ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT PHENOL.DOC

Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Mục Lục Trang mở đầu 3 CHƯƠNG I 5 Phenol: tính chất, ứng dụng và các 5 phơng pháp sản xuất 5 I.1. Các tính chất vật lý và hoá học của phenol : 5 I.1.1. Tính chất vật lý [2] 5 I.1.2. Tính chất hoá học [2] 5 I.2. ứng dụng của phenol [1]: 9 I.3. Các phơng pháp sản xuất phenol 10 I.3.1. Phơng pháp nóng chảy kiềm dẫn xuất sunfo (phơng pháp sunfo hoá) [3]. 11 I.3.2. Phơng pháp clo hoá benzen, thủy phân clo benzen bằng kiềm [3] 12 I.3.3. Phơng pháp clo hoá benzen, thuỷ phân clo benzen bằng hơi nớc [3] 13 I.3.4. Phơng pháp oxy hoá cumen [4] 15 I.3.5. Phơng pháp oxi hoá toluen [4] 18 I.3.6. Phơng pháp dehydro hoá hỗn hợp xyclohexanol và xyclohexanon [4] 19 I.3.7. Oxy hoá trực tiếp benzen [3] 20 Chơng II 22 II.1. Nguyên liệu 22 II.1.1.Benzen [2] 22 II.1.2. Axit sunfuric 23 II.1.3. Hydroxit natri [5] 25 II.2. Các giai đoạn của qui trình sản xuất [7] 26 II.2.1. Quá trình sunfo hoá 27 II.2.2. Quá trình trung hoà 33 II.2.3. Quá trình nóng chảy kiềm 34 II.2.4. Quá trình axit hoá 38 II.3 Thuyết minh dây chuyền sản xuất. 38 Quá trình sản xuất đợc tiến hành qua các giai đoạn sau: 39 II.3.1. Giai đoạn sunfo hoá: 39 II.3.2. Giai đoạn trung hoà 39 II.3.3. Giai đoạn nóng chảy kiềm 40 II.3.4. Giai đoạn dập tắt 40 II.3.5. Giai đoạn lọc 40 II.3.6. Giai đoạn axit hoá 40 II.3.7. Giai đoạn lắng 40 chơng III 41 Tính toán 41 III.1. Cân bằng vật chất các giai đoạn 41 STT 41 Tính cân bằng vật chất cho một tấn phenol tinh 41 Nguyễn Minh Phong 1 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol III.1.1. Giai đoạn sunfo hoá 41 Cộng 44 Tổng cộng 44 III.1.2. Giai đoạn trung hoà 44 III.1.3 Cân bằng vật chất giai đoạn nóng chảy kiềm 46 III.1.4. Giai đoạn dập tắt 49 Cộng 50 III.1.5. Giai đoạn lọc 50 Tổng cộng 52 III.1.6. Giai đoạn axit hoá 53 III.1.7. Giai đoạn lắng: 54 III.2. Tính toán thiết bị sunfo hoá 56 III.2.2. Tính chiều dày thân thiết bị: 58 III.2.3. Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị: 58 III.3. Cân bằng nhiệt lợng quá trình sunfo hoá [9] 60 III.3.1. Cân bằng nhiệt lợng giai đoạn đun nóng axit: 60 III.3.2. Cân bằng nhiệt lợng giai đoạn sunfo hoá: 62 Chơng IV: 69 IV.1. Xác định địa điểm xây dựng và thiết kế tổng mặt bằng nhà máy [10]: 69 IV.1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu: 69 IV.1.2. Cơ sở để xác định địa điểm xây dựng : 69 IV.1.3. Địa Điểm Xây Dựng: 72 IV.1.4. Tổng mặt bằng nhà máy: 73 IV.2. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy [10]. 74 IV.2.1. Nhiệm vụ và yêu cầu 74 IV.2.2. Những giải pháp thiết kế tổng mặt bằng nhà máy: 76 KếT LUậN 80 tài liệu tham khảo 83 Nguyễn Minh Phong 2 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol mở đầu Cùng với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân nhu cầu sử dụng các sản phẩm hoá học và sản phẩm của các quá trình tổng hợp hữu cơ ngày càng tăng. Các sản phẩm này đợc sản xuất bằng nhiều phơng pháp khác nhau nhng đều xuất phát từ nguyên liệu ban đầu là than đá, khí thiên nhiên và dầu mỏ, trải qua nhiều quá trình chế biến hoá học tạo ra các sản phẩm trung gian khác nhau, đợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp và cuộc sống. Phenol là một