Bài tập lớn này, thuộc môn "Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học" của Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào nghiên cứu và phân tích quy trình sản xuất Styrene. Dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Hải Ưng, báo cáo này bao gồm thiết kế quy trình, tối ưu hóa các bước xử lý và phản ứng hóa học, và đánh giá ứng dụng trong ngành công nghiệp, nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
THÔNG TIN THIẾT KẾ
Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm
1.1.1 Nguyên liệu: Ethylbenzene Công thức phân tử: C8H10 hoặc C6H5C2H5
Tính chất vật lý: Ở điều kiện thường, ethylbenzene là chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, ít tan trong nước, tương đối độc hại khi ăn uống phải, hô hấp, hấp phụ qua da, gây kích ứng nhẹ cho mắt và da.
Bảng 1 Một số thông số vật lý đặc trưng của ethylbenzene
Khối lượng phân tử (g/mol) 106.16 Khối lương riêng (g/cm3) ở 15 o C ở 20 o C ở 25 o C
Nhiệt độ sôi tại 1 at ( o C) 136.186 Áp suất tới hạn (kPa) 3609
Nhiệt độ tự bốc cháy ( o C) 460 Ẩn nhiệt nóng chảy (J/g) 86.351 Ẩn nhiệt hóa hơi (J/g) 335
Sức căng bề mặt (mN/m) 28.48
Giới hạn nén 0.264 Độ nhớt động học ở 37.8 o C (m 2 /S) 0.6428.10 -6
Phản ứng mang tính thương mại quan trọng nhất của ethylbenzene là phản ứng khử để tạo thành styrene Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao 600-660 o C, dùng xúc tác K/FeO, hơi nước trong phản ứng này được sử dụng như một dung môi Ở phương diện thương mại, độ chọn lọc styrene trong khoảng 89 - 96% với độ chuyển hóa từ 65 - 70% Ngoài ra, còn xảy ra phản ứng phụ dealkyl hóa ethylbenzene thành benzene và toluene.
Một phản ứng không kém phần quan trọng và đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là quá trình oxy hóa ethylbenzene 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.
Nguồn nguyên liệu của ethylbenzene:
Gần như toàn bộ nguồn nguyên liệu ethylbenzene thương phẩm được sản xuất từ quá trình alkyl hóa benzene với ethylene Tuy nhiên, khoảng 99% ethylbenzene sử dụng để sản xuất styrene, khoảng 95% ethylbenzene thu được từ quá trình alkyl hóa benzene với ethylene và 5% thu được từ phân đoạn C8 của quá trình reforming xúc tác.
Tồn trữ và vận chuyển ethylbenzene:
Ethylbenzene là chất lỏng dễ cháy nên phải được tồn trữ và vận chuyển trong các thùng chứa bằng thép và được kiểm soát bởi các quy định phù hợp của các cơ quan hữu quan.
Ethylbenzene là một chất lỏng dễ cháy cao, nhiệt độ chớp cháy là 15-20 o C vì vậy phải xử lý nhiệt độ môi trường xung quanh, tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp và các nguồn nhiệt.
Ethylbenzenee có thể tích tụ tĩnh điện do đó phải chú ý đến các biện pháp chống lại tia lửa gây nguy hiểm.
Styrene có công thức phân tử là C6H5CH = CH2
Styrene là một chất lỏng không màu có mùi đặc biệt, hơi ngọt Khi styrene 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 Styrene có thể trộn lẫn với các dung môi hữu cơ nhất định với tỷ lệ bất kỳ Nó là dung môi tốt cho cao su tổng hợp, polystyrene và các polymer có liên kết ngang không lớn khác Styrene ít hòa tan trong các hợp chất hydroxyl và nước.
Bảng 2 Một số thông số vật lý đặc trưng của styrene:
Nhiệt độ đông đặc ( o C) 30.6 Độ nhớt động học ở 0 o C (mm 2 /s) 1.1 Độ hoà tan trong nước (%) 6).
Thực hiện trong điều kiện chân không (7÷30 kPa) để giảm nhiệt độ đáy tháp xuống dưới 108 o C và tăng độ bay hơi tương đối.
