Nghiên cứu công nghệ và mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene từ toluene bằng công nghệ hydrodealkyl hóa, năng suất 105 kmol h

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 HÓA

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KHỐNG CHẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Đề tài: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT

BENZENE TỪ TOLUENE BẰNG CÔNG NGHỆ HYDRODEALKYL HÓA,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:

1 Nguyễn Cảnh Nghị Mã số: 107200162

2 Lê Tiến Linh Mã số: 107200159

Giảng viên hướng dẫn:

PGS TS Nguyễn Đình Lâm

Đà Nẵng, tháng 9 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ hóa học là một ngành công nghiệp mũi nhọn của nước ta, nó khôngchỉ mang lại nguồn lợi đáng kể mà còn thúc đầy các ngành công nghiệp khác pháttriển

Sản phẩm của công nghệ hóa học luôn có mặt xung quanh chúng ta Chúng là kếtquả của một loạt các quá trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mongmuốn

Chính vì vậy, nguồn nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên, mà còn

kể đến các hợp chất trung gian trong quá trình tổng hợp Từ các hợp chất trung giannày, với những điều kiện công nghệ khác nhau lại cho ra nhiều sản phẩm khác nhau.Một trong số các nguồn nguyên liệu trung gian này là benzen

Benzen có thể thu được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầu, nhưquá trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, cracking hơi Mặc dù trong các quátrình này, benzen chỉ là sản phẩm phụ, song sản lượng là đáng kể Trong quá trìnhreforming xúc tác, với nguồn nguyên liệu naphta đã cung cấp lượng benzen và sảnphẩm BTX (Benzen- Toluen-Xylen) chủ yếu

Bên cạnh các nguồn cung cấp này, benzen có thể được tổng hợp hoặc chuyển hóa

từ hydrocacbon thơn ít giá trị thành những dạng có khả năng ứng dụng lớn và có nhucầu cao Một trong số các quá trình đó là quá trình hydrodeankyl hóa toluen để sảnxuất benzen

Trong phạm vi của bài đồ án này, nhóm chúng em đã tiến hành thiết kế môphỏng quá trình sản xuất benzen từ quá trình hydrodeankyl hóa toluen với công suấtđặt ra là thu được 105 kmol/h

CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của bài tập lớn do chính chúng tôi thực hiện,tìm kiếm tài liệu và tham khảo từ nguồn tài liệu như trình bày bên dưới là đúng sự thật.Không có sao chép từ bất cứ bài tập, đồ án khác, tất cả những tham khảo và kế thừa đềuđược trích dẫn và tham chiếu đầy đủ Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan củamình

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 về công nghệ sản xuất Benzene từ Toluene

1 Nguyên liệu và sản phẩm 8

1.1 Nguyên liệu Hydro 8

1.2 Tính chất vật lý 8

1.3 Tính chất hóa học 8

1.4 Ứng dụng của hydro 8

1.5 Tồn chứa 9

2 Nguyên liệu Toluen 9

2.1 Tính chất vật lý của toluen 9

2.2 Tính chất hoá học của Toluen 10

2.3 Ứng dụng của toluen 11

3 Sản phẩm Benzen 11

3.1 Tính chất vật lý của benzen 11

3.2 Tính chất hóa học của Benzen 12

3.3 Ứng dụng 13

3.4 Lưu trữ và vận chuyển benzene 14

3.5 Các phương pháp sản xuất benzene 14

CHƯƠNG 2: Giới thiệu về phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene

1 Giới thiệu sơ lược về quá trình sản xuất benzene từ toluene bằng công nghệ hydrodealkyl hóa 15

1.1 Nhiệt động học của phản ứng 15

1.2 Các công nghệ hydrodealkyl hóa 15

2 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 16

2.2 Các thiết bị chính trong phân xưởng 16

3 Xác định số lượng các dòng công nghệ, các kiểu dòng phụ trợ có mặt trong phân xưởng 17

4 Mô tả hoạt động của phân xưởng 18

5 Xây dựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene 18

Chương 3: MÔ phỏng PHÂN xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkyl HÓA Toluene

