 Tồn trữ và vận chuyển etylbenzen

Etylbenzen là chất lỏng dễ cháy nên phải được tồn trữ và vận chuyển trong cácthùng chứa bằng thép và được kiểm kiểm soát bởi các quy định phù hợp của các cơquan hữu quan.

Ethylbenzen là một chất lỏng dễ cháy cao, nhiệt độ chớp cháy 15 – 20 ℃ vì vậyphải xử lý nhiệt độ môi trường xung quanh, tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp và cácnguồn nhiệt.

Ethylbenzen có thể tích tụ tĩnh điện do đó phải chú ý đến các biện pháp chống lạitĩnh xã ( tia lửa gây nguy hiểm).

1.1.4 Nguồn nguyên liệu etylbenzen

Gần như toàn bộ nguồn nguyên liệu etylbenzen thương phẩm được sản xuất từquá trình alkyl hóa benzen với etylen Tuy nhiên khoảng 99% etylbenzen sử dụng đểsản xuất styren, khoảng 95% etylbenzen thu được từ quá trình alkyl hóa benzen vóietylen và 5% thu được từ phân đoạn C8 của quá trình reforming xúc tác [1].

1.2 Styren

1.2.1 Tính chất vật lý của styren

Styren có công thức phân tử là: C6H5-CH=CH2

Công thức cấu tạo:

Styren là một chất lỏng không màu có mùi đặc biệt,hơi ngọt Khi styren tiếp xúcvới người gây ra các kích ứng về đường hô hấp như co thắt cổ họng và phổi, gây kíchứng mắt và da, gây các biểu hiện chóng mặt Styren có thể trộn lẩn với các dung môihữu cơ nhất định với tỷ lệ bất kỳ Nó là dung môi tốt cho cao su tổng hợp, polystyrenvà các polymer có liên kết ngang không lớn khác Styren ít hòa tan trong các hợp chấthydroxyl và nước.

Một số tính chất đặc trưng của styren được trình bày trong bảng 2,3,4,5:Bảng 2: Một số thông số vật lý đặc trưng của styren [2, 4].

Khối lượng phân tử (đvC) 104.153

Nhiệt độ sôi (0C) 145,15Nhiệt độ đông đặc (0C) 30.6

Nhiệt độ tới hạn (0C) 362.1

Thể tích tới hạn(ml/g) 3.37Giới hạn nổ trong không khí (%V)

1.16.1Điểm chớp cháy cốc kín (0C) 31.1Độ nhớt đông học ở 0℃(mm2/s) 1.1

Nhiệt đốt cháy ở 25℃(KJ/mol) -4265,64Nhiệt hình thành ở 25℃(KJ/mol) 147,46

Bảng 3: Độ hòa tan của oxy ( từ không khí) [2,4]

Bảng 4: Áp suất hơi của styren tại một số nhiệt độ [2,4]

1.2.2 Tính chất hóa học của styren

Các phản ứng quan trọng của styren là trùng hợp để tạo polystyren, nhưng nócủng đồng trùng hợp với butadien tạo ra cao su tổng hợp bunastyren.

Quá trình oxy hóa của styren trong không khí rất đặc biệt quan trọng, phản ứngdẩn đến các peoxit khối lượng phân tử cao Oxy hóa styren cũng tạo ra các hợp chấtkhác: benzadehit, formandehit, axit fomic [2]:

Benzoic acid

OCH2

Các halohydrin là trung gian quan trọng trong hóa học Chúng phản ứng vớikiềm tạo các oxit styren và tiếp tục thủy phân tao phenylglycol Iothydrin được hìnhthành từ styren trong sự có mặt của iot, thủy ngân(II) và nước.

1-phenylethanol cũng là một sản phẩm trung gian quan trọng trong ngành côngnghiêp nước hoa Được hình thành từ sự hydrat hóa của styren nhờ axetat thủyngân(II) [2]:

CH = CH2 (CH3COO)2Hg

H2O,Tetrahydrofuran CHCH2HgOOCCH3OH

Ête metyl tương ứng thu được bằng cách thêm metanol (tại 135-150℃trong môitrường ax sulfuric) [2]:

CH = CH2 + CH3OH H+

CH(OCH3)CH3

Styren phản ứng với sulfuadioxit, natri, anilin, các amin, natrihydrat phân cắt tạiliên kết đôi C=C Nhiều phản ứng của styren voi lưu huỳnh và ni tơ củng đã đượckiểm nghiệm Styren phản ứng với lưu huỳnh ở nhiệt độ cao tạo hydrogen sulfit,styrensulfit, và diphenylthiophen [2]:

SStyrene sulfide

Styren củng trải qua nhiều phản ứng tạo vòng, như:

Styren tạo thành phức hợp vững chắc với muối đồng và bạc ở nhiệt độ thấp Cáchợp chất này thích hợp cho việc làm sạch styren hoặc để tách styren từ hổn hợp cáchydrocacbon khác.

Các ankyl Li như C2H5Li phản ứng trùng hợp với styren với sự có mặt ête, styrentrùng hợp gần như hoàn toàn bởi natri.

Việc kiểm soát trùng hợp với olefin đã tạo ra rất nhiều quan tâm trong côngnghiệp tạo ra nhiều polymer mới quan trọng như là chất hóa dẻo, chất bôi trơn, thiết bịphụ trợ dệt may.Ta có thể đi từ hydrocacbon thơm như benzen trong sự có mặt nhômclorua thay cho các olefin khác [2]:

CH = CH2 + C6H6 AlCl3 (C6H6)2 CHCH3

1.2.3 Tồn chứa và vận chuyển styren

Styren rất dể cháy, nó chớp cháy ở nhiệt độ 31℃ Styren trùng hợp và toả nhiệtdể dàng do đó trong việc vận chuyển và tồn trữ nếu không kiểm soát được phản ứngtrùng hợp có thể dẩn đến áp lực trong thùng chứa gây khả năng cháy nổ vì vậy cầnthiết phải có biện pháp phòng ngừa cháy nổ

Để tăng hạn sử dụng monomer styren được cho thêm chất ức chế và oxy Đểngăn chặn sự xuất hiện trùng hợp nguy hiểm styren luôn luôn được giữ lạnh và chấtức chế phù hợp, mức độ oxy củng được duy trì.

