đồ án thiết kế quy trình công nghệ hóa học Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HAD

i cái giọng...người ra đề rất là nhân từ nhưng quan trọng các bạn có đủ tỉnh táo để nhận ra...từ bi bác ái.... :v7Thomas NguyenThomas Nguyen1 year agoCố gắng học phát âm lai đi bạn, clips sẽ có ích hơn nữa nếu được phát âm chính xác.Hoc viên có trong tay điểm cao nhưng nói người ta ko hiểu thì năng lực thật sự bị nghi ngờ.Nice day4Thanh Dien Real StyleThanh Dien Real Style2 years agogreat dễ hiểu xem xong thấy rất có ích. mà hài nữa học mà ko nghe chán. chúc bạn thật nhiều sức khỏe nha. thank you so much2thang phungthang phung1 year agoHay ghê Cám ơn nhé 1Anh Le TOEICHai nguyen vanHai nguyen van3 years agothe moi ghe 1Bé Học ToánBé Học Toán1 year agohay, cố gắng phát âm nữa là ok1Hồng Nhung LêHồng Nhung Lê1 year agohay lắm ah ạ.1Mỹ DuyênMỹ Duyên2 years agocảm ơn thầy nhiềuupdate phần mới đi thầy,2016 rồi1Hoa Nguyễn Thị NhưHoa Nguyễn Thị Như2 years agobị thích. mà từ vựng kém liệu làm như này đk ko ạ.1Trịnh Thị Ngọc ThanhTrịnh Thị Ngọc Thanh2 years agobạn giảng nhiu típ hay thật mà chém gió cũng vl nữa. hehe. thanks you very much1Anh NguyenAnh Nguyen2 years agonhờ anh mà part 7 em lên nhiều 

ĐH QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

- -BÁO CÁO MÔN HỌC: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

HÓA HỌC

Đề tài: Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HAD

Nhóm SV thực hiện:

SV: Hoàng Thị Hiệp- 1511066

GVHD: Nguyễn Kim Trung

Danh sách thành viên nhóm:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

I NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HÓA TOLUENE 5

1 Nguyên liệu khí hydrogen 5

2 Nguyên liệu Toluene 5

3 Sản phẩm Benzene 6

4 Quy trình Hydrodealkylation hóa Toluene 7

II NHIỆT ĐỘNG HỌC 11

1 Thiết bị phản ứng 11

2 Hệ thống chưng cất 12

III.THIẾT KẾ THIẾT BỊ 13

1 Thiết bị phản ứng 13

2 Tháp chưng cất 14

IV.PINCH TECHNOLOGY 14

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một xã hội hiện đại và vẫn đang trong đà phát triển mạnh mẽ Chất lượng cuộc sống con người càng được cải thiện thì như cầu về tinh thần và vật chất càng cao Vì vạy, cấc ngành công nghệ trên toàn thế giới đã ngừng tìm tòi, nghiên cứu để đưa ra các sản phẩm đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường Trong đó, công nghiệp hóa chất cũng không phải là ngoại lệ Đây là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn Nó không chỉ mang lại nguồn lợi kinh tế, mà còn thúc đẩy các ngành khác phát triển

Sản phẩm của ngành công nghệ hóa chất luôn có mặt xung quanh chúng ta Chúng là kết quả của một loạt các quá 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 hợp chất 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 mang lại một lượng benzene chủ yếu trong nguồn cung BTX 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

I NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HÓA TOLUENE

1 Nguyên liệu khí hydrogen

- Là phi kim tồn tại ở nhiệt độ thường ở trạng thái khí, dễ cháy, không màu, không mùi, không vị, là khí nhẹ nhất, năng lượng liên kết 435 kJ/mol, nhiệt độ nóng chảy -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: Sản xuất phân bón, HCl, CH3OH, sử dụng trong công nghiệp hóa dầu,làm nhiên liệu tên lửa, …

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

2 Nguyên liệu Toluene

- Toluene dễ bắt cháy, tạo nhiều muội, có khả năng hòa tan trong benzene, etanol, các xetone và ít tan trong nước

- 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 toluene dùng để:

+ Dùng làm để pha xăng làm tăng chỉ số octane, nâng cao giá trị xăng

+ Là nguyên liệu để sản xuất thuốc nổ TNT, ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác quặng, …