Có mặt chất ức chế trùng hợp (lưu huỳnh hoặc dinitrophenol).
Tinh chế styrene để thu styrene thương phẩm (8): tháp tinh chế styrene khỏi các vết của ethylbenzene và hydrocacbon nặng đòi hỏi điều kiện mềm hơn: 20 đĩa, nhiệt độ đỉnh tháp 50 o C, đáy tháp 105 o C, tương ứng với áp suất 10 và 20 kPa, có sử dụng chất ức chế, styrene thu được có độ sạch 99,7÷99,8%.
Thu hồi ethylbenzene chưa phản úng (9), tuần hoàn lại thiết bị dyehydro hoá (60 đĩa) quá trình thực hiện trong tháp chưng ở áp suất khí quyển với nhiệt độ đáy tháp 140 o C.
Xử lý phân đoạn nhẹ (10): tách benzene và toluene trong tháp chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ đáy tháp 115 o C (20 đĩa), benzene được tuần hoàn lại thiết bị alkyl hoá.
Lưu huỳnh và nitrophenol được sử dụng làm chất ức chế trùng hợp trong quá trình chưng cất styrene, còn tert-butyl-4-catchol hoặc hydrioquinon được sử dụng làm chất ức chế trùng hợp trong quá trình bảo quản styrene.
2.2.2 Phương pháp dehydro hóa đẳng nhiệt:
Quá trình này có đặc điểm là thiết bị phản ứng ống chùm có chiều cao ống hống=2.5- 4m, đường kính ống θống-20cm
Các điều kiện công nghệ như sau:
- Nhiệt độ nguyên liệu đầu: 580 o C - Nhiệt độ chất tải nhiệt: ở đầu vào 750 o C, ở đầu ra 630 o C - Tỷ lệ hơi nước: 1.1-1.2
- Độ chuyển hóa (1 lần phản ứng): 60%
Công nghệ dehydro hóa đẳng nhiệt của BARF được trình bày như hình 2
Hình 2 Công nghệ BASF sản xuất styrene bằng dehydro hóa đẳng nhiệt
Chất tải nhiệt được sử dụng là khói lò Ethylbenzene 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 sẽ hạ nhiệt độ xuống còn 375 o C, một phần được thải ra, còn phần còn lại được gia nhiệt trong lò để tiếp tục làm chất tải nhiệt
2.2.3 Xử lý sản phẩm dehydro hóa:
Styrene thô bao gồm ethylbenzene chưa chuyển hóa, nước, styrene và các sản phẩm phụ (benzene, toluene,…) Đầu tiên sản phẩm thô này sẽ được đem tách thành pha nước và pha hữu cơ Pha hữu cơ được đem chưng cất phân đoạn để tách styrene và thu hồi ethylbenzene chưa chuyển hóa Sản phẩm dehydro hóa có chứa 50% styrene được đưa vào bốn tháp chưng cất lần lượt thực hiện các nhiệm vụ sau:
Thu styrene ở đáy tháp thứ nhất (70 đĩa):
Do chênh lệch nhiệt độ sôi nhỏ: ethylbenzene (136 o C), styrene (145 o C) nên có khuynh hướng dễ dàng trùng hợp (ngay cả trong điều kiện chân không), nên quá trình tách styrene
Thực hiện trong điều kiện chân không (7-30 kPa) để giảm nhiệt độ đáy tháp xuống dưới 108 o C 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.
THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Chế độ hoạt động
Quy trình sản xuất styrene từ ethylbenzene thường được thực hiện trong công nghiệp theo chế độ liên tục.
Năng suất của sản phẩm trong một năm sản xuất được là: 10000 tấn/năm
Thời gian làm việc: 325 ngày và 24 giờ/ngày.
Lựa chọn qui trình sản xuất styrene từ ethylbenzene với phương pháp dehydro hoá đoạn nhiệt.
Trong quá trình thực hiện, cần chú ý đến giá trị nhiệt độ và áp suất đầu vào và đầu ra của các thiết bị vì nó có thể ảnh hưởng đến lượng sản phẩm thu được cuối cùng.
