Ngành công nghiệp hóa chất là một trong những ngành mũi nhọn của đất nước ta hiện nay. Các sản phẩm của ngành công nghệ hóa chất luôn tồn tại xung quanh chúng ta. Chúng là kết quả của một loạt các quy trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mong muốn. Chính vì vậy nguồn nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên, mà còn phải kể đến các chất trung gian trong quá trình tổng hợp. Từ những chất trung gian này với những điều kiện công nghệ khác nhau sẽ cho ra nhiều sản phẩm khác nhau. Một trong số các nguồn nguyên liệu trung gian này là benzene. Benzene có thể thu thập được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầu như là reforming xúc tác , cracking xúc tác , steam cracking . Mặc dù trong các quá trình này benzene chỉ là một trong vô vàn các sản phẩm được tạo ra , nhưng trong quá trình reforming xúc tác , với nguồn nhập liệu naphtha đã cung cấp một lượng benzene và sản phẩm BTX chủ yếu. Và trong xã hội hiện tại khi giá thành toluene xuống thấp và nguồn cung dồi dào cùng với nhu cầu benzene tăng cao, thúc đẩy giá trị lợi nhuận của benzene nên càng thôi thúc việc sản xuất một lượng benzene để cung cấp cho thị thường . Quá trình Toluene – Hydrodealkylation – HDA là một quá trình phục vụ cho điều đó . Trong bài báo cáo này, với kiến thức đã được học trong môn Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học cùng với việc tham khảo tài liệu và vận dụng phần mềm mô phỏng và tối ưu Hysys V8.8 em sẽ mô tả quy trình HAD.
Trang 1Sinh viên Thực Hiện :
Họ và tên: MSSV
Phạm Quốc Cường 1510383
La Tiến Đạt 1510674
Lê Thị Ngọc Phương 1512577
Thạch Thay 1513018
Huỳnh Thái Trung 1513713
MỤC LỤC
Trang 21 Mở đầu 4
2 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình hydrodealkyl hóa Toluen 4
2.1 Khí hiđro 4
2.2 Toluen 5
2.3 Benzen 6
2.4 Biphenyl và metan (sản phẩm phụ) 7
3 Quy trình Toluene – Hydrodealkylation 7
4 Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động 7
4.1 Điều kiện phản ứng : 7
4.2 Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 8
4.3 Khái quát quy trình 9
5 Thiết bị chính sử dụng trong quy trình 12
5.1 Bơm 12
5.2 Thiết bị gia nhiệt 12
5.3 Thiết bị phản ứng dạng ống 13
5.4 Thiết bị làm mát 14
5.5 Thiết bị tách 15
5.6 Van giảm áp 15
5.7 Thiết bị chưng cất 16
5.8 Thiết bị chia dòng 17
5.9 Thiết bị giảm áp 17
6 Bảng tóm tắt thông số các dòng và thông số các thiết bị 18
6.1 Thông số dòng 18
6.2 Thông số thành phần dòng 19
6.3 Thông số thiết bị 20
Trang 3BÁO CÁO MÔN THIẾT KÊ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HDA
1 MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp hóa chất là một trong những ngành mũi nhọn của đất nước ta hiện nay Các sản phẩm của ngành công nghệ hóa chất luôn tồn tại xung quanh chúng ta Chúng
là kết quả của một loạt các quy trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mong muốn Chính vì vậy nguồn nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên, mà còn phải kể đến các chất trung gian trong quá trình tổng hợp Từ những chất trung gian này với những điều kiện công nghệ khác nhau sẽ cho ra nhiều sản phẩm khác nhau Một trong số các nguồn nguyên liệu trung gian này là benzene
Benzene có thể thu thập được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầu như là reforming xúc tác , cracking xúc tác , steam cracking Mặc dù trong các quá trình này benzene chỉ là một trong vô vàn các sản phẩm được tạo ra , nhưng trong quá trình reforming xúc tác , với nguồn nhập liệu naphtha đã cung cấp một lượng benzene và sản phẩm BTX chủ yếu Và trong xã hội hiện tại khi giá thành toluene xuống thấp và nguồn cung dồi dào cùng với nhu cầu benzene tăng cao, thúc đẩy giá trị lợi nhuận của benzene nên càng thôi thúc việc sản xuất một lượng benzene để cung cấp cho thị thường Quá trình Toluene – Hydrodealkylation – HDA là một quá trình phục vụ cho điều đó