Lưu trữ và vận chuyển styren có thể làm bằng vật liệu là thép hoặc nhôm theotiêu chuẩn và trong các thùng chứa thường được lót kẽm vô cơ, dùng các hệ thốngcách nhiệt và làm mát bồn chứa.

Các vật liệu và linh kiện tránh tiếp xúc với sản phẩm styren vì có thể dẩn đếnviệc làm đổi màu styren.

Monome styren với khối lượng lớn có điện trở suất cao có thể tích điện trong lúcdi chuyển cho nên cần có biện pháp hiệu quả loại bỏ phóng điện không kiểm soátđược.

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT STYREN2.1.Phương pháp dehydro hóa trực tiếp etylbenzen

a Điều kiện phản ứng

Phản ứng dehydro hóa etylbenzen là phản ứng thu nhiệt mạnh, tăng thể tích theophương trình sau:

C6H5 CH2CH3 C6H5 CH CH= 2+ H2

Quá trình thích hợp ở nhiệt độ cao, áp suất thấp, gần giống điều kiện phản ứng

dehydro hóa buten trong sản phẩm steam cracking thành butadien.

Nếu không sử dụng xúc tác, quá trình tiến hành ở nhiệt độ 700-800℃, độchuyển hóa sau một vòng phản ứng là 20-30%, hiệu suất thấp hơn 50-60% Quá trình

thường kèm theo phản ứng phụ dealkyl hóa thành benzen và toluen, phản ứngcracking với sự tạo thành cốc và khí, và phản ứng ankyl hóa styren thành metylstyrenvà chuyển hóa các sản phẩm phụ [1].

Cũng tương tự như phản ứng steam cracking, quá trình dehydro hóa thích hợpkhi tiến hành với sự có mặt của hơi nước và làm lạnh nhanh khí sản phẩm, quá trìnhcó thể tăng tốc bằng cách sử dụng xúc tác Hơi nước có vai trò cung cấp nhiệt chophản ứng (đặc biệt khi quá trình tiến hành ở chế độ đoạn nhiệt), giảm nhiệt lượngcung cấp cho một đơn vị thể thể tích, giảm áp suất riêng phần của hydrocacbon, dovậy làm phản ứng chuyển dịch về phía tạo thành styren, làm giảm lượng cốc tạo thànhvà duy trì hoạt tính của xúc tác.

Xúc tác có vai trò làm tăng độ chuyển hóa và chọn lọc của phản ứng, giảmnhiệt độ phản ứng.Tuy vậy nhiệt độ phản ứng vẩn cao, khoảng 550-650℃, áp suất0.1-0.3 MPa (trong các sơ đồ cũ và thấp hơn 0.1 MPa ) trong các sơ đồ mới Các xúctác hiện đại có 5 cấu tử: cấu tử hoạt động (Fe2O3), chất ổn định (Cr2O3,Al2O3,MgO),chất ức chế tạo cốc (K2O), chất khơi mào (CuO,V2O5,AgO) và chất kết dính (aluminatcanxi) [1].

Tùy thuộc vào loại xúc tác sử dụng, quá trình có thể tiến hành trong điều kiệnđẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt.

b Công nghệ

 Dehydro hóa đoạn nhiệt

Quá trình này được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, được phát triển theocác giai đoạn sau [1,5]:

-Một thiết bị phản ứng làm việc ở áp suất 0,15 ÷ 0,2 Mpa, độ chuyển hóa 40%.-Hai thiết bị phản ứng đặt nối tiếp để tối ưu tỉ lệ giữa độ chọ lọc và độ chuyển hóa,áp suất như một thiết bị phản ứng, độ chuyển hóa đạt 45-55 %.

-Hệ thống làm việc ở áp suất thấp, độ chuyển hóa đạt trên 60%.

Trong lớp xúc tác, nhiệt độ phản ứng giảm 1oC khi độ chuyển hóa tăng 1% Dovậy để thu được độ chuyển hóa cao, phải thêm một lượng đáng kể hơi nước ở nhiệt độcao Tuy nhiên, khi nhiệt độ trên 610oC, ethylbenzen và styren tạo thành bị cracking.Để khắc phục hiện tượng này, cần tiến hành phản ứng trong các thiết bị phản ứng đặt

nối tiếp với thiết bị gia nhiệt trung gian hoặc tiến hành phản ứng trong điều kiện ápsuất thấp để dịch chuyển phản ứng theo hướng mong muốn Trong trường hợp thứ hai,áp suất giảm theo chiều dày của lớp xúc tác, vì vậy thiết bị phản ứng phải được thiếtkế đặc biệt (thường sử dụng loại thiết bị xuyên tâm thay cho dọc trục) Thiết bị phảnứng loại xuyên tâm phù hợp để chế tạo thiết bị phản ứng công suất lớn ( đường kínhthiết bị loại dọc trục không vượt quá 6,3 ÷ 6,5m [1].

Sơ đồ công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt styren được trình bày ở hình1.

Etylbenzen mới và etylbenzen tuần hoàn được bóc hơi, trộn với 10% hơinước,gia nhiệt đến 530-550℃ và đưa vào thiết bị phản ứng 90% lượng hơi nước cònlại được gia nhiệt lên 800℃ và đưa vào thiết bị phản ứng để nâng nhiệt độ lên 650℃,phản ứng dehydro hóa bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ này Khí sản phẩm ra khỏi thiết bịphản ứng có nhiệt độ 590-600℃ được làm lạnh nhanh chóng trong thiết bị tôi bằngnước, nhiệt của khí sản phẩm được dùng để sản xuất hơi nước áp suất trung bình, sauđó khí sản phẩm được tiếp tục làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí[1,5].

Sản phẩm sau khi được làm lạnh và ngưng tụ, được đưa vào thiết bị lắng tạothành 3 pha:

-Pha khí giàu hydro, CO, CO2, hydrocacbon nhẹ (metan,etylen,…): sau khiđược nén, hóa lỏng phân đoạn nặng, được sử dụng làm nhiên liệu.

-Pha nước giàu hydrocacbon thơm được đưa vào tháp tách, benzen và toluenđược hồi lưu.