Ngoài ra, chú ý lưu lượng nguyên liệu nhập vào là vừa đủ để đạt độ chuyển hóa ổn định nhất cũng như đảm bảo tính kinh tế tối ưu nhất.
Thuyết minh quy trình công nghệ
Nhập liệu ethylbenzene từ nguồn nguyên liệu mới 26 kmole/h ở nhiệt độ 30 o C và dòng hoàn lưu (dòng 14a) chứa khoảng 2.775 kmole/h ethylbenzene ở nhiệt độ 183 o C vào thiết bị trộn (MIX-101).
Dòng ethylbenzene nhập liệu sẽ được đưa qua một cái bơm cao áp (P-100) để tăng áp suất lên thành 1500 kPa (dòng 1), sau đó tiếp tục đi vào thiết bị gia nhiệt (E-100) để tăng nhiệt độ lên đến 550 o C (dòng 2). Đưa dòng ethylbenzene đã gia nhiệt (dòng 2) và dòng nước hoàn lưu (dòng 4) vào thiết bị trộn (MIX-100) để hỗn hợp ethylbenzene và nước khuếch tán đều vào nhau tạo thành dòng 5 có nhiệt độ 651 o C và áp suất 1500 kPa. Đưa toàn bộ dòng 5 vào thiết bị phản ứng (ERV-100) Tại đây diễn ra các phản ứng chính và phản ứng phụ đã liệt kê ở trên.
Dòng cần loại bỏ (dòng a) được đưa ra khỏi thiết bị phản ứng thoát ra ngoài.
Dòng sản phẩm (dòng 6) sau phản ứng có nhiệt độ 607.9 o C và áp suất 1500 kPa Sau đó, dòng sản phẩm đi vào thiết bị giảm áp (K-100) để giảm áp suất xuống còn 300 kPa.
Dòng 7 sau khi ra khỏi thiết bị giảm áp có nhiệt độ 472.7 o C và áp suất 300 kPa Sau đó đi vào thiết bị làm mát (E-102) để giảm nhiệt độ xuống còn 30 o C (dòng 8).
Dòng 8 sẽ đi vào thiết bị phân tách 3 pha (V-100) để tách ra thành 3 dòng khác nhau là 9a, 9b và 10.
Dòng 9a gồm nhiều chất, chất có thành phần lớn nhất đó là methane với phần mole lên đến 0.8962, những chất còn lại không đáng kể.
Dòng 9b gồm 3 chất chính đó là ethylbenzene, styrenE và toluene.
Dòng 10 chỉ có 1 chất duy nhất đó là nước hoàn lưu Sau khi ra khỏi thiết bị phân tách3 pha, dòng 10 đi vào một cái bơm cao áp (P-101) để tăng áp suất từ 300 kPa lên 1500 kPa(dòng 3), sau đó tiếp tục đi vào thiết bị gia nhiệt (E-101) để tăng nhiệt độ lên đến 730 o C(dòng 4)
Dòng 4 được đưa nước hoàn lưu trở lại thiết bị trộn, khuếch tán chung với dòng nhập liệu ethylbenzene như trên.
Dòng 9b sau khi ra khỏi thiết bị phân tách 3 pha thì tiếp tục đi vào thiết bị chưng cất (T- 100), tại đây, cấu tử nhẹ là toluene và cấu tử nặng là ethylbenzene và styrene Sau khi chưng cất thì ta loại bỏ được toluene là sản phẩm phụ không mong muốn (dòng 12).
