Các kiểu và số lượng thiết bị chính sử dụng trong phân xưởng...16 2.1 Sơ đồ sản xuất Benzen bằng quá trình dehydroankylToluen...162.2.. Trang 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂUBảng 1 : Tính chất v
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC: KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH Đề tài: NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ VÀ MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE BẰNG CƠNG NGHỆ HYDRODEALKYL HĨA, 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: Sinh viên thưc hiện: Nguyễn Cảnh Nghị Mã số: 107200162 Lê Tiến Linh Mã số: 107200159 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Đình Lâm Đà Nẵng, tháng năm 2023 LỜI NÓI ĐẦU Cơng nghệ hóa học ngành cơng nghiệp mũi nhọn nước ta, khơng mang lại nguồn lợi đáng kể mà thúc đầy ngành công nghiệp khác phát triển Sản phẩm công nghệ hóa học ln có mặt xung quanh Chúng kết loạt trình biến đổi hóa lý để đạt tính chất mong muốn Chính vậy, nguồn ngun liệu ngành khơng xuất phát từ tự nhiên, mà cịn kể đến hợp chất trung gian trình tổng hợp Từ hợp chất trung gian này, với điều kiện công nghệ khác lại cho nhiều sản phẩm khác Một số nguồn nguyên liệu trung gian benzen Benzen thu từ số trình quan trọng lọc hóa dầu, q trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, cracking Mặc dù trình này, benzen sản phẩm phụ, song sản lượng đáng kể Trong trình reforming xúc tác, với nguồn nguyên liệu naphta cung cấp lượng benzen sản phẩm BTX (Benzen- Toluen-Xylen) chủ yếu Bên cạnh nguồn cung cấp này, benzen tổng hợp chuyển hóa từ hydrocacbon thơn giá trị thành dạng có khả ứng dụng lớn có nhu cầu cao Một số q trình q trình hydrodeankyl hóa toluen để sản xuất benzen Trong phạm vi đồ án này, nhóm chúng em tiến hành thiết kế mơ q trình sản xuất benzen từ q trình hydrodeankyl hóa toluen với cơng suất đặt thu 105 kmol/h CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan toàn bộ nội dung của tập lớn chính thực hiện, tìm kiếm tài liệu và tham khảo từ nguồn tài liệu trình bày bên dưới là đúng sự thật Không có chép từ bất cứ tập, đồ án khác, tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: Tổng quan công nghệ sản xuất Benzene từ Toluene Nguyên liệu sản phẩm 1.1 Nguyên liệu Hydro 1.2 Tính chất vật lý 1.3 Tính chất hóa học 1.4 Ứng dụng hydro 1.5 Tồn chứa Nguyên liệu Toluen .9 2.1 Tính chất vật lý toluen 2.2 Tính chất hố học Toluen 10 2.3 Ứng dụng toluen 11 Sản phẩm Benzen 11 3.1 Tính chất vật lý benzen .11 3.2 Tính chất hóa học Benzen 12 3.3 Ứng dụng 13 3.4 Lưu trữ vận chuyển benzene 14 3.5 Các phương pháp sản xuất benzene 14 CHƯƠNG 2: Giới thiệu phân xưởng sản xuất benzene cơng nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene Giới thiệu sơ lược trình sản xuất benzene từ toluene cơng nghệ hydrodealkyl hóa 15 1.1 Nhiệt động học phản ứng 15 1.2 Các cơng nghệ hydrodealkyl hóa 15 Các kiểu số lượng thiết bị sử dụng phân xưởng 16 2.1 Sơ đồ sản xuất Benzen trình dehydroankylToluen 16 2.2 Các thiết bị phân xưởng 16 Xác định số lượng dịng cơng nghệ, kiểu dịng phụ trợ có mặt phân xưởng 17 Mô tả hoạt động phân xưởng 18 Xây dựng sơ đồ mô phân xưởng sản xuất benzene cơng nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene 18 Chương 3: MÔ PHÂN xưởng sản xuất benzene công nghệ Hydrodealkyl HÓA Toluene 3.1 Giới thiệu công cụ mô 20 3.2 Khai báo ban đầu xác định số liệu đầu vào cho trình mô .20 3.2.1 Thiết lập đơn vị đo 20 3.2.2 Thiết lập cấu tử cần có .21 3.2.3 Chọn phương