GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Em đã chọn đề tài nghiên cứu quá trình sản xuất styren từ etybenzen vì nhiều lý do quan trọng Trước tiên, styren là một hợp chất hữu cơ quan trọng và có ứng dụng rộng trong ngành công nghiệp hóa chất Với việc sản xuất nhựa polystyren, một loại nhựa phổ biến và đa dạng, styren đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như đóng gói, xây dựng, điện tử và ô tô Vì vậy, việc nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình sản xuất styren từ etybenzen sẽ đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp này
Thứ hai, việc tìm hiểu và cải tiến quá trình sản xuất styren từ etybenzen có thể giúp giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh của các nhà sản xuất Styren là một nguyên liệu đắt đỏ trong ngành công nghiệp hóa chất, và việc tối ưu hóa quy trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất Điều này có thể đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất và tăng cường năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp
Thứ ba, quá trình sản xuất styren từ etybenzen có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu về quá trình này có thể giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố quan trọng như chất xúc tác, điều kiện phản ứng và quy trình tái chế Bằng cách tối ưu hóa các yếu tố này, có thể cải thiện hiệu suất, giảm lượng chất thải và tạo ra sản phẩm chất lượng cao
Việc nghiên cứu quá trình sản xuất styren từ etybenzen cũng liên quan đến việc tìm hiểu và áp dụng các phương pháp, công nghệ mới nhằm tăng cường hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và giảm tác động môi trường Trong bối cảnh ngày càng quan tâm đến phát triển bền vững, việc nghiên cứu và cải tiến quá trình sản xuất styren có thể đóng góp vào việc xây dựng một ngành công nghiệp hóa chất thân thiện với môi trường
Việc chọn đề tài nghiên cứu quá trình sản xuất styren từ etybenzen mang lại nhiều lợi ích quan trọng, từ khía cạnh ứng dụng và kinh tế cho đến phát triển công nghệ và bền vững Nghiên cứu này có tiềm năng cung cấp thông tin và giải pháp hữu ích cho ngành công nghiệp hóa chất và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu về quá trình sản xuất styren từ etybenzen có phạm vi rộng và mang lại nhiều lợi ích Đầu tiên, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc hiểu cơ chế phản ứng và xác định các chất trung gian và sản phẩm phụ trong quá trình chuyển đổi etybenzen thành styren Điều này sẽ cung cấp thông tin cần thiết để tối ưu hóa và kiểm soát quá trình sản xuất
Thứ hai, nghiên cứu sẽ tìm hiểu và tối ưu hóa các yếu tố quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ phản ứng và chất xúc tác để đạt được hiệu suất cao nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất Qua việc thí nghiệm và mô hình hóa, chúng ta có thể đánh giá và dự đoán tác động của các yếu tố này đối với quá trình sản xuất
Nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào chất xúc tác, đánh giá các loại chất xúc tác khác nhau và điều chỉnh tính chất và hoạt tính của chúng để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm Điều này giúp tối ưu hóa sự tương tác giữa phản ứng và chất xúc tác, đồng thời giảm thiểu chi phí và tác động môi trường
Một mục tiêu quan trọng của nghiên cứu này là đánh giá và giảm thiểu tác động môi trường em sẽ xem xét các biện pháp xử lý chất thải, tối ưu hóa sử dụng nguyên liệu và năng lượng, và khám phá các phương pháp tái chế và tái sử dụng Điều này đảm bảo rằng quá trình sản xuất styren từ etybenzen được thực hiện một cách bền vững và có ích cho môi trường
Nghiên cứu sẽ phân tích kinh tế và đánh giá tính bền vững của quá trình sản xuất.Chúng ta sẽ xem xét chi phí sản xuất, tính khả thi kinh tế và cân nhắc các yếu tố bền vững như tiêu thụ năng lượng, tài nguyên và tác động môi trường Mục tiêu là tạo ra một quá trình sản xuất styren hiệu quả từ mặt kinh tế và môi trường, đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất
Nghiên cứu về quá trình sản xuất styren từ etybenzen sẽ tập trung vào cơ chế phản ứng, tối ưu hóa điều kiện phản ứng, nghiên cứu chất xúc tác, đánh giá và giảm thiểu tác động môi trường, cũng như phân tích kinh tế và đánh giá tính bền vững.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong quá trình sản xuất styren từ etybenzen có thể bao gồm các nhà nghiên cứu, kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực hóa học, công nghệ hóa chất và quản lý môi trường Những người này sẽ tham gia vào quá trình nghiên cứu để hiểu rõ về cơ chế phản ứng, tối ưu hóa điều kiện, nghiên cứu chất xúc tác và đánh giá tác động môi trường
Các nhà nghiên cứu sẽ đảm nhận vai trò chính trong việc nghiên cứu và phân tích cơ chế phản ứng, xác định các chất trung gian và sản phẩm phụ, và đề xuất các phương pháp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm Họ sẽ thực hiện các thí nghiệm và sử dụng các phương pháp phân tích để đánh giá và kiểm tra các giả định và giải pháp đề xuất
