THIẾT kế hệ THỐNG TRAO đổi NHIỆT CHO QUY TRÌNH sản XUẤT BENZENE từ TOLUENE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
CHO QUY TRÌNH SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE

GVHD: ThS. NGUYỄN KIM TRUNG
SVTH:

TRƯƠNG TIẾN ANH

MSSV:

1710534

TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 08 NĂM 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
CHO QUY TRÌNH SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE

GVHD: ThS. NGUYỄN KIM TRUNG

SVTH:

TRƯƠNG TIẾN ANH

MSSV:

1710534

TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 08 NĂM 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Số:……./BKDT
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: TRƯƠNG TIẾN ANH

MSSV: 1710534

Ngành: Kỹ Thuật Chế Biến Dầu Khí

Lớp: HC17DK

I. TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
BENZENE TỪ TOLUENE

II. NHIỆM VỤ:
- Tìm hiểu quy trình sản xuất Benzene và cơ sở lý thuyết về q trình hydrodealkyl
hóa nhiệt.
- Mơ phỏng quy trình sản xuất trong mơi trường tĩnh bằng phần mềm Aspen Hysys.
- Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phần mềm Aspen Energy Analyzer.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH:
V. HỌ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Kim Trung
TP. Hồ Chí Minh, Ngày…tháng…năm 2021
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt: ..........................................
Đơn vị: ...................................................
Ngày bảo vệ: ..........................................
Điểm tổng kết: .......................................
Nơi lưu trữ: ............................................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Ngày…tháng…năm 2021
(GV ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Ngày…tháng…năm 2021
(GV ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN
Bằng tất cả lòng biết ơn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy hướng
dẫn của mình là thầy Nguyễn Kim Trung. Mặc dù luận văn của em vẫn chưa đi đến cuối
cùng như thầy trị đã kì vọng, tuy nhiên bằng sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy mà đề tài
của em cơ bản đã hoàn thành. Cảm ơn thầy đã quan tâm và hỗ trợ về mặt tinh thần, cùng
với những lời khuyên hết sức quý giá đã giúp em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô trong bộ mộ Kỹ thuật
hóa học nói riêng và thầy cơ trường Đại học Bách Khoa nói chung đã trang bị cho em
những hành trang kiến thức vững chắc, những bài học kinh nghiệm thực tế của thầy cô.

Cảm ơn thầy cô đã luôn tâm huyết với nghề, cống hiến hết mình cho cơng cuộc giảng
dạy và đào tạo nên những con người thành công.
Cảm ơn những người bạn của tôi suốt những năm học vừa qua, đã cùng nhau học
tập, cùng nhau ôn thi và cùng nhau trưởng thành. Cảm ơn những người bạn, những
người anh, từ những người không quen biết nhưng đã hết sức giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn mọi người đã cho mình những kỷ niệm và dấu
ấn thời sinh viên.
Có được ngày hơm nay, tất cả là nhờ sự chăm sóc, ni nấng của bố mẹ. Dù con
có lớn, nhưng trong mắt của bố mẹ, con vẫn luôn là một đứa trẻ, luôn luôn được bố mẹ
quan tâm. Con cảm ơn bố mẹ! những người đã hy sinh rất nhiều để cho con được như
ngày hôm nay, con cảm ơn bố - một người bố đã lắng nghe con trong bất cứ hồn cảnh
nào, ln ln tin tưởng và kỳ vọng vào con, con cảm ơn mẹ - người hay nói nhiều và
nói những điều “con biết rồi!” thế nhưng đó là những lời quan tâm chân thành nhất của
một người mẹ. Cảm ơn một người đặc biệt của tôi, người đã bên tôi suốt một năm qua,
trải qua bao nhiêu chuyện thăng trầm, nhưng vẫn luôn luôn tin tưởng, quan tâm hết mực
và vẫn ở bên tôi đến hiện tại và cho đến tận sau này.
Cuối cùng, cảm ơn mái trường Bách Khoa, nơi mơ ước, cũng là nguyện vọng
ngày cấp ba của tôi đã cho tôi hơn cả tri thức, mà cịn là những tình cảm, những kỉ niệm
đáng nhớ. Để sau này khi ra trường, tơi vẫn ln tự hào: Mình là sinh viên Bách Khoa!
Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày…tháng…năm 2021.
i


TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong giới hạn của luận văn, phần mềm Aspen Hysys được sử dụng để mơ phỏng
quy trình sản xuất benzene từ toluene với hệ thống trao đổi nhiệt giúp tiết kiệm lượng
tiện ích, giảm chi phí vận hành. Luận văn được thực hiện qua các nội dung sau:
● Trình bày tổng quan đề tài với các vấn đề xung quanh đề tài, ý nghĩa của đề

tài.
● Trình bày cơ sở lý thuyết, về nguyên vật liệu, sản phẩm, mơ tả lý thuyết về
q trình sản xuất và lý thuyết về thiết kế Pinch; sơ lược về phần mềm Aspen
Hysys và Aspen Energy Analyzer.
● Thiết lập Case mô phỏng hội tụ bằng việc chọn cấu tử, hệ nhiệt động, thực
hiện phản ứng hóa học; thiết lập các dòng vật chất, dòng năng lượng; thiết lập
các thiết bị, đồng thời liên kết các thiết bị với nhau để Case mô phỏng được
hội tụ.
● Sử dụng phần mềm Aspen Energy Analyzer để thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt
(HEN), sau đó thiết kế lại quy trình trên Aspen Hysys để quy trình tiệm kiệm
lượng tiện ích sử dụng, giảm chi phí vận hành. Đồng thời khảo sát các khía
cạnh như vốn đầu tư, giá vận hành và thời gian hoàn vốn của thiết kế so với
thiết kế khác, để người kỹ sư, chủ đầu tư có thể cân nhắc chọn lựa.
Case mô phỏng đã hội tụ, cho lượng benzene có độ tinh khiết rất cao (99,99%)
với sản lượng 75,76 tấn/h so với đầu vào 92,14 tấn/h toluene và 10,08 tấn/h hydrogen.
Khả năng thu hồi nhiệt của quy trình rất đáng kể, lên đến 3.169E+008 kJ/h, bằng
96,027% mục tiêu ban đầu. Đề tài cũng đã khảo sát được vấn đề kinh tế và tính khả thi
của quy trình.

ii


MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi
CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU .........................................................................................1

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ..............................3
1.3. Ý NGHĨA ...........................................................................................................3
CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................5

2.1. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM .....................................5
2.1.1.

Nguyên liệu ..............................................................................................5

2.1.2.

Sản phẩm benzene [4] ..............................................................................6

2.2. Q TRÌNH HYDRODEALKYL HĨA TOLUENE ......................................8
2.2.1.

Hydrodealkyl hóa có xúc tác ...................................................................8

2.2.2.

Hydrodealkyl hóa nhiệt [6] ......................................................................9

2.2.3.

Sơ đồ quy trình cơng nghệ [7] .................................................................9

2.3. TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PINCH ...........................................................10
2.3.1.

Khái niệm Pinch [8] ...............................................................................10

2.3.2.

Xây dựng đường cong tổng hợp cho các dịng nóng và nguội [9] ........11

2.3.3.

Đường cong tổng hợp lớn (Grand Composite Curve) [10] ...................13

2.3.4.

Nguyên tắc Pinch [11] ...........................................................................14

2.3.5.

Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch [12] ............15

2.3.6.

Aspen Energy Analyzer (AEA) [13] .....................................................15
iii


MỤC LỤC

CHƯƠNG 3:

PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN .........................................................17

3.1. MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ .....................................................17
3.1.1.

Cấu tử - Hệ nhiệt động – Các phản ứng ................................................17

3.1.2.

Xây dựng cụm quy trình ........................................................................19

3.2. TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT – PHÂN TÍCH PINCH .....22
3.2.1.

Trích xuất và phân tích dữ liệu ..............................................................23

3.2.2.

Thiết kế HEN [22] .................................................................................30

3.2.3.

Lựa chọn phương án tối ưu ....................................................................34

3.2.4.

Thiết kế quy trình cuối cùng ..................................................................38

CHƯƠNG 4:

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..............................................................43

4.1. KẾT QUẢ CÁC DÒNG VẬT CHẤT .............................................................43
4.2. KẾT QUẢ CÁC DÒNG NĂNG LƯỢNG ......................................................47
4.3. ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ HEN ..........................................................................48
4.3.1.

Khả năng thu hồi nhiệt ...........................................................................48

4.3.2.

Đánh giá kinh tế .....................................................................................49

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................54

5.1. KẾT LUẬN ......................................................................................................54
5.2. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................56
PHỤ LỤC ......................................................................................................................59

iv


DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Nhu cầu benzene tại thị trường trung quốc các năm qua từ 2016-2020 [5] ....8
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình cơng nghệ THDA nhà máy Axens sử dụng [7] ...................10
Hình 2.3: Xây dựng đường gộp .....................................................................................12
Hình 2.4: Giản đồ (T-ΔH) với các đường gộp ..............................................................12
Hình 2.5: Xây dựng đường cong tổ hợp lớn [10] ..........................................................13
Hình 2.6: Sử dụng đường cong tổng hợp lớn cho mục tiêu nhiều tiện ích [10] ............14
Hình 2.7: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch
.......................................................................................................................................15
Hình 3.1: Case mơ phỏng quy trình sản xuất benzene từ toluene khi chưa tối ưu nhiệt
.......................................................................................................................................22
Hình 3.2: Các dịng nóng, lạnh và tiện ích được AEA trích xuất từ quy trình ..............24
Hình 3.3: Ảnh hưởng của DTmin đến tổng chi phí của quy trình.................................26
Hình 3.4: Thiết lập các mục tiêu năng lượng bằng giản đồ đường tổng hợp nóng, lạnh
.......................................................................................................................................27
Hình 3.5: Sử dụng đường cong tổ hợp lớn của quy trình để lựa chọn dịng tiện ích tối ưu
ứng với DTmin = 12 oC .................................................................................................29
Hình 3.6: Sơ đồ lưới thiết kế HEN ................................................................................33
Hình 3.7: Thiết kế HEN được đề xuất từ AEA .............................................................34
Hình 3.8: Cấu tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ và ống .................................................38
Hình 3.9: Case mơ phỏng quy trình sản xuất Benzene từ Toluene có tận dụng nhiệt ..41
Hình 3.10: Trao đổi nhiệt với dịng To Reboiler ở tháp T-100 (a) và To Reboiler ở tháp
T-101 (b) ........................................................................................................................42

v


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các cấu tử trong quy trình ............................................................................17

Bảng 3.2: Các thơng số ngun liệu ..............................................................................19
Bảng 3.3: Các thơng số của dịng hỗn hợp ngun liệu ................................................20
Bảng 3.4: Thông số cài đặt thiết bị phản ứng ................................................................20
Bảng 3.5: Thông số cài đặt thiết bị tháp chưng cất .......................................................21
Bảng 3.6: Các dịng tiện ích của thiết kế chưa được tối ưu nhiệt ..................................23
Bảng 3.7: Thông số các dịng nóng, lạnh và tiện ích được trích xuất để thiết kế Pinch24
Bảng 3.8: Giá trị DTmin theo kinh nghiệm của Linnhoff March [18] ..........................26
Bảng 3.9: Mục tiêu thu hồi nhiệt ...................................................................................27
Bảng 3.10: Các dịng cơng nghệ cịn lại được giải nhiệt ...............................................32
Bảng 3.11: Chi phí và hiệu quả của thiết kế khi chưa được tối ưu nhiệt ......................36
Bảng 3.12: Đánh giá chi phí và hiệu quả thiết kế HEN ban đầu ...................................36
Bảng 3.13: Đánh giá chi phí và hiệu quả thiết kế AEA đề xuất ....................................37
Bảng 3.14: Thông số cài đặt cho các thiết bị trong thiết kế HEN .................................39
Bảng 4.1: Thơng số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị phản ứng .....43
Bảng 4.2: Thơng số tính chất và lưu lượng mole dịng vào và ra thiết bị tách 2 pha ....44
Bảng 4.3: Thông số tính chất và lưu lượng mole dịng vào và ra thiết bị chưng cất T-100
.......................................................................................................................................45
Bảng 4.4: Thơng số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị chưng cất T-101
.......................................................................................................................................46
Bảng 4.5: Thơng số tính chất và lưu lượng mole các dịng hồn lưu và dịng khí purge
.......................................................................................................................................47
Bảng 4.6: Kết quả các dòng năng lượng trong thiết kế tận dụng nhiệt .........................48
Bảng 4.7: Đánh giá khả năng thu hồi nhiệt của HEN hiện tại ......................................49
vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.8: Mức sử dụng và chi phí vận hành của các dịng tiện ích ..............................51
Bảng 4.9: Các giá trị để tính chi phí mua thiết bị ..........................................................52
Bảng 4.10: Ước tính chi phí mua các thiết bị trao đổi nhiệt .........................................52

vii


GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình tổng hợp benzene là một trong những quá trình được tiến hành rộng rãi

nhất trên thế giới. Là hydrocarbon thơm đơn giản nhất cũng là một trong những chất
hóa dầu cơ bản, benzene có những ứng dụng đa dạng vào đời sống con người như: chế
tạo thuốc nổ, các hóa chất nhiếp ảnh, thuốc nhuộm, keo dán, sơn, chất tẩy rửa,…
Thử thách mà người kỹ sư phải giải quyết khi nghiên cứu quy trình sản xuất
benzene nói riêng và hóa chất nói chung đó là ba vấn đề: kinh tế, năng suất và ổn định.
Tính tốn trên lý thuyết là khơng đủ để đáp ứng các yêu cầu trên. Vì thế, thiết kế quy
trình cơng nghệ hóa học với sự trợ giúp của phần mềm mơ phỏng có thể cho người kỹ
sư hóa học một cái nhìn tổng quan và chi tiết về một quy trình cụ thể. Phần mềm mơ
phỏng động giúp ta lên kế hoạch cho một dự án, dự đốn được kết quả và những khó
khăn để từ đó người kỹ sư có những thay đổi phù hợp với từng mục đích.
Mơ hình mơ phỏng được sử dụng hàng ngày và vì vậy mơ phỏng là một khái
niệm khơng xa lạ với chúng ta. Mơ phỏng có thể hiểu là sự phỏng theo (trên máy tính)
của một hệ khi nó diễn bến theo thời gian. Người ta sử dụng phần mềm mơ phỏng vì
nhiều mục đích [1]:
● Đạt sự thấu hiểu hoạt động hệ thống: Một số hệ thống phức tạp đến mức khó
có thể hiểu được hoạt động và các tương tác trong hệ thống mà khơng có mơ
hình động. Nói cách khác, có thể khơng thể nghiên cứu hệ thống bằng cách
dừng nó hoặc kiểm tra các thành phần riêng lẻ.

● Phát triển hệ thống điều hành hoặc tài nguyên để cải thiện hiệu năng hệ thống:
Có hai cách cơ bản để làm điều này là thay đổi hệ thống điều hành hoặc tài
nguyên.
● Thử nghiệm ý tưởng hoặc hệ thống mới trước khi thực thi: Nếu chưa có hệ
thống hoặc bạn đang xem xét việc mua các hệ thống mới, một mơ hình mơ
phỏng có thể giúp cung cấp thơng tin xem hệ thống đó có hoạt động tốt hay
không.

1


GIỚI THIỆU
● Đạt được thông tin mà không làm nhiễu loạn hệ thống thực tế: Các mơ hình
mơ phỏng có thể là phương pháp duy nhất để thử nghiệm với các hệ thống mà
không làm hệ thống bị nhiễu loạn. Một số hệ thống rất quan trọng hoặc nhạy
cảm đến mức không thể thực hiện bất kỳ loại thay đổi nào liên quan tới nguyên
liệu hoặc vận hành nào để phân tích hệ thống.
Từ những mục đích trên, ta có thể thấy tầm quan trọng của mô phỏng đối với việc
thiết kế, từ đó mà nó mang lại cho người kỹ sư nhiều lợi ích:
● Thử nghiệm trong thời gian được rút ngắn.
● Giảm các yêu cầu phân tích.
● Các mơ hình dễ dàng được trình diễn.
Trong lĩnh vực cơng nghệ hóa học hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng
của các công ty phần mềm được phát triển và sử dụng rộng rãi trong thiết kế công nghệ
như: Hysys (AspenTech), Unisim (Honeywell-UOP), Dynsim (Simsci),… Tuy nhiên,
phần mềm mô phỏng trong luận văn này được sử dụng là Hysys, đây là phần mềm mơ
phỏng cơng nghê hóa học đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, đồng thời đang
được sử dụng ở khoa Kỹ Thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM phục vụ
cho việc học và giảng dạy.
Năng lượng luôn là một vấn đề quan trọng, tiết kiệm năng lượng vẫn tiếp tục là

một thành phần quan trọng của chiến lược kinh doanh trong ngành công nghiệp lọc dầu
và hóa chất. Được thúc đẩy trên tồn cầu bởi nhu cầu tăng biên lợi nhuận hoạt động
hoặc đáp ứng các nhiệm vụ của chính phủ (ví dụ: tài nguyên thiên nhiên ở Ả Rập Xê-út
hoặc tiêu chuẩn khí thải châu Âu), các cơng ty vận hành đang tìm kiếm các giải pháp
mới để cải thiện hiệu suất năng lượng. Hiệu quả năng lượng là một lĩnh vực tối ưu hóa
hoạt động trưởng thành trong các nhà máy lọc dầu và các tổ hợp hóa dầu.
Có 5 cách để nâng cao hiệu quả năng lượng:
● Giảm thiểu lãng phí và thất thốt: Thường xun bảo trì và giám sát để phát
hiện tổn thất và sau đó áp dụng các hành động khắc phục.

2


GIỚI THIỆU
● Tối ưu hóa hoạt động của quy trình: Có thể cải thiện hoạt động thơng qua điều
chỉnh thủ công, các phương pháp hay nhất hoặc bằng hệ thống điều khiển tự
động.
● Thu hồi nhiệt tốt hơn: Nâng cấp mạng lưới trao đổi nhiệt, tận dụng nhiệt thải
(thu hồi nhiệt từ khói lị của lị nung).
● Cơng nghệ mới: Thay thế thiết bị tiên tiến, quy trình mới.
● Tối ưu hóa hệ thống cung cấp năng lượng: Tạo ra và sử dụng hơi nước và
điện một cách hiệu quả, phương pháp tiết kiệm năng lượng chi phí thấp
Trong các giải pháp trên, em chọn giải pháp thu hồi nhiệt cho đề tài luận văn.
Thu hồi nhiệt là một khía cạnh quan trọng của thiết kế quy trình hóa học, khơng chỉ vì
lý do kinh tế mà cịn vì lý do mơi trường, khi mức độ tích hợp năng lượng tăng, chi phí
vận hành sẽ giảm, đồng thời nhiên liệu sử dụng ít đi sẽ đảm bảo vấn đề về mơi trường.
Từ những vấn đề đó, đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt cho quy
trình sản xuất Benzene từ Toluene” ứng dụng phần mềm Hysys với mục đích thiết kế
và xây dựng quy trình cơng nghệ, đồng thời tối ưu hóa nhiệt của quy trình.
1.2.

MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Trên cơ sở đặc điểm và tính chất của nguyên vật liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật sản

phẩm, từ đó xây dựng quy trình sản xuất Benzene từ phương pháp Dealkylation Toluene.
Quy trình phải đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm.
Tiếp theo, xây dựng một quy trình có tích hợp nhiệt sử dụng phân tích Pinch do
phần mền Aspen Energy Analyzer đề xuất từ mơ hình Hysys đã xây dựng từ đầu.
Sau đó, đánh giá khả năng thu hồi nhiệt và hiệu quả kinh tế mà quy trình có tích
hợp nhiệt đã xây dựng so với quy trình ban đầu, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu và
kiến nghị cần thiết để cải thiện quy trình.
1.3.

Ý NGHĨA
Từ đề tài này, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về thiết kế một quy trình sản xuất cho

nhà máy, đồng thời hiểu được những khó khăn và thách thức đối với người kỹ sư khi
hoạt động thực tiễn.
3


GIỚI THIỆU
Được tiếp cận và sử dụng phần mềm Aspen Hysys để có thể thiết kế cho các quy
trình khác nhau, phục vụ cho mục đích sau này.
Ứng dụng mơ hình mơ phỏng để thực hiện quy trình tính tốn một cách nhẹ nhàng
hơn, tìm ra những phương án tối ưu cho kết quả khả quan, đạt hiệu quả kinh tế và đáp
ứng nhu cầu của khách hàng.

4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

2.1.1. Nguyên liệu
2.1.1.1.

Toluene [2]

Toluene (C6H5CH3) là một chất lỏng trong suốt, khơng màu, có mùi giống
benzene. Nó là một hydrocarbon thơm, với các nguyên tử carbon được sắp xếp thành
một vòng. Các hợp chất thơm có cấu trúc dựa trên cấu trúc của benzene (C6H6). Toluene
được phát hiện vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Pháp Pierre Joseph Pelletier (1788–
1842). Pelletier đã tìm thấy hợp chất trong khí do vỏ cây thơng Pinus maritima phát ra.
Sản xuất: Toluene xuất hiện tự nhiên trong dầu mỏ và được chiết xuất trong quá
trình catalytic reforming của phân đoạn naphtha của dầu mỏ. Catalytic reforming là một
quá trình mà các hydrocacbon trong dầu mỏ được đốt nóng, tiếp xúc với chất xúc tác,
để thay đổi thành phần phân tử của chúng. Phân đoạn naptha của dầu mỏ bao gồm một
hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có điểm sôi từ khoảng 50 °C đến 200 °C. Toluene
được tách khỏi các hydrocarbon khác được tạo ra trong quá trình reforming bằng cách
thêm dung mơi, chẳng hạn như sulfolan hoặc tetraetylen. Toluene cũng được sản xuất
bằng một quy trình tương tự bắt đầu từ dầu hắc ín than đá, chất lỏng cịn lại khi than
mềm được nung nóng trong điều kiện khơng có khơng khí để tạo than cốc.
Ứng dụng: Toluene thường được xếp hạng trong số ba mươi hợp chất hàng đầu
được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ. Năm 2002, các nhà máy hóa chất của Mỹ đã sản
xuất 330 triệu lít (87 triệu gallon) toluene để sử dụng trong nước và xuất khẩu. Khoảng

một nửa lượng đó được sử dụng trong sản xuất benzene và khoảng 20% để sản xuất
xylen (C6H4(CH3)2). 18% khác được sử dụng để sản xuất các hóa chất hữu cơ khác, một
trong những chất quan trọng nhất trong số đó là toluene diisocyanat (CH3C6H3(NCO)2)
được sử dụng chủ yếu để sản xuất bọt polyurethane và các sản phẩm cao su nhân tạo.
Các ứng dụng chính khác của toluene là làm dung mơi cho sơn và các chất phủ khác,
gôm, dầu, các sản phẩm cao su tự nhiên và nhân tạo, chất kết dính và chất dẻo. Một số
toluen cũng được sử dụng làm chất pha trộn trong nhiên liệu hàng không và các hỗn hợp
xăng khác có chỉ số octan cao.
5


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.1.2.

Hydrogen [3]

Sản xuất: Steam reforming là một phương pháp để tạo ra hydrogen. Khí tự nhiên
là nhiên liệu phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình steam reforming. Để tạo ra
hydrogen bằng cách sử dụng quá trình steam reforming, khí thiên nhiên được phản ứng
với hơi nước ở nhiệt độ rất cao trong buồng đốt. Nhiệt độ có thể từ 800 °C đến 1700 °C.
Chất xúc tác thường được làm bằng kim loại. Chất xúc tác giúp phân hủy khí tự nhiên
thành methane. Khi methane và nước phản ứng, hydro được tạo ra. Các carbon oxide
như carbon monoxide và carbon dioxide được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ. Trong
một số quá trình, carbon monoxide lại phản ứng để tạo thành nhiều hydro và carbon
dioxide hơn.
Hydrogen có thể được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước. Tuy nhiên,
việc sản xuất hydrogen trên quy mô lớn bằng phương pháp điện phân trở nên rất tốn
kém vì điện được sử dụng để tạo ra các dòng điện.
Ứng dụng: Ứng dụng phổ biến nhất được nghiên cứu và phát triển nhất của việc
sử dụng hydrogen làm nguồn nhiên liệu là kết hợp với pin nhiên liệu hydrogen. Pin

nhiên liệu hoạt động bằng cách trộn hydro và oxy để tạo ra nước và điện. Sau đó, điện
có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho gia đình, trường học và thậm chí cả
các cơ sở kinh doanh hoặc cung cấp năng lượng cho ô tô và các phương tiện khác.
Hydrogen có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho giao thông vận tải bằng cách tạo ra
động cơ đốt trong cho các phương tiện chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu hydrogen hoặc
hydrogen. Đồng thời hydrogen được sử dụng trong các nhà máy hóa dầu như một nguồn
nguyên liệu.
2.1.2. Sản phẩm benzene [4]
Tính chất: Benzene (C6H6) là một chất lỏng trong suốt, khơng màu, rất dễ cháy
và có mùi đặc trưng rõ rệt. Nó có điểm đóng băng 5,5 °C, điểm sôi 80,1 °C và mật độ
0,8787 g/mL. Nó chỉ hịa tan nhẹ trong nước (0,18 g/100 mL ở 25 °C), nhưng hồn tồn
có thể trộn lẫn với rượu, cloroform, ete, carbon disulfide, carbon tetrachloride và các
dung môi hữu cơ khác.

6


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sản xuất: Bốn q trình hóa học góp phần vào việc sản xuất benzene cơng
nghiệp: catalytic reforming, toluene hydrodealkylation, toluene disproportionation, và
steam cracking.
Ứng dụng: Benzene được sử dụng chủ yếu làm chất trung gian để tạo ra các hóa
chất khác, trên hết là etylbenzene, cumene, xyclohexan, nitrobenzene và alkylbenzene.
Hơn một nửa toàn bộ sản lượng benzene được chế biến thành ethylbenzene, tiền thân
của styrene, được sử dụng để sản xuất polyme và chất dẻo như polystyrene và EPS.
Khoảng 20% sản lượng benzene được sử dụng để sản xuất cumene, cần thiết để sản xuất
phenol và axeton cho nhựa và chất kết dính. Cyclohexanetiêu thụ khoảng 10% sản lượng
benzene của thế giới; nó chủ yếu được sử dụng trong sản xuất sợi nylon, được chế biến
thành hàng dệt và nhựa kỹ thuật. Một lượng nhỏ benzene được sử dụng để sản xuất một
số loại cao su, chất bôi trơn, thuốc nhuộm, chất tẩy rửa, thuốc, chất nổ và thuốc trừ sâu.

Tổng quang thị trường [5]
Quy mô thị trường benzene ước tính đạt hơn 50 triệu tấn vào năm 2020 và thị
trường dự kiến đạt tốc độ CAGR trên 3% trong giai đoạn dự báo (2021-2026).
Thị trường đã bị tác động tiêu cực bởi COVID-19 vào năm 2020. Các đơn vị sản
xuất ô tô tạm thời ngừng hoạt động do kịch bản đại dịch, điều này đã giảm thiểu nhu cầu
đối với các sản phẩm như lốp nylon, các bộ phận xe đúc phun, ghế ngồi bằng xốp và
sơn. được làm từ các chất trung gian có nguồn gốc benzene như nhựa nylon, styren và
phenol, do đó, tạo ra tác động tiêu cực đến nhu cầu thị trường. Tuy nhiên, nhu cầu đối
với các loại thuốc như paracetamol, tiêu thụ các chất trung gian có nguồn gốc benzene
như chlorobenzene, đã tăng lên trong tình hình hiện nay, do đó, kích thích nhu cầu thị
trường trong ngành dược phẩm. Hơn nữa, việc sử dụng bao bì làm từ polystyrene, một
chất trung gian có nguồn gốc từ benzene, đã gia tăng trong các ứng dụng thực phẩm và
thương mại điện tử, do đó, đã kích thích nhu cầu thị trường về benzene.
Hiện tại, Trung Quốc là thị trường nhập khẩu benzene lớn nhất thế giới, vượt qua
cả Mỹ.

7


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Nhu cầu benzene tại thị trường trung quốc các năm qua từ 2016-2020 [5]
2.2.

QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HĨA TOLUENE
Hydrodealkyl hóa là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh. Giống

như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydrogen và thuận lợi ở điều kiện áp suất
riêng phần hydrogen cao. Quá trình này được thiết kế để hydrodealkyl hóa các
metylbenzene, etylbenzene và các alkyl benzene C9+ thành benzene. Q trình này được

thiết kế để hydrodealkyl hóa các metylbenzene, etylbenzene C9+ thành benzene. Nó xuất
phát từ nhu cầu benzene trong cơng nghệ tổng hợp hóa dầu lớn hơn nhiều so với các
hợp chất này cũng như với toluen và các xylen (sản phẩm BTX).
Các q trình hydrodealkyl hóa hiện nay chia làm 2 loại:
● Hydrodealkyl hóa nhiệt (Thermal hydrodealkylation –THDA).
● Hydrodealkyl hóa có xúc tác ( Hydrodealkylation – HDA).
2.2.1. Hydrodealkyl hóa có xúc tác
Xúc tác sử dụng được tổng hợp dưới dạng tinh thể (hạt) bằng nhiều phương pháp
khác nhau như phương pháp ngâm tẩm, phương pháp kết tủa,… thường sử dụng chất
mang là nhôm – silic oxit với tâm xúc tác là các kim loại nhóm B như Fe, Co, Pd, Pt,…
8


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Điều kiện phản ứng (tùy thuộc từng công nghệ với mỗi xúc tác khác nhau):
● Nhiệt độ: 520 – 620 oC.
● Áp suất: 5 – 30 bar.
● Tỷ lệ hydro/toluene: 3 – 8.
2.2.2. Hydrodealkyl hóa nhiệt [6]
Với các q trình hydrodealkyl hóa nhiệt, các cơng ty chính đã phát triển và
thương mại hóa cơng nghệ này là Atlantic Richfield và Hydrocacbon Researche Inc,
Mitsubishi và Chioda, Gulf Oil…
Điều kiện làm việc:
● Nhiệt độ dòng vào thiết bị phản ứng 680 oC, nhiệt độ tối đa 730 ÷ 750 oC, để
ngăn lượng hydrocracking đáng kể.
● Áp suất: 500 psia
● Tỷ lệ mole H2/toluene trong dịng vào thiết bị ít nhất nhất là 5 để tránh tạo
coke.
Sản phẩm benzene có độ tinh khiết rất cao (khoảng 99%).
Tuy hai phương pháp có độ chuyển hóa tương tự nhau, tuy nhiên khó khăn trong

việc chọn xúc tác, cũng như phụ thuộc nhiều vào hoạt tính xúc tác và chi phí cho việc
sử dụng xúc tác tốn kém hơn nhiều so với điều kiện nhiệt độ, do đó, em chọn phương
pháp THDA (Thermal hydrodealkyl) cho đề tài của em.
2.2.3. Sơ đồ quy trình cơng nghệ [7]
Sơ đồ quy trình cơng nghệ hydrodealkyl hóa được nhà máy Axens sử dụng
Ứng dụng: Sản xuất benzene thơng qua q trình hydrodealkyl hóa C7 – C11
aromatics.

9


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình cơng nghệ THDA nhà máy Axens sử dụng [7]
Mơ tả: Dịng nguyên liệu C7 – C8+ được trộng với dòng hydrogen hồn lưu. Hỗn
hợp trộn được làm nóng bằng cách trao đổi nhiệt (1) với dòng sau thiết bị phản ứng và
bằng lị nung (2). Nhiệt độ được kiểm sốt chặt chẽ trong lị phản ứng (3). Bằng cách
hồn lưu dịng diphenyl (5), tổng sản lượng của nó được giảm thiểu để có lợi cho việc
tăng sản lượng benzene. Dịng sau phản ứng được làm mát bằng cách trao đổi nhiệt với
dịng ngun liệu, sau đó được làm mát bằng nước hoặc khơng khí (6). Sau đó được đưa
đến thiết bị tách hai pha (7) nơi khí giàu hydro tách ra khỏi chất lỏng ngưng tụ. Pha khí
được nén (8) và quay trở lại thiết bị phản ứng. Tháp chưng (11) loại các sản phẩm sáng,
chủ yếu là methane và ethane. Dịng lỏng sau đó được đưa đến cột chưng cất (12), thu
được benzene có độ tinh khiết cao tại đỉnh tháp. Dòng đáy chứa Toluene chưa phản ứng
và hợp chất thơm nặng hơn được bơm đến cột tái chế (13) nơi toluene, chất thơm nặng
và diphenyl được chưng cất trên đầu và tái chế vào lò phản ứng, một luồng khí purge
nhỏ ngăn khơng cho các thành phần nặng tích tụ trong quá trình này.
2.3.

TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PINCH

2.3.1. Khái niệm Pinch [8]
Pinch là kỹ thuật phân tích hệ thống để đưa ra phương pháp tiết kiệm năng lượng
trong một cụm hay tồn bộ q trình cơng nghệ.
10


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Pinch dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng. Sau khi cân bằng
vật chất và năng lượng được thiết lập, Pinch sẽ phân tích và tính tốn tổng lượng nhiệt
tối đa có thể thu hồi, chi phí cho các q trình đun nóng và làm nguội cũng như chi phí
đầu tư ban đầu cho hệ thống trao đổi nhiệt qua đó lựa chọn những giá trị thích hợp bằng
cách cân bằng giữa chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu.
Kỹ thuật Pinch áp dụng vào hệ thống trao đổi nhiệt được bắt đầu bằng việc xây
dựng giản đồ đường tổ hợp của các dòng nòng và dòng nguội.
2.3.2. Xây dựng đường cong tổng hợp cho các dịng nóng và nguội [9]
Các đường cong tổng hợp là một cơng cụ nhanh chóng và hữu ích để ước tính
mục tiêu năng lượng cho một bài tốn tích hợp nhiệt mà chưa cần phải thiết kế. Các
đường cong tổng hợp được xây dựng bằng cách tách dịng q trình nóng và lạnh và
chia phạm vi nhiệt độ thành các khoảng. Khoảng nhiệt độ được thiết lập dựa trên nguồn
cung cấp và nhiệt độ mục tiêu cho các dịng quy trình. Sự thay đổi nhiệt độ của mỗi
khoảng thời gian được vẽ như một hàm của sự thay đổi entanpi trong khoảng thời gian
tương ứng. Vì chỉ quan tâm đến sự thay đổi enthalpy ở đây, nên enthalpy cho các dịng
nóng và lạnh có thể được xác định riêng lẻ. Tiêu chí duy nhất là đường cong nóng phải
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ lạnh trong mọi khoảng thời gian để truyền nhiệt. Tiêu chí
này làm phát sinh điểm Pinch - là điểm mà đường cong nóng và lạnh gần nhất về nhiệt
độ. Sự chênh lệch nhiệt độ tối thiểu được gọi là DTmin.
Chúng ra xây dựng đường cong tổ hợp cho các dòng nóng và nguội trên đồ thị
T-ΔH với các giả thiết sau:
● Nhiệt dung riêng của lưu chất là một hằng số trong một khoảng nhiệt độ.

● Khơng có sự mất mát nhiệt.
● Lượng nhiệt dịng nóng trao hay dịng nguội nhận được tính theo cơng thức:
ΔH = CP |Tđầu - Tcuối| với: CP là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = m.Cp (m: lưu
lượng khối lượng, kg/s; Cp: nhiệt dung riêng của lưu chất, kJ/kgoC), kW/oC.

11


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3: Xây dựng đường gộp
Phương pháp này chia hệ thống thành 2 hệ thống riêng biệt dựa trên cách tiếp cận
DTmin bởi điểm Pinch, đó là “phía trên Pinch (vùng Sink)” và “phía dưới Pinch (vùng
Source)”. Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được:
● Mức thu hồi nhiệt tối đa: Vùng chồng lấn giữa đường tổ hợp nóng và đường
tổ hợp lạnh thể hiện mức thu hồi nhiệt tối đa.
● Mức tiêu thụ tiện ích nóng và lạnh: Vùng khơng có chồng lấn thể hiện mức
tiêu thụ tiện ích nóng tối thiểu (QH,min, bên tay phải), và mức tiêu thụ tiện ích
lạnh tối thiểu (QC,min, bên tay trái).

Hình 2.4: Giản đồ (T-ΔH) với các đường gộp

12


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.3. Đường cong tổng hợp lớn (Grand Composite Curve) [10]
Công cụ được sử dụng giúp ta lựa chọn nhiều loại tiện ích phù hợp với quy trình
được gọi là Grand Composite Curve, cấu trúc của nó được minh họa trong Hình 2.5. Để
xây dựng được giản đồ này, ta bắt đầu với các đường cong tổng hợp như trong Hình 2.5

(a). Bước đầu tiên là điều chỉnh nhiệt độ của các đường cong hỗn hợp như trong Hình
2.5 (b). Ta thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ hỗn hợp lạnh lên ½ DTmin và giảm nhiệt
độ hỗn hợp nóng đi ½ DTmin.
Sự thay đổi nhiệt độ này của các dịng quy trình và các mức tiện ích liên quan
đến ½ DTmin đảm bảo rằng ngay cả khi các mức tiện ích chạm vào đường cong tổng
hợp lớn, sự chênh lệch nhiệt độ tối thiểu của DTmin vẫn được duy trì giữa các mức tiện
ích và dịng quy trình. Do đó, sự thay đổi nhiệt độ làm cho việc xác định mục tiêu cho
nhiều tiện ích dễ dàng hơn. Kết quả của sự thay đổi nhiệt độ này, các đường cong hỗn
hợp tiếp xúc với nhau tại điểm Pinch.

Hình 2.5: Xây dựng đường cong tổ hợp lớn [10]
Đường cong tổng hợp lớn cung cấp một công cụ thuận tiện để thiết lập các mục
tiêu cho nhiều mức tiện ích, nhằm giảm chi phí các dòng tiện ích.

13