trong những sản phẩm trung gian đó. Phenol là một dẫn xuất hydroxyl của dãy thơm đợc tìm thấy đầu tiên năm 1834 khi chng cất phân đoạn than đá. Hợp chất này đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp hoá dầu , công nghiệp tổng hợp hữu cơ cũng nh trong phòng thí nghiệm. ứng dụng quan trọng của phenol có thể kể đến đó là: ngng tụ với andehyt sản xuất nhựa phenol formandehyt , hydro hoá thành xyclo hexanol sản xuất sợi tổng hợp nylon và caprolactan, các dẫn xuất ankyl phenol nh diamin, octyl phenol đợc sử dụng làm chất sát trùng và diệt nấm, các dẫn xuất clo phenol nh pentaclo phenol đợc dùng bảo quản gỗ; 2, 4 diclo phenol axetic làm thuốc diệt cỏ, sản phẩm nitro hoá phenol, đặc biệt là axit picric, đợc dùng làm thuốc nổ và làm nguyên liệu để sản xuất dợc liệu trên cơ sở sản xuất axit salixilic aspisin, xalol (phenol xalixilat) Trong công nghiệp, phenol còn đợc dùng làm dung môi để làm sạch các sản phẩm dầu nh: làm sạch dầu nhờn khởi thơm đa vòng, làm sạch axit sunfuric trong quá trình sản xuất nhựa lactam, acrilic Ngoài các ứng dụng trong công nghiệp, phenol còn đợc dùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, làm thuốc thử (phenol phtalein) liên kết halogen tự do để hoà tan một số chất khó tan Trớc nhu cầu sử dụng phenol ngày càng tăng và ứng dụng quan trọng của nó trong nhiều lĩnh vực, hàng loạt các phơng pháp sản xuất phenol đã đợc đề xuất, cải tiến để đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng tốt cũng nh hiệu suất cao và giá thành hợp lý. Cũng chính vậy mà từ một phơng pháp đầu tiên sản xuất Nguyễn Minh Phong 3 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol phenol từ nhựa than đá, đến nay hợp chất này đã có thể đợc sản xuất theo nhiều phơng pháp khác nhau. Mỗi phơng pháp đều có những u và nhợc điểm khác nhau, đợc lựa chọn phù hợp với điều kiện sản xuất của từng đất nớc [1]. ở việt nam, hiện nay phenol vẫn đợc sản xuất theo phơng pháp sunfo hoá. Phơng pháp này khá thích hợp với điều kiện ở nớc ta vì các nguyên liệu nh benzen, axit sunfuric, hydroxit natri, cacbonat natri không phải nhập ngoại, công nghệ sản xuất không đòi hỏi kỹ thuật cao và đầu t lớn, hơn nữa lại cho sản phẩm rất tinh khiết . Chính vì vậy nội dung chính của bản đồ án này là tính toán thiết kế một phân xởng sản xuất phenol theo phơng pháp sunfo hoá phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nguyễn Minh Phong 4 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol CHƯƠNG I Phenol: tính chất, ứng dụng và các phơng pháp sản xuất I.1. Các tính chất vật lý và hoá học của phenol : I.1.1. Tính chất vật lý [2]. Phenol là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi vị đặc trng, nóng chảy ở 42 0 C và sôi ở 181,4 0 C. Khối lợng phân tử: 94,42 kg/Kmol. Tỷ trọng: 20 3 4 1,072 /d g cm= Phenol ở điều kiện thờng có dạng hình kim hay hình khối màu trắng, khi tan trong nớc cho chất lỏng không màu. Phenol rất dễ bị tác dụng của ánh sáng và không khí nên có màu hồng. Giới hạn cho phép trong không khí là 0,005 mg/l . Phenol ít tan trong nớc lạnh nhng có thể hoà tan hoàn toàn ở nhiệt độ lớn hơn 65,3 0 C. Hợp chất này dễ tan trong các hydrocacbon thơm, rợu và ete nhng ít tan trong parafin và không tan trong cacbonat kiềm. Phenol còn có tính sát trùng mạnh, gây bỏng da và rất độc đối với cơ thể. I.1.2. Tính chất hoá học [2]. Phenol chứa nhóm - OH có hydro linh động, mặt khác có nhân benzen thể hiện đặc tính thơm và đặc tính này đợc tăng lên do ảnh hởng của nhóm - OH ( là nhóm thế loại I làm hoạt hoá nhân benzen). Công thức phân tử của phenol là: OH Các tính chất hoá học của phenol đều bắt nguồn từ các đặc tính của nhóm OH và nhân bezen. Nguyễn Minh Phong 5 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol I.1.2.1. Hoá tính của nhóm -OH. a.Tính axit yếu. Tính axit của phenol mạnh hơn rợu và nớc nhng yếu hơn axit cacbonic. * Tác dụng với NaOH tạo thành phenolat natri. 2 ONa + H OOH + NaOH Sản phẩm của phản ứng sử dụng phổ biến làm tác nhân trong các phản ứng ete hoá và este hoá. - Phản ứng tạo ete: Cu O + NaCl+ Cl ONa - Phản ứng tạo este: + NaCl 3 OCOCH 3 ONa + CH COCl * Tác dụng với kim loại tự do hoặc ion kim loại tạo phenolat : 3C 6 H 5 OH + Fe 3+ (C 6 H 5 O) 3 Fe + 3H + b. Tạo phức màu: Trong dung dịch trung hoà hay axit yếu, phenol tác dụng với FeCl 3 tạo thành muối phức chất của sắt. Phức này có màu đậm từ màu xám tím đến màu rêu. Phản ứng đợc dùng để định tính phenol. c. Phản ứng khử: C 6 H 5 OH + Zn (bột) C 6 H 6 + H 2 O d. Thế nhóm OH bằng halogen: 2C 6 H 5 OH + PCl 5 2C 6 H 5 Cl + POCl 3 + H 2 O Nguyễn Minh Phong 6 t o Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol I.1.2.2. Hoá tính của nhân benzen. a. Halogen hoá. + 3Br + 3 HBr OH 2 OH Br Br Br b. Nitro hoá (với HNO 3 loãng). OH + HO - NO 2 OH NO 2 + H O 2 OH O N 2 2 + H O Hoặc axit hơi loãng cho ta thu đợc trinitro phenol và dinitro phenol: O N 2 2 NO OH 2 NO 2 NO OH 2 O N c. Sunfo hoá. OH + h SO 2 4 OH SO 3 H + H O 2 Nguyễn Minh Phong 7 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol OH + 3H SO 2 4 OH 3 SO H 2 + 3H O SO H 3 SO H 3 d. Oxi hoá: Ngay ở trong không khí phenol cũng bị oxi hóa dần sang màu đen. Khi oxi hoá mạnh phenol biến thành quion. t 0 + 72 K Cr O /H O = = OOH 2 Khi oxi hoá nhẹ bằng H 2 O 2 ta đợc phenol đa chức. OH + H O 2 2 OH OH OH OH OH e. Trùng ngng. - Phenol dễ dàng trùng ngng với andehyt fomic tạo thành nhựa phenol formandehyt. OH H + O + H H H = CH 2 OH H + O CH = 2 Nguyễn Minh Phong 8 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol 2 + nH O 2 CH OH OH CH OH OH CH 2 OH 2 CH CH 2 2 OH CH H OH H 2 H + O = CH H = 2 CH H + O OH CH 2 = H + O + H H OH 2 - Hoặc phenol ngng tụ với anhydric phtalic tạo thành phenol phtalein: = C O C O = O + H OH OHH O O C = C -H O 2 OH OH I.2. ứng dụng của phenol [1]: ứng dụng quan trọng nhất của phenol là để sản xuất nhựa phenol formandehyt bằng cách ngng tụ phenol với andehyt foocmic, xúc tác là axit hay muối vô cơ, dung dịch NH 3 , NaOH. Đây là loại nhựa rất quan trọng dùng trong sản xuất bột làm nhựa tấm, sản xuất sơn, keo dán, nhựa xốp. Ngoài ra, 2,2 dipropan (bis phenol A) cũng là một sản phẩm quan trọng của quá trình ngng tụ phenol với axeton có mặt axit vô cơ. Bis phenol A có công thức nh sau: CH 3 H C 6 H 4 C C 6 H 4 OH CH 3 Nguyễn Minh Phong 9 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Sản phẩm này đợc dùng nhiều trong sản xuất nhựa epoxy. Với nhu cầu sản xuất nhựa ngày càng tăng, 20% phenol công nghiệp đợc sử dụng để sản xuất bis phenol A. Sản phẩm của quá trình ngng tụ phenol với clo anhydrit cacbon hay diphenyl cacbonat đợc dùng để sản xuất nhựa cacbonat có cấu trúc: CH 3 H - [- O - C 6 H 4 - C - C 6 H 4 - O - C -] n - O - C 6 H 5 CH 3 O ứng dụng quan trọng thứ ba của phenol là hydro hoá thành xyclo hexanol để sản xuất sợi tổng hợp nilon và capro lactan. Ngoài các ứng dụng quan trọng này, phenol và các dẫn xuất của nó còn đợc sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều ngành sản xuất khác nh: - Các dẫn xuất ankyl phenol (diamin, octyl) dùng làm sát trùng và diệt nấm, các dẫn xuất clo phenol nh pentaclo phenol dùng trong bảo quản gỗ; 2,4 diclo phenol axetic đợc dùng để làm thuốc diệt cỏ, các sản phẩm nitro hoá đặc biệt là axit picric đợc dùng làm thuốc nổ. - Sản xuất dợc liệu dựa trên cơ sở sản xuất axit salixilic, aspirin. - Sản xuất hơng liệu, thuộc da, thuốc nhuộm, nhựa trao đổi ion. - Sử dụng trong công nghiệp, làm dung môi để làm sạch các sản phẩm dầu nh làm sạch dầu nhờn khỏi thơm đa vòng, làm sạch H 2 SO 4 trong quá trình sản xuất nhựa lactam, acrylic. - Sử dụng trong phòng thí nghiệm, làm dung môi để xác định phân tử l- ợng, làm các chất khử trùng, liên kết các halogen tự do d, hoà tan các chất khó tan Các dẫn xuất của phenol thì đợc dùng làm thuốc thử, chỉ thị. Các ứng dụng của phenol ngày càng đợc mở rộng phổ biến trong cả lĩnh vực công nghiệp cũng nh phòng thí nghiệm. I.3. Các phơng pháp sản xuất phenol. Phơng pháp đầu tiên sản xuất phenol là tách phenol từ nhựa than đá. Tuy nhiên, phơng pháp sản xuất này cho hiệu suất rất thấp (0,05 kg phenol/1tấn than), nên cho đến ngày nay không còn đợc sử dụng nữa. Nguyễn Minh Phong 10 [...]... 20 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Nguyên tắc lựa chọn dây chuyền công nghệ xuất phát từ đặc điểm thực tế của mỗi quốc gia, xuất phát từ trình độ cũng nh quy mô sản xuất lớn hay nhỏ, vốn đầu t ít hay nhiều Từ các phơng pháp đã trình bày ở trên, có thể thấy phơng pháp sunfo hoá phù hợp với điều kiện thực tiễn nớc ta Do vậy, trong bản đồ án này em xin trình bày thiết kế tính toán cho phân. . .Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Trên thế giới, hiện nay phenol đợc sản xuất chủ yếu theo các phơng pháp tổng hợp Những phơng pháp phổ biến nhất đang đợc sử dụng bao gồm [3]: - Sunfo hoá benzen và sản xuất phenol bằng phơng pháp nóng chảy kiềm các dẫn xuất sunfo - Clo hoá benzen và thủy phân kiềm clo benzen - Clo hoá benzen và thủy phân clo benzen bằng hơi nớc... toán cho phân xởng sản xuất phenol bằng phơng pháp sunfo hoá Nguyễn Minh Phong 21 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Chơng II sản xuất Phenol bằng phơng pháp sunfo hoá nóng chảy kiềm II.1 Nguyên liệu Trong quá trình sản xuất phenol theo phơng pháp sunfo hoá, các nguyên liệu chính đợc sử dụng là benzen, axit sunfuric (H2SO4) và kiềm (NaOH) II.1.1.Benzen [2] Benzen có công thức phân tử là C 6H6... vào sản xuất trong thực tế So sánh các phơng pháp sản xuất Phenol Qua một số phơng pháp sản xuất phenol đợc trình bày ở trên ta rút ra một số nhận xét nh sau: Việc sản xuất phenol bằng phơng pháp sunfo hoá có u điểm là thiết bị chế tạo đơn giản, vốn đầu t ít, tận dụng đợc các sản phẩm phụ, chi phí nguyên vật liệu ít do đó giảm giá thành sản phẩm Đặc biệt phơng pháp sunfo hoá cho phép thu nhận sản phẩm... cần thiết, giữ nhiệt độ đó trong một thời gian nào đó Kết qủa của phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, điều cần thiết là phải khống chế các điều kiện phản ứng sao cho thích hợp nhất (nồng độ tác nhân, nhiệt độ phản ứng, độ tinh khiết của nguyên liệu, thời gian phản ứng khuấy trộn) có nh vậy phản ứng mới đạt hiệu suất cao, chất lợng sản phẩm tốt Nguyễn Minh Phong 32 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất. .. Nguyễn Minh Phong 16 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol I.3.4.3 Phản ứng tách hydroperoxit CH C CH 3 - OOH H2 SO 4 OH + CH 3 CO - CH - 3 3 Phản ứng đợc tiến hành ở 500C - 900C, thời gian phản ứng là 1/2 giờ Sản phẩm phân huỷ đợc trung hoà rồi chng cất để tách phenol, axeton và các sản phẩm phụ khác Quá trình tách đợc tiến hành theo hai cách sau: a Tiến hành tách trong pha đồng thể Lợng d axeton... một thiết bị làm lạnh riêng phù hợp Để hạn chế sự hình thành của sản phẩm phụ, thời gian lu trong thiết bị phải ngắn (vào khoảng 50-60 giây) Để hạn chế sự ăn mòn của thiết bị thì hệ thống làm lạnh phải đợc thiết kế bằng các loại thép chịu đợc sự ăn mòn của axit: nh nhôm, niken, đồng *Các phản ứng phụ: -Tạo ra axeton - phenol C - OOH O = CH 3 C - CH + CH3 OH 3 CH 3 Nguyễn Minh Phong 17 Đồ án tốt nghiệp. .. (2) (3) 12 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol - Phản ứng (1) là phản ứng clo hoá benzen ở pha lỏng diễn ra ở nhiệt độ 350C với xúc tác là FeCl3 Tỷ lệ các sản phẩm là C 6H5Cl : 30 ữ50%; polyclorua benzen: 3 ữ 12%; benzen: 30 ữ50% Hỗn hợp sản phẩm đợc làm ớt và trung hoà bằng NaOH và làm sạch clorua benzen bằng chng cất - Thuỷ phân clorua benzen bằng NaOH tạo thành C6H5ONa và NaCl Thiết bị phản... cao (clo rất đắt tiền), các thiết bị phải chịu ăn mòn trong môi trờng oxi và HCl ở nhiệt độ cao b Quá trình Gulf Oxy clo hoá benzen bằng dung dịch HCl (ở pha lỏng) trong lò phản ứng ở nhiệt độ 1350C với sự có mặt của oxi và HNO3 Benzen chuyển hoá hơn 80% và độ chọn lọc của monoclo benzen là hơn 90% Sản phẩm phân lắng tách Nguyễn Minh Phong 14 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol thành 2 pha: pha... đoạn 2: oxi hoá axit benzoic thành phenol (có xúc tác muối đồng) qua giai đoạn trung gian tạo thành axit benzoyl salyxilic (axit này sẽ bị thuỷ phân, decacboxyl hoá tạo thành và axit bezoic) Phản ứng tiến hành bằng cách: đun nóng axit benzoic có chứa benzoat đồng (xúc tác) và benzoat magie Nguyễn Minh Phong 18 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol (chất kích động) với hơi nớc và không khí đến nhiệt . Phong 9 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol Sản phẩm này đợc dùng nhiều trong sản xuất nhựa epoxy. Với nhu cầu sản xuất nhựa ngày càng tăng, 20% phenol công nghiệp đợc sử dụng để sản xuất. Phong 4 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol CHƯƠNG I Phenol: tính chất, ứng dụng và các phơng pháp sản xuất I.1. Các tính chất vật lý và hoá học của phenol : I.1.1. Tính chất vật lý [2]. Phenol. từ một phơng pháp đầu tiên sản xuất Nguyễn Minh Phong 3 Đồ án tốt nghiệp Phân xởng sản xuất Phenol phenol từ nhựa than đá, đến nay hợp chất này đã có thể đợc sản xuất theo nhiều phơng pháp