Các kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ hóa chất sẽ đảm nhận vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng và quá trình sản xuất Họ sẽ nghiên cứu và điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ phản ứng và chất xúc tác để đạt được hiệu suất cao nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất Đồng thời, họ sẽ đánh giá tính khả thi kỹ thuật và kinh tế của các phương pháp và công nghệ sản xuất Các chuyên gia về quản lý môi trường sẽ tham gia vào nghiên cứu để đánh giá và giảm thiểu tác động môi trường của quá trình sản xuất styren Họ sẽ xem xét các biện pháp xử lý chất thải, tối ưu hóa sử dụng nguyên liệu và năng lượng, và khám phá các phương pháp tái chế và tái sử dụng để đảm bảo rằng quá trình sản xuất được thực hiện một cách bền vững và góp phần vào bảo vệ môi trường Đối tượng nghiên cứu trong quá trình sản xuất styren từ etybenzen bao gồm các nhà nghiên cứu, kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực hóa học, công nghệ hóa chất và quản lý môi trường Sự hợp tác giữa các chuyên gia này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các mục tiêu nghiên cứu và phát triển quá trình sản xuất styren hiệu quả và bền vững.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu trong quá trình sản xuất styren từ etybenzen là đạt được hiệu suất sản xuất tốt nhất và chất lượng sản phẩm cao Để đạt được điều này, nghiên cứu sẽ tập trung vào các khía cạnh quan trọng như cơ chế phản ứng, điều kiện phản ứng, chất xúc tác và tác động môi trường Đầu tiên, nghiên cứu sẽ tiến hành tìm hiểu cơ chế phản ứng chuyển đổi etybenzen thành styren Bằng cách xác định các chất trung gian và sản phẩm phụ trong quá trình, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về quá trình phản ứng diễn ra và các yếu tố ảnh hưởng đến nó
Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tối ưu hóa điều kiện phản ứng, bao gồm nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ phản ứng và chất xúc tác Bằng cách thí nghiệm và mô hình hóa, chúng ta có thể đánh giá và dự đoán tác động của các yếu tố này và điều chỉnh điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất cao nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất
Nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào khảo sát và cải thiện chất xúc tác trong quá trình sản xuất Chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, do đó, việc đánh giá và tối ưu hóa các loại chất xúc tác khác nhau, cũng như điều chỉnh tính chất và hoạt tính của chúng, sẽ giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm
Mục tiêu tiếp theo là giảm tác động môi trường của quá trình sản xuất Nghiên cứu sẽ xem xét các biện pháp xử lý chất thải, tối ưu hóa sử dụng nguyên liệu và năng lượng, và khám phá các phương pháp tái chế và tái sử dụng Mục tiêu là tạo ra một quá trình sản xuất styren bền vững và có ích cho môi trường
Nghiên cứu sẽ tiến hành đánh giá kinh tế và tính bền vững của quá trình sản xuất.Điều này bao gồm đánh giá chi phí sản xuất, tính khả thi kỹ thuật và kinh tế, cũng như cân nhắc các yếu tố bền vững như tiêu thụ năng lượng, tài nguyên và tác động môi trường Mục tiêu là tạo ra một quá trình sản xuất styren hiệu quả từ mặt kinh tế và môi trường, đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất
Mục tiêu nghiên cứu trong quá trình sản xuất styren từ etybenzen là tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm, giảm tác động môi trường, đánh giá tính khả thi kinh tế và nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.
TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Etybenzen là gì
Ethylbenzen là một hợp chất hydrocarbon thơm có công thức phân tử C8H10. Ethylbenzen là đồng phân hydrocarbon thơm của o-xilen, m-xilen và p-xilen Tương tự toluen, ethylbenzen có các phản ứng thế nhân khi có mặt bột Fe, thế nhánh khi đưa ra ngoài ánh nắng, cộng H2 khi có xúc tác nickel, bị oxy hóa mạch nhánh khi đun cách thủy với dung dịch KMnO4
Ethylbenzen được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất styren (từ styren có thể chế tạo một trong những loại nhựa phổ biến nhất - polystyren)
Tên khác Ethylbenzol, EB, phenyletan Công thức hoá học C8H10
Bề ngoài Chất lỏng không màu
Tỷ trọng và pha 0,867 g/cm³, lỏng Độ hoà tan trong nước 0,015 g/100 ml (20 °C) trong dung môi hữu cơ hòa tan với mọi tỷ lệ
Nhiệt độ sôi 136 °C (409 K) Độ nhớt 0,669 cP ở 20 °C
Nguy hiểm chính Dễ cháy Điểm bốc cháy 15-20 °C
Chỉ dẫn nguy hiểm và an toàn R: 11, 20
Cấu trúc và ’’n’’, ’’εr‘‘, v.v tính chất
Phổ UV, IR, NMR, MS
Hyđrocacbon thơm liên quan styren, toluen
Hóa chất liên quan benzen polystyren
Nguyên liệu etybenzen
Etylbenzen có công thức phân tử là: C6H5C2H5.
