đồ án thiết kế quy trình công nghệ hóa học bằng hysys sản xuât benzen từ toluen

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 HDA .

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

- -ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

ĐỀ TÀI Sản xuất Benzene từ Toluene theo quy trình HAD

Danh sách các thành viên trong nhóm:

Họ và Tên Mã số sinh viên

Nguyễn Thị Thu Thảo 1413621

Nguyễn Thị Thiên Hương 1511424

Phạm Nguyễn Anh Phương 1512063

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

I SƠ LƯỢC DÒNG NHẬP LIỆU VÀ SẢN PHẨM 3

1 Nguyên liệu khí hydrogen 3

2 Nguyên liệu Toluene 4

3 Sản phẩm Benzene 5

II QUY TRÌNH TOLUENE – HYDRODEALKYLATION 6

III PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG VÀ ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG 6

1 Điều kiện phản ứng : 6

2 Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học 7

IV QUY TRÌNH HDA 8

1 Quy trình : 8

2 Thiết bị (tên thiết bị theo Hình 1): 10

2.1 Bơm P-100, Cooler , máy nén khí 10

2.2 Thiết bị Heater, Heat Exchanger (HE): 11

2.3 Bình phản ứng PFR 13

2.4 Thiết bị phân tách: 14

2.5 Tháp chưng cất Distillation T100: 14

2.6 Tháp chưng cất Distillation T101: 16

3 Công cụ khảo sát Case study nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 18

4 Tiềm năng kinh tế của quá trình 19

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

Benzene có thể thu thập được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầunhư là reforming xúc tác , cracking xúc tác , steam cracking Mặc dù trong các quátrình này benzene chỉ là một trong vô vàn các sản phẩm được tạo ra , nhưng trong quátrình 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 nhuậncủa benzene nên càng thôi thúc việc sản xuất một lượng benzene để cung cấp cho thịthường Quá trình Toluene – Hydrodealkylation – HDA là một quá trình phục vụ chođiều đó

Trong bài báo cáo này , với kiến thức đã được học trong môn Thiết kế hệ thống quytrình công nghệ hóa học cùng với việc tham khảo tài liệu và vận dụng phần mềm môphỏng và tối ưu Hysys V8.8 em sẽ mô tả quy trình HDA

I SƠ LƯỢC DÒNG NHẬP LIỆU VÀ SẢN PHẨM

1 Nguyên liệu khí hydrogen

- Là phi kim tồn tại ở nhiệt độ thường ở trạng thái khí, dễ cháy, không màu, khôngmùi, không vị, là khí nhẹ nhất, năng lượng liên kết 435 kJ/mol , nhiệt độ nóngchảy -259,1 độ C, nhiệt độ sôi -252,6 độ C

- Ở nhiệt độ cao, hydro có khả năng phản ứng với nhiều chất Có tính khử mạnh

- Ứng dụng:

 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, sản xuất phân

bón, HCl, CH OH3 , sử dụng trong công nghiệp hóa dầu,…

- Lưu trữ, tồn chứa: Do cùng một khối lượng nhưng khi ở thế lỏng, thể tích hydrogiảm đi 700 lần so với thể khí nên ta hóa lỏng hydro ở -252 độ C hoặc nén trongbồn cao áp, khí được dẫn đến nơi sử dụng qua hệ thống ống dẫn

1. Nguyên liệu Toluene.

Công thức hóa học : C6H5-CH3

Công thức cấu tạo :

- Toluene C6H5-CH3 (hay còn gọi là metylbenzen hay phenylmetan) là mộthyđrocacbon thơm, Toluene lỏng trong suốt, không hòa tan trong nước có khảnăng hòa tan trong benzene, etanol, aceton và có mùi thơm đặc trưng giốngbenzene

- Nhiệt độ sôi 110 độ C, nhiệt độ đông đặc -93 độ C

- Dễ dàng tham gia phản ứng thế tại nhân thơm và nhóm CH3, tham gia phản

ứng oxi hóa ở điều kiện thích hợp tạo thành acid benzoic và benzaldehyde,…

- 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 toluene 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

Tuy nhiên Toluen có thể gây ung thư khi hít quá nhiều hơi toluen

2. Sản phẩm Benzene

- Nhiệt độ nóng chảy 5,5 độ C Nhiệt độ sôi 80,1 độ C

- Phản ứng đặc trưng của nó là phản ứng thế electrophin nhờ vào cấu tạo đặcbiệt, phản ứng cộng, oxi hóa cần điều kiện khắc nghiệt hơn

- Ứng dụng:

 Benzene có vai trò quan trọng trong thực tế , là nguyên liệu chính để sảnxuất các loại thuốc trừ sâu ,thuốc kháng sinh , chất kích thích tăng trưởng

và vô số các ứng dụng khác trong đời sống xã hội

 Là nguyên liệu tạo phẩm nhuộm , dược phẩm , trong việc sản xuất chất phụgia tăng chỉ số octane cho xăng,

 Trong thí nghiệm benzene dùng để làm dung môi rất phổ biến

- Benzene là một hóa chất độc hại, gây ung thư cho con người Vấn đề tồn trữbenzene là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân nhà máy vàngười dân sống ở khu vực xung quanh Phải luôn duy trì nhiệt độ bồn chứatrên 8 độ C để ngăn chặn benzene đóng bang Bồn chứa phải kín, thườngxuyên kiểm tra để phát hiện rò rỉ Sử dụng cột thu lôi để tránh sấm sét Mọihoạt động tiếp xúc của con người phải có trang bị bảo hộ đi kèm theo

- Các tàu xe vận chuyển benzene phải được dọn sạch sẽ trước khi tải để tránhgây nhiễm bẩn nguồn nhiên liệu, trong quá trình benzene vận hành trongđường ống thường tích điện, cần nối đất để tránh gây cháy nổ, đồng thờikhống chế lưu lượng để đảm bảo an toàn Hệ thống chữa cháy hoạt động đikèm phải thường xuyên kiểm tra để đảm bảo

II 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 điềukiện áp suất riêng phần hydro cao Dùng cho methylbenzene, etylbenzene,…

- Quy trình này xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghiệp tổng hợp hóadầu 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 chủyếu là methane CH4

- HDA cho lượng benzene có độ tinh khiết cao cũng với sản phẩm phụ cónhiều ứng dụng tốt (methane) nhưng kéo theo đó quy trình này cần lượnghydro lớn ( tỉ lệ 1:3 đến 1:15 ) điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

III PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG VÀ ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG

Áp suất 500 - 550 psia ~ 500 psia

Tỉ lệ Hydro:Toluene ~ 5 (tránh hình thành

cốc )

Có thể chọn khác , daođộng xung quanh 5 Xúc tác Sử dụng chất mang là

2 3

MgO Al O  với tâm xúctác là các đơn phân tửhoặc có sự kết hợp giữacác phân tử kim loạinhóm B

Nhờ có xúc tác nên điềukiện của phản ứng HDA

đỡ khắc nghiệt hơn so vớiquy trình Thermal HDA

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 là1.5:

 E3 =1,2237×104×3,57458 = 43.742 [BTU/lbmole]

IV QUY TRÌNH HDA

Nhập liệu Sản phẩmHydrogen Fresh (<1% tạp chất )

- Áp suất : 14,5 psia ~ 100 kPa

- Suất lượng đầu ra : 264,1 kgmole/hToluene Fresh ( <1% tạp chất )

