(Tiểu luận) nghiên cứu và mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene từ toluene bằng công nghệ hydrodealkyl hoá, năng suất 105 kmolh (~8210 kgh)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA - - BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC: KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE BẰNG CƠNG NGHỆ HYDRODEALKYL HỐ, NĂNG SUẤT 105 kmol/ h (~8210 kg/h) XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH CỦA TỪNG THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO PHÂN XƯỞNG (PFD) Lớp học phần: 18N51 Sinh viên thực hiện: Huỳnh Ngọc Danh MSSV: 107180201 Nguyễn Viết Sỹ MSSV: 107180232 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đình Lâm Đà Nẵng, tháng năm 2022 KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH LỜI NĨI ĐẦU Theo dòng chảy phát triển thời đại, lĩnh vực khoa học - kỹ thuật kinh tế thị trường có bước tiến vượt bậc gây tiếng vang lớn Bên cạnh lĩnh vực nêu ngành cơng nghiệp hóa học phát triển nhanh chóng, chiếm lấy vị trí vơ quan trọng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội, đặc biệt ngành cơng nghiệp hóa chất Đây ngành công nghiệp mũi nhọn, đóng vai trị then chốt trong phát triển xã hội Nó khơng mang lại nguồn lợi đáng kể mà thúc đẩy ngành khác phát triển theo Sản phẩm hóa chất kết loạt q trình biến đổi hóa lý để đạt tính chất mong muốn Chính nguồn ngun liệu ngành khơng xuất phát từ tự nhiên mà phải kể đến hợp chất trung gian trình tổng hợp Từ chất trung gian này, với điều kiện công nghệ khác lại cho nhiều sản phẩm khác Một số nguồn nguyên liệu trung gian benzene Benzene nhà sản xuất đánh giá sản phẩm quan trọng, mang tính thương mai cơng nghiệp hố dầu Các phương pháp sản xuất benzene công nghiệp không ngừng phát triển để cung cấp nguồn nguyên liệu trung gian cho tổng hợp hữu hóa dầu Benzene thu từ số trình quan trọng lọc hóa dầu, q trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, cracking Một phương pháp phổ biến dùng để sản xuất benzene trình Hydrodealkyl hóa trực tiếp toluene cho sản phẩm benzene với độ chuyển hóa cao Q trình thực dễ dàng nhờ xúc tác hydrodealkyl hóa toluene-HDA hay tác dụng nhiệt độ thermal hydrodealkyl of toluene-THDA Với tập lớn này, chúng em phân tích rõ ràng sơ đồ công nghệ, điều kiện tối ưu q trình sản xuất Mơ phân xưởng sản xuất benzene công nghệ hydrodealkyl hóa toluene Pro-II, tính tốn lại dịng cho cơng nghệ khơng đáp ứng u cầu suất, chất lượng benzene mà thỏa mãn điều kiện kinh tế chi phí đầu tư, lượng cung cầu trình PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CAM ĐOAN Chúng tơi xin cam đoan tồn bơ ‘nơi‘dung tập lớn chúng tơi thực hiện, tìm kiếm tài liêu‘ tham khảo từ nguồn tài liêu‘ trình bày bên thât‘ Khơng có ch 攃 Āp từ tập, đồ án khác, tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tôi xin chịu trách nhiêm‘ với lời cam đoan PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE[1] 1.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene: 1.2 Nhiệt động học phản ứng 1.3 Các cơng nghệ hydrodealkyl hóa 1.3.1 Q trình Hydrodealkyl hóa nhiệt: 1.3.2 Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác: 1.4 Một số phương pháp sản xuất benzene khác:8 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE BẰNG CƠNG NGHỆ HYDRODEALKYL HĨA TOLUENE [2] 2.1 Giới thiệu sơ lược trình sản xuất benzene từ toluene cơng nghệ hydrodealkyl hóa (tham khảo từ vẽ sơ đồ khối)9 2.1.1 Quá trình sản xuất benzene từ toluene phản ứng hydrodealkyl hóa: 2.1.2 Các vẽ nghiên cứu 10 2.2 Xác định kiểu thiết bị sử dụng phân xưởng, số lượng thiết bị, số nhận x 攃 Āt đặc biệt (nếu có) 11 2.2.1 Bình tách (Vessel): 11 2.2.2 Bơm (Pump): 11 2.