Thiết kế phân xưởng Hydrodealkyl hóa Toluen sản xuất Benzen năng suất 100.000 tấn Benzen/năm

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 7 Phần I TỔNG QUAN A. .............................................................................................................. N guyên liệu và sản phẩm của quá trình hydrodealkyl hóa toluen I. .......................................................................................................... N guyên liệu hydro ...................................................................................... 9 1. ....................................................................................................... T ính chất vật lý .......................................................................................... 9 2. ....................................................................................................... T ính chất hóa học ...................................................................................... 9 3. ....................................................................................................... Ứ ng dụng của hydro ................................................................................. 10 4. ....................................................................................................... T ồn chứa .................................................................................................. 11 II. ......................................................................................................... N guyên liệu toluen .................................................................................... 11 1. ....................................................................................................... T ính chất vật lý của toluen ...................................................................... 11 2. ....................................................................................................... T ính chất hóa học của toluen ................................................................... 13 3. ....................................................................................................... Ứ ng dụng của toluen ................................................................................ 14 III. ........................................................................................................ S ản phẩm benzen ..................................................................................... 14 1. ....................................................................................................... T ìm hiểu về benzen ................................................................................. 14 2. ....................................................................................................... T ính chất vật lý của benzen ..................................................................... 16 3. ....................................................................................................... T ính chất hóa học của benzen ................................................................. 17 4. ....................................................................................................... Ứ ng dụng .................................................................................................. 18 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 2 5. ....................................................................................................... Đ ộc tính .................................................................................................... 19 6. ....................................................................................................... A n toàn trong xử lý, lƣu trữ và vận chuyển benzen ................................ 20 B. .............................................................................................................. H ydrodealkylation of toluen – THDA I. .......................................................................................................... C ơ sở lý thuyết .......................................................................................... 22 II. ......................................................................................................... C ác phản ứng trong quá trình hydrodealkyl hóa ................................. 23 1. ....................................................................................................... P hản ứng chính ........................................................................................ 23 2. ....................................................................................................... C ác phản ứng phụ quan trọng .................................................................. 23 III. ........................................................................................................ N hiệt động học của phản ứng ................................................................. 23 IV. ........................................................................................................ C ác công nghệ hydrodealkyl hóa ............................................................ 24 1. ....................................................................................................... Q uá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác .................................................... 24 1.1. ................................................................................................ Đ iều kiện phản ứng ............................................................................ 24 1.2. ................................................................................................ X úc tác ............................................................................................... 25 1.2.1. ........................................................................................... G iới thiệu các loại xúc tác phổ biến ............................................ 