SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HYDRODEALKYL HÓA BẰNG HYSYS

GIỚI THIỆU 2 1. Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm 3 1.1. Nguyên liệu khí Hydro. 3 1.2 . Nguyên liệu Toluene. 3 1.3. Sản phẩm Benzene. 5 2. Sản xuất benzene bằng phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.1. Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.2. Nhiệt động học của phản ứng. 8 2.3. Các công nghệ hydrodealkyl hóa. 8 2.4. Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác. 8 2.5. Quá trình Hydrodealkyl hóa nhiệt . 9 3. Một số phương pháp sản xuất Benzene khác. 10 3.1. Reforming xúc tác. 10 4. Lựa chọn công nghệ. 13 5. Cân bằng vật chất. 14 6. Xây dựng mô phỏng trên Hysys. 16 7. Tiềm năng kinh tế của quá trình. 27 GIỚI THIỆU 2 1. Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm 3 1.1. Nguyên liệu khí Hydro. 3 1.2 . Nguyên liệu Toluene. 3 1.3. Sản phẩm Benzene. 5 2. Sản xuất benzene bằng phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.1. Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.2. Nhiệt động học của phản ứng. 8 2.3. Các công nghệ hydrodealkyl hóa. 8 2.4. Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác. 8 2.5. Quá trình Hydrodealkyl hóa nhiệt . 9 3. Một số phương pháp sản xuất Benzene khác. 10 3.1. Reforming xúc tác. 10 4. Lựa chọn công nghệ. 13 5. Cân bằng vật chất. 14 6. Xây dựng mô phỏng trên Hysys. 16 7. Tiềm năng kinh tế của quá trình. 27 GIỚI THIỆU 2 1. Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm 3 1.1. Nguyên liệu khí Hydro. 3 1.2 . Nguyên liệu Toluene. 3 1.3. Sản phẩm Benzene. 5 2. Sản xuất benzene bằng phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.1. Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.2. Nhiệt động học của phản ứng. 8 2.3. Các công nghệ hydrodealkyl hóa. 8 2.4. Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác. 8 2.5. Quá trình Hydrodealkyl hóa nhiệt . 9 3. Một số phương pháp sản xuất Benzene khác. 10 3.1. Reforming xúc tác. 10 4. Lựa chọn công nghệ. 13 5. Cân bằng vật chất. 14 6. Xây dựng mô phỏng trên Hysys. 16 7. Tiềm năng kinh tế của quá trình. 27 GIỚI THIỆU 2 1. Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm 3 1.1. Nguyên liệu khí Hydro. 3 1.2 . Nguyên liệu Toluene. 3 1.3. Sản phẩm Benzene. 5 2. Sản xuất benzene bằng phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.1. Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene. 7 2.2. Nhiệt động học của phản ứng. 8 2.3. Các công nghệ hydrodealkyl hóa. 8 2.4. Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác. 8 2.5. Quá trình Hydrodealkyl hóa nhiệt . 9 3. Một số phương pháp sản xuất Benzene khác. 10 3.1. Reforming xúc tác. 10 4. Lựa chọn công nghệ. 13 5. Cân bằng vật chất. 14 6. Xây dựng mô phỏng trên Hysys. 16 7. Tiềm năng kinh tế của quá trình. 27