- Nhiệt độ : 26 độ C

- Áp suất : 14,5 psia ~ 100 kPa

- Nhập liệu : 269 kgmole/h

Sản phẩm khí: gồm chủ yếu là hidro thừa và metan

- Nhiệt độ : 11,98 độ C

- Áp suất : 14,5 psia ~ 100kPa

- Suất lượng đầu ra : 1105 kgmole/h

1 Quy trình :

- Sử dụng quy trình HDA

Gia nhiệt cho nguyên liệu

Nguồn nguyên liệu của quá trình là khí hydro tinh khiết cao (<1% tạp chất ) đã đạt ápsuất 565,6 psia <HIDROGEN> Nguồn toluen được trộn cùng với dòng toluen hồi lưuqua máy bơm ly tâm cao áp để đạt áp suất 594,7 psia Hai dòng nguyên liệu trộn lẫn vàonhau qua thiết bị trộn Mix-100 trộn lẫn và được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt E – 103.Tại đây nguyên liệu được sấy sơ bộ nhờ trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm <3> của thiết

bị phản ứng chính Ra khỏi thiết bị E – 103, dòng nguyên liệu <1> đạt nhiệt độ 200 độ C.Quá trình phản ứng:

Dòng <1’> tiếp tục được trộn với dòng khí H2 hồi lưu tại Mix102 và đưa vào gia nhiệtbằng Heater E100 để đạt được nhiệt độ 625 độ C_nhiệt độ yêu cầu để phản ứng xảy ra.Dòng tuần hoàn hidro có thành phần chủ yếu là khí hydro và metan, trước đó đã đượcnén Hỗn hợp nguyên liệu là dòng <2-2> đi vào thiết bị phản ứng, với tỉ lệ số mol H2 :Toluen = 5,4 : 1 (Sách Douglas)

Đây là thiết bị phản ứng bình ống, phù hợp cho phản ứng pha khí Phản ứng chính xảy rađạt độ chuyển hóa 82,29% : C7H8 + H2  C6H6 + CH4

Ngoài ra trong bình phản ứng còn có phản ứng phụ xảy ra với độ chuyển hóa rất nhỏ,không đáng kể

Dòng sản phẩm <3> ra khỏi thiết bị phản ứng không chỉ có sản phẩm chính (Benzen), sảnphẩm phụ (Biphenyl) mà còn lượng dư của nguyên liệu toluen, hydro và metan Do cácphản ứng xảy ra đều có hiệu ứng tỏa nhiệt, nên dòng sản phẩm <3> có nhiệt độ lên đến712,7 độ C Dòng <3> được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt E – 103 để sấy sơ bộ nguyênliệu Sau quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ dòng sản phẩm hạ xuống 564,3 độ C

Quá trình tách khí

Hỗn hợp trước khi tách khí được làm mát đến 14,31 độ C nhờ Cooler E – 101 Tháptách thực hiện tách khí trong điều kiện áp suất cao Dòng sản phẩm khí chủ yếu gồmhydro và metan Dòng khí này được chia ra 2 dòng với tỉ lệ 45% hồi lưu về trộn với dònghidro nhập liệu tinh khiết, 55% dòng được dẫn ra ngoài là sản phẩm khí của quá trình.Dòng sản phẩm lỏng chủ yếu là benzen, toluen và biphenyl được đưa sang tháp chưngcất

Quá trình chưng cất

Quá trình chưng cất gồm 2 tháp chưng Đầu tiên là tháp chưng tách khí T – 100 Nhiệm

vụ của tháp này là loại bỏ hoàn toàn lượng khí hydro và metan còn lại trong hỗn hợp.Hỗn hợp sau quá trình tách ở dòng <6>, được đưa qua Heater E – 102 để nâng nhiệt độlên 65 độ C Dòng sản phẩm khí ở đỉnh tháp được nhập vào dòng sản phẩm khí của cảquá trình Dòng sản phẩm lỏng ở đáy chỉ còn các cấu tử benzen, toluen và biphenyl.Sau đó dòng sản phẩm đáy tiếp tục được đưa sang tháp chưng T – 101 Dòng sản phẩmđỉnh của tháp chưng T – 102 là benzen với lưu lượng đạt năng suất đề ra 2xx = 264 kmol/

h Dòng sản phẩm đáy của tháp chưng T -102 chứa toluen, biphenyl được bơm đưa về hồilưu trộn lẫn với nguyên liệu toluen tinh khiết ban đầu Ở đây ta không tách toluen ra khỏibiphenyl vì lượng biphenyl tạo thành rất nhỏ, nếu ta làm thêm 1 tháp tách thì chi phí sẽcao hơn rất nhiều lần