Hình 2.2 Cấu tạo etybenzen Ở điều kiện bình thường, etylbenzen là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi thơm đặc trưng, tương đối độc hại khi uống phải, hít thở và hấp phụ qua da, gây kích ứng nhẹ cho da và mắt Một số tính chất dặc trưng của etylbenzen được trình bày trong bảng 1:
Bảng 1: Một số thông số vật lý đặc trưng của etylbenzen
Thông số Đơn vị Giá trị
Khối lượng phân tử đvC 106,168
Nhiệt độ sôi tại 101,3 kPa 0 C 136,2 Áp suất tới hạn kPa 3,609
Nhiệt độ chớp cháy cốc kín 0 C 15 Độ nhớt động học tại 37,8 0 C m 2 /S 0,6428.10 -6
Sức căng bề mặt mN/m 28,48
Phản ứng mang tính thương mại quan trọng nhất của etylbenzen là phản ứng khử để tạo thành styren, phản ứng này thực hiện ở nhiệt độ cao (600 – 6600C), dùng xúc tác K/FeO, hơi nước trong phản ứng này được sử dụng như một dung môi Độ chọn lọc của phản ứng lên tới 90 – 97 % mol, độ chuyển hóa là 60 – 70 % Ngoài ra, còn xảy ra phản ứng phụ dealkyl hóa etylbenzen thành benzen và toluen
Một phản ứng không kém phần quan trọng và đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay 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 độ cao để tránh bị phân hủy và các phản ứng phụ
Năm 1999, khoảng 15% lượng etylbenzen trên toàn thế giới được dùng để sản xuất đồng thời mono styren và propylen oxit
Cũng giống như toluen, etylbenzen có thể tham gia phản ứng dealkyl hóa có mặt của 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 hợp chất thơm.
*Một số phản ứng hoá học nổi bật
2.2.3 Tồn trữ và vận chuyển etylbenzen
Etylbenzen là chất lỏng dễ cháy nên phải được tồn trữ và vận chuyển trong các thùng chứa bằng thép và được kiểm kiểm soát bởi các quy định phù hợp của các cơ quan hữu quan.
Ethylbenzen là một chất lỏng dễ cháy cao, nhiệt độ chớp cháy 15 – 20 ℃ vì vậy phải xử lý nhiệt độ môi trường xung quanh, tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp và các nguồn nhiệt.
Ethylbenzen có thể tích tụ tĩnh điện do đó phải chú ý đến các biện pháp chống lại tĩnh xã ( tia lửa gây nguy hiểm).
Gần như toàn bộ nguồn nguyên liệu etylbenzen thương phẩm được sản xuất từ quá trình alkyl hóa benzen với etylen Tuy nhiên khoảng 99% etylbenzen sử dụng để sản xuất styren, khoảng 95% etylbenzen thu được từ quá trình alkyl hóa benzen vói etylen và 5% thu được từ phân đoạn C8 của quá trình reforming xúc tác
Etylbenzen có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành hóa học và công nghiệp:
- Sản xuất styren: Etylbenzen là nguyên liệu quan trọng trong việc sản xuất styren, một hợp chất được sử dụng rộng rãi để sản xuất nhựa polystyren, cao su styren-butadien (SBR) và các sản phẩm khác.
- Sản xuất polystyren: Styren được sản xuất từ etylbenzen là thành phần cơ bản để sản xuất polystyren, một loại nhựa cứng, trong suốt và dễ gia công. Polystyren được sử dụng trong các sản phẩm như hộp đựng thực phẩm, bộ đồ chơi, vỏ điện thoại và nhiều ứng dụng khác.
- Sản xuất hóa chất tổng hợp: Etylbenzen là nguyên liệu trong việc sản xuất các hóa chất tổng hợp như chất dẫn xuất của styren, thuốc nhuộm, chất chống cháy và dầu mỡ tổng hợp.
- Sản xuất polymer: Etylbenzen cũng có thể được sử dụng để sản xuất các polymer khác nhau thông qua việc chuyển đổi thành các hợp chất khác trong quá trình hóa học.
- Chất tạo màu: Etylbenzen có thể được sử dụng để sản xuất các chất tạo màu dùng trong ngành dệt nhuộm và ngành sản xuất mực in.
Trong công nghiệp, etylbenzen được điều chế thông qua phản ứng alkylation bằng cách kết hợp benzen và etilen dưới sự tác động của xúc tác acid như AlCl3 Xúc tác này giúp tạo ra etylbenzen thông qua việc gắn nhóm etyl vào vòng benzen Sau đó,sản phẩm được tách ra và xử lý để thu được etylbenzen tinh khiết.
Styren là gì
Stiren hay vinyl benzene hoặc phenyl ethene là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C6H5-CH=CH2 Đây là chất lỏng gốc benzen không màu, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, dễ bay hơi và có vị hơi ngọt tuy nhiên khi đậm đặc thì có mùi khó chịu.
Styren là chất được dùng để sản xuất polystyren và nhiều polyme khác Có khoảng 25 triệu tấn styren được sản xuất trong năm 2010 [1]
Styren được sử dụng trong xốp và góp phần làm phát triển ung thư, giảm thị lực, thính giác và gây tổn thương hệ thần kinh.