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 CƠNG NGHỆ HỐ HỌC Đề tài : SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HYDRODEALKYL HÓA Họ Tên : MSSV : Năm:2017-2018 Danh sách thành viên nhóm: PHỤ LỤC GIỚI THIỆU Tính chất nguyên liệu sản phẩm .3 1.1 Nguyên liệu khí Hydro 1.2 Nguyên liệu Toluene 1.3 Sản phẩm Benzene Sản xuất benzene phương pháp hydrodealkyl hóa toluene 2.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene 2.2 Nhiệt động học phản ứng .8 2.3 Các cơng nghệ hydrodealkyl hóa .8 2.4 Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác 2.5 Q trình Hydrodealkyl hóa nhiệt Một số phương pháp sản xuất Benzene khác 10 3.1 Reforming xúc tác .10 Lựa chọn công nghệ .13 Cân vật chất 14 Xây dựng mô Hysys .16 Tiềm kinh tế trình 27 Tài liệu tham khảo 27 P a g e | 27 GIỚI THIỆU Công nghiệp hóa chất ngày phát triển,do sản phẩm tạo ngày nhiều đa dạng,trong benzene sản phẩm thiếu nhắc đến ngành công nghiệp này.Ngày lượng lớn benzene dùng để sản xuất styren cho tổng hợp polymer,sản xuất cumen cho việc sản xuất lúc acetone phenol, làm dung môi sản xuất dược liệu, Các phương pháp sản xuất benzene công nghiệp không ngừng phát triển để cung cấp nguồn nguyên liệu trung gian cho tổng hợp hữu hóa dầu loại hóa chất khác Benzene thu từ số q trình quan trọng lọc hóa dầu, trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, Cracking Mặc dù trình này, benzene sản phẩm phụ, song sản lượng đáng kể Trong trình reforming xúc tác, với nguồn nguyên liệu naphta cung cấp lượng benzen sản phẩm BTX chủ yếu Hay q trình Hydrodealkyl hóa trực tiếp toluen sản phẩm benzene với độ chuyển hóa cao Q trình thực dễ dàng nhờ xúc tác hydrodealkyl hóa toluen-HDA hay tác dụng nhiệt độ thermal hydrodealkyl of toluene-THDA Với đồ án chúng em trình bày tính chất ngun liệu sản phẩm q trình hydrodealkyl hóa toluene-HDA sản xuất benzene, phương pháp sản xuất benzene, tính toán cân vật chất tiềm kinh tế trình P a g e | 27 Tính chất nguyên liệu sản phẩm 1.1 Nguyên liệu khí Hydro  Tính chất vật lý - Hydro chất khí, khơng màu, khơng mùi, khơng vị, nhẹ khơng khí 14,5 lần - Nhiệt độ sơi ts = -259 oC ,nhiệt độ nóng chảy tnc = -252,5 oC , hóa lỏng t = -183oC - Tan nước dung mơi hữu Ở 0oC 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 bền nên H2 hoạt động điều kiện thường - Ở nhiệt độ cao, hydro phản ứng với nhiều đơn chất hợp chất + Phản ứng với phi kim khác : halogen, oxy … - H2 (k) + X2 (k) → HX(k) - H2 (k) + O2 (k) → H2O (k) + Tác dụng với đồng( II) oxit CuO + H2 → Cu + H2O  Ứng dụng hydro - Hydro chất khí lỏng nhẹ khơng khí nên thường sử dụng bơm khí cầu, bóng bay, cổng hơi,… - Nhiên liệu cho động tên lửa, nguyên liệu sản xuất amoniac, khử số oxit kim loại,… 1.2 Nguyên liệu Toluene  Tính chất vật lý - Là chất lỏng không màu, Toluene dễ bắt cháy P a g e | 27 - Nhiệt độ nóng chảy -95oC , nhiệt độ sơi 110,6oC - Toluen có khả hòa tan benzene, etanol, xeton phần lớn dung mơi hữu cơ, tan nước  Tính chất hóa học Cơng thức hóa học : C6H5-CH3 Công thức cấu tạo :  Phản ứng vào electrophin vào nhân thơm - Nhóm CH3 nhóm loại I với ảnh hưởng hiệu ứng liên hợp siêu liên hợp đến electron π vòng benzene làm mật độ e