-Pha hữu cơ chủ yếu chứa styren và etylbenzen được đưa sang bộ phận tách.

Th á p t á c h

Tá c h S t y r e n t h ô (

7 0 đ ĩ a )

Tá c h p h â n đ o ạ n n h ẹ (

2 0 đ i ã )

Ti n h c h ế S t y r e n (

2 0 đ ĩ a )

Th u h ồ i Et y l b e n z e n c h ư a p h ả n ứ n g

( 5 0 đ ĩ a )

 Dehydro hóa đẳng nhiệt

Quá trình này có đặc điểm đó là thiết bị phản ứng ống chùm có chiều cao ốnghống=2.5-4m,∅ống=10-20 cm và xúc tác chứa đầy trong ống [1].

Các điều kiện công nghệ như sau [1]:

- Nhiệt độ nguyên liệu đầu: 580℃

- Nhiệt độ chất tải nhiệt: ở đầu vào 750℃

ở đầu ra 630℃

- Tỷ lệ hơi nước 1.1-1.2- Độ chuyển hóa (1 lần phản ứng) 60%

- Độ chọn lọc 92-94% mol

Công nghệ hydro hóa đẳng nhiệt của BASF được trình bày trong hình 2.

Chất tải nhiệt được sử dụng là khói lò Etylbenzen và hơi nước được cho bayhơi và làm nóng quá nhiệt nhờ quá trình trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm ra khỏi thiếtbị phản ứng và khí khói Khói lò sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng sẻ hạ nhiệt xuốngcòn 375℃, một phần được thải ra, và phần còn lại được gia nhiệt trong lò để tiếp tụclàm chất tải nhiệt [1].

Styren thô

EtylbenzenNhiên

Quạt gió

Khí đi xử lý

Hơi nướcThải

Lò gia

Hình 2: Công nghệ BASF sản xuất styren bằng quá trình dehydro hóa đẳng nhiệt[1]

c Xử lý sản phẩm dehydro hóa

Styren thô bao gồm etylbenzen chưa chuyển hóa, nước, styren, và các sản phẩmphụ (benzen,toluen,…) Đầu tiên sản phẩm thô này sẻ được đem tách thành pha nướcvà pha hữu cơ Pha hữu cơ được đem chưng cất phân đoạn để tách styren và thu hồietylbenzen chưa chuyển hóa Sản phẩm dehydro hóa có chưa 50% styren được đưavào bốn tháp chưng cất lần lượt thực hiện các nhiệm vụ sau [1]:

 Thu styren thô ở đáy tháp thứ nhất (70 đĩa):

Do chênh lệch nhiệt độ sôi bé: etylbenzen (136℃¿, styren (145℃) nên có khuynhhướng dể dàng trùng hợp (ngay cả trong điều kiện chân không), nên quá trình táchstyren thô ra khỏi etylbenzen phải được thực hiện trong các điều kiện sau:

- Số đĩa lớn (60-70 đĩa) và chỉ số hồi lưu cao (>6).

- Thực hiện trong điều kiện chân không (7-30 kPa) để giảm nhiệt độ đáy thápxuống

dưới 108℃ và tăng độ bay hơi tương đối.

- Có mặt chất ức chế trùng hợp (lưu huỳnh hoặc dinitrophenol).- Độ giảm áp trong thiết bị ngưng tụ và trong các đĩa tháp.

 Tinh chế styren dể thu styren thương phẩm: Tháp tinh chế styren khỏi vết của etylbenzen và hydrocacbon nặng đòi hỏi điều kiện mềm hơn: 20 đĩa, nhiệt độ đỉnhtháp 50℃, đáy tháp 105℃, tương ứng với áp suất 10 và 20 kPa, có sử dụng chất ứcchế Styren thu được có độ sạch 99.7-99.7 %.

 Thu hồi etylbenzen chưa phản ứng, tuần hoàn lại thiết bị dehydro hóa (60 đĩa):quá

trình thực hiện trong tháp chưng ở áp suất khí quyển với nhiệt độ đáy tháp 140℃. Xử lý phân đoạn nhẹ: tách benzen và toluen trong tháp chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ đáy tháp 115℃¿đĩa), benzen được tuần hoàn lại thiết bị ankyl hóa.

Lưu huỳnh và nitrophenol được sử dụng làm chất ức chế trùng hợp trong quátrình chưng cất styren, còn tert-butyl-4-catechol hoặc hydroquinon được sử dụng làmchất ức chế trong quá trình bảo quản styren.

2.2.Đồng sản xuất propylen oxyt và styren

a Bản chất quá trình

Quá trình bao gồm bốn giai đoạn:

 Oxy hóa pha lỏng etylbenzen thành hydroperoxyt với sản phẩm phụ làaxetophenol và phenyl-1 etanol:

C6H5CH2-CH3 + O2→ C6H5-CHOOH-CH3

Phản ứng tỏa nhiệt, không sử dụng xúc tác Tuy nhiên cần sử dụng các hợpchất có tính kiềm (như CaCO3 hoặc MgCO3) để trung hòa axit tạo thành và ngăn cảnsự phân hủy hydropeoxit Nhiệt độ phản ứng được điều khiển trong khoảng 125-155

℃, áp suất 1,5MPa để duy trì môi trường phản ứng trong pha lỏng [1].

 Epoxy hóa propylene trong pha lỏng với sự có mặt của xúc tác đồng thể hoặc dị thể.

C6H5-CHOOH -CH3 + CH3-CH=CH2

C6H5 CHOH CH3 CH CH3O

Công nghệ epoxy hóa đồng thể Oxyran sử dụng xúc tác molypden naphtenat.Sự có mặt của xúc tác molypden naphtenat hạn chế các phản ứng phụ, do vậy có thểgiảm tỷ lệ propylen sử dụng Công nghệ Shell sử dụng xúc tác dị thể là các oxyt kimloại (Mo V Ti) mang trên SiO2.

Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, xảy ra ở nhiệt độ 100-130℃, áp suất 3.5MPa Độchuyển hóa hydropeoxyt rất cao (> 97%) [1].