Tên khác Vinyl benzene; cinnamene; styrol; phenylethene; diarex HF 77; styrolene; styropol; vinylbenzene
Số RTECS WL3675000 Ảnh Jmol-3D ảnh
Bề ngoài colorless oily liquid Khối lượng riêng 0.909 g/cm³ Điểm nóng chảy −30 °C (243 K; −22 °F) Điểm sôi 145 °C (418 K; 293 °F) Độ hòa tan trong nước < 1%
Chiết suất (n D) 1.5469 Độ nhớt 0.762 cP at 20 °C
Nguy hiểm chính flammable, toxic
Chỉ dẫn S Bản mẫu:S38 Bản mẫu:S20 S23 Điểm bắt lửa 31 °C
Các hợp chất liên quan aromatic compounds liên quan Ethylbenzene
Nguyên liệu Styren
2.4.1 Tính chất vật lý của styren
Styren có công thức phân tử là: C6H5-CH=CH2
Styren là một chất lỏng không màu có mùi đặc biệt,hơi ngọt Khi styren tiếp xúc với người gây ra các kích ứng về đường hô hấp như co thắt cổ họng và phổi, gây kích ứng mắt và da, gây các biểu hiện chóng mặt Styren có thể trộn lẩn với các dung môi hữu cơ nhất định với tỷ lệ bất kỳ Nó là dung môi tốt cho cao su tổng hợp, polystyren và các polymer có liên kết ngang không lớn khác Styren ít hòa tan trong các hợp chất hydroxyl 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 tới hạn ( 0 C) 362.1 Áp suất tới hạn(MPa) 3.83
Thể tích tới hạn(ml/g) 3.37
Giới hạn nổ trong không khí (%V)
1.1 6.1 Điểm chớp cháy cốc kín ( 0 C) 31.1 Độ nhớt đông học ở 0 ℃ (mm 2 /s) 1.1
Nhiệt đốt cháy ở 25 ℃ (KJ/mol) -4265,64
Nhiệt hình thành ở 25 ℃ (KJ/mol) 147,46
Bảng 3: Độ hòa tan của oxy ( từ không khí) [2,4]
Nhiệt độ , C 15 25 35 Độ hòa tan mg/kg 53 50 45
Bảng 4: Áp suất hơi của styren tại một số nhiệt độ [2,4]
Bảng 5: Độ hòa tan lẩn nhau của styren và nước,% KL riêng [2,4]
T, C Nước trong Styren Styren trong nước
2.4.2 Tính chất hoá học Styren
Các phản ứng quan trọng của styren là trùng hợp để tạo polystyren, nhưng nó củng 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 ứng dẩn đến các peoxit khối lượng phân tử cao Oxy hóa styren cũng tạo ra các hợp chất khác: benzadehit, formandehit, axit fomic
Các halohydrin là trung gian quan trọng trong hóa học Chúng phản ứng với kiềm tạo các oxit styren và tiếp tục thủy phân tao phenylglycol Iothydrin được hình thành 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 công nghiêp nước hoa Được hình thành từ sự hydrat hóa của styren nhờ axetat thủy ngân(II):
CH = CH 2 (CH 3 COO) 2 Hg
CHCH 3 OH Ête metyl tương ứng thu được bằng cách thêm metanol (tại 135-150 ℃ trong môi trường ax sulfuric):
Styren phản ứng với sulfuadioxit, natri, anilin, các amin, natrihydrat phân cắt tại liên kết đôi C=C Nhiều phản ứng của styren voi lưu huỳnh và ni tơ củng đã được kiểm nghiệm Styren phản ứng với lưu huỳnh ở nhiệt độ cao tạo hydrogen sulfit, styrensulfit, và diphenylthiophen:
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 Các hợp chất này thích hợp cho việc làm sạch styren hoặc để tách styren từ hổn hợp các hydrocacbon khác.
Các ankyl Li như C2H5Li phản ứng trùng hợp với styren với sự có mặt ête, styren trùng hợp gần như hoàn toàn bởi natri.
Việc kiểm soát trùng hợp với olefin đã tạo ra rất nhiều quan tâm trong công nghiệp tạo ra nhiều polymer mới quan trọng như là chất hóa dẻo, chất bôi trơn, thiết bị phụ trợ dệt may.Ta có thể đi từ hydrocacbon thơm như benzen trong sự có mặt nhôm clorua thay cho các olefin khác:
2.4.3 Tồn chứa và vận chuyển Styren
Styren rất dể cháy, nó chớp cháy ở nhiệt độ 31 ℃ Styren trùng hợp và toả nhiệt dể dàng do đó trong việc vận chuyển và tồn trữ nếu không kiểm soát được phản ứng trùng hợp có thể dẩn đến áp lực trong thùng chứa gây khả năng cháy nổ vì vậy cần thiết phải có biện pháp phòng ngừa cháy nổ Để tăng hạn sử dụng monomer styren được cho thêm chất ức chế và oxy Để ngăn chặn sự xuất hiện trùng hợp nguy hiểm styren luôn luôn được giữ lạnh và chất ức 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 theo tiêu chuẩn và trong các thùng chứa thường được lót kẽm vô cơ, dùng các hệ thống cách nhiệt và làm mát bồn chứa.
Các vật liệu và linh kiện tránh tiếp xúc với sản phẩm styren vì có thể dẩn đến việc làm đổi màu styren.
Monome styren với khối lượng lớn có điện trở suất cao có thể tích điện trong lúc di chuyển cho nên cần có biện pháp hiệu quả loại bỏ phóng điện không kiểm soát được.
1 Sản xuất nhựa polystyren: Styren là nguyên liệu chính để sản xuất polystyren, một loại nhựa tổng hợp rất phổ biến Polystyren có đặc tính nhẹ, trong suốt, cách nhiệt và có khả năng cách âm tốt Nó được sử dụng rộng rãi trong ngành đồ nhựa, bao gồm sản xuất đồ dùng gia đình, đồ chơi, đồ điện tử, đồ nội thất, hộp đựng và đồ gốm nhựa.
