Thiết kế quy trình sản xuất isopropanol từ propylene

MỤC LỤC I. TỔNG QUAN ............................................................................................................3 1. Propylene (C3H6):..................................................................................................3 2. Isopropanol (C3H8O): ...........................................................................................4 II. TỔNG HỢP ISOPROPANOL (IPA) TỪ PHẢN ỨNG HYDRAT HÓA TRỰC TIẾP PROPYLENE .....................................................................................................7 1. Hydrat hóa trực tiếp propylene:.........................................................................7 2. Động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: .......................................9 3. Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene:..............................9 III. Mô Phỏng Quy Trình Công Nghệ:.....................................................................11 1. Sơ Đồ Quy Trình:................................................................................................11 2. Mô Tả Quy Trinh:...............................................................................................14 3. Thiết Bị:................................................................................................................14 IV. CHI PHÍ:...............................................................................................................15 V. TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH: ...............................................................................16 1. Thiết kế trang bị thêm một tháp chưng RD mới (hay một tháp chưng RD thứ hai):...........................................................................................................................17 1.1. Sơ đồ quy trình: ............................................................................................17 1.2. Mô tả quy trình:............................................................................................19 1.3. Thiết Bị: .........................................................................................................20 1.4. So Sánh Chi Phí: ...........................................................................................21 2. Thiết kế trang bị thêm 1 cột chưng cất tinh ( Extractive Distillation ) và 1 cột tái tạo lại ( Regenerator ): ......................................................................................22 2.1. Sơ đồ quy trình: ............................................................................................22 2.2. Mô tả quy trình:............................................................................................25 2.3. Thiết bị:..........................................................................................................26 2.4. So sánh chi phí: .............................................................................................27 VI. KẾT LUẬN:..........................................................................................................28 VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO:.........................................................................................................................29

