đồ án quy trình công nghệ hóa học thiết kê sản xuất benzen từ toluen bằng hysys

asestudy nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. Nguyên liêu đầu vào ảnh hưởng tới năng suất của quá trình. Case study 1 bao gồm hai yếu tố: Molar flow của dòng toluen Molar flow của dòng benzen. Các thiết lập để làm case là:asestudy nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. Nguyên liêu đầu vào ảnh hưởng tới năng suất của quá trình. Case study 1 bao gồm hai yếu tố: Molar flow của dòng toluen Molar flow của dòng benzen. Các thiết lập để làm case là:asestudy nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. Nguyên liêu đầu vào ảnh hưởng tới năng suất của quá trình. Case study 1 bao gồm hai yếu tố: Molar flow của dòng toluen Molar flow của dòng benzen. Các thiết lập để làm case là:

GIỚI THIỆU

Công nghiệp hóa chất ngày càng phát triển,do đó các sản phẩm tạo rangày càng nhiều và đa dạng,trong đó benzene là một sản phẩm không thể thiếukhi nhắc đến ngành công nghiệp này.Ngày nay một lượng lớn benzene dùng đểsản xuất styren cho tổng hợp polymer,sản xuất cumen cho việc sản xuất cùng lúcacetone và phenol,làm dung môi và sản xuất dược liệu, Các phương pháp sảnxuất benzen trong công nghiệp cũng không ngừng phát triển để cung cấp nguồnnguyên liệu trung gian này cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu cũng như các loại hóachất khác Benzen có thể thu được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóadầu, như quá trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, Cracking hơi Mặc dùtrong các quá trình này, benzen chỉ là sản phẩm phụ, song sản lượng là đáng kể.Trong quá trình reforming xúc tác, với nguồn nguyên liệu naphta đã cung cấplượng benzen và sản phẩm BTX chủ yếu Hay quá trình Hydrodealkyl hóa trựctiếp toluen để cho sản phẩm benzen với độ chuyển hóa rất cao Quá trình này cóthể thực hiện dễ dàng nhờ xúc tác hydrodealkyl hóa toluen-HDA hay dưới tácdụng của nhiệt độ thermal hydrodealkyl of toluen-THDA

Với đồ án này chúng em sẽ trình bày tính chất của nguyên liệu và sảnphẩm của quá trình hydrodealkyl hóa toluen-HDA sản xuất benzene, các phươngpháp sản xuất benzene, tính toán cân bằng vật chất cũng như tiềm năng kinh tếcủa quá trình

1 Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm.

1.1 Nguyên liệu khí Hydro

Tính chất vật lý.

- Hydro là chất khí, không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí14,5 lần

- Nhiệt độ sôi -259oC ,nhiệt độ nóng chảy -252,5oC , hóa lỏng ở -183oC

- Tan ít trong nước và các dung môi hữu cơ Ở 0oC chỉ hòa tan 21,5 ml H2/1 lít H2O

Tính chất hóa học.

- Năng lượng liên kết H-H : 435 kJ/mol → phân tử H2 rất bền nên H2 kémhoạt động ở điềukiện thường

- Ở nhiệt độ cao, hydro có thể phản ứng với nhiều đơn chất và hợp chất

+Phản ứng với phi kim khác : halogen, oxy …

- Hidro là chất khí lỏng nhẹ hơn không khí nên thường được sử dụng

trong bơm khí cầu, bóng bay, cổng hơi,…

- Nhiên liệu cho động cơ tên lửa, nguyên liệu sản xuất amoniac, khử

một số oxit kim loại,…

1.2 Nguyên liệu khí Toluen

Tính chất vật lý.

- Là chất lỏng không màu, Toluen dễ bắt cháy

- Nhiệt độ nóng chảy -95oC , nhiệt độ sôi 110,6oC

- Toluen có khả năng hòa tan trong benzene, etanol, các xeton và phần lớndung môi hữu cơ, rất ít tan trong nước

Tính chất hóa học.

Công thức hóa học : C6H5-CH3

Công thức cấu tạo :

Phản ứng thế vào electrophin vào nhân thơm.

- Nhóm thế CH3 là nhóm thế loại I với ảnh hưởng của hiệu ứng liênhợp và siêu liên hợp đến electron π trong vòng benzene làm mật độ e trongvòng benzene tăng lên ở các vị trí ortho và para, đồng thời làm tăng tốc độphản ứng thế

- Trong công nghiệp và đời sống thì toluene đóng một vai trò quan trọng:

+ Là thành phần cấu từ làm tăng trị số octan, nâng cao giá trị của xăng

+ Bên cạnh đó toluen còn là nguyên liệu chính sản xuất thuốc nổ

TNT, ứng dụng trong các lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác

+ Trong công nghiệp hóa chất, toluene đa phần sử dụng để sản xuất benzene,ngoài ra còn sự dụng làm dung môi, sản xuất sơn

1.3 Sản phẩm Benzene.

Tính chất vật lý.