2 Sản xuất cao su styren-butadien
Styren cũng được sử dụng để sản xuất cao su styren-butadien, hay SBR SBR có tính đàn hồi tốt và chịu được các điều kiện khí hậu khắc nghiệt Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất lốp xe ô tô, đế giày, sản phẩm cao su công nghiệp và các ứng dụng trong ngành xây dựng.
3 Sản xuất chất kết dính: Styren có thể được sử dụng để sản xuất các chất kết dính, bao gồm keo dán, keo epoxy và keo nhựa Những chất kết dính này có tính năng kết dính mạnh mẽ và được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm xây dựng, đóng gói, điện tử và hàng không vũ trụ.
4 Sản xuất chất tẩy rửa và chất làm sạch:
Styren được sử dụng để sản xuất các chất tẩy rửa và chất làm sạch Chẳng hạn, nó có thể được sử dụng để tạo ra các thành phần trong chất tẩy rửa gia đình, chất tẩy rửa công nghiệp và các sản phẩm chăm sóc cá nhân.
5 Sản xuất xốp polystyren: Styren cũng được sử dụng để sản xuất xốp polystyren, được biết đến với tên gọi biển xốp hay bọt xốp Xốp polystyren có khối lượng nhẹ và khả năng cách nhiệt tốt, do đó được sử dụng rộng rãi trong việc đóng gói, bảo vệ sản phẩm, cách nhiệt và ứng dụng xây dựng.
CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT STYREN
Phương pháp dehyro hoá trực tiếp entybenzen
Phản ứng dehydro hóa etylbenzen là phản ứng thu nhiệt mạnh, tăng thể tích theo phương trình sau:
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 ℃ , độ chuyển 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 ứng cracking với sự tạo thành cốc và khí, và phản ứng ankyl hóa styren thành metylstyren và chuyển hóa các sản phẩm phụ
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 có thể tăng tốc bằng cách sử dụng xúc tác Hơi nước có vai trò cung cấp nhiệt cho phản ứng (đặc biệt khi quá trình tiến hành ở chế độ đoạn nhiệt), giảm nhiệt lượng cung cấp cho một đơn vị thể thể tích, giảm áp suất riêng phần của hydrocacbon, do vậy làm phản ứng chuyển dịch về phía tạo thành styren, làm giảm lượng cốc tạo thành và duy trì hoạt tính của xúc tác.
Xúc tác có vai trò làm tăng độ chuyển hóa và chọn lọc của phản ứng, giảm nhiệt độ phản ứng.Tuy vậy nhiệt độ phản ứng vẩn cao, khoảng 550-650 ℃ , áp suất 0.1-0.3 MPa (trong các sơ đồ cũ và thấp hơn 0.1 MPa ) trong các sơ đồ mới Các xúc tác 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 (aluminat canxi) Tùy thuộc vào loại xúc tác sử dụng, quá trình có thể tiến hành trong điều kiện đẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt.
Quá trình này được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, được phát triển theo các giai đoạn sau:
- 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% Do vậy để thu được độ chuyển hóa cao, phải thêm một lượng đáng kể hơi nước ở nhiệt độ cao 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 áp suất 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 thiết kế đặc biệt (thường sử dụng loại thiết bị xuyên tâm thay cho dọc trục) Thiết bị phản ứng loại xuyên tâm phù hợp để chế tạo thiết bị phản ứng công suất lớn ( đường kính thiết bị loại dọc trục không vượt quá 6,3 ÷ 6,5m.
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% hơi nước,gia nhiệt đến 530-550 ℃ và đưa vào thiết bị phản ứng 90% lượng hơi nước còn lại 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 bị phản ứng có nhiệt độ 590-600 ℃ được làm lạnh nhanh chóng trong thiết bị tôi bằng nước, nhiệt của khí sản phẩm được dùng để sản xuất hơi nước áp suất trung bình, sau đó khí sản phẩm được tiếp tục làm lạnh trong 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 thành 3 pha:
- Pha khí giàu hydro, CO, CO2, hydrocacbon nhẹ (metan,etylen,…): sau khi được nén, hóa lỏng phân đoạn nặng, được sử dụng làm nhiên liệu.
- Pha nước giàu hydrocacbon thơm được đưa vào tháp tách, benzen và toluen được hồi lưu.
- Pha hữu cơ chủ yếu chứa styren và etylbenzen được đưa sang bộ phận tách.
Quá trình này có đặc điểm đó là thiết bị phản ứng ống chùm có chiều cao ống hống
=2.5-4m, ∅ ống-20 cm và xúc tác chứa đầy trong ống.
Các điều kiện công nghệ như sau:
- Nhiệt độ nguyên liệu đầu: 580 ℃
- Nhiệt độ chất tải nhiệt: ở đầu vào 750 ℃ ở đầu ra 630 ℃
- Độ chuyển hóa (1 lần phản ứng) 60%
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 bay hơi và làm nóng quá nhiệt nhờ quá trình trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng và khí khói Khói lò sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng sẻ hạ nhiệt xuống còn
375 ℃ , một phần được thải ra, và phần còn lại được gia nhiệt trong lò để tiếp tục làm chất tải nhiệt.