3.1 Giới thiệu về công cụ mô phỏng 20

3.2 Khai báo ban đầu và xác định số liệu đầu vào cho quá trình mô phỏng 20

3.2.1 Thiết lập đơn vị đo 20

3.2.2 Thiết lập các cấu tử cần có 21

3.2.3 Chọn phương trình nhiệt động 21

3.3 Xác định các số liệu đầu vào của phân xưởng 21

3.3.1 Các dòng công nghệ 21

3.3.2 Các thiết bị có mặt trong phân xưởng 22

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng và xác định độ tin cậy 24

3.4.1 Xác định các dòng công nghệ, tính chất của các dòng công nghệ để so sánh với sô liệu của công nghệ tham khảo, so sánh và xác định sai số tương đối 24

3.4.2 Xác định các thiết bị, tính chất của các thiết bị để so sánh với số liệu của công nghệ tham khảo, so sánh và xác định sai số tương đối 25

Chương 4: Khai BÁo kết quả mÔ phỏng

4.1 Xác định các thông số cần điều kiển và điều kiện vận hành cho từng thiết bị 26

4.2 Xây dựng sơ đồ PFD có hệ thống điều khiển quá trình 27

Kết luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bảng 7: Thông số các thiết bị trao đổi nhiệt

Bảng 8: Thông số máy nén, bơm

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Cấu tạo của Toluen

Hình 2: Cấu tạo của Benzen

Hình 3: Skeleton Process Flow Diagram (PFD) for the Production of Benzen via theHydrodealkylation of Toluene

Hình 4: Sơ đồ mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkylhóa Toluene

Hình 5: Sơ đồ mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkylhóa Toluene

Hình 6: Xây dựng sơ đồ PFD dựa trên kết quả mô phỏng và PFD tham khảo

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất Benzene từ Toluene

1 Nguyên liệu và sản phẩm

1.1 Nguyên liệu Hydro

Hydro ( Hydro kỹ thuật) là khí chứa hydro với hàm lượng hydro lớn hơn 80% làmột trong những sản phẩm rất quan trọng của quá trình reforming xúc tác Hydrođược sử dụng cho các mục đích làm sạch sản phẩm, xử lý hydro các phân đoạn hay

sử dụng cho quá trình hydrocraking

Quá trình reforming được đánh giá là nguồn thu hydro dồi dào (hàm lượng từ85- 93%) và rẻ tiền, rẻ hơn từ 10 đến 15 lần so với hydro thu đuợc bằng các cáchđiều chế khác

Do mỗi nguyên tử H đã đạt đến cấu hình khí hiếm nên phân tử H2 rất

bền Đến 20000C mới bắt đầu phân hủy, nên H2 kém hoạt động ở đk

C2H4 + H2 C2H6

1.4 Ứng dụng của hydro

- Trong công nghiệp : Sản xuất ra NH3, Từ đó sản xuất ure

- Sản xuất HCl, CH3OH, hydro hóa hợp chất chưa no

- Tinh chế dầu mỏ ( loại bỏ S, olefin,…)

- H2 cùng với O2 lỏng làm nhiên liệu tên lửa

- Do nhẹ hơn không khí, hydro được bơm vào khí cầu

- Hydro có tốc độ khuếch tán nhanh nên được dùng làm mát các chi tiết máy

1.5 Tồn chứa

Hiện nay, phần lớn là hydro được thực hiện cho các mục đích công nghiệp như sảnxuất phân bón, chất dẻo và các sản phẩm dầu khí Nó có thể được vận chuyển đếnngười dùng cuối thông qua đường ống dẫn - đó là phương pháp rẻ nhất - nhưng cónhững đường ống hiện có tương đối ít so với các hệ thống khí đốt tự nhiên Cài đặtđường ống dẫn mới có thể tốn kém khoảng 300$ và 600$ cho mỗi km

