tính toán,thiết kế phân xưởng sản xuất anhydrit phtalic

tính toán,thiết kế phân xưởng sản xuất anhydrit phtalic

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay ngành công nghệ hóa chất nói chung và ngành công nghệ tổng hợp hữu cơ rất được quan tâm nên rất phát triển. Có nhiều hợp chất hữu cơ không có sẵn trong tự nhiên nhưng nó có rất nhiều ứng dụng vì thế ta phải thiết kế các công nghệ và dây chuyền sản xuất để tổng hợp và Anhydrit phhalic là một trông những hóa chất như vậy. Alhydrit phthalic lần đầu tiên được báo cáo vào năm 1836 bởi Auguste Laurent . Các nguyên liệu thường dùng là ortho - xylene và naphthalene. Ứng dụng chính của Anhydirt phthalic là rất rộng rãi. Anhydirt phthalic là một hóa chất trung gian trong sản xuất nhựa từ vinyl clorua. Este phthalate, có chức năng như chất dẻo, có nguồn gốc từ Anhydirt phthalic. Dẻo phthalate được sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa PVC linh hoạt như dây cáp, ống dẫn, vải da, giày, bộ phim để đóng gói v.v có Anhydirt phthalic khác sử dụng chủ yếu trong sản xuất nhựa polyester và các ứng dụng khác trong sản xuất alkyd nhựa được sử dụng trong sơn và sơn mài; thuốc nhuộm nhất định (thuốc nhuộm anthraquinone, phthalein, Rhodamine, phthalocyanine, fluorescin, và xanten); chất đuổi côn trùng, và polyol polyester cho Polyurethane. Bên cạnh đó, nó cũng được sử dụng như là một chất ức chế cháy cao su và hãm. Do có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất và sản lượng sản xuất lớn trên thế giới nên em đã nghiên cứu đề tài này dưới dự hướng dẫn của cô Nguyễn Hồng Liên. Trong quá trình nghiên cứu những sai sót là khó tránh khỏi nên em rất mong có được những góp ý của cô. Em xin chân thành cảm ơn! 1 PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANHYDIT PHTHALIC Anhydrit Phthalic là một sản phẩm hữu cơ có công thức phân tử là C 8 H 4 O 3, ở trạng thái tự nhiên nó là chất rắn không màu. Anhydrit Phthalic có khối lượng phân tử là 148,1 g/mol. Để điều chế Anhydrit Phthalic ta có thể thu được nó thông qua quá trình oxy hóa o-xylene hoặc oxy hóa naphtalen dưới sự có mặt của các chất xúc tác cần thiết. Ngày nay, Anhydrit Phthalic được ứng dụng nhiều vì nó là một chất trung gian vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Trên thế giới hằng năm lượng Anhydit Phthalic được sản xuất rất lớn. Theo số liệu thông kê năm 2000, khối lượng Anhydrit Phthalic trên toàn thế gới sản xuất là 3232000 tấn, trong đó ở Tây Âu là 778000 tấn, Đông Âu là 171000 tấn, Hoa Kỳ là 48500 tấn, Nhật Bản là 302000 tấn và Châu Á là 1156000 tấn. Anhydrit Phthalic được sử dụng trong các quá trình như sản xuất chất dẻo, sản xuất nhựa polyestes, sản xuất nhựa ankyd. Ngoài ra nó cũng được sử dụng để sản xuất dược phẩm, thuốc nhuộm, thiết bị, đồ dung nội thất… Qua đó ta thấy Anhydrit Phthalic có ứng dụng vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, vì vậy việc sản xuất ra nó là rất cấp thiết. 1.1TÍNH CHẤT VẬT LÝ Anhydrit Phthalic có nhiệt độ nóng chảy 131 o C, nhiệt độ sôi 284 o C; là chất rắn không màu, dễ bị thăng hoa, nó có tỷ trọng là 1,527 g/cm 3 ở 20 o C , ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi như ethanol, benzene, pyridin… Anhydrit phthalic có tính độc thấp và ở nồng độ nhất định nó gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người. Ví dụ trong không khí nồng độ Anhydrit phthalic từ 2 24,9 – 77,8 ppm thì nó dễ gây cho con người bệnh về mắt, bệnh về đường hô hấp như là hen suyễn, viêm phế quản, ngoài ra nó cũng gây bệnh về da. Bảng 1. Bảng tóm tắt một số thông số vật lí của Thông số vật lí Hằng số Khối lượng riêng(200C) Độ hòa tan Nhiệt độ chớp cháy Áp suất hơi(250C) Khối lượng phân tử Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ sôi 0,88 g/ml 0,62 g/100g (20-25 ° C) 1520C 0,00052mmHg 148,1 g / mol 131 o C 284 o C 1.2 TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA ANHYDRIT PHTHALIC 1.2.1 Phản ứng với rượu thu được monoester C 6 H 4 (CO) 2 O + ROH  C 6 H 4 (CO 2 H)CO 2 R 1.2.2 Phản ứng mở vòng với peroxyt tạo ra axit peroxy C 6 H 4 (CO) 2 O + H 2 O 2  C 6 H 4 (CO 2 H)CO 2 H 1.2.3 Phản ứng oxy hóa hoàn toàn C 8 H 4 O 3 + 7O 2  8CO 2 + 2H 2 O 3 1.2.4 Phản ứng với ancol: 1.2.5 Andehit cộng hidro (xúc tác Niken) đun nóng tạo ra ancol bậc I. R-CHO + H 2 → R-CH 2 OH Phản ứng với nhóm OH : Phản ứng tạo Fluorescein 1.3. ĐIỀU CHẾ ANHYDRIT PHTHALIC 1.3.1 Đi từ o-xylen C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3O 2  C 6 H 4 (CO) 2 O + 3H 2 O 4 1.3.2 Đi từ naphthalen C 10 H 8 + 9/2O 2  C 6 H 4 (CO) 2 O + 2CO 2 + 2H 2 O 1.4 ỨNG DỤNG Anhydrit phthalic được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghệ hóa chất, hơn một nửa Andydrit phthalic sản xuất ra dùng để tạo ra Dioctyl Phthalate là một chất quan trọng trong việc tạo ra nhưa PVC. Việc sử dụng lớn thứ hai của Anhydrit Phthalic, khoảng 18% sản lượng, là trong nhựa polyester không no (UPRs) được sử dụng để sản xuất nhựa sợi thủy tinh gia cố, Anhydrid phthalic được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để sản xuất một số thuốc nhuộm . Một ứng dụng nổi tiếng của phản ứng này là việc chuẩn bị của anthroquinone thuốc nhuộm quinizarin bằng phản ứng với para- chlorophenol tiếp theo thủy phân của clorua. Trong ngành dược phẩm, Anhydrid phthalic phản ứng với cellulose acetate dạng cellulose acetate phthalate (CAP), một chung lớp vỏ ruột tá dược đó cũng đã được chứng minh là có tác dụng kháng virus. phthalic anhydride là một sản phẩm phân hủy của CAP. 5 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN LIỆU O-XYLE Orthor-Xylen là một hyđrocacbon thơm, gồm một vòng benzen và hai nhóm mêtyl thế vào hai nguyên tử cácbon liền kề thuộc vòng thơm. Nó có công thức phân tử là C 8 H 10, khối lượng phân tử là 106,16 g/mol. Nó không hòa tan trong nước nhưng tan rất tốt trong các dung môi hữu cơ như ethanol, diethyl ether. O- Xylene được sử dụng chủ yếu để thực hiện như một dung môi công nghiệp và trong tổng hợp hữu cơ. Trên thế giới o-xylen được dùng để tổng hợp Anhydrit phthalic là lớn nhất. 2.1 TÍNH CHẤT VẬT LÍ O-xylen là một chất lỏng không màu, mùi thơm,không tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. O-xylen có khối lượng phân tử là 106,16 g/mol và nó có Khối lượng riêng(20 0 C): 0,88 g/ml. O-xylen có nhiệt độ sôi 144,4 0 C là và nhiệt độ nóng chảy là -24 0 C. Bảng 2. Bảng tóm tắt một số thôngg số vật lí của O-xylen Thông số Hằng số khối lượng phân tử Khối lượng riêng(20 0 C) nhiệt độ sôi nhiệt độ nóng chảy là 106,16 g/mol 0,88 g/ml 144,4 0 C 24 0 C 6 Độ nhớt(20 0 C) Độ hòa tan(25 0 C ) Nhiệt độ chớp cháy Nhiệt dung(25 0 C) Sức căng bề mặt(20 0 C) 0,8102 c P 0, 171 g/l 17 0 C 187,0 J / (mol K) 30,10 dyn/cm 2.2TÍNH CHẤT HÓA HỌC. 2.2.1Phản ứng oxy hóa hoàn toàn. 2C 8 H 10 + 21O 2  16CO 2 + 10H 2 O, 2.2.2 Phản ứng điều chế anhydit phthalic. C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3 O 2  C 6 H 4 (CO) 2 O + 3H 2 O Phản ứng này cần có V 2 O 5 làm chất xúc tác. 2.2.3 Phản ứng thế C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 2Br 2  C 6 H 4 (CH 2 Br) 2 + 2HBr 2.2.4 một số phản ứng khác Phản ứng oxi hóa tạo ra anhydrite maleic: C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 15/2O 2  C 2 H 2 (CO) 2 O + 4CO 2 + 4H 2 O 2.3ỨNG DỤNG Sản xuất sơn và nhựa :Dùng O-Xylene làm dung môi cho sơn bề mặt vì nó có tốc độ bay hơi chậm hơn Toluene và khả năng hoà tan tốt. Nó được dùng trong tráng men, sơn mài, sơn tàu biển, các loại sơn bảo vệ khác và dùng trong sản xuất nhựa alkyd. 7 . -Mực in:O-Xylene dùng làm dung môi cho mực in vì nó có độ hoà tan cao. Keo dán: O-Xylene được dùng trong sản xuất keo dán như keo dán cao su nguyên liệu để sản xuất chất khác. O-Xylen chủ yếu dùng để tổng hợp Anhydrit phthalic là một chất được sử dụng rất nhều trong ngành công nghiệp hóa chất như sản xuất thuốc nhuộm, sản xuất chất dẻo, sản xuất nhựa, dược phẩm. CHƯƠNG III Các Phương Pháp Sản Xuất Anhydrit Phthalic 3. Các phương pháp sản xuất anhydrite phthalic 3.1Quá trình sản xuất anhydrite phthalic bằng phương pháp oxy hóa o- xylen. 8 Hình 1. Sơ đồ công nghệ sản xuất anhydrite phthalic từ o-xylen 3.1.1. Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình. Phản ứng hóa học chính xảy ra như sau: C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3O 2  C 6 H 4 (CO) 2 O + 3H 2 O Phản ứng này xảy ra ở pha hơi và cần có xúc tác là V 2 O 5. Các phản ứng phụ: C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 3O 2  C 6 H 4 (CO) 2 O + 3H 2 O C 6 H 4 (CH 3 ) 2 + 10O 2  8CO 2 + 5H 2 O 3.1.2. Nguyên liệu của quá trình sản xuất anhydit phthalic từ o-xylen. Nguyên liệu của quá trình sản xuất anhydrit phthalic bằng phương pháp oxy hóa o-xylen thì ngoài o-xylen còn có không khí( chủ yếu là cung cấp oxy cho phản ứng oxy hóa), lưu huỳnh dioxit. Các nguồn cung cấp xylen thì chứa tới 95%( tính theo trọng lượng) là o-xylen, 5% còn lại là các m-xylen và p-xylen. Trong quá trình phản ứng thì chỉ có o-xylen bị oxy hóa tạo ra anhydrit phthaic còn m-xylen và p-xylen dưới điều kiện của lò phản ứng thì nó tạo ra các sản phẩm khác mà chủ yếu là Cacbon oxit và nước. tuy nhiên trong quá trình sản xuất anhydrit phthalic thì p- xylen bị oxy hóa tạo ra anhydrit maleic, p-tolualdehy, axit p-toluic, axit terephthalic. Trong khi đó m-xylen bị oxy hóa tạo ra anhydrit maleic, axit isophthalic, m-tolualdehy và p-benzoquinone. Không khí sau quá trình lọc để loại bỏ các tạp chất( chủ yếu là bụi) người ta đem nén dưới áp suất từ 48,2 Kpa đến 55,2 Kpa và được làm nóng đến 149 0 C bằng hơi nước. nguyên liệu o-xylen cũng được làm nóng và bay hơi vào dòng không 9 khí nóng. Một lượng nhỏ lưu huỳnh dioxit ( 0,2% đến 2,5% theo trong lượng) cũng được đưa vào trong quá trình để duy trì hoạt tính của chất xúc tác ( V 2 O 5 ). 3.1.3. Lò phản ứng. Trong lò phản ứng thì tỉ lệ theo trọng lượng giữa không khí và nguyên liệu o- xylen là 25,tương đương với 1 mol phần trăm xylen.Tỉ lệ theo trọng lượng thấp nhất là 20 và cao nhất là 34. Không khí được đưa vào lò phản ứng phải dư để đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp thấp hơn giới hạn nổ. Sau khi loại bỏ các nguyên liệu bốc hơi, các chất phản ứng với nhau trong lò phản ứng ở nhiệt độ khoảng 380 o C. Nhiệt độ trong lò phản ứng được duy trì từ 300 o C đến 390 o C. Lò phản ứng BASF có công suất 1,44.10 4 tấn/năm thì nó có đường kính 4,2 mét. Trong lò phản ứng có chứa 9,948 ống chứa đầy chất xúc tác, mỗi ống dài 3m. Cũng có một số nhà máy sử dụng số ống đựng chất xúc tác lớn hơn 9,948 ống( khoảng 13000 ống). Các phản ứng trong lò phản ứng đều là các phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ trong lò phản ứng rất cao. Để duy trì nhiệt độ phản ứng và để tránh hỏng lò phản ứng bởi nhiệt độ cao thì người ta làm mát các lò phản ứng bằng cách cho các chất tải nhiệt chảy bên ngoài lò phản ứng( vỏ của lò phản ứng). Các chất tải nhiệt có thể là muối của natri, kali( NaCl, KaCl, Na 2 CO 3, K 2 CO 3 ). Khi đó các chất tải nhiệt này có nhiệt độ cao tiếp tục được đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt, người ta tận dụng nhiệt lượng này để sản xuất hơi nước có áp suất cao. Khí đi ra lò phản ứng có nhiệt độ cao( khoảng 375 o C), Khí này được dẫn vào nồi hơi để tận dụng nhiệt phục vụ cho quá trình sinh hơi. Trong lò phản ứng, phản ứng oxi hóa xylen là hoàn toàn (100%). Với mỗi kilogram nguyên liệu chứa 95% o-xylen ta thu được 1,03 kilogram anhydrit phthalic. Theo lí thuyết thì với 1 kg nguyên liệu chứa 100% o-xylen ta thu được 1,39 kg anhydrit phthalic. 10 [...]... lò phản ứng Cơ chế của chất xúc tác tương tự trong quá trình sản xuất anhydrit phthalic từ o-xy len Người ta sử dụng 0,6g chất xúc tác đối với 1 kg sản phẩm anhydrit phthalic, để làm chậm tốc độ phản ứng và ngăn ngừa các phản ứng oxy hóa naphthalen thành những sản phẩm không mong muốn thì người ta sử dụng K2SO4 • Công nghệ sản xuất anhydrit phtalic từ Naphtalen của hãng Figure : 22 Mô tả hoạt động: Napthalene... vì các thống làm sạch phản ứng tỏa ra nên sản phẩm rất nhiều nhiệt không được tinh +) Điều kiện khiết phản ứng khắc nghiệt Với những ưu nhược điểm trên em xin chọn công nghệ sản xuất anhydrit phthalic từ o-xylen của hãng BASF để thiết kế và tính toán Một số tính chất hóa lý của nguyên liệu O-xylen Công thức phân tử C 8 H 10 Khối lượng phân tử 106,16 g / mol 33 Xuất hiện Lỏng không màu Mật độ 0,88 g /... nước sản xuất là Mỹ,Tây Âu,Trung Quốc đặc biệt là Singapo nơi có nhà máy sản xuất lớn nhất thế giới đặt làm cơ sở sản xuất sản xuất và cung ứng trên toàn cầu 34 PHẦN HAI CÂN BẰNG VẬT LIỆU 1 Các phản ứng 1.1 Phản ứng chính C6H4(CH3)2 + 3O2  C6H4(CO)2O (1) 35 + 3H2O 1.2 Các phản ứng phụ C6H4(CH3)2 + 15/2O2 (2) C6H4(CH3)2 + 10O2   C2H2(CO)2O + 4CO2 + 4H2O 8CO2 + 5H2O (3) Năng suất của Anhydrit Phtalic. .. tải nhiệt mang nhiệt đi cung cấp cho lò hơi Đó chỉ là một phần nhiệt cung cấp tạo ra hơi nước đáp ứng cho quá trình sản xuất Phần nhiệt còn lại có thể sử dụng sản xuất ra điện 3 2 Qúa trình sản xuất anhydirt phthalic bằng phương pháp oxy hóa naphthalene 16 Hình 2 Sơ đồ công nghệ sản xuất anhydrit phthalic từ naphthalen 3.2.1 Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình Phản ứng hóa học chính xảy ra như... được thiết kế có các lỗ thông hơi để kiểm soát khí thải từ napthalen Bể chứa sản phẩm anhydrit phthalic thô và anhydrit phthalic tinh có điều kiện giống với quá trình sản xuất anhydrit phthalic từ oxylen 3.2.10 quá trình truyền nhiệt Quá trình sử dụng hai hệ thống truyền nhiệt bằng chất lỏng hữu cơ Một là hệ thống làm nóng và hệ thống làm lạnh thiết bị ngưng tụ Hai là hệ thống làm sạch sản phẩm( quá... chế là anhydrit phthalic có độ tinh khiết lên đến 99.9% được lấy ra khỏi cột tinh chế và được bảo quản ở điều kiện chân không và ở nhiệt độ 149 oC 3.1.6 Lò đốt Trong quá trình sản xuất anhydrite phthalic sản sinh ra một số chất không cần thiết hay nói cách khác là chất thải Thông thường những chất này người ta đem đốt trong các lò đốt Cách này được sử dụng không những trong quá trình sản xuất anhydrite... lỏng- khí 95% Phân hủy tạp chất màu 97% Tách sản phẩm nặng 93% Tách sản phẩm nhẹ 94% Tinh khiết sản phẩm 96% Năng suất trung bình theo mỗi ngày làm việc: − − − − Số ngày trong một năm: 365 ngày Số ngày sửa chữa nhỏ: 7 ngày Số ngày sửa chữa lớn: 13 ngày Số ngày nghỉ lễ tết: 10 ngày Như vậy: Tổng số ngày làm việc trong một năm là: Năng suất tính trong 1 giờ: 1 Tính toán sơ bộ vế lượng anhydritPhtalic sử... Trong quá trình sản xuất anhydrit phthalic thì nguồn cung cấp oxy là không khí Không khí là nguồn cung cấp oxy vô tận và trong không khi hàm lượng oxy tương đối cao (21%) 4.3 Phản ứng tổng hợp anhydrit phthalic từ o-xylen C6H4(CH3)2 + 3O2  C6H4(CO)2O + 3H2O Xúc tác của phản ứng là V2O5 Điều kiện phản ứng: nhiệt độ từ 330 OC đến 480 OC, Áp suất khoảng 200kpa 4.4 Các công nghệ sản xuất anhydrit phthalic... 4.4 Các công nghệ sản xuất anhydrit phthalic từ o-xylen 4.4.1 Công nghệ sản xuất anhydrit phthalic từ o-xylen của hãng MG Techonologies 26 Hình 3 Sơ đồ công nghệ sản xuất anhydrit phthalic từ o-xylen của hãng MG Techonologies 1 Dòng không khí được gia nhiệt 2 Bơm 3,4 thiết bị gia nhiệt 7 Thiết bị pha trộn 5 Dòng không khí đã 8 Dòng sản phẩm 9 thiết bị phản ứng 10 dòng nguyên liệu đã được gia nhiệt 11... thải Trong nhà máy sản xuất anhydrit phthalic dòng nước thải được sản sinh ra từ đáy của nồi hơi Một nguồn nước thải khác cũng được sản sinh ra trong hệ thống làm sạch sản phẩm Các dòng nước thải này phải được dẫn đến các khu xử lí nước thải riêng biệt 3.1.10 Chất xúc tác Nhiều biến thể vadini oxit đều có thể sử dụng làm xúc tác cho quá trình Ví dụ trong một quá trình có thể sử dụng kết hợp nhiều chất . Sản Xuất Anhydrit Phthalic 3. Các phương pháp sản xuất anhydrite phthalic 3.1Quá trình sản xuất anhydrite phthalic bằng phương pháp oxy hóa o- xylen. 8 Hình 1. Sơ đồ công nghệ sản xuất anhydrite. là 1156000 tấn. Anhydrit Phthalic được sử dụng trong các quá trình như sản xuất chất dẻo, sản xuất nhựa polyestes, sản xuất nhựa ankyd. Ngoài ra nó cũng được sử dụng để sản xuất dược phẩm,. trình sản xuất. Phần nhiệt còn lại có thể sử dụng sản xuất ra điện. 3. 2 Qúa trình sản xuất anhydirt phthalic bằng phương pháp oxy hóa naphthalene. 16 Hình 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất anhydrit