trình nhiệt động .21 3.3 Xác định số liệu đầu vào phân xưởng 21 3.3.1 Các dịng cơng nghệ .21 3.3.2 Các thiết bị có mặt phân xưởng .22 3.4 Đánh giá kết mô xác định độ tin cậy 24 3.4.1 Xác định dòng cơng nghệ, tính chất dịng cơng nghệ để so sánh với sô liệu công nghệ tham khảo, so sánh xác định sai số tương đối 24 3.4.2 Xác định thiết bị, tính chất thiết bị để so sánh với số liệu công nghệ tham khảo, so sánh xác định sai số tương đối .25 Chương 4: Khai BÁo kết mÔ 4.1 Xác định thông số cần điều kiển điều kiện vận hành cho thiết bị 26 4.2 Xây dựng sơ đồ PFD có hệ thống điều khiển q trình 27 Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng : Tính chất vật lý Toluen Bảng 2: Thông số vật lý benzen Bảng 3: Các thiết bị sử dụng Bảng 4: Các dịng cơng nghệ dịng phụ trợ Bảng 5: Kết mô Bảng 6: Thông số thiết bị tách Bảng 7: Thông số thiết bị trao đổi nhiệt Bảng 8: Thông số máy nén, bơm Bảng 9: Thông số thiết bị phản ứng Bảng 10: Thông số tháp chưng cất Bảng 11: Tính chất dịng cơng nghệ Bảng 12: So sánh số liệu mơ số liệu tham khảo thiết bị Bảng 13: Xác định biến cần điều khiển biến điều khiển tương ứng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Cấu tạo Toluen Hình 2: Cấu tạo Benzen Hình 3: Skeleton Process Flow Diagram (PFD) for the Production of Benzen via the Hydrodealkylation of Toluene Hình 4: Sơ đồ mơ phân xưởng sản xuất benzene cơng nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene Hình 5: Sơ đồ mô phân xưởng sản xuất benzene công nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene Hình 6: Xây dựng sơ đồ PFD dựa kết mô PFD tham khảo DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: Tổng quan công nghệ sản xuất Benzene từ Toluene Nguyên liệu sản phẩm 1.1 Nguyên liệu Hydro Hydro ( Hydro kỹ thuật) khí chứa hydro với hàm lượng hydro lớn 80% sản phẩm quan trọng trình reforming xúc tác Hydro sử dụng cho mục đích làm sản phẩm, xử lý hydro phân đoạn hay sử dụng cho trình hydrocraking Quá trình reforming đánh giá nguồn thu hydro dồi (hàm lượng từ 85- 93%) rẻ tiền, rẻ từ 10 đến 15 lần so với hydro thu đuợc cách điều chế khác 1.2 Tính chất vật lý - Là phi kim, tồn dạng khí Là khí nhẹ tất khí, hydro nhẹ khơng khí 15 lần - Hydro có nhiệt độ sơi nhiệt độ nóng chảy thấp Tnc =-259.1 oC; Ts =-252.6 oC - Hydro tồn dạng đơn chất (H2) hợp chất (H2O, hợp chất hữu cơ, dầu mỏ,…) 1.3 Tính chất hóa học - Tính bền Do nguyên tử H đạt đến cấu hình khí nên phân tử H2 bền Đến 20000C bắt đầu phân hủy, nên H2 hoạt động đk thường : H2 2H - Tính khử.(Khả cho H+) + Phản ứng với phi kim : H2 + X2 2HX + No hóa hợp chất chưa no: C2H4 + H2 C2H6 1.4 Ứng dụng hydro - Trong công nghiệp : Sản xuất NH3, Từ sản xuất ure - Sản xuất HCl, CH3OH, hydro hóa hợp chất chưa no - Tinh chế dầu mỏ ( loại bỏ S, olefin,…) - H2 với O2 lỏng làm nhiên liệu tên lửa - Do nhẹ khơng khí, hydro bơm vào khí cầu - Hydro có tốc độ khuếch tán nhanh nên dùng làm mát chi tiết máy 1.5 Tồn chứa Hiện nay, phần lớn hydro thực cho mục đích cơng nghiệp sản xuất phân bón, chất dẻo sản phẩm dầu khí Nó vận chuyển đến người dùng cuối thơng qua đường ống dẫn - phương pháp rẻ - có đường ống có tương đối so với hệ thống khí đốt tự nhiên Cài đặt đường ống dẫn tốn khoảng 300$ 600$ cho km Nén khí hydro :có thể vận chuyển qua đường bộ, bắt buộc với xe có bồn lưu trữ chịu áp lực cao đăt tiền ,đặc biệt khoảng cách dài Hydrogen lỏng -253 ºC.có thể sản xuất cách làm lạnh khí đến -253 o C Nhưng điều đắt tiền, cần thùng cách nhiệt ngồi, làm mát chất