báo cáo bài tập lớn hysys thiết kế hệ thống quy trình cnhh đề tài sản xuất phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa

Sơ đồ phản ứng chính & phụ của phản ứng oxy hóa benzoic acid để sản xuất phenol ... Trong quá trình này, toluene đầu tiên được oxy hóa tạo thanh benzoic acid trén hé xuc tac cobalt — man

San xuat phenol tir benzoic acid thong qua phan ứng oxy hóa

Giang vién phu trach: Nguyễn Kim Trung Nhóm lớp: A04 Nhóm thực hiện:

Danh sách thành viên:

Dương Chí Cường 1710709

Lê Lâm Thùy Hân 1711225

Vũ Hoàng Khôi 1711824

Lê Minh Trung 1710353

Pham Thanh Van

er Kos

3 Quy trình sản xuất phenol 14

3.1.1 BenZoic acid occ ccc ccccccccccccscceceseccecsseecsssecessececsestesseeensesenesseessseenssecnessterecerss 14

4 Phin tich cac giai doan của quy trinh 18

DANH MUC TAI LIEU THAM KHAO

Điều kiện các h0 5601i)00(100 0000077

Xử lý trước khi vào bình phản Ung occ 101111 1111111211111 1t tre Chuẩn bị đòng lỏng - 2s 122222212211 11 2112111211212 212121212222 Hoat déng cla binh phan Ung PP NViididiidiiiii

XU Ly sau plan UN 0n -1ỔẲỒỶỒỶÝỒỀÁỀÉÉắẮÁ

Hoạt động của bình tách 2 pha ác 20121121 1 11 1111111011111 11 1110 11 1 tre

Hoạt động của tháp chưng cất - 55 22211221121222112.821222222 1 creg

32

33

Hình 4 Sơ đồ quy trình công nghệ điều chề - 22 22 21 221125112511221102112221221122112211 12C 16

Hình 5 Danh sách các cấu tử được nhập trong HYSYS L1 111 1n H100 11111 te, 18

Hình 6 Gói nhiệt động được sử dụng trong HYSYS

Hình 7 Sơ đồ phản ứng chính & phụ của phản ứng oxy hóa benzoic acid để sản xuất phenol 19 Hình 8 Thông số phản ứng (1) được nhập trong HYSYS -.2:22222222222112222122221222 c2 20 Hình 9 Thông số phản ứng (2) được nhập trong HYSYS -.2:2222222222112222122221222 c2 20

Hình 10 Phần xử lý trước khi vào bình phản ứng -2- s22 9222212E522E12111211211211222212 xe 21

Hình 11, Phần chuẩn bị dòng lỏng trước khi vào thiết bị trộn -s s11 111111101121111211 21 x24 21

Hình 12 Thông số dòng lỏng sau khi được bơm qua thiết bị gia nhiệt và hóa hơi 22 Hình 13 Phần chuẩn bị đòng khí trước khi vào thiết bi phản ứng - 2 22 2 222222222E12E2e2 22 Hình 14 Thông số dòng khí sau khi qua tiền xử lý trước khi vào bình phản ứng - 23 Hình 15 Thành phần các đòng trước và sau khi qua thiết bị phản ứng 22 22222222222 23 Hình 16 Thông số các dòng trước và sau khi vào thiết bị phan UN ccs eee 24 Hình 17 Thông số của dòng sản phẩm thô ở pha khí 2: 22222122S218222225522512251222222222222 24

Hình 18 Thông số của sản phẩm sau làm lạnh ¿(2c 22 1211121112111 1211211121118 Hà nhà nha 25 Hình 19 Dòng sản phẩm sau tách ở nhiệt độ 30° L0 L 1 HH1 HH HH na Hy nu ra 25

Hình 20 Dòng sản phẩm sau tách ở 50°C - 1 221221121140211211112112211211211121212 22x 26 Hình 21 Thông số bình tach hai pha 2-25 21 222225112551025122111211221110211211112112111221 1.2 26 Hình 22 Thành phần các dòng trước và sau khi vào thiết bị tách hai pha - . -: 27 Hình 23 Thông số của tháp chưng cắt 22 21221 22112111211122111111211211122112112121 1e 27 Hình 24 Thông số dòng chất trước khi vào tháp chưng cắt 25:222222222222222223222222e2 28

Hình 25 Tháp chưng cất khi số mâm băng 8, spec nồng độ ở đỉnh & đáy lần lượt là 0.999 va