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger): 11 2.2.4 Lò đốt (Fired Heater) 12 2.2.5 Thiết bị phản ứng (Reactor): 12 2.2.6 Máy n 攃 Ān (Compressor): 12 2.2.7 Tháp chưng cất (tower): 2.3 Xác định số lượng dịng cơng nghệ, kiểu dịng phụ trợ có mặt phân xưởng (sử dụng sơ đồ PFD) 2.4 Mô tả hoạt động phân xưởng (Trên sở phân tích sơ đồ PFDs) 13 PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page 12 12 KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2.5 Xây dựng sơ đồ mô phân xưởng sản xuất benzeve cơng nghệ Hydrodealkyl hóa toluene 14 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE BẰNG CƠNG NGHỆ HYDRODEALKYL HĨA TOLUENE 15 3.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng15 3.1.1 Giới thiệu phần mềm PRO/II 15 3.1.2 Các bước sử dụng phần mềm PROII 15 3.2 Khai báo ban đầu xác định số liệu đầu vào cho q trình mơ 15 3.2.1 Khái báo ban đầu 15 3.2.2 Xác định số liệu đầu vào phân xưởng 16 3.2.3 Các thiết bị có mặt phân xưởng: 17 3.3 Xây dựng sơ đồ mô tính tốn mơ phần tồn phân xưởng 20 3.4 Đánh giá kết mô xác định độ tin cậy 22 CHƯƠNG 4: KHAI THÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Xác định thống số vận hành quan trọng cho thiết bị 24 24 4.2 Xây dựng sơ đồ PFD có hệ thống điều khiển trình 27 PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VE PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE[1] 1.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene: Hydrodealkyl hóa phản ứng cracking hydrocacbon thơm có mạch nhánh dòng hydro Giống hydrocracking, phản ứng tiêu thụ hydro thuận lợi điều kiện áp suất riêng phần hydro cao Quá trình thiết kế để hydrodealkyl hóa metylbenzen, etylbenzen C9+ thành benzen Nó xuất phát từ nhu cầu benzen công nghệ tổng hợp hóa dầu lớn nhiều so với hợp chất với toluen xylen (sản phẩm BTX) Sau phân tách benzen khỏi sản phẩm reforming, hydrocacbon thơm cao đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng có dạng tương tự hydrocracking Tại đây, phân nhánh alkyl bẻ gãy đồng thời hydro hóa Dealkyl hóa hợp chất dạng vòng benzene nhiều làm tăng lượng hydro tiêu thụ đồng thời tạo nhiều sản phẩm khí 1.2 Nhiệt động học phản ứng Nhìn chung, phản ứng liên quan đến trình tỏa nhiệt mạnh (ví dụ hydrocracking šH= -190 ÷ -230 kJ/mol, ngoại trừ phản ứng tạo hydrocacbon thơm khối lượng phân tử lớn thu nhiệt nhẹ phản ứng phân hủy metan thành C H Các phản ứng xảy nhiệt độ cao 650 oC tùy trường hợp, thuận lợi tăng áp suất (phản ứng hydro hóa) khơng (phản ứng phân hủy, tạo cốc) Áp suất tối ưu cho q trình ÷ MPa 1.3 Các cơng nghệ hydrodealkyl hóa Các q trình hydrodealkyl hóa chia làm loại 1.3.1 Hydrodealkyl hóa nhiệt (Thermal hydrodealkylation – THDA) Hydrodealkyl hóa có xúc tác (Hydrodealkylation – HDA) Q trình Hydrodealkyl hóa nhiệt: Với q trình hydrodealkyl hóa nhiệt, cơng ty phát triển thương mại hóa cơng nghệ Atlantic Richfield Hydrocacbon Researche Inc, Mitsubishi Chioda, Gulf Oil… PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH - Điều kiện vận hành cơng nghệ sau: Nhiệt độ dịng vào thiết bị phản ứng 620oC Nhiệt độ tối đa 730oC Áp suất 4,3 MPa Thời gian lưu trung bình 25 ÷ 30 giây Tỷ lệ mol H2/hydrocacbon dòng vào thiết bị Độ chuyển hóa 75% Độ tinh khiết tối thiểu dịng hydro 50 ÷60% Sản phẩm benzen có độ tinh khiết cao, hiệu suất q trình đạt tới 98%, độ chuyển hóa đạt tới 80% 1.3.2 Q trình hydrodealkyl hóa có xúc tác: Hiện nay, với q trình hydrodealkyl hóa có xúc tác, nhà máy