vòng benzene tăng lên vị trí ortho para, đồng thời làm tăng tốc độ phản ứng  Phản ứng nhóm CH3 - Phản ứng halogen hóa: C6H5-CH3 + Cl2 → C6H5 - CH2 – Cl Phản ứng oxi hóa với điều kiện thích hợp : C6H5-CH3 + O2 → C6H5-CHO C6H5-CH3 + O2 → C6H5-COOH  Ứng dụng - Trong công nghiệp đời sống toluene đóng vai trò quan trọng: + Là thành phần cấu từ làm tăng trị số octan, nâng cao giá trị xăng + Bên cạnh toluene ngun liệu sản xuất thuốc nổ TNT, ứng dụng lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác + Trong cơng nghiệp hóa chất, toluene đa phần sử dụng để sản xuất benzene, dụng làm dung mơi, sản xuất sơn P a g e | 27 1.3 Sản phẩm Benzene  Tính chất vật lý - Benzene chất lỏng không màu, không tan nước, nhẹ nước - Benzene hòa tan nhiều chất : dầu ăn, cao su, nến, iot Bảng 3: Các tính chất vật lý benzene : Nhiệt độ nóng chảy 5,533 oC Nhiệt độ sôi 80,1 oC Khối lượng riêng 25 oC(10) 879 kg/m3 Độ hoà tan nước 25oC 0.18g/100g H2O Độ nhớt 20 oC(92) 0,649.10-3 N.s/m2  Tính chất hóa học  Phản ứng cộng : Benzene + H2 → Xyclohexan Điều kiện : + Xúc tác : Ni; + Áp suất : 200 – 300 atm; + Nhiệt độ : 300oC  Phản ứng : + Nitro hóa : P a g e | 27 + Halogen hóa : + Alkyl hóa benzene + Phản ứng sunfo hóa :  Ứng dụng - Benzene có vai trò quan trọng thực tế , nguyên liệu để sản P a g e | 27 xuất loại thuốc trừ sâu , thuốc kháng sinh , chất kich thich tăng trưởng vô số ứng dụng khác đời sống - Benzene nguồn nguyên liệu quan trọng công nghiệp phẩm nhuộm anilin, dược phẩm, việc sản xuất chất phụ để nâng cao số octan nhiên liệu động ôtô máy bay - Trong phòng thí nghiệm, benzene sử dụng rộng rãi làm dung môi Sản xuất benzene phương pháp hydrodealkyl hóa toluene 2.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene Xuất phát từ nhu cầu benzene công nghệ tổng hợp hóa dầu lớn nhiều so với hợp chất với toluene xylene (sản phẩm BTX) Sau phân tách benzene khỏi sản phẩm reforming, hydrocacbon thơm cao đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng có dạng tương tự hydrocracking Tại đây, phân nhánh alkyl bẻ gãy đồng thời hydro hóa Dealkyl hóa hợp chất dạng vòng benzene nhiều làm tăng lượng hydro tiêu thụ đồng thời tạo nhiều sản phẩm khí Dưới số ví dụ: Trong q trình hydrodealkyl hóa, phản ứng tách nhóm alkyl gắn với nhân benzene dạng alkan Nếu trình vận hành đúng, chuyển hóa hồn tồn nhờ tuần hồn phần hydrocacbon thơm chưa P a g e | 27 phản ứng, sản phẩm thu benzene nhiều hydrocacbon nhẹ, chủ yếu metan Bất kỳ loại khơng phải hydrocacbon thơm có ngun liệu, ví dụ phần xử lí trực tiếp phân đoạn xăng C5+ không qua giai đoạn chiết dung môi, bị phân hủy thành parafin nhẹ (metan) Điều nhằm mục đích thu sản phẩm benzene có độ tinh khiết cao, kéo theo lượng hydro tiêu thụ lớn Các hợp chất lưu huỳnh chuyển hóa phần thành H2S 2.2 Nhiệt động học phản ứng Nhìn chung, phản ứng liên quan đến trình tỏa nhiệt mạnh (ví dụ hydrocracking ΔH= -190 ÷ -230 kJ/mol), ngoại trừ phản ứng tạo hydrocacbon thơm khối lượng phân tử lớn thu nhiệt nhẹ, phản ứng