25 1.2.2. ........................................................................................... Đ iều kiện làm việc của xúc tác .................................................... 25 1.2.3. ........................................................................................... Đ ặc tính xúc tác ........................................................................... 25 1.2.4. ........................................................................................... T ổng hợp xúc tác ......................................................................... 27 2. ....................................................................................................... Q uá trình hydrodealkyl hóa nhiệt ............................................................ 28 2.1. ................................................................................................ Đ iều kiện làm việc ............................................................................. 28 2.2. ................................................................................................ S ơ đồ công nghệ ................................................................................ 29 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 3 V. ......................................................................................................... M ột số công nghệ điển hình của quá trình hydrodealkyl hóa toluen 1. ....................................................................................................... C ông nghệ của UOP ................................................................................ 29 2. ....................................................................................................... C ông nghệ hydrodealkyl hóa của DETOL, LITOL và PYROTOL ........ 31 2.1. ................................................................................................ G iới thiệu ........................................................................................... 31 2.2. ................................................................................................ Ƣ u điểm của các công nghệ ............................................................... 32 2.3. ................................................................................................ S ơ đồ công nghệ chung DETOL, LITOL và PYROTOL ................. 33 3. ....................................................................................................... T ính kinh tế của quá trình THDA ........................................................... 34 C. .............................................................................................................. M ột số phương pháp khác sản xuất benzen ................................................. 35 I. .......................................................................................................... R eforming xúc tác .................................................................................... 36 1. ........................................................................................................ C ác phản ứng xảy ra trong quá trình reforming xúc tác .......................... 36 2. ....................................................................................................... Đ iều kiện phản ứng .................................................................................. 36 3. ....................................................................................................... X úc tác của quá trình reforming .............................................................. 37 3.1. ................................................................................................ C ác loại xúc tác .................................................................................. 37 3.2. ................................................................................................ C ác yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính xúc tác ..................................... 37 4. ....................................................................................................... C ông nghệ reforming xúc tác .................................................................. 37 4.1. ................................................................................................ C ông nghệ bán tái sinh ...................................................................... 37 4.2. ................................................................................................ T ái sinh liên tục ................................................................................. 38 II. ......................................................................................................... P hản ứng bất phân bố toluen để sản xuất benzen và xylen ....................... 38 1. ....................................................................................................... Nguyên lý chung của phƣơng pháp ...................................................... 38 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 4 2. ....................................................................................................... C ác phản ứng ........................................................................................... 40 3. ....................................................................................................... C ông nghệ sản xuất .................................................................................. 40 4. ....................................................................................................... C ông nghệ tatoray – sản xuất benzen điển hình trong công nghiệp ........ 41 III. ........................................................................................................ X ăng nhiệt phân ....................................................................................... 42 1. ....................................................................................................... C ơ sở của quá trình .................................................................................. 42 2. ....................................................................................................... Đ iều kiện của quá trình ............................................................................ 43 3. ....................................................................................................... C ông nghệ xử lý xăng nhiệt phân bằng hydro ......................................... 43 3.1. ................................................................................................ G iai đoạn hydrodedien hóa ................................................................ 43 3.2. ................................................................................................ G iai đoạn hydrodesunfua hóa ............................................................ 44 3.3. ................................................................................................ N guyên tắc làm việc chung của cả hai giai đoạn ............................... 44 IV. ........................................................................................................ S ản xuất benzen từ than đá .................................................................... 44 1. ....................................................................................................... C ơ sở lý thuyết ......................................................................................... 44 2. ....................................................................................................... S ơ đồ công nghệ ...................................................................................... 45 D. .............................................................................................................. L ựa chọn các quá trình sản xuất benzen ..................................................... 46 Phần II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ A. .............................................................................................................. S ơ đồ công nghệ thiết kế ............................................................................... 48 B. .............................................................................................................. T ính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng ........................................ 51 I. .......................................................................................................... P hần mềm tính toán Hysys ..................................................................... 51 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 5 II. ......................................................................................................... T rình tự tính toán trong phần mềm Hysys ........................................... 51 III. ........................................................................................................ T ính toán số liệu ban đầu ........................................................................ 52 1. ....................................................................................................... T ính năng suất benzen ............................................................................. 52 2. ....................................................................................................... T ính cân bằng vật chất ............................................................................. 52 2.1. ................................................................................................ T ính lƣợng biphenyl .......................................................................... 54 2.2. ................................................................................................ T ính lƣợng khí metan sau quá trình phản ứng .................................. 54 2.3. ................................................................................................ T ính lƣợng toluen .............................................................................. 55 2.4. ................................................................................................ T ính lƣợng khí hydro cần tiêu thụ cho phản ứng .............................. 55 2.5. ................................................................................................ C ân bằng vật chất lò phản ứng R – 101 ............................................ 56 IV. ........................................................................................................ X ây dựng sơ đồ mô phỏng trên Hysys ................................................... 56 1. ....................................................................................................... C ác ký hiệu trong Hysys .......................................................................... 56 2. ....................................................................................................... M ột số nguyên tắc khi làm việc trong Hysys ........................................... 57 3. ....................................................................................................... X ây dựng sơ đồ ........................................................................................ 57 V. ......................................................................................................... N hập số liệu vào sơ đồ Hysys .................................................................. 57 VI. ........................................................................................................ Đ iều chỉnh thông số trong Hysys ............................................................ 58 1. ....................................................................................................... T hay đổi thành phần dòng nguyên liệu ................................................... 