Phần còn lại sau khi ra khỏi thiết bị chưng cất (dòng 13) có nhiệt độ là 190.2 o C và áp suất là 300 kPa, sau đó tiếp tục được đưa vào thiết bị chưng cất tiếp theo (T-101), tại đây,cấu tử nhẹ là ethylbenzene và cấu tử nặng là styrene Sau khi chưng cất thì ethylbenzene(dòng 14) hoàn lưu trở lại nhập liệu vào đầu quy trình Còn lại ta thu được sản phẩm (dòng15) là styrene với phần mole là 0.99.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Thành phần các dòng vật chất
Bảng 8 Thành phần mol (Δ%) của các cấu tử trong từng dòng
Bảng 9 Lưu lượng (Δkg/h) của từng dòng
Bảng 10 Lưu lượng molar (Δkgmol/h) của các cấu tử từng dòng
Tính toán cân bằng vật chất
- Độ chuyển hóa đạt: x = 0.90 - Phản ứng chính có độ chọn lọc: S = 0.488
Sơ đồ cấu trúc vào ra:
Sơ đồ cấu trúc hoàn lưu:
Theo các số liệu tính toán trong hysys:
Benzene Toluene Styrene Methane ethylene H2O
Phản ứng Tách pha Tách chất
EB nhập liệu: 26.0 kgmole/h 2760 kg/h
Methane sinh ra: 12.425 kgmole/h Ethylene sinh ra: 1.125 kgmole/h Toluene sinh ra: 12.425 kgmole/h Benzene sinh ra: 1.125 kgmole/h Styrene sinh ra: 16.675 kgmole/h Nước hoàn lưu hoàn toàn.
Hình 4 Thành phần mol của dòng ethylbenzene hoàn lưu.
Sản phẩm styrene thu được: 12.4 kgmole/h 1292.75 kg/h
Hình 5 Thành phần mol của sản phẩm
Theo quy trình công nghệ yêu cầu, ta có: năng suất 10000 tấn/năm, vận hành 7800 giờ/ năm
Suy ra: Cần 10000 7800 =1,282tấn/giờ.
Kết luận: Quy trình sản xuất styrene có độ tinh khiết 99.95% từ ethylbenzene tinh khiết, có năng suất 10000 tấn/năm và vận hành 7800 giờ/năm được thiết kế như trên đảm bảo yêu cầu.
HỆ THỐNG TÁCH CHẤT
Hệ thống tách chất của quy trình trên được thiết kế gồm 3 thiết bị, trong đó có 1 thiết bị phân tách 3 pha (V – 100) và 2 thiết bị chưng cất (T – 100, T – 101).
Thiết bị phân tách 3 pha V – 100 được thiết kế với nhiệm vụ:
Tách methane sinh ra sau phản ứng để quá trình chưng cất sau không bị lẫn vào sản phẩm ảnh hưởng đến hiệu quả chưng cất.
Tách nước để nước trở lại hoàn lưu từ đầu quy trình để đảm bảo quá trình chưng cất diễn ra hiệu quả hơn.
Thiết bị chưng cất T – 100, T – 101 được thiết kế với các mức nhiệt độ khác nhau để đảm bảo tách lượng lớn nhất có thể các sản phẩm phụ không mong muốn (toluene và etylbenzene) ra khỏi sản phẩm chính (styrene), đảm bảo được độ tinh khiết cao nhất có thể.
Hình 6 Sơ đồ hệ thống tách chất của quy trình
Trình tự tách chất trong thiết bị chưng cất:
Cấu tử Lưu lượng (kg/h) Nhiệt độ sôi ( o C) (tại 300 kPa) T
Bảng 11 Một số thông số của các cấu tử trong dòng nguyên liệu
Ta có 2 phương án tách như sau:
1 Phương án thứ nhất: tách A ra khỏi B và C
CES(1) =29.5+ 1145.75 1292.75∗28.1 27 2 Phương án thứ hai: tách A và B ra khỏi C
→ Vậy chọn phương án tách A ra khỏi hỗn hợp B và C.
CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
Unit Operation Process Stream Temperature Untility Temperature
Bảng 12 Thông số nhiệt độ các dòng vật chất
Type ∑CP hot -∑CP cold
Bảng 13 Nhiệt lượng trao đổi của các dòng vật chất
Hình 7 Sơ đồ thiết kế pinch
[1] Sách “Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, Phần Appendix B”, Prentice Hall.
[2] Slide bài giảng lý thuyết về môn thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học, Thầy Trần Hải Ưng.
[3] Phần mềm mô phỏng và thiết kế Aspen Hysys v10.0.