phân hủy metan thành C H Các phản ứng xảy nhiệt độ cao 650oC tùy trường hợp, thuận lợi tăng áp suất (phản ứng hydro hóa) khơng (phản ứng phân hủy, tạo cốc) Áp suất tối ưu cho q trình ÷ MPa 2.3 Các cơng nghệ hydrodealkyl hóa Các q trình hydrodealkyl hóa chia làm 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 q trình hydrodealkyl hóa có xúc tác, nhà máy sử dụng chủ yếu công nghệ Shell, UOP, Houdry BASF  Xúc tác P a g e | 27 benzene có giá trị nhiều Tuy nhiên chi phí cho việc sử dụng xúc trác HDA tốn kếm nhiều so với sử dụng nhiệt Do chọn phương pháp TDHA (Thermal hydrodealkyl) toluene sản xuất benzene P a g e 14 | 27 Cân vật chất Các thông số ban đầu cho trình : + Năng suất benzene : 78,6 Kmol/h + Nhập liệu: Toluene tinh khiết Hydro tinh khiết + Độ chuyển hóa Toluene: 75 % + Độ tinh khiết benzene: 99,5 %  Tính tốn số liệu ban đầu + Năng suất benzene : Gbenzene = 78,6 x 78 = 6130,8 (kg/h) + Lượng Toluen lẫn sản phẩm (với độ tinh khiết 99.5%) Gtoluene= = 30,8 (kg/h) + Các phản ứng cơng nghệ Phản ứng với hiệu suất 75% (Plantwide Control of Industrial Processes: An Integrated Framework of Simulation and Heuristics, N V S N Murthy Konda, G P Rangaiah,* and P R Krishnaswam, 2005) + H2 → + CH4 (1) P a g e 15 | 27 Phản ứng phụ: với hiệu suất q trình đạt 98%, có 2% benzene tạo từ phản ứng tham gia vào phản ứng phụ tạo Diphenyl → + H2 (2) + Lượng Benzene tham gia vào phản ứng phụ: nbenzene (2)= x 0,02 = 1,6 (Kmol/h) =>Lượng Diphenyl sản phẩm = Lượng hydro sinh (2) ndiphenyl = = 0,8 (Kmol/h) = nhydro (2) =>Lượng toluene cần thêm vào: ntoluene= nbenzene= 1,6 (Kmol/h) =>Tổng lượng CH4 sinh ra: nCH4= 78,6 + 1,6 = 80.2 (Kmol/h) = ntoluene lí thuyết + Lượng Toluen thực tế phải sử dụng: ntoluene thực tế= = 108 (Kmol/h) =>Lượng Toluen dư là: ntoluene dư= 108 - 80,2 = 27,8( Kmol/h) + Số mol hydro cần cho phản ứng : nhydro= 78,6 + = 79,4 (Kmol/h) Do cần nhập 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 : nhydro thực tế= ntoluene = 108 = 540 (Kmol/h) P a g e 16 | 27 =>Ghydro= 540 = 1080 Kg/h + Lượng Hydro dư sau phản ứng : nhydro dư= 540 - 79,4 = 460,6 (Kmol/h) Xây dựng mô Hysys +Xây dựng sơ đồ với cấu tử: benzene, toluene, methane, hydro,diphenyl +Chọn hệ nhiệt động : PRSV +Lý lựa chọn: Do hệ chủ yếu cấu tử hydrocacbon hệ khơng phải khí lý tưởng nên ta sử dụng hệ nhiệt động PRSV hợp lí Hình 1: sơ đồ quy trình cơng nghệ P a g e 17 | 27 P a g e 18 | 27  Thành phần nhập liệu: Thành phần Toluene Hydrogen Phản ứng Giá trị Nhiệt độ: 25oC Áp suất: 190 KPa Toluene: 180 kmol/h Đặc điểm Nhập liệu toluene lỏng Chú ý nhiệt độ điểm sôi toluene at 111oC Nhiệt độ: 25oC Áp suất: 2250 kPa Hydrogen: 284.2 kmol/h Methane: 14.9 kmol/h Độ chuyển hóa : 75% Hydro nhập liệu với áp suất cao với độ tinh khiết 95% 5% methane  Thiết bị: Tên thiết bị Thông số Đặc điểm P a g e 19 | 27 TNK-100 P-100 E-100 E-101 CRV-100 E-102 -Áp suất xả ra: 2580 KPa -Hiệu suất đoạn nhiệt: 75% -Nhiệt độ dòng : 225oC -Áp suất ngưng tụ : 30KPa -Nhiệt độ dòng ra: 