Hình 1 PFD của quy trình HAD

2 Thiết bị (tên thiết bị theo Hình 1):

2.1 Bơm P-100, Cooler , máy nén khí

Hình 2 Thông số bơm P-1

Hình 3 Thông số Cooler

Hình 4 Thông số máy nén khí

2.2 Thiết bị Heater, Heat Exchanger (HE):

- Việc lắp đặt các thiết bị HE xen kẽ cùng với Heater là để tận dụng hiệu quả nguồn nhiệt độ cao của dòng sản phẩm sau thiết bị phản ứng, giảm thiểu nguồn hot utility từ bên ngoài, cắt giảm bớt thiết bị gia nhiệt thay vào là thiết

bị vỏ ống, với cách sắp xếp hợp lí sẽ mang lại hiệu quả truyền nhiệt cao, mang lại lợi ích kinh tế

Hình 5 Thông số Heater H100

Hình 6 Thông số Heater H101

Thông số heat exchanger:

Hình 6 Thông số Heat exchanger

2.3 Bình phản ứng PFR

- Là thiết bị phản ứng dạng ống, hoạt động đẳng áp

- Tỉ lệ mole fraction Hidro : Toluen của dòng trước khi vào PFR là 5 :1

- Thể tích ống là 3 m3; chiều dài 6,5 m; đường kính 0,3833 m

Hình 7 Thông số thiết bị bình ống PFR

Hình 8 Thông số dòng bên trong PFR

2.4 Thiết bị phân tách:

- Là thiết bị tách pha sau thiết bị Cooler

- Sau khi làm nguội dòng sản phẩm khí trở thành 2 pha , dòng lỏng giàubenzene, dòng khí chứa phần lớn là hydrogen chưa phản ứng và Methane mớiđược tạo thành

Hình 9 Thông số thiết bị Seperator

2.5 Tháp chưng cất Distillation T100:

- Nhiệm vụ là tách hoàn toàn hidro và metan ra khỏi hỗn hợp

- Ta chọn 2 spec đó là nhiệt độ condenser 30 độ C và nồng độ metan ở đáy là0.00001

- Tháp có 20 mâm Nhập liệu tại mâm thứ 10, nhiệt độ dòng nhập liệu là 65,33o C

- Thể tích condenser = thể tích reboiler: V = 2 m3

Hình 10 Thông số thiết bị và các dòng vào, ra Distillation T100

2.6 Tháp chưng cất Distillation T101:

- Nhiệm vụ là chưng cất để thu được sản phẩm đỉnh benzen đạt 99,99%.

- Ta chọn 2 spec đó là nồng độ của benzen ở condenser 0,9999 và nồng độbenzen ở reboiler là 0.0001

- Tháp có 30 mâm Nhập liệu tại mâm thứ 16, nhiệt độ dòng nhập liệu là 84,16o C

- Thể tích condenser = thể tích reboiler: V = 2 m3

3 Công cụ khảo sát Case study nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.

- Case study là công cụ dùng để khảo sát trong hysys dùng để biểu diễn mối liên hệ giữa

1 biến độc lập với 1 hoặc nhiều biến phụ thuộc với nó Công cụ case study là là công cụđắc lực để người thiết kế quy trình tìm ra giá trị để thiết bị hoạt động tối ưu

4 Tiềm năng kinh tế của quá trình.

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

-Tên chất Benzene Methane Toluen H2

Đơn giá

$/mol

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thầy Trần Hải Ưng - Bài giảng môn học Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học

[2] Công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu – PGS.TS Phạm Thanh Huyền, TS Nguyễn Hồng Liên

[3] Douglas, J M., Conceptual Design of Chemical Process, New York: Hill (1998)

McGraw-[4] Alexandre C Dimian - Integrated Design and Simulation of Chemical Processes[5]https://xemtailieu.com/tai-lieu/hysys-trong-mo-phong-cong-nghe-hoa-hoc-

1317746.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Benzene#Toluene_hydrodealkylation

V

à 1 số bảng tra khác