ĐH QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC GVHD: TS TRẦN HẢI ƯNG ĐỀ TÀI 36: Thiết Kế Quy Trình Sản Xuất Isopropanol từ Propylene THÀNH VIÊN NHÓM: Phan Anh Huy 1611314 Nguyễn Trọng Hùng 1611412 Vũ Trung Hiếu 1611066 MỤC LỤC I TỔNG QUAN Propylene (C3H6): Isopropanol (C3H8O): II TỔNG HỢP ISOPROPANOL (IPA) TỪ PHẢN ỨNG HYDRAT HÓA TRỰC TIẾP PROPYLENE Hydrat hóa trực tiếp propylene: Động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: III Mô Phỏng Quy Trình Cơng Nghệ: 11 Sơ Đồ Quy Trình: 11 Mô Tả Quy Trinh: 14 Thiết Bị: 14 IV CHI PHÍ: 15 V TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH: 16 Thiết kế trang bị thêm tháp chưng RD (hay tháp chưng RD thứ hai): 17 1.1 Sơ đồ quy trình: 17 1.2 Mô tả quy trình: 19 1.3 Thiết Bị: 20 1.4 So Sánh Chi Phí: 21 Thiết kế trang bị thêm cột chưng cất tinh ( Extractive Distillation ) cột tái tạo lại ( Regenerator ): 22 2.1 Sơ đồ quy trình: 22 2.2 Mơ tả quy trình: 25 2.3 Thiết bị: 26 2.4 So sánh chi phí: 27 VI KẾT LUẬN: 28 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO: .29 I TỔNG QUAN Propylene (C3H6): Propylene hay gọi propene metyl ethylene hợp chất hữu bất bão hòa chứa liên kết C=C có cơng thức phân tử C3H6 Ở điều kiện thường propylene chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng tan nước, nặng khơng khí dễ bốc cháy Propylene hợp chất hữu quan trọng ngành công nghiệp: - - Là nguồn nguyên liệu để sản xuất hóa chất quan trọng như: propylen oxit, acrylonitril, axeton, cumene, butyraldehyde, acrylic acid, phenol isopropanol (IPA)… Dùngđể tổng hợp Polypropylene (PP) loạipolymer quan trọng ngành công nghiệp dùng để: sản xuất sợi bao bì sản phẩm, làm lớp màng phủ bề mặt sản phẩm, chế tạo sản phẩm nhựa cần độ an toàn cao… nhiều ứng dụng quan trọng khác Cơng thức cấu tạo propylene: Hình 1: Công thức cấu tạo propylene Các thông số vật lý propylene: - Khối lượng mol (M): 42,08 g.mol-1 Nhiệt độ nóng chảy (tnc): -185,2℃ Nhiệt độ sơi (ts): -47,6℃ Trong công nghiệp, công nghệ nhằm ưu tiên tạo sản phẩm Propylen trình chế biến dầu mỏ gồm có phương pháp sau: - Q trình cracking naphta nước có xúc tác Q trình cracking dầu thơ có xúc tác - q trình FCC (fluid cracking catalyst) Dehydro hóa khí propan (PDH) Tổng hợp propylen q trình methathesis Chuyển hóa metanol thành propylene (MTO) Phương án cracking naphta nước có xúc tác phương án cracking dầu thơ có xúc tác - FCC thường sử dụng Vì q trình tích hợp với dây chuyền lọc tách dầu thô tổ hợp lọc - hóa dầu Isopropanol (C3H8O): Hình 2: Cơng thức cấu tạo isopropanol a) Tên hóa học: Isopropanol hay cịn gọi isopropyl alcohol (IPA) Cơng thức phân tử: C3H8O Công thức cấu tạo: CH3 – CH(OH) – CH3 Khối lượng phân tử: 60,1 g/mol Các tính chất vật lý Isopropanol (IPA) Isopropanol (IPA) chất lỏng khơng màu, dễ bay hơi, trộn lẫn nước số dung môi hữu benzen, chloroform, acetone… Hơi IPA khơng khí có khả bốc lửa, gây cháy Đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao hợp chất gây nổ nên cần lưu ý vấn đề nguy hiểm q trình bảo quản sử dụng Ngồi có tính độc nhẹ, gây kích ứng da số trường hợp; nuốt hít phải với lượng lớn nạn nhân bị ngộ độc tác động hợp chất đến hệ thần kinh gây hôn mê, bệnh lý thần kinh… Lưu ý sử dụng IPA: IPA hóa chất có hại cho sức khỏe tiếp xúc trực tiếp với mắt hít phải, thường gây tổn thương mắt, kích ứng da, khơ cổ, khó thở, chóng mặt Xử lý trường hợp cách rửa nước nhiều lần, uống nhiều nước đưa nạn nhân đến nơi khơng khí lành chuyển đến sở ý tế gần Vì nên dùng vật dụng bảo hộ mắt kính, trang, bao tay… sử dụng, vận chuyển lưu giữ IPA Ngoài ra, đặc biệt ý IPA dễ cháy, dễ bắt lửa nên cần để sản phẩm tránh xa nguồn nhiệt, nguồn lửa, tia lửa, chất dễ cháy nổ, ánh sáng trực tiếp chiếu vào, tránh xa nước hay nơi có độ ẩm cao Tuyệt đối không hút thuốc gần sản phẩm Bảo quản nơi khơ thống mát Đậy kín vật đựng khơng cần thiết để tránh tượng rị rỉ sản phẩm Các thông số vật lý IPA: - Khối lượng riêng (ρ): 0,789 g/cm3 (20℃) - Nhiệt độ nóng chảy (tnc): -86℃ - Nhiệt độ sôi (ts): 82,5℃ - Áp suất hơi: 2,4kPa - Điểm gây cháy (flash point): 11,7℃ - Độ tan nước 20℃: vô hạn - Giới hạn nổ khơng khí: – 13,4% b) Nhu cầu tiêu thụ Isopropanol (IPA) toàn cầu: Isopropanol (IPA) dung môi sử dụng rộng rãi giới tính chất hịa tan tốt với hầu hết dung mơi bao gồm nước Thị trường IPA toàn cầu trị giá khoảng 2838,3 triệu USD vào năm 2012 dự kiến đạt 4231,5 triệu USD vào năm 2018, với tốc độ tăng trưởng hàng năm kép (CAGR) 6,9% Thị trường IPA toàn cầu phát triển đáng kể vài năm qua dự kiến tăng trưởng nhanh năm tới, chủ yếu nhu cầu ngày tăng khu vực Châu Á - Thái Bình Dương.Các thị trường tiêu thụ IPA giới là: - Châu Á-Thái Bình Dương thị trường tiêu thụ số tất khu vực, chiếm gần 39,6% tổng nhu cầu toàn cầu năm 2013 dự kiến đạt 50,8% vào năm 2018 với tốc độ CAGR 6,9% Khu vực dự kiến tăng trưởng cao tương lai, chủ yếu tiềm tăng trưởng cao thị trường Trung Quốc Ấn Độ - Bắc Mỹ chiếm 30,5% giá trị thị phần năm 2013, dự kiến đạt 37,1% vào năm 2018, tăng trưởng với tốc độ CAGR 4,0% Thị trường phát triển đáng kể vài năm qua dự kiến tăng trưởng nhanh năm tới, Hoa Kỳ nước tiêu thụ IPAlớn nhất, gần 26,4% tổng nhu cầu toàn cầu năm 2013 - Châu Âu nắm giữ 24,9% thị phần IPA toàn cầu Thị trường dự báo tăng trưởng với tốc độ CAGR 4,6% giai đoạn 2013-2018 Ngành dược phẩm ngành cơng nghiệp IPA sản phẩm chủ chốt kinh tế châu Âu Hiện nửa tổng tiêu thụ IPA tồn cầu sử dụnglàm dung mơi, sau phần lớn sử dụng ngành công nghiệp dược phẩm Các nhà cung cấp IPA giới tập đồn hóa chất quốc tế như: Royal Dutch Shell Plc (The Netherlands), The Dow Chemical Company (U.S.), Exxon Mobil Chemical Company (U.S.), Shell Canada Ltd and Sasol Ltd (South Africa), Zhejiang Xinhua Chemical Co.Ltd.,LG Chem Ltd., LCY Chemical Corporation, Mitsui Chemical Inc and Jinzhou Petrochemical Co Ltd… c) Ứng dụng Isopropanol (IPA): Là hóa chất quan trọng ngành cơng nghiệp hóa chất Isopropanol (IPA) phần lớn ứng dụng làm dung môi cho sơn cho ngành cơng nghiệp Ngồi IPA cịn dùng phổ biến ngành dược phẩm độc tính cặn cịn lại thấp Một phần nhỏ dùng làm hóa chất trung gian để tổng hợp hợp chất hữu quan trọng - Dung mơi: IPA hịa tan nhiều hợp chất khơng phân cực Nó bay nhanh tương đối khơng độc so với dung mơi thay khác Do sử dụng rộng rãi dung mơi chất tẩy rửa Ví dụ: tẩy rửa thiết bị điện tử chân tiếp, băng từ đầu đĩa, ống kính laser ổ đĩa quang (như CD, DVD) - Chất trung gian:  Phản ứng ester hóa IPA với acid acetic cho isopropyl acetate – dung môi sử dụng rộng rãi  IPA phản ứng với khí carbon disulfide (CS2) tạo sodium isopropyl xanthate (C4H7NaOS2) – chất diệt cỏ có hoạt tính mạnh  IPA phản ứng với Titanium tetrachloride kim loại nhôm Titanium Aluminum isopropoxides, dùng làm xúc tác trước đóng vai trị thuốc thử - Y học: Dung dịch 75% IPA với nước dùng để sát trùng IPA dùng chất hỗ trợ làm khô nước trường hợp chống viêm tai, nhiều người bơi dùng đến - Dùng xe hơi: IPA thành phần phụ gia nhiên liệu làm khơ khí Với hàm lượng đủ lớn, nước gây cố cho bồn chứa nhiên liệu tách lớp khỏi nhiên liệu làm đóng băng đường ống dẫn nhiệt độ thấp Khi có mặt IPA khơng loại bỏ nước mà đóng vai trị dung mơi trung gian, IPA có tác dụng hịa tan nước hịa lẫn vào nhiên liệu nước khơng gây cố nêu - Trong phịng thí nghiệm: Là chất bảo quản mẫu sinh học, IPA cung cấp thay tương đối không độc hại so với formaldehyde chất bảo quản tổng hợp khác Dung dịch IPA 7099% sử dụng để bảo quản mẫu vật IPA thường sử dụng thay Etanol chiết xuất DNA Nó thêm vào giải pháp để kết tủa DNA thành 'viên' sau mang ly tâm DNA d) Các phương pháp điều chế Isopropanol (IPA) Trong công nghiệp ngày Isopropanol (IPA) sản xuất chủ yếu phương pháp hydrat hóa propylene Có hai phương pháp hydrat hóa: Hydrat hóa gián tiếp hydrat hóa trực tiếp - Hydrat hóa gián tiếp: Propyleneđược chophản ứng với H2SO4 đậm đặc để tạo thành hỗn hợp Ester Sulfat Sau Ester thủy phân nước cho IPA, sau đem chứng cất Diisopropyl sản phẩm phụ đáng kể trình này, đưa trở lại quy trình thủy phân sản phẩm Phương pháp sử dụng rộng rãi Mỹ - Hydrat hóa trực tiếp: Propylene Hydrate hóa trực tiếp với nước, kể dạng lỏng hay dạng khí áp suất cao với diện xúc tác rắn hay xúc tác Acid hỗ trợ Quy trình ứng dụng cho trường hợp sản xuất đòi hỏi độ tinh khiết >90% Phương pháp sử dụng rộng rãi Châu