600oC -Áp suất ngưng tụ: 20 kPa -Nhiệt độ dòng : 620oC - Áp suất : 2520 KPa -Nhiệt độ dòng ra: 38oC -Áp suất ngưng tụ: 10 kPa V-100 MIX-100 X-100 T-100 -Cả H2 CH4 vào S16 -Cả C6H6 C7H8 vào S17 -Áp suất nhập liệu thấp -Sản phẩm đỉnh pha lỏng -Áp suất ngưng tụ: 250 kPa -Áp suất đun (sau): 280 kPa Bể chứa toluene Dùng để bơm toluene Làm bốc toluene Gia nhiệt với áp suất cao Lò phản ứng Được gia nhiệt cách đốt cháy gas khơng khí Lò phản ứng theo độ chuyển hóa Thiết bị phát dòng lạnh Cả benzene toluene làm lạnh Dùng nước làm chất làm lạnh Thiết bị flash áp suất cao Dạng thẳng Đoạn nhiệt, áp suất ngưng tụ khơng đáng kể Nhập dòng Sử dụng cho cột benzene không xử lý phần ngưng tụ chưng cất chất lỏng Tháp chưng cất mô P a g e 20 | 27  Quá trình : Hình 2: phản ứng chuyển hóa P a g e 21 | 27 Hình 3: nhập liệu toluen Hình 4: nhập liệu hydrogen P a g e 22 | 27 Hình :năng suất benzen Hình 6: Cân vật chất cho tháp CRV-100 P a g e 23 | 27 Hình 7: Cân vật chất cho tháp tách pha áp suất cao V-100 P a g e 24 | 27 Hình 8: Cân vật chất cho tháp tách pha áp suất thấp V-101 Hình 9: Cân vật chất cho tháp chưng cất mô T-100 P a g e 25 | 27 Hình 10: Mơ hình tháp chưng cất mơ T-100 - Ở sử dụng tháp chưng cất mô mà không sử dụng tháp chưng cất hồi lưu q trình mơ sử dụng bình phản ứng C CRV-100 cho qua trình hồi lưu Casestudy nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến trình Case study bao gồm hai yếu tố: -Molar flow dòng toluene -Molar flow dòng benzene Kết khảo sát Case study P a g e 26 | 27 Hình 11: đồ thị phương trình trạng thái suất mol benzene toluene Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất qua tháp V-100 dòng S9 S11 - Temper dòng S9 - Molar flow dòng S11 Hình 12: đồ thị trạng thái dòng S9 S11 qua tháp V-100 Tiềm kinh tế trình P a g e 27 | 27 EP =Benzene value + Fuel value of Diphenyl + Fuel value of pure Toluene cost - Makeup gas cost Tên chất Benzene Methane Diphenyl Hydro tạo ta Toluen H2 nhập liệu Số lượng ( mol) Đơn giá $/mol Sản phẩm 78.6 *10^3 9.04 80.2 *10^3 1.65 0.8 *10^3 5.38 0.8 *10^3 1.14 Nguyên liệu 108 *10^3 6.4 79.4 *10^3 1.14 Thành tiền $ 710544 132330 4304 912 691200 90516 Vậy tìm 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 Nguồn tài liệu: - Tham khảo sách process description - http://www.ebookbkmt.com/2016/01/huong-dan-hoc-hysys-va-ung-dungvao-mo.html - https://www.slideshare.net/funkygenesis P a g e 28 | 27 ... dung môi Sản xuất benzene phương pháp hydrodealkyl hóa toluene 2.1 Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene Xuất phát từ nhu cầu benzene cơng nghệ tổng hợp hóa dầu lớn nhiều so với hợp chất với toluene. .. nhiệt độ thermal hydrodealkyl of toluene- THDA Với đồ án chúng em trình bày tính chất nguyên liệu sản phẩm q trình hydrodealkyl hóa toluene- HDA sản xuất benzene, phương pháp sản xuất benzene, tính... liệu sản phẩm .3 1.1 Nguyên liệu khí Hydro 1.2 Nguyên liệu Toluene 1.3 Sản phẩm Benzene Sản xuất benzene phương pháp hydrodealkyl hóa toluene 2.1 Phương