Hình 3.1 Công nghệ BASF sản xuất styren bằng quá trình dehydro hóa đẳng nhiệt
Xử lý sản phẩm dehydro hóa
Styren thô bao gồm etylbenzen chưa chuyển hóa, nước, styren, và các sản phẩm phụ (benzen,toluen,…) Đầu tiên sản phẩm thô này sẻ được đem tách thành pha nước và pha hữu cơ Pha hữu cơ được đem chưng cất phân đoạn để tách styren và thu hồi etylbenzen chưa chuyển hóa Sản phẩm dehydro hóa có chưa 50% styren được đưa vào bốn tháp chưng cất lần lượt thực hiện các nhiệm vụ sau:
Thu styren thô ở đáy tháp thứ nhất (70 đĩa):
Do chênh lệch nhiệt độ sôi bé: etylbenzen (136 ℃ ¿, styren (145 ℃ ) nên có khuynh hướng dể dàng trùng hợp (ngay cả trong điều kiện chân không), nên quá trình tách styren 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 tháp xuống
- 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 đỉnh tháp 50 ℃ , đáy tháp 105 ℃ , tương ứng với áp suất 10 và 20 kPa, có sử dụng chất ức chế 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 quá trình chưng cất styren, còn tert-butyl-4-catechol hoặc hydroquinon được sử dụng làm chất ức chế trong quá trình bảo quản styren.
Đồng sản xuất propylen oxyt và styren
Quá trình bao gồm bốn giai đoạn:
Oxy hóa pha lỏng etylbenzen thành hydroperoxyt với sản phẩm phụ là axetophenol và phenyl-1 etanol:
Phản ứng tỏa nhiệt, không sử dụng xúc tác Tuy nhiên cần sử dụng các hợp chất có tính kiềm (như CaCO3 hoặc MgCO3) để trung hòa axit tạo thành và ngăn cản sự 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
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 thể giảm tỷ lệ propylen sử dụng Công nghệ Shell sử dụng xúc tác dị thể là các oxyt kim loại (Mo.
Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, xảy ra ở nhiệt độ 100-130 ℃ , áp suất 3.5MPa Độ chuyển hóa hydropeoxyt rất cao (> 97%) [1].
Hydro hóa hydropeoxyt còn lại và sản phẩm phụ axetophenon thành phenyl-1etanol:
Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 120-150 ℃ , áp suất 1MPa, với xúc tác oxyt Cu, Cr, Ni mang trên SiO2 [1].
Dehydro hóa phenyl-1 etanol thành styren
Phản ứng xảy ra trong pha khí ở nhiệt độ 250 ℃ , áp suất 0.2-0.3 MPa, với xúc tác axit (10-15% trọng lượng mang trên TiO2 hoặc Al2O3) [1].
Công nghệ Oxyran sản xuất styren và protylen oxyt từ etylbenzen và propylen được trình bày trong hình 3 Quá trình bao gồm các giai đoạn sau:
- Oxy hóa: Etylbenzen được oxy hóa với không khí trong pha lỏng Quá trình được tiến hành trong các thiết bị phản ứng tháp sủi bọt rỗng đặt nối tiếp, nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng giảm dần, thời gian lưu trong các thiết bị khoảng
1 giờ Nhiệt phản ứng được tách bằng cách bay hơi một phần pha lỏng, sau đó được ngưng tụ và hồi lưu Sản phẩm thu được chứa 10 – 12% trọng lượng hydroperoxyt Nồng độ hydroperoxyt có thể được tăng lên 17% trong thiết bị bay hơi, etylbenzen thu hồi được tuần hoàn lại vùng phản ứng.
- 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 khoảng 11/4 giờ Propylen dư được thu hồi trong hai thiết bị tách propan và được hồi lưu lại thiết bị epoxy hóa Các sản phẩm oxygenate và etylbenzen chưa phản ứng được thu hồi trong tháp tách thứ hai được chưng cất chân không để tách propylen oxyt và các cấu tử nhẹ ở đỉnh tháp Các cấu tử nhẹ như axetaldehit được tách bằng chưng cất đơn giản, metyl format được tách bằng chưng cất trích ly với etylbenzen Etylbenzen được làm sạch và tuần hoàn.Propylen oxyt được tiếp tục làm sạch để thu được PO thương phẩm.
- Hydro hóa: Sản phẩm đáy của tháp chưng cất chân không được đưa vào thiết bị 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 hóa trong hai tháp chưng tiếp theo
- Dehydrat hóa: Rượu thu được được dehydrat hóa trong các thiết bị dehydrat hóađặt 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 và tuần hoàn lại thiết bị hydro hóa Styren được tinh chế để thu được styren thương phẩm.