- Benzene là chất lỏng không màu, không tan trong nước, nhẹ hơn nước

- Benzene có thể hòa tan nhiều chất như : dầu ăn, cao su, nến, iot

Bảng 3: Các tính chất vật lý của benzene :

Nhiệt độ nóng chảy 5,533oC

Khối lượng riêng ở 25oC(10) 879 kg/m3

Độ hoà tan trong nước ở 25oC 0.18g/100g H2O

Độ nhớt ở 20oC(92) 0,649.10-3N.s/m2

Tính chất hóa học

- Phản ứng cộng :

Benzen + H2→ XyclohexanĐiều kiện : + Xúc tác : Ni;

+ Áp suất : 200 – 300 atm;

+ Nhiệt độ : 300oC Phản ứng thế :

+ Nitro hóa :

+ Halogen hóa :

+ Alkyl hóa benzene :

+ Phản ứng sunfo hóa :

Các ứng dụng của benzene.

- Benzen có vai trò quan trọng trong thực tế , là nguyên liệu chính để sảnxuất các loại thuốc trừ sâu , thuốc kháng sinh , chất kich thich tăng trưởng

và vô số các ứng dụng khác trong đời sống

- Benzen là nguồn nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp phẩm nhuộmanilin, dược phẩm, trong việc sản xuất chất phụ để nâng cao chỉ số octan đốivới nhiên liệu động cơ ôtô và máy bay

- Trong phòng thí nghiệm, benzen được sử dụng rộng rãi làm dung môi

2 Sản xuất benzene bằng quá trình hydrodealkyl hóa toluene.

2.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene.

Xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghệ tổng hợp hóa dầu lớn hơnnhiều so với các hợp chất này cũng như với toluene và các xylene (sản phẩmBTX) Sau khi phân tách benzene khỏi sản phẩm reforming, các hydrocacbonthơm cao hơn sẽ được đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng códạng tương tự hydrocracking Tại đây, phân nhánh alkyl sẽ được bẻ gãy vàđồng thời được hydro hóa Dealkyl hóa các hợp chất dạng vòng benzene thếnhiều sẽ làm tăng lượng hydro tiêu thụ và đồng thời tạo ra nhiều sản phẩm khíhơn Dưới đây là 1 số ví dụ:

Trong quá trình hydrodealkyl hóa, phản ứng cơ bản là tách các nhómalkyl gắn với nhân benzen ra dưới dạng alkan Nếu quá trình vận hành đúng,

và chuyển hóa được hoàn toàn nhờ tuần hoàn phần hydrocacbon thơm chưaphản ứng, các sản phẩm thu được là benzen và rất nhiều các hydrocacbon nhẹ,chủ yếu là metan Bất kỳ loại nào không phải hydrocacbon thơm có trongnguyên liệu, ví dụ trong phần xử lí trực tiếp phân đoạn xăng C5+ không quagiai đoạn chiết dung môi, sẽ bị phân hủy thành các parafin nhẹ (metan) Điềunày nhằm mục đích thu sản phẩm benzen có độ tinh khiết cao, nhưng cũng kéotheo lượng hydro tiêu thụ rất lớn Các hợp chất lưu huỳnh chuyển hóa mộtphần thành H2S

2.3 Các công nghệ hydrodealkyl hóa.

Các quá trình hydrodealkyl hóa hiện nay có thể chia làm 2 loại :

- Hydrodealkyl hóa nhiệt (Thermal hydrodealkylation – THDA)

- Hydrodealkyl hóa có xúc tác ( Hydrodealkylation – HDA)

2.4 Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác.

Hiện nay, với quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác, các nhà máyđang sử dụng chủ yếu các công nghệ của Shell, UOP, Houdry và BASF

Xúc tác.