lỏng khí hydro Ngun liệu Toluen 2.1 Tính chất vật lý toluen Toluen chất lỏng khơng màu, có mùi hăng, khơng sốc benzen Toluen dễ bắt cháy cháy thành lửa có muội Toluen có khả hịa tan benzen, etanol, xeton phần lớn dung mơi hữu cơ, tan nước Bảng : Tính chất vật lý Toluen Tính chất Giá trị (đvC) 92.13 Nhiệt độ sôi, oC 110,625 Nhiệt độ đông đặc, oC -94,991 Tỷ trọng, g/ml 20oC 0,8669 25oC 0,8623 Chỉ số khúc xạ nP 68oF 1,4969 77oC 1,4941 10 - Hydrodealkyl hóa nhiệt (Thermal hydrodealkylation – THDA) Hydrodealkyl hóa có xúc tác ( Hydrodealkylation – HDA) Các kiểu số lượng thiết bị sử dụng phân xưởng 2.1 Sơ đồ sản xuất Benzen trình dehydroankylToluen Hình 3: Skeleton Process Flow Diagram (PFD) for the Production of Benzen via the Hydrodealkylation of Toluene 2.2 Các thiết bị phân xưởng Bảng 3: Các thiết bị sử dụng Số thứ tự Các kiểu thiết Số bị lượng Bình chứa (Vessel) Bơm (Pump) Ký hiệu Vai trò V-101 Bảo đảm áp suất đầu vào bơm P-101 tránh tượng xâm thực bơm V-102 Tách khí áp suất cao V-103 Tách khí áp suất thấp V-104 Là bình hồi lưu cho T-101 P-101A/B Bơm tăng áp cho dòng nguyên liệu P-102A/B Bơm hồi lưu cho dòng sản phẩm đỉnh tháp thiết bị T-101 18 Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger) E-101 Gia nhiệt lần đầu cho dòng nguyên liệu E-102 Hạ nhiệt dòng sản phẩm sau qua thiết bị R-101 E-103 Gia nhiệt cho dòng nguyên liệu trước vào thiết bị T-101 E-104 Hạ nhiệt cho dòng sản phẩm Benzene E-105 Hạ nhiệt cho dòng sản phẩm E-106 Là thiết bị đun sôi lại thiết bị T-101 Thiết bị phản ứng (Reactor) R-101 Thực phản ứng với tầng xúc tác cố định Lò đốt (Heater) H-101 Gia nhiệt cho dòng nguyên liệu trước vào thiết bị R-101 Tháp chưng cất (Tower) T-101 Tách Benzene, Toluene với độ tinh khiết cao Máy nén (Compressor) C-101A/B Nén dòng Hydrogen (có lẫn Methane) hồi lưu vào R-101 Xác định số lượng dịng cơng nghệ, kiểu dịng phụ trợ có mặt phân xưởng Bảng 4: Các dịng cơng nghệ dịng phụ trợ Dịng cơng nghệ Biểu tượng hình kim cương chứa số bên trong: sơ đồ PFD → 19 dòng Hướng dòng chảy thể mũi tên đường dòng chảy Dịng phụ trợ Kí hiệu Ý nghĩa lps Hơi nước áp suất thấp: – bar tương đối (sat)* 19 Hơi nước áp suất trung bình : 10 – 15 bar tương đối (sat)* hps Hơi nước áp suất cao: 40 – 50 bar tương đối (sat)* htm Môi trường truyền nhiệt (hữu cơ) : lên đến 400℃ cw Nước làm mát: từ tháp giải nhiệt 30℃ trả lại nhiệt độ thấp 45℃ wr Nước sông: từ sông 25℃ trở lại nhiệt độ 35℃ rw Nước lạnh: 5℃ trả lại 15℃ rb Nước muối lạnh: nhiệt độ -45℃ trả lại nhiệt độ thấp 0℃ cs Hóa chất nước thải có COD cao ss Nước thải vệ sinh với BOD cao,vv el Nhiệt điện (Tiêu chuẩn 220, 440, 660V) bfw Nước cấp cho nồi ng Khí tự nhiên fg Khí nhiên liệu fo Dầu nhiên liệu fw Nước chữa cháy * mps Các áp suất thiết lập giai đoạn thiết kế sơ giá trị điển hình khác thời gian thử nghiệm + Trên 45℃, tượng đóng cặn đáng kể xảy Mô tả hoạt động phân xưởng Nguyên liệu Toluene chưa bình chứa V-101, sau bơm P101A/B bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt Dòng toluene nguyên liệu trộn với hydrogen trước vào thiết bị trao đổi nhiệt E-101 Hỗn hợp sau vào lị đốt H-101 để gia nhiệt đến nhiệt độ mong muốn trước qua thiết bị phản ứng R-101 Hỗn hợp sau phản ứng tiếp tục qua thiết bị trao đổi nhiệt E-102 để hạ nhiệt vào bình tách V-102 để tách áp suất cao, V-103 để tách áp suất thấp Một phần pha khí (hydro lẫn methane) thu bình tách qua máy nén C-101A/B hồi lưu lại thiết bị phản ứng R-101, hydro quay lại trước E-101 để trộn với nguyên liệu 20