SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
---------------------------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

GVHD: ThS. Nguyễn Kim Trung
Nhóm lớp: A04
Năm học: 2019-2020


i

DANH SÁCH THÀNH VIÊN

HUỲNH VŨ THIÊN ÂN

17

NGUYỄN GIA HUY

17

LÊ PHẠM NGỌC MY

1712213

NGUYỄN HIỀN THẢO

1710297

NGUYỄN LÊ KHÁNH TRỊNH

17

TRẦN QUỐC VINH

1713990


ii

MỤC LỤC
DANH SÁCH THÀNH VIÊN ............................................................................................. i
MỤC LỤC ...........................................................................................................................ii
I.

TỔNG QUAN ............................................................................................................... 1

II. QUY TRÌNH................................................................................................................. 3
1) Máy bơm ................................................................................................................... 3
2) Thiết bị gia nhiệt........................................................................................................ 4
3) Thiết bị nén 1 ............................................................................................................. 5
4) Thiết bị phản ứng (reactor) ........................................................................................ 5
5) Thiết bị nén 2 và cooler ............................................................................................. 7
6) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 1) ................................................................... 8
7) Thiết bị chưng cất sản phẩm (column 2) ................................................................. 11

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

DANH MỤC BẢNG

1


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

2

TỔNG QUAN
Acetaldehyde là một hợp chất hữu cơ có cơng thức CH3CHO. Xuất hiện rộng rãi
trong tự nhiên: cà phê, bánh mì, trái cây,… và được sản xuất trên quy mô lớn trong công
nghiệp. Được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà hóa học và dược học người Thụy Điển Carl
Wilhelm Scheele (1774).
Năm 2004, sản lượng acetaldehyde toàn cầu là khoảng 1 triệu tấn. Trước năm 1962,
nguồn nguyên liệu chính đế sản xuất là ethanol và acetylene nhưng sau đó ethylene đã trở
thành nguồn cung cấp chính để sản xuất acetaldehyde.
Phương pháp sản xuất chính là oxy hóa ethylene bằng quy trình Wacker: q trình
oxy hóa ethylene xúc tác Palladiumt/ Đồng – (Pd/Cu)
2 𝐶𝐻2 = 𝐶𝐻2 + 𝑂2 → 2 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻𝑂
Đến những năm 1970, sản lượng được sản xuất bởi quy trình Wacker đã vượt hơn
2 triệu tấn/năm.
Tốc độ tăng trưởng hằng năm khoảng 7 – 25%, đạt khỏang 89.25 triệu tấn/ năm
(2008)
Với sản lượng nhỏ, có thể điều chế bằng q trình oxy hóa một phần ethanol. Phản
ứng được tiến hành với xúc tác bạc ở nhiệt độ khoảng 500 – 750oC. Đây là một phương

pháp lâu đời để điều chế acetaldehyde trong công nghiệp.
𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − 𝑂𝐻 → 𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻𝑂 + 𝐻2
Tính chất của acetaldehyde:

Nhiệt độ sơi

21oC

Nhiệt độ nóng chảy

-123.5oC

Khối lượng riêng

0.784 kg/cm3


3

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

I.

I. QUY TRÌNH

Thiết bị gia
nhiệt

Ethanol

Thiết bị phản
ứng

Thiết
bị nén
2

Tháp chưng cất 2 tách
sản phẩm

Tháp chưng cất
1 tách H2

Hình 1. Sơ đồ quy trình
Nhập liệu ethanol có nồng độ 1.00.
Hỗn hợp sản phẩm thu được có nồng độ 0.99 – 1.00.
MỤC ĐÍCH CỦA QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ
Sản xuất acetaldehyde để điều chế acetic acid, pyridine, pentaerythritol và
crotonaldehyde. Ngoài ra, khi acetaldehyde kết hợp với urea sẽ tạo thành một loại nhựa
hữu ích.

1) MÁY BƠM


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

4

Tạo động lực để dòng nhập liệu di chuyển vào thiết bị gia nhiệt. Máy bơm tăng áp lực
dòng từ 10kPa lên 300kPa nhằm đủ để dòng di chuyển vào thiết bị gia nhiệt. Nếu nâng áp

suất lên q cao thì dịng di chuyển với tốc độ lớn, khơng có lợi cho q trình truyền
nhiệt.

2) THIẾT BỊ GIA NHIỆT

Dòng sau khi được tăng áp được đưa vào bộ phận gia nhiệt để đạt nhiệt độ phản ứng
của reactor là 700 0C.
Gia nhiệt thông qua 3 quá trình:

a. Heater 1:

Gia nhiệt từ 30.05 0C lên 108.7 0C để dịng đạt trạng thái lỏng sơi (hơi bão hịa)

b. Heater 2:


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

5

Tiếp tục cung cấp nhiệt lượng để dòng thay đổi trạng thái từ saturated steam lên
superheated steam. Chính vì thế nhiệt độ khơng đổi nhưng lỏng đã chuyển thành hơi
hoàn toàn.

c. Heater 3:

Nâng nhiệt độ lên 710 độ để đưa vào reactor.