Âu Cả phương pháp đòi hỏi IPA phải tách khỏi nước sản phẩm khác chưng cất Dung môi IPA nước tạo thành hỗn hợp đồng sôi chưng cất cho hỗn hợp gồm 87.9% IPA 12.1% nước theo khối lượng IPA tinh khiết có cách chưng cất đồng sơi IPA có lẫn nước cách sử dụng Diisopropyl ether hay Cyclohexane tác nhân đồng sơi Ngồi phần nhỏ IPA tổng hợp phương pháp Hydro hóa acetone pha lỏng với xúc tác Niken hay hỗn hợp Đồng Crom Oxit, phương pháp đặc biệt hữu ích kết hợp với việc sản xuất dư acetone, chẳng hạn trình tổng hợp Cumen II TỔNG HỢP ISOPROPANOL (IPA) TỪ PHẢN ỨNG HYDRAT HĨA TRỰC TIẾP PROPYLENE Hydrat hóa trực tiếp propylene: Phản ứng hydrat hóa trực tiếp propylene với chất xúc tác xảy theo phản ứng thuận nghịch sau CH3 – CH = CH2 + H2OH+ CH3 – CH(OH) – CH3 Cơ chế phản ứng: Phản ứng xảy theo chế cộng hợp nhân AN CH3 – CH = CH2 CH3 – +CH – CH3 + H+ CH3 – +CH – CH3 + H2O CH3 – CH(O+H2) – CH3 CH3 – CH(O+H2) – CH3 CH3 – CH(OH) – CH3 + H+ Giải thích chế: Phản ứng xảy qua giai đoạn tạo thành cation trung gian proton H+ công vào liên kết π propylene Tiếp theo cơng tác nhân nhân H2O vào cation Sau giải phóng proton H+ để hình thành sản phẩm ÍPA Do sử dụng xúc tác dung dịch acid H2O, nên tác nhân nhân công vào cation trung gian anion gốc acid Các phản ứng phụ xảy ra: - Phản ứng tạo thành propylene oligomers: nC = C – C - -( C – C[C] )- n XT Tạo thành Diisopropyl ether: 2C = C – C + H2O - H+ C – C(C) – O – C(C) – C Tạo thành n – propanol: CH3 – CH = CH2 + H2OH+ CH2(OH) – CH2– CH3 Phản ứng phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt phản ứng tính từ số liệu nhiệt động học có sẵn khoảng 12Kcal/mol khoảng nhiệt độ từ 400 – 600 K pha Hằng số cân phản ứng cho sau logKP = logKC = 1950 T 2045 T – 6,06 (ở pha khí) – 5,08 (ở pha lỏng) Phản ứng hydrat hóa propylene với pha pha lỏng diễn đồng thời với nhau, thành phần cân có hai pha tính tốn dựa theo số liệu động hóa học giản đồ pha cân lỏng – propylene Mặc dù hình thành IPA xảy thuận lợi nhiệt độ thấp áp suất cao, để tối ưu hóa sản xuất cần phải xem xét lựa chọn dựa tốc độ giới hạn giới hạn cân cho thích hợp để thu lợi lớn Phương pháp có ưu điểm khơng sử dụng acid sunfuric đậm đặc nên vấn đề ăn mòn thiết bịlà không đáng kể nên tuổi thọ thiết bị dây chuyền sản xuất lâu dài Và vận hành trình tương đối đơn giản Có thể thu sản phẩm có độ tinh khiết 90% Động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: Phương diện động học phản ứng cho biết phản ứng diễn nhanh hay chậm yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, ta quan tâm đến nhiệt độ xúc tác sử dụng quy trình Để phản ứng diễn đạt độ chuyển hóa ứng với tốc độ phản ứng tối ưu ta cần cấp cho dòng nhập liệu nhiệt lượng để nâng nhiệt độ dòng lên cao Nhiệt độ cịn tùy thuộc vào loại phản ứng tiến hành, có ảnh hưởng tác động đến quy trình cơng nghệ việc thiết kế thiết bị, quy trình, lắp đặt đường ống, bố trí dịng chảy,… Động học phản ứng đặc trưng phương trình tốc độ, định nghĩa lượng tác chất phản ứng đơn vị thời gian CH3 – CH = CH2 + H+ CH3 – +CH – CH3 + H2O K= k1 k2 k−1 k−2 k k -1 CH3 – +CH – CH3 k k -2 CH3 – CH(OH) – CH3 : số cân phản ứng Phương trình tốc độ: (-rC3H7OH )= d[C3 H7 OH] dt = k1 k2 [H+ ] [C3H6][H2O] - k−1 +k2 [H2 0] [C3 H7 OH] K Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: Phản ứng hydrat hóa propylene phản ứng tỏa nhiệt Ở có khác biệt lớn hai loại phản ứng thu nhiệt phản ứng tỏa nhiệt - Đối với phản ứng thu nhiệt, độ chuyển hóa tác chất phản ứng cao nhiệt lượng thu vào cho phản ứng lớn Để trì nhiệt độ phản ứng đảm bảo mặt động học cho quy trình, ta phải tiêu tốn lượng nhiệt lớn, nhiên nhiệt xem lượng, ta khoảng cho chi phí lượng - Đối với phản ứng tỏa nhiệt, ta cần tiêu tốn lượng nhiệt lượng ban đầu để đưa dịng nhập liệu lên nhiệt độ cao (hoạt hóa khả phản ứng tác chất), nhiệt khơng đáng kể so với nhiệt lượng trì cho phản ứng thu nhiệt