 Hydro hóa hydropeoxyt còn lại và sản phẩm phụ axetophenon thành phenyl-1etanol:

C6H5-CO-CH3 + H2→ C6H5-CHOH-CH3

Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 120-150℃, áp suất 1MPa, với xúc tác oxyt Cu, Cr, Nimang trên SiO2 [1].

 Dehydro hóa phenyl-1 etanol thành styren

-Epoxy hóa: Quá trình được tiến hành trong các thiết bị phản ứng đặt nối tiếp,có các thiết bị trao đổi nhiệt trung gian để tách nhiệt phản ứng Thời gian lưu khoảng11/4 giờ Propylen dư được thu hồi trong hai thiết bị tách propan và được hồi lưu lạithiết bị epoxy hóa Các sản phẩm oxygenate và etylbenzen chưa phản ứng được thuhồi trong tháp tách thứ hai được chưng cất chân không để tách propylen oxyt và cáccấu tử nhẹ ở đỉnh tháp Các cấu tử nhẹ như axetaldehit được tách bằng chưng cất đơngiản, metyl format được tách bằng chưng cất trích ly với etylbenzen Etylbenzen đượclàm sạch và tuần hoàn Propylen oxyt được tiếp tục làm sạch để thu được PO thươngphẩm.

Ax e t a l d eh i t

Tá c h p r o p i o n al d eh i tPr o pi o n a l d e h i tCh ưn g c ấ t t r í c h l y

Tác h s ản p h ẩm n h ẹTi n h c h ế s t y r e n

Tác h s ản p h ẩm o x y g e n a t eTá c h p r o p a n

/p r op y l e n

Tá c h a x e t a l d eh i tTi n h c h ế p r o p i l e n o x i tTá c h e t l b e nz enTá c h s t y r e n

Th á p o x i h óaTh á p b a y h ơi

Tác h p r op y l e n

Ti n h c h ế s t y r enTác h p r op a n

/p r o p y l e n

Tác h p r op i o n a l d e h i t

Ch ưn g c ất c hâ n k h ô ngTác h s ản p h ẩm n ặ n g

-Hydro hóa: Sản phẩm đáy của tháp chưng cất chân không được đưa vào thiếtbị hydro hóa để tách hydroperoxyt chưa phản ứng và chuyển hóa axetophenol

Etylbenzenchưa phản ứng phenyl-1 etannol được tách ra khỏi sản phẩm hydro hóatrong hai tháp chưng tiếp theo

-Dehydrat hóa: Rượu thu được được dehydrat hóa trong các thiết bị dehydrathóađặt song song Nước tạo thành được ngưng tụ, lắng và tách trong thiết bị lắng.Phelnyl-1 etanol chưa phản ứng và axetophenon được tách trong tháp chưng cất vàtuần hoàn lại thiết bị hydro hóa Styren được tinh chế để thu được styren thươngphẩm.

2.3 Quy trình sản xuất styren Lumus UOP của Mỹ

Đây là quy trình sản xuất monome styren (SM) dùng cho sản xuất polyme, gồmcó quy trình Lumus UOP "cổ điển" cho các nhà máy mới và quy trình Lumus UOP"thông minh" cho các nhà máy cải tạo sửa chữa Hiện nay, trên thế giới có 36 nhà máyđang vận hành với công nghệ Lumus UOP "cổ điển" và 3 nhà máy áp dụng công nghệLumus UOP "thông minh" [5,6] Sơ đồ công nghệ Lumus UOP được trình bày tronghình 4.

Ở quy trình cổ điển, etyl benzen (EB) được tách hyđro với sự tham gia của xúctác và hơi nước để tạo thành styren Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao và trongchân không EB (mới nạp liệu và hồi lưu) và hơi nước sơ cấp được kết hợp với hơiquá nhiệt, tiếp đó hỗn hợp này được tách hyđro trong hệ phản ứng nhiều bước Mộtthiết bị gia nhiệt trung gian sẽ tái gia nhiệt công nghệ giữa các bước phản ứng Cácdòng phản ứng được làm lạnh để thu hồi nhiệt thải, đồng thời ngưng tụ hyđrocacbonvà hơi nước Khí thải không ngưng tụ được nén và được sử dụng làm nhiên liệu.Hyđrocacbon ngưng tụ được đưa đến bộ phận cất Phần ngưng của quá trình được cấtđể loại bỏ các hyđrocacbon thơm.

Ở phần cất phân đoạn, các thành phần sau được tách riêng: styren với độ tinhkhiết cao, EB chưa chuyển hóa sẽ được hồi lưu, và sản phẩm phụ với tỷ lệ tương đốinhỏ là hắc ín Một phần dòng hồi lưu được chuyển hóa thành toluen và benzen Phầnbenzen này được đưa trở lại thiết bị alkylat hóa.

Thông thường, độ tinh khiết của sản phẩm monome styren (SM) đạt 99,8 99,95% Quy trình này có hiệu suất thu hồi sản phẩm cao nhờ sự kết hợp độc đáo chấtxúc tác và các điều kiện vận hành trong thiết bị phản ứng [5,6].

-Quy trình Lumus UOP "thông minh" tương tự như trên, chỉ có sự khác biệt làoxy được đưa vào giữa các bước tách hyđro để oxy hóa một phần hyđro sinh ra trên

xúc tác, tái gia nhiệt khí công nghệ và điều chỉnh cân bằng của phản ứng tách hyđro.Quy trình này đạt hiệu suất chuyển hóa 80% EB sau mỗi vòng phản ứng.

 Chỉ tiêu tiêu hao nguyên vật liệu ở quy trình "cổ điển" [5,6]:- Etyl benzen: 1.054 kg/tấn SM

- Chi phí điện hơi: 31 USD/tấn SM

- Chi phí đầu tư (tại Mỹ, công suất 200.000 tấn sản phẩm): 225 USD/ tấn SM

Hình 4: Sơ đồ công nghệ Lumus UOP của Mỹ [5]1 Lò gia nhiệt 5 TB tách styren2 TB dehydro hóa đoạn nhiệt 6 TB tinh chế styren3 TB tách khí 7 TB thu hồi etylbenzen4 TB tách condensat 8 TB tách phân đoạn nhẹ

2.4 Quy trình sản xuất styren của GTC

Đây là công nghệ của công ty GTC Technology Toyo Engineering Corp, đượcáp dụng để thu hồi styren trực tiếp từ nguyên liệu xăng nhiệt phân thô - sản phẩm dẫnxuất của quy trình cracking hơi nước đối với naptha, dầu gazoin và khí thiên nhiênhóa lỏng.