Trong bài báo cáo này, với kiến thức đã được học trong môn Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học cùng với việc tham khảo tài liệu và vận dụng phần mềm mô phỏng
và tối ưu Hysys V8.8 em sẽ mô tả quy trình HAD
2 NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HÓA TOLUEN
2.1 KHÍ HIĐRO
- Đó là phi kim loại tồn tại ở nhiệt độ phòng ở trạng thái khí, dễ bắt lửa, không màu,
không mùi
Một số thông số nhiệt động lực: năng lượng liên kết 435 kJ / mol, điểm nóng chảy
-259,1 o C, điểm sôi -252,6oC
- Các ứng dụng:
Được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp hoá dầu và khí đốt như sản xuất phân bón, amoniac, nhiên liệu hóa thạch
Được sử dụng làm chất làm nguội do nhiệt độ và độ dẫn nhiệt cao nhất của tất
cả các loại khí
Được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn
- Trong quy trình HDA này, tính chất của vật liệu hydro là trong bảng dưới đây:
Trang 42.2 TOLUEN
- Toluene là một chất dễ cháy, không màu, không tan trong nước có mùi giống chất pha
sơn Toluene hòa tan trong dung môi không cực như benzen, ethanol, ketone
- Một số thông số nhiệt động lực: nhiệt độ nóng chảy -93oC, điểm sôi 110oC
- Phân tử Toluene dễ phản ứng trong nhóm thơm và CH3, được tham gia vào quá trình
oxy hóa với các điều kiện phù hợp để hình thành axit benzoic và benzaldehyde
- Các ứng dụng phổ biến:
+ Dung môi chung cho sơn, cao su, mực in
+ Sử dụng trong sản xuất nhiên liệu: tăng lượng oxy xăng
- Trong quá trình này, vật liệu toluene được bơm vào pha lỏng, với lưu lượng mol =
100 kmol / h, tính chất của toluen được thể hiện trong bảng dưới đây:
Trang 52.3 BENZEN
Benzen là một hợp chất hóa học hữu cơ độc hại nhưng độc hại
- phản ứng quan trọng của nó là sự thay thế electrophilic tại vòng thơm
- Một số tham số nhiệt động lực học: điểm nóng chảy 5.5oC, điểm sôi 80.1oC
- Các ứng dụng: dung môi thông thường và chìa khóa để tạo ra nhiều hóa chất
Trang 6Khi kết thúc quy trình HDA sản phẩm cuối là benzen với độ tinh khiết trên 99%
2.4 BIPHENYL VÀ METAN (SẢN PHẨM PHỤ)
Sự dealkyl hóa của toluene để tạo ra benzene xảy ra dưới 2 phản ứng phụ:
C6H5CH3 + C6H6 → C6H5-C6H5 + CH4 2C6H6 + 1/2 O2 → C6H5-C6H5 + H 2O
- Biphenyl không hòa tan trong nước, nhưng hòa tan trong dung môi hữu cơ điển hình.
- Áp dụng biphenyl: dùng để làm chất nhũ hoá, chất làm sáng quang học, thuốc bảo
vệ thực vật và chất dẻo
- Methan (CH4) là chất Alkan đơn giản và phổ biến nhất Nó được sử dụng như một trong những nhiên liệu chính trong cuộc sống và công nghiệp
3 QUY TRÌNH TOLUENE – HYDRODEALKYLATION
Là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh trong dòng hydro Giống như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydro và thuận lợi ở điều kiện áp suất riêng phần hydro cao Dùng cho methylbenzene, etylbenzene,…
Quy trình này xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghiệp tổng hợp hóa dầu lớn hơn nhiều so với các chất trên cũng như toluene
Nếu thực quy trình vận hành đúng và độ chuyển hóa cao, sản phẩm thu được sẽ có hàm lượng benzene lớn cùng với lượng lớn các hydrocarbon nhẹ chủ yếu là methane CH4
HDA cho lượng benzene có độ tinh khiết cao cũng với sản phẩm phụ có nhiều ứng dụng tốt (methane) nhưng kéo theo đó quy trình này cần lượng hydro lớn ( tỉ lệ 1:3 đến 1:15 ) điều kiện nhiệt độ và áp suất cao
4 PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG VÀ ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG
4.1 ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG :
Điều kiện phản ứng phụ thuộc rất nhiều , tùy vào loại xúc tác và công nghệ vận hành của từng công ty Trong bài này ta sẽ thực hiện với điều kiện
Trang 7Điều kiện Thông số Ghi chú – Số liệu
thực tế làm trong đồ án
Tỉ lệ Hydro:Toluene ~ 5 (tránh hình thành
cốc )
Có thể chọn khác , dao động xung quanh 5 Xúc tác Sử dụng chất mang là
2 3
là các đơn phân tử hoặc có
sự kết hợp giữa các phân tử kim loại nhóm B
Nhờ có xúc tác nên điều kiện của phản ứng HDA đỡ khắc nghiệt hơn
so với quy trình Thermal HDA
4.2 PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG, NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐỘNG HỌC
- Phản ứng chính:
C7H8 + H2 C6H6 + CH4 ∆H = -11,71 kcal/g.mole
Phản ứng xảy ra ở 600oC – 650oC, áp suất 500 - 550 psia
- Phản ứng phụ:
2C6H6 C12H10 + H2 ∆H = -52.70 kcal/g.mole
Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, nhiệt độ dòng sau bình phản ứng sẽ đạt nhiệt độ rất cao, ta nên tận dụng lượng nhiệt đó để tiết kiệm chi phí cho các dòng Utility ở các khu vực cần cấp nhiệt
Xem quá trình chỉ xảy ra hai phản ứng chính như trên, hydrogen và toluene phản ứng hình thành benzene và methane theo phản ứng (1) không thuận nghịch có bậc tổng quát là 1.5:
r1=3,6858 × 106exp(−2.5616 ×104
T )P T P0.5H 2
Phản ứng phụ (2) thuận nghịch cho ra sản phẩm phụ Biphenyl có bậc 2 ( r2 là tốc độ phản ứng thuận, r3 là tốc độ phản ứng nghịch):
4
2
4
r 1 , r 2 và r 3 : lbmole/( min.ft 3 )
Trang 8T: K
P T , P H2 , P B , P B i: psia
+ Hằng số khí : R= 3.57458 [BTU/lbmole-K]
1
E =2,5616×104×3,57458 = 91.566 [BTU/lbmole]
2
E =1,5362×104×3,57458 = 54.913 [BTU/lbmole]
E3 =1,2237×104×3,57458 = 43.742 [BTU/lbmole]
4.3 KHÁI QUÁT QUY TRÌNH
Gia nhiệt cho nguyên liệu
Nguồn nguyên liệu của cả quá trình là nguồn toluen có độ tinh khiết cao và nguồn khí hydro có độ tinh khiết cao Cả 2 dòng nguyên liệu đều có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường
300C, và áp suất của dòng H2 4.0 Mpa Dòng toluen ban đầu được đưa qua bơm P-100 để nâng áp lên 4.0 Mpa dòng <1> Nguồn H2 sẽ được trộn với dòng H2 tuần hoàn về có lẫn một chút metan thông qua thiết bị khuấy trộn Mix-100 cho ra dòng <2> nhiệt độ lúc này của dòng H2 là khoảng 1200C tiếp theo sau đó dòng <1> và <2> sẽ được trộn lẫn lại với nhau qua thiết bị Mix-101 để cho ra dòng <3> Dòng <3> sẽ được đưa qua thiết bị gia nhiệt
E-101 tại đây nguyên liệu được nâng nhiệt lên 650C là nhiệt độ cần thiết để phản ứng xảy ra
Quá trình phản ứng
Dòng nguyên liệu <4> sau khi ra khỏi lò nung E-101 đạt nhiệt độ 6500C và với áp suất 4.5 Mpa là đủ điều kiện cho phản ứng xảy ra Hỗn hợp nguyên liệu là dòng <4> được cho đi vào thiết bị phản ứng Đây là thiết bị phản ứng xuyên tâm, dạng ống, phù hợp cho phản ứng pha khí Ta chọn thiết bị phản ứng dạng ống vì ở cùng một thể tích thiết bị dạng ống sẽ cho
độ chuyển hóa theo sản phẩm chính cáo hơn thiết bị phản ứng dạng bình khuấy ngoài ra ở đây ta tính toán thể tích bình khuấy để đạt độ chuyển hóa tối ưu vì thể tích thiết bị tăng đồng nghĩa với thời gian phản ứng tăng lên độ chuyển hóa cũng tăng theo nhưng chia phí từ đó sẽ tăng lên, nên ta sẽ tính toán chọn thể tích thiết bị sao cho hợp lý
Toluen + Hydro Benzen + Metan
2 Benzen Biphenyl + Hyđro
Mặt khác yêu cầu đặt ra là trong dòng nguyên liệu trước khi phản ứng, số mol khí hydro phải gấp 5 lần số mol các hydrocacbon Do vậy trong dòng <5> sản phẩm ra khỏi thiết
bị phản ứng không chỉ có sản phẩm chính (Benzen), sản phẩm phụ (Biphenyl) mà còn lượng
dư của nguyên liệu toluen, hydro và metan Do các phản ứng xảy ra đều có hiệu ứng tỏa nhiệt, nên dòng sản phẩm <5> có nhiệt độ lên đến 7450C Dòng <5> được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt E – 101 để hạ nhiệt động dòng sản phẩm xuống thuận lợi cho quá trình tách khí ra khỏi sản phẩm
Quá trình tách khí
Hỗn hợp trước khi tách khí được làm mát đến 00C nhờ qua thiết bị trao đổi nhiệt E –
Trang 9đã hóa lỏng để tránh thất thoát trong quá trình tách Tháp tách V – 100 thực hiện tách khí trong điều kiện áp suất cao 4.2Mpa, tức là giữ nguyên áp suất của nguyên liệu vào Dòng sản phẩm khí <6> chủ yếu gồm hydro và metan Dòng khí này được chia ra 2 dòng <8> và<9> với tỉ lệ 50-50, dòng khí hydro và metan sẽ đi lên trên <dòng 8> còn dòng< 9 >chủ yếu là benzen, toluen và biphenyl được cho qua thiết bị gia nhiệt E-103 để nâng nhiệt độ lên trước khi cho vào tháp chưng cất để tách lấy sản phẩm chính là benzen Dòng sản phẩm khí <8>
sẽ được đưa qua van xả TEE-100 để chia lại lưu lượng xả bớt một phần lưu lượng khí trước khi hồi lưu tránh làm ngộp đường ống
Quá trình chưng cất
Quá trình chưng cất gồm 1 tháp chưng cất , trước khi vào tháp chưng cất T-100 dòng sản phẩm đã được nâng nhiệt độ để đạt nhiệt độ cần thiết cho quá trình chưng cất, và sau đó đucợ dẫn qua một van tiết lưu VLV-100 nhằm tách khí không ngưng giúp quá trình chưng cất diễn ra thuận lợi hơn tại đây ta tiến hành trưng để tách lấy sản phẩm chính là benzen, nhiệt độ dòng vào tháp chưng cất là khoảng 100C với nhiệt độ này đảm bảo rằng benzen đã sôi trước khi vào tháp chưng cất giúp giảm nhiệt cung cấp cho quá trình và tăng hiệu quả chưng tách, ngoài ra trước khi vào tháp chưng dòng snả phẩm được đưa qua một van tiết lưu nhằm giảm áp suất dòng xuống, sản phẩm chính benzen với nhiệt độ sôi thấp lên sẽ đi lên trên ngưng tự ở trên đỉnh và tách ra dòng sản phẩm cuối còn dòng biphenyl sẽ được tách ra ở đáy
Phân tích hồi lưu
Ban đầu tỉ lệ nhập liệu toluen và hydro là 1:5 chính vì vậy lượng khí hydro còn lại sau phản ứng là rất lớn nên ta sẽ tiến hành hồi lưu dòng hydro để làm tăng tốc độ phản ứng thuận
từ đó làm giảm lượng benzen mất mát vào phản ứng phụ, hồi lưu sẽ làm giảm chi phí nguyên liệu Ngoài ra do dòng khí hồi lưu có lẫn cả metan tuy với hàm lượng k cao so với hydro nhưng nó sẽ làm phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch làm giảm tốc độ phản ứng thuận nên trước khi cho dòng hồi lưu trộn với dòng khí hydro ban đầu ta cần tách bỏ metan thông qua thiết bị tách loại metan
Sơ đồ quy trình
Trang 10Ký hiệu Tên thiết bị Ký hiệu Tên thiết bị
Material Stream
Heat
Recycle Dòng tái sinh Distillation
Column Tháp chưng cất Short cut
Distillation
Chưng cất mô phỏng
Plug flow reactor
Bình phản ứng dạng
ống Bảng kí hiệu các thiết bị trong phần mềm hysys sử dụng trong quy trình
5 THIẾT BỊ CHÍNH SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH
5.1 BƠM
P-100 được sử dụng để tăng áp suất của dòng toluene nhập liệu
5.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT
- E-101: Được sử dụng để gia nhiệt hỗn hợp lên nhiệt độ thích hợp trước khi cho
Trang 11Sau khi khảo sát nhiệt độ chọn được nhiệt độ tối ưu cho phản ứng là 650C
5.3 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DẠNG ỐNG
Nơi diễn ra phản ứng của toàn bộ quy trình Tiến hành khảo sát thể tích của thiết bị tại điều kiện nhiệt độ làm việc tối ưu ta được:
Trang 125.4 THIẾT BỊ LÀM MÁT
E-100 được sử dụng để giảm hỗn hợp sau phản ứng, sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng nhiệt độ hỗn hợp rất cao cần phải hạ nhiệt dộ xuống trước khi phân tách pha và
Trang 13tiến hành chưng cất.