3) THIẾT BỊ NÉN 1

Dòng đã đạt điều kiện nhiệt độ để đưa vào reactor nhưng vẫn chưa đạt điều kiện áp
suất nên dòng phải qua thiết bị nén khí để tăng áp lên 600kPa. Sau khi qua thiết bị nén
khí dịng “to reactor” đã đạt điều kiện của phản ứng là 600 kPa và 7000C để đạt được độ
chuyển hóa tối ưu.

4) THIẾT BỊ PHẢN ỨNG (REACTOR)
Vì khơng có phương trình động học, ta sẽ giả sử cho phản ứng diễn ra tới khi đạt
trạng thái cân bằng. Sử dụng bình Gibbs và chọn gói phản ứng đã thiết lập.


6

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

Trước tiên ta khảo sát nhiệt độ tối ưu và áp suất tối ưu, bằng cách chạy thử hệ thống
phản ứng trong phần mềm hysys, ta thu được các đồ thị sau:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ chuyển hóa
khi phản ứng đạt cân bằng.
1

Xe

0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

T(C)

Hình 2: Đồ thị mơ tả mối quan hệ giữa độ chuyển hóa thành CH3CHO theo nhiệt
độ ở áp suất P=100 kPa


7

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất phản ứng

và độ chuyển hóa khi phản ứng đạt cân bằng
1
0.9

Xe

0.8
0.7
0.6
0.5

0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

200

400

600

800

1000

1200

P (kPa)

Hình 3: Đồ thị mơ tả mối quan hệ giữa độ chuyển hóa và áp suất tại nhiệt độ
T=700oC
Từ đồ thị 1 ta thấy rằng khi nhiệt độ càng tăng, độ chuyển hóa theo sản phẩm mong
muốn càng tăng và từ 700oC trở đi, độ chuyển hóa Xe gần giá trị 1. Do đó ta có thể vận
hành tại nhiệt độ T=700oC. Từ đồ thị 2, ta thấy được độ chuyển hóa Xe giảm rất ít khi áp
suất tăng, do đó, khoảng chọn áp suất của dòng nhập liệu khá rộng và thuận tiện.
Như vậy, ta có thể chọn điều kiện làm việc của thiết bị phản ứng của ta là T=700oC
và P=600 kPa, lí do để bù đi phần mất mát áp khi vào thiết bị phản ứng. Để chất lượng
dịng sản phẩm có thể ổn định, ta sẽ cho phản ứng diễn ra ở điều kiện đẳng nhiệt, tức là
thiết bị phản ứng của ta sẽ được cấp nhiệt vì hệ của chúng ta thu nhiệt.

5) THIẾT BỊ NÉN 2 VÀ COOLER
Sau khi qua bình phản ứng, tiếp tục xử lý các điều kiện vật lý của dịng sản phẩm khí
trước khi phân tách bằng các hệ thống chưng cất:
Dùng máy nén khí 2 và cooler 1 để biến đổi thơng số dịng khí:


8

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

T= 7000C
p = 600 kPa

T= 500C
p = 700 kPa

a) Áp suất: Áp suất làm việc trong thân tháp chưng cất 1 là 600 kPa (sẽ được giải

thích chi tiết ở phần sau), bằng với áp suất dịng sản phẩm ra khỏi bình phản ứng
(600 kPa, được lý giải chi tiết ở phần bình phản ứng Gibbs). Máy nén compr 2
được thêm vào để tăng áp cho dịng khí chuyển động từ bình phản ứng đến tháp
chưng do sự chênh áp. Chỉnh thơng số dịng khí ra khỏi máy nén có áp suất
700kPa, đủ để di chuyển dịng khí. Tất nhiên, áp suất cao sẽ khiến dịng khí
chuyển động nhanh hơn. Tuy nhiên sẽ tốn năng lượng và khơng cần thiết. Có thể
thay bằng máy quạt khí.
b) Nhiệt độ: Ta cần làm mát hỗn hợp sau khi nén (hơn 700oC về nhiệt độ thường
~500C trước khi cho qua tháp chưng cất), sử dụng Cooler 1.