58 2. ....................................................................................................... T hay đổi tỉ lệ chia tại TEE – 100 ............................................................ 59 3. ....................................................................................................... T hay đổi điều kiện chƣng cất tại tháp T – 101 ........................................ 59 4. ....................................................................................................... T hay đổi điều kiện chƣng cất tại tháp T – 102 ........................................ 60 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 6 5. ....................................................................................................... T hay đổi nhiệt độ chƣng cất tháp T – 103 .............................................. 61 6. ....................................................................................................... T hay đổi số liệu tháp chƣng T – 103....................................................... 61 7. ....................................................................................................... K iểm tra kết quả ....................................................................................... 62 VII. Tính cân bằng vật chất – nhiệt lượng của quá trình THDA 1. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất – nhiệt lƣợng của thiết bị phản ứng chính R – 101 ... 62 2. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất tháp tách pha áp suất cao V – 101 ............................. 63 3. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất tháp tách pha áp suất thấp V – 102 ............................ 64 4. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất tại tháp chƣng tách khí T – 101 ................................. 65 5. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất tháp chƣng tách sản phẩm benzen T – 102 ............... 66 6. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất tháp chƣng tách sản phẩm toluen T – 103 ................. 67 7. ....................................................................................................... C ân bằng vật chất cho toàn quá trình ...................................................... 68 C. .............................................................................................................. T ính toán kích thước thiết bị phản ứng chính ............................................ 74 I. .......................................................................................................... T ính chiều cao lò phản ứng ..................................................................... 74 II. ......................................................................................................... T ính toán kích thước bích nối ................................................................ 76 Phần III THIẾT KẾ XÂY DỰNG NHÀ MÁY I. .......................................................................................................... P hân tích địa điểm xây dựng nhà máy .................................................. 77 1. ....................................................................................................... C ác yêu cầu chung ................................................................................... 77 2. ....................................................................................................... C ác yêu cầu về khu đất xây dựng ............................................................ 79 3. ....................................................................................................... C ác yêu cầu về vệ sinh công nghiệp ........................................................ 79 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 7 II. ......................................................................................................... P hân tích thiết kế mặt bằng nhà máy .................................................... 79 1. ....................................................................................................... N guyên tác phân vùng ............................................................................. 79 2. ....................................................................................................... Ƣ u nhƣợc điểm của nguyên tác phân vùng .............................................. 80 3. ....................................................................................................... C ác hạng mục công trình ......................................................................... 80 3.1. ................................................................................................ B ảng thống kê các hạng mục ............................................................. 80 3.2. ................................................................................................ C ác dữ liệu kinh tế kỹ thuật ............................................................... 81 III. ........................................................................................................ T hiết kế mặt bằng .................................................................................... 83 1. ....................................................................................................... Y êu cầu đặt ra đối với nhà máy ............................................................... 83 2. ....................................................................................................... T ổ hợp sản xuất hydrocacbon của UOP .................................................. 83 3. ....................................................................................................... G iải pháp thiết kế xây dựng ..................................................................... 