[Document title]

ĐH QUỐC GIA TP.HCM
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
----------

BÁO CÁO
MÔN HỌC: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
HÓA HỌC
Đề tài: Phản ứng điều chế Benzene từ Toluene theo quy trình HAD
Nhóm SV thực hiện:
SV: Hoàng Thị Hiệp- 1511066
GVHD: Nguyễn Kim Trung

1


[Document title]

Danh sách thành viên nhóm:
Nguyễn Thị Mỹ Huyền

1411529

Hoàng Thị Hiệp

1511066

Vũ Đức Thiện

1413758

Lý Thị Gái

1510829

Đào Thị Kim Phượng

1413061

2


[Document title]

MỤC LỤC

3


[Document title]

MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một xã hội hiện đại và vẫn đang trong đà phát triển
mạnh mẽ. Chất lượng cuộc sống con người càng được cải thiện thì như cầu về tinh
thần và vật chất càng cao. Vì vạy, cấc ngành công nghệ trên toàn thế giới đã ngừng tìm
tòi, nghiên cứu để đưa ra các sản phẩm đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường.
Trong đó, công nghiệp hóa chất cũng không phải là ngoại lệ. Đây là một trong những
ngành công nghiệp mũi nhọn. Nó không chỉ mang lại nguồn lợi kinh tế, mà còn thúc
đẩy các ngành khác phát triển.

Sản phẩm của ngành công nghệ hóa chất luôn có mặt xung quanh chúng ta. Chúng là
kết quả của một loạt các quá trình biến đổi hóa lý để đạt được tính chất như mong
muốn. Chính vì vậy nguồn nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên, mà
còn phải kể đến các hợp chất trung gian này là benzene.
Benzene có thể thu thập được từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầu như là
Reforming xúc tác cracking xúc tác, Steam cracking. Mặc dù trong các quá trình này
Benzene chỉ là một trong vô vàn các sản phẩm được tạo ra, nhưng trong quá trình
Reforming xúc tác, với nguồn nhập liệu naphtha đã mang lại một lượng benzene chủ
yếu trong nguồn cung BTX và trong xã hội hiện tại khi giá thành toluene xuống thấp
và nguồn cung dồi dào cùng với nhu cầu benzene tăng cao, thúc đẩy giá trị lợi nhuận
của benzene nên càng thôi thúc việc sản xuất một lượng benzene để cung cấp cho thị
thường. Quá trình Toluene – Hydrodealkylation – HDA là một quá trình phục vụ cho
điều đó.
Trong bài báo cáo này, với kiến thức đã được học trong môn Thiết kế hệ thống quy
trình công nghệ hóa học cùng với việc tham khảo tài liệu và vận dụng phần mềm mô
phỏng và tối ưu Hysys V8.8 em sẽ mô tả quy trình HDA

4


[Document title]

NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL
HÓA TOLUENE

I.

1. Nguyên liệu khí hydrogen

-


Là phi kim tồn tại ở nhiệt độ thường ở trạng thái khí, dễ cháy, không màu,
không mùi, không vị, là khí nhẹ nhất, năng lượng liên kết 435 kJ/mol, nhiệt độ
nóng chảy -259,1 độ C, nhiệt độ sôi -252,6 độ C.

-

Ở nhiệt độ cao, hydro có khả năng phản ứng với nhiều chất. Có tính khử mạnh.

-

Ứng dụng: Sản xuất phân bón, HCl, CH3OH, sử dụng trong công nghiệp hóa
dầu,làm nhiên liệu tên lửa, …

-

Lưu trữ, tồn chứa: Do cùng một khối lượng nhưng khi ở thế lỏng, thể tích hydro
giảm đi 700 lần so với thể khí nên ta hóa lỏng hydro ở -252 độ C hoặc nén
trong bồn cao áp, khí được dẫn đến nơi sử dụng qua hệ thống ống dẫn.

2. Nguyên liệu Toluene

-

Toluene dễ bắt cháy, tạo nhiều muội, có khả năng hòa tan trong benzene, etanol,
các xetone và ít tan trong nước.
5


[Document title]


-

Nhiệt độ sôi 110 độ C, nhiệt độ đông đặc -93 độ C.

