ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Đề tài: Sản xuất Ethylbenzene

Giảng viên: Nguyễn Thành Duy Quang
Nhóm: A03
Nhóm sinh viên:

MSSV
1. Phạm Thị Kiều Diễm
2. Trần Hoàng Phương My
3. Nguyễn Thị Bích Ngọc

Trần Huỳnh Yến Ngọc
1412517
1

1410515
1412348
1412510


MỤC LỤC

2

PHẦN I: MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp hóa chất là một trong những ngành mũi nhọn của đất nước ta
hiện nay. Các sản phẩm hóa chất luôn tồn tại xung quanh chúng ta từ lớp sơn trên cánh
cửa cho đến từng đồ dùng gia dụng hàng ngày, từ tủ bếp đến phòng tắm, v.v. Chúng là kết
quả của một loạt các quy trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mong muốn . Và
như một lẽ tự nhiên mọi hoạt động sản xuất ta luôn cần có nguyên liệu của nó .
Ethylbenzene, một trong những hydrocacbon thơm được sử dụng rộng rãi trong công
nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu ( >99%), được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản
xuất Styrene. Là một thành tố quan trọng trong đời sống của chúng ta hiện nay.
Hiện nay hầu hết Ethylbenzene được sản xuất trong thương mạị đều từ quá trình
Ankyl hóa một Benzene bằng Ethylene. Sự sản xuất Ethylbenzene tiêu thụ 50% lượng
Benzene trên thế giới. Quá trình Ankyl hóa được tiến hành chủ yếu theo 2 phương pháp:
-

Tiến hành trong pha lỏng với xúc tác AlCl3

-

Tiến hành trong pha hơi với xúc tác rắn tầng cố định

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.

3


PHẦN II: NỘI DUNG
I.

Sơ lược dòng nhập liệu và sản phẩm
1. Nguyên liệu Ethylene

Hình 1: Thông số nhập liệu của Ethylen.

-

-

Ethylene có công thức CH2=CH2 , là chất được sử dụng rộng rãi nhất thế giới trong
công nghiệp hóa dầu, được sử dụng làm nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nhiều
chất hữu cơ như ethybenzene, ethylglycol, một số acid,…
Ethylene là chất khí không màu, dễ cháy, mùi ngọt.
Tính chất vật lí:
+ Nhiệt độ tới hạn là 9,900C
+ Áp suất tới hạn là 5,117 MPa
+ Mật độ tới hạn là 0,21 g/cm3
+ Sức căng bề mặt: Tại nhiệt độ sôi là 16,5 mN/m
Tại 00C là 1,1 mN/m
+ Nhiệt độ sôi là -103,710C
+ Nhiệt độ nóng chảy là -169,20C

4


2. Nguyên liệu Benzene

Hình 2 : Thông số nhập liệu của benzen

-

-

-

Nhiệt độ nóng chảy 5,50C. Nhiệt độ sôi 80,10C.
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.
+ 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 0C để
ngăn chặn benzene đóng băng. 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 xúc 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
5


để đảm bảo an toàn. Hệ thống chữa cháy hoạt động đi kèm phải thường xuyên
kiểm tra để đảm bảo.
3. Sản phẩm chính Ethylbenzene

-

Ethylbezene có công thức phân tử là C6H5C2H5
Công thức cấu tạo:

-

Ở nhiệt độ phòng : Ethylbenzene là
 Chất lỏng trong suốt, không màu.
 Có mừi thơm đặc trưng, tương đối độc hại khi uống phải, hít thở và hấp
phụ qua da, gây kích ứng nhẹ cho da và mắt.
Một số tính chất đặc trưng của ethylbenzene:

-

Thông số

Đơn vị

Giá trị

Khối lượng phân tử

đvC

106,168

Nhiệt độ nóng chảy

0

-94,949

Nhiệt độ sôi tại 101,3 kPa

0

C

136,2

kPa

3,609

C

Áp suất tới hạn

-

Nhiệt độ tới hạn

0

344,02

Nhiệt độ chớp cháy cốc kín

0

C

15

Độ nhớt động học tại
37,80C

m2/s

0,6428.10-6

Sức căng bề mặt

mN/m

28,48

Tỷ trọng tại:
150C
200C
250C

g/cm3

C

0,87139
0,8670
0,86262

Phản ứng mang tính thương mại quan trọng nhất của ethylbenzene là phản ứng khử
để tạo thành styrene.
Cũng giống như toluen, ethylbenzene có thể tham gia phản ứng dealkyl hóa có mặt
của xúc tác hoặc phản ứng trong điều kiện nhiệt độ cao để tạo benzene.
Tồn trữ và vận chuyển:
6


 Ethylbenzene là chất lỏng dễ cháy nên phải được tồn trữ và vận chuyển

trong các thùng chứa bằng thép và phải được kiểm soát cẩn thận.
 Nhiệt độ chớp cháy là 15-20 0C vì vậy tránh xa ánh nắng mặt trời trực tiếp
và các nguồn nhiệt.
 Ethylbenzene có thể tích tụ tĩnh điện do đó phải chú ý đến các biện pháp
chống lại tĩnh xã (tia lửa gây nguy hiểm).
II.

-

Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động
1. Điều kiện phản ứng
Xảy ra ở áp suất (p = 2000 kPa) và nhiệt độ tương đối cao (T ≈ 300 ºC) trong thiết
bị PFR ở điều kiện đoạn nhiệt.
2. Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học
Sản phẩm của Ethylbenzene được sản xuất thông qua phản ứng trực tiếp giữa
ethylene và benzene:

+⟶
-

Phản ứng giữa EB và ehtylene để sản xuất DEB cũng được biểu diễn như sau:
+⟶
-

-

-

Một phản ứng phụ xảy ra giữa DEB và ethylene cũng có thể sản xuất ra
triethylbenzene. Tuy nhiên, để giảm số lượng phản ứng phụ thì tỉ lệ mol giữa
benzene và ethylbenzene được giữ ở mức cao xấp xỉ 8:1.
Quá trình sản xuất đó của DEB là không mong đợi và giá trị của nó cũng như sản
phẩm khác là khá thấp.
Để tối ưu hoá sản phẩm mong muốn EB thì DEB phải được tách ra và hoàn lưu lại
nhờ thiết bị tách nơi mà lượng benzene thừa được thêm vào để sản xuất EB thông
qua phương trình cân bằng sau:

-

Lượng benzene thu thập bao gồm một lượng nhỏ toluene không tinh khiết.Toluene
phản ứng lại với ethylene từ ethylbenzene và propylene:
+2⟶+
7


III.

Quá trình tổng hợp Ethybenzene
1. Tóm tắt đầu vào và đầu ra

Nhập liệu

Sản phẩm

Benzene (<2% tạp chất)
-

Ethylbenzene: độ tinh khiết (99,9%)

Nhiệt độ: 25 0C
Áp suất: 110 kPa
Nhập liệu: 99 kmole/h

-

Nhiệt độ: 139 0C
Áp suất: 110 kPa
Suất lượng đầu ra: 4932 kg/h

Ethylene (7% tạp chất)
-

-

-

-

-

Khí (chủ yếu là ethane )

Nhiệt độ: 25 0C
Áp suất: 2000 kPa
Nhập liệu: 100 kmole/h

2. Quy trình tóm tắt
Hỗn hợp bezen tái chế và polyalkynbenze được đưa vào bình trộn MIX-100. Từ
bình MIX-100, nó được bơm nâng áp suất lên khoảng 2000 kPa (20 atm) và gửi
đến một máy gia nhiệt (E-100) để đưa đến nhiệt độ phản ứng (khoảng 400 °C).
Benzen nóng được trộn với ethylene ngay trước khi vào hệ thống phản ứng PFR100, PFR-102 sản phẩm thu được trộn với ethylene tại bình MIX rồi được làm mát
ở Cooler .
Sản phẩm sau đó được đưa qua bình phản ứng PFR-103 . Tiếp đó lần lượt đi qua 3
Cooler E-103, E-104, E-105 để hạ nhiệt độ hỗ hợp từ 400°C xuống 70°C, chuẩn bị
cho quá trình tách.
Máy tách (V-100) có nhiệm vụ tách thành 2 pha
 Ethylene được thu ở phần cất của đỉnh tháp như khí đốt nhiên liệu được tiêu

thụ trong lò đốt.
Sau đó các chất lỏng ngưng tụ được gửi đến tháp chưng cất T-100 để loại
bỏ propene trong sản phẩm đáy.
Sản phẩm đáy thu được đi vào tháp benzene T-101, benzen được tách tại phần
đỉnh tháp và quay trở lại dòng nhập liệu ban đầu.
Các sản phẩm tại đáy được gửi đến tháp T-102, nơi mà sản phẩm EB ( 99,9 %)
được lấy ra tại phần đỉnh tháp.
Các sản phẩm tại đáy đi qua bơm rồi trộn với hỗn hợp benzen - ethylene ở MIX101 để tái sử dụng.


-

3. Thiết bi
8


a) Thiết bị trộn

Mục đích: Trộn tạo độ đồng đều cho hỗn hợp.
Tên

Đầu vào (dòng)

Đầu ra (dòng)

MIX - 100

30

1

MIX - 101

3-4-28

6

MIX - 102

7-5

8

MIX – 103

10-11

12

Ví dụ: Tại thiết bị trộn MIX – 101

Hình 3: Ký hiệu dòng vào và dòng ra.

Hình 4: Thông số của hỗn hợp trước và sau khi trộn.
9


b) Thiết bị phản ứng dạng ống

Mục đích: Là môi trường cho các chất phản ứng, các chất phản ứng lần lượt trong
3 thiết bị để tăng hiệu suất tạo ethylbenzene, giảm thiểu tối đa tạo sản phẩm phụ.
Tên

Kích thước (

Chiều dài (m)

PFR -100

20

11

PFR - 101

20

12

PFR - 102

40

12

Ví dụ: Thành phần của dòng đầu vào và đầu ra của thiết bị phản ứng PFR – 101.

Hình 5: Thành phần của các cầu tử sau khi ra khỏi PFR- 101

c) Separator V-100

Mục đích: Loại bỏ phần lớn khí (ethylene, ethane, propylene) ở đỉnh.
Tên

Đầu vào (dòng)

V-100

17
654,9 (kgmole/h)

Đầu ra (dòng)

18
566,2 (kgmole/h)

Ví dụ:

10

Gas
88,79 (kgmole/h)


Hình 6: Thành phần của cấu tử sau khi ra khỏi thiết bị tách V-100

d) Thiết bị phân dòng TEE-100

Mục đích: Chia Ethylene thành 3 dòng để phản ứng lần lượt tại các bình phản ứng
nối tiếp nhau.
TEE-100
Thành phần

Đầu vào

Đầu ra

Ethylene

Dòng 4

Dòng 5

Dòng 10

100 kgmole/h

30 kgmole/h

35 kgmole/h

35 kgmole/h

Ví dụ:

Hình 7: Thông số của các dòng Ethylene sau khi ra khỏi thiết bị phân dòng TEE-100
e) Bơm P-100

Mục đích: vận chuyển dòng lưu chất đến thiết bị.
Tên

Đầu vào ( dòng)

Đầu ra ( dòng)

Hiệu suất bơm (%)

P - 100

2

3

75

P - 101

26

27

75

11


Ví dụ :

Hình 8: Nhiệt độ và áp suất của dòng sau khi ra khỏi bơm.
Thiết bị trao đổi nhiệt
 Thiết bị làm lạnh: làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp trước khi qua giai đoạn tiếp
theo.
f)

Tên
E – 102
E – 103
E – 104
E – 105
Ví dụ:

Đầu vào
( dòng)

12
14
15
16

Đầu ra
( dòng)
13
15
16
17

Nhiệt độ vào
( ºC)
366.1
386.9
280.0
170.0

Nhiệt độ ra
( ºC)
360.0
280.0
170.0
70.0

Hình 9: Thông số sau khi ra khỏi Cooler.
 Thiết bị gia nhiệt: Nâng nhiệt độ của hỗn hợp để chuẩn bị vào giai đoạn tiếp theo.

Tên

Đầu vào
(dòng)

Đầu ra
(dòng)
12

Nhiệt độ vào
(0C)

Nhiệt độ ra
(0C)


E - 100

2

3

70,32

400

E - 101

8

9

287,3

360

Ví dụ:

Hình 10: Thông số sau khi ra khỏi heater

g) Tháp chưng cất

Mục đích: Để tách các chất, thu hồi được cấu tử mình mong muốn.
Tên

Đầu
vào
(dòng)

Đầu ra
(dòng)

T –100

18

19, 20

T –101

21

22, 23

T -102

24

25, 26

Hiệu
suất
mâm(%
)

Số
mâm

Chiều
cao
cột(m)

Đường
kính
cột(m)

5

1.789

1.193

42

20

1.789

1.193

10

45

40

1.789

1.193

20

13

Mâm
nhập
liệu


Ví dụ: cho tháp chưng T – 100

Hình 11: Sơ đồ tháp chưng cất

Hình 12: Thành phần hỗn hợp trước và sau tháp chưng cất
14


IV.
-

-

Phần tính toán
1. Thiết bi phản ứng
Sử dụng thiết bị phản ứng dạng ống (PFR), dễ dàng đạt được độ chuyển hóa cao,
nhưng bù lại rất khó điều chỉnh nhiệt độ.
Thêm vào đó, hệ đang hoạt động tại điều kiện đoạn nhiệt, nên dòng ra bao giờ
cũng dùng Cooler đã hạ nhiệt độ trước khi vào phản ứng tiếp theo.
 PFR – 100:
Giả sử:
+⟶

Benzen và Ethylene là dòng lý tưởng và không phản ứng phụ
Dòng nhập liệu : Benzen 470,388 kmol/h, Ethylene 27,9 kmol/h
Nhiệt độ của phản ứng : 300 ºC
Áp suất khoảng 2000kPa
Suất lượng dòng nhập liệu :
Độ chuyển hóa là X= 0,2575
Nhiệt dung của hỗn hợp không đổi : = 22,59 kJ/mol. K
Lưu lượng: v= 64,73
Sử dụng phương trình thiết kế thiết bị phản ứng bình ống lý tưởng hoạt động ổn

định , trong hệ đoạn nhiệt.
Dựa vào dòng nhập liệu dễ dàng thầy rằng Benzen chứa một lượng dư, nên sẽ dùng
số mol, ... của Ethylene để tính toán.
•
•
•
•
•
•
•
•

-

Trong đó:
-

X, : độ chuyển hóa của sản phẩm theo phản ứng.
: nhiệt phản ứng.
: nhiệt độ đầu ra và đầu vào.
: suất lượng mol của dòng nhập liệu.

Vậy dựa vào (1): tính được T- = x (0,2575-0) =1,004
Vậy T = + 1,004 = 1,004 + 291,2 = 292,24 ºC

-

Dựa vào phương trình thiết kế bình ống :

-

Phản ứng không thuận nghịch bậc 2 loại hai phân tử A + B → sản phẩm. Nhưng do
lượng Benzen lớn hơn rất nhiều so với lượng Ethylene nên xem như lượng Benzen
không đổi, và xem phản ứng là phản ứng bậc 1.
15


-

Thay vào công thức (2), tìm được thể tích:
Với C0= 0,0439(M), C1= 0,0409(M) sẽ tìm được giá trị V= 8,73()
Tương tự sẽ tính được V của PFR – 101 và PFR – 102.
2. Thiết bi trao đổi nhiệt
 Cooler ( E – 102):

-

Giả sử :
•
•
•
•

Không có mất mát trong quá trình tổn thất nhiệt
Tác nhân giải nhiệt là nước lạnh
Dòng nóng có nhiệt độ :
Hệ số cấp nhiệt: k = 280 W/
25

Thiết bị trao đổi nhiệt

366, 1

360

10
-

Áp dụng công thức
= = = 345,53.
Với Q = 814800 kJ/h sẽ tìm được F= 8,42 (

-

Tương tự sẽ tính được bề mặt trao đổi nhiệt của Heater , Cooler còn lại với giả sử
nguồn cung cấp nhiệt hay nguồn giải nhiệt là hơi nước.
Tên

T1 ()

T2 ()

T3 ()
16

T4 ()

F(


E-100

1000

650

70,32

400

213,15

E-101

500

430

287,3

360

199,02

E-103

150

200

386,9

280

162,10

E-104

90

125

280

170

485,29

E-105

60

100

170

70

480,53

3. Bơm

- Năng lượng của bơm được xác định :

W = 1,67

Vậy năng suất của bơm:
Trong đó:
•
•
•

(bar): độ chênh lệch áp suất tại dòng vào và dòng ra.
: năng lượng của bơm.
( : lưu lượng thể tích của dòng nhập liệu.

-

Bơm P – 100:
• W= 31,4277 (kW) = 1,67

•

→ = 0,702

88,86% = 0,888
Vậy năng suất của bơm P-100 là 0,702 x 0,888= 0,62
V.
Bàn luận
- Nhìn chung quy trình đã đạt được mục tiêu của đề bài, lượng Ethylbenzene dòng
VI.

sản phẩm chiếm 99,9% nhưng năng suất chưa cao.
Quy trình sẽ tối ưu hơn, nếu ta SetUp hệ thống pinch để tận dụng nguồn nhiệt
trong quá trình.
Chưa tận dụng lại được nguồn Diethylbenzene hợp lý, trong quy trình của nhóm
em mới chỉ hồi lưu, rồi trộn lại với benzen – ethylene trước khi qua bình phản ứng.
Không thể làm sạch benzene hoàn toàn, trong benzen vẫn còn lẫn tạp chất.
Tài liệu tham khảo
17


1. William J. Cannella, “Xylenes and Ethylbenzene,” Kirk-Othmer Encyclopedia of

Chemical Technology, online version (New York: John Wiley and Sons, 2006).
2. “Ethylbenzene,” Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Vol. 20, ed. J.

J. McKetta (New York: Marcel Dekker, 1984), 77–88.
3. />
18