SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN .............................................................................................i MỤC LỤC...........................................................................................................................ii I. TỔNG QUAN...............................................................................................................1 II. QUY TRÌNH.................................................................................................................3 1) Máy bơm ...................................................................................................................3 2) Thiết bị gia nhiệt........................................................................................................4 3) Thiết bị nén 1.............................................................................................................5 4) Thiết bị phản ứng (reactor)........................................................................................5 5) Thiết bị nén 2 và cooler.............................................................................................7 6) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 1)...................................................................8 7) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 2).................................................................11 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE T Ừ ETHANOL 1 DANH M ỤC B ẢNG SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 2 TỔNG QUAN Acetaldehyde là một hợp chất hữu cơ có công thức CH3CHO. Xuất hiện rộng rãi trong tự nhiên: cà phê, bánh mì, trái cây,… và được sản xuất trên quy mô lớn trong công nghiệp. Được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà hóa học và dược học người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele (1774). Năm 2004, sản lượng acetaldehyde toàn cầu là khoảng 1 triệu tấn. Trước năm 1962, nguồn nguyên liệu chính đế sản xuất là ethanol và acetylene nhưng sau đó ethylene đã trở thành nguồn cung cấp chính để sản xuất acetaldehyde. Phương pháp sản xuất chính là oxy hóa ethylene bằng quy trình Wacker: quá trình oxy hóa ethylene xúc tác Palladiumt/ Đồng – (Pd/Cu)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC - BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL GVHD: ThS Nguyễn Kim Trung Nhóm lớp: A04 Năm học: 2019-2020 i DANH SÁCH THÀNH VIÊN HUỲNH VŨ THIÊN ÂN 17 NGUYỄN GIA HUY 17 LÊ PHẠM NGỌC MY 1712213 NGUYỄN HIỀN THẢO 1710297 NGUYỄN LÊ KHÁNH TRỊNH 17 TRẦN QUỐC VINH 1713990 ii MỤC LỤC DANH SÁCH THÀNH VIÊN i MỤC LỤC ii I TỔNG QUAN II QUY TRÌNH 1) Máy bơm 2) Thiết bị gia nhiệt 3) Thiết bị nén 4) Thiết bị phản ứng (reactor) 5) Thiết bị nén cooler 6) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 1) 7) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 2) 11 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL DANH MỤC BẢNG SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL TỔNG QUAN Acetaldehyde hợp chất hữu có cơng thức CH3CHO Xuất rộng rãi tự nhiên: cà phê, bánh mì, trái cây,… sản xuất quy mô lớn công nghiệp Được phát lần nhà hóa học dược học người Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele (1774) Năm 2004, sản lượng acetaldehyde toàn cầu khoảng triệu Trước năm 1962, nguồn nguyên liệu đế sản xuất ethanol acetylene sau ethylene trở thành nguồn cung cấp để sản xuất acetaldehyde Phương pháp sản xuất oxy hóa ethylene quy trình Wacker: q trình oxy hóa ethylene xúc tác Palladiumt/ Đồng – (Pd/Cu) 𝐶𝐻2 = 𝐶𝐻2 + 𝑂2 → 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻𝑂 Đến năm 1970, sản lượng sản xuất quy trình Wacker vượt triệu tấn/năm Tốc độ tăng trưởng năm khoảng – 25%, đạt khỏang 89.25 triệu tấn/ năm (2008) Với sản lượng nhỏ, điều chế q trình oxy hóa phần ethanol Phản ứng tiến hành với xúc tác bạc nhiệt độ khoảng 500 – 750oC Đây phương pháp lâu đời để điều chế acetaldehyde công nghiệp 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − 𝑂𝐻 → 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻𝑂 + 𝐻2 Tính chất acetaldehyde: Nhiệt độ sơi 21oC Nhiệt độ nóng chảy -123.5oC Khối lượng riêng 0.784 kg/cm3 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL I I QUY TRÌNH Thiết bị gia nhiệt Ethanol Thiết bị phản ứng Thiết bị nén Tháp chưng cất tách sản phẩm Tháp chưng cất tách H2 Hình Sơ đồ quy trình Nhập liệu ethanol có nồng độ 1.00 Hỗn hợp sản phẩm thu có nồng độ 0.99 – 1.00 MỤC ĐÍCH CỦA QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ Sản xuất acetaldehyde để điều chế acetic acid, pyridine, pentaerythritol crotonaldehyde Ngoài ra, acetaldehyde kết hợp với urea tạo thành loại nhựa hữu ích 1) MÁY BƠM SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Tạo động lực để dòng nhập liệu di chuyển vào thiết bị gia nhiệt Máy bơm tăng áp lực dòng từ 10kPa lên 300kPa nhằm đủ để dòng di chuyển vào thiết bị gia nhiệt Nếu nâng áp suất lên q cao dịng di chuyển với tốc độ lớn, khơng có lợi cho q trình truyền nhiệt 2) THIẾT BỊ GIA NHIỆT Dòng sau tăng áp đưa vào phận gia nhiệt để đạt nhiệt độ phản ứng reactor 700 0C Gia nhiệt thơng qua q trình: a Heater 1: Gia nhiệt từ 30.05 0C lên 108.7 0C để dòng đạt trạng thái lỏng sơi (hơi bão hịa) b Heater 2: SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Tiếp tục cung cấp nhiệt lượng để dòng thay đổi trạng thái từ saturated steam lên superheated steam Chính nhiệt độ khơng đổi lỏng chuyển thành hoàn toàn c Heater 3: Nâng nhiệt độ lên 710 độ để đưa vào reactor 3) THIẾT BỊ NÉN Dòng đạt điều kiện nhiệt độ để đưa vào reactor chưa đạt điều kiện áp suất nên dòng phải qua thiết bị nén khí để tăng áp lên 600kPa Sau qua thiết bị nén khí dịng “to reactor” đạt điều kiện phản ứng 600 kPa 7000C để đạt độ chuyển hóa tối ưu 4) THIẾT BỊ PHẢN ỨNG (REACTOR) Vì khơng có phương trình động học, ta giả sử cho phản ứng diễn tới đạt trạng thái cân Sử dụng bình Gibbs chọn gói phản ứng thiết lập 6 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Trước tiên ta khảo sát nhiệt độ tối ưu áp suất tối ưu, cách chạy thử hệ thống phản ứng phần mềm hysys, ta thu đồ thị sau: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ nhiệt độ độ chuyển hóa phản ứng đạt cân Xe 0.8 0.6 0.4 0.2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T(C) Hình 2: Đồ thị mô tả mối quan hệ độ chuyển hóa thành CH3CHO theo nhiệt độ áp suất P=100 kPa SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Đồ thị biểu diễn mối quan hệ áp suất phản ứng độ chuyển hóa phản ứng đạt cân 0.9 Xe 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 200 400 600 800 1000 1200 P (kPa) Hình 3: Đồ thị mơ tả mối quan hệ độ chuyển hóa áp suất nhiệt độ T=700oC Từ đồ thị ta thấy nhiệt độ tăng, độ chuyển hóa theo sản phẩm mong muốn tăng từ 700oC trở đi, độ chuyển hóa Xe gần giá trị Do ta vận hành nhiệt độ T=700oC Từ đồ thị 2, ta thấy độ chuyển hóa Xe giảm áp suất tăng, đó, khoảng chọn áp suất dòng nhập liệu rộng thuận tiện Như vậy, ta chọn điều kiện làm việc thiết bị phản ứng ta T=700oC P=600 kPa, lí để bù phần mát áp vào thiết bị phản ứng Để chất lượng dòng sản phẩm ổn định, ta cho phản ứng diễn điều kiện đẳng nhiệt, tức thiết bị phản ứng ta cấp nhiệt hệ thu nhiệt 5) THIẾT BỊ NÉN VÀ COOLER Sau qua bình phản ứng, tiếp tục xử lý điều kiện vật lý dịng sản phẩm khí trước phân tách hệ thống chưng cất: Dùng máy nén khí cooler để biến đổi thơng số dịng khí: SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL T= 7000C p = 600 kPa T= 500C p = 700 kPa a) Áp suất: Áp suất làm việc thân tháp chưng cất 600 kPa (sẽ giải thích chi tiết phần sau), với áp suất dòng sản phẩm khỏi bình phản ứng (600 kPa, lý giải chi tiết phần bình phản ứng Gibbs) Máy nén compr thêm vào để tăng áp cho dịng khí chuyển động từ bình phản ứng đến tháp chưng chênh áp Chỉnh thơng số dịng khí khỏi máy nén có áp suất 700kPa, đủ để di chuyển dịng khí Tất nhiên, áp suất cao khiến dịng khí chuyển động nhanh Tuy nhiên tốn lượng khơng cần thiết Có thể thay máy quạt khí b) Nhiệt độ: Ta cần làm mát hỗn hợp sau nén (hơn 700oC nhiệt độ thường ~500C trước cho qua tháp chưng cất), sử dụng Cooler 6) THIẾT BỊ CHƯNG CẤT SẢN PHẨM (COLUMN 1) SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Thiết bị chưng cất thiết bị tinh chế sản phẩm với nhập liệu dòng mixture (dòng sản phẩm tháp phản ứng qua giảm nhiệt tăng áp), nhằm tách gần hồn tồn khí Hydro (sản phẩm phụ phản ứng) khỏi hỗn hợp sản phẩm a) Thông số dòng nhập liệu: Chưng cất cấu tử Tthanol, Acetaldehyde, E-acetate Hydro Nhiệt độ sôi (0C, 1at) Ethanol Acetaldehyde E-Acetate Hydro 78.4 20.2 77 -253 Nhiệt độ sôi cấu tử Từ bảng nhiệt độ sôi, thực chưng cất theo hướng: hydro sản phẩm đỉnh, ethanol, Acetaldehyde E-Acetate sản phẩm đáy SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 10 Bảng Thành phần dòng nhập liệu Nhập liệu áp suất 800 kPa vì: tạo áp vào tháp lớn áp làm việc để dòng lưu chất chảy vào tháp độ lệch áp mà không cần dùng bơm b) Thông số hoạt động tháp chưng Chọn áp suất hoạt động tháp 600 kPa vì: nhiệt độ sơi sản phẩm Aetaldehyde thấp (20oC, hydro thấp), tăng áp suất so với ĐKC để làm tăng độ sơi nhằm hạn chế mát sản phẩm Ví dụ tăng áp suất tháp lên 700 kPa lượng sản phẩm mát giảm thêm Tuy nhiên, 600 kPa đủ với mức độ mát sản phẩm (2.15mol/97.47mol) Độ chênh lệch nhiệt độ sơi light key at the bottom (Hydro) heavy key at the top (Acetaldehyde-sản phẩm chính) lớn, việc chưng cất dễ dàng ngoại trừ việc tháp phải làm việc áp suất cao nhiệt độ thấp để vừa đảm bảo hoạt động an toàn (có tính thực tế - điều kiện khơng q khắc nghiệt) đảm bảo tách hết hydro hạn chế mát sản phẩm chính) SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 11 c) Lựa chọn điều kiện khác Các spec chọn thêm: - Về nồng độ hydro đáy phải nhỏ 10-7, tức lầ gần hysys - Về nhiệt độ -25oC: tăng giảm nhiệt độ Tuy nhiên định dựa tổng hịa yếu tố: nhiệt độ khơng q khắc nghiệt (không lạnh), mát sản phẩm 7) THIẾT BỊ CHƯNG CẤT SẢN PHẨM (COLUMN 2) 12 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Thiết bị chưng cất thiết bị tinh chế sản phẩm với nhập liệu dòng sản phẩm đáy tháp chưng cất 1, nhằm để tinh chế sản phẩm có độ tinh khiết 99,9% a) Thơng số dịng nhập liệu Chưng cất cấu tử ethanol, acetaldehyde E-acetate Nhiệt độ sôi (0C, 1at) Ethanol Acetaldehyde E-Acetate 78.4 20.2 77 Nhiệt độ sôi cấu tử Từ bảng nhiệt độ sôi, thực chưng cất theo hướng direction: Acetaldehyde sản phẩm đỉnh, ethanol E-Acetate sản phẩm đáy SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Thành phần dòng nhập liệu vào tháp Nhập liệu trạng thái lỏng sôi, áp suất 600 kPa Thơng số dịng nhập liệu b) Thơng số hoạt động tháp chưng 13 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 14 Độ chênh lệch nhiệt độ sôi light key heavy key đủ lớn, nên dễ tách cấu tử áp suất thấp Và tháp chưng q trình cuối, cho dịng sản phẩm Vì chọn áp suất condenser reboiler 150 kPa để loại pressure drop đồng thời tạo động lực để sản phẩm di chuyển c) Lựa chọn điều kiện khác Yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết 99,9% cịn biến để điều chỉnh Do acetaldehyde, ethanol E-acetate hệ cấu tử dễ chưng cất lấy sản phẩm acetadehype, nên chọn biến reflux ratio để dễ hội tụ chọn giá trị R=1 dễ chưng cất sản phẩm đỉnh SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 15 ... sản phẩm (column 1) 7) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 2) 11 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL DANH MỤC BẢNG SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL TỔNG QUAN Acetaldehyde hợp chất... -253 Nhiệt độ sôi cấu tử Từ bảng nhiệt độ sôi, thực chưng cất theo hướng: hydro sản phẩm đỉnh, ethanol, Acetaldehyde E-Acetate sản phẩm đáy SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL 10 Bảng Thành phần dòng... lạnh), mát sản phẩm 7) THIẾT BỊ CHƯNG CẤT SẢN PHẨM (COLUMN 2) 12 SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL Thiết bị chưng cất thiết bị tinh chế sản phẩm với nhập liệu dòng sản phẩm đáy tháp chưng cất 1, nhằm