Thiết kế quy trình sản xuất isopropanol từ propylene

ĐH QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
----------

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH
CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

GVHD: TS. TRẦN HẢI ƯNG
ĐỀ TÀI 36:
Thiết Kế Quy Trình Sản Xuất Isopropanol từ Propylene
THÀNH VIÊN NHÓM:
1. Phan Anh Huy

1611314

2. Nguyễn Trọng Hùng

1611412

3. Vũ Trung Hiếu

1611066


MỤC LỤC

I. TỔNG QUAN ............................................................................................................ 3
1. Propylene (C3H6): .................................................................................................. 3
2. Isopropanol (C3H8O): ........................................................................................... 4

II. TỔNG HỢP ISOPROPANOL (IPA) TỪ PHẢN ỨNG HYDRAT HĨA TRỰC
TIẾP PROPYLENE ..................................................................................................... 7
1. Hydrat hóa trực tiếp propylene: ......................................................................... 7
2. Động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: ....................................... 9
3. Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene: .............................. 9
III. Mơ Phỏng Quy Trình Cơng Nghệ: ..................................................................... 11
1. Sơ Đồ Quy Trình: ................................................................................................ 11
2. Mô Tả Quy Trinh: ............................................................................................... 14
3. Thiết Bị:................................................................................................................ 14
IV. CHI PHÍ: ............................................................................................................... 15
V. TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH: ............................................................................... 16
1. Thiết kế trang bị thêm một tháp chưng RD mới (hay một tháp chưng RD thứ
hai): ........................................................................................................................... 17
1.1. Sơ đồ quy trình: ............................................................................................ 17
1.2. Mơ tả quy trình: ............................................................................................ 19
1.3. Thiết Bị: ......................................................................................................... 20
1.4. So Sánh Chi Phí: ........................................................................................... 21
2. Thiết kế trang bị thêm 1 cột chưng cất tinh ( Extractive Distillation ) và 1 cột
tái tạo lại ( Regenerator ): ...................................................................................... 22
2.1. Sơ đồ quy trình: ............................................................................................ 22
2.2. Mơ tả quy trình: ............................................................................................ 25
2.3. Thiết bị: .......................................................................................................... 26
2.4. So sánh chi phí: ............................................................................................. 27
VI. KẾT LUẬN: .......................................................................................................... 28
VII. TÀI LIỆU THAM
KHẢO:.........................................................................................................................29


I. TỔNG QUAN
1. Propylene (C3H6):

Propylene hay còn gọi là propene hoặc metyl ethylene là một hợp chất hữu cơ bất bão
hịa chứa một liên kết C=C có cơng thức phân tử là C3H6. Ở điều kiện thường
propylene là một chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng tan trong nước, nặng hơn
khơng khí và dễ bốc cháy.
Propylene là hợp chất hữu cơ quan trọng trong ngành công nghiệp:
-

-

Là nguồn nguyên liệu để sản xuất các hóa chất quan trọng như: propylen oxit,
acrylonitril, axeton, cumene, butyraldehyde, acrylic acid, phenol và
isopropanol (IPA)…
Dùngđể tổng hợp Polypropylene (PP) là một loạipolymer quan trọng trong
ngành công nghiệp dùng để: sản xuất sợi trong bao bì sản phẩm, làm lớp màng
phủ trên bề mặt sản phẩm, chế tạo các sản phẩm bằng nhựa cần độ an toàn
cao… và nhiều ứng dụng quan trọng khác

Công thức cấu tạo của propylene:

Hình 1: Cơng thức cấu tạo của propylene
Các thơng số vật lý của propylene:
-

Khối lượng mol (M): 42,08 g.mol-1
Nhiệt độ nóng chảy (tnc): -185,2℃
Nhiệt độ sơi (ts): -47,6℃


Trong công nghiệp, các công nghệ mới nhằm ưu tiên tạo ra sản phẩm Propylen trong
quá trình chế biến dầu mỏ gồm có các phương pháp sau:

-

Q trình cracking naphta bằng hơi nước có xúc tác.
Q trình cracking dầu thơ có xúc tác - q trình FCC (fluid cracking catalyst).
Dehydro hóa khí propan (PDH).
Tổng hợp propylen bằng q trình methathesis.
Chuyển hóa metanol thành propylene (MTO).

Phương án cracking naphta bằng hơi nước có xúc tác và phương án cracking dầu thơ
có xúc tác - FCC thường được sử dụng. Vì các q trình này được tích hợp với các
dây chuyền lọc tách dầu thơ trong các tổ hợp lọc - hóa dầu.
2. Isopropanol (C3H8O):

Hình 2: Cơng thức cấu tạo của isopropanol
a)

Tên hóa học: Isopropanol hay cịn được gọi là isopropyl alcohol (IPA)
Công thức phân tử: C3H8O
Công thức cấu tạo: CH3 – CH(OH) – CH3
Khối lượng phân tử: 60,1 g/mol
Các tính chất vật lý của Isopropanol (IPA)

Isopropanol (IPA) là một chất lỏng khơng màu, dễ bay hơi, có thể trộn lẫn trong nước
và một số dung môi hữu cơ như benzen, chloroform, acetone…
Hơi của IPA trong khơng khí có khả năng bốc lửa, gây cháy. Đặc biệt ở điều kiện
nhiệt độ cao hợp chất này có thể gây nổ nên cần lưu ý vấn đề nguy hiểm trong quá
trình bảo quản và sử dụng.
Ngồi ra nó có tính độc nhẹ, có thể gây kích ứng da trong một số trường hợp; khi nuốt
hoặc hít phải với một lượng quá lớn nạn nhân có thể bị ngộ độc do tác động của hợp
chất đến hệ thần kinh gây hôn mê, các bệnh lý thần kinh…

Lưu ý khi sử dụng IPA: IPA là một hóa chất có hại cho sức khỏe khi tiếp xúc trực tiếp
với mắt và khi hít phải, thường gây ra các tổn thương về mắt, kích ứng da, khơ cổ, khó
thở, chóng mặt. Xử lý các trường hợp trên bằng cách rửa nước nhiều lần, uống nhiều
nước và đưa nạn nhân đến nơi khơng khí trong lành và chuyển đến cơ sở ý tế gần
nhất. Vì vậy nên dùng các vật dụng bảo hộ như mắt kính, khẩu trang, bao tay…. khi
sử dụng, vận chuyển và lưu giữ IPA. Ngoài ra, đặc biệt chú ý IPA rất dễ cháy, dễ bắt


lửa nên cần để sản phẩm tránh xa nguồn nhiệt, nguồn lửa, tia lửa, các chất dễ cháy
nổ, ánh sáng trực tiếp chiếu vào, tránh xa nước hay nơi có độ ẩm cao. Tuyệt đối
không hút thuốc lá gần sản phẩm. Bảo quản nơi khơ ráo thống mát. Đậy kín vật
đựng khi khơng cần thiết để tránh hiện tượng rị rỉ sản phẩm.
Các thông số vật lý của IPA:
- Khối lượng riêng (ρ): 0,789 g/cm3 (20℃)
- Nhiệt độ nóng chảy (tnc): -86℃
- Nhiệt độ sôi (ts): 82,5℃
- Áp suất hơi: 2,4kPa
- Điểm gây cháy (flash point): 11,7℃
- Độ tan trong nước ở 20℃: vô hạn
- Giới hạn nổ trong không khí: 2 – 13,4%
b) Nhu cầu tiêu thụ Isopropanol (IPA) tồn cầu:
Isopropanol (IPA) là một trong những dung mơi được sử dụng rộng rãi nhất trên thế
giới do tính chất hịa tan tốt của nó với hầu hết các dung mơi bao gồm cả nước. Thị
trường IPA tồn cầu trị giá khoảng 2838,3 triệu USD vào năm 2012 và dự kiến đạt
4231,5 triệu USD vào năm 2018, với tốc độ tăng trưởng hàng năm kép (CAGR) là
6,9%. Thị trường IPA toàn cầu đã phát triển đáng kể trong vài năm qua và dự kiến sẽ
tăng trưởng nhanh hơn trong 5 năm tới, chủ yếu do nhu cầu ngày càng tăng ở khu vực
Châu Á - Thái Bình Dương.Các thị trường tiêu thụ IPA chính trên thế giới là:
-

Châu Á-Thái Bình Dương là thị trường tiêu thụ chính trong số tất cả các khu
vực, chiếm gần 39,6% tổng nhu cầu toàn cầu trong năm 2013 và được dự kiến
đạt 50,8% vào năm 2018 với tốc độ CAGR là 6,9%. Khu vực này dự kiến sẽ
tăng trưởng rất cao trong tương lai, chủ yếu là do tiềm năng tăng trưởng cao
của các thị trường Trung Quốc và Ấn Độ.

-

Bắc Mỹ chiếm 30,5% giá trị thị phần trong năm 2013, và dự kiến đạt 37,1%
vào năm 2018, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 4,0%. Thị trường này đã phát
triển đáng kể trong vài năm qua và dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh hơn trong 5
năm tới,. Hoa Kỳ là nước tiêu thụ IPAlớn nhất, gần 26,4% tổng nhu cầu toàn
cầu trong năm 2013.

-

Châu Âu nắm giữ 24,9% thị phần IPA toàn cầu. Thị trường được dự báo tăng
trưởng với tốc độ CAGR 4,6% trong giai đoạn 2013-2018. Ngành dược phẩm
là một trong những ngành cơng nghiệp chính của IPA và là một trong những
sản phẩm chủ chốt của nền kinh tế châu Âu.

Hiện nay hơn một nửa tổng tiêu thụ IPA toàn cầu được sử dụnglàm dung mơi, sau đó
phần lớn được sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm.
Các nhà cung cấp IPA chính trên thế giới là các tập đồn hóa chất quốc tế như:
Royal Dutch Shell Plc. (The Netherlands), The Dow Chemical Company (U.S.),
Exxon Mobil Chemical Company (U.S.), Shell Canada Ltd and Sasol Ltd (South


Africa), Zhejiang Xinhua Chemical Co.Ltd.,LG Chem Ltd., LCY Chemical
Corporation, Mitsui Chemical Inc. and Jinzhou Petrochemical Co. Ltd…

c) Ứng dụng của Isopropanol (IPA):
Là một hóa chất quan trọng trong ngành cơng nghiệp hóa chất
Isopropanol (IPA) phần lớn được ứng dụng làm dung mơi cho sơn và cho các ngành
cơng nghiệp. Ngồi ra IPA còn được dùng phổ biến trong ngành dược phẩm do độc
tính của các cặn cịn lại rất thấp. Một phần nhỏ được dùng làm hóa chất trung gian để
tổng hợp các hợp chất hữu cơ quan trọng.
-

Dung môi:

IPA hịa tan được nhiều hợp chất khơng phân cực. Nó bay hơi nhanh và tương đối
không độc so với những dung mơi thay thế khác. Do đó nó được sử dụng rộng rãi như
một dung mơi và chất tẩy rửa.
Ví dụ: tẩy rửa các thiết bị điện tử như các chân tiếp, băng từ và đầu đĩa, các ống kính
laser trong ổ đĩa quang (như CD, DVD).
-

Chất trung gian:
 Phản ứng ester hóa của IPA với acid acetic cho ra isopropyl acetate – một
dung môi được sử dụng khá rộng rãi.
 IPA phản ứng với khí carbon disulfide (CS2) tạo ra sodium isopropyl
xanthate (C4H7NaOS2) – một chất diệt cỏ có hoạt tính khá mạnh.
 IPA cũng phản ứng với Titanium tetrachloride và kim loại nhôm để cho ra
Titanium và Aluminum isopropoxides, dùng làm xúc tác trước đây và giờ
đóng vai trò như một thuốc thử.

-

Y học:

Dung dịch 75% của IPA với nước có thể dùng để sát trùng. IPA cũng được dùng như
một chất hỗ trợ làm khô nước trong các trường hợp chống viêm tai, được nhiều người
đi bơi dùng đến.
-

Dùng trong xe hơi:

IPA là thành phần chính trong phụ gia nhiên liệu làm khơ khí. Với một hàm lượng đủ
lớn, nước sẽ gây ra những sự cố cho các bồn chứa nhiên liệu vì nó tách lớp khỏi nhiên
liệu và có thể làm đóng băng các đường ống dẫn ở nhiệt độ thấp. Khi có mặt IPA nó
khơng loại bỏ nước mà đóng vai trị như một dung mơi trung gian, IPA có tác dụng
hịa tan nước và hịa lẫn vào trong nhiên liệu và do đó nước sẽ khơng gây ra những sự
cố nêu trên.
-

Trong phịng thí nghiệm:


Là một chất bảo quản mẫu sinh học, IPA cung cấp một sự thay thế tương đối không
độc hại so với formaldehyde và các chất bảo quản tổng hợp khác. Dung dịch IPA 7099% được sử dụng để bảo quản mẫu vật.
IPA thường được sử dụng thay thế Etanol trong chiết xuất DNA. Nó được thêm vào
như một giải pháp để kết tủa DNA thành một 'viên' sau khi mang ly tâm DNA.
d) Các phương pháp điều chế Isopropanol (IPA)
Trong công nghiệp ngày nay Isopropanol (IPA) được sản xuất chủ yếu bằng phương
pháp hydrat hóa propylene. Có hai phương pháp hydrat hóa: Hydrat hóa gián tiếp và
hydrat hóa trực tiếp.
-

Hydrat hóa gián tiếp:

Propyleneđược chophản ứng với H2SO4 đậm đặc để tạo thành một hỗn hợp của Ester
Sulfat. Sau đó những Ester này được thủy phân bởi hơi nước cho ra IPA, và sau đó
đem đi chứng cất. Diisopropyl là một sản phẩm phụ đáng kể của q trình này, nó
được đưa trở lại quy trình và được thủy phân để cho ra sản phẩm.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi ở Mỹ.
-

Hydrat hóa trực tiếp:

Propylene được Hydrate hóa trực tiếp với nước, kể cả dạng lỏng hay dạng khí ở áp
suất cao với sự hiện diện của xúc tác rắn hay xúc tác Acid hỗ trợ. Quy trình này được
ứng dụng cho những trường hợp sản xuất đòi hỏi độ tinh khiết >90%.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu.
Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi IPA phải được tách ra khỏi nước và các sản phẩm
khác bằng chưng cất. Dung môi IPA và nước tạo thành một hỗn hợp đồng sôi và khi
chưng cất sẽ cho một hỗn hợp gồm 87.9% IPA và 12.1% nước theo khối lượng. IPA
tinh khiết có được bằng cách chưng cất đồng sơi IPA có lẫn nước bằng cách sử dụng
cả Diisopropyl ether hay Cyclohexane như một tác nhân đồng sơi.
Ngồi ra một phần nhỏ IPA được tổng hợp bằng phương pháp Hydro hóa acetone ở
pha lỏng với xúc tác là Niken hay hỗn hợp Đồng và Crom Oxit, phương pháp này đặc
biệt hữu ích khi kết hợp với việc sản xuất dư acetone, chẳng hạn như trong quá trình
tổng hợp Cumen

II. TỔNG HỢP ISOPROPANOL (IPA) TỪ PHẢN ỨNG
HYDRAT HĨA TRỰC TIẾP PROPYLENE
1. Hydrat hóa trực tiếp propylene:


Phản ứng hydrat hóa trực tiếp propylene với chất xúc tác xảy ra theo phản ứng thuận
nghịch sau

CH3 – CH = CH2 + H2OH+

CH3 – CH(OH) – CH3

Cơ chế của phản ứng: Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân AN
CH3 – CH = CH2

CH3 – +CH – CH3

+ H+

CH3 – +CH – CH3 + H2O

CH3 – CH(O+H2) – CH3

CH3 – CH(O+H2) – CH3

CH3 – CH(OH) – CH3 + H+

Giải thích cơ chế: Phản ứng xảy ra qua giai đoạn tạo thành cation trung gian do
proton H+ tấn công vào liên kết π của propylene. Tiếp theo đó là sự tấn cơng của tác
nhân ái nhân H2O vào cation này. Sau đó là sự giải phóng proton H+ để hình thành sản
phẩm ÍPA. Do sử dụng xúc tác là dung dịch acid trong H2O, nên tác nhân ái nhân tấn
công vào cation trung gian không phải là anion gốc acid.
Các phản ứng phụ có thể xảy ra:
-

Phản ứng tạo thành propylene oligomers:
nC = C – C

-

-( C – C[C] )- n

XT

Tạo thành Diisopropyl ether:
2C = C – C + H2O

-

H+

C – C(C) – O – C(C) – C

Tạo thành n – propanol:
CH3 – CH = CH2 + H2OH+

CH2(OH) – CH2– CH3

Phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt, và nhiệt phản ứng được tính từ các số liệu nhiệt
động học có sẵn và khoảng 12Kcal/mol trong khoảng nhiệt độ từ 400 – 600 K ở pha
hơi.
Hằng số cân bằng của phản ứng được cho như sau
logKP =
logKC =

1950
T
2045

T

– 6,06 (ở pha khí)

– 5,08 (ở pha lỏng)

Phản ứng hydrat hóa propylene với pha hơi và pha lỏng diễn ra đồng thời với nhau,
thì thành phần cân bằng có hai pha và có thể tính tốn dựa theo số liệu động hóa học
và giản đồ pha cân bằng lỏng – hơi của propylene


Mặc dù sự hình thành IPA xảy ra thuận lợi ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, nhưng để
tối ưu hóa trong sản xuất chúng ta cần phải xem xét và lựa chọn dựa trên tốc độ giới
hạn và giới hạn cân bằng sao cho thích hợp để thu được lợi nhất là lớn nhất.
Phương pháp này có ưu điểm là không sử dụng acid sunfuric đậm đặc nên vấn đề về
ăn mịn thiết bịlà khơng đáng kể nên tuổi thọ của thiết bị và dây chuyền sản xuất được
lâu dài. Và vận hành quá trình này cũng tương đối đơn giản. Có thể thu được sản
phẩm có độ tinh khiết hơn 90%.
2. Động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene:
Phương diện động học phản ứng cho biết phản ứng diễn ra nhanh hay chậm và các
yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, ở đây ta chỉ quan tâm đến nhiệt độ và xúc tác
sử dụng trong quy trình.
Để phản ứng diễn ra và đạt được độ chuyển hóa ứng với tốc độ phản ứng tối ưu ta cần
cấp cho dòng nhập liệu một nhiệt lượng để nâng nhiệt độ dịng lên cao. Nhiệt độ đó
cịn tùy thuộc vào từng loại phản ứng tiến hành, có ảnh hưởng tác động đến quy trình
cơng nghệ trong việc thiết kế thiết bị, quy trình, lắp đặt đường ống, bố trí dịng
chảy,…
Động học phản ứng đặc trưng bởi phương trình tốc độ, được định nghĩa là lượng tác
chất phản ứng mất đi trong một đơn vị thời gian.
CH3 – CH = CH2

+ H+

CH3 – +CH – CH3 + H2O
K=

k1 k2
k−1 k−2

k k
1 -1

CH3 – +CH – CH3

k k
2 -2

CH3 – CH(OH) – CH3

: là hằng số cân bằng của phản ứng

Phương trình tốc độ:
(-rC3H7OH )=

d[C3 H7 OH]
dt

=

k1 k2 [H+ ]

[C3H6][H2O] -

k−1 +k2 [H2 0]

[C3 H7 OH]
K

3. Nhiệt động học phản ứng Hydrat hóa trực tiếp propylene:
Phản ứng hydrat hóa propylene là phản ứng tỏa nhiệt. Ở đây chúng ta có một sự khác
biệt lớn giữa hai loại phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt.
-

Đối với phản ứng thu nhiệt, khi độ chuyển hóa tác chất phản ứng càng cao thì
nhiệt lượng thu vào cho phản ứng là càng lớn. Để duy trì nhiệt độ phản ứng
cũng như đảm bảo về mặt động học cho quy trình, ta phải tiêu tốn một lượng
nhiệt khá lớn, tuy nhiên nhiệt cũng được xem là năng lượng, vì vậy ta phải chi
ra một khoảng cho chi phí năng lượng.


-

Đối với phản ứng tỏa nhiệt, ta chỉ cần tiêu tốn một lượng nhiệt lượng ban đầu
để đưa dòng nhập liệu lên nhiệt độ cao (hoạt hóa khả năng phản ứng của tác
chất), nhiệt đó khơng đáng kể so với nhiệt lượng duy trì cho phản ứng thu
nhiệt. Bên cạnh đó, nhiệt tỏa ra trong suốt q trình phản ứng đơi khi rất lớn,
dịng ra hạ bớt nhiệt độ nên cần lắp đặt các thiết bị làm mát. Các thiết bị trao
đổi nhiệt này có nhiệm vụ thu hồi một phần năng lượng dưới dạng nhiệt, nguồn
năng lượng đó được tận dụng một cách tối đa, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí
năng lượng.

CH3 – CH = CH2 + H2O

CH3 – CH(OH) – CH3

H+

(∆H = -50kJ/mol ở 298,15K,1atm)
Ta có
∆Greation = -RT lnKp
Nhiệt độ K
∆GreationKcal
Kp

298
-1,84
22,36

400
1,73
0,113

500
5,25
0,005

700
12,25
0,0015

Bảng 1: Sự phụ thuộc của ∆Greation và Kp vào nhiệt độ phản ứng

Dựa vào các giá trị ∆Greation và Kp ta có thể tính tốn được độ chuyển hóa cân bằng
của phản ứng
Nhiệt độ ℃

Nhiệt độ K

Độ chuyển hóa cân bằng

25

298

79,3

100

373

13,8

127

400

5,2

227

500

0,2

Bảng 2: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa cân bằng (P = 1atm, tỉ lệ mol
1:1)
Áp suất (atm)

Áp suất
(PSIA)

Độ chuyển hóa cân bằng

1

14,7

79,3

2

29,4

85,2


5

73,5

90,6

Bảng 3: Sự ảnh hưởng của áp suất đến độ chuyển hóa cân bằng (t = 25℃, tỉ lệ mol
1:1)
Tỉ lệ mol (C3H6/H2O)

Độ chuyển hóa cân bằng

1/1

13,8

1/10

24,0

1/100

25,6

Bảng 4: Sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến độ chuyển hóa cân bằng ( t=100℃ , P=1atm)
Nhiệt động học phản ứng giúp ta xác định độ chuyển hóa tác chất phản ứng tối đa có
thể đạt được ứng với mỗi điều kiện nhiệt độ vận hành. Đại lượng XAe = f(T,..) là một
hàm theo nhiệt độ T, từ đó có thể khảo sát điều kiện tối ưu của quy trình. Đó chính là
giới hạn của q trình mà cơng nghệ hóa học có thể đạt được, khi ta vận hành ở đúng
điều kiện đó sẽ thu được hiệu suất cơng nghệ cao nhất, tối ưu và đạt được mức lợi
nhuận cao.
Những đại lượng này được sử dụng trong quá trình thiết kế thiết bị, quy trình cơng
nghệ ở giai đoạn đầu, tính tốn nhiệt cũng như năng lượng cho quy trình. Hiện nay,
trong một dây chuyền sản xuất vấn đề về năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu nên
nghiên cứu về phương diện nhiệt động là một yêu cầurất quan trọng và thiết yếu trong
công cuộc tiết kiệm nguồn năng lượng tiêu hao trước tình trạng tài nguyên ngày càng

cạn kiệt, cũng như để thu hồi vốn của doanh nghiệp khi đầu tư kinh doanh sản xuất.
Vì vậy phương diện nhiệt động học ảnh hưởng rất lớn đến quy trình cơng nghệ.

III. Mơ Phỏng Quy Trình Cơng Nghệ:
1. Sơ Đồ Quy Trình:
- Mơ phỏng quy trình sản xuất Isopropanol (IPA) từ Propylene bằng chưng cất
được thực hiện bằng các phần mềm:
a) Phần mềm Aspen Hysys:


Hình 3: đồ quy trình sản xuất IPA từ Chưng Cất (Reactive Distillation) bằng Aspen Hysys

b) Phầm mềm Aspen Plus v8:

Hình 4: Sơ đồ quy trình sản xuất IPA từ Chưng Cất (Reactive Distillation) bằng Aspen Plus


- Thơng số của các dịng:
Tên dịng

Water Inlet ( nước vào )

Propylene Inlet ( Propylene vào )

Recycled Propylene
( Propylene hoàn lưu về M1 )

Propane Purge
( dòng Propan đã làm sạch )

IPA Product Stream
( dòng IPA sản phẩm )

IPA: Isopropanol; DIPE: Diisopropyl ether

Thông số
- Suất lượng: 380,3 kmol/h
- Nhiệt độ: 25oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 1,0
- Suất lượng: 400 kmol/h
- Nhiệt độ: -47,5oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,05
+ Propylene: 0,95
- Suất lượng: 174,4 kmol/h
- Nhiệt độ: 13,5oC
- Áp Suất: 850 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,05
+ Propylene: 0,95
- Suất lượng: 21,2kmol/h
- Nhiệt độ: 27,4oC
- Áp Suất: 954 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,9445
+ Nước: 0,0256
+ IPA: 0,0193

+ DIPE: 0,0106
- Suất lượng: 379,1 kmol/h
- Nhiệt độ: 35,3oC
- Áp Suất: 1994,5 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,00002
+ IPA: 0,9999
+ DIPE: 0,00008


2. Mơ Tả Quy Trinh:
- Như có thể thấy, propylen (ở -47,6oC và 101,325 kPa, được điều áp đến 870 kPa,
được gia nhiệt đến 13.5oC trong bộ trao đổi nhiệt E1 (với giả định áp suất giảm 20
kPa) và sau đó trộn với propylene hồn lưu với tỷ lệ mol là 2,29: 1. Hỗn hợp phản ứng
này được tăng áp đến 2013,5 kPa và được nhập liệu vào mâm thứ 5 của cột chưng cất
(RD). Trong khi đó, nước được điều áp đến 2013,5 kPa và được nhập liệu vào mâm
thứ 3 của cột chưng cất. Cột tháp chưng cất RD có 28 mâm lý thuyết và vùng phản
ứng nằm từ mâm thứ 3 đến mâm thứ 5, với proton axit làm chất xúc tác. Luồng sản
phẩm (99,99 mol% IPA) rời khỏi cột chưng cất từ phía đáy, và sau đó được đưa đến
E2 để trao đổi nhiệt ( E2 là nguồn cung cấp nhiệt cho bộ phận phân riêng Propylene –
Propane ). Nhiệt độ đầu ra của dòng sản phẩm từ E2 được đặt ở 35.4oC để đảm bảo đủ
lực truyền động giữa dòng sản phẩm và dòng đầu vào của propylene –propane
(25.4oC). Mặt khác, dòng trên đỉnh của cột chưng cất, chủ yếu bao gồm propylene
không phản ứng và propan (thành phần trơ), được nén đến 950 kPa và được đưa đến
bộ phân riêng (bộ tách ) propylene-propane. Do đó, cột RD trong trường hợp q trình
ở Hình 4 đang hoạt động dưới điều kiện propylene dư thừa.
- Bộ tách propylene-propane có 150 mâm lý thuyết (do các thành phần có điểm sơi
gần nhau), propane được thải ra từ phía đáy và propylene đi ra ở phần đỉnh ( 1 lượng
nhỏ của 0,95 ).
- Tác nhân làm mát trong thiết bị ngưng tụ sử dụng ở quy trình là nước lạnh.

3. Thiết Bị:
- Bơm:
 Bơm P1: Đưa hỗn hợp Propylene vào thiết bị gia nhiệt E1 rồi vào thiết bị trộn
dòng M1
o Đầu vào: 101,325 kPa
o Đầu ra: 870 kPa
 Bơm P2: Đưa dòng từ thiết bị trộn dòng M1 đến tháp chưng cất RD
o Đầu vào: 850 kPa
o Đầu ra: 2013,5 kPa
 Bơm P3: Đưa nước nhập liệu vào tháp chưng cất RD
o Đầu vào: 101,325 kPa
o Đầu ra: 2013,5 kPa
- Thiết bị gia nhiệt E1:
Gia nhiệt cho hỗn hợp Propylene vào và đưa đến thiết bị trộn dòng M1.


 Nhiệt độ đầu vào: -46,9oC
 Nhiệt độ đầu ra: 13,5oC
- Thiết bị giải nhiệt E2:
Giải nhiệt cho dòng sản phẩm đáy của tháp chưng cất để thu sản phẩm có nhiệt độ
35,4oC.
 Nhiệt độ đầu vào: 186,6 oC
 Nhiệt độ đầu ra: 35,4oC

- Thiết bị trộn dòng M1:
Trộn dòng Propylene vào và dịng Propylene hồn lưu với tỷ lệ mol là 2,29:1 rồi đưa
vào tháp chưng cất.
- Tháp chưng cất RD:
 Có 28 mâm lý thuyết

 Dịng IPA thu ở đáy
 Dòng Propylen – propane thu ở đỉnh
- Tháp phân tách Propylene – Propane ( Propylene-Propane Splitter ):
 Có 150 mâm lý thuyết
 Propane thu ở đáy
 Propylene thu ở đỉnh
- Van tiết lưu:
Giảm áp suất dòng sản phẩm đỉnh của tháp chưng cất từ 2000 kPa xuống 950 kPa và
đưa vào thiết bị phân tách Propylene – Propane.

IV. CHI PHÍ:
- Để đầu tư sản xuất, ngồi u cầu kỹ thuật đòi hỏi nhà đầu tư phải vững mạnh về
mặt kinh tế. Nguồn vốn ban đầu là quan trọng trong việc thiết kế một hệ thống quy
trình cơng nghệ đáp ứng được nhu cầu thị trường, chi phí đầu tư cho nhà máy như cơ
sở hạ tầng, gia công thiết bị, lắp đặt hệ thống,…


- Từ việc mơ phỏng quy trình cơng nghệ bằng phần mềm, ta có thể dễ dàng tính tốn
được nguồn vốn cần thiết để chi cho công nghiệp sản xuất, được thể hiện một cách sơ
lược trong bảng 4.
- Ngoài chi phí đầu tư ban đầu, ngồi ra cịn có ngân sách chi ra mỗi năm bao gồm chi
phí vận hành (nguồn chi cho năng lượng: nhu cầu thắp sáng, nguồn điện nước, nhiên
liệu đốt,…); bảo trì, sửa chữa hệ thống và chi phí thu mua tác chất phản ứng, phí phân
tách chất, xử lý sản phẩm.
- Với mục tiêu tối ưu về kinh tế, các thông tin cần thiết về tổng chi ban đầu, giá thành
tác chất, ta phải quan tâm đến chi phí năng lượng. Để làm được điều đó, người kỹ sư
kỹ thuật hóa bắt buộc phải tính tốn cho các thiết bị phân tách chất, các thiết bị trao
đổi nhiệt và cách bố trí thiết bị truyền nhiệt hợp lý, tối ưu triệt để quy trình công nghệ,
nghĩa là số thiết bị nhiệt cần phải tối thiểu hóa và năng lượng sử dụng cần được tối ưu.

Bảng 4: Ước tính chi phi cho q trình sản xuất IPA bằng cách Chưng cất RD

V. TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH:
Qua q trình mơ phỏng, ta xác định được 2 hạn chế của quá trình sản xuất IPA dựa
trên chưng cất RD là:
-

Yêu cầu độ tinh khiết của IPA cao hơn
Cần nguồn cấp propylene dư cho tháp chưng RD


Do đó, để tối ưu hóa q trình và khắc phục 2 hạn chế trên, chúng ta sẽ khảo sát thêm
2 quy trình sau.
1. Thiết kế trang bị thêm một tháp chưng RD mới (hay một tháp chưng RD thứ
hai):
1.1. Sơ đồ quy trình:
- Sơ đồ quy trình dưới đây được trang bị thêm nhằm giảm lượng propylene nhập liệu
vào cột tháp RD.
- Ý tưởng cốt lõi trong quy trình này là tách nguồn cấp propylene thành hai dịng,
trong đó một dòng sẽ được đi đến tháp chưng cất RD ban đầu và dòng còn lại sẽ đi
đến tháp chưng cất RD mới.
a) Phần mềm Aspen Hysys:

Hình 5: Sơ đồ quy trình trang bị thêm cột chưng cất RD mới thay cho bộ tách
Propane-Propene bằng Aspen Hysys

b) Phần mềm Aspen Plus v8:


Hình 6: Sơ đồ quy trình trang bị thêm cột chưng cất RD mới thay cho bộ tách

Propane-Propene bằng Aspen Plus v8

- Thơng số các dịng:

Tên dịng

Water Inlet ( nước vào )

Propylene Inlet ( Propylene vào )

Thông số
- Suất lượng: 373,5 kmol/h
- Nhiệt độ: 25oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 1,0
- Suất lượng: 400 kmol/h
- Nhiệt độ: -47,5oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,05
+ Propylene: 0,95


Azeotropic Mixture
( dòng hỗn hợp lỏng từ đáy RD – W
truyền tới RD - P )

- Suất lượng: 378,1 kmol/h
- Nhiệt độ: 178,9oC

- Áp Suất: 2010,5 kPa
- Thành phần: %Mol
+ IPA: 0,4579
+ Nước: 0,5382
+ DIPE: 0,0039

Propane Purge
( dòng Propan )

- Suất lượng: 28,0 kmol/h
- Nhiệt độ: 64,8oC
- Áp Suất: 2000 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,7148
+ Nước: 0,0202
+ IPA: 0,0085
+ DIPE: 0,0063
+ Propylene: 0,2502

IPA Product Stream
( dòng IPA sản phẩm )

- Suất lượng: 372,4 kmol/h
- Nhiệt độ: 186,3oC
- Áp Suất: 2018,9 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,00004
+ IPA: 0,9999
+ DIPE: 0,00006

IPA: Isopropanol; DIPE: Diisopropyl ether
1.2. Mơ tả quy trình:
- Như có thể thấy, propylene lỏng (-47,6oC và 101,325 kPa, được điều áp đến 2033.5
kPa và được gia nhiệt đến 24.2oC trong bộ gia nhiệt E1 (với giả định áp suất giảm 20
kPa) và sau đó chia thành hai dịng. Dịng đầu tiên được đưa vào cột chưng cất RD
hoạt động dưới điều kiện propylene thừa (cột RD-P), nơi thu được 99,99 mol% IPA
sản phẩm ở phía đáy và hỗn hợp khí thốt ra ở phía đỉnh chủ yếu bao gồm propane và
propylene khơng phản ứng. Dịng khí này, sau khi ngưng tụ thành chất lỏng ở 52,1 C
và đưa áp suất trở lại 2013,5 kPa, được trộn với dòng propylene vào cịn lại và sau đó
được đưa vào nhập liệu ở cột RD-W (thay thế bộ tách propylene-propane trong quy
trình sản xuất IPA bằng chưng cất RD); ngoài ra nước cũng được đưa vào cột này.
Lưu ý rằng cột RD-W hoạt động trong điều kiện nước dư thừa và chuyển đổi nhiều
nhất propylene nhập liệu vào nó.
- Sau khi phản ứng và tách, hỗn hợp khí chứa chủ yếu propan từ nguồn propylene
nhập liệu được thải ra từ đỉnh của tháp chưng RD-W. Như có thể thấy trong hình 6,
một lượng propylene nhỏ (khoảng 7 kmol/h của 380 kmol/h vào quá trình) bị mất


trong dòng Propane Purge ở đỉnh cột chưng RD-W. Hỗn hợp lỏng của IPA và nước
trong dòng sản phẩm đáy được gửi đến tháp RD-P để phản ứng với nguồn propylene
nhập liệu.
- Thiết kế trang bị thêm ở hình 6 được phát triển một cách chiến lược sao cho cột RD
ban đầu có thể được sử dụng lại và chỉ cần duy nhất một cột RD mới.

1.3. Thiết Bị:
- Bơm:
 Bơm P1: Đưa hỗn hợp Propylene vào thiết bị gia nhiệt E1 rồi đến thiết bị tách
dòng
o Đầu vào: 101,325 kPa
o Đầu ra: 2033,5 kPa

 Bơm P2: Đưa dòng từ thiết bị Giải nhiệt E2 đến thiết bị trộn dòng rồi vào tháp
chưng cất RD - W
o Đầu vào: 2000 kPa
o Đầu ra: 2013,5 kPa
 Bơm P3: Đưa nước nhập liệu vào tháp chưng cất RD - W
o Đầu vào: 101,325 kPa
o Đầu ra: 2013,5 kPa

- Thiết bị gia nhiệt E1:
Gia nhiệt cho hỗn hợp Propylene vào và đưa đến thiết bị tách dòng.
 Nhiệt độ đầu vào: -46,9oC
 Nhiệt độ đầu ra: 24,2oC
- Thiết bị giải nhiệt E2:
Giải nhiệt cho dòng sản phẩm đỉnh của tháp chưng cất RD - P để đưa đến thiết bị trộn
dòng.
 Nhiệt độ đầu vào: 77,4 oC
 Nhiệt độ đầu ra: 52,1oC
- Thiết bị trộn dòng:
Trộn dòng sản phẩm đỉnh của tháp chưng RD – P với dòng Propylene vào còn lại
được tách ra bởi thiết bị tách dòng rồi đưa vào tháp chưng cất RD - W.


- Tháp chưng cất RD - P:
 Có 28 mâm lý thuyết
 Dòng IPA thu ở đáy
 Dòng Propylen – propane thu ở đỉnh
- Tháp chưng cất RD - W:
 Có 15 mâm lý thuyết
 Propane thu ở đỉnh
 Hỗn hợp lỏng IPA – Nước thu ở đáy và được đưa ngược lại tháp chưng RD - P

- Thiết bị tách dòng ( Splitter ):
 Tách dòng Propylene vào thành 2 dịng:
o Một dịng có suất lượng 297,9 kmol/h nhập liệu vào tháp chưng RD – P
o Một dịng có suất lượng 102,1 kmol/h đưa đến thiết bị trộn dòng để trộn
với dòng sản phẩm đỉnh của tháp chưng RD – P

1.4. So Sánh Chi Phí:
- Từ việc mơ phỏng quy trình cơng nghệ bằng phần mềm, ta có thể dễ dàng tính tốn
được nguồn vốn cần thiết để chi cho cơng nghiệp sản xuất với quy trình tối ưu này,
được thể hiện và so sánh với quy trình sản xuất IPA bằng chưng cất RD trong bảng 5.

Bảng 5: Ước tính chi phí của quy trình được thiết kế trang bị thêm cột chưng cất RD thứ hai
(RD-W) So với trường hợp cơ sở


- Từ bảng 5, ta có thể thấy, quy trình tối ưu bằng cách loại bỏ thiết bị tách Propanepropylene thay vào đó là 1 tháp chưng cất thứ 2 làm chi phí sản xuất trên một đơn vị
sản phẩm (manufacturing cost per unit product) hay còn gọi tắt là MCU giảm từ
0,092 $/kg đến 0,079 $/kg.
- Ngoài ra, quy trình này cịn làm giảm chi phí tiện ích từ 35,2% xuống còn 30,5%.

2. Thiết kế trang bị thêm 1 cột chưng cất tinh ( Extractive Distillation ) và 1 cột
tái tạo lại ( Regenerator ):
2.1. Sơ đồ quy trình:
- Thiết kế trang bị thêm thứ hai đưa dòng sản phẩm (cuối cùng) từ cột RD ban đầu cho
vào một cột chưng cất khác, trong đó cột chưng cất tinh và bộ tái tạo được thêm vào
quy trình.
- Trong giải pháp trang bị thêm này, thay vì dịng IPA tinh, dòng hỗn hợp IPA - nước
sẽ rời khỏi cột RD, và tháp chưng cất tinh sẽ có nhiệm vụ làm tinh IPA.
a) Phần mềm Aspen Hysys:

Hình 7: Quy trình trang bị thêm với cột chưng cất tinh và bộ tái tạo lại mô phỏng bằng Aspen
Hysys
b) Phần mềm Aspen Plus v8


Hình 8: Quy trình trang bị thêm với cột chưng cất tinh và bộ tái tạo lại bằng Aspen Plus v8

- Thơng số các dịng:
Tên dịng

Water Inlet - 1
( dịng nước vào 1 )

Propylene Inlet ( Propylene vào )

Water Inlet - 2
( dịng nước vào 2 )

Thơng số
- Suất lượng: 415,0 kmol/h
- Nhiệt độ: 25oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 1,0
- Suất lượng: 400 kmol/h
- Nhiệt độ: -47,6oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,05
+ Propylene: 0,95

- Suất lượng: 404,4 kmol/h
- Nhiệt độ: 25oC
- Áp Suất: 101,325 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 1,0


Vent gas – 1
( dòng hơi 1 )

- Suất lượng: 14,0 kmol/h
- Nhiệt độ: 62,8oC
- Áp Suất: 2000 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,7215
+ Nước: 0,0194
+ IPA: 0,0074
+ DIPE: 0,0049
+ Propylene: 0,2468

Vent gas – 2
( dòng hơi 2 )

- Suất lượng: 13,7 kmol/h
- Nhiệt độ: 62,8oC
- Áp Suất: 2000 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Propane: 0,7215
+ Nước: 0,0194
+ IPA: 0,0074

+ DIPE: 0,0049
+ Propylene: 0,2468

Bottom Stream – 1
( dòng sản phẩm đáy tháp RD – 1 )

- Suất lượng: 414,6 kmol/h
- Nhiệt độ: 180,1oC
- Áp Suất: 2019,5 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,5447
+ IPA: 0,4553

Bottom Stream – 2
( dòng sản phẩm đáy tháp RD – 2 )

- Suất lượng: 414,6 kmol/h
- Nhiệt độ: 180,1oC
- Áp Suất: 2019,5 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,5447
+ IPA: 0,4553

IPA Product Stream
( dòng sản phẩm IPA )

- Suất lượng: 372,7 kmol/h
- Nhiệt độ: 83,4oC
- Áp Suất: 2019,5 kPa
- Thành phần: %Mol

+ Nước: 0,0001
+ IPA: 0,9999

H2O Purge
( dòng nước ra ở đỉnh của bộ tái tạo )

- Suất lượng: 445,9 kmol/h
- Nhiệt độ: 98,5oC
- Áp Suất: 101,3 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,99986
+ IPA: 0,00014


Lean Entrainer
( dịng lơi cuốn nhỏ )

- Suất lượng: 764,6 kmol/h
- Nhiệt độ: 196,5oC
- Áp Suất: 117,4 kPa
- Thành phần: %Mol
+ Nước: 0,99995
+ IPA: 0,00005

IPA: Isopropanol; DIPE: Diisopropyl ether

2.2. Mô tả quy trình:
- Như có thể thấy, chất lỏng propylene tươi ( -47,6oC và 101.325 kPa, sau khi tăng áp
đến 2033.5 kPa và làm nóng đến 24.2oC, được chia thành hai dòng, một trong số
chúng đi tới cột RD - 1 ( cột RD ban đầu sử dụng propylene thừa) và dòng còn lại đi

tới cột chưng cất RD-2 (cột RD mới cũng sử dụng propylene thừa). Lý do để tách
dòng propylene vào là để sử dụng lại cột RD hiện tại trong khi đảm bảo rằng nó đáp
ứng các thơng số kỹ thuật của thiết kế mới (ví dụ: đường kính cột và mức chất lỏng
trên mỗi khay) khi nước được sử dụng dư. Theo đó, tỷ lệ phân chia propylene được tối
ưu. Trong khi đó, dịng nước dư, sau khi được tăng áp đến 2013,5 kPa, được cấp cho
cả tháp RD - 1 và RD - 2 với tỷ lệ nước : propylene là 2,05. Sau khi phản ứng và tách,
hỗn hợp khí chứa chủ yếu propane từ dòng propylen nhập liệu được thải ra từ đỉnh của
cả hai cột RD. Mặt khác, nước được nhập liệu dư, sản phẩm đáy từ cả hai cột là hỗn
hợp của IPA và nước. Lưu ý rằng lượng DIPE sinh ra được giảm thiểu thông qua việc
chọn điều kiện vận hành thích hợp của cột. Dịng sản phẩm đáy của RD-1 và RD-2
được trộn lẫn, áp suất được giảm xuống 135 kPa, và được gửi đến các bộ phận tách.
- Các đơn vị của bộ phận phân tách bao gồm cột chưng cất tinh và cột tái tạo lại, được
đề xuất vì IPA và nước tạo thành hỗn hợp đẳng phí; để phá vỡ hỗn hợp đẳng phí này,
một dịng lơi cuốn, cụ thể là dimethyl sulfoxide (DMSO) được sử dụng. Bộ tái tạo
được sử dụng để khơi phục dịng lơi cuốn bằng cách tách /loại bỏ nước. Kết quả mô
phỏng của q trình có trang bị thêm cột chưng cất tinh và bộ tái tạo được thể hiện
trong hình 8; Hỗn hợp nước – IPA (với phần mol IPA là 0,455) được đưa đến nhập
liệu vào mâm thứ 26 của tháp chưng cất tinh; trong khi dịng hồn lưu (dịng lôi cuốn
/DMSO), sau khi làm mát đến 71,8oC , sẽ nhập liệu vào mâm thứ 6 của tháp chưng cất
tinh. Dòng IPA với phần mol là 0,9999 được thu từ đỉnh cột chưng cất tinh là sản
phẩm chính của quy trình, trong khi dịng DMSO thực tế ( phần mol 0,99999 ) rời
khỏi đáy cột chưng cất tinh và được đưa về bộ tái tạo lại. Thêm vào lượng rất nhỏ
dung môi để tái chế DMSO.