Hình 27 Tháp chưng cắt khi số mâm bằng 10, spec nồng độ ở đỉnh & đáy lần lượt là 0.999 và

09079 ccc 1n HH HH1 H1 1H01 1t H14 1111111111 n1 111111010111 1111 0 29 Hình 28 Các specs & thông số của tháp chưng cắt khi số mâm bằng 10 -:-¿ 30 Hình 29 Thành phần của dòng sản phẩm cuối cùng .- 522 52222 22225212221222222222222120 30 Hình 30 Các thông số của dòng sản phẩm cuối cùng 2-5222 21221122512212221122112221222,.e 31

Ce KS

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Độ chuyển hóa và độ chọn lọc của phản ứng với các hệ xúc tác khác nhau 13

er Kos

GIỚI THIỆU ĐẺ TÀI

Phenol là một trong những tiền chất quan trọng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan

trọng như nhựa phenol, bis - phenol A, amline, và một số hóa chất trong nông nghiệp Hiện

nay, phương pháp chính được sử dụng đề điều chế phenol là phản ứng oxy hóa cumene Trong quá trình này, cumeme được tông hợp từ phán ứng giữa benzene và propylene Sau đó, tiến hành oxy hóa phenol bởi oxy không khí tạo thành cumeme hydroperoxide rồi phân hủy để tạo thành phenol

và acetone Đây là quá trình rất có lợi về mặt kinh tế do điều kiện phản ứng ôn hòa, hiệu suất

phenol cao va ca 2 san pham la phenol va acetone déu có lợi ích rất lớn về kinh tế Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng acetone đang giảm dân nhưng nhu cầu của phenol lại đang tăng rất mạnh, làm phát sinh nhu cầu phát triển một phản ứng tổng hợp mới

Dow process trong thời gian gần đây được xem là quy trình tổng hợp phenol hiệu quả để

thay thế cho quá trình trên Trong quá trình này, toluene đầu tiên được oxy hóa tạo thanh benzoic acid trén hé xuc tac cobalt — manganese, sau d6 benzoic acid tiép tục được oxy hóa bởi oxy không

khí để tạo thành phenol trên nền xúc tác đồng Tuy vậy, xúc tác đồng cho hiệu suất phenol thấp,

để tạo xỉ làm giám chu trình sống của xúc tác Vì vậy, trong bài báo cáo này sẽ trình bày quy trình tổng hợp phenol từ benzoic acid thông qua phản ứng oxy hóa bởi oxy không khí dựa trên thông

tin khảo sát từ nền xúc tác NiO và NiFezOx để thu được độ chuyển hóa và độ chọn lọc tốt nhất

ko

NỘI DUNG CHÍNH

[- 1 Giới thiệu chung

Đặc tính khử trùng của phenol được Sir Joseph Lister (1827 — 1912) sử dụng lần đầu tiên trong kỹ thuật giải phẫu Lister cho rằng các vét thương phái được làm sạch hoàn toàn, ông phủ lên vết thương một miếng gié hoặc vải lanh được phủ được ngâm trong axit carbolic (tên gọi khác của phenol) cho dù xuất hiện kích ứng da do tiếp xúc với phenol Trong khi đó, tại Carlisle, Anh, chính phủ đã thử nghiệm phương pháp xử lý nước thai sử đụng axit carbolic để giảm mùi của các

Vì rẻ tiền, dễ điều chế, gây ra cái chết nhanh chóng và êm dịu chỉ với 1 gram, phenol duge

sử dụng như một phương tiện giết người của Đức quốc xã trong thé chiến thứ hai từ năm 1939 đến

những ngày cuối cùng của cuộc chiến Thời kỳ đó, Zyklon-B, một phát minh của Gerhard Lenz,

được sử dụng trong các phòng hơi ngạt dé giết người với số lượng lớn, phát xít Đức còn dùng

phenol tiêm cho từng nạn nhân để sát hại nhóm ít người như một biện pháp tiết kiệm kinh tế Việc

tim phenol được áp dụng với hàng ngàn người dân trong các trại tập trung, đặc biệt là

ở Auschw1tz-Birkenau

Phenol là một hợp chất hữu cơ có vòng thơm với công thức phân tử CøH:OH Phân tử bao gồm một nhóm phenyl (—CøH5) liên kết với một nhóm hydroxy (-OH)