- Xúc tác sử dụng được tổng hợp từ dưới dạng tinh thể (hạt) bằng nhiềuphương pháp khác nhau như phương pháp ngâm tẩm, phương pháp kết tủa…Thường sử dụng chất mang là nhôm – silic oxit với các tâm xúc tác là cácđơn phân tử hoặc có sự kết hợp giữa các phân tử kim loại nhóm B ví dụ như

Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Ir, Rh, Cu…, ngoài ra còn một số ít các oxit

- Do có mặt xúc tác nên điều kiện phản ứng không khó khăn nhưhydrodealkyl nhờ tác dụng của nhiệt độ

Bảng 4: Độ chuyển hóa và độ chọn lọc trong phản ứng có xúc tác

Tâm xúc tác Độ chuyển hóa(%) Độ chọn lọc(%)

2.5 Quá trình Hydrodealkyl hóa nhiệt

_Với các quá trình hydrodealkyl hóa nhiệt, các công ty chính đã pháttriển và thương mại hóa công nghệ này là Atlantic Richfield và HydrocacbonResearche Inc, Mitsubishi và Chioda, Gulf Oil…

- Điều kiện làm việc :

- Về cơ bản, điều kiện vận hành công nghệ này như sau:

• Nhiệt độ dòng vào thiết bị phản ứng 650oC nhiệt độ tối

đa 730 ÷ 750oC

• Áp suất 4,3 MPa

• Thời gian lưu trung bình 25 ÷ 30 giây

• Tỷ lệ mol H2/hydrocacbon trong dòng vào thiết bị là 5

• Độ chuyển hóa 75%

• Độ tinh khiết tối thiểu của dòng hydro là 50 ÷60%

Sản phẩm benzene có độ tinh khiết rất cao, và hiệu suất quá trình đạttới 98%

3 Một số phương pháp sản xuất Benzene khác.

Dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp sản xuất benzene khác đangđược áp dụng Với việc phân tích các điều kiện công nghệ sẽ cho cái nhìn tổngquan để đánh giá cũng như lựa chọn công nghệ tối ưu và phù hợp với điều kiệnkinh tế nhất có thể

Các quá trình chủ yếu để sản xuất benzene bao gồm:

* Reforming xúc tác

* Hydrodealkyl hoá toluene

* Phân bố lại toluene

* Xử lí xăng nhiệt phân

* Sản xuất từ than đá.

Reforming xúc tác.

Các phản ứng diễn ra trong quá trình.

Nguyên liệu sử dụng trong quá trình xăng chưng cất trực tiếp

Có 2 phản ứng chính bao gồm :

- Dehydro hóa napthen ( alkyl xyclohexan )

- Dehydro vòng hóa các paraffin và isoparafin Đóng

vai trò hỗ trợ là các phản ứng phụ trợ :

- Isome hóa parafin thành các isoparafin

- Isome hóa các alkyl xyclohexan

Bên cạnh đó các phản ứng phụ cũng xảy ra bao gồm các phản ứng tạo cốc,hydrocracking paraffin, naphten và tách metan

Điều kiện công nghệ.

Về mặt lý thuyết các điều kiện thuận lợi cho quá trình reforming là ápsuất 0.1 MPa và nhiệt độ không quá 350oC, bên cạnh đó toàn bộ quá trìnhcũng phải thực hiện dưới áp suất hydro tương đối cao để làm giảm các quátrình tạo cốc, tăng độ chọn lọc sản phẩm

Xúc tác.

Các loại xúc tác sử dụng hiện nay sử dụng chất mang thường là γ-Al2O3, cóchứa hợp chất halogen (Cl, F hoặc kết hợp cả hai)

- Xúc tác có chứa oxyt hoặc sunfit Cr, Mo, Ni và W

- Xúc tác có chứa kim loại quý, thường là Pt hoặc Pt kết hợp với kim loạikhác Hàm lượng kim loại quý (Pt) dao động trong khoảng 0,2 ÷ 0,8% khốilượng

- Các xúc tác lưỡng và đa kim loại với việc đưa Re (hay Ir, Ru, Ag, Au,Ge…) vào thành phần xúc tác, giúp tăng cường các tính chất của Pt (Kéodài độ bền hoạt động của xúc tác, khả năng chịu đựng tốt với hiện tượnglắng đọng cốc lên bề mặt xúc tác)

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác là :

- Sự hình thành cốc lắng đọng: Cốc làm giảm diện tích bề mặt hoạt động củaxúc tác, làm cho độ chuyển hóa giảm sút

- Ngộ độc xúc tác: ngộ độc xúc tác có thẻ xảy ra dưới 2 dạng là ngộ độc vĩnhviễn bởi các kim loại như As, Pb, Cu, Hg và ngộ độc có thể hoàn nguyên gây

ra bởi lưu huỳnh, nito và các halogen Các độc tố có thể được loại bỏ nhờ quátrình xử lí nguyên liệu, thường là quá trình hydrodesunfuahóa

Các công nghệ reforming xúc tác.