5.5 THIẾT BỊ TÁCH
V-100 được sử dụng để tách loại phần lớn khí metan và hydro ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng một phần hydro sẽ được hoàn lưu trở lại để tiếp tục quy trình phản ứng
5.6 VAN GIẢM ÁP
VLV-100 được sử dụng để giảm áp suất của hỗn hợp cần chưng cất trước khi cho làm thiết bị chưng cất vì nếu chưng ở áp suất cao sẽ tốn nhiên liệu vì lượng nhiệt cần cung cấp nhiều, đồng thời áp suất giảm xuống nhiệt độ sôi của hõn hợp cũng giảm
Trang 14theo tránh phân hủy chất ở nhiệt dộ cao.
5.7 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
T-100 được sử dụng để tách riêng sản phẩm benzen + chọn 30 đĩa vì chúng ta cần độ tinh khiết cao của benzen + Đặc điểm kỹ thuật: chọn và sửa đổi để đảm bảo rằng phần mol của benzene trong
Trang 155.8 THIẾT BỊ CHIA DÒNG
Phân phối lại lưu lượng dòng hợp lý trước khi hồi lưu về nếu hồi lưu lại về hết thì
có thể xảy ra hiện tượng quả cầu tuyết nên ta phải chia lại dòng trước khi hồi lưu về
5.9 THIẾT BỊ GIẢM ÁP
Sử dụng để giảm áp suất dòng hồi lưu để hỗn hợp phân pha thuận lợi cho quá trình tách metan ra khỏi dòng hydro hồi lưu
Trang 16Ngoài ra trong quy trình sử dụng một số thiết bị phụ trợ.
6 BẢNG TÓM TẮT THÔNG SỐ CÁC DÒNG VÀ THÔNG SỐ CÁC
THIẾT BỊ
6.1 THÔNG SỐ DÒNG
Lưu lượng mol kgmole/
Lưu lượng khối lượng kg/h 276,9 9214 9214 1013,54 10227,62 Lưu lượng thể tích
10,5
Lưu lượng mol kgmole/ h 600,34 600,34 600,34 500,49 99,86 Lưu lượng khối lượng kg/h 10227 10227 10227,27 2417,06 7810,21 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 25,04 25,76 25,76 16,87 8,89
Trang 17Dòng 10 11 Hồi lưu lưu1Hồi 12
Lưu lượng mol kgmole/ h 50 450,4 450,5 450,5 450,5 Lưu lượng khối lượng kg/h 241,7 2175,3
6 2176,37 2176,37 2176,37 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 1,69 15,18 15,19 15,19 15,19
Lưu lượng khối lượng kg/h 736,64 1439,74 736,64 736,64 781,21 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 10,48 4,7 10,48 10,48 8,89
Lưu lượng mol kgmole/ h 99,86 3,73 95,58 Lưu lượng khối lượng kg/h 7810,21 490,54 7316,89
Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 8,89 0,49 8,3
6.2 THÔNG SỐ THÀNH PHẦN DÒNG
Lưu
lượng
mol
Dòng
Hydro
Trang 18toluen 0 100,00 100,00 0 100,00 100,00
Lưu
lượng
mol
hydro 403,83 403,83 403,09 0,74 40,31 362,78
Lưu
lượng
mol
hydro 362,78 362,78 362,78 362,64 0,14 362,64
Lưu
lượng
mol
6.3 THÔNG SỐ THIẾT BỊ
Bơm P-100 Thiết bị gia nhiệt E-101 E-103 E-104 Công suất
(kW) 15,48 Công suất (kW) 6455,55 1125,55 690,55 Hiệu suất (%) 75
Thiết bị làm mát E-100 E-102 Công suất
(kW) 8080,55 709,72