84 3.1. ................................................................................................ G iải pháp xây dựng lộ thiên ............................................................... 84 3.1.1. ........................................................................................... Ý nghĩa và tác dụng ..................................................................... 85 3.1.2. ........................................................................................... C ác nguyên tắc cơ bản khi xây dựng lộ thiên ............................. 85 3.2. ................................................................................................ T hiết kế xây dựng .............................................................................. 85 Phần IV TÍNH TOÁN KINH TẾ I. .......................................................................................................... C ác số liệu ban đầu .................................................................................. 88 II. ......................................................................................................... S ố vốn đầu tư phân xưởng ...................................................................... 88 1. ....................................................................................................... V ốn đầu tƣ cố định ................................................................................... 88 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 8 1.1. ................................................................................................ C huẩn bị mặt bằng ............................................................................. 88 1.2. ................................................................................................ P hân xƣởng........................................................................................ 88 1.3. ................................................................................................ V ốn đầu tƣ thiết bị ............................................................................. 89 1.4. ................................................................................................ C hi phí xây dựng và lắp đặt ............................................................... 89 1.5. ................................................................................................ T huế đất ............................................................................................. 89 1.6. ................................................................................................ C hi phí cho quá trình chạy thử và hƣớng dẫn sử dụng thiết bị ......... 89 2. ....................................................................................................... C hi phí đầu tƣ khai thác ........................................................................... 90 2.1. ................................................................................................ C hi phí nguyên vật liệu ...................................................................... 90 2.2. ................................................................................................ C hi phí cho điện nƣớc ........................................................................ 90 2.3. ................................................................................................ T ổng chi phí cho công nhân .............................................................. 91 2.4. ................................................................................................ C hi phí bảo dƣỡng ............................................................................. 91 2.5. ................................................................................................ C hi phí cho những vấn đề về sự cố ngừng hoạt động ....................... 92 3. ....................................................................................................... V ốn đầu tƣ lƣu động ................................................................................ 92 4. ....................................................................................................... T ính khấu hao phân xƣởng ...................................................................... 92 5. ....................................................................................................... T ổng chi phí sản xuất chung .................................................................... 92 6. ....................................................................................................... C hi phí quả lý doanh nghiệp .................................................................... 93 Phần V TỰ ĐỘNG HÓA I. .......................................................................................................... K hái niệm .................................................................................................. 95 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 9 II. ......................................................................................................... M ục đích và ý nghĩa của tự động hóa trong sản xuất ........................... 95 III. ........................................................................................................ M ột số dạng tự động ................................................................................. 95 1. ....................................................................................................... T ự động kiểm tra và tự động bảo vệ ....................................................... 96 2. ....................................................................................................... D ạng tự động điều khiển .......................................................................... 96 3. ....................................................................................................... D ạng tự động điều chỉnh .......................................................................... 97 4. ........................................................................................................ D ạng điều khiển phản hồi ........................................................................ 97 IV. ........................................................................................................ C ấu tạo của một số thiết bị tự động ....................................................... 97 1. ....................................................................................................... B ộ cảm biến áp suất ................................................................................. 97 2. ....................................................................................................... B ộ cảm ứng nhiệt độ ................................................................................ 98 3. ....................................................................................................... B ộ cảm ứng mức đo chất lỏng ................................................................. 98 4. ....................................................................................................... B ộ cảm ứng biến lƣu lƣợng ..................................................................... 99 V. ......................................................................................................... T hiết kế mô hình tự động hóa ............................................................... 100 1. ....................................................................................................... C ác ký hiệu cơ bản trong thiết kế tự động hóa (P&ID) ......................... 100 2. ....................................................................................................... T ự động hóa trong phân xƣởng THDA ................................................. 101 Phần VI AN TOÀN LAO ĐỘNG TRONG PHÂN XƯỞNG I. .......................................................................................................... M ục đích .................................................................................................. 103 1. ....................................................................................................... N guyên nhân do kỹ thuật ....................................................................... 103 2. ....................................................................................................... N guyên nhân do tổ chức ........................................................................ 103 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 10 3. ....................................................................................................... N guyên nhân do vệ sinh ......................................................................... 104 II. ......................................................................................................... C ông tác đảm bảo an toàn lao động ..................................................... 104 1. ....................................................................................................... C ông tác giáo dục tƣ tƣởng .................................................................... 104 2. ....................................................................................................... T rang bị phòng hộ lao động .................................................................. 104 3. ....................................................................................................... C ác biện pháp kỹ thuật .......................................................................... 104 4. ....................................................................................................... C ông tác vệ sinh ..................................................................................... 105 5. ....................................................................................................... Y êu cầu vệ sinh đối với mặt bằng nhà máy ........................................... 105 III. ........................................................................................................ Y êu cầu về phong chống cháy nổ trong nhà máy ............................... 106 1. ....................................................................................................... P hòng chống cháy ................................................................................. 107 2. ....................................................................................................... N găn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn gây cháy ......................... 107 3. ....................................................................................................... N găn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn cháy ................................ 107 4. ....................................................................................................... N hững biện pháp tổ chức để đảm bảo an toàn cháy nổ ......................... 108 IV. ........................................................................................................ C ác yêu cầu về an toàn giao thông trong nhà máy ............................. 109 KẾT LUẬN ................................................................................................ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 112 PHỤ LỤC ................................................................................................... 113 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 11 MỞ ĐẦU . . , . Đây . . . ( Benzen – Toluen – Xylen). trong 1 . 250 sản phẩm riêng biệt hoặc phân loại sản phẩm. Trong lịch sử, tiêu thụ chính của benzen có trong sản xuất Êtylbenzen (Đối với polystyrene), cumene (đối với phenol và acetone), và cyclohexane (đối với nylon).Đáng kể số lƣợng benzen cũng đƣợc tiêu thụ trong sản xuất anilin, chất tẩy rửa alkylate, và maleic anhydride.[3] Từ cách đây nhiều thập niên, các nhà sản xuất đã nhận ra tầm quan trọng của benzen. Các phƣơng pháp sản xuất benzen trong công nghiệp cũng không ngừng phát triển để cung câp nguồn nguyên liệu trung gian này cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu. Trên thực tế, nguồn cung cấp hydrocacon thơm nói chung, và benzen nói riêng không hoàn toàn có nguồn gốc từ dầu mỏ. . Bằng chứng là trƣớc năm 1940, đây chính là phƣơng pháp chủ yếu cung cấp nguồn benzen và sản phẩm thế benzen. Hiện nay . [2] Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 12 Benzen có thể thu đƣợc từ một số quá trình quan trọng trong lọc hóa dầu, nhƣ quá trình reforming xúc tác, cracking xúc tác, Cracking hơi. Mặc dù trong các quá trình này, benzen chỉ là sản phẩm phụ, song sản lƣợng là đáng kể. Trong quá trình reforming xúc tác, với nguồn nguyên liệu naphta đã cung cấp lƣợng benzen và sản phẩm BTX chủ yếu. Quá trình cracking xúc tác lại chuyển hóa phân đọan dầu thô í . Song cũng là những nguồn thu BTX quan trọng trong công nghiệp. Một số quá trình mới cho t . Hay quá trình Hydrodealkyl hóa trực tiếp toluen để cho sản phẩm benzen với độ chuyển hóa rất cao. Quá trình này có thể thực hiện dễ dàng nhờ xúc tác hydrodealkyl hóa toluen_HDA hay dƣới tác dụng của nhiệt độ thermal hydrodealkyl of toluen_THDA. . Trong đồ án này, có sự phân tích rõ ràng về sơ đồ công nghệ, cũng nhƣ các điều kiện tối ƣu để phát huy hết công suất mỗi sơ đồ. Và sau đó là sự lựa chọn, tính toán một sơ đồ sao cho công nghệ đó không chỉ đáp ứng yêu cầu về năng suất, chất lƣợng benzen mà còn thỏa mãn điều kiện về kinh tế nhƣ chi phí đầu tƣ, giá thành sản phẩm, xây dựng… Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 13 Phần I TỔNG QUAN A. Nguyên liệu và sản phẩm I. Nguyên liệu Hydro _catalytic reforming. Hydro đƣợc sử dụng cho các mục đích làm sạch sản phẩm, xử lý hydro các phân đoạn hay sử dụng cho quá trình hydrocraking. Quá trình reforming đƣợc đánh giá là nguồn thu hydro dồi dào (hàm lƣợng từ 85 93%) và rẻ tiền, rẻ hơn từ 10 đến 15 lần so với hydro thu đuợc bằng các cách điều chế khác . 1. Tính chất vật lý - Là 1 phi kim, tồn tại ở dạng khí. Là khí nhẹ nhất trong tất cả các khí, hydro nhẹ hơn không khí 15 lần. - Hydro có 3 đồng vị Bảng 1 : Các đồng vị của hydro Đồng vị 1 1H 21H 31H Tên Proti Dơteri Triti % 99.948 0.016 0.0001 - Hydro có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy thấp. Tnc = - 259,1 0 C Ts = - 252,6 0 C - Hydro tồn tại ở dạng đơn chất (H2) và hợp chất (H2 , dầu mỏ,…) - Hydro chủ yếu tồn tại trong vũ trụ ( Chiếm ½ trọng lƣợng mặt trời), hydro hầu nhƣ không có mặt trong khí quyển. 2. Tính chất hóa học Tính bền Do mỗi nguyên tử H2 đã đạt đến cấu hình khí hiếm nên phân tử H2 rất bền. Đến 20000C mới bắt đầu phân hủy, nên H2 kém hoạt động ở đk thƣờng : 02000 C 2 H 2H Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 14 Tính khử.(Khả năng cho H+) + H - 1e H Ion H + có điện tích là +1, không còn e nào, kích thƣớc lại vô cùng nhỏ: -5 Hr =1,5*10 cm -8 +H r =10 cm Nên H + không tồn tại ở trạng thái tự do, mà luôn kết hợp với các nguyên tử hay phân tử khác. - Phản ứng với các phi kim : 0 0 2 2 2 2 2 t CH +X 2HX 1 550 CH + O H O 2 - H2 khử đƣợc 1 số oxit KL về KL. (Điều chế KL bằng phƣơng pháp nhiệt luyện) 0 2 2 t CH +CuO Cu+H O - No hóa các hợp chất chƣa no : 2 4 2 2 6 xtC H +H C H Tính OXH. Khi tác dụng với 1 số KL hoạt động nhƣ KL kiềm, hay kiềm thổ thì tạo ra H- (hydrua) 0 2 2 -H+1e=H (hydrua) t2Na + H 2NaH (Natrihydrua) 2 NaH + H O = NaOH + H 3. Ứng dụng của hydro : - Trong công nghiệp : Sản xuất ra NH3, Từ đó sản xuất ure. - Sản xuất HCl, CH3OH, hydro hóa hợp chất chƣa no. - Tinh chế dầu mỏ ( loại bỏ S, olefin,…) - H2 cùng với O2 lỏng làm nhiên liệu tên lửa - Do nhẹ hơn không khí, hydro đƣợc bơm vào khí cầu. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 15 - Hydro có tốc độ khuếch tán nhanh nên đƣợc dùng làm mát các chi tiết máy. 4. , chất dẻo và các sản phẩm dầu khí. Nó có thể đƣợc vận chuyển đến ngƣời dùng cuối thông qua đƣờng ống dẫn - đó là phƣơng pháp rẻ nhất - nhƣng có những đƣờng ống hiện có tƣơng đối ít so với các hệ thống khí đốt tự nhiên. 300$ và 600$ cho mỗi km. Nén khí hydro , đặc biệt là khoảng cách dài. Hydrogen lỏng -253 º C. , t . , làm mát chất lỏng khí hydro. II. Nguyên liệu Toluen 1. Tính chất vật lý của toluen [4]. Toluen là một chất lỏng không màu, có mùi hăng, nhƣng không sốc bằng benzen. . Bảng 2: Tính chất vật lý của Toluen [4]. Tính chất Giá trị (đvC) 92.13 Nhiệt độ sôi, oC 110,625 Nhiệt độ đông đặc, oC -94,991 Tỷ trọng, g/ml ở 20oC ở 25oC 0,8669 0,8623 Chỉ số khúc xạ nP ở 68 o F ở 77oC 1,4969 1,4941 Nhiệt độ tới hạn, oC 320,8 (% V) Trên 6.8 1.3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 16 , atm 40 Tỷ trọng tới hạn, g/ml 0,29 PV/RT tới hạn 0,26 Nhiệt hoá hơi hv, Kcal/mol ở 20 o C ở 25oC 9,08 8,00 Nhiệt nóng chảy H, Kcal/mol 1,582 Hằng số nghiệm lạnh, mol/K A B 0,02508 0,0019 Nhiệt tạo thành HF, Kcal/mol Khí Lỏng 11,950 2,867 Entropy, S o Khí Lỏng 76,42 52,48 Năng lƣợng tạo thành tự do F Khí Kcal/mol Lỏng 29,228 27,282 Dựa vào công thức [4]: Log(P) = A – B / (C + t) C = 219,482 A = 1344,860 P : mmHg T : o C nhƣ sau: Bảng 3 (mmHg) Nhiệt độ ( o C) Áp suất (mmHg) Nhiệt độ ( o C) 10 6,36 300 80,56 20 18,38 400 89,84 30 26,03 500 96,52 40 31,76 600 102,51 50 36,394 700 107,57 60 40,308 800 112,40 80 46,733 900 116,84 100 51,940 1000 120,17 150 61,942 1200 127,52 200 69,498 1500 136,41 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 17 Toluen tạo một hỗn hợp đẳng phí với đa số parafin, rƣợu, naphtalen... nhiệt độ đẳng phí của hỗn hợp rất gần với nhiệt độ sôi của cấu tử thứ hai. Toluen không tạo hỗn hợp đẳng phí với một số chất nhƣ: heptan, metyl cyclohexan, Cis-1,3- dimetyl cyclohexan. 