Đang tải... (xem toàn văn)
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 HAD.
Sinh viên Thực Hiện : Họ tên: MSSV Phạm Quốc Cường 1510383 La Tiến Đạt 1510674 Lê Thị Ngọc Phương 1512577 Thạch Thay 1513018 Huỳnh Thái Trung 1513713 MỤC LỤC Mở đầu Nguyên liệu sản phẩm trình hydrodealkyl hóa Toluen 2.1 Khí hiđro .4 2.2 Toluen 2.3 Benzen 2.4 Biphenyl metan (sản phẩm phụ) .7 Quy trình Toluene – Hydrodealkylation Phương trình phản ứng điều kiện nhiệt động 4.1 Điều kiện phản ứng : 4.2 Phương trình phản ứng, nhiệt động động học 4.3 Khái quát quy trình .9 Thiết bị sử dụng quy trình 12 5.1 Bơm 12 5.2 Thiết bị gia nhiệt .12 5.3 Thiết bị phản ứng dạng ống .13 5.4 Thiết bị làm mát 14 5.5 Thiết bị tách 15 5.6 Van giảm áp 15 5.7 Thiết bị chưng cất .16 5.8 Thiết bị chia dòng .17 5.9 Thiết bị giảm áp 17 Bảng tóm tắt thơng số dòng thông số thiết bị 18 6.1 Thơng số dòng 18 6.2 Thông số thành phần dòng 19 6.3 Thông số thiết bị .20 BÁO CÁO MƠN THIẾT KÊ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HDA MỞ ĐẦU Ngành cơng nghiệp hóa chất ngành mũi nhọn đất nước ta Các sản phẩm ngành cơng nghệ hóa chất tồn xung quanh chúng ta Chúng kết loạt quy trình biến đổi hóa lý để đạt tính chất mong muốn Chính nguồn ngun liệu ngành khơng xuất phát từ tự nhiên, mà phải kể đến chất trung gian trình tổng hợp Từ chất trung gian với điều kiện công nghệ khác cho nhiều sản phẩm khác Một số nguồn nguyên liệu trung gian benzene Benzene thu thập từ số q trình quan trọng lọc hóa dầu reforming xúc tác , cracking xúc tác , steam cracking Mặc dù trình benzene sản phẩm tạo , trình reforming xúc tác , với nguồn nhập liệu naphtha cung cấp lượng benzene sản phẩm BTX chủ yếu Và xã hội giá thành toluene xuống thấp nguồn cung dồi với nhu cầu benzene tăng cao, thúc đẩy giá trị lợi nhuận benzene nên thúc việc sản xuất lượng benzene để cung cấp cho thị thường Quá trình Toluene – Hydrodealkylation – HDA trình phục vụ cho điều Trong báo cáo này, với kiến thức học môn Thiết kế hệ thống quy trình cơng nghệ hóa học với việc tham khảo tài liệu vận dụng phần mềm mô tối ưu Hysys V8.8 em mô tả quy trình HAD NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA Q TRÌNH HYDRODEALKYL HĨA TOLUEN 2.1 KHÍ HIĐRO - - Đó phi kim loại tồn nhiệt độ phòng trạng thái khí, dễ bắt lửa, khơng màu, không mùi Một số thông số nhiệt động lực: lượng liên kết 435 kJ / mol, điểm nóng chảy -259,1 o C, điểm sôi -252,6oC Các ứng dụng: Được sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp hố dầu khí đốt sản xuất phân bón, amoniac, nhiên liệu hóa thạch Được sử dụng làm chất làm nguội nhiệt độ độ dẫn nhiệt cao tất loại khí Được sử dụng sản xuất chất bán dẫn Trong quy trình HDA này, tính chất vật liệu hydro bảng đây: 2.2 TOLUEN - Toluene chất dễ cháy, khơng màu, khơng tan nước có mùi giống chất pha sơn Toluene hòa tan dung môi không cực benzen, ethanol, ketone - Một số thơng số nhiệt động lực: nhiệt độ nóng chảy -93oC, điểm sôi 110oC - Phân tử Toluene dễ phản ứng nhóm thơm CH3, tham gia vào q trình oxy hóa với điều kiện phù hợp để hình thành axit benzoic benzaldehyde - Các ứng dụng phổ biến: + Dung môi chung cho sơn, cao su, mực in + Sử dụng sản xuất nhiên liệu: tăng lượng oxy xăng - Trong trình này, vật liệu toluene bơm vào pha lỏng, với lưu lượng mol = 100 kmol / h, tính chất toluen thể bảng đây: 2.3 BENZEN Benzen hợp chất hóa học hữu độc hại độc hại - phản ứng quan trọng thay electrophilic vòng thơm - Một số tham số nhiệt động lực học: điểm nóng chảy 5.5oC, điểm sơi 80.1oC - Các ứng dụng: dung mơi thơng thường chìa khóa để tạo nhiều hóa chất Khi kết thúc quy trình HDA sản phẩm cuối benzen với độ tinh khiết 99% 2.4 BIPHENYL VÀ METAN (SẢN PHẨM PHỤ) Sự dealkyl hóa toluene để tạo benzene xảy phản ứng phụ: C6H5CH3 + C6H6 → C6H5-C6H5 + CH4 2C6H6 + 1/2 O2 → C6H5-C6H5 + H 2O - Biphenyl khơng hòa tan nước, hòa tan dung mơi hữu điển hình - Áp dụng biphenyl: dùng để làm chất nhũ hoá, chất làm sáng quang học, thuốc bảo vệ thực vật chất dẻo - Methan (CH4) chất Alkan đơn giản phổ biến Nó sử dụng nhiên liệu sống cơng nghiệp QUY TRÌNH TOLUENE – HYDRODEALKYLATION Là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh dòng hydro Giống hydrocracking, phản ứng tiêu thụ hydro thuận lợi điều kiện áp suất riêng phần hydro cao Dùng cho methylbenzene, etylbenzene,… Quy trình xuất phát từ nhu cầu benzene cơng nghiệp tổng hợp hóa dầu lớn nhiều so với chất toluene Nếu thực quy trình vận hành đúng độ chuyển hóa cao, sản phẩm thu có hàm lượng benzene lớn với lượng lớn hydrocarbon nhẹ chủ yếu methane CH4 HDA cho lượng benzene có độ tinh khiết cao với sản phẩm phụ có nhiều ứng dụng tốt (methane) kéo theo quy trình cần lượng hydro lớn ( tỉ lệ 1:3 đến 1:15 ) điều kiện nhiệt độ áp suất cao PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG VÀ ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG 4.1 ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG : Điều kiện phản ứng phụ thuộc nhiều , tùy vào loại xúc tác công nghệ vận hành công ty Trong ta thực với điều kiện Điều kiện Thông số Nhiệt độ ~1150oF ~650oC Áp suất 500 - 550 psia ~ 550 psia Tỉ lệ Hydro:Toluene ~ (tránh hình thành cốc ) Xúc tác Ghi chú – Số liệu thực tế làm đồ án Có thể chọn khác , dao động xung quanh Sử dụng chất mang Nhờ có xúc tác nên MgO Al2O3 với tâm xúc tác điều kiện phản ứng đơn phân tử có HDA đỡ khắc nghiệt kết hợp phân tử so với quy trình Thermal HDA kim loại nhóm B 4.2 PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG, NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐỘNG HỌC - Phản ứng chính: C7H8 + H2 C6H6 + CH4 ∆H = -11,71 kcal/g.mole Phản ứng xảy 600oC – 650oC, áp suất 500 - 550 psia - Phản ứng phụ: 2C6H6 C12H10 + H2 ∆H = -52.70 kcal/g.mole Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, nhiệt độ dòng sau bình phản ứng đạt nhiệt độ cao, ta nên tận dụng lượng nhiệt để tiết kiệm chi phí cho dòng Utility khu vực cần cấp nhiệt Xem q trình xảy hai phản ứng trên, hydrogen toluene phản ứng hình thành benzene methane theo phản ứng (1) khơng thuận nghịch có bậc tổng quát 1.5: Phản ứng phụ (2) thuận nghịch cho sản phẩm phụ Biphenyl có bậc ( r2 tốc độ phản ứng thuận, r3 tốc độ phản ứng nghịch): r1, r2 và r3 : lbmole/( min.ft3) T: K PT, PH2, PB, PBi: psia Trong + 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 KHÁI QUÁT QUY TRÌNH Gia nhiệt cho nguyên liệu Nguồn nguyên liệu q trình nguồn toluen có độ tinh khiết cao nguồn khí hydro có độ tinh khiết cao Cả dòng ngun liệu có nhiệt độ nhiệt độ mơi trường 300C, áp suất dòng H2 4.0 Mpa Dòng toluen ban đầu đưa qua bơm P-100 để nâng áp lên 4.0 Mpa dòng Nguồn H trộn với dòng H2 tuần hồn có lẫn chút metan thơng qua thiết bị khuấy trộn Mix-100 cho dòng nhiệt độ lúc dòng H2 khoảng 1200C sau dòng trộn lẫn lại với qua thiết bị Mix-101 dòng Dòng đưa qua thiết bị gia nhiệt E101 nguyên liệu nâng nhiệt lên 650C nhiệt độ cần thiết để phản ứng xảy Q trình phản ứng Dòng ngun liệu sau khỏi lò nung E-101 đạt nhiệt độ 650 0C với áp suất 4.5 Mpa đủ điều kiện cho phản ứng xảy Hỗn hợp nguyên liệu dòng cho vào thiết bị phản ứng Đây thiết bị phản ứng xuyên tâm, dạng ống, phù hợp cho phản ứng pha khí Ta chọn thiết bị phản ứng dạng ống thể tích thiết bị dạng ống cho độ chuyển hóa theo sản phẩm cáo thiết bị phản ứng dạng bình khuấy ngồi ta tính tốn thể tích bình khuấy để đạt độ chuyển hóa tối ưu thể tích thiết bị tăng đồng nghĩa với thời gian phản ứng tăng lên độ chuyển hóa tăng theo chia phí từ tăng lên, nên ta tính tốn chọn thể tích thiết bị cho hợp lý Toluen + Hydro Benzen Benzen + Metan Biphenyl + Hyđro Mặt khác yêu cầu đặt dòng nguyên liệu trước phản ứng, số mol khí hydro phải gấp lần số mol hydrocacbon Do dòng sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng sản phẩm (Benzen), sản phẩm phụ (Biphenyl) mà lượng dư nguyên liệu toluen, hydro metan Do phản ứng xảy có hiệu ứng tỏa nhiệt, nên dòng sản phẩm có nhiệt độ lên đến 745 0C Dòng cho qua thiết bị trao đổi nhiệt E – 101 để hạ nhiệt động dòng sản phẩm xuống thuận lợi cho q trình tách khí khỏi sản phẩm Q trình tách khí Hỗn hợp trƣớc tách khí làm mát đến 00C nhờ qua thiết bị trao đổi nhiệt E – 101 mục đích việc hạ nhiệt độ xuống để dảm bảo benzen biphenyl toluen hóa lỏng để tránh thất q trình tách Tháp tách V – 100 thực tách khí điều kiện áp suất cao 4.2Mpa, tức giữ nguyên áp suất ngun liệu vào Dòng sản phẩm khí chủ yếu gồm hydro metan Dòng khí chia dòng và với tỉ lệ 50-50, dòng khí hydro metan lên dòng< >chủ yếu benzen, toluen biphenyl cho qua thiết bị gia nhiệt E-103 để nâng nhiệt độ lên trước cho vào tháp chưng cất để tách lấy sản phẩm benzen Dòng sản phẩm khí đưa qua van xả TEE-100 để chia lại lưu lượng xả bớt phần lưu lượng khí trước hồi lưu tránh làm ngộp đường ống Quá trình chưng cất Quá trình chưng cất gồm tháp chưng cất , trước vào tháp chưng cất T-100 dòng sản phẩm nâng nhiệt độ để đạt nhiệt độ cần thiết cho q trình chưng cất, sau đucợ dẫn qua van tiết lưu VLV-100 nhằm tách khí khơng ngưng giúp q trình chưng cất diễn thuận lợi ta tiến hành trưng để tách lấy sản phẩm benzen, nhiệt độ dòng vào tháp chưng cất khoảng 100C với nhiệt độ đảm bảo benzen sôi trước vào tháp chưng cất giúp giảm nhiệt cung cấp cho trình tăng hiệu chưng tách, trước vào tháp chưng dòng snả phẩm đưa qua van tiết lưu nhằm giảm áp suất dòng xuống, sản phẩm benzen với nhiệt độ sơi thấp lên lên ngưng tự đỉnh tách dòng sản phẩm cuối dòng biphenyl tách đáy Phân tích hồi lưu Ban đầu tỉ lệ nhập liệu toluen hydro 1:5 lượng khí hydro lại sau phản ứng lớn nên ta tiến hành hồi lưu dòng hydro để làm tăng tốc độ phản ứng thuận từ làm giảm lượng benzen mát vào phản ứng phụ, hồi lưu làm giảm chi phí ngun liệu Ngồi dòng khí hồi lưu có lẫn metan với hàm lượng k cao so với hydro làm phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch làm giảm tốc độ phản ứng thuận nên trước cho dòng hồi lưu trộn với dòng khí hydro ban đầu ta cần tách bỏ metan thơng qua thiết bị tách loại metan Sơ đồ quy trình 10 Ký hiệu Tên thiết bị Ký hiệu Tên thiết bị Material Stream Dòng vật liệu Tee Chia dòng Separator Tháp tách pha Pump Bơm Cooler Làm mát Compressor Máy nén Heater Gia nhiệt Balance Cân Heat Exchanger Trao đổi nhiệt Mixer Nhập dòng Recycle Dòng tái sinh Distillation Column Tháp chưng cất Short cut Distillation Chưng cất mô Plug flow reactor Bình phản ứng dạng ống Bảng kí hiệu thiết bị phần mềm hysys sử dụng quy trình THIẾT BỊ CHÍNH SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH 5.1 BƠM P-100 sử dụng để tăng áp suất dòng toluene nhập liệu 5.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT - E-101: Được sử dụng để gia nhiệt hỗn hợp lên nhiệt độ thích hợp trước cho qua thiết bị phản ứng 11 Sau khảo sát nhiệt độ chọn nhiệt độ tối ưu cho phản ứng 650C 5.3 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DẠNG ỐNG Nơi diễn phản ứng toàn quy trình Tiến hành khảo sát thể tích thiết bị điều kiện nhiệt độ làm việc tối ưu ta được: 12 5.4 THIẾT BỊ LÀM MÁT E-100 sử dụng để giảm hỗn hợp sau phản ứng, sau khỏi thiết bị phản ứng nhiệt độ hỗn hợp cao cần phải hạ nhiệt dộ xuống trước phân tách pha 13 tiến hành chưng cất 5.5 THIẾT BỊ TÁCH V-100 sử dụng để tách loại phần lớn khí metan hydro khỏi hỗn hợp sau phản ứng phần hydro hoàn lưu trở lại để tiếp tục quy trình phản ứng 5.6 VAN GIẢM ÁP VLV-100 sử dụng để giảm áp suất hỗn hợp cần chưng cất trước cho làm thiết bị chưng cất chưng áp suất cao tốn nhiên liệu lượng nhiệt cần cung cấp nhiều, đồng thời áp suất giảm xuống nhiệt độ sôi hõn hợp giảm 14 theo tránh phân hủy chất nhiệt dộ cao 5.7 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT T-100 sử dụng để tách riêng sản phẩm benzen + chọn 30 đĩa chúng ta cần độ tinh khiết cao benzen + Đặc điểm kỹ thuật: chọn sửa đổi để đảm bảo phần mol benzene dòng chảy lớn 0,9 15 5.8 THIẾT BỊ CHIA DÒNG Phân phối lại lưu lượng dòng hợp lý trước hồi lưu hồi lưu lại hết xảy tượng cầu tuyết nên ta phải chia lại dòng trước hồi lưu 5.9 THIẾT BỊ GIẢM ÁP Sử dụng để giảm áp suất dòng hồi lưu để hỗn hợp phân pha thuận lợi cho q trình tách metan khỏi dòng hydro hồi lưu 16 Ngồi quy trình sử dụng số thiết bị phụ trợ BẢNG TĨM TẮT THƠNG SỐ CÁC DỊNG VÀ THƠNG SỐ CÁC THIẾT BỊ 6.1 THƠNG SỐ DÒNG Hydro feed tolue n C 30,0 30,0 kPa kgmole/ h 4000 100 31,6 4000 134,7 100 Dòng Thành phần pha Nhiệt độ Áp suất Lưu lượng mol o 0,84 121,98 70,28 4000 4000 100 500,3 600,34 Lưu lượng khối lượng kg/h 276,9 9214 9214 1013,5 10227,6 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 3,964 10,59 10,5 14,4 25,04 0,83 4000 4000 0 4000 600,34 500,49 99,86 Dòng Thành phần pha Nhiệt độ Áp suất Lưu lượng mol o C kPa kgmole/ h 650,0 4000,0 762,8 4000 600,34 600,34 Lưu lượng khối lượng kg/h 10227 10227 10227,27 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 25,04 25,76 25,76 2417,0 16,87 7810,21 8,89 17 10 11 Hồi lưu Hồi lưu1 1 1 0,80 C 0 -66,04 -200 Áp suất kPa 4000 4000 4000 1000 1000 Lưu lượng mol kgmole/ h 50 450,4 450,5 450,5 450,5 Lưu lượng khối lượng kg/h 241,7 2175,3 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 1,69 15,18 Dòng 17 18 1 0,02 C -200 -200 40 156,63 248,51 Áp suất kPa 1000 1000 1000 4000 4000 Lưu lượng mol kgmole/ h 363 87,5 363 363 99,86 Lưu lượng khối lượng kg/h 736,64 1439,7 736,64 736,64 781,21 Lưu lượng thể tích lỏng m3/h 10,48 4,7 10,48 10,48 8,89 Dòng Thành phần pha o Nhiệt độ Thành phần pha o Nhiệt độ Dòng 2176,37 2176,37 15,19 2176,37 15,19 Hồi lưu2 Hồi lưu3 15 16 Final product 0,95 0 C 99,95 146,1 -154,49 Áp suất kPa 100 100 100 Lưu lượng mol kgmole/ h 99,86 3,73 95,58 Lưu lượng khối lượng kg/h Lưu lượng thể tích lỏng m3/h Thành phần pha o Nhiệt độ 7810,21 490,54 8,89 0,49 12 15,19 14 7316,89 8,3 6.2 THÔNG SỐ THÀNH PHẦN DỊNG Lưu lượng mol Dòng hydro Hydro feed 137,4 toluen 0 500,00 500,00 500,00 18 toluen benzen biphenyl metan Lưu lượng mol Lưu lượng mol Lưu lượng mol 0 0 100,00 0 100,00 0 0 0 0,345 100,00 0 0,345 100,00 0 0,345 Dòng 10 11 hydro toluen benzen biphenyl metan 403,83 403,83 403,09 0,74 40,31 362,78 1,46 93,81 2,36 98,88 1,46 93,81 2,36 98,88 0,003 0,67 96,72 1,46 93,14 2,36 2,16 0,0003 0,067 9,67 0,0028 0,6 87,05 Dòng Hồi lưu Hồi lưu1 12 17 18 Hồi lưu2 hydro toluen benzen biphenyl metan 362,78 362,78 362,78 362,64 0,14 362,64 0,0028 0,6 87,05 0,0028 0,6 87,05 0,0028 0,6 87,05 0 0,345 0,0028 0,6 86,77 0 0,345 Dòng Hồi lưu3 14 15 16 Final product hydro toluen benzen biphenyl metan 362,64 0,74 0,74 0,32 0 0,345 1,46 93,14 2,36 2,16 1,46 93,14 2,36 2,16 1,36 0,0037 2,36 0,096 93,13 2,04 6.3 THÔNG SỐ THIẾT BỊ Bơm Công suất (kW) Hiệu suất (%) P-100 Thiết bị gia nhiệt 15,48 Công suất (kW) E-101 E-103 E-104 6455,55 1125,55 690,55 75 Thiết bị làm mát Công suất (kW) E-100 E-102 8080,55 709,72 19 Máy nén k-102 Máy tăng áp k-100 Thiết bị phản ứng PFR-100 Công suất (kW) 602,2 Cơng suất (kW) 245 Đường kính ống (m) 1,04 Hiệu suất (%) 75 Hiệu suất(%) 75 Chiều dài ống (m) 10 Số ống Bề dày ống (m) 0.005 Thiết bị chưng cất Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ Thiết bị gia nhiệt Chiều cao(m) 16, Đường kính (m) 1,19 Đường kính (m) 1,19 Số mâm(m) 30 Chiều dài (m) 1,79 Chiều dài (m) 1,79 Đường kính(m) 1,5 Công suất (kW) 2018, Công suất (kW) 519, Tỉ số hồi lưu 2,2 20 ... kiến thức học môn Thiết kế hệ thống quy trình cơng nghệ hóa học với việc tham khảo tài liệu vận dụng phần mềm mô tối ưu Hysys V8.8 em mô tả quy trình HAD NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA Q TRÌNH HYDRODEALKYL... 19 6.3 Thông số thiết bị .20 BÁO CÁO MƠN THIẾT KÊ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HDA MỞ ĐẦU Ngành cơng nghiệp hóa chất ngành mũi... thường chìa khóa để tạo nhiều hóa chất Khi kết thúc quy trình HDA sản phẩm cuối benzen với độ tinh khiết 99% 2.4 BIPHENYL VÀ METAN (SẢN PHẨM PHỤ) Sự dealkyl hóa toluene để tạo benzene xảy phản