Bên cạnh đó, nhiệt tỏa suốt q trình phản ứng đơi lớn, dịng hạ bớt nhiệt độ nên cần lắp đặt thiết bị làm mát Các thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ thu hồi phần lượng dạng nhiệt, nguồn lượng tận dụng cách tối đa, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí lượng CH3 – CH = CH2 + H2O CH3 – CH(OH) – CH3 H+ (∆H = -50kJ/mol 298,15K,1atm) Ta có ∆Greation = -RT lnKp Nhiệt độ K ∆GreationKcal Kp 298 -1,84 22,36 400 1,73 0,113 500 5,25 0,005 700 12,25 0,0015 Bảng 1: Sự phụ thuộc ∆Greation Kp vào nhiệt độ phản ứng Dựa vào giá trị ∆Greation Kp ta tính tốn độ chuyển hóa cân phản ứng Nhiệt độ ℃ Nhiệt độ K Độ chuyển hóa cân 25 298 79,3 100 373 13,8 127 400 5,2 227 500 0,2 Bảng 2: Sự ảnh hưởng nhiệt độ đến độ chuyển hóa cân (P = 1atm, tỉ lệ mol 1:1) Áp suất (atm) Áp suất (PSIA) Độ chuyển hóa cân 14,7 79,3 29,4 85,2 - Từ việc mơ quy trình cơng nghệ phần mềm, ta dễ dàng tính tốn nguồn vốn cần thiết để chi cho công nghiệp sản xuất, thể cách sơ lược bảng - Ngồi chi phí đầu tư ban đầu, ngồi cịn có ngân sách chi năm bao gồm chi phí vận hành (nguồn chi cho lượng: nhu cầu thắp sáng, nguồn điện nước, nhiên liệu đốt,…); bảo trì, sửa chữa hệ thống chi phí thu mua tác chất phản ứng, phí phân tách chất, xử lý sản phẩm - Với mục tiêu tối ưu kinh tế, thông tin cần thiết tổng chi ban đầu, giá thành tác chất, ta phải quan tâm đến chi phí lượng Để làm điều đó, người kỹ sư kỹ thuật hóa bắt buộc phải tính toán cho thiết bị phân tách chất, thiết bị trao đổi nhiệt cách bố trí thiết bị truyền nhiệt hợp lý, tối ưu triệt để quy trình công nghệ, nghĩa số thiết bị nhiệt cần phải tối thiểu hóa lượng sử dụng cần tối ưu Bảng 4: Ước tính chi phi cho trình sản xuất IPA cách Chưng cất RD V TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH: Qua q trình mơ phỏng, ta xác định hạn chế trình sản xuất IPA dựa chưng cất RD là: - Yêu cầu độ tinh khiết IPA cao Cần nguồn cấp propylene dư cho tháp chưng RD Do đó, để tối ưu hóa q trình khắc phục hạn chế trên, khảo sát thêm quy trình sau Thiết kế trang bị thêm tháp chưng RD (hay tháp chưng RD thứ hai): 1.1 Sơ đồ quy trình: - Sơ đồ quy trình trang bị thêm nhằm giảm lượng propylene nhập liệu vào cột tháp RD - Ý tưởng cốt lõi quy trình tách nguồn cấp propylene thành hai dịng, dịng đến tháp chưng cất RD ban đầu dòng lại đến tháp chưng cất RD a) Phần mềm Aspen Hysys: Hình 5: Sơ đồ quy trình trang bị thêm cột chưng cất RD thay cho tách Propane-Propene Aspen Hysys b) Phần mềm Aspen Plus v8: Hình 6: Sơ đồ quy trình trang bị thêm cột chưng cất RD thay cho tách Propane-Propene Aspen Plus v8 - Thông số dòng: Tên dòng Water Inlet ( nước vào ) Propylene Inlet ( Propylene vào ) Thông số - Suất lượng: 373,5 kmol/h - Nhiệt độ: 25oC - Áp Suất: 101,325 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 1,0 - Suất lượng: 400 kmol/h - Nhiệt độ: -47,5oC - Áp Suất: 101,325 kPa - Thành phần: %Mol + Propane: 0,05 + Propylene: 0,95 Azeotropic Mixture ( dòng hỗn hợp lỏng từ đáy RD – W truyền tới RD - P ) - Suất lượng: 378,1 kmol/h - Nhiệt độ: 178,9oC - Áp Suất: 2010,5 kPa - Thành phần: %Mol + IPA: 0,4579 + Nước: 0,5382 + DIPE: 0,0039 Propane Purge ( dòng Propan ) - Suất lượng: 28,0 kmol/h - Nhiệt độ: 64,8oC - Áp Suất: 2000 kPa - Thành phần: %Mol + Propane: 0,7148 + Nước: 0,0202 + IPA: 0,0085 + DIPE: 0,0063 + Propylene: 0,2502 IPA Product Stream ( dòng IPA sản phẩm ) - Suất lượng: 372,4 kmol/h - Nhiệt độ: 186,3oC - Áp Suất: 2018,9 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,00004 + IPA: 0,9999 + DIPE: 0,00006 IPA: Isopropanol; DIPE: Diisopropyl ether 1.2 Mô tả quy trình: - Như thấy, propylene lỏng (-47,6oC 101,325 kPa, điều áp đến 2033.5 kPa gia nhiệt đến 24.2oC gia nhiệt E1 (với giả định áp suất giảm 20 kPa) sau chia thành hai dịng Dịng đưa vào cột chưng cất RD hoạt động điều kiện propylene thừa (cột RD-P), nơi thu 99,99 mol% IPA sản phẩm phía