2. Tính chất hoá học của Toluen [4]. Cấu tạo của toluen nhƣ sau: C HH H Do có cấu trúc vòng và nhánh bên nhƣ trên nên toluen có các phản ứng của cả nhánh bên và của cả vòng thơm. a. Phản ứng của vòng thơm. Nhóm CH3 là nhóm thế loại một của vòng benzen do ảnh hƣởng của hiệu ứng liên hợp và siêu liên hợp của nhóm thế với electron trong vòng benzen làm mật độ e trong vòng benzen tăng lên và tăng chủ yếu ở vị trí octo và para, do vậy khi thế lần hai thì vị trí nhóm thế mới sẽ vào vị trí octo và para. b. Phản ứng của nhánh bên. Ngoài phản ứng thế của vòng benzen, Toluen còn tham gia phản ứng khác của nhánh. - Phản ứng tạo diphenyl trong điều kiện nhiệt độ thích hợp. 2C6H5CH3 + 0,5O2 C6H5-CH2-CH2-C6H5 + H2O - . 2C6H5-CH3 C6H6 + CH3-C6H4-CH3 - Phản ứng clometyl hoá. C6H5-CH3 + HCHO + HCl CH3-C6H4-CH2Cl + H2O - Đặc biệt toluen còn tham gia phản ứng oxi hoá bằng oxi không khí với điều kiện nhiệt độ, xúc tác thích hợp cho Benzaldehit hoặc cũng có thể tạo axit benzoic và các sản phẩm khác: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 18 C6H5CH3 + O2 C6H5CHO hoặc C6H5COOH - Phản ứng hyđro hoá tạo naphten, metylcyclohecxan. C6H5CH3 + 3H2 C6H11CH3 - Toluen có thể thu đƣợc từ than đá hay từ dầu mỏ nhƣng hiện nay nguồn thu toluen chủ yếu từ dầu mỏ bằng các quá trình chế biến hoá học khác nhau. 3. Ứng dụng của toluen [4,2]. . + . Hiện nay, . Theo nghiên cứu của API thì nhu cầu sử dụng Toluen trong xăng không pha chì sẽ tăng gấp đôi so với xăng pha chì. Tuy nhiên để sử dụng đƣợc xăng không pha chì thì cũng yêu cầu có sự đầu tƣ và thay đổi đáng kể trong vòng 10 năm hoặc lâu hơn nữa [4]. + T ) . . , . .[2] + , ô tô. III. Sản phẩm Benzen 1. Tìm hiểu về benzen [6,7] Benzen đƣợc nhà vật lý Anh Farađây (M.Faraday) phát hiện ra năm 1825. Năm 1833, nhà hoá lý Đức Mitselic (E. Mitcherlich) đã điều chế đƣợc benzen khi chƣng khô muối canxi của axit benzoic, cho nên benzen mang tên nhƣ vậy. Benzen - C6H6 là hidrocacbon vòng thơm đơn giản nhất. Trong benzen có chứa Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 19 một tập hợp vòng gồm sáu nguyên tử cacbon. Đó là nhân benzen. Năm 1865, nhà hoá học Đức Kekule (A.Kekule) đã đƣa ra công thức dạng khép vòng của benzen với các liên kết đơn và đôi luân phiên nhau. Theo các giả thuyết hiện đại, sáu electron π của ba liên kết đôi trong benzen ở trạng thái liên hợp, tạo thành một hệ electron thống nhất. . Nhiều tác giả đã đề nghị các công thức cấu tạo của vòng benzen, trong đó có công thức Kekule đƣợc sử dụng nhiều hơn cả. Mặc dù vậy, công thức Kekule không phản ánh đƣợc đầy đủ các tính chất của benzen [7]. Theo quan điểm hiện đại: Benzen có cấu tạo vòng 6 cạnh phẳng. Các nguyên tử cacbon trong vòng đều ở trạng thái lai hóa sp2 . Mỗi nguyên tử cacbon còn một electron p chƣa lai hóa. Sáu electron p của 6 nguyên tử cacbon không xen phủ đều cả hai bên tạo ra đám mây electron p phân bố đều trên cả 6 nguyên tử cacbon của vòng và đƣợc biểu diễn bằng công thức sau [7]: Các góc hóa trị đều bằng 1200 . C C C C C H Độ dài kiên kết C – C có giá trị trung gian giữa liên kết đơn C – C và liên kết đôi C = C: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 20 C C C C C C 1,54 A 0 1,40 A 0 1,34 A 0 Chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng do các electron p xen phủ khép kín nên các liên kết C – C của vòng không mang tính chất của một liên kết đôi C = C. Phân tử benzen có mật độ electron p phân bố đều, phân tử hoàn toàn đối xứng, bền, vì thế mà khó cộng hợp, khó oxi hóa. Nó chỉ dễ phá vỡ cấu trúc bền của vòng. 2. Tính chất vật lý của benzen [6,2] Benzen là một hydrocacbon thơm, có công thức hóa học là C6H6, khối lƣợng phân tử 78,11, ở trạng thái lỏng, không màu, linh động, có mùi thơm đặc biệt. . . Benzen không tan trong nƣớc, tạo thành với nƣớc một hỗn hợp sôi ở nhiệt độ 69,25oC . Benzen hòa tan đƣợc nhiều chất nhựa, mỡ, lƣu huỳnh và nhiều chất khác, không tan trong nƣớc. Do đó benzen là một dung môi rất thông dụng. 4: Các thông số vật lý của benzen [8]: Điểm nóng chảy 5,5330C Điểm sôi 80,10C Khối lƣợng riêng ở 25oC: 879 kg/m3 Độ nhớt ở 200C 0,649.10-3 N.s/m2 Sức căng bề mặt ở 200C 29.10-3 N/m Nhiệt dung riờng ở 200C 1730 J/kg.đo Nhiệt độ chớp cháy cốc kín –11,1oC. Nhiệt cháy đẳng áp ở 25oC 9,999 kcal/mol Nhiệt hóa hơi 8.09kcal/kmol Nhiệt độ tự bốc cháy trong không khí 538oC Nhiệt độ tới hạn 289.45oC Độ hoà tan trong nƣớc ở 25oC 0.18g/100g H20 Áp suất tới hạn 48.6 atm Nhiệt nóng chảy 30,1 kcal/kmol Độ hoà tan của nƣớc trong benzen 0.05g/100g C6H6 Nhiệt lƣợng nóng chảy 2,351 kcal/mol Tỷ trọng tới hạn 0,3 g/ml Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 21 3. Tính chất hóa học của Benzen [7] Về thành phần, benzen thuộc loại hidrocacbon vòng không no liên hợp (dãy đồng đẳng CnH2n-6), nhƣng khác với hidrocacbon thuộc dãy etylen C2H4, benzen thể hiện các tính chất vốn có của hidrocacbon no. Chẳng hạn, benzen bền vững với tác dụng của các chất oxi hoá, dễ tham gia phản ứng thế hơn là phản ứng cộng, v.v… Sỡ dĩ benzen và những hợp chất thơm khác có các tính chất đặc biệt này là vì nhân benzen tƣơng đối bền vững đối với các phản ứng hoá học. a. Phản ứng cộng hợp : Benzen . Ph hó thực hiện, đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt : nhiệt độ, xúc tác, áp suất. + Phản ứng khử : Benzen Xyclohexan Ni, 200 - 3000C, 300 atm 3H2 + Tác dụng với clo : 3Cl2 T, P as Cl Cl Cl ClCl Cl b. Phản ứng oxi hóa : Rất khó thực hiện. Các chất oxi hóa thông thƣờng nhƣ KMNO4 ,K2Cr2O7 / H2SO4 không có khả năng oxi hóa nhân benzen. Ơ nhiệt độ cao, benzen bị oxi hóa bởi oxi tạo anhydric maleic với sự có mặt của xúc tác V2O5 : 9/2 O2 4500C V2O5 Benzen CH CH C C O O O Anhydric maleica c. Phản ứng thế electrophyl SE : Benzen là một nguyên liệu rất quan trọng trong công nghiệp hoá chất. Những nguyên tử hidro trong benzen dễ bị thay thế bằng clo và các halogen khác, bằng Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng THDA sản xuất Benzen Nguyễn Xuân Dũng – HD1001 22 các nhóm sunfo-, amino-, nitro- và các nhóm định chức khác. Clobenzen, hexaclobenzen, phenol, anilin, nitrobenzen… - phản ứng halogen hóa : X2 FeX3 ( X = Cl, Br ) X HX - Phản ứng nitro hóa : HNO3 H2SO4 NO2 H2O55 - 600C - Phản ƣng sulfo hóa : H2SO4 SO3H H2O - Phản ứng ankyl hóa : RCl R HCl AlCl3 - Phản ứng axyl hó