CHƯƠNG IV: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT STYREN
4.1 Quy trình sản xuất styren Lumus UOP của Mỹ Đây là quy trình sản xuất monome styren (SM) dùng cho sản xuất polyme, gồm có 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 máy đang vận hành với công nghệ Lumus UOP "cổ điển" và 3 nhà máy áp dụng công nghệ Lumus UOP "thông minh" Sơ đồ công nghệ Lumus UOP được trình bày trong hình 4. Ở quy trình cổ điển, etyl benzen (EB) được tách hyđro với sự tham gia của xúc tác và hơi nước để tạo thành styren Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao và trong chân không EB (mới nạp liệu và hồi lưu) và hơi nước sơ cấp được kết hợp với hơi quá nhiệt, tiếp đó hỗn hợp này được tách hyđro trong hệ phản ứng nhiều bước Một thiết bị gia nhiệt trung gian sẽ tái gia nhiệt công nghệ giữa các bước phản ứng Các dòng phản ứng được làm lạnh để thu hồi nhiệt thải, đồng thời ngưng tụ hyđrocacbon và 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 cất để loại bỏ các hyđrocacbon thơm. Ở phần cất phân đoạn, các thành phần sau được tách riêng: styren với độ tinh khiết cao, EB chưa chuyển hóa sẽ được hồi lưu, và sản phẩm phụ với tỷ lệ tương đối nhỏ là hắc ín Một phần dòng hồi lưu được chuyển hóa thành toluen và benzen Phần benzen 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 chất xúc 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 là oxy 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":
- 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 3.2 Sơ đồ công nghệ Lumus UOP của Mỹ
1 Lò gia nhiệt 5 TB tách styren
2 TB dehydro hóa đoạn nhiệt 6 TB tinh chế styren
3 TB tách khí 7 TB thu hồi etylbenzen
4 TB tách condensat 8 TB tách phân đoạn nhẹ
4.2 Quy trình sản xuất styren của GTC Đây là công nghệ của công ty GTC Technology Toyo Engineering Corp, được áp dụng để thu hồi styren trực tiếp từ nguyên liệu xăng nhiệt phân thô - sản phẩm dẫn xuất của quy trình cracking hơi nước đối với naptha, dầu gazoin và khí thiên nhiên hóa lỏng.
Sơ đồ công nghệ sản xuất styren của GTC được trình bày trong hình 3.3.
Nguyên liệu xăng nhiệt phân được cất phân đoạn sơ bộ, lấy phần giữa là dòng C8, phần cất chứa styren thu được sẻ được nạp vào tháp chưng cất và phối trộn với một dung môi chọn lọc, dung môi này chiết styren xuống đáy tháp, hỗn hợp dung môi giàu styren được đưa vào tháp thu hồi dung môi, từ đây dung môi sạch được hồi lưu lại tháp chưng cất và phần styren cất ở đỉnh tháp được thu hồi Bước tinh chế cuối cùng tạo ra sản phẩm styren nồng độ 99,9% với hàm lượng phenyl axetylen nhỏ hơn 50 ppm.
Phần đỉnh từ tháp chưng cất có thể được xử lý tiếp để thu hồi dòng xylen hỗn hợp chất lượng cao Một nhà máy cracking thông thường trên thế giới có thể sản xuất khoảng 25.000 tấn styren/ năm và 75.000 tấn xylen hỗn hợp/ năm từ nguyên liệu xăng nhiệt phân [6].
Quy trình GTC có ưu điểm:
Sản phẩm styren của quy trình có độ tinh khiết cao, thích hợp cho các phản ứng polyme hóa và có giá rất cạnh tranh so với styren được sản xuất theo các quy trình thông thường Nếu muốn, người ta cũng có thể chiết xylen hỗn hợp từ xăng nhiệt phân, nhờ đó tăng chất lượng xylen làm nguyên liệu hóa chất Quy trình này có hiệu quả 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 hủy ở bộ phận hyđro hóa giai đoạn đầu Sau đó, xăng nhiệt phân đã hyđro hóa được cất phân đoạn để chiết benzen và toluen Quy trình của GTC cho phép tiến hành cất phân đoạn
"đầu dòng" ở các thiết bị xử lý với hyđro, nhờ đó giảm tiêu hao hyđro và ngăn hiện tượng hỏng xúc tác do các polyme của styren Trong nhiều trường hợp, phần lớn các thiết bị cất phân đoạn hiện có đều có thể được tái sử dụng trong bộ phận thu hồi styren.
Sản phẩm giàu Dung môi
Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ của GTC sản xuất styren
1,2, Thiết bị chưng cất 4, Thiết bị thu hồi dung môi
3, Thiết bị cất chiết 5, Thiết bị tinh chế
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT STYREN TRONG THỰC TẾ
SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT STYREN
Thuyết minh sơ đồ công nghệ
5.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hóa học và công nghệ kĩ thuật đòi hỏi mỗi kĩ sư công nghệ cần hiểu biết và sử dụng thành thạo ít nhất một trong các số phần mềm 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 khả năng thiết kế, tính toán quá trình theo các thông số thiết kế Do đó trong xây dựng và thiết 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 nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy sử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến 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 trợ các kỹ sư thực hiện hiệu quả Khả năng ứng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năng vượt trội của Hysys đã và đang tiếp tục phát triển.
5.2 CƠ SỞ MÔ PHỎNG HỆ NHIỆT ĐỘNG
Styren được tạo thành từ quá trình dehydro hóa etybenzen Phản ứng chính quá trình tạo thành styren và H2:
Etylbenzen ↔ styren + H2 ∆ Hr (620 ∆ ℃ ) = 124.83 kJ?/mol Phản ứng dehydro hóa thu nhiệt mạnh nên đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao (trên 600
℃ ) và với sự có mặt của hơi nước Đồng thời, phản ứng là tăng thể tích do áp suất hơi 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 phản ứng 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 và toluen:
MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ BẰNG PHẦN MỀM HYSYS
GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hóa học và công nghệ kĩ thuật đòi hỏi mỗi kĩ sư công nghệ cần hiểu biết và sử dụng thành thạo ít nhất một trong các số phần mềm 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 khả năng thiết kế, tính toán quá trình theo các thông số thiết kế Do đó trong xây dựng và thiết 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 nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy sử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến 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 trợ các kỹ sư thực hiện hiệu quả Khả năng ứng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năng vượt trội của Hysys đã và đang tiếp tục phát triển.
CƠ SỞ MÔ PHỎNG HỆ NHIỆT ĐỘNG
Styren được tạo thành từ quá trình dehydro hóa etybenzen Phản ứng chính quá trình tạo thành styren và H2:
Etylbenzen ↔ styren + H2 ∆ Hr (620 ∆ ℃ ) = 124.83 kJ?/mol Phản ứng dehydro hóa thu nhiệt mạnh nên đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao (trên 600
℃ ) và với sự có mặt của hơi nước Đồng thời, phản ứng là tăng thể tích do áp suất hơi 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 phản ứng 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 và toluen:
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 cốc và khí, phản ứng alkyl hóa styren thành metylstyren và chuyển hóa các sản phẩm phụ.
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 có thể 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 phía tạo 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.
5.2.2 Lựa chọn hệ nhiệt động
Việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tính toán cho kết quả tốt Các hệ nhiệt đông có trong Hysys cho phép dự đoán được tính chất của các hỗn hợp từ cac hydrocacbon nhẹ tới hỗn hợp của các khí phức tạp, và các hệ chất không điện ly Trong các ứng dụng với dầu, khí và hóa dầu phương trình trạng thái 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 động Peng-Robinson All Types cho quá trình mô phỏng.
5.2.3 Các thông số Kinetic của phản ứng dehydro hoá etybenzen
Nghiên cứu động học của quá trình dehydro hóa etylbenzen có thể sử dụng 3 phản ứng chính, bao gồm phản ứng chính tạo thành styren và hai phản ứng phụ tạo thành 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 khối lượng xúc tác ), do đó ta cần các bước đổi từ đơn vị này theo đơn vị m 3 gas (tính theo thể 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 riêng xúc 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.
Trong phản ứng Simple Rate thì hằng số cân bằng được chỉ ra:
- Phản ứng 2: kiểu phản ứng Kinetic:
- Phản ứng 3: kiểu phản ứng Kinetic:
5.2.4 Sơ đồ mô phỏng Hysys
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 dòng steam, 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 có các thiết bị gia nhiệt để tăng nhiệt độ nguyên liệu trước khi vào tầng phản ứng tiếp theo Ra khỏi vùng phản ứng, dòng sản phẩm có nhiệt độ 636 ℃ và được dẫn qua tháp tôi 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 sản phẩm.
Trước tiên,dòng sản phẩm được tách trong tháp tách 3 pha Pha khí bao gồm chủ yếu là H2 và các khí nhẹ, pha nước bao gồm chủ yếu là hơi nước ngưng tụ cùng các hydrocacbon thơm, còn pha hữu cơ giàu styren, etylbenzen, được đưa sang hệ thống tháp chưng cất.
Tháp chưng cất C1 là tháp toluen và benzen ở phần đỉnh còn đáy tháp thu được styren và etylbenzen, tháp làm việc ở đỉnh có nhiệt độ 45 ℃ và áp suất 25 kPa còn ở đáy là 95 ℃ ở áp suất 30kPa Phần đỉnh được đưa sang tháp tách phân đoạn nhẹ C2 để tách tiếp benzen và toluen, ở đây benzen thu được ở đỉnh còn toluen thu ở đáy tháp như là sản phụ của quá trình Phần sản phẩm đáy chủ yếu là styren và etylbenzen được đưa sang tháp tách C3 để tách vết etylbenzen trong sản phẩm cuối cùng.
Hình 7: Sơ đồ công nghệ mô phỏng Hysys quá trình sản xuất styren
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.
5.2.6 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
Các phản ứng phụ tạo benzen và toluen cũng được thiết lập tương tự với các số liệu 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 hoàn được bốc hơi trộn với hơi nước, sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ 632 ℃ đưa vào thiết bị phản ứng thứ nhất Trong thiết bị phản ứng thứ nhất ở nhiệt độ 610-632 ℃ , áp suất 160-170 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 đổi nhiệt để nâng nhiệt độ 650 ℃ và áp suất 145kPa, sau đó tiếp tục đưa vào thiết bị phản ứng 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 để hạ 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.
Hình 16.1: Điều kiện làm việc của tháp chưng C1
Hình16.2: Điều kiện làm việc của tháp chưng C1
Hình 16.3: Các thông số làm việc của tháp chưng C1
Sau khi qua thiết bị tách ba pha dòng hữu cơ vẫn chứa nhiều benzen, toluen, etylbenzen dư nên cần phải qua thiết bị chưng tách C1 Thiết bị chưng tách C1 làm việc ở nhiệt độ 45-95 ℃ và áp suất 25-30 kPa nên ở đỉnh tháp thu được benzen và toluen còn ở đáy tháp thu được etylbenzen dư và styren.
Hình 16.4: Thành phần sản phẩm trước và sau khi ra khỏi tháp chưng C1
Dòng sản phẩm đỉnh sau khi đi ra khỏi tháp chưng tách C1 sẽ được đưa vào thiết bị chưng tách C2 tiếp tục tách benzen và toluen.
Hình 17.1: Điều kiện làm việc của tháp chưng C2
Hinh17.2: Điều kiện làm việc của tháp chưng tách C2
Hình 17.3: Các thông số làm việc của tháp chưng C2