-

Dễ dàng tham gia phản ứng thế tại nhân thơm và nhóm CH 3, tham gia phản ứng
oxi hóa ở điều kiện thích hợp tạo thành acid benzoic và benzaldehyde,…

-

Trong công nghiệp và đời sống toluene dùng để:
+

Dùng làm để pha xăng làm tăng chỉ số octane, nâng cao giá trị xăng.

+

Là nguyên liệu để sản xuất thuốc nổ TNT, ứng dụng trong lĩnh vực quốc
phòng, xây dựng, khai thác quặng, …

+

Dùng để sản xuất benzene, xylene, dùng làm dung môi, sản xuất sơn, …

3. Sản phẩm Benzene

-


Nhiệt độ nóng chảy 5,5 độ C. Nhiệt độ sôi 80,1 độ C.

-

Phản ứng đặc trưng của nó là phản ứng thế electrophin nhờ vào cấu tạo đặc biệt,
phản ứng cộng, oxi hóa cần điều kiện khắc nghiệt hơn.

-

Ứng dụng:

-

+

Benzene có vai trò quan trọng trong thực tế, là nguyên liệu chính để sản
xuất các loại thuốc trừ sâu,thuốc kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng
và vô số các ứng dụng khác trong đời sống xã hội.

+

Là nguyên liệu tạo phẩm nhuộm, dược phẩm, trong việc sản xuất chất
phụ gia tăng chỉ số octane cho xăng, …

+

Trong thí nghiệm benzene dùng để làm dung môi rất phổ biến.

Benzene là một hóa chất độc hại, gây ung thư cho con người. Vấn đề tồn trữ
benzene là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn cho công nhân nhà máy và

người dân sống ở khu vực xung quanh. Phải luôn duy trì nhiệt độ bồn chứa trên
8 độ C để ngăn chặn benzene đóng bang. Bồn chứa phải kín, thường xuyên
kiểm tra để phát hiện rò rỉ.Sử dụng cột thu lôi để tránh sấm sét. Mọi hoạt động
tiếp xúc của con người phải có trang bị bảo hộ đi kèm theo.
6


[Document title]

-

Các tàu xe vận chuyển benzene phải được dọn sạch sẽ trước khi tải để tránh gây
nhiễm bẩn nguồn nhiên liệu, trong quá trình benzene vận hành trong đường ống
thường tích điện, cần nối đất để tránh gây cháy nổ, đồng thời khống chế lưu
lượng để đảm bảo an toàn. Hệ thống chữa cháy hoạt động đi kèm phải thường
xuyên kiểm tra để đảm bảo.

4. Quy trình Hydrodealkylation hóa Toluene.
-

Là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh trong dòng hydro.
Giống như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydro và thuận lợi ở điều kiện
áp suất riêng phần hydro cao. Dùng cho methylbenzene, etylbenzene, …

-

Quy trình này xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghiệp tổng hợp hóa
dầu lớn hơn nhiều so với các chất trên cũng như toluene.

-


Nếu thực quy trình vận hành đúng và độ chuyển hóa cao, sản phẩm thu được sẽ
có hàm lượng benzene lớn cùng với lượng lớn các hydrocarbon nhẹ chủ yếu là
methane CH4.

-

HDA cho lượng benzene có độ tinh khiết cao cũng với sản phẩm phụ có nhiều
ứng dụng tốt (methane) nhưng kéo theo đó quy trình này cần lượng hydro lớn
(tỉ lệ 1:3 đến 1:15) điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

4.1. Phương trình phản ứng và điều kiện nhiệt động.
-

Điều kiện phản ứng:

-

Điều kiện phản ứng phụ thuốc rất nhiều, tùy vào loại xúc tác và công nghệ vận
hành của từng công ty. Trong bài này ta sẽ thực hiện với điều kiện.

Điều kiện

Thông số

Ghi chú

Nhiệt độ

~1150oF


~621oC

Áp suất

500 - 550 psia

~ 35at

Tỉ lệ Hydro:Toluene

~ 5 (tránh hình thành cốc) Có thể chọn khác, dao
động xung quanh 5.