+ Dùng để sản xuất benzene, xylene, dùng làm dung môi, sản xuất sơn, …

3 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 đặc biệt, 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 sản

xuất 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

phụ gia 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 trữ benzene là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân nhà máy và người dân sống ở khu vực xung quanh Phải luôn duy trì nhiệt độ bồn chứa trên

8 độ C để ngăn chặn benzene đóng bang Bồn chứa phải kín, thường xuyên kiểm tra để phát hiện rò rỉ.Sử dụng cột thu lôi để tránh sấm sét Mọi hoạt 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 tránh gây nhiễm bẩn nguồn nhiên liệu, trong quá trình benzene vận hành trong đường ống thường tích điện, cần nối đất để tránh gây cháy nổ, đồng thời khống chế lưu lượng để đảm bảo an toàn Hệ thống chữa cháy hoạt động đi kèm phải thường xuyên kiểm tra để đảm bảo

4 Quy trình Hydrodealkylation hóa Toluene

- 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

4.1 Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động

- Điều kiện phản ứng:

- Điều kiện phản ứng phụ thuốc 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

Tỉ lệ Hydro:Toluene ~ 5 (tránh hình thành cốc) Có thể chọn khác, dao

động xung quanh 5

2 3

MgO Al O với tâm xúc tác 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

Bảng 1 Nhiệt phản ứng

H



Phản ứng chính:

H2+C7H86000C , 500 psia

-11.71 kcal g mole/

Phản ứng phụ:

2 C7H86000C ,500 psia

→ H2+C14H14

-52.70 kcal g mole/

- Nhìn chung ta thấy, đây là 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:

r 1=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):

r 2=0,062717 exp ⁡(−1.5362× 10

4

T )P B

2

r 3=0,08124 exp ⁡(−1.2237 ×10

4

T )P Bi P H 2

Trong đó:

r1, r2 và r3: lbmole/(min.ft3)

PT, PH2, PB, PBi: psia Và,

+ Hằng số khí: R= 3.57458 [BTU/lbmole-K]

+ E1 =2,5616×104×3,57458 = 91.566 [BTU/lbmole]

+ E2 =1,5362×104×3,57458 = 54.913 [BTU/lbmole]

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

4.3 Quy trình HDA

Hydrogen Fresh (<1% tạp chất)

- Nhiệt độ: 30 độ C

- Áp suất: 500 psia ~ 35 at

- Nhập liệu: 379.4 kmole/h

Benzene: độ tinh khiết 99,9%

- Nhiệt độ: 133 đ ộ C

- Áp suất: 1 at

- Suất lượng đầu ra: 41,75 kmole/h Toluene Fresh (<1% tạp chất )

- Nhiệt độ:30 độ C

- Áp suất: 1 at

- Nhập liệu: 100 kmole/h

Fuel Gas: methane và hydro

- Nhiệt độ: đ ộ C

- Áp suất: 1 at

- Suất lượng đầu ra: kmole/h

- Quy trình:

+ Sử dụng quy trình HDA

+ Trong phân xưởng sản xuất dòng nhập liệu đầu vào là hydrogen và toluene với độ tinh khiết cao

+ Dòng toluene được đưa vào máy bơm ly tâm cao áp để đạt đến áp suất

500 psia và gia nhiệt (1 lần thông qua 1 Heat Exchanger dạng vỏ ống) để chuyển hoàn toàn thành pha khí (~ 305 độ C) Dòng hydrogen cũng được gia nhiệt (1 lần nhờ Heat Exchanger dạng vỏ ống) đến nhiệt độ cao hơn dòng toluene khoảng 10 độ C, sau đó cả 2 được đưa vào mixer hòa trộn

+ Dòng sản phẩm sau khi hòa trộn được gia nhiệt tuần tự, lần 1 với Heat Exchanger dạng vỏ ống và lần 2 với thiết bị gia nhiệt Fire Heater để đưa lên đến nhiệt độ phản ứng Sau khi đã đạt đến nhiệt độ và áp suất yêu cầu, dòng nhập liệu lúc này được đưa vào thiết bị phản ứng PFR Dòng sản phẩm đầu ra đạt nhiệt độ rất cao > 650 độ C cùng với suất lượng lớn, nên được tận dụng dùng làm nguồn gia nhiệt cho toàn bộ các Heat Exchanger dạng vỏ ống trong phân xưởng

