TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACRYLONITRIL VÀ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG VỚI DÂY CHUYỀN CÔNG SUẤT 200.000 TẤNNĂM.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ HÓA DẦU VÀ CHẾ BIẾN POLYME
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACRYLONITRIL VÀ TÍNH TOÁN
CÂN BẰNG CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG VỚI DÂY CHUYỀN CÔNG SUẤT
200.000 TẤN/NĂM.
Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:
Ts. Nguyễn Thị Linh Lê Đức Anh
Nhóm I
Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53

Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Hà Nội, 12/2012
SVTH: Lê Đức Anh 2 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Mục lục
Chương I: Cơ sở lý thuyết 4
1. Tổng quan về acrylonitril 4
1.1. Cấu tạo 4
1.2 Tính chất 4
1.3 Ứng dụng của Acrylonitril 5
2. Các phương pháp tổng hợp Acrylonitril 7
3. Công nghệ tổng hợp Acrylonitril 7
a.Nguyên liệu 7
b.Công nghệ sản xuất acrylonitril 9
c.điều kiện phản ứng 10

d.Tiến hành phản ứng 11
Chương II: Các sơ đồ công nghệ 12
1.Sơ đồ công nghệ ammoxi hóa propylene xúc tác tầng sôi 12
2.Công nghệ ammoxi hóa propylen lớp xúc tác cố định 14
3. Đánh giá 16
Chương III: Tính toán 16
3. Tính chi phí đầu vào cho một tháng sản xuất: 20
II.Tính toán cân bằng nhiệt cho thiết bị phản ứng 21
21
1.Tính lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào (Q1) 21
4.Tính lượng nhiệt do các sản phẩm mang ra(Q4) 23
Kết luận 25
Tài liệu tham khảo 26
SVTH: Lê Đức Anh 3 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Chương I: Cơ sở lý thuyết
1. Tổng quan về acrylonitril
1.1. Cấu tạo
Trong phân tử acrylonitril tất cả các góc liên kết là bằng nhau khoảng 120
o
, chiều dài
các liên kết được ước tính như sau:
C-H ≈ 1,09Å; C-C ≈ 1,46 Å; C=C ≈ 1,38Å; C ≡ N ≈ 1,16Å
1.2 Tính chất
1.2.1 Tính chất vật lý
Là 1 chất lỏng không màu, bay hơi, dễ cháy, sôi ở nhiêt độ 77,3ºC, nóng chảy ở
-83,5°C, tan hạn chế trong nước (7,3% ở 20ºC). Acrylonitril tạo với không khí 1 hỗn
hợp nổ trong giới hạn 3-17% thể tích, d
20

4
=0,806.
1.2.2 Tính chất hóa học
•Phản ứng hợp nước:
CH
2
=CH-C
≡
N +H
2
O
0 0
70 120
Cu
C−
→
¬ 
CH
2
=CH-CO-NH
2
SVTH: Lê Đức Anh 4 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
•Phản ứng thuỷ phân:
•Phản ứng tạo este:
•Phản ứng khử:
CH
2
= CH - CN + H

2

Ni
t°
→
CH
3
- CH
2
- CN
•Phản ứng cộng Cl
2
:
CH
2
= CH - CN + Cl
2

as
→
CH
2
Cl – CHCl - CN
•Phản ứng trùng hợp:
- Phản ứng đồng trùng hợp:
- Trùng hơp với butadien1,3:
,
2 2 2
2 2 2
[ ]

xt t
p
n
nCH CH CN nCH CH CH CH
CH CH CH CH CH CHCN
°
= − + = − = →
− − = − − − −

Cao su buna - N
- Trùng hợp với styren:
,
2 2 6 5 2 2 6 5
[ ]
xt t
n
p
nCH CH CN nCH CHC H CH CH CN CH CHC H
°
= − + = → − − − − − −
- Trùng hợp với Butadien-Styren để tổng hợp ABS
1.3 Ứng dụng của Acrylonitril
Acylonitril có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp cũng như trong đời sống:
SVTH: Lê Đức Anh 5 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
- Là nguyên liệu chính để điều chế xơ polyacylat làm vải mặc, đồ dùng trong nhà,
kéo sợi.
- Acrylonitril phần lớn được sử dụng dưới dạng monome trong sản xuất tổng hợp
Polymers, đặc biệt là sợi tổng hợp polyacrylonitril(nitron), copolyme với metacrylat

(sợi Acrylon), vinylclorua (vilon N) và sản xuất chất dẻo(copolime với styren, với
butadien), cao su tổng hợp ABS(Acrylonitril-butadien-styren).
- Ngoài ra Acyonitril là sản phẩm trung gian để tổng hợp các Acrylat, và
Acrylamin.
- Trước đây Acrylonitril còn đươc sử dụng làm thuốc trừ sâu.
- Sản xuất nhựa acrylonitril-styren (SAN):
cao nhựa acrylonitril-styren được sử dụng trong văn phòng, trong các ngành
công nghiệp cho các ứng dụng đa dạng, tất cả các loại vỏ bên ngoài ví dụ như máy in,
máy tính, dụng cụ và đèn. Ngoài ra SAN còn được sử dụng trong các bộ phận ô tô, vỏ
ắc quy, nội thất và vật tư y tế.
-Sản xuất cao su nitril
cao su nitril sử dụng trong các ứng dụng ngoài trời cho các khớp nối trong
các đường ống dẫn khí và hóa chất, dây đai truyền và các vỏ bọc dây cáp.
-Sản xuất nhựa acrylonitril-butadien-styren (ABS)
nhựa acrylonitril-butadien-styren được sử dụng để sản xuất các dụng cụ nhà
bếp, các bộ phận thiết bị bao gồm cả điện, điện tử (ví dụ như kệ lót bên trong máy giặt,
tủ lạnh, cánh quạt điện…), các hệ thống đường ống…
-Sản xuất acrylamid
Acrylamid được sử dụng để sản xuất polyme tan trong nước hoặc copolyme để
sản xuất giấy, xử lý chất thải, các ứng dụng trong khai thác mỏ
-Sản xuất adiponitril
Adiponitril là hợp chất trung gian nó tiếp tục được chuyển đổi sang
hexametyldiamin (HMDA) được sử dụng để sản xuất nilon 6.6. Quá trình này sử dụng
đồng thời quá trình nhị trùng hợp và hydro hóa acrylonitril để hình thành adiponitril
trong một bình điện phân. Các phương pháp sản xuất adiponitril có thể đi từ butadien
hoặc cyclohexan.
-Các copolyme acrylonitril khác
SVTH: Lê Đức Anh 6 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh

2. Các phương pháp tổng hợp Acrylonitril
Lần đầu tiên trong công nghiệp Acrylonitril được sản xuất từ etylenoxit
Sau chuyển qua sản xuất từ Axetylen và Axit xynilic(HCN)
80 90
2
C
CH CH HCN CH CH C N
÷ °
≡ + → = − ≡
Tuy nhiên cả hai phương pháp trên đều trở nên lạc hậu khi xuất hiện phương
pháp oxihóa amoni propylen, đây là phương pháp kinh tế nhất, độ chuyển hóa đạt tới
80÷95%
450 470
2 3 3 2 2 2
3 ,
3
2
C
at xt
CH CH CH NH O CH CH CN H O
÷ °
= − + + → = − +
Ngoài ra có thể tổng hợp Acrylonitrile bằng 1 số phương pháp sau:
- Tách nước từ hợp chất amin bậc 1:
- Điều chế trực tiếp từ acrylic :
2 3 2 2
OO 2CH CH C H NH CH CH CN H O= − + → = − +
Tuy nhiên tổng hợp Acrylonitril bằng phương pháp này không có lợi về kinh tế
do nguyên liệu chính là acrylic rất đắt và khó điều chế hơn acrylonitril
3. Công nghệ tổng hợp Acrylonitril

Như đã đề cập ở phần trên, có nhiều phương pháp để tổng hợp acrylonitrile.
Nhưng phương pháp oxihóa amoni propylen là hiệu quả và kinh tế hơn cả! Phương
pháp này lần đầu tiên được Andrussov phát minh vào những năm 30 đối với metan.
Sau đó vào những năm 50-60 được ứng dụng với olefin và metylbenzen. Sau đây em
xin trình bày phương pháp tổng hợp acrylonitrile bằng việc oxi hóa amoni propylen.
a. Nguyên liệu
Nguyên liệu để tổng hơp Acrylonitril gồm:
- Propylen: đươc lấy từ dầu mỏ và sản phẩm cracking từ dầu mỏ như: Sản xuất
từ cracking naphta bằng hơi nước, cracking dầu thô có xúc tác, Dehydro hóa khí
propan,…
SVTH: Lê Đức Anh 7 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
- Amoniac lỏng: được tổng hợp từ khí nitơ và hydro với xúc tác Fe
2
O
3
,
Al
2
O
3
,K
2
O. Nhiệt độ trong tháp phản ứng 400÷500
o
C, áp suất 300 atm. Trong phản
ứng cần cho một lượng dư để làm giảm hiệu suất tạo thành andehit và CO
2
2 3 2 3 2

, ,
2 2 3
400 500 ,300
3 2
Fe O Al O K O
C atm
N H NH
÷ °
→
+
¬ 
- Oxy được lấy từ không khí, trong quá trình phản ứng cần dùng 1 lượng dư
oxy để đảm bảo tính chất OXH- khử của môi trường phản ứng, tạo điều kiện tăng tính
lựa chọn cho xúc tác.
- Hệ chất xúc tác: Trước đây để sản xuất Acrylonitril người ta dùng xúc tác
molipdat bismut:
2 3 3
: 1: 2Bi O MoO =
. Sau này người ta thêm chất hoạt xúc tác P
2
O
5
.Hiện nay có thể dùng nhiều loại chất xúc tác khác nhau như: vanadimolipdat bismut,
uran-antimor(xúc tác 21)…trên chất màng như SiO
2
,Al
2
O
3
…Hệ xúc tác thứ tư (xúc

tác 49) ra đời đáp ứng yêu cầu về tính bền cơ học.
• Công nghệ hai giai đoạn:
- Trong giai đoạn đầu: xúc tác trên cơ sở oxit của selen và đồng.
- Trong giai đoạn thứ hai: xúc tác MoO
3
và các hợp chất khác.
•Công nghệ một giai đoạn:
- xúc tác oxit molipden có sử dụng chất xúc tiến NaOH hoặc coban molipden và
oxit telu kết hợp với oxit antimo và thiếc.
. Ngày nay: hệ xúc tác trên cơ sở coban, sắt và molipden.
Mới nhất là hệ xúc tác tẩm antimon và sắt (ký hiệu NS733A hay xúc tác 13)
Các chất làm việc theo cơ chế Oxy hoá - khử. Ngoài ra còn có các chất ức chế.
a. Quá trình oxi hóa amoni propylene
Qúa trính oxyhóa amoni propylen được thực hiện trong thiết bị với xúc
tác giả lỏng. Nhiệt độ trong thiết bị khoảng 420÷470
o
c, áp suất khoảng
0,2mpa.
CH
2
=CH-CH
3
+
3
2
O
2
→
CH
2

=CH-CN+3H
2
O
∆
H
0
298
=-515Kj/mol
Phản ứng này xảy ra qua giai đoạn tạo hợp chất trung gian acrolein như sau:
CH
2
=CH-CH
3
+O
2
→
CH
2
=CH-CHO+H
2
O
SVTH: Lê Đức Anh 8 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
CH
2
=CH-CHO+NH
3
→
CH

2
=CH-CH=NH+H
2
O
CH
2
=CH-CH=NH+
1
2
O
2

→
CH
2
=CH-CN+H
2
O
Một số phản ứng phụ:
2CH
2
=CH-CH
3
+3O
2
+3NH
3
→
3CH
3

CN+6H
2
O
CH
2
=CH-CH
3
+3O
2
+3NH
3
→
3HCN+6H
2
O
CH
2
=CH-CH
3
+3O
2
→
3CO+3H
2
O
2CH
2
=CH-CH
3
+9O

2
→
6CO
2
+6H
2
O
Qúa trình OXH amoni propylen cho một số sản phẩm phụ: Axit xynilic (HCN),
CH
3
CN, một lượng nhỏ andehyt focmic (HCHO), axetandehyt (CH
3
CHO), dioxit
cacbon (CO
2
).
b. Công nghệ sản xuất acrylonitril
SVTH: Lê Đức Anh 9 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Hiện nay công nghệ sản xuất acrylonitril đi theo 2 hướng: sử dụng lớp xúc tác
cố định và xúc tác tầng sôi.
c. điều kiện phản ứng
- Về nguyên tắc: Công nghệ thực hiện trong pha khí, phản ứng ammoxi
hoá propylen xảy ra với lượng dư amoniac và oxi so với hệ số tỷ lượng.
- Độ tinh khiết của nguyên liệu đầu vào:
+ Propylen >90% KL
+ Amoniac: 99,5% KL.
- Thành phần nguyên liệu cho các công nghệ sử dụng chất xúc tác khác nhau
Xúc tác Thành phần

Propylen Amoniac Không khí Hơi nước
Sohio 1 1,5 – 2 10 – 20 2 – 4
Sohio 1 1,05 – 1,2 10 – 15 -
PCUK/Distillers 1 1,1 – 1,2 12 - 15 -
• Kinh nghiệm: Hiệu suất acrylonitril tăng theo tỷ lệ NH
3
/propylen.
• Thực tế tỷ lệ NH
3
/propylen =1 hoặc 0,8.
• Nhiệt độ phản ứng trong khoảng 400 – 500
o
C
• Áp suất dưới 0,3 MPa.
SVTH: Lê Đức Anh 10 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
• Tỷ lệ mol acrylonitril/axetonitril tăng lên nhanh chóng khi nhiệt độ trên
400
o
C và đạt cực đại ở khoảng 470 – 480
o
C.
d. Tiến hành phản ứng
• Độ chuyển hoá một lần của amoniac đạt trên 95% (trong công nghệ xúc tác
tầng sôi) và xấp xỉ 85% (trong công nghệ thềm xúc tác cố định).
• Độ chọn lọc, hay hiệu suất tạo acrylonitril rất nhạy với các loại xúc tác và
điều kiện phản ứng khác nhau
• Thời gian lưu: trên 1 giây.
• Hiệu suất quá trình có thể đạt đến 72 – 75% mol đối với hệ xúc tác tiên tiến

nhất, thực hiện trong các thiết bị xúc tác tầng sôi và gần 78% trong các thiết bị thềm
xúc tác cố định.
• Nhiều loại sản phẩm phụ cũng hình thành với tỷ lệ lớn như axetonitril,
HCN
• Axetonitril thường được chuyển hoá thành acrylonitril theo phản ứng sử
dụng xúc tác trên cơ sở KBr mang trên chất mang như sau:
CH
3
CN + CH
4
+ O
2
+ H
2
O  CH
2
= CH-CN + CO
2
+ CO + H
2
• Hydrocyanua được sử dụng cho quá trình tổng hợp axit metacrylic,
methionin Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, để tránh ô nhiễm và đảm bảo an toàn,
HCN được đốt bỏ.
SVTH: Lê Đức Anh 11 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Chương II: Các sơ đồ công nghệ
1. Sơ đồ công nghệ ammoxi hóa propylene xúc tác tầng sôi
Sơ đồ dòng của công nghệ này có các thiết bị chính như sau:
• Thiết bị Phản ứng

• Thiết bị làm nguội sản phẩm thu hồi
• Thiết bị thu hồi sản phẩm
• Thiết bị tinh chế sản phẩm acrylonitril
Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
SVTH: Lê Đức Anh 12 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
- Hỗn hợp đầu vào gồm: propylene, NH
3
, không khí được nén propylene và NH
3
được gia nhiệt từ 150-200
o
C và cho vào thiết bị amoxi hóa xúc tác tầng sôi.
- Sản phẩm ra khỏi thiết bị amoxi hóa (gồm acrylonitrin, propylene, không khí dư,
NH
3
dư, h/c xyanua…) được làm lạnh nhanh gián tiếp để tránh các phản ứng phụ, sau
đó được hóa hơi ở áp suất thấp, sau đó được chuyển sang thiết bị làm lạnh trực tiếp để
hạ nhiệt độ xuống 80-85
o
C. Quá trình này diễn ra trong tháp làm lạnh: phần dưới tiếp
xúc với d
2
H
2
SO
4
hoặc ( NH
4

)
2
SO
4
đã được axit hóa để trung hòa NH
3
trong dòng sản
phẩm. Ở phần trên nhờ rửa nước để loại bỏ axit dư. ( NH
4
)
2
SO
4
tạo ra sẽ được xử lý
tách lại các hợp chất hữu cơ có lẫn.Sau đó dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị làm lạnh trực
tiếp được làm lạnh trực tiếp đến 40-45
o
C; các khí trung hòa được chuyển sang trạng
thái hấp thụ bằng nước lạnh ( 5
o
C) để thu hồi hydroxyanua, axetonitril, acrylonitrile và
các cấu tử nặng. Dòng khí còn lại chứa 1 lượng nhỏ nitril và hydrocacbon được đốt
cháy.Dòng nước hấp thụ các hợp chất hữu cơ tiếp tục chuyển sang chưng tách dị đẳng
phí để tách riêng acrylonitrile và axetonitril. Hỗn hợp dị đẳng phí thu được ở đỉnh tháp
tách ( 70-80 đĩa) sau khi để lắng sẽ phân thành 2 pha: pha nước được hồi lưu, pha hữu
cơ giàu acrylonitrile và hydroxyanua được đưa đến khu vực tinh chế. Axetonitril trong
pha nước thu được ở đáy tháp tách sẽ được làm giàu tới nồng độ 97% khối lượng nhờ
chưng đẳng phí trong tháp 60 đĩa.Nước còn lại được sử dụng để làm chất hấp thụ sau
khi làm lạnh xuống 5
o

C.
- Tinh chế acylonitril: được thực hiện trong 1 dãy tháp chưng liên tiếp: tách
hydroxyanua(40-50 đĩa), loại bỏ các tạp chất cacbonyl như axetol, propional dehyt,
acrolein ( 50-60 đĩa), và tinh chế acrylonotril trong môi trường chân không(20-30
đĩa).
SVTH: Lê Đức Anh 13 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
2. Công nghệ ammoxi hóa propylen lớp xúc tác cố định
Sơ đồ dòng của quá trình này bao gồm các bộ phận chính sau:
• Thiết bị phản ứng
• Bộ phận làm lạnh
• Bộ phân phân tách sản phẩm
• Bộ phận tinh chế sản phẩm
Thuyết minh sơ đồ
Phản ứng: Nguyên liệu cho quá trình phản ứng gồm ammoniac, propylene và
không khí nén ở 0,3Mpa với các tỉ lệ nhất định được đun nóng tới 220
0
C. Chuyển
SVTH: Lê Đức Anh 14 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
hóa xảy ra trong thiết bị phản ứng loại ống chùm(kích thước ống xúc tác, đường kính
trong 25-30 mm, chiều cao 3-3,5 m), có dòng tuần hoàn muối nóng chảy bên ngoài
vỏ ống để tách nhiệt phản ứng. Dòng lưu chất này sẽ được làm nguội nhờ quá trình
tạo hơi áp suất cao.
Làm lạnh: các khí ra khỏi tháp ammoxi hóa được làm lạnh nhanh xuống 380-
400
0
C nhờ đưa qua thiết bị đun sôi nước tạo áp suất thấp, và sau đó trong tháp tiếp

xúc trực tiếp nhờ làm lạnh bằng axit sunfuric ở đáy để trung hòa ammoniac và nước
lạnh ở đỉnh. Amoni sunfat được lấy ra, xử lý tách các hợp chất hữu cơ có lẫn.
Phân tách: Qúa trình phân tách thu hồi sản phẩm được tiến hành tương tự như
công nghệ Sohio: làm lạnh xuống 40
0
C, ngưng tụ một phần, hấp thụ các nitril và các
sản phẩm nặng nhờ nước lạnh(5
0
C) và đốt cháy các khí dư. Chưng dị đẳng phí(20-30
đĩa) sẽ loại bỏ một lượng lớn nước trong cả sản phẩm chưng cất và sản phẩm đáy.
Tinh chế: quá trình này là phát minh thứ hai của công nghệ PCKU/Distillers
giúp loại bỏ sản phẩm phụ acrolein nhờ xúc tiến sự hình thành xyanohydrin bằng
chính hydroxyanua có trong thành phần sản phẩm. Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ
thấp(20
0
C) trong thiết bị phản ứng có khuấy liên tục( nếu sử dụng xúc tác đồng) hoặc
bán liên tục trong môi trường phản ứng dạng kiềm( them NaOH) sau này được trung
hòa bằng axit sùnuric. Các bước xử lý tiếp theo gồm có: chưng tách hydro
xyanua(40-45 đĩa), chưng tách axetonitril trong hai tháp tách( tách các hỗn hợp dị
đẳng phí của acrylonitril với nước 45-50 đĩa và axetonitril với nước 60-65 đĩa, chưng
tách các cấu tử nhẹ và nước dư ở áp suất khí quyển (50-60 đĩa), tách các cấu tử nặng
trong môi trường chân không(25-30 đĩa).
SVTH: Lê Đức Anh 15 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
3. Đánh giá

Đánh giá Công nghệ amoxy hóa
propylen xúc tác tầng sôi
Công nghệ amoxy hóa

propylen xúc tác cố định
Ưu điểm
- Thuận lợi cho quá trình tản
nhiệt cho phản ứng, đồng
đều hóa nhiệt độ môi
trường phản ứng giúp cho
việc kiểm soát nhiệt độ tốt
hơn do đó tăng hiệu quả
làm việc của chất xúc tác.
- Hiệu suất cao do có thể
thực hiện ở tỷ lệ
amoniac/propylen cao
- Lượng xúc tác nhỏ
- Quá trình tái sinh và thu hồi
dễ dàng
- Thiết bị đơn giản lên giá
thành rẻ
- Kéo dài tính bền cơ học
của xúc tác
Nhược điểm
- Thiết Thiết kế thiết bị phản
ứng khó khăn hơn lên giá
thành cao
- Độ bền cơ học của chất xúc
tác giảm
- Hiệu suất thấp hơn
- Garadien nhiệt lớn, phá
hủy xúc tác nhanh chóng
do di chuyển của các pha
hoạt động và sự hao mòn

của xúc tác
→ Ta thấy rằng công nghệ amoxy hóa propylen xúc tác tầng sôi có ưu điểm vượt trội
hơn, mặc dù giá thành cao nhưng hiệu suất cao, tái sinh và thu hồi xúc tác dễ dàng.
. Tùy theo từng điều kiện cụ thể mà lựa chọn phương phá
Chương III: Tính toán
 Các thông số
Thành phần nguyên liệu đầu vào:
SVTH: Lê Đức Anh 16 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Nguyên liệu đầu vào Thành phần (%V)
Propylen
Amoniac
Không khí
propan
Tạp chất của amoniac
8,20
9,25
82,00
0,5
0,05
Biết:
- Độ chuyển hóa tính theo propylen là 95%, trong đó 92% chuyển hóa thành
acrylonitril,
8% chuyển hóa thành sản phẩm phụ axetonitril. Coi tổn thất nguyên liệu là 2%
- Hiệu suất đạt 80%
- Số ngày làm việc thực tế: 330 ngày
Biết:
- Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 28
- Phản ứng chính tỏa nhiệt với hiệu ứng nhiệt – 515 kJ/mol.

- Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm ở đầu ra là: 400
o
C
Giả sử dùng dòng dầu tản nhiệt cho phản ứng:
- Nhiệt độ đầu vào của dòng dầu: 110
o
C
- Nhiệt độ đầu ra của dòng dầu tản nhiệt: 200
o
C
-Coi mất mát nhiệt cho môi trường là 5% nhiệt đầu vào
 Nội dung cần tính toán
• Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng
+ Tính lượng propylen cần dùng cho một tháng sản xuất?
+ Giá propylen và amoniac tại thời điểm hiện tại?
+ Tính chi phí đầu vào cho một tháng sản xuất.
• Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng
+ Tính lượng dầu tản nhiệt cần dùng cho thiết bị phản ứng?
SVTH: Lê Đức Anh 17 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
I. Tính cân bằng vật chất
Năng suất acrylonitril là 200000 tấn/kg
→
Năng suất dây chuyền tính theo giờ:
G
AN
=
200000000
330.24

= 25252,525 (kg/h)
→
Số mol của acrylonitril là:
n
AN
=
25252,525
53
= 476,463 (kmol/h)
Theo bài : Độ chuyển hóa tính theo propylene là 95% trong đó 92% tạo thành
acrynotril và 8% tạo thành axetonnitrit . do vậy phản ứng của quá trình gồm:
Phản ứng chính : CH
3
-CH=CH
2
+
3
2
O
2
+ NH
3

→
CH
2
=CH-CN +H
2
O (1)
Phản ứng phụ : 2CH

3
-CH=CH
2
+ 3 O
2
+ 3NH
3

→
3CH
3
-CN+ 6 H
2
O (2)
1. Tính lưu lượng khối lượng của từng nguyên liệu đầu vào
-Số mol propylene phản ứng là:
Theo phản ứng 1: n
propylen
= n
acrylonitril
=476,463 (kmol/h)
+ Do hiệu suất phản ứng là 80% và độ chuyển hóa của propylene là 95% trong
đó 92% tạo thành acrylonitril
→
Số mol propylene đầu vào (chưa tính tổn thất ) là
476,463
80%.95%.92%
=681,44 (kmol/h)
+Theo thực tế, do tổn thất của quá trình là 2%.nên lượng mol propylene đầu
vào là:

681,44/98%= 695,35(kmol/h)
+Propylene đầu vào chiếm 8,2% thể tích( %mol= %thể tích)
→
∑
n
hỗn hợp đầu vào
= n
propylen đầu
vào/8,2%= 695,35/8,2%= 8479,878 (kmol/h)
Tổng số mol của cả hỗn hợp nguyên liệu vào là 8479,878 (kmol/h)
- NH
3
chiếm 9,25%V nên n
NH3
=8479,878. 9,25%=784,39(kmol/h)
- Không khí chiếm 82%V nên n
không khí
= 8479,878. 82%= 6953,5(kmol/h)
- Propan chiếm 0,5%V nên n
propan
= 8479,878. 0,5%=42,4 (kmol/h)
- Tạp chất chiếm 0,05% nên n
tạp chất
= 8479,878.0,05%= 4,238(kmol/h)
Vậy lưu lượng khối lượng của hỗn hợp đầu vào như sau:
- m
propylen
=695,35.42=29204,7(kg/h)
- m
NH3

= 784,39.17=13334,63 (kg/h)
- m
không khí
= 6953,5.29= 201651,5 (kg/h)
- m
tạp chất
=4,238.17=72,046(kg/h) (coi khối lượng của tạp chất bằng khối
lượng của NH
3
)
- m
propan
=42,4. 44=1865,6( kg/h)
SVTH: Lê Đức Anh 18 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
2.Tính khối lượng đầu ra
Hỗn hợp đầu ra gồm:
- Acrytonitril: 476,463kmol/h
- NH
3
dư
- Propylen dư
- Tạp chất
- Axetonnitril
- Nước
- N
2
- O
2

+)n
axetonnitrl
= 1,5 n
propylen
.98%.95%.8%.80%( Tính theo phản ứng 2)
=1,5. 695,35. 98%. 95%. 8%.80%= 62,15(kmol/h)
(Do tổn thất nguyên liệu là 2%, độ chuyển hóa của propylene là 95% trong đó
8% chuyển hóa thành axetonnitril và hiệu suất phản ứng là 80%)
n
H2O
=3. n
acrylonitril
+ 2n
axetonnitril
=
=3. 476,463+2. 62,15=1553,689(kmol/h)
- n
NH3
dư= n
NH3 đầu vào
-n
NH3 phản ứng 1,2
= n
NH3 đầu
vào-(n
acrylonitril
+n
axetol nitril
)
=784,39-(476,463+62,15)=245,777(kmol/h)

- n
N2
= 79%n
kk
=79%.6953,5 =5493,265(kmol/h)
- n
tạp chất
= 4,238(kmol/h)( tạp chất không tham gia phản ứng)
- n
O2 dư
=21%kk-(1,5.n
acrylonitril
+n
axeton nitrill
)
=21%.6953,5 - (1,5.476,463+62,15)
=683,3905( kmol/h)
- n
propan
=42,4(kmol/h)(vì lượng propan rất nhỏ nên coi như nó không
phản ứng)
- n
propylen dư
(là lượng mol propylene chưa chuyển hóa)=
681,44.5%=34,072(kmol/h)
Vậy lưu lượng khối lượng của sản phẩm đầu ra là
- m
acrylonitrin
=476,463.53= 25252,525kg/h
- m

NH3 dư
=245,777. 17=4178,209(kg/h)
- m
tap chất
=4,238.17=72,046(kg/h)
- m
propylen dư
= 34,072. 42=1431,024(kg/h)
- m
H2O
= 1553,689.18=27966,402(kg/h)
- m
propan
= 1865,6 (kg/h)(bằng lượng đầu vào vì propan không phản ứng)
- m
N2
=5493,265. 28= 153811,42(kg/h)
- m
O2 dư
= 683,3905.32= 21868.496(kg/h)
- m
axtetonitril
=62,15.41=2548,15(kg/h)
SVTH: Lê Đức Anh 19 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Nguyên liệu đầu vào Sản phẩm đầu ra
Nguyên liệu Lưu lượng khối
lượng(kg/h)
Nguyên liệu Lưu lượng khối

lượng(kg/h)
- Propylene
- NH3
- Không khí
- Propan
- Tạp chất
amoni
29204,7
13334,63
201651,5
1865,6
72,046
- Acrylonitril
- Axetonitrin
- NH3 dư
- Propylen dư
- H2O
- Propan
- N2
- O2 dư
- Tạp chất
amoni
25252,525
2548,15
4178,209
1431,024
27966,402
1865,6
153811,42
21868,496

72,046
Tổng 246128,476 238993,872
Bảng: Cân bằng vật chất cho thiết bị amoxy hóa
→ Nhận xét : Tổng khối lượng sản phẩm ra giảm
246128,467 238993,872
100
246128,467
−
×
%
=2,8% so với tổng khối lượng nguyên liệu đầu vào. Ta có thể giải thích điều này là do:
- Tổn thất nguyên liệu: có thể bị thất thoát ra ngoài trong quá trình nạp nguyên
liệu vào thiết bị….
- Sản phẩm bám dính vào thiết bị ( không đáng kể)…
3. Tính chi phí đầu vào cho một tháng sản xuất:
-Số giờ làm việc bình quân trong một tháng là :
330
24 660
12
h = × =
giờ (do một năm
làm việc 330 ngày)
-Giá propylene và ammoniac thời điểm hiện tại(tháng 12/2012) lần lượt là
1490USD/tấn và 460USD/tấn
-Lượng propylene và ammoniac dùng trong 1h lần lượt là
+ m
propylen
= m
propylen đầu vào
- m

propylen dư
= 29204,7-1431,024=27773,676 kg
+ m
NH3
= m
NH3 đầu vào
- m
NH3 dư
=13334,63-4178,209=9156,421 kg
Vậy chi phí đầu vào cho một tháng sản xuất là:
SVTH: Lê Đức Anh 20 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
CP=
(1,49 27773,676 0,46 9156,421) 660× + × × =
30092552,39USD
II. Tính toán cân bằng nhiệt cho thiết bị phản ứng
Ta có cân bằng nhiệt như sau:
Tổng lượng nhiệt dòng vào =Tổng lượng nhiệt dòng ra
Hay: Q
1
+Q
2
+Q
3
=Q
4
+Q
5
+Q

6
(II)
Trong đó :
- Q
1
: Lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào (kJ/h)
- Q
2
: Lượng nhiệt do dầu tải nhiệt mang vào (kJ/h)
- Q
3
: Lượng nhiệt do các phản ứng tỏa ra (kJ/h)
- Q
4
: Lượng nhiệt do các sản phẩm mang ra (kJ/h)
- Q
5
: Lượng nhiệt do dầu tải nhiệt mang ra (kJ/h)
- Q
6
: Lượng nhiệt mất mát ra môi trường (kJ/h)
1. Tính lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào (Q
1
)
Hỗn hợp nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng có nhiệt độ 280
0
C (553K)
Ta có nhiệt dung riêng của các chất ở 280
0
C như sau:

Nguyên liệu x
i
(Phần mol) Cp.10
3
(kJ/kmol.K)
Propylen 0,082 18015,45
Amoniac 0,0925 26557,35
Không khí 0,82 11079,3
Propan 0,005 89683,35
Tạp chất của
amoniac
0,0005 26557,35
(Coi tạp chất của ammoniac có nhiệt dung riêng bằng nhiệt dung riêng của ammoniac)
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu dạng khí vào thiết bị phản ứng được
tính theo công thức sau:
C
P ng.liệu
= ∑ C
p
i
× x
i
(kJ/kmol.K)
=13480,54328.10
-3
(kJ/kmol.K)
Vậy lượng nhiệt do hỗn hợp nguyên liệu mang vào là:
Q
1
= G

ng.liệu
× C
P ng.liệu
× T
ng.liệu
(kJ/h)= 8479,878.(13480,54328.10
-3
).553
SVTH: Lê Đức Anh 21 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
=63215289,4 (kJ/h)
2. Tính lượng nhiệt do dầu tải nhiệt mang vào(Q
2
)
Q
2
= G
dầu
× C
P(dầu)
× T
dầu
Trong đó:
- G
dầu
: khối lượng dầu tải nhiệt đi vào, kg/h
- Q
2
: lượng nhiệt do dầu tải nhiệt mang vào, kJ/h

- T
dầu
: nhiệt độ dầu tải nhiệt mang vào,
o
C
- C
P(dầu)
: nhiệt dung riêng của dầu tải nhiệt, kJ/kg

.k
Với nhiệt độ đầu vào là 110
o
C và khối lượng riêng của dầu là 900kg/m
3
ta sẽ có
nhiệt dung riêng của dầu là: C
P(dầu)
= 0,53 kcal/kg
o
C = 2,219 kJ/kg

.k
( Ở đây ta lấy 1 cal = 4,1868 J )
→
Q
2
= G
dầu
× 2,219 × 110 = 244,09 × G
dầu

(kJ/h)
3. Tính lượng nhiệt do các phản ứng tỏa ra (Q
3
):
Phản ứng: CH
2
=CH-CH
3
+ O
2
+ NH
3
→ CH
2
=CH-CN + 3H
2
O (1)
∆H
0
298
= - 515 KJ/mol
2CH
2
=CH-CH
3
+ 3O
2
+ 3NH
3
→ 3CH

3
CN + 6H
2
O (2)
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (2) là:
∆H
0
298
(2)= ∑ nhiệt hình thành các chất sau phản ứng - ∑ nhiệt hình thành các chất
trước phản ứng
Ta có nhiệt hình thành của các chất ở thể khí như sau:
SVTH: Lê Đức Anh 22 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Tên khí ∆H
o
298
(kcal/mol)
Propylen
Amoniac
Acetonitril
O
2
H2O
4,879
-11,04
17,696
0
-57,8
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Suy ra:

(2)= -270,35 (kcal/mol)=-1131,9(kJ/mol) (Phản ứng tỏa nhiệt)
Vậy tổng lượng nhiệt do các phản ứng tỏa ra là:
Q
3
= n
acrylonitrin
.(- (1))+ 1/3 n
axetonitrin
.

(2))
=(476,463.10
3
).515+1/3. (62,15.10
3
).1131,9
=268827640 (kJ/h)
4. Tính lượng nhiệt do các sản phẩm mang ra(Q
4
)
Hỗn hợp sản phẩm đầu ra có nhiệt đọ là 400
o
C (673K)
Ta có nhiệt dung riêng của các chất ở 280
0
C như sau:
Sản phẩm x
i
(Phần mol) C

P
.10
3
(kJ/kmol.K)
Acrylonitril
Propylen
Amoniac
Acetonitril
N
2
O
2
H
2
O
Propan
Tạp chất amoniac
0,0554
3,964.10
-3
0,0286
7,23.10
-3
0,639
0,0795
0,181
4,933.10
-3
3,73.10
-4

38912,7
72871,45
28014,43
45665,32
10322,5
13403,95
92421,53
18521,95
28014,43
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm là:
C
P
(sản phẩm)

= ∑ C
p
i
× x
i
(kJ/kmol.K)
=28067,806.10
-3
(kJ/kmol.K)
Vậy: Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra là:
Q
4
= G
sp
× C
P(sp)

× T
sp
(kJ/h) =8595,4445.(28067,806.10
-3
).673
=162364795,8 (kJ/h)
5. Nhiệt lượng do dầu tải nhiệt mang ra(Q
5
)
Q
5
= G
dầu
× C
P(dầu)
× T
dầu
SVTH: Lê Đức Anh 23 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Trong đó:
- G
dầu
: khối lượng dầu tải nhiệt đi ra, kg/h
- Q
5
:lượng nhiệt do dầu tải nhiệt mang ra, kJ/h
- T
dầu
:nhiệt độ dầu tải nhiệt đi ra,

o
C
- C
P(dầu)
: nhiệt dung riêng của dầu tải nhiệt, kJ/kg
o
C
Với nhiệt độ đầu vào là 200
o
C và khối lượng riêng của dầu là 900kg/m
3
ta sẽ có
nhiệt dung riêng của dầu là: C
P(dầu)
= 2,623, kJ/kg
o
C
Suy ra: Q
5
=524,6 G
dầu
(kJ/h)
6. Nhiệt lượng do mất mát(Q
6
).
Do coi mất mát nhiệt cho môi trường là 5% nhiệt đầu vào nên:
Q
6
=0,05(Q
1

+Q
2
+Q
3
)
=0.05.( 63215289,4+244,09 × G
dầu
+268827640)
=16602146,47+12,2045.G
dầu
(kJ/h)
Thay các giá trị Q
1
,Q
2
,Q
3
,Q
4
,Q
5
,Q
6
vào biểu thức (II) ta có:
Q
1
+Q
2
+Q
3

=Q
4
+Q
5
+Q
6
↔ 332042929,4+244,09.G
dầu
=178966942,27+536,8045.G
dầu
Suy ra: G
dầu
=522953,21 (kg/h)
Vậy lượng dầu tản nhiệt cần dùng cho thiết bị phản ứng là 522953,21 (kg/h)
Bảng: Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng amoxy hóa
SVTH: Lê Đức Anh 24 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53
Nhiệt dòng vào (kJ/h) Nhiệt dòng ra (kJ/h)
Q
1
= 63215289,4
Q
2
= 127647649
Q
3
= 268827640
Q
4
= 162364795,8
Q

5
= 274341254
Q
6
=22984528,92
Q
v oà
= 459690578,4 Q
ra
= 459690578,7
Đồ án: Công nghệ hóa dầu và chế biến polime GVHD: Ts. Nguyễn Thị
Linh
Kết luận
Sauk hi hoàn thành đồ án, em đã:
- Tìm hiểu được cấu tạo, tính chất của acrylonitril
- Các ứng dụng quan trọng của acrylonitri
- Hiểu và đánh giá các công nghệ sản xuất acrylonitril trong công nghiệp
- Tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất trong thiết bị phản ứng
SVTH: Lê Đức Anh 25 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53