Sơ đồ công nghệ sản xuất styren của GTC được trình bày trong hình 5.

Nguyên liệu xăng nhiệt phân được cất phân đoạn sơ bộ, lấy phần giữa là dòngC8, phần cất chứa styren thu được sẻ được nạp vào tháp chưng cất và phối trộn vớimột dung môi chọn lọc, dung môi này chiết styren xuống đáy tháp, hỗn hợp dung môigiàu styren được đưa vào tháp thu hồi dung môi, từ đây dung môi sạch được hồi lưulại tháp chưng cất và phần styren cất ở đỉnh tháp được thu hồi Bước tinh chế cuốicùng tạo ra sản phẩm styren nồng độ 99,9% với hàm lượng phenyl axetylen nhỏ hơn50 ppm [6].

Phần đỉnh từ tháp chưng cất có thể được xử lý tiếp để thu hồi dòng xylen hỗnhợp chất lượng cao Một nhà máy cracking thông thường trên thế giới có thể sản xuấtkhoảng 25.000 tấn styren/ năm và 75.000 tấn xylen hỗn hợp/ năm từ nguyên liệu xăngnhiệt phân [6].

Quy trình GTC có ưu điểm:

Sản phẩm styren của quy trình có độ tinh khiết cao, thích hợp cho các phản ứngpolyme hóa và có giá rất cạnh tranh so với styren được sản xuất theo các quy trìnhthông thường Nếu muốn, người ta cũng có thể chiết xylen hỗn hợp từ xăng nhiệtphân, nhờ đó tăng chất lượng xylen làm nguyên liệu hóa chất Quy trình này có hiệuquả kinh tế cao đối với các xăng nhiệt phân thông thường và các nguyên liệu bổ sung.

Ở các quy trình xử lý xăng nhiệt phân thông thường, styren thường bị phân hủyở bộ phận hyđro hóa giai đoạn đầu Sau đó, xăng nhiệt phân đã hyđro hóa được cấtphân đoạn để chiết benzen và toluen Quy trình của GTC cho phép tiến hành cất phânđoạn "đầu dòng" ở các thiết bị xử lý với hyđro, nhờ đó giảm tiêu hao hyđro và ngănhiện tượng hỏng xúc tác do các polyme của styren Trong nhiều trường hợp, phần lớncác thiết bị cất phân đoạn hiện có đều có thể được tái sử dụng trong bộ phận thu hồistyren.

5Phân đoạn C5 -C9+

2.5 Quy trình sản xuất styren của công nghệ Badger (Mỹ)

Đây là quy trình sản xuất monomer styren (SM) bằng phương pháp tách hydrocủa etylbenzen (EB) Nguyên liệu EB được sản xuất bằng phương pháp alkyl hóabenzen với etylen Sơ đồ công nghệ Badger sản xuất styren được trình bày ở hình 5:

Mô tả quy trình:

EB được tách hydro trên xúc tác sắt oxit hoạt hóa bằng kali, với sự có mặt củahơi nước để tạo thành styren Phản ứng thu nhiệt này được thực hiện trong điều kiệnchân không và nhiệt độ cao: ở tỷ lệ trọng lượng 1:1 giữa hơi nước và nguyên liệu EBvà với mức chuyển hóa EB vừa phải, độ chọn lọc của phản ứng đối với styren đạt trên97% Các sản phẩm phụ như benzen và toluen được thu hồi bằng chưng cất, phần cấtbenzen được hồi lưu lai bộ phân EB [6].

EB mới bay hơi và tuần hoàn được trộn với hơi quá nhiệt (1) và nạp vào hệphản ứng đoạn nhiệt nhiều bước (2) Giữa các bước tách hydro, người ta tăng nhiệtnăng để tăng hiệu quả chuyển hóa EB đến mức độ thông thường là 60-75% Nhiệtnăng có thể được tăng gián tiếp bằng các phương pháp thông thường, hoặc tăng trựctiếp theo công nghệ gia nhiệt trực tiếp của Shell Oil [6].

Các dòng của thiết bị phản ứng được làm lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt(3) để thu hồi nhiệt thải và ngưng tụ hydrocacbon, hơi nước (4) Khí thải không ngưngtụ được chủ yếu là hydro được nén (5), sau đó đưa và hệ thông hấp thụ để thu hồi cácvết hydrocacbon thơm (6) Sau khi thu hồi hydrocacbon, khí thải giàu hydro được sửdụng làm nhiên liệu cho công đoạn chưng cất hydrocacbon ngưng tụ và styren thôđược đưa sang bộ phận chưng cất, còn phần ngưng tụ được giải hấp để loại bỏ cáchydrocacbon thơm và khí hòa tan (7) Phần ngưng sạch của quá trình được hồi lưu làmnước nạp nồi hơi.

Ở công đoạn chưng cất, trước tiên các sản phẩm phụ benzen và toluen được táchkhỏi dòng styren thô chính (8) EB chưa chuyển hóa được tách khỏi styren (9) và hồilưu về phần phản ứng Các hệ thống thu hồi nhiệt được áp dụng để thu hồi năng lượngtừ các cột EB/SM Ở bước tinh chế cuối (10), các phần chứa các lượng nhỏ C9 và cácphần nặng hơn được tách khỏi sản phẩm SM cuối cùng Để giảm tối da phản ứngpolymer hóa trong thiết bị chưng cất, người ta nạp một chất ức chế dạngdinitrophenolic vào thiết bị cùng với styren thô Độ tinh khiết của sản phẩm SMthường đạt 99,90-99,95% [6].