đáy hỗn hợp khí phía đỉnh chủ yếu bao gồm propane propylene khơng phản ứng Dịng khí này, sau ngưng tụ thành chất lỏng 52,1 C đưa áp suất trở lại 2013,5 kPa, trộn với dòng propylene vào cịn lại sau đưa vào nhập liệu cột RD-W (thay tách propylene-propane quy trình sản xuất IPA chưng cất RD); ngồi nước đưa vào cột Lưu ý cột RD-W hoạt động điều kiện nước dư thừa chuyển đổi nhiều propylene nhập liệu vào - Sau phản ứng tách, hỗn hợp khí chứa chủ yếu propan từ nguồn propylene nhập liệu thải từ đỉnh tháp chưng RD-W Như thấy hình 6, lượng propylene nhỏ (khoảng kmol/h 380 kmol/h vào trình) bị dòng Propane Purge đỉnh cột chưng RD-W Hỗn hợp lỏng IPA nước dòng sản phẩm đáy gửi đến tháp RD-P để phản ứng với nguồn propylene nhập liệu - Thiết kế trang bị thêm hình phát triển cách chiến lược cho cột RD ban đầu sử dụng lại cần cột RD 1.3 Thiết Bị: - Bơm:  Bơm P1: Đưa hỗn hợp Propylene vào thiết bị gia nhiệt E1 đến thiết bị tách dòng o Đầu vào: 101,325 kPa o Đầu ra: 2033,5 kPa  Bơm P2: Đưa dòng từ thiết bị Giải nhiệt E2 đến thiết bị trộn dòng vào tháp chưng cất RD - W o Đầu vào: 2000 kPa o Đầu ra: 2013,5 kPa  Bơm P3: Đưa nước nhập liệu vào tháp chưng cất RD - W o Đầu vào: 101,325 kPa o Đầu ra: 2013,5 kPa - Thiết bị gia nhiệt E1: Gia nhiệt cho hỗn hợp Propylene vào đưa đến thiết bị tách dòng  Nhiệt độ đầu vào: -46,9oC  Nhiệt độ đầu ra: 24,2oC - Thiết bị giải nhiệt E2: Giải nhiệt cho dòng sản phẩm đỉnh tháp chưng cất RD - P để đưa đến thiết bị trộn dòng  Nhiệt độ đầu vào: 77,4 oC  Nhiệt độ đầu ra: 52,1oC - Thiết bị trộn dòng: Trộn dòng sản phẩm đỉnh tháp chưng RD – P với dòng Propylene vào lại tách thiết bị tách dòng đưa vào tháp chưng cất RD - W - Tháp chưng cất RD - P:  Có 28 mâm lý thuyết  Dòng IPA thu đáy  Dòng Propylen – propane thu đỉnh - Tháp chưng cất RD - W:  Có 15 mâm lý thuyết  Propane thu đỉnh  Hỗn hợp lỏng IPA – Nước thu đáy đưa ngược lại tháp chưng RD - P - Thiết bị tách dòng ( Splitter ):  Tách dòng Propylene vào thành dòng: o Một dòng có suất lượng 297,9 kmol/h nhập liệu vào tháp chưng RD – P o Một dịng có suất lượng 102,1 kmol/h đưa đến thiết bị trộn dòng để trộn với dòng sản phẩm đỉnh tháp chưng RD – P 1.4 So Sánh Chi Phí: - Từ việc mơ quy trình cơng nghệ phần mềm, ta dễ dàng tính tốn nguồn vốn cần thiết để chi cho cơng nghiệp sản xuất với quy trình tối ưu này, thể so sánh với quy trình sản xuất IPA chưng cất RD bảng Bảng 5: Ước tính chi phí quy trình thiết kế trang bị thêm cột chưng cất RD thứ hai (RD-W) So với trường hợp sở - Từ bảng 5, ta thấy, quy trình tối ưu cách loại bỏ thiết bị tách Propanepropylene thay vào tháp chưng cất thứ làm chi phí sản xuất đơn vị sản phẩm (manufacturing cost per unit product) hay gọi tắt MCU giảm từ 0,092 $/kg đến 0,079 $/kg - Ngoài ra, quy trình cịn làm giảm chi phí tiện ích từ 35,2% xuống 30,5% Thiết kế trang bị thêm cột chưng cất tinh ( Extractive Distillation ) cột tái tạo lại ( Regenerator ): 2.1 Sơ đồ quy trình: - Thiết kế trang bị thêm thứ hai đưa dòng sản phẩm (cuối cùng) từ cột RD ban đầu cho vào cột chưng cất khác, cột chưng cất tinh tái tạo thêm vào quy trình - Trong giải pháp trang bị thêm này, thay dịng IPA tinh, dịng hỗn hợp IPA - nước rời khỏi cột RD, tháp chưng cất tinh có nhiệm vụ làm tinh IPA a) Phần mềm Aspen Hysys: Hình 7: Quy trình trang bị thêm với cột chưng cất tinh tái tạo lại mô Aspen Hysys b) Phần mềm Aspen Plus v8 Hình 8: Quy trình trang bị thêm với cột chưng cất tinh tái tạo lại Aspen Plus v8 - Thông số dòng: Tên dòng Water Inlet - ( dòng nước vào ) Propylene Inlet ( Propylene vào ) Water Inlet - ( dịng nước vào ) Thơng số - Suất lượng: 415,0 kmol/h - Nhiệt độ: 25oC - Áp Suất: 101,325 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 1,0 - Suất lượng: 400 kmol/h - Nhiệt độ: -47,6oC - Áp Suất: 101,325 kPa - Thành phần: %Mol + Propane: 0,05 + Propylene: 0,95 - Suất lượng: 404,4 kmol/h - Nhiệt độ: 25oC - Áp Suất: 101,325 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 1,0 Vent gas – ( dòng ) - Suất lượng: 14,0 kmol/h - Nhiệt độ: 62,8oC - Áp Suất: 2000 kPa - Thành phần: %Mol + Propane: 0,7215 + Nước: 0,0194 + IPA: 0,0074 + DIPE: 0,0049 + Propylene: 0,2468 Vent gas – ( dòng ) - Suất lượng: 13,7 kmol/h - Nhiệt độ: 62,8oC - Áp Suất: 2000 kPa - Thành phần: %Mol + Propane: 0,7215 + Nước: 0,0194 + IPA: 0,0074 + DIPE: 0,0049 + Propylene: 0,2468 Bottom Stream – ( dòng sản phẩm đáy tháp RD – ) - Suất lượng: 414,6 kmol/h - Nhiệt độ: 180,1oC - Áp Suất: 2019,5 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,5447 + IPA: 0,4553 Bottom Stream – ( dòng sản phẩm đáy tháp RD – ) - Suất lượng: 414,6 kmol/h - Nhiệt độ: 180,1oC - Áp Suất: 2019,5 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,5447 + IPA: 0,4553 IPA Product Stream ( dòng sản phẩm IPA ) - Suất lượng: 372,7 kmol/h - Nhiệt độ: 83,4oC - Áp Suất: 2019,5 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,0001 + IPA: 0,9999 H2O Purge ( dòng nước đỉnh tái tạo ) - Suất lượng: 445,9 kmol/h - Nhiệt độ: 98,5oC - Áp Suất: 101,3 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,99986 + IPA: 0,00014 Lean Entrainer ( dịng lơi nhỏ ) - Suất lượng: 764,6 kmol/h - Nhiệt độ: 196,5oC - Áp Suất: 117,4 kPa - Thành phần: %Mol + Nước: 0,99995 + IPA: 0,00005 IPA: Isopropanol; DIPE: Diisopropyl ether 2.2 Mơ tả quy trình: - Như thấy, chất lỏng propylene tươi ( -47,6oC 101.325 kPa, sau tăng áp đến 2033.5 kPa làm nóng đến 24.2oC, chia thành hai dịng, số chúng tới cột RD - ( cột RD ban đầu sử dụng propylene thừa) dòng lại tới cột chưng cất RD-2 (cột RD sử dụng propylene thừa) Lý để tách dòng propylene vào để sử dụng lại cột RD đảm bảo đáp ứng thông số kỹ thuật thiết kế (ví dụ: đường kính cột mức chất lỏng khay) nước sử dụng dư Theo đó, tỷ lệ phân chia propylene tối ưu Trong đó, dịng nước dư, sau tăng áp đến 2013,5 kPa, cấp cho tháp RD - RD - với tỷ lệ nước : propylene 2,05 Sau phản ứng tách, hỗn hợp khí chứa chủ yếu propane từ dịng propylen nhập liệu thải từ đỉnh hai cột RD Mặt khác, nước nhập liệu dư, sản phẩm đáy từ hai cột hỗn hợp IPA nước Lưu ý lượng DIPE sinh giảm thiểu thơng qua việc chọn điều kiện vận hành thích hợp cột Dòng sản phẩm đáy RD-1 RD-2 trộn lẫn, áp suất giảm xuống 135 kPa, gửi đến phận tách - Các đơn vị phận phân tách bao gồm cột chưng cất tinh cột tái tạo lại, đề xuất IPA nước tạo thành hỗn hợp đẳng phí; để phá vỡ hỗn hợp đẳng phí này, dịng lơi cuốn, cụ thể dimethyl sulfoxide (DMSO) sử dụng Bộ tái tạo sử dụng để khơi phục dịng lơi cách tách /loại bỏ nước Kết mơ q trình có trang bị thêm cột chưng cất tinh tái tạo thể hình 8; Hỗn hợp nước – IPA (với phần mol IPA 0,455) đưa đến nhập liệu vào mâm thứ 26 tháp chưng cất tinh; dịng hồn lưu (dịng lơi /DMSO), sau làm mát đến 71,8oC , nhập liệu vào mâm thứ tháp chưng cất tinh Dòng IPA với phần mol 0,9999 thu từ đỉnh cột chưng cất tinh sản phẩm quy trình, dịng DMSO thực tế ( phần mol 0,99999 ) rời khỏi đáy cột chưng cất tinh đưa tái tạo lại Thêm vào lượng nhỏ dung môi để tái chế DMSO 2.3 Thiết bị: - Bơm:  Bơm P1: Đưa hỗn hợp Propylene vào thiết bị gia nhiệt E1 đến thiết bị tách dòng o Đầu vào: 101,325 kPa o Đầu ra: 2033,5 kPA  Bơm P2: Đưa nước nhập liệu vào tháp chưng cất RD - o Đầu vào: 101,325 kPa o Đầu ra: 2013,5 kPA  Bơm P3: Đưa nước nhập liệu vào tháp chưng cất RD - o Đầu vào: 101,325 kPa o Đầu ra: 2013,5 kPA  Bơm P4: Đưa dòng sản phẩm đỉnh tháp chưng cấp tinh thùng chứa o Đầu vào: 101,3 kPa o Đầu ra: 2019,5 kPa  Bơm P5: Đưa dòng sản phẩm đáy tái tạo lại vào thiết bị giải nhiệt E2 nhập liệu vào tháp chưng cất tinh o Đầu vào: 117,4 kPa o Đầu ra: 130,5 kPa - Thiết bị gia nhiệt E1: Gia nhiệt cho hỗn hợp Propylene vào đưa đến thiết bị tách dòng  Nhiệt độ đầu vào: -44,6oC  Nhiệt độ đầu ra: 25,0oC - Thiết bị giải nhiệt E2: Giải nhiệt cho dòng sản phẩm đáy tái tạo Regenerator để đưa đến tháp chưng tinh  Nhiệt độ đầu vào: 196,5 oC  Nhiệt độ đầu ra: 71,7oC - Thiết bị trộn dòng: Trộn dòng sản phẩm đáy tháp chưng RD – RD – - Tháp chưng cất RD – RD – 2:  Có 28 mâm lý thuyết  Hỗn hợp IPA – nước thu đáy  Dòng sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu Propane ( có lẫn propylene ) - Tháp chưng cất tinh ( Extractive Distillation ):  Có 42 mâm lý thuyết  IPA tinh khiết thu đỉnh  Dòng DMSO thu đáy đưa đến nhập liệu vào tái tạo lại - Bộ tái tạo lại ( Regeneration ):  Có 24 mâm lý thuyết  Dịng sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu nước ( phần mol nước 0,99986 )  Sản phẩm đáy đưa đến thiết bị giải nhiệt E2 tái chế DMSO nhập liệu vào tháp chưng cất tinh - Thiết bị tách dòng:  Tách dòng Propylene vào thành dịng: o Một dịng có suất lượng 202,6 kmol/h nhập liệu vào tháp chưng RD – o Một dòng có suất lượng 197,4 kmol/h nhập liệu vào tháp chưng RD – - Van tiết lưu: Giảm áp suất dòng trộn dòng sản phẩm đáy tháp RD – RD – xuống 135,0 kPa 2.4 So sánh chi phí: - Từ việc mơ quy trình cơng nghệ phần mềm, ta dễ dàng tính tốn nguồn vốn cần thiết để chi cho cơng nghiệp sản xuất với quy trình tối ưu này, thể so sánh với quy trình sản xuất IPA chưng cất RD bảng Bảng 6: Ước tính chi phí quy trình trang bị thêm cột chưng cất tinh ( Extractive distillation ) cột tái tạo lại ( Regenerator ) So với trường hợp sở - Từ bảng 6, ta thấy, quy trình tối ưu cách loại bỏ thiết bị tách Propanepropylene thay vào trang bị thêm cột chưng cất tinh ( Extractive distillation ) cột tái tạo lại ( Regenerator ) làm chi phí sản xuất đơn vị sản phẩm (manufacturing cost per unit product) hay gọi tắt MCU tăng từ 0,092 $/kg đến 0,095 $/kg - Như thấy Bảng 6, ba cột (RD-2, cột chưng cất chiết xuất cột tái tạo lại) có tổng chi phí $ 9.700.884, tương đương với khấu hao chi phí vốn 1.658.851 $/năm; ngồi ra, chi phí hoạt động tăng (Hàng thứ Bảng 3) từ 943.380 $/năm đến 1.824.260 $/năm Kết là, tiết kiệm từ chi phí tiện ích (3,815,430 $/năm 35,2%) trang trải thêm chi phí, dẫn đến tăng MCU chút VI KẾT LUẬN: - Trong báo cáo này, quy trình sản xuất Isopropanol đề xuất sử dụng tháp chưng cất RD Ta thấy hai hạn chế nó, RD xác định thơng qua q trình mơ phỏng, phân tích ước lượng chi phí, cụ thể là: + IPA yêu cầu độ tinh khiết cao + Nguồn cấp propylene dư thừa lại cho tháp chưng cất RD - Để cải thiện quy trình này, ta đề xuất hai thiết kế trang bị thêm phù hợp Đó là: + Ttrang bị thêm tháp chưng RD (RD-W) + Thiết kế trang bị thêm với cột chưng cất tinh (Extractive distillation) tái tạo (Regenerator) - Đề xuất tối ưu thứ nhấtcó số tiền khấu hao để trang bị thêm 290,309 $/năm giảm MCU từ 0,092 $/kg xuống 0,079 $/kg (hoặc 14,1%) - Đề xuất tối ưu thứ hai có số tiền khấu hao lớn đáng kể 1,658,851 $/năm tăng MCU từ 0,092 $/kg đến 0,095 $/kg yêu cầu thêm khu vực trang bị cho hai cột - Do sau tối ưu, ta thấy nên sử dụng tối ưu theo đề xuất thứ sử dụng quy trình VII TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Retrofitting an isopropanol process based on reactive distillation and propylenepropane separation - Mark Wendou Niu, G.P Rangaiah [2] Isopropyl Alcohol by Direct Hydration of Propylene - Yasuharu Onoue, Yukio Mizutani, Sumio Akiyama, Yusuke Izumi and Hirofumi Ihara [3] Phần mềm hỗ trợ Aspen Hysys, Aspen Plus v8 ... 14 IV CHI PHÍ: 15 V TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH: 16 Thiết kế trang bị thêm tháp chưng RD (hay tháp chưng RD thứ hai): 17 1. 1 Sơ đồ quy trình: 17 1. 2... đến quy trình cơng nghệ III Mơ Phỏng Quy Trình Cơng Nghệ: Sơ Đồ Quy Trình: - Mơ quy trình sản xuất Isopropanol (IPA) từ Propylene chưng cất thực phần mềm: a) Phần mềm Aspen Hysys: Hình 3: đồ quy. .. tiếp propylene: Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: III Mô Phỏng Quy Trình Cơng Nghệ: 11 Sơ Đồ Quy Trình: 11 Mô Tả Quy Trinh: 14 Thiết