Nén khí hydro :có thể được vận chuyển qua đường bộ, nhưng bắt buộc với xe cóbồn lưu trữ chịu áp lực cao và đăt tiền ,đặc biệt là khoảng cách dài

Hydrogen lỏng là -253 ºC.có thể được sản xuất bằng cách làm lạnh khí đến -253

Bảng 1 : Tính chất vật lý của Toluen

Nhiệt độ sôi, oC 110,625Nhiệt độ đông đặc, oC -94,991

Tỷ trọng, g/ml ở 20oC

ở 25oC

0,86690,8623Chỉ số khúc xạ nP ở 68oF

ở 77oC

1,49691,4941

Nhiệt độ tới hạn, oC 320,8Giới hạn nổ trong không khí (%V)

Cấu tạo của toluen như sau:

Hình 1: Cấu tạo của Toluen

Do có cấu trúc vòng và nhánh bên như trên nên toluen có các phản ứng

của cả nhánh bên và của cả vòng thơm

Phản ứng của vòng thơm: Nhóm CH3 là nhóm thế loại một của vòng benzen do ảnhhưởng của hiệu ứng liên hợp và siêu liên hợp của nhóm thế với electron 𝜋 trong vòngbenzen làm mật độ e trong vòng benzen tăng lên và tăng chủ yếu ở vị trí octo và para,

do vậy khi thế lần hai thì vị trí nhóm thế mới sẽ vào vị trí octo và para

2.3 Ứng dụng của toluen

Trong công nghiệp và đời sống hiện nay Toluen đóng một vai trò khá quan trọng: nóđược sử dụng trong các lĩnh vực chủ yếu như: làm cấu tử cho xăng và trong côngnghiệp hóa chất

+ Ứng dụng quan trọng nhất của toluen đó là nâng cấp chất lượng xăng nhờ khả nănglàm tăng trị số octan của nó Hiện nay, yêu cầu về giảm lượng chì trong xăng để giảm

ô nhiễm môi trường cũng làm tăng nhu cầu về toluen Theo ngiên cứu của API thì nhucầu sử dụng toluen trong xăng không pha chì sẽ tăng gấp đôi so với xăng pha chì Tuynhiên để sử dụng được xăng không pha chì thì cũng yêu cầu có sự đầu tư và thay đổiđáng kể trong vòng 10 năm hoặc lâu hơn nữa

+ Toluen nổi tiếng với công dụng điều chế TNT trinitro toluen (thuốc nổ) Việc sảnxuất TNT được kiểm soát nghiêm ngặt để tránh các hành vi phá hoại Song, nếu được

sử dụng chủ yếu trong quốc phòng, xây dựng (phá núi mở đường, khai thác vật liệuxây dựng), khai thác quặng, sản xuất pháo hoa

+ Trong công nghiệp hóa chất, 54% tổng sản lượng toluen của thế giới được sử dụng

để chuyển hóa thành benzen, khoảng 16% được sử dụng là dung môi, nhất là côngnghiệp sản xuất sơn

+ Một ứng dụng quan trọng nữa của toluen: khoảng 8% tổng sản lượng toluen phục vụcho quá trình sản xuất toluen disoxyanat sử dụng trong màng polyureta Đây là chất sửdụng rộng rãi trong sản xuất sơn, keo Sản xuất các loại “mút” cứng và mềm các loạibọc, lót trong đồ nội thất gia đình, ô tô

3 Sản phẩm Benzen

3.1 Tính chất vật lý của benzen

Benzen là một hydrocacbon thơm, có công thức hóa học là C6H6, khối lượng phân tử78,11g/mol, ở trạng thái lỏng, không màu, linh động, có mùi thơm đặc biệt Benzen làhợp chất dễ bắt cháy và cháy thành ngọn lửa có muội Hơi benzen tạo thành hỗn hợp

nỏ với không khí trong khoảng nồng độ rộng Benzen không tan trong nước, tạo thànhvới nước một hỗn hợp sôi ở nhiệt độ 69,25oC, nhưng tan trong nhiều dung môi hữu cơkhác… Benzen hòa tan được nhiều chất nhựa, mỡ, lưu huỳnh và nhiều chất khác,

không tan trong nước Do đó benzen là một dung môi rất thông dụng.