Định mức tiêu hao nguyên liệu và năng lượng [6]: Etylbenzen: 1052 tấn/tấn SM

 Năng lượng: 1,25 kcal/tấn SM Nước làm lạnh: 150 m3/tấn SM

nhiên liệu

Hơi nước

Hình 5: Sơ đồ công nghệ Badger (Mỹ) sản xuất styren [6]

1 Lò gia nhiệt 2 Thiết bị phản ứng nhiều bước 3 Thiết bị làm lạnh 4 Thiết bị ngưng tụ

5 Thiết bị nén 6.Thiết bị hấp thụ

7 Thiết bị giải hấp 8,9,10 Thiết bị chưng cất

2.6 Các phương pháp khác để sản xuất styren

 Dime hóa đồng thể butadien thành vinylxyclohexan ở 60℃, với xúc tác cơ kimtheo phản ứng Diels-Alder [1,2]:

Toluen thường rẻ hơn benzen 15% và không độc hại Tuy nhiên quá trình nayvẫn chưa phát triển trong thương mại.

Dime hóa toluen thành stilben ở 600℃ với hệ xúc tác oxy hóa khử Pb/PbO.2C6H5CH3 + O2 →C6H5CH=CHC6H5 + H2O

Một hỗn hợp thơm ( xăng bị nhiệt phân,…) bao gồm styren được tạo thành từ quá trình naphta hay dầu khí Việc thu hồi styren được thực hiện dựa vào quá trình:

- Chưng cất tách với dimethylformamide hay demethylacetamide.- Bằng phương pháp hấp phụ.

- Phương pháp tạo phức hay phương pháp tách màng.

- Tuy nhiên cho dến nay phương pháp này vẫn chưa có quy mô nào được khai thác thương mại

3 SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT STYREN

3.1 So sánh công nghệ sản xuất styren

Công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt dễ xảy ra và dễ thực hiện hơn công nghệdehydro hoa đẳng nhiệt vì có dùng nhiều thiết bị nối tiếp nhau cho nên độ chuyển hóacao hơn đạt 60% đồng thời để tránh hiện tượng styren tạo thành bị cracking, mặt khácdo nó thực hiện ở áp suất thấp nên có thể dịch chuyển phản ứng theo hướng mongmuốn , tuy nhiên có nhược điểm là khi mà áp suất giảm theo chiều dày của lớp xúc tácđòi hỏi thiết bị phản ứng phải làm bằng chất liệu đặc biệt( thiết bị xuyên tâm) cho nênchi phí sẽ cao hơn Còn công nghệ dehydro hoa đẳng nhiệt mặc dù không được sửdụng nhiều vì quá trình này khó thực hiện do sử dụng thiết bị phản ứng loại ống chùmvới dòng trao đổi nhiệt tuần hoàn bên ngoài ống nhưng nó có ưu điểm so với côngnghệ đoạn nhiệt là nhiệt độ nguyên liệu đầu thấp hơn, tỉ số hơi nước/ nguyên liệu nhỏhơn quá trình đọan nhiệt.

Dựa vào ưu nhược điểm của quá trình trên ta sẽ lựa chọn quá trình dehydro hóađoạn nhiệt dể sản xuất styren.

3.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Sơ đồ công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt sản xuất styren được trình bày trong hình 6.

 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Nguyên liệu etylbenzen và etylbenzen tuần hoàn được bơm vào thiết bị bốc hơi(1) Ở thiết bị bốc hơi, etylbenzen phân thành 2 pha: pha hơi và pha lỏng Pha lỏng sẽđược bơm tuần hoàn lại thiết bị bốc hơi Pha hơi được trộn với 10% hơi nước đi vàothiết bị gia nhiệt (2), gia nhiệt đến 530 ÷ 550 ºC và đưa vào thiết bị phản ứng (3) 90%lượng hơi nước còn lại được gia nhiệt đến 800 ºC và được đưa vào thiết bị phản ứng(3) để nâng nhiệt độ lên 650 ºC, phản ứng dehydro hoá xảy ra ở nhiệt độ này.

Để cung cấp hơi nước cho phản ứng này, cho nước ngưng vào lò phản ứng đểhoá hơi Hơi nước được tạo thành sẽ được chứa trong trống đựng hơi nước (4) Tạiđây, hơi nươc phân thành 2 pha: pha lỏng và pha hơi Pha lỏng được trao đổi nhiệtdòng sản phẩm để hoá hơi và đưa trở lại vào trống đựng hơi Pha lỏng được sử dụng 1

phần nhỏ để trộn với etylbenzen, phần lớn được đưa vào thiết bị phản ứng dehydrohoá, phần còn lại không sử dụng hết được thải ra ngoài.

Dòng sản phẩm khí ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 590 ÷ 600 ºC đượclàm lạnh nhanh chóng trong thiết bị tôi bằng nước, nhiệt của khí sản phẩm được dùngđể sản xuất hơi nước áp suất trung bình, sau đó khí sản phẩm được tiếp tục làm lạnhtrong thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí.

Sản phẩm sau khi được làm lạnh và ngưng tụ, được đưa vào thiết bị lắng tạo 3pha:

Pha khí giàu hydro, CO, CO2, hydrocacbon nhẹ ( metan , etylen ): sau khiđược nén , hoá lỏng phân đoạn nặng , được sử dụng làm nhiên liệu

Pha nước giàu hydrocacbon thơm được đưa vào tháp tách, benzen và toluenđược hồi lưu (6).

Pha hữu cơ chủ yếu chứa styren và etylbenzen được đưa sang bộ phận tách Bộphận tách gồm có 4 tháp chưng cất lần lượt thực hiện các nhiệm vụ sau:

+ Thu styren thô ở đáy tháp (7) ( 70 đĩa )

Do etylbenzen và styren có nhiệt độ sôi rất gần nhau và styren có khuynh ướngdễ dàng trùng hợp ( ngay cả trong điều kiện chân không ), nên quá trình tách styrenthô khỏi etylbenzen phải được thực hiện trong các điều kiện sau:

- Số đĩa lớn ( 60 ÷ 70 đĩa ) và chỉ số hồi lưu cao ( >6 ).

- Thực hiện trong điều kiện chân không ( 7 ÷ 30 kPa ) để giảm nhiệt độ đáytháp xuống dưới 108 ºC và tăng độ bay hơi tương đối.

- Có mặt chất ức chế trùng hợp ( lưu huỳnh hoặc dinitrophenol ) - Độ giảm áp trong các thiết bị ngưng tụ và trong các đĩa thấp.

+ Tinh chế styren để thu styren thương phẩm (8): tháp tinh chế styren khỏi cácvết của etylbenzen và hydrocacbon nặng đòi hỏi điều kiện mềm hơn: 20 đĩa, nhiệt độđỉnh tháp 50 ºC, đáy tháp 105 ºC, tương ứng với áp suất 10 và 20 kPa, có sử dụngchất ức chế, styren thu được có độ sạch 99,7 ÷ 99,8%.

+ Thu hồi etylbenzen chưa phản ứng (9), tuần hoàn lại thiết bị dehydro hoá ( 60đĩa ) quá trình thực hiện trong tháp chưng ở áp suất khí quyển với nhiệt độ đáy tháp140 ºC.

+ Xử lý phân đoạn nhẹ (10): tách benzen và toluen trong tháp chưng ở áp suất khíquyển, nhiệt độ đáy tháp 115 C ( 20 đĩa ), benzen được tuần hoàn lại thiết bị alkyl hoá Lưu huỳnh và nitrophenol được sử dụng làm chất ức chế trùng hợp trong quátrình chưng cất styren, còn tert-butyl-4-catechol hoặc hydrioquinon được sử dụng làmchất ức chế trùng hợp trong quá trình bảo quản styren.

Hình 6: Sản xuất styren bằng công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt [1]1 TB bay hơi EB 6 Tháp tách Styren trong nước ngưng2 Lò ống 7 Tháp tách EB (+Benzen+Toluen )3 TBPƯ đoạn nhiệt 8.Tháp tinh chế styren

4 Nồi hơi tận dụng nhiệt 9 Tháp tách EB (+Benzen+Toluen )5 TB phân ly 10 Tháp tách Benzen-Toluen

PHẦN II MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ BẰNG PHẦN MỀM HYSYS1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hóa học và công nghệ kĩ thuật đòi hỏi mỗikĩ sư công nghệ cần hiểu biết và sử dụng thành thạo ít nhất một trong các số phầnmềm mô phỏng như: PRO/II, Dynsim, HYSIM, HYSYS, HTFS, BDK, PROSIM…trong đó phổ biến nhất là PRO II, HYSYS, Dynsim Việc mô phỏng không chỉ có khảnăng thiết kế, tính toán quá trình theo các thông số thiết kế Do đó trong xây dựng vàthiết kế một quá trình công nghệ việc mô phỏng là rất cần thiết.

Hysys là công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh đáp ứng các yêu cầu công nghệtừ khai thác tới chế biến trong các nhà máy sử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, chođến các quá trình công nghệ lọc hóa dầu và công nghệ hóa học.

Hysys được chú trọng thiết kế đạc biệt cho một số điểm trọng yếu nhằm hỗ trợcác kỹ sư thực hiện hiệu quả Khả năng ứng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năngvượt trội của Hysys đã và đang tiếp tục phát triển.

2.CƠ SỞ MÔ PHỎNG HỆ NHIỆT ĐỘNG2.1 Cơ sở hóa học

Styren được tạo thành từ quá trình dehydro hóa etybenzen Phản ứng chính quátrình tạo thành styren và H2:

Etylbenzen ↔ styren + H2 ∆Hr (620∆℃ ) = 124.83 kJ?/molPhản ứng dehydro hóa thu nhiệt mạnh nên đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao (trên600℃ ) và với sự có mặt của hơi nước Đồng thời, phản ứng là tăng thể tích do áp suấthơi riêng phần của etylbenzen thấp sẻ thuận lợi cho phản ứng diển ra theo chiều thuận.Vậy nên độ chuyển hóa của quá trình có thể đạt được ở mưc cao khi mà thiết bị phảnứng được vận hành ở nhiệt độ cao và áp suất thấp.

Quá trình còn có các phản ứng hydrodealkyl tạo sản phẩm phụ như benzen vàtoluen:

Etylbenzen → benzen + C2H4 ∆Hr (620℃ ) = 101.50 kJ/mol Etylbenzen + H2 →toluen + CH4 ∆Hr (620℃ ) = -65.06 kJ/mol

Ngoài ra, các phản ứng phụ khác như phản ứng cracking với sự tạo thành cốcvà khí, phản ứng alkyl hóa styren thành metylstyren và chuyển hóa các sản phẩm phụ.

C6H5CH2CH3 + H2 → C6H6 + C2H6

C + 2H2O → 2H2 + CO2

CH4 + 2H2O → CO + 3H2

C2H4 + 2H2O → 2CO + 4H2

 Vai trò của hơi nước trong phản ứng dehydro hóa etylbenzen:

Cũng tương tự như phản ứng Steam cracking, quá trình dehydro hóa thích hợp khi tiến hành với sự có mặt của hơi nước và làm lạnh nhanh khí sản phẩm, quá trình cóthể tăng tốc bằng cách sử dụng xúc tác Hơi nước có vai trò:

- Cung cấp nhiệt cho phản ứng ( đặc biệt khi quá trình thực hiện ở chế độ đoạn nhiệt )

- Giảm lượng nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích

- Giảm áp suất riêng phần của hydrocacbon, làm phản ứng dịch chuyển về phíatạo thành styren, làm giảm lượng cốc tạ thành và duy trì hoạt tính của xúc tác.

Xúc tác có vai trò làm tăng độ chuyển hóa.

2.2.Lựa chọn hệ nhiệt động

Việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tínhtoán cho kết quả tốt Các hệ nhiệt đông có trong Hysys cho phép dự đoán được tínhchất của các hỗn hợp từ cac hydrocacbon nhẹ tới hỗn hợp của các khí phức tạp, và cáchệ chất không điện ly Trong các ứng dụng với dầu, khí và hóa dầu phương trình trạngthái Peng-Robinson nói chung được ứng dụng phổ biến cho các hệ nhiệt động.

Trong quá trình dehydro hóa etylbenzen sản xuất styren ta chọn hệ nhiệt độngPeng-Robinson All Types cho quá trình mô phỏng.