sử dụng chủ yếu công nghệ Shell, UOP, Houdry BASF 1.3.2.1 Xúc tác: Xúc tác sử dụng tổng hợp từ dạng tinh thể (hạt) nhiều phương pháp khác phương pháp ngâm tẩm, phương pháp kết tủa… Thường sử dụng chất mang nhôm – silic oxit với tâm xúc tác đơn phân tử có kết hợp phân tử kim loại nhóm B ví dụ Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Ir, Rh, Cu…, ngồi cịn số oxit Do có mặt xúc tác nên điều kiện phản ứng khơng khó khăn hydrodealkyl nhờ tác dụng nhiệt độ 1.3.2.2 Điều kiện phản ứng: Các điều kiện phản ứng (tùy công nghệ với chất xúc tác cơng ty mà có khác nhau): Nhiệt độ: 520 ÷ 620o C Áp suất: ÷ 30 bar Tỉ lệ hydro / toluene = ÷ Vận tốc dịng: ÷ thể tích toluen với thể tích xúc tác/1h 1.3.2.3 Hiệu suất Qua thí nghiệm phản ứng hydrodeakylation với điều kiện: - Thời gian: 24h - Xúc tác: sử dụng chất mang hỗn hợp MgO – Al2O3 PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH - Nhiệt độ: 600oC - Áp suất: 3MPa Bảng 1: Độ chuyển hóa độ chọn lọc phản ứng có xúc tác Tâm xúc tác Độ chuyển hóa(%) Độ chọn lọc(%) 0.5% Rh 75 98 0.1% Rh 99 0.15% Rh + 0.1% Pd 56 100 4% NiO 35 1.4 Một số phương pháp sản xuất benzene khác: 20 Hiện nay, trước yêu cầu chất lượng giá thành sản phẩm, nhà sản xuất liên tục đưa công nghệ sản xuất nhằm tăng suất, hạ giá thành sản phẩm, tận dụng nguồn ngun liệu sẵn có, phổ biến Dưới trình bày số phương pháp sản xuất benzene khác áp dụng Với việc phân tích điều kiện cơng nghệ cho nhìn tổng quan để đánh lựa chọn công nghệ tối ưu phù hợp với điều kiện kinh tế Các trình chủ yếu để sản xuất benzene bao gồm: Reforming xúc tác Hydrodealkyl hoá toluene Phân bố lại toluene Xử lí xăng nhiệt phân Sản xuất từ than đá PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page KHỐNG CHẾ & ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE BẰNG CƠNG NGHỆ HYDRODEALKYL HĨA TOLUENE [2] 2.1 Giới thiệu sơ lược trình sản xuất benzene từ toluene cơng nghệ hydrodealkyl hóa (tham khảo từ vẽ sơ đồ khối) 2.1.1 Quá trình sản xuất benzene từ toluene phản ứng hydrodealkyl hóa: Hiện nay, phần lớn q trình cơng nghiệp quan trọng trình sane xuất benzene từ Toluene thông qua phản ứng sau: C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 ΔH= -126 KJ/Mol ( -30 Kcal/Mol )H= -126 KJ/Mol ( -30 Kcal/Mol ) Phần trăm sản xuất toluene sử dụng cho trình hydrodealkyl hóa thành benzene thay đổi theo quốc gia (nơi dùng nơi dùng nhiều) Q trình hydrodealkyl hóa túy nhiệt (nghĩa khơng có nhiệt độ thấp 500- 650 0C 30-50 bar) Nếu dùng oxit dạng nguyên khối hiệu khơng cao nên người ta thường phân tán chất mang xúc tác, phát triển gần thực hiên 400-4800C, chất xúc tác hiệu Rh/Al 2O3 Trong q trình xúc tác thương mại hóa, toluene đưa qua lớp xúc tác với khí hồi lưu hỗn hợp H2 CH4 Nhiệt độ làm việc cao kèm với việc hình thành cốc hai thiết bị phản ứng song song thường sử dụng để phản ứng tiến hành thiết bị xúc tác hồn ngun thiết bị cịn lại Do lượng lớn CH hình thành khoảng 250 Sm3/ toluene (trong đó: S standuct tiêu chuẩn nhiệt độ áp suất để điều chỉnh lưu lượng thể tích đó); Sm m3 đo 15 0C atm) Các biện pháp đặc biệt cần thiết để loại bỏ CH4 khỏi khí hồi lưu Hỗn hợp CH 4/ H2 tách nhiệt độ thấp Ngoài người ta thực cracking nước để chuyển hóa CH thành H2 để đáp ứng u cầu q trình hydrodealkyl hóa Sau dealkyl hóa, benzene tách cách chưng cất khỏi toluene chưa phản ứng toluene chưa phản ứng hồi lưu nguyên liệu ban đầu Các sản phẩm phụ có nhiệt độ sơi cao biphenyl aromatics (ví dụ, fluorine) tách quay trở lại thiết bị phản ứng PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Page