Bảng 2: Thông số vật lý của benzenĐiểm nóng chảy (oC) 5,533

Khối lượng riêng ở 25oC: 879 kg/m3

Độ nhớt ở 200C 0,649.10-3 N.s/m2Sức căng bề mặt ở 200C 29.10-3 N/mNhiệt dung riêng ở 200C 1730 J/kg.đoNhiệt độ chớp cháy cốc kín –11,1oC.Nhiệt cháy đẳng áp ở 25oC 9,999 kcal/mol

Nhiệt hóa hơi 8.09kcal/kmolNhiệt độ tự bốc cháy trong không khí

Nhiệt độ tới hạn (oC) 289.45

Độ hoà tan trong nước ở 25oC 0.18g/100g H20

Áp suất tới hạn 48.6 atmNhiệt nóng chảy 30,1 kcal/kmol

Độ hoà tan của nước trong benzen 0.05g/100g C6H6

Nhiệt lượng nóng chảy 2,351 kcal/mol

Tỷ trọng tới hạn 0,3 g/ml3.2 Tính chất hóa học của Benzen

Hình 2: Cấu tạo của BenzenChúng ta dễ dàng nhận thấy rằng do các electron p xen phủ khép kín nên các liên kết

C – C của vòng không mang tính chất của một liên kết đôi C = C Phân tử benzen cómật độ electron p phân bố đều, phân tử hoàn toàn đối xứng, bền, vì thế mà khó cộnghợp, khó oxi hóa Nó chỉ dễ phá vỡ cấu trúc bền của vòng

 Phản ứng cộng hợp :

Benzen đặc trưng bởi cấu trúc vòng bền vững nhờ sự xen phủ (cộng hưởng) củ cácobital π Do đó chúng không dễ dàng tham gia phản ứng cộng các tác nhân dạnghalogen và axit như các anken Phản úng loại này rất khó thực, đòi hỏi điều kiện khắcnghiệt: nhiệt độ, xúc tác, áp suất

3.3 Ứng dụng

 Benzen có vai trò quan trọng trong thực tế , là nguyên liệu chính để sản xuấtcác loại thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng và vô sốcác ứng dụng khác

 Người ta sử dụng benzen sản xuất phẩm nhuộm , keo dán

 Không khi nào mà cuộc sống con người lại không có sự xuất hiện của benzen,những chất như long não , thuốc paracetamol , thuốc từ sâu 666 ( đã bị ngămcấm, song mở đầu cho ứng dụng thuốc trừ sau trong nông nghiêp), kháng sinh

pi các loại , thuốc trừ cỏ DDT , thuốc kích thích đột biến tứ bội cinciline, thuốccảm aspirin

 Trong phòng thí nghiệm, benzen được sử dụng rộng rãi làm dung môi

 Sử dụng chế tạo tơ nhân tạo, nilon, thủy tinh tổng họp hữu cơ, đồ chống cháy

có nhiều vai trò trong cuộc sống

 Benzen là nguồn nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp phẩm nhuộmanilin, dƣợc phẩm, trong việc sản xuất chất phụ để nâng cao chỉ số octan đốivới nhiên liệu động cơ ôtô và máy bay

3.4 Lưu trữ và vận chuyển benzene

Benzene là một chất vô cùng độc hại và có khả năng gây ung thƣ cho con người vìthế việc lưu trữ và vận chuyển benzene là vô cùng quan trọng:

+ Duy trì nhiệt độ bồn chứa trên 8oC để ngăn chặn benzene tự đóng băng

+ Bồn chứa phải kín, phải thường xuyên kiểm tra tránh hiện tượng rò rỉ

+ Sử dụng cột thu hôi để tránh hiện tượng sét đành gây nổ

+ Con người phải trang bị đầy đủ bảo hộ nếu tiếp xúc với benzene

+ Nghiêm cấm lửa, sự cháy gần nơi có benzene

+ Các tàu xe phải được dọn sạch sẽ tránh gây nhiễm bẩn nguồn nguyên liệu

3.5 Các phương pháp sản xuất benzene

Có rất nhiều phương pháp để sản xuất benzene như:

 Reforming xúc tác

 Hyrodealkyl hóa toluene,

 Xử lý xăng nhiệt phân,

 Sản xuất từ than đá

 Phân bố lại toluen

Nhóm đã chọn phương pháp hydrodealkyl hóa toluene để sản xuất benzene do:

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay và cho lượng sảnphẩm benzene cao

Nguồn nguyên liệu toluene có giá thành rẻ

Phương pháp này có thể sử dụng xúc tác hoặc nhiệt

CHƯƠNG 2: Giới thiệu về phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene

1 Giới thiệu sơ lược về quá trình sản xuất benzene từ toluene bằng công nghệhydrodealkyl hóa

Hydrodealkyl hóa là phản ứng cracking hydrocacbon thơm có mạch nhánh trongdòng hydro Giống như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydro và thuận lợi ở điềukiện áp suất riêng phần hydro cao Quá trình này được thiết kế để hydrodealkyl hóa cácmetylbenzen, etylbenzen C9+ thành benzen Nó xuất phát từ nhu cầu benzen trong côngnghệ tổng hợp hóa dầu lớn hơn nhiều so với các hợp chất này cũng như với toluen và cácxylen (sản phẩm BTX) Sau khi phân tách benzen khỏi sản phẩm reforming, cáchydrocacbon thơm cao hơn sẽ được đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng

có dạng tương tự hydrocracking Tại đây, phân nhánh alkyl sẽ được bẻ gãy và đồng thờiđược hydro hóa Dealkyl hóa các hợp chất dạng vòng benzene thế nhiều sẽ làm tănglượng hydro tiêu thụ và đồng thời tạo ra nhiều sản phẩm khí hơn Dưới đây là 1 số ví dụ:

Trong quá trình hydrodealkyl hóa, phản ứng cơ bản là tách các nhóm alkyl gắn với nhânbenzen ra dưới dạng alkan Nếu quá trình vận hành đúng, và chuyển hóa được hoàn toànnhờ tuần hoàn phần hydrocacbon thơm chưa phản ứng, các sản phẩm thu được là benzen

và rất nhiều các hydrocacbon nhẹ, chủ yếu là metan Bất kỳ loại nào không phảihydrocacbon thơm có trong nguyên liệu, ví dụ trong phần xử lí trực tiếp phân đoạn xăngC5+ không qua giai đoạn chiết dung môi, sẽ bị phân hủy thành các parafin nhẹ (metan).Điều này nhằm mục đích thu sản phẩm benzen có độ tinh khiết cao, nhưng cũng kéo theolượng hydro tiêu thụ rất lớn Các hợp chất lưu huỳnh chuyển hóa một phần thành H2S.1.1 Nhiệt động học của phản ứng

Nhìn chung, các phản ứng liên quan đến quá trình này đều tỏa nhiệt mạnh (ví dụhydrocracking ΔH= -190 ÷ -230 kJ/mol), ngoại trừ phản ứng tạo ra hydrocacbon thơmkhối lượng phân tử lớn thu nhiệt nhẹ, và phản ứng phân hủy metan thành C và H Cácphản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao 650oC và tùy từng trường hợp, có thể thuận lợi khităng áp suất (phản ứng hydro hóa) hoặc không (phản ứng phân hủy, tạo cốc) Áp suất tối

ưu cho quá trình là 5 ÷ 6 MPa

1.2 Các công nghệ hydrodealkyl hóa

Các quá trình hydrodealkyl hóa hiện nay có thể chia làm 2 loại :