2.3 Các thông số Kinetic của phản ứng dehydro hóa etylbenzen

Nghiên cứu động học của quá trình dehydro hóa etylbenzen có thể sử dụng 3phản ứng chính, bao gồm phản ứng chính tạo thành styren và hai phản ứng phụ tạothành benzen và toluen:

Phương trình tốc độ phản ứng theo Hermann:

Tuy nhiên trong phần mềm mô phỏng Hysys không có đơn vị gcat (tính theo khốilượng xúc tác ), do đó ta cần các bước đổi từ đơn vị này theo đơn vị m3

gas (tính theothể tích khí ) Công thức chuyển đổi được chỉ ra như sau:

Trong đó các đặc điểm của xúc tác như độ rỗng tầng xúc tác, khối lượng riêngxúc tác, và đường kính mao quản xúc tác:

Như vậy ta có phương trình tốc độ phản ứng dã được chuyển đổi:

 Thiết lập các phản ứng trong Hysys:

- Phản ứng 1: kiểu phản ứng Simple Rate.

Forward reaction: A=7.217×107, E=9.132×104

Trong phản ứng Simple Rate thì hằng số cân bằng được chỉ ra: Ln(K) = A + B/T + Cln(T) + DT

Reverse Reaction: A’ = -5.476, B’ = -1.341×104

2.4 Sơ đồ mô phỏng Hysys Quá trình mô phỏng dựa trên sơ đồ hình 6

 Thuyết minh

Nguyên liệu cho hệ thống được lấy từ nhà máy sản xuất etylbenzen.

Dòng nguyên liệu etylbenzen ban đầu và etylbenzen hồi lưu được trộn với dòngsteam, sau đó được gia nhiệt tăng nhiệt độ lên 632℃ trước khi vào thiết bị phản ứng.Thiết bị phản ứng gồm 2 tầng thiết bị phản ứng có xúc tác Giữa mỗi tầng phản ứng cócác thiết bị gia nhiệt để tăng nhiệt độ nguyên liệu trước khi vào tầng phản ứng tiếptheo Ra khỏi vùng phản ứng, dòng sản phẩm có nhiệt độ 636℃ và được dẫn qua tháptôi bằng nước lạnh để hạ nhanh nhiệt độ đến 65℃ Dòng sản phẩm chứa styren,benzen, toluen, etylbenzen dư, H2, CH4, C2H4, H2O được đưa sang vùng phân tách sảnphẩm.

Trước tiên,dòng sản phẩm được tách trong tháp tách 3 pha Pha khí bao gồm chủyếu là H2 và các khí nhẹ, pha nước bao gồm chủ yếu là hơi nước ngưng tụ cùng cáchydrocacbon thơm, còn pha hữu cơ giàu styren, etylbenzen, được đưa sang hệ thốngtháp chưng cất.

Tháp chưng cất C1 là tháp toluen và benzen ở phần đỉnh còn đáy tháp thu đượcstyren và etylbenzen, tháp làm việc ở đỉnh có nhiệt độ 45℃ và áp suất 25 kPa còn ởđáy là 95℃ ở áp suất 30kPa Phần đỉnh được đưa sang tháp tách phân đoạn nhẹ C2 đểtách tiếp benzen và toluen, ở đây benzen thu được ở đỉnh còn toluen thu ở đáy thápnhư là sản phụ của quá trình Phần sản phẩm đáy chủ yếu là styren và etylbenzen đượcđưa sang tháp tách C3 để tách vết etylbenzen trong sản phẩm cuối cùng.

 Sơ đồ công nghệ

Hình 7: Sơ đồ công nghệ mô phỏng Hysys quá trình sản xuất styren

2.5 Kết quả mô phỏng

Bảng kết quả workbook mô phỏng

Bảng 7: Kết quả workbook mô phỏng Hysys

 Công suất thiết kế của phân xưởng là 8000h Suy ra với lưu lượng mol dòng sản phẩm styren 8227kg/h thì năng suất của nhà máy là 8227×8000= 65816 T/ năm.

2.6 Các thông số công nghệ của quá trình

a Các thông số phản ứng

Hình 8: Các chỉ số phản ứng của phản ứng chính

Hình 9: Các hệ số Simple Rate của phản ứng chính

Các phản ứng phụ tạo benzen và toluen cũng được thiết lập tương tự với các sốliệu ở mục 3.

b Dòng nguyên liệu đầu vào

Các thông số đầu vào như sau:

Hình10: Các thông số của quá trình

c Thông số kĩ thuật của thiết bị phản ứng chính

Hình 11: Điều kiện làm việc của thiết bị phản ứng thứ nhất

Hình12: Điều kiện làm việc của thiết bị phản ứng thứ hai

Nguyên liệu etylbenzen sau khi loại bỏ hết tạp chất và etylbenzen tuần hoànđược bốc hơi trộn với hơi nước, sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ 632℃ đưa vào thiết bịphản ứng thứ nhất Trong thiết bị phản ứng thứ nhất ở nhiệt độ 610-632℃, áp suất160-170 kPa các phản ứng đồng thời diễn ra và nhiệt độ sẽ giảm xuống.

Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị thứ nhất được đưa qua thiết bị trao đổinhiệt để nâng nhiệt độ 650℃ và áp suất 145kPa, sau đó tiếp tục đưa vào thiết bị phảnứng thứ hai Ở phản ứng thứ hai các phản ứng thứ hai tiếp tục xảy ra ở nhiệt độ 635-650℃ ,áp suất 135-145 kPa để tăng hiệu suất của phản ứng.

Hình 13: Độ chuyển hóa của phản ứng trong thiết bị phản ứng thứ nhất

Hình 14: Độ chuyển hóa của phản ứng trong thiết bị phản ứng thứ hai

d Thông số của tháp chưng cất

Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng chính được làm lạnh nhanh đểhạ nhanh nhiệt độ Dòng sản phẩm chứa styren, benzen, toluen, etylbenzen dư, H2,CH4, C2H4 và H2O được đưa vào vùng phân tách sản phẩm trong tháp tách 3 pha.

 Thiết bị tách ba pha

Hình 15: Điều kiện làm việc của thiết bị tách ba pha

Sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng dòng sản phẩm có nhiều H2, H2O, benzen, toluen, C2H4, CH4 Do đó ta cần tách khí trước khi đưa vào thiết bị chưng tách.

 Tháp chưng tách C1

Hình 16.1: Điều kiện làm việc của tháp chưng C1