Đồ án: Công nghệ sản xuất ethylbenzen

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

MỤC LỤC

1


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

LỜI MỞ ĐẦU
Etylbenzen là hydrocacbon thơm được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ tổng
hợp hữu cơ hóa dầu.
Etylbenzen là hợp chất alkyl thơm đơn vòng, có ý nghĩa quan trọng trong công
nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu. phần lớn (>99%) được sử dụng làm nguyên liệu cho
quá trình sản xuất styren monome. 50% của quá trình sản xuất benzen trên thế giới. Còn
lại ít hơn 1% được sử dụng làm dung môi cho sơn hoặc nguyên liệu sản xuất
dietylbenzen. Hầu như tất cả etylbenzen tinh khiết được sử dụng làm polystyren để sản
xuất nhựa và cao su nguyên liệu.

2


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

PHẦN I. TỔNG QUAN
1.Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm
1.1.Benzen
Benzen là một hydrocacbon thơm, đơn vòng, có công thức phân tử C6H6, phân tử
lượ ng M= 78.11 đvC. Ở điều kiện thườ ng, benzen là chất lỏng không màu, dễ bắt cháy.
Benzen là chất bền nhiệt, hoạt động hóa học, nên trong công nghiệp, nó thường đượ c
sử dụng làm nguyên liệu trong ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu để tổng hợp
ra các dẫn xuất như styren, phenol, xyclohexan, … làm nguyên liệu sản xuất ra
thuốc trừ sâu, chất dẻo, nhựa, dược phẩm, chất tẩy rửa,… Benzen là một dung môi có
khả năng hòa tan tốt, nhưng do có nhược điểm là rất độc, nên hiện nay nó đã bị thay
thế bởi nhiều dung môi khác.
M. Faraday là người đầu tiên thu được benzen bằng cách tách từ bicarburet của
hydrogen từ thí nghiệm trên dầu cá voi nhiệt phân và nguyên liệu khác. A.W.Hofmann
vàC.Mansfield từ trường cao đẳng hóa học Royal cũng đã làm thí nghiệm trên chất lỏng
thu được từ than nhiệt phân. Họ đã phát triển trên quy mô thương mại quá trình thu
benzen và các hợp chất thơm khác từ nhựa than đá, từ năm 1840- 1850. Trong giai đoạn
chiến tranh thế giới thứ II, benzen chủ yếu được thu từ than. Nhưng sau này, khi ngành
công nghiệp hóa dầu phát triển cùng với việc nghiên cứu ra các loại xúc tác hiệu quả thì
dầu mỏ trở thành nguồn nguyên liệu chính để sản xuất ra benzen và các hydrocacbon
thơm khác.
1.1.1. Tính chất vật lý của benzen
Công thức phân tử C6H6, Khối lượng phân tử M= 78.11 đvC.
Công thức cấu tạo:

3


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên

Việt

SVTH: Phùng Thế

Ở điều kiện thường, Benzen là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng. Ở nhiệt độ
thấp, Benzen đóng rắn thành khối tinh thể màu trắng. Benzen là một chất dễ bắt cháy, khi
cháy tạo thành ngọn lửa có muội. Hơi Benzen tạo thành hỗn hợp nổ với không khí trong
khoảng nồng độ rộng. Benzen là dung môi không phâ cực, có khả năng hòa tan trong
rượu etylic nhưng tan rất ít trong nước.

4


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

1.1.2. Tính chất hóa học của Benzen
Benzen là hợp chất hóa học bền nhiệt, hoạt động ở nhiệt độ trên 500 0C, do đó các
phản ứng có Benzen thường được thực hiện ở nhiệt độ trên 5000C.
Benzen khó tham gia phản ứng oxy hóa vì nó có cấu trúc vòng bền vững, tuy
nhiên trong điều kiện khắc nghiệt, nó bị oxy hóa hoàn toàn tạo CO2 và H2O.
Phản ứng thế của benzene là phản ứng quan trọng. Tùy thuộc điều kiện phản ứng
mà một hoặc nhiều nguyên tử H trong vòng benzene có thể thay thế cho các gốc nitro
hoặc axit sulfonic, các nhóm amine hoặc hydroxyl và nhiều nguyên tủ khác như Cl, Br.
Sản phẩm bao gồm phenol, nitrobenzene, chlorobenzene, axit benzenesulfonic và các
chất khác. Thế hai nguyên tử có thể tạo 3 đồng phân:

Các phản ứng quan trọng khác của Benzene bao gồm phản ứng cộng, alkyl hóa và

hydro hóa. Các phản ứng này diễn ra ở nhiệt độ và áp suất cao, đôi khi yêu cầu xúc tác
hoạt động. Ethylbenzene là sản phẩm của quá trình alkyl hóa benzene vơi ethylene có
mặt xúc tác AlCl3, phản ứng tiến hành ở nhiệt độ 40-100 ◦C, áp suất < 0.7 Mpa Alkyl hóa
benzene với propylene với xúc tác pha hơi để sản xuất cumene. Phản ứng tiến hành ở
200-250◦C, áp suất 2.7-4.2 MPa trên xúc tác hoạt động như axit phosphoric hoặc
kieselguhr, hiệu suất 95%. Hydro hóa là phản ứng cộng. Một trong những phản ứng quan
trọng nhất của quá trình hydro hóa benzene ở nhiệt độ và áp suất cao để sản xuất
xyclohexane. Phản ứng có thể tiến hành trong pha lỏng hoặc pha hơi ở nhiệt độ cao. Phản
ứng dehydro hóa Ethylbenzene tạo Styrene là phản ứng quan trọng. Phản ứng thu nhiệt
nên nhiệt độ cao sẽ xúc tiến cho phản ứng xảy ra cả về động học và nhiệt động.
1.1.3. Ứng dụng
Benzene có nhiều ứng dụng quan trọng. Nó là thành phần của nhiên liệu motor,
giúp tăng chỉ số octan; sử dụng làm dung môi. 3 ứng dụng chính của benzene là sản xuất
ethylbenzene, cumene, xyclohexane. 75-80% benzene dùng làm nguyên liệu cho quá
trình này. Khoảng 3% benzene được nitro hóa tạo thành nitrobenzene, sau đó quay lại
hydro hóa tạo aniline. Quá trình oxi hóa benzene để sản xuất maleic anhydride, là chất

5


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

ban đầu để sản 25 xuất nhựa polyester. Những sản phẩm khác của benzene bao gồm
halogen hóa benzene, alkylbenzene mạch thẳng, dùng cho công nghiệp sản xuất chất tẩy
rửa.
1.2. Etylen.
1.2.1. Tính chất vật lý của etylen.

Ethylene hay còn gọi là ethene, có công thức H2C=CH2, Mr 28.52, là chất được
sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới trong công nghiệp hóa dầu. Tuy nó không được sử
dụng trực tiếp nhưng lại là nguyên liệu để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng
như ethyleneglycol, axit axetic, ….
Ethylene là chất khí không màu, dễ cháy, mùi ngọt. Tính chất vật lý:

1.2.2. Tính chất hóa học
Trong phân tử ethylene có chứa liên kết đôi C-C, độ dài liên kết 0.134nm, cấu trúc
phẳng. Ethylene là chất rất hoạt động, có những phản ứng điển hình của olefin ngắn
mạch. Do ethylene rất hoạt động nên trong suốt quá trình sản xuất cần tách hỗn hợp sản
phẩm. Ethylene có thể chuyển hóa tạo thành các hydrocacbon bão hòa, oligomer, polymer
và các dẫn xuất. Các phản ứng hóa học quan trọng của ethylene là phản ứng cộng, alkyl
hóa, halogen hóa, hydroformyl, hydrat hóa, oxi hóa, oligome hóa và polyme hóa
- Polyme hóa tạo polyethylene
– Cộng Cl tạo 1,2-dicloroethane

6


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

- Oxi hóa trên xúc tác Ag tạo oxirane (ethylene oxide)
- Phản ứng với benzene tạo ethylbenzene, sau đó dehydro hóa tạo thành styrene
- Oxi hóa tạo acetaldehide
- Hydrat hóa tạo ethanol
- Phản ứng với axit acetic và oxygen tạo thành vinyl acetate28
- Các ứng dụng khác bao gồm sản xuất rượu và olefin mạch thẳng, ethylchloride,

co-polymer hóa với propene tạo thành ethylene-propylene (EP) và cao su ethylenepropylene-diene (EPDM).
1.3. Tính chất của etylbenzen.
1.3.1. Tính chất vật lý.
Ở điều kiện thường, etylbenzen là chất lỏng không màu với mùi thơm đặc trưng,
etylbenzen có độc tính vừa phải qua cái các con đường như đường ăn uống, hô hấp, kích
thích lên mắt và da.

Các tính chất đặc trưng:
-

-

Khối lượng riêng: ở 150C: 0.87159 g/cm3
ở 200C: 0.867 g/cm3
ở 250C: 0.86262 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy : -94.9490C
Nhiệt độ sôi tại 1 at: 136,1860C
Áp suất tới hạn: 3609 kPa.
Nhiệt độ tới hạn: 344,020C
Nhiệt độ chớp cháy: 150C

7


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

-

SVTH: Phùng Thế

Nhiệt độ tự bốc cháy: 4600C
Ẩn nhiệt nóng chảy: 86.351 J/g.
Ẩn nhiệt hóa hơi: 335 J/g.
Sức căng bề mặt: 28.48 mN/m.
Giới hạn nén 0.264

1.3.2. Tính chất hóa học
- Phản ứng quan trọng nhất của Etylbenzen là để hydro hóa tạo thành styren
+ Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao 600-660 0C trên xúc tác K/ oxit sắt. Hơi
dùng để pha loãng. Phương diện thương mại độ chọn lọc của styren trong khoảng 8996% với độ chuyển hóa từ 65-70%.

-

-

Bên cạnh phản ứng chính còn có các phản ứng phụ gộm: dealkyl hóa
etylbenzen thành benzen và toluen
Một phản ứng quan trọng khác là phản ứng oxy hóa etylbezen bằng không khí
tạo thành hydro peroxit C6H5CH(OOH)CH3. Phản ứng tiến hành trong pha
lỏng, không yêu cầu xúc tác. Tuy nhiên, hydroperoxit là một chất không bền,
dễ phân hủy ở nhiệt độ cao do đó phải tối thiểu hóa nhiệt độ để giảm tỷ lệ phân
hủy. Sự hình thành sản phẩm phụ sẽ giảm nếu nhiệt độ được duy trì thấp trong
thời gian phản ứng. hydroperoxit sẽ phản ứng với C 3H6 tạo thành styren vào
propylene oxide.
Etylbezen có thể dealkyl hóa dưới tá dụng của xút tác hoặc nhiệt tạo thành
benzen.

1.3. Các phương pháp sản xuất etylbenzen
Hiện nay hầu hết etylbenzen sản xuất trong thương mại đều từ quá trình alkyl hóa

benzen bằng etylen. Sự sản xuất etylbenzen tiêu thụ 50% lượng benzen trên thế giới. Quá
trình alkyl hóa này được tiến hành chủ yếu theo 2 phương pháp:

8


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

- Tiến hành trong pha lỏng với xúc tác AlCl3.
- Tiến hành trong pha hơi với xúc tác rắn tầng cố định.
1.3.1 Alkyl hóa pha lỏng
Quá trình alkyl hóa benzen với etylbenzen là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, phản ứng diễn ra
với tốc độ nhanh và sản phẩm thu được phần lớn là etylbenzen khi có mặt xúc tác axit
AlCl3 hoặc axit khác như AlBr3, FeCl3, ZnCl4, BF3. Quá trình này sử dụng C2H5Cl hoặc
HCl như chất khơi mào phản ứng( trợ xúc tác) nhằm mục đích giảm lượng AlCl 3.
C2H4 + HCl + AlCl3 → C2H5+ + AlCl4C6H6 + C2H5+ + AlCl4- → C6H6-C2H5+-AlCl4C6H6-C2H5+-AlCl4- → C6H5-C2H5 + AlCl3 + HCl
Cần hạn chế sự có mặt của H 2O vì gây ăn mòn thiết bị, gây giảm hoạt tính của xúc tác
axit bởi quá trình pha loãng axit.
Công nghệ Monsanto.
Điều kiện vận hành phân xưởng.
- Nguyên liệu benzen phải được sấy khô trước khi sử dụng (<30 ppm H 20)
- Nhiệt độ t= 160-180oC tương ứng với áp suất tuyệt đối p= 1.106 Pa
- Điều chỉnh tỷ số ε = benzen/nhóm etyl = 2÷2,5 để hiệu suất thu sản phẩm tối
đa.
- VVH = 2
- Thu hồi nhiệt tỏa ra để sản xuất hơi nước áp suất thấp nhắm giảm nhiệt độ
phản ứng, giúp cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận.

• Sơ đồ công nghệ:
•

9


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Quá trình alkyl hóa sản xuất Etylbenzen với xúc tác pha lỏng của Monsanto
a.Tháp sấy benzen
b.Thiết bị phản ứng alkyl hóa
c.Thùng chuẩn bị xúc tác
d.Thiết bị chuyển vị alkyl

e.Thiết bị bay hơi
f.Thiết bị rửa khí thải
g.Thiết bị tách lắng
h.Hệ thống trung hòa

Công nghệ Mosanto cải tiến ưu việt hơn so với công nghệ sử dụng AlCl3 thông
thường. Nhiều nhà máy đã cải tiến với công nghệ này. Ưu điểm lớn nhất là giảm lượng
xúc tác AlCl3 sử dụng, vì vậy sẽ giảm giá thành xử lý xúc tác đã qua sử dụng. Monsato
tìm ra rằng bằng cách tăng nhiệt độ và điều chỉnh cẩn thận việc thêm ethylene, nồng độ
AlCl3 yêu cầu có thể giảm tới giới hạn hòa tan. Do đó loại được việc tách pha xúc tác
dạng phức, đạt được hiệu suất phản ứng cao nhất. Công nghệ Monsato cũng gần tương tự
công nghệ truyền thống. Công nghệ hoạt động với nồng độ ethylene vào thấp. Nhiệt độ
quá trình alkyl hóa được duy trì ở 160-180 0C. Nhiệt độ vận hành cao hơn sẽ làm tăng

hoạt tính xúc tác, ngoài ra nhiệt của phản ứng được dùng để sản xuất hơi áp suất thấp.
Khác với công nghệ truyền thống, công nghệ này thực hiện quá trình alkyl hóa và chuyển
mạch alkyl trong thiết bị phản ứng đơn, hệ xúc tác đồng thể dùng trong thiết bị phản ứng
chuyển mạch alkyl riêng. Ở nồng độ xúc tác thấp hơn, quá trình tuần hoàn
polyalkylbenzene kết thúc phản ứng alkyl hóa. Vì vậy chỉ có benzene khô, ethylene và

10


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

xúc tác làm nguyên liệu cho thiết bị phản ứng alkyl hóa. Polyalkylbenzene tuần hoàn sẽ
được trộn với sản phẩm của thiết bị phản ứng alkyl hóa để vào thiết bị phản ứng chuyển
mạch alkyl. Thiết bị này vận hành ở nhiệt độ thấp hơn so với thiết bị phản ứng alkyl hóa
sơ cấp. Sau quá trình chuyển mạch alkyl, sản phẩm phản ứng được rửa và trung hòa để
loại bỏ AlCl3. Với công nghệ đồng thể, tất cả xúc tác ở dạng dung dịch. Hỗn hợp sản
phẩm và xúc tác dư sau đó được làm sạch, sử dụng một loạt thiết bị tương tự công nghệ
AlCl3 đã miêu tả. Như những công nghệ dùng AlCl 3, phần cặn hữu cơ sẽ được dùng làm
nhiên liệu đốt và AlCl3 loại được dùng để bán hoặc gửi cho các nhà máy xử lý.

1.3.2 Alkyl hóa pha hơi
Alkyl hóa pha hơi được thử nghiệm từ đầu những năm 1940 nhưng không thể
cạnh tranh với công nghệ pha lỏng sử dụng xúc tác AlCl 3. Sau nhiều cải tiến thì công
nghệ pha hơi cho độ chọn lọc cao, độ chuyển hóa cao hơn, không gây ăn mòn thiết bị, sản
phẩm alkyl hóa không cần tiếp tục xử lý lắng rượu kiềm và nước để loại bỏ vết AlCl 3
hoặc BF3.
1.3.3.Quá trình Alkyl hóa trên xúc tác Zeolite trong pha lỏng

Công nghệ pha lỏng sử dụng xúc tác Zeolite bắt đầu được thương mại hóa từ năm
1990, nhà máy đầu tiên vận hành bởi Nippon SM của Nhật, dựa trên công nghệ của hãng
ABB Lummus Global and Unocal. Công nghệ này sử dụng xúc tác Zeolite Y và gần đây
hơn là β Zeolite siêu ổn định. Công nghệ EB trên pha lỏng, EBMax của Mobil-Badger,
dựa trên xúc tác Mobil MCM-22, được đưa vào hoạt động lần đầu ở Chiba Styrene
Monomer Corp, Nhật. Có tất cả 12 nhà máy sử dụng công nghệ xúc tác Zeolite trong pha
lỏng được đưa vào vận hành cuối năm 1999. Mặc dù có nhiều điểm khác biệt giữa 2 công
nghệ nhưng cả hai đều có ưu điểm là vốn đầu tư thấp, chất lượng sản phẩm tốt hơn so với
những công nghệ ra đời trước đó (công nghệ pha hơi của Mobil-Badger).
1.3.4. Công nghệ sử dụng Zeolite pha hỗn hợp
Công nghệ sản xuất ethylbenzene trong pha hỗn hợp được đưa ra bởi CDTech, là
công ty liên hợp của ABB Lummus Global và Chemical Research and Licensing. Nhà
máy đầu tiên ra đời vào năm 1994 và tới năm 1999 ba phân xưởng đã đi vào vận hành.
Đặc trưng của công nghệ này là thiết bị phản ứng alkyl hóa chứa xúc tác Zeolite. Khí
ethylene và benzene lỏng vào tháp chưng. Do nguyên liệu vào là ethylene trong pha hơi,

11


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

công nghệ này sử dụng ethylene loãng sản xuất từ quá trình chưng cất của cracking hơi
nước.
1.3.5. Quá trình chưng tách từ hỗn hợp C8
Ít hơn 1% ethylbenzene được sản xuất từ quá trình này, thường kết hợp với sản
xuất Xylene từ sản phẩm của quá trình reforming. Dù công nghệ hấp phụ đã phát triển,
chủ yếu vẫn là công nghệ EBEX của UOP. Sản xuất ethylbenzene từ nguồn này tiến hành

phần lớn bằng chưng cất. Do quá trình tách rất khó khăn, công nghệ tiến hành chưng
trong khoảng hẹp ( siêu chưng phân đoạn ). Công nghệ đầu tiên của hãng Cosden Oil and
Chemical Company ra đời năm 1957, liên kết với Badger Company. Quá trình tách yêu
cầu 3 tháp chưng , mỗi tháp hơn 100 đĩa. Nhiều nhà máy được xây dựng ở Mỹ, châu Âu
và Nhật trong năm 1960. Tuy nhiên do vốn đầu tư và giá năng lượng tăng khiến phương
pháp này không có tính cạnh tranh.

2. Hóa học quá trình sản xuất
2.1. Cơ chế và điều kiện của quá trình
a. Xúc tác
Tùy thuộc vào tác nhân Alkyl hóa mà có thể sử dụng các xúc tác khác nhau. Các
tác nhân alkyl hóa hydrocacbon thơm sử dụng chủ yếu trong công nghiệp là các dẫn xuất
clo và olefin. Rượu ít được sử dụng cho quá trình alkyl hóa hydrocacbon thơm vì có khả
năng alkyl hóa kém hơn.
- Khi tác nhân là các dẫn xuất clo: xúc tác hữu hiệu nhất là các acid phi proton,
phổ biến nhất là AlCl3. Hỗn hợp phản ứng trong pha lỏng khi alkyl hóa với xúc tác AlCl3
bao gồm 2 pha: phức xúc tác và lớp hydrocacbon.
- Khi tác nhân là olefin: thường dùng xúc tác là AlCl3; ngoài ra có thể dùng
a.H2SO4, HF, H3PO4 trên chất mang, aluminosilicat, zeolit...
Trong đó:
* Khi xúc tác là a.H2SO4 hoặc HF: quá trình ở pha lỏng
- T = 10 ÷ 40oC
- P = 0,1 ÷ 1 MPa
* Khi xúc tác là a.H3PO4 rắn: quá trình ở pha khí

12


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

- T =225 ÷ 275oC
- P = 2 ÷ 6 Mpa
* Khi xúc tác là aluminosilicat, zeolit: quá trình ở pha lỏng hoặc pha khí
- T = 200 ÷ 400oC
- P = 2 ÷ 6 Mpa
AlCl3 ở trạng thái rắn hầu như không tan trong hydrocacbon và xúc tác rất yếu cho
phản ứng. Tuy nhiên theo mức độ hình thành HCl, AlCl 3 bắt đầu chuyển qua trạng thái
lỏng có màu sậm. Chất lỏng này mặc dù không tan trong hydrocacbon nhưng có hoạt tính
rất lớn và do đó tốc độ phản ứng sẽ tăng lên. Trạng thái hoạt động của AlCl 3 có thể chuẩn
bị bằng cách sục khí HCl qua hệ huyền phù của AlCl 3 trong hydrocacbon, khi đó sẽ hình
thành phức của AlCl3 và HCl với 1 đến 6 phân tử hydrocacbon thơm, trong đó một phân
tử này nằm ở trạng thái cấu trúc đặc biệt mang điện tích dương (phức σ) còn các phân tử
còn lại hình thành lớp solvat:

Nhằm đạt được vận tốc alkyl hóa cao ngay từ thời điểm bắt đầu phản ứng, phức
này thường được chuẩn bị trước rồi sau đó đưa vào hệ phản ứng.
b. Cơ chế phản ứng
- Khi tác nhân là dẫn xuất Clo RCl:
Xúc tác AlCl3 sẽ hoạt hóa Cl tạo ra phức phân cực mạnh (phức σ) và hình thành
cacbocation
- Khi tác nhân là olefin:
Xúc tác AlCl3 sẽ kết hợp với chất đồng xúc tác là HCl để tạo ra cacbocation
CH2 = CH2 + HCl + AlCl3 ↔ CH3 - CH2 + + AlCl4
- Trong trường hợp này cấu tạo của nhóm alkyl trong sản phẩm được xác định theo
nguyên tắc về sự tạo thành cacbocation bền vững nhất ở giai đoạn trung gian (bậc III >
bậc II > bậc I).

13


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

- Khi tác nhân là olefin: xúc tác dị thể
Zeol-O-H+ + CH2=CH2 → CH3-CH2+ + Zeol-O-

CH3 - CH2+ + Zeol-O- +

c. Các phản ứng phụ xảy ra
Các phản ứng phụ có thể xảy ra trong quá trình alkyl hóa hydrocacbon
thơm
- Alkyl hóa nối tiếp
- Nhựa hóa
- Phân hủy các nhóm alkyl
- Polyme hóa olefin

14


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

d. Thiết bị phản ứng Alkyl hóa

e. Lựa chọn công nghệ
Qua việc so sánh đánh giá các công nghệ, em nhận thấy công nghệ Monsanto sản
xuất Ethylbenzene bằng phương pháp Alkyl hóa xúc tác AlCl 3, tiến hành trong pha lỏng
có nhiều ưu điểm nổi bật, trong đó phải kể đến:
- Xúc tác có hoạt tính cao. Độ ổn định của xúc tác cao
- Do độ chọn lọc của xúc tác cao. Lượng sản phẩm phụ sinh ra ít, sản phẩm
ethylbenzene thu được có độ tinh khiết cao 99.9%
- Năng suất cao, giảm giá thành sản xuất
- Vốn đầu tư và giá thành chế tạo thiết bị thấp do các thiết bị trong khối phản ứng
làm từ vật liệu thép Cacbon, không cần dùng hợp kim đặc biệt và phủ trên bề mặt
Từ đó em lựa chọn công nghệ MONSANTO để thiết kế dây chuyền sản xuất
Ethylbenzene.

15


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

16


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Phần II. Thiết kế dây chuyền sản xuất

17


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Phần III. Tính toán công nghệ
* Số liệu ban đầu :
- Năng suất: 9500 tấn/năm
- Hiệu suất các quá trình:
+ Sấy Benzen: 98.5%
+ Alkyl hóa: 94%
+ Chuyển mạch Alkyl: 95%
+ Xả khí: 97.5%
+Chưng Benzen: 92.5%
+ Chưng Ethylbenzene: 94%
+ Tách polyethylbenzene: 93.5%
- Benzen có độ tinh khiết: 93%
- Độ tinh khiết sản phẩm: 97.5%
1. Tính cân bằng vật chất
1.1. Tháp sấy khô Benzen (hiệu suất: 98.5%)
Giả sử dòng nguyên liệu Benzen vào tháp sấy khô với lưu lượng 1000 kg/h, có độ
tinh khiết 93% và còn lại 7% tạp chất gồm thiophen và nước.
Bảng 1.1a: Thành phần và lưu lượng dòng vào tháp sấy khô Benzen.
Nguyên liệu
Benzen

Toluen
Nước

Thành phần
93%
4%
3%

Lưu lượng(kg/h)
930
40
30

Dòng nguyên liệu được cho vào tháp sấy khô để loại bỏ nước với hiệu suất tháp
sấy khô là 98.5%.
Xét thành phần ở đỉnh của hỗn hợp phản ứng với hiệu suất tách nước đạt 98.5% và
1.5% còn lại bị lẫn vào thành phần đáy ra khỏi tháp.

18


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Lưu lượng H2O được tách ra:
MH2O = 30*0.985 = 29.55 (Kg/h)
Phần lỏng bị cuốn theo dòng sản phẩm đỉnh ra khỏi tháp sấy:
MC6H6 = 930*0.015 = 13.95 (kg/h)

MC7H8 = 40*0.015 = 0.6 (kg/h)
Bảng 1.1b: Cân bằng vật chất của tháp sấy Benzen.
Vào
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2 O
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
930
40
30
1000

Cấu tử
C6H6
C7H8
H2O
Tổng

Ra
Đỉnh
Đáy
Lưu lượng (Kg/h)
13.95
916.05
0.6
39.4
29.55

0.45
44.1
955.9
1000

1.2. Tháp alkyl hóa (hiệu suất: 94%)
Giả sử dòng nguyên liệu Etylen có lưu lượng 400 (kg/h) và thành phần: 60% là
Etylen, 40% là Etan.
Bảng 1.2a: Thành phần và lưu lượng dòng Etylen.
Lưu lượng (kg/h)
240
160

C2H4
C2H6

Lưu lượng (kmol/h)
8.57
5.33

Giả sử dòng xúc tác AlCl3 có lưu lượng: 1 (kg/h)
Các phản ứng xảy ra trong thiết bị:
C6H6

+

x
C6H6-C2H5
y

C2H4

→

x
+

C2H4
y

C6H5-C2H5

(1)

x
→

C6H4-(C2H5)2

(2)

y

19


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Do hiệu suất của tháp là 94% nên ta có:
nC6H5-C2H5 = 0.94*nC2H4
Từ phương trình (1) và (2) ta được hệ:
x

+

y

=

8.57

x

-

y

=

0.94*(x+y)

Giải hệ ta được: x= 8.313, y=0.257
Vậy ta được:
Lưu lượng Benzen đã phản ứng: mC6H6 pư = 8.313*78 = 648.414 (kg/h)
Lưu lượng Benzen dư ra khỏi tháp: mC6H6 dư = 916.05 – 648.414 = 267.64 (kg/h)
Lưu lượng EtylBenzen được tạo thành: mC6H5-C2H5 = (8.313-0.257)*106 = 853.936
(kg/h)

Lưu lượng dietylbenzen được tạo thành: mC6H4-(C2H5)2 = 0.257*134 = 34.438 (kg/h)
Lưu lượng Etylen dư ra khỏi tháp: mC2H4 = 240 – 240*0.94 = 14.4 (kg/h)
Bảng 1.2b: Cân bằng vật chất cho tháp Alkyl hóa.
Vào
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3

Lưu lượng (Kg/h)
916.05
39.4
0.45
240
160
1

Tổng

1356.9

Ra
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2O
C2H4

C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (kg/h)
267.64
39.4
0.45
14.4
160
1
853.936
34.438
1356.8

20


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

1.3. Tháp chuyển nhóm Alkyl (hiệu suất: 95%)
Phản ứng xảy ra trong tháp:
C6H4-(C2H5)2

+

0.257(kmol/h)

C 6 H6

→

2C6H5-C2H5

0.257 (kmol/h

2*0.257*0.95 (kmol/h)

Vậy ta được:
Lưu lượng dietylbenzen dư ra khỏi tháp: m C6H4-(C2H5)2 = 34.438 – 34.438*0.95 =
1.722 (kg/h)
Lưu lượng Benzen ra khỏi tháp: mC6H6 = 267.64 – 0.257*78 = 247.59 (kg/h)
Lưu lượng Etylbenzen ra khỏi tháp: 2*0.257*0.95*106 + 853.936 = 905.7 (kg/h)
Bảng 1.3: Cân bằng vật chất cho tháp chuyển nhóm Aklyl.
Vào
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
267.64
39.4
0.45
14.4
160
1
853.936
34.438
1371.264

Ra
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
247.59
39.4
0.45
14.4
160

1
905.7
1.722
1370.9

1.4. Thiết bị xả nhanh (hiệu suất: 97.5%)
Xét trong pha khí, các khí thoát ra từ hỗn hợp phản ứng chiếm 97.5% thể tích của khí đó
trong hỗn hợp. 3% còn lại theo dòng lỏng ra khỏi thiết bị.
Lưu lượng C2H4 tách ra: mC2H4 = 14.4*0.975 = 14.04 (kg/h)
Lưu lượng C2H6 tách ra: mC2H6 = 160*0.975 = 156 (kg/h)
Một phần lỏng bị dòng hơi cuốn ra 2.75%

21


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Lưu lượng C6H6 bị cuốn: mC6H6 = 247.59*0.025 = 7.43 (kg/h)
Lưu lượng C7H8 bị cuốn: mC7H8 = 39.4*0.025 = 1.182 (kg/h)
Lưu lượng H2O bị cuốn: mH2O = 0.45*0.025 = 0.01 (kg/h)
Lưu lượng AlCl3 bị cuốn: mAlCl3 = 1*0.025 = 0.025 (kg/h)
Lưu lượng C6H5-C2H5 bị cuốn: mC6H5-C2H5 = 905.7*0.025 = 27.17 (kg/h)
Lưu lượng C6H4-(C2H5)2 bị cuốn: mC6H4-(C2H5)2 = 1.722*0.025 = 0.05 (kg/h)
Bảng 1.4: Cân bằng vật chất của thiết bị xả nhanh.
Vào

Ra

Cấu tử

Lưu lượng (Kg/h)

Cấu tử

C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4(C2H5)2
Tổng

247.59
39.4
0.45
14.4
160
1
905.7
1.722

C6H6
C7H8
H2O
C2H4

C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2

Lưu lượng (Kg/h)
Đỉnh
Đáy
7.43
240.16
1.18
38.22
0.01
0.44
14.04
0.36
156
4
0.025
0.97
27.17
878.53
0.05
1.672

1370.9

Tổng

206.85

1163.41
1370.26

1.5. Thiết bị rửa khí thu hồi benzen (hiệu suất: 97%)
Dòng khí sau khi ra khỏi thiết bị xả nhanh sẽ được đưa vào thiết bị rửa khí để thu hồi
lượng benzen còn lại trong phần khí. Dòng benzen nguyên liệu được đưa vào thiết bị từ
trên xuống, dòng khí đi từ dưới lên. Dòng benzen sẽ hấp thụ các thành phần: benzen,
toluen, etylbenzen, dietylbenzen, nước.
Lưu lượng C6H6 vào thiết bị: mC6H6 = 916.05 + 7.43 = 923.48 (kg/h)
Lưu lượng C7H8 vào thiết bị: mC7H8 = 1.18 + 39.4 = 40.58 (kg/h)
Lưu lượng H2O vào thiết bị: mH2O = 0.01 + 0.45 = 0.46 (kg/h)
Vậy ta có:

22


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

Lưu lượng C6H6 ra ở đỉnh: 923.48*0.03 = 27.704 (kg/h)
Lưu lượng C7H8 ra ở đỉnh: 40.58*0.03 = 1.22 (kg/h)
Lưu lượng H2O ra ở đỉnh: 0.46*0.03= 0.0138 (kg/h)
Lưu lượng C6H5-C2H5 ra ở đỉnh: 27.17*0.03 = 0.815 (kg/h)
Lưu lượng C6H4-(C2H5)2 ra ở đỉnh: 0.05*0.03= 1.5*10-3 (kg/h)
Bảng 1.5: Cân bằng vật chất của tháp rửa khí thu hồi Benzen.
Vào
Cấu tử

Lưu lượng (Kg/h)

C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

923.48
40.58
0.46
14.04
156
0.03
27.17
0.05
1147.77

Ra
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6

AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
Đỉnh
Đáy
27.704
895.78
1.22
39.36
0.0138
0.446
14.04
0
156
0
0.03
0
0.815
26.355
-3
1.5*10
0.0485
185.78
963.13
1148.1

1.6. Tháp chưng Benzen (hiệu suất: 92.5%)

Dòng sản phẩm sau khi đi ra từ đáy thiết bị xả nhanh được đưa qua thiết bị lắng
cặn, trung hòa axit bằng NH 3 và được đưa vào tháp chưng tách thu Benzen với hiệu suất
92.5%.
Lưu lượng sản phẩm thu được ở đỉnh tháp chưng:
mC6H6 = 240.16*0.925 = 222.15 (kg/h)
mC7H8 = 38.22*0.925 = 35.35 (kg/h)
mH2O = 0.44*0.925 = 0.407 (kg/h)
mC2H4 = 0.36* 0.925 = 0.333 (kg/h)

23


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

mC2H6 = 3*0.925 = 3.7 (kg/h)
mAlCl3 = 0.97*0.925 = 0.897 (kg/h)
Lưu lượng Etylbenzen, dietylbenzen bị cuốn theo ra ở đỉnh tháp:
mC6H5-C2H5 = 878.53*0.025 = 21.96 (kg/h)
mC6H4-(C2H5)2 = 1.672*0.025 = 0.0418 (kg/h)

Bảng 1.6: Cân bằng vật chất của tháp chưng Benzen.
Vào
Cấu tử

Lưu lượng (Kg/h)

C6H6

C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

240.16
38.22
0.44
0.36
4
0.97
878.53
1.672
1164.352

Ra
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
Đỉnh
Đáy
222.15
18.01
35.35
2.87
0.407
0.033
0.333
0.027
3.7
0.3
0.897
0.003
21.96
856.57
0.0418
1.63
284.82
879.443
1164.263

1.7. Tháp chưng Etylbenzen
Dòng sản phẩm đáy từ tháp chưng Benzen đi vào tháp chưng Etylbenzen với hiệu
suất 94%, dòng sản phẩm đỉnh được lấy ra là etylbenzen.
Lưu lượng sản phẩm đỉnh:
mC6H6 = 18.01*0.94 = 16.93 (kg/h)
mC7H8 = 2.87*0.94 = 2.7 (kg/h)

24


GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
Việt

SVTH: Phùng Thế

mH2O = 0.033*0.94 = 0.03(kg/h)
mC2H4 = 0.027* 0.94 = 0.0254 (kg/h)
mC2H6 = 0.3*0.94 = 0.282 (kg/h)
mAlCl3 = 0.003*0.94 = 2.82*10-3 (kg/h)
Lưu lượng dietylbenzen lẫn ở đỉnh tháp:
mC6H4-(C2H5)2 = 1.63*0.06 = 0.099 (kg/h)
Bảng 1.7: Cân bằng vật liệu của tháp chưng Etylbenzen
Vào
Cấu tử

Lưu lượng (Kg/h)

C6H6
C7H8
H2 O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4-(C2H5)2

18.01
2.87
0.033
0.027
0.3
0.003
856.57
1.63

Tổng

879.443

Ra
Cấu tử
C6H6
C7H8
H2O
C2H4
C2H6
AlCl3
C6H5-C2H5
C6H4(C2H5)2
Tổng

Lưu lượng (Kg/h)
Đỉnh
Đáy
16.93
1.08

2.7
0.17
0.03
0.001
0.254
1.6*10-3
0.282
0.018
-3
2.82*10
1.8*10-4
805.18
51.39
0.099
1.531
825.24

54.19
879.43

1.8. Tháp chưng Polyetylbenzen (hiệu suất 93.5%)
Dòng sản phẩm đáy từ tháp chưng Etylbenzen đi sang tháp chưng polyetylbenzen
với hiệu suất 93.5%, sản phẩm đỉnh được lấy ra là polyetylbenzen sẽ được tuần hoàn lại
thiết bị chuyển nhóm alkyl.
Lưu lượng sản phẩm đỉnh:
mC6H6 = 1.08*0.935 = 1.01 (kg/h)
mC7H8 = 0.17*0.935 = 0.159 (kg/h)

25