Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất phenol bằng con đường kiềm hoá

bằng nhóm hydroxyl theo phương pháp nóng chảy kiềm. Một trong những phương pháp chuyển hóa quan trọng nhất của các sunphoaxit dãy thơm là cacspo thay thế nhóm sunphoaxit bằng nhóm hydroxyl khi cho muối của sunphoaxit tác dụng với hydroxyl kim loại kiềm ở dạng nóng chảy: ArSO3Na + 2 NaOH ArONa +Na2SO3 + H2O Ngày nay phương pháp nóng chảy kiềm là phương pháp chủ yếu để tổng hợp các dẫn xuất oxy của dãy thơm. 1. Cơ cấu của phản ứng. Cơ cấu của phản ứng. Tác nhân nóng chảy kiềm thông dụng hơn cả là NaOH vì rẻ hơn nhiều so các tác nhân khác. Trong qui mô sản xuất nhỏ hoặc sản xuất các loại sản phẩm qúi , nếu NaOH không đủ khả năng phản ứng có thể dùng KOH. Trong một số trường hợp người ta còn dùng hỗn hợp NaOH và KOH, vì nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp thấp hơn so với nhiệt độ của từng cấu tử riêng biệt. Kiềm ở dạng nóng chảy là tác nhân phản ứng rất mạnh. Khi tác dụng với hợp chất hữu cơ không no, phần tử kiềm có xu hướng kết hợp theo phần tử nối đôi. Khi muối của sunphoaxit phản ứng với kiềm nóng chảy, phân tử kiềm sẽ sẽ kết hợp với nhân thơm, sau đó mới tách phân tử sunphit để tạo phenolat. SO3Na ONa SO3Na + NaOH + NaOH H ONa H + Na2SO3 + H2O Sau khi axit hóa pheolat ta được phenol. Nhóm OH thường vàđược vị trí của của nhóm SO3H.Trong thực tế sản xuất, song song với qúa trình chính - thay nhóm -SO3H bằng nhóm OH - bao giờ cũng xảy ra một số phản ứng phụ như chuyển hóa sản phẩm kết hợp tạo thành hydrro cacbon và sunphat. Có thể biểu diễn các phản ứng xảy ra trong qúa trình nóng chảy kiềm theo sơ đồ sau: ArSO3Na + NaOH ArSO3Na .NaOH (1) ArSO3Na .NaOH + NaOH ArOH + Na2SO3 + H2O (2) ArSO3Na .NaOH ArOH + Na2SO4 (3) Phản ứng thứ hai là phản ứng chính. Trong một số trường hợp, phản ứng (3) sẽ không xảy ra. Tính chất thuận nghịch của qúa trình tạo sản phẩm kết hợp đã được chứng minh bằng phản ứngM-sunphoaxit của phenol khi cho Rezocxin tác dụng với bisunphit. 2.Những đặc điểm của phản ứng nóng chảy kiềm. Thông thường trong các phản ứng nóng chảy kiềm, ta thấy vị trí của nhóm OH trong sản phẩm chính là vị trí của nhóm -SO3Na trong hợp chất ban đầu. Những hiện tượng đó không phải bao giờ cũng xảy ra, nhóm -OH không phải bao giờ cũng chiếm vị trí của nhóm -SO3H. Như chúng ta đã biết phản ứng nóng chảy kiềm các sunphoaxit, hoặc nói chung qúa trình đưa nhóm -OH và nhân thơm bằng tác dụng của kiềm là phản ứng thế nucleophin. Ion OH- sẽ vàđược vị trí có mật độ điện tử nhỏ nhất. Mật độ điện tử tại nguyên tử cacbon liên kết với nhóm -SO3H có bị giảm đi do ảnh hưởng cảm ứng của nguyên tử S mang điện điện tích dương trong nhóm -SO3H. Cho nên trong nhiều trường hợp, nhóm -OH sẽ vào vị trí của của nhóm -SO3H. Song mật độ điện tử tại những nguyên tử cacbon không liên kết với nhóm -SO3H cũng có thể giảm xuống do ảnh hưởng của các nhóm thế khác. Cho nên nhóm -OH cũng có thể phản ứng với các nguyên tử cacbon ở nhóm này. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, nồng độ tác nhân, loại tác nhân được quyết định bởi độ hoạt động của nhóm -SO3H. Tất nhiên nếu nhóm -SO3H cùng hoạt động, phản ứng sẽ càng dễ dàng hơn. Nhóm -SO3H trong benzen sunphoaxit là nhóm kém hoạt động nên phản ứng đòi hỏi ở nhiệt độ cao, trên 3000C. Vậy khi biết bản chất của sunphoaxit, chúng ta có thể tiến hành phản ứng một cách tương đối dễ dàng, lựa chọn được các điều kiện phản ứng thích hợp. 3. Kỹ thuật tiến hành phản ứng. a) Nguyên liệu. Hai tác nhân chủ yếu trong phản ứng nóng chảy kiềm là muối của sunphoaxit (sunