đồ án thiết kế quy trình công nghệ hóa học bằng hysys sản xuât benzen từ toluen

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 CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
ĐỀ TÀI
Sản xuất Benzene từ Toluene theo quy trình HAD

GVHD : Trần Hải Ưng
SV : Nguyễn Thị Thiên Hương
MSSV : 1511424

Năm: 2017-2018

Lớp : HC15DK


Danh sách các thành viên trong nhóm:
Họ và Tên

Mã số sinh viên

Nguyễn Thị Thu Thảo

1413621

Nguyễn Thị Thiên Hương

1511424

Phạm Nguyễn Anh Phương

1512063


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
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 chung
ta. Chung 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 xuc tác , cracking xuc 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 xuc 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, thuc đẩy giá trị lợi nhuận
của benzene nên càng thôi thuc 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 HDA .

3

I. SƠ LƯỢC DÒNG NHẬP LIỆU VÀ SẢN PHẨM .
1. Nguyên liệu khí hydrogen .

-

Là phi kim tồn tại ở nhiệt độ thường ở trạng thái khí, dễ cháy, không màu, không
mùi, không vị, là khí nhẹ nhất, năng lượng liên kết 435 kJ/mol , nhiệt độ nóng
chảy -259,1 độ C, nhiệt độ sôi -252,6 độ C .

-

Ở nhiệt độ cao, hydro có khả năng phản ứng với nhiều chất. Có tính khử mạnh.

- Ứng dụng:
•

Hidro là chất khí lỏng nhẹ hơn không khí nên thường được sử dụng
trong bơm khí cầu, bóng bay, cổng hơi,…
4


• Nhiên liệu cho động cơ tên lửa, nguyên liệu sản xuất amoniac, sản xuất phân
bón, HCl,

CH 3OH

, sử dụng trong công nghiệp hóa dầu,…

- Lưu trữ, tồn chứa: Do cùng một khối lượng nhưng khi ở thế lỏng, thể tích hydro
giảm đi 700 lần so với thể khí nên ta hóa lỏng hydro ở -252 độ C hoặc nén trong
bồn cao áp, khí được dẫn đến nơi sử dụng qua hệ thống ống dẫn.

1. Nguyên liệu Toluene.

Công thức hóa học : C6H5-CH3

Công thức cấu tạo :

-

Toluene C6H5-CH3 (hay còn gọi là metylbenzen hay phenylmetan) là một
hyđrocacbon thơm, Toluene lỏng trong suốt, không hòa tan trong nước có khả
năng hòa tan trong benzene, etanol, aceton và có mùi thơm đặc trưng giống
benzene.
5


-

Nhiệt độ sôi 110 độ C, nhiệt độ đông đặc -93 độ C.

-

Dễ dàng tham gia phản ứng thế tại nhân thơm và nhóm
, tham gia phản
ứng oxi hóa ở điều kiện thích hợp tạo thành acid benzoic và benzaldehyde,…

-

Trong công nghiệp và đời sống thì toluene đóng một vai trò quan trọng:

CH 3

• Là thành phần cấu từ làm tăng trị số octan, nâng cao giá trị của xăng
• Bên cạnh đó toluene còn là nguyên liệu chính sản xuất thuốc nổ TNT, ứng
dụng trong các lĩnh vực quốc phòng, xây dựng, khai thác.

• Trong công nghiệp hóa chất, toluene đa phần sử dụng để sản xuất benzene,
ngoài ra còn sự dụng làm dung môi, sản xuất sơn.
Tuy nhiên Toluen có thể gây ung thư khi hít quá nhiều hơi toluen.

2. Sản phẩm Benzene .

-

Nhiệt độ nóng chảy 5,5 độ C. Nhiệt độ sôi 80,1 độ C .

-

Phản ứng đặc trưng của nó là phản ứng thế electrophin nhờ vào cấu tạo đặc
biệt, phản ứng cộng, oxi hóa cần điều kiện khắc nghiệt hơn.

-

Ứng dụng:
•

Benzene có vai trò quan trọng trong thực tế , là nguyên liệu chính để sản

xuất các loại thuốc trừ sâu ,thuốc kháng sinh , chất kích thích tăng trưởng
và vô số các ứng dụng khác trong đời sống xã hội.
6


Là nguyên liệu tạo phẩm nhuộm , dược phẩm , trong việc sản xuất chất phụ
gia tăng chỉ số octane cho xăng,...
• Trong thí nghiệm benzene dùng để làm dung môi rất phổ biến.
•

-

Benzene là một hóa chất độc hại, gây ung thư cho con người. Vấn đề tồn trữ
benzene là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân nhà máy và
người dân sống ở khu vực xung quanh . Phải luôn duy trì nhiệt độ bồn chứa
trên 8 độ C để ngăn chặn benzene đóng bang. Bồn chứa phải kín, thường
xuyên kiểm tra để phát hiện rò rỉ. Sử dụng cột thu lôi để tránh sấm sét. Mọi
hoạt động tiếp xuc của con người phải có trang bị bảo hộ đi kèm theo.

-

Các tàu xe vận chuyển benzene phải được dọn sạch sẽ trước khi tải để tránh
gây nhiễm bẩn nguồn nhiên liệu, trong quá trình benzene vận hành trong
đường ống thường tích điện, cần nối đất để tránh gây cháy nổ, đồng thời
khống chế lưu lượng để đảm bảo an toàn. Hệ thống chữa cháy hoạt động đi
kèm phải thường xuyên kiểm tra để đảm bảo.

II. QUY TRÌNH TOLUENE – HYDRODEALKYLATION .
-

Là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh trong dòng hydro .
Giống như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydro và thuận lợi ở điều
kiện áp suất riêng phần hydro cao. Dùng cho methylbenzene, etylbenzene,…

-

Quy trình này xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghiệp tổng hợp hóa
dầu lớn hơn nhiều so với các chất trên cũng như toluene.

-

Nếu thực quy trình vận hành đung và độ chuyển hóa cao, sản phẩm thu được
sẽ có hàm lượng benzene lớn cùng với lượng lớn các hydrocarbon nhẹ chủ
yếu là methane CH4.

-

HDA cho lượng benzene có độ tinh khiết cao cũng với sản phẩm phụ có nhiều
ứng dụng tốt (methane) nhưng kéo theo đó quy trình này cần lượng hydro lớn
( tỉ lệ 1:3 đến 1:15 ) điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

III. PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG VÀ ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG .
1. Điều kiện phản ứng :
Điều kiện phản ứng phụ thuộc rất nhiều , tùy vào loại xuc tác và công nghệ vận hành
của từng công ty. Trong bài này ta sẽ thực hiện với điều kiện .

Điều kiện

Thông số

Ghi chu – Số liệu thực tế
7


làm trong đồ án
Nhiệt độ

~1150oF

~625oC

Áp suất

500 - 550 psia

~ 500 psia

Tỉ lệ Hydro:Toluene

~ 5 (tránh hình thành Có thể chọn khác , dao
cốc )
động xung quanh 5 .

Xuc tác

Sử dụng chất mang là Nhờ có xuc tác nên điều
kiện của phản ứng HDA
MgO − Al2O3
với tâm xuc đỡ khắc nghiệt hơn so với
tác là các đơn phân tử quy trình Thermal HDA .

hoặc có sự kết hợp giữa
các phân tử kim loại
nhóm B

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 ra ở 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 sẽ đạt nhiệt độ rất cao, ta nên
tận dụng lượng nhiệt đó để tiết kiệm chi phí cho các dòng Utility ở các khu vực cần cấp
nhiệt.
Xem quá trình chỉ xảy ra hai phản ứng chính như trên, hydrogen và toluene phản ứng
hình thành benzene và methane theo phản ứng (1) không thuận nghịch có bậc tổng quát
là 1.5:

Phản ứng phụ (2) thuận nghịch cho ra sản phẩm phụ Biphenyl có bậc 2 ( r2 là tốc
độ phản ứng thuận, r3 là tốc độ phản ứng nghịch):

8


r1, r2 và r3 :

lbmole/( min.ft3)

T:

K
PT, PH2, PB, PBi:

psia

Trong đó :
+ Hằng số khí : R= 3.57458 [BTU/lbmole-K]

E1


E2


E3


=2,5616×104×3,57458 = 91.566 [BTU/lbmole]
=1,5362×104×3,57458 = 54.913 [BTU/lbmole]
=1,2237×104×3,57458 = 43.742 [BTU/lbmole]

IV. QUY TRÌNH HDA .
Nhập liệu

Sản phẩm

Hydrogen Fresh (<1% tạp chất )
- Nhiệt độ : 25 độ C
- Áp suất : 565,6 psia ~ 3900kPa
- Nhập liệu : 1100 kgmole/h

Benzene : độ tinh khiết 99,99%
- Nhiệt độ : 79,74 độ C
- Áp suất : 14,5 psia ~ 100 kPa
- Suất lượng đầu ra : 264,1 kgmole/h

Toluene Fresh ( <1% tạp chất )

Sản phẩm khí: gồm chủ yếu là hidro
thừa và metan
- Nhiệt độ : 11,98 độ C
- Áp suất : 14,5 psia ~ 100kPa
- Suất lượng đầu ra : 1105 kgmole/h

- Nhiệt độ : 26 độ C
- Áp suất : 14,5 psia ~ 100 kPa
- Nhập liệu : 269 kgmole/h

1. Quy trình :
- Sử dụng quy trình HDA.
Gia nhiệt cho nguyên liệu

9

Nguồn nguyên liệu của quá trình là khí hydro tinh khiết cao (<1% tạp chất ) đã đạt áp
suất 565,6 psia <HIDROGEN>. Nguồn toluen được trộn cùng với dòng toluen hồi lưu
qua máy bơm ly tâm cao áp để đạt áp suất 594,7 psia. Hai dòng nguyên liệu trộn lẫn vào
nhau qua thiết bị trộn Mix-100 trộn lẫn và được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt E – 103.
Tại đây nguyên liệu được sấy sơ bộ nhờ trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm <3> của thiết
bị phản ứng chính. Ra khỏi thiết bị E – 103, dòng nguyên liệu <1> đạt nhiệt độ 200 độ C.
Quá trình phản ứng:
Dòng <1’> tiếp tục được trộn với dòng khí H2 hồi lưu tại Mix102 và đưa vào gia nhiệt
bằng Heater E100 để đạt được nhiệt độ 625 độ C_nhiệt độ yêu cầu để phản ứng xảy ra.
Dòng tuần hoàn hidro có thành phần chủ yếu là khí hydro và metan, trước đó đã được
nén. Hỗn hợp nguyên liệu là dòng <2-2> đi vào thiết bị phản ứng, với tỉ lệ số mol H2 :
Toluen = 5,4 : 1 (Sách Douglas)
Đây là thiết bị phản ứng bình ống, phù hợp cho phản ứng pha khí. Phản ứng chính xảy ra
đạt độ chuyển hóa 82,29% : C7H8 + H2 → C6H6 + CH4
Ngoài ra trong bình phản ứng còn có phản ứng phụ xảy ra với độ chuyển hóa rất nhỏ,
không đáng kể.
Dòng sản phẩm <3> ra khỏi thiết bị phản ứng không chỉ có sản phẩm chính (Benzen), sản
phẩm phụ (Biphenyl) mà còn lượng dư của nguyên liệu toluen, hydro và metan. Do các
phản ứng xảy ra đều có hiệu ứng tỏa nhiệt, nên dòng sản phẩm <3> có nhiệt độ lên đến
712,7 độ C. Dòng <3> được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt E – 103 để sấy sơ bộ nguyên
liệu. Sau quá trình trao đổi nhiệt, nhiệt độ dòng sản phẩm hạ xuống 564,3 độ C.
Quá trình tách khí
Hỗn hợp trước khi tách khí được làm mát đến 14,31 độ C nhờ Cooler E – 101. Tháp
tách thực hiện tách khí trong điều kiện áp suất cao. Dòng sản phẩm khí chủ yếu gồm
hydro và metan. Dòng khí này được chia ra 2 dòng với tỉ lệ 45% hồi lưu về trộn với dòng
hidro nhập liệu tinh khiết, 55% dòng được dẫn ra ngoài là sản phẩm khí của quá trình .
Dòng sản phẩm lỏng chủ yếu là benzen, toluen và biphenyl được đưa sang tháp chưng
cất.
Quá trình chưng cất
Quá trình chưng cất gồm 2 tháp chưng. Đầu tiên là tháp chưng tách khí T – 10 0. Nhiệm

vụ của tháp này là loại bỏ hoàn toàn lượng khí hydro và metan còn lại trong hỗn hợp.
Hỗn hợp sau quá trình tách ở dòng <6>, được đưa qua Heater E – 102 để nâng nhiệt độ
lên 65 độ C. Dòng sản phẩm khí ở đỉnh tháp được nhập vào dòng sản phẩm khí của cả
quá trình. Dòng sản phẩm lỏng ở đáy chỉ còn các cấu tử benzen, toluen và biphenyl.
Sau đó dòng sản phẩm đáy tiếp tục được đưa sang tháp chưng T – 101. Dòng sản phẩm
đỉnh của tháp chưng T – 102 là benzen với lưu lượng đạt năng suất đề ra 2xx = 264
10


kmol/h. Dòng sản phẩm đáy của tháp chưng T -102 chứa toluen, biphenyl được bơm đưa
về hồi lưu trộn lẫn với nguyên liệu toluen tinh khiết ban đầu. Ở đây ta không tách toluen
ra khỏi biphenyl vì lượng biphenyl tạo thành rất nhỏ, nếu ta làm thêm 1 tháp tách thì chi
phí sẽ cao hơn rất nhiều lần.

Hình 1. PFD của quy trình HAD

2. Thiết bị (tên thiết bị theo Hình 1):
2.1 Bơm P-100, Cooler , máy nén khí.

Hình 2 . Thông số bơm P-1.

11


Hình 3 . Thông số Cooler .

Hình 4. Thông số máy nén khí
2.2. Thiết bị Heater, Heat Exchanger (HE):
- Việc lắp đặt các thiết bị HE xen kẽ cùng với Heater là để tận dụng hiệu quả
nguồn nhiệt độ cao của dòng sản phẩm sau thiết bị phản ứng, giảm thiểu

nguồn hot utility từ bên ngoài, cắt giảm bớt thiết bị gia nhiệt thay vào là thiết
bị vỏ ống, với cách sắp xếp hợp lí sẽ mang lại hiệu quả truyền nhiệt cao,
mang lại lợi ích kinh tế.

12


Hình 5. Thông số Heater H100

Hình 6. Thông số Heater H101
Thông số heat exchanger:
Hình 6. Thông số Heat exchanger

13


2.3. Bình phản ứng PFR
- Là thiết bị phản ứng dạng ống, hoạt động đẳng áp.
-

Tỉ lệ mole fraction Hidro : Toluen của dòng trước khi vào PFR là 5 :1

-

Thể tích ống là 3 m3; chiều dài 6,5 m; đường kính 0,3833 m

14


Hình 7. Thông số thiết bị bình ống PFR .

Hình 8. Thông số dòng bên trong PFR
2.4. Thiết bị phân tách:
- Là thiết bị tách pha sau thiết bị Cooler.
-

Sau khi làm nguội dòng sản phẩm khí trở thành 2 pha , dòng lỏng giàu
benzene, dòng khí chứa phần lớn là hydrogen chưa phản ứng và Methane mới
được tạo thành.

15


Hình 9. Thông số thiết bị Seperator

2.5. Tháp chưng cất Distillation T100:
- Nhiệm vụ là tách hoàn toàn hidro và metan ra khỏi hỗn hợp.
- Ta chọn 2 spec đó là nhiệt độ condenser 30 độ C và nồng độ metan ở đáy là
0.00001
- Tháp có 20 mâm. Nhập liệu tại mâm thứ 10, nhiệt độ dòng nhập liệu là 65,33 o C
- Thể tích condenser = thể tích reboiler: V = 2 m3

16


17


Hình 10. Thông số thiết bị và các dòng vào, ra Distillation T100

2.6. Tháp chưng cất Distillation T101:
- Nhiệm vụ là chưng cất để thu được sản phẩm đỉnh benzen đạt 99,99%.
- Ta chọn 2 spec đó là nồng độ của benzen ở condenser 0,9999 và nồng độ
benzen ở reboiler là 0.0001
- Tháp có 30 mâm. Nhập liệu tại mâm thứ 16, nhiệt độ dòng nhập liệu là 84,16 o C
- Thể tích condenser = thể tích reboiler: V = 2 m3

18


19


3. Công cụ khảo sát Case study nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.
- Case study là công cụ dùng để khảo sát trong hysys dùng để biểu diễn mối liên hệ giữa
1 biến độc lập với 1 hoặc nhiều biến phụ thuộc với nó. Công cụ case study là là công cụ
đắc lực để người thiết kế quy trình tìm ra giá trị để thiết bị hoạt động tối ưu

4. Tiềm năng kinh tế của quá
trình.

EP =Benzene value +
Fuel value of Diphenyl +
Fuel value of pure Toluene cost - Makeup gas cost

Tên chất

Benzene

Methane

Toluen

H2

Đơn giá
$/mol

9.04

1.65

6.4

1.14

20


V. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thầy Trần Hải Ưng - Bài giảng môn học Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ
hóa học.
[2] Công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu – PGS.TS Phạm Thanh Huyền, TS Nguyễn
Hồng Liên.
[3] Douglas, J. M., Conceptual Design of Chemical Process, New York: McGrawHill (1998).
[4] Alexandre C. Dimian - Integrated Design and Simulation of Chemical Processes
[5] />[6] />Và 1 số bảng tra khác.

21