Xúc tác

Sử dụng chất mang là Nhờ có xúc tác nên điều
kiện của phản ứng HDA
MgO − Al2O3
với tâm xúc
đỡ khắc nghiệt hơn so với
tác là các đơn phân tử
quy trình Thermal HDA.
hoặc có sự kết hợp giữa
các phân tử kim loại
nhóm B

7



[Document title]

4.2. Phương trình phản ứng, nhiệt động và động học.

Bảng 1. Nhiệt phản ứng

∆H
Phản ứng chính:

-11.71 kcal / g.mole

Phản ứng phụ:

-52.70 kcal / g.mole

-

-

-

Nhìn chung ta thấy, đây là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, nhiệt độ dòng sau bình
phản ứng sẽ đạt nhiệt độ rất cao, ta nên tận dụng lượng nhiệt đó để tiết kiệm chi
phí cho các dòng Utility ở các khu vực cần cấp nhiệt.
Xem quá trình chỉ xảy ra hai phản ứng chính như trên, hydrogen và toluene
phản ứng hình thành benzene và methane theo phản ứng (1) không thuận
nghịch có bậc tổng quát là 1.5:
Phản ứng phụ (2) thuận nghịch cho ra sản phẩm phụ Biphenyl có bậc 2 (r2 là
tốc độ phản ứng thuận, r3 là tốc độ phản ứng nghịch):
Trong đó:

r1, r2 và r3:
T:
PT, PH2, PB, PBi:

lbmole/(min.ft3)
K
psia

Và,
+ Hằng số khí: R= 3.57458 [BTU/lbmole-K]
E1
+
=2,5616×104×3,57458 = 91.566 [BTU/lbmole]
E2
+
=1,5362×104×3,57458 = 54.913 [BTU/lbmole]
E3
+
=1,2237×104×3,57458 = 43.742 [BTU/lbmole]
4.3.

Quy trình HDA.

Nhập liệu

Sản phẩm

Hydrogen Fresh (<1% tạp chất)
- Nhiệt độ: 30 độ C


Benzene: độ tinh khiết 99,9%
- Nhiệt độ: 133 đ ộ C
8


[Document title]

- Áp suất: 500 psia ~ 35 at
- Nhập liệu: 379.4 kmole/h

- Áp suất: 1 at
- Suất lượng đầu ra: 41,75 kmole/h

Toluene Fresh (<1% tạp chất )
- Nhiệt độ:30 độ C
- Áp suất: 1 at
- Nhập liệu: 100 kmole/h

Fuel Gas: methane và hydro
- Nhiệt độ: đ ộ C
- Áp suất: 1 at
- Suất lượng đầu ra: kmole/h

-

Quy trình:
+ Sử dụng quy trình HDA.
+ Trong phân xưởng sản xuất dòng nhập liệu đầu vào là hydrogen và
toluene với độ tinh khiết cao.
+ Dòng toluene được đưa vào máy bơm ly tâm cao áp để đạt đến áp suất

500 psia và gia nhiệt (1 lần thông qua 1 Heat Exchanger dạng vỏ ống) để
chuyển hoàn toàn thành pha khí (~ 305 độ C). Dòng hydrogen cũng được
gia nhiệt (1 lần nhờ Heat Exchanger dạng vỏ ống) đến nhiệt độ cao hơn
dòng toluene khoảng 10 độ C, sau đó cả 2 được đưa vào mixer hòa trộn.
+ Dòng sản phẩm sau khi hòa trộn được gia nhiệt tuần tự, lần 1 với Heat
Exchanger dạng vỏ ống và lần 2 với thiết bị gia nhiệt Fire Heater để đưa
lên đến nhiệt độ phản ứng. Sau khi đã đạt đến nhiệt độ và áp suất yêu
cầu, dòng nhập liệu lúc này được đưa vào thiết bị phản ứng PFR. Dòng
sản phẩm đầu ra đạt nhiệt độ rất cao > 650 độ C cùng với suất lượng lớn,
nên được tận dụng dùng làm nguồn gia nhiệt cho toàn bộ các Heat
Exchanger dạng vỏ ống trong phân xưởng.
+ Đường đi của dòng sản phẩm: gia nhiệt cho dòng sau mixer – gia nhiệt
cho Toluene – gia nhiệt cho Hydrogen – gia nhiệt cho tháp chưng cất.
+ Sau quá trình trao đổi nhiệt, dòng sản phẩm được dẫn vào thiết bị hạ
nhiệt để đạt đến nhiệt độ ~ 35 độ C, sau đó theo đường ống vào hệ thống
phân tách pha, dòng khí với hàm lượng lớn là khí methane và hydrogen
được đưa đi hoàn lưu, dòng sản phẩm đáy giàu benzene được đưa vào
tháp Stabilizer và tháp chưng cất chính.
+ Dòng sản phẩm đỉnh sau phân pha được tách dòng, 1 phần làm Heat
sink, phần còn lại đưa trộn với dòng khí tách ra ở đỉnh tháp stabilizer tạo
thành dòng fuel gas.
+ Dòng sản phẩm sau phân pha giàu benzene được đưa vào thiết bị ổng
định để loại bỏ lượng lớn khi methane còn lẫn, sau đó đưa váo tháp
chưng cất thu được benzene với độ tinh khiết 99,9% ở đỉnh và dòng sản
phẩm đáy tháp là biphenyl và toluene còn dư. Do lượng toluene còn dư
lại quá ít nên không hoàn lưu.

9



[Document title]

Hình 1. PFD của quy trình HDA

1
0


[Document title]

II. NHIỆT ĐỘNG HỌC
1. Thiết bị phản ứng

Hình 2: reaction set

Hình 3: Phản ứng chính

Hình 4: Phản ứng phụ

1
1


[Document title]

Hình 5: Thiết bị phản ứng- PFR
2. Hệ thống chưng cất
2.1.
Stabilizer


Hình 6: Định các thông số cho stabilizer

1
2


[Document title]

2.2.

Tháp chưng cất sản phẩm chính

Hình 7. Định các thông số cho tháp chưng sản phẩm chính.

III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ
1. Thiết bị phản ứng

Hình 8. Reactor sizing

1
3


[Document title]

2. Tháp chưng cất

Hình 9. Tower sizing

Hình 10. Vessel sizing


Hình 11. Pressure drop của tháp chưng.
IV.

PINCH TECHNOLOGY

Việc lắp đặt các thiết bị HE xen kẽ cùng với Heater và Fire Heater là để tận
dụng hiệu quả nguồn nhiệt độ cao của dòng sản phẩm sau thiết bị phản ứng, giảm thiểu
nguồn hot utility từ bên ngoài, cắt giảm bớt thiết bị gia nhiệt thay vào là thiết bị vỏ
ống, với cách sắp xếp hợp lí sẽ mang lại hiệu quả truyền nhiệt cao, mang lại lợi ích
kinh tế.
Việc mang lại lợi ích kinh tế ở đây là thay vì ta phải chi tiền ra cho chi phí thiết
bị (các heater) đi kèm với chi phí hoạt động là sửa chữa bảo dưỡng thiết bị theo thời
gian và chi phí Utility vận hành theo năm tháng, thì nay chỉ cần chi tiền ra duy nhất 1
lần cho việc lắp đặt các HE cùng với chi phí vận hành đi kèm, nguồn Utility có sẵn là
dòng sau phản ứng, sau một thời gian ta sẽ toàn lại vốn khi lắp các HE.
1
4


[Document title]

Không những về kinh tế, ta còn giảm thiểu tác động đến môi trường khi không
phải xử lí các dòng Utility sau khi sử dụng để trao đổi nhiệt.

Hình 11. Composite Curves của quy trình.

Hình 12. Dữ liệu dòng Process.

Hình 13. Sơ đồ Pinch


1
5


[Document title]

*Chú thích:
Đường màu xanh: dòng lạnh.
Đường màu đỏ: dòng nóng.
Đường đứt nét màu đen: Nhiệt độ điểm Pinch.
Chấm xanh: Cooler.
Chấm đổ: Heater.
Chấm xám: Heat Exchanger.

Hình 14. Sơ đồ Pinch đơn giản.
Mô tả: Dựa trên sơ đồ Pinch, nhìn từ trái sang phải, từ trên xuống dưới cho ta
thấy: Nhiệt độ dòng sản phẩm sau phản ứng được sử dụng để gia nhiệt cho các dòng
trong tháp chưng, dòng nhập liệu trước bình phản ứng, toluene nhập liệu, hydrogen
nhập liệu.
Hình 15. Worksheet của
các Heater, Cooler và
HE.

1
6