+ Đường đi của dòng sản phẩm: gia nhiệt cho dòng sau mixer – gia nhiệt cho Toluene – gia nhiệt cho Hydrogen – gia nhiệt cho tháp chưng cất

+ Sau quá trình trao đổi nhiệt, dòng sản phẩm được dẫn vào thiết bị hạ nhiệt để đạt đến nhiệt độ ~ 35 độ C, sau đó theo đường ống vào hệ thống phân tách pha, dòng khí với hàm lượng lớn là khí methane và hydrogen được đưa đi hoàn lưu, dòng sản phẩm đáy giàu benzene được đưa vào tháp Stabilizer và tháp chưng cất chính

+ Dòng sản phẩm đỉnh sau phân pha được tách dòng, 1 phần làm Heat sink, phần còn lại đưa trộn với dòng khí tách ra ở đỉnh tháp stabilizer tạo thành dòng fuel gas

+ Dòng sản phẩm sau phân pha giàu benzene được đưa vào thiết bị ổng

định để loại bỏ lượng lớn khi methane còn lẫn, sau đó đưa váo tháp

chưng cất thu được benzene với độ tinh khiết 99,9% ở đỉnh và dòng sản

phẩm đáy tháp là biphenyl và toluene còn dư Do lượng toluene còn dư

lại quá ít nên không hoàn lưu

Hình 1 PFD của quy trình HDA

II NHIỆT ĐỘNG HỌC

1 Thiết bị phản ứng

Hình 2: reaction set

Hình 3: Phản ứng chính

Hình 4: Phản ứng phụ

Hình 5: Thiết bị phản ứng- PFR

2 Hệ thống chưng cất

2.1 Stabilizer

Hình 6: Định các thông số cho stabilizer

2.2 Tháp chưng cất sản phẩm chính

Hình 7 Định các thông số cho tháp chưng sản phẩm chính.

III THIẾT KẾ THIẾT BỊ

1 Thiết bị phản ứng

Hình 8 Reactor sizing

2 Tháp chưng cất

Hình 9 Tower sizing Hình 10 Vessel sizing

Hình 11 Pressure drop của tháp chưng.

IV PINCH TECHNOLOGY

Việc lắp đặt các thiết bị HE xen kẽ cùng với Heater và Fire 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

Việc mang lại lợi ích kinh tế ở đây là thay vì ta phải chi tiền ra cho chi phí thiết

bị (các heater) đi kèm với chi phí hoạt động là sửa chữa bảo dưỡng thiết bị theo thời

gian và chi phí Utility vận hành theo năm tháng, thì nay chỉ cần chi tiền ra duy nhất 1

lần cho việc lắp đặt các HE cùng với chi phí vận hành đi kèm, nguồn Utility có sẵn là

dòng sau phản ứng, sau một thời gian ta sẽ toàn lại vốn khi lắp các HE

Không những về kinh tế, ta còn giảm thiểu tác động đến môi trường khi không

phải xử lí các dòng Utility sau khi sử dụng để trao đổi nhiệt

Hình 11 Composite Curves của quy trình.

Hình 12 Dữ liệu dòng Process.

Hình 13 Sơ đồ Pinch

*Chú thích:

Đường màu xanh: dòng lạnh

Đường màu đỏ: dòng nóng

Đường đứt nét màu đen: Nhiệt độ điểm Pinch

Chấm xanh: Cooler

Chấm đổ: Heater

Chấm xám: Heat Exchanger

Hình 14 Sơ đồ Pinch đơn giản.

Mô tả: Dựa trên sơ đồ Pinch, nhìn từ trái sang phải, từ trên xuống dưới cho ta

thấy: Nhiệt độ dòng sản phẩm sau phản ứng được sử dụng để gia nhiệt cho các dòng

trong tháp chưng, dòng nhập liệu trước bình phản ứng, toluene nhập liệu, hydrogen

nhập liệu

Hình 15 Worksheet của các Heater, Cooler và HE.