Ở điều kiện thường, phenol tồn tại dưới dang tinh thé ran, dé bay hoi, hoa tan dang ké trong

nước, với khoảng 84,2 ø hòa tan trong 1000 mL (0,895 M) nhưng ở 66°C thì tan vô hạn Phenol là một axit yếu Trong dung dịch với nước, có pH vào khoảng 8 - 12, ở trạng thái cân bang tao anion phenolate CsHsO- (con goi là phenoxide)

Phenol dé tham gia vao phan tmg thé dién tử vào nhân thơm do các electron x của nguyên

tử O nhường mật độ điện tích lên vòng Chính vì thế, nhiều nhóm chức có thể được thế vào vòng, thông qua quả trình halogen hóa, acy] hóa, sulfur hóa và các quả trình khác

Phenol phản ứng với axit nitrie loãng ở nhiệt độ phòng dé tạo ra hỗn hợp 2-nitrophenol và

4-nrtrophenol trong khi với axit nitric dam đặc, nhiều nhóm nitro được thay thế trên vòng để tạo

ra 2,4,6 trinitrophenol dugc goi la axit picric

Phenol duoc trung hoa boi natri hydroxit tao thanh natri phenate hoặc phenolate, nhưng do tính axit yêu hơn axit carbonic, nó không thể được trung hòa bằng natri bicarbonate hoac natri carbonate dé giai phong carbon dioxide

1.1.3 Vai trò

Vai trò chính của phenol, sử dụng đến hai phần ba sản lượng của nó chính là để điều chế các tiền chất cho ngành sản xuất nhựa KHi ngưng tụ với acetone cho ra bisphenol-A, tiền chất quan trọng của polycarbonates và nhựa epoxide Ngưng tụ phenol, alkylphenol hoặc diphenol với

formaldehyd cho nhựa phenolie, ví dụ như nhựa Bakelite Hydro hóa một phan phenol tao ra cyclohexanone, tiền chất của nylon

Phenol được dùng trong nghiên cứu sinh học phân tử để thu nhập axit nucleic từ mô hoặc

mẫu muôi cay té bao Tuy thuộc vào độ pH cua dung dịch, DNA hoặc RNA có thể được chiết xuất

Phenol đã từng được sử dụng rộng rãi như một chất khử trùng, việc sử dụng nó được tiên

phong bởi Joseph Lister Phenol cũng được sử dụng làm chất bảo quản trong một số vắc-xin

Ở nông độ 1,4%, phenol là một hoạt chất được sử dụng trong y tế dé giúp giảm đau họng

Nó là thành phần hoạt chất trong một số thuốc giám đau đường uống như thuốc xịt Chloraseptic,

TCP và Carmex, thường được sử dụng để điều trị tạm thời viêm họng

Các dẫn xuất phenol đã được sử dụng trong điều chế mỹ phẩm bao gồm kem chống nắng, thuốc nhuộm tóc, các chế phẩm làm sáng da cũng như trong các sản phẩm tây da chết Tuy nhiên,

do những lo ngại về an toàn, phenol bị cắm sử dụng trong các sản phẩm mỹ phẩm tại Liên minh

Châu Âu và Canada

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỎNG HỢP PHENOL TRONG CÔNG NGHIỆP

Do tầm quan trọng thương mại của phenol, nhiều phương pháp tông hợp đã được phát triển, một trong những phương pháp lâu đời nhất được kế đến là thủy phân benzenesulfonate

C,H,SO,H +2NaOH + C,H,OH + Na,SO, + H,O

Tuy nhiên, hiện nay, quy trình cumene là công nghệ chiếm ưu thế nhất

xúc tác axit Theo tính toán, quy trình này được cho là cho hiệu quả kinh tế cao nhất do điều kiện

phán ứng ôn hòa và hiệu suất tạo ra phenol cao Thêm vào đó, acetone - sản phẩm đi kèm của phan ứng của là một hóa chất quan trọng Tuy nhiên, theo thời gian, giá trị thương mại của acetone giảm sút đáng kế trong khi nhu cầu sử dụng phenol tăng cao, điều này tạo ra một sự mắt cân đối về cung

và cầu trong lĩnh vực này

Từ đó, quy trình Dow được đề ra như một phương án thay thé tối ưu dé tổng hợp phenol

CH, O OH

O;

———m—> HạO

C,H ,;COOH +50, —#%"_yx C.H,OH +CO,

O day, toluene duoc oxi héa thanh axit benzoic nho xuc tac Co-Mn, sau d6 axit benzoic tiép tục được oxi hóa tạo thành phenol nhờ những hệ xúc tác thích hợp

12

[- 2 Cơ sở cho quá trình thiết kế

Phản ứng chính:

C,H,COOH +50, as! _ C HOH +CO,

Mặc dù trên thực tế có nhiều phản ứng phụ diễn ra song song nhưng ảnh hưởng đáng kể đến

mô hình chính là sự phân hủy của axit benzoIc dé tao ra benzene va carbon dioxide

C,H,;COOH - C,H, +CO,

2.2 KHẢO SÁT DONG HOC PHAN UNG

Do thiếu thông số của phản ứng chính từ những nguồn tài liệu đáng tin cậy như hằng số tốc

độ phản ứng, năng lượng hoạt hóa của phản ứng, mà chỉ thu được thông trn độ chuyển hóa, độ chọn lọc và tốc độ phản ứng ở 1 nhiệt độ xác định, phản ứng trong quy trình được thiết lập ở loại

conversion với độ chuyên hóa được khảo sát thông qua đặc tính của xúc tác như bảng sau:

Effect of Ni/Fe Atomic Ratio on Conversion and Selectivity?

Bang I Dé chuyén hóa và độ chon lọc của phản ứng với các hệ xúc tác khác nhau

Điều kiện phản ứng: Tỉ lệ Tu asa Chay cay ruy, =1:8; 40:12, nhiệt độ phản ứng 400°C

Trong bài tập này, nhóm chọn thực hiện với hệ xúc tác NIO:NIFe2Öx với tỉ lệ mol 1:1, độ

chuyên hóa có thê đạt tới tối đa 100%, với độ chọn lọc cho phenol là 88%, độ chọn lọc cho phản

ứng phụ là 12% Đây là những thông số sẽ được áp dụng vào phương trình

13

[- 3 Quy trình sản xuất phenol

3.1 NGUYÊN LIEU & SAN PHAM

3.1.1 Benzọic acid

Benzoic acid, C7H6O2 (hoae CeHsCOOH), la mét

chat rắn tỉnh thể khơng màu và là dạng carbonxylic acid

thơm đơn giản nhất Tên của nĩ được lấy theo gum benzoin,

_ là một nguồn dé diéu ché Benzoic acid Trong diéu kiện

bình thường, nĩ cĩ vẻ ngồi trắng mịn, thực sự bao gồm các tinh thê dạng kim Acid yếu này và các muối của nĩ được

sử dụng làm chất bảo quán thực phẩm Đây là một chất ban dau quan trọng đề tơng hợp nhiều chất hữu cơ khác Thơng tin sản phẩm:

Ngoại quan: Là một chất rắn dạng bột hoặc hạt

Khơng khí trong tự nhiên cĩ thành phần chính bao gồm 20% Oa, 80% Na, là nguồn cung cấp

O2 cho qua trinh oxi hoa benzoic acid

Khí nirogen nguyên chất được điều chế nhờ máy sản xuất khi tro Parker Domnick Hunter,

nhờ đó ta có thể tiết kiệm được chỉ phí mua khi Nitrogen va lưu trữ

Thông tin san phẩm:

Ngoại quan: Dạng bột màu xanh

Bảo quán: Nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp

Hình 3 Nikel oxide lưu trữ trong thực tẾ

3.1.6 Nikel Ferrite (NiFezOa)

Nikel Ferrite là một Spinel sắt, loại vật liệu cầu trúc nano được quan tâm đến hiện nay NiFe2O4

có những ưu điểm như:

- Tinh thể từ tính không đẳng hướng cao

- Từ tính bão hòa cao

- Tinh chat siêu thuận từ phụ thuộc vào hình dáng và kích thước

Thông tin san phẩm:

Ngoại quan: dạng viên màu đen xám

Bảo quán: Chứa trong gói chân không, bảo quản nơi khô ráo, tránh ánh nắng trực tiếp

¬

Q3 Cooler G1.1

Water

tn fin 4 Pum BA OD BA I Seoprat ¬

ps ion P Comp Liquid Feed vemee

sents Liquid Mixer Qpump =~ Sal Hester Feed s

Hình 4 Sơ đồ quy trình công nghệ điều chế

Vì phản ứng diễn ra ở pha khí, nên nguồn nguyên liệu trước khi đưa vào Zeeđ A⁄ixer được chuyên thành pha khí như sau:

- Nước và Benzoic acid với suất lượng mol lần lượt là 400 kmol/h và 10 kmol/h được cho vào Liquid mixer để hòa tan benzoic acid Tỉ lệ này được giới hạn dựa trên bài

nghiên cứu của Jun Mili cùng những đồng sự của mình Tuy nước không phải là tác