6) THIẾT BỊ CHƯNG CẤT SẢN PHẨM (COLUMN 1)


9

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

Thiết bị chưng cất 1 là thiết bị tinh chế sản phẩm với nhập liệu là dòng mixture 1
(dòng sản phẩm tháp phản ứng qua giảm nhiệt và tăng áp), nhằm tách gần như hồn tồn
khí Hydro (sản phẩm phụ của phản ứng) khỏi hỗn hợp sản phẩm.
a) Thơng số dịng nhập liệu:
Chưng cất 4 cấu tử Tthanol, Acetaldehyde, E-acetate và Hydro.

Nhiệt độ sôi (0C, 1at)

Ethanol

Acetaldehyde

E-Acetate

Hydro

78.4

20.2

77

-253

Nhiệt độ sôi của các cấu tử
Từ bảng nhiệt độ sôi, thực hiện chưng cất theo hướng: hydro là sản phẩm đỉnh,
ethanol, Acetaldehyde và E-Acetate là sản phẩm đáy.


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

10

Bảng 2 . Thành phần dòng nhập liệu
Nhập liệu ở áp suất 800 kPa vì: tạo áp vào tháp lớn hơn áp làm việc để dòng lưu
chất chảy vào tháp do độ lệch áp mà không cần dùng bơm.
b) Thông số hoạt động của tháp chưng
Chọn áp suất hoạt động của tháp tại 600 kPa vì: nhiệt độ sơi của sản phẩm chính
Aetaldehyde khá thấp (20oC, và của hydro cũng rất thấp), tăng áp suất so với ĐKC để
làm tăng độ sôi nhằm hạn chế sự mất mát sản phẩm. Ví dụ nếu tăng áp suất tháp lên 700
kPa thì lượng sản phẩm mất mát sẽ giảm thêm. Tuy nhiên, 600 kPa là đủ với mức độ mất
mát sản phẩm ít (2.15mol/97.47mol)

Độ chênh lệch nhiệt độ sôi của light key at the bottom (Hydro) và heavy key at the
top (Acetaldehyde-sản phẩm chính) là rất lớn, cho nên việc chưng cất là khá dễ dàng
ngoại trừ việc tháp phải làm việc ở áp suất cao và nhiệt độ thấp để vừa đảm bảo hoạt
động an tồn (có tính thực tế - điều kiện khơng q khắc nghiệt) nhưng vẫn đảm bảo tách
được hết hydro và hạn chế mất mát sản phẩm chính).


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

11

c) Lựa chọn các điều kiện khác

Các spec chọn thêm:
-

Về nồng độ hydro ở đáy phải nhỏ hơn 10-7, tức lầ gần như 0 trong hysys.

-

Về nhiệt độ -25oC: có thể tăng hoặc giảm nhiệt độ. Tuy nhiên quyết định dựa trên
tổng hòa 2 yếu tố: nhiệt độ không quá khắc nghiệt (không quá lạnh), và mất mát
sản phẩm là ít.

7) THIẾT BỊ CHƯNG CẤT SẢN PHẨM (COLUMN 2)


12

SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

Thiết bị chưng cất 2 là thiết bị tinh chế sản phẩm với nhập liệu là dòng sản phẩm đáy
của tháp chưng cất 1, nhằm để tinh chế sản phẩm có độ tinh khiết là 99,9%.

a) Thơng số dịng nhập liệu
Chưng cất 3 cấu tử ethanol, acetaldehyde và E-acetate

Nhiệt độ sôi (0C, 1at)

Ethanol

Acetaldehyde

E-Acetate

78.4

20.2

77

Nhiệt độ sôi của các cấu tử
Từ bảng nhiệt độ sôi, thực hiện chưng cất theo hướng direction: Acetaldehyde là
sản phẩm đỉnh, ethanol và E-Acetate là sản phẩm đáy.


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

Thành phần dòng nhập liệu vào tháp
Nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, áp suất 600 kPa.

Thơng số dịng nhập liệu
b) Thơng số hoạt động của tháp chưng

13


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

14

Độ chênh lệch nhiệt độ sôi của light key và heavy key đủ lớn, nên có thể dễ tách cấu
tử ở áp suất thấp. Và do tháp chưng 2 là q trình cuối, cho ra dịng sản phẩm. Vì vậy
chọn áp suất của condenser và reboiler là 150 kPa để loại pressure drop và đồng thời tạo
động lực để sản phẩm di chuyển.
c) Lựa chọn các điều kiện khác

Yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết 99,9% vì thế chỉ cịn 1 biến để điều chỉnh. Do
acetaldehyde, ethanol và E-acetate là hệ 3 cấu tử dễ chưng cất lấy sản phẩm acetadehype,
nên chọn biến reflux ratio để dễ hội tụ và chọn giá trị R=1 vì dễ chưng cất sản phẩm
đỉnh.


SẢN XUẤT ACETALDEHYDE TỪ ETHANOL

15