Hiện nay trên thế giới, các quá trình công nghệ reforming gồm các côngnghệ bán tái sinh xúc tác, công nghệ tái sinh theo chu kì, và công nghệ tái sinhliên tục

Sơ đồ chung của quá trình công nghệ reforming xúc tác sử dụng nguồn nguyên liệu naptha :

 Các phương pháp như phân bố lại toluene, sản xuất từ than đá,xử lý xăng nhiệtphân, không phổ biến cũng như hiệu quả thấp ít được sử dụng trong côngnghiệp.

4 Lựa chọn công nghệ.

Có nhiều phương pháp để sản xuất benzene trong công nghiệp Tuy nhiên haiphương pháp reforming xúc tác và hydrodeakyl toluen được sử dụng rộng rãi trên thếgiới và cho sản lượng benzene lớn đáp ứng đủ nhu cầu của thị trường

Reforming xúc tác chủ yếu sử dụng đế sản xuất xăng có chỉ số octan cao, cònquá trìn hydrodeakyl sử dụng nguồn nguyên liệu là toluen ít giá trị tạo ra benzene cógiá trị hơn nhiều Tuy nhiên chi phí cho việc sử dụng xúc trác trong HDA tốn kếm hơnnhiều so với sử dụng nhiệt Do đó chọn phương pháp TDHA( Thermal hydrodealkyl)toluene sản xuất benzene

5 Cân bằng vật chất

Các thông số ban đầu cho quá trình

+ Năng suất benzene : 78,6 Kmol/h

+ Nhập liệu:

Toluene tinh khiết

Hydro tinh khiết

+ Độ chuyển hóa Toluene: 75 %

+ Độ tinh khiết của benzene: 99,5 %

I Tính toán số liệu ban đầu

+Năng suất benzene trong một giờ :

Gbenzene= 78,6 x 78 = 6130,8 kg/h

+Lượng Toluen lẫn trong sản phẩm là (với độ tinh khiết chỉ 99.5%)

Gtoluene=

995 0

005 , 0 8 ,

Gbenzene phụ (2)=

98 0

6 ,

=>Lượng toluene cần thêm vào để tạo thêm benzene bù đấp phần mất đi do tạo

ra sản phẩm phụ

ntoluene= nbenzene= 1,6 Kmol/h

=>Tổng lượng CH4sinh ra:

nCH4= 78,6 + 1,6 = 80.2 Kmol/h = ntoluene lí thuyết

+Lượng Toluen thực tế phải sử dụng

ntoluene thực tế=

75 , 0

6 ,1 6 ,

78  = 108 Kmol/h

=>Lượng Toluen dư là

ntoluene dư= 107,8 - 80,2 = 27,6 Kmol/h

+Số mol hydro cần cho phản ứng

nhydro= 78,6 +

2

6 ,1 = 79,4 Kmol/h

Do cần nhập một tỷ lệ dư Hydro (5:1) so với hệ số phương trình tỉ lượng (1:1)nên lượng Hydro thực tế cần phải nhập liệu vào là

nhydro thực tế= ntoluene.5 = 107,8 5 = 539 Kmol/h

=>Ghydro= 539 2 = 1078 Kg/h

+Lượng Hydro dư sau phản ứng

nhydro dư= 539 - 79,4 = 459,6 Kmol/h

6 Xây dựng mô phỏng trên Hysys

+Dựa trên sơ đồ PFD, ta xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Hysys như hình 3 dướivới một số điều chỉnh và điều kiện

+Xây dựng sơ đồ với 5 cấu tử : benzen, toluen, metan, hydro,biphenyl

Thiết lập phản ứng chính trong Hysys

Nhập liệu toluene

Năng suất benzene

Cân bằng vật chất và nhiệt lượng của thiết bị phản ứng

Cân bằng vật chất và nhiệt lượng của thiết bị tách pha

Cân bằng vật chất và nhiệt lượng của tháp chưng cất T-102.

Khi đó, cân bằng vật chất và nhiệt lượng của tháp thể hiện qua:

xxxx

Thành phần dòng:

Casestudy nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.

Nguyên liêu đầu vào ảnh hưởng tới năng suất của quá trình

Case study 1 bao gồm hai yếu tố:

-Molar flow của dòng toluen-Molar flow của dòng benzen

Các thiết lập để làm case là:

Kết quả khảo sát Case study 1

Vậy tìm năng kinh tế

EP =Benzene value + Fuel value of Diphenyl + Fuel value of pure Toluene cost - Makeup gas cost

-= $710544 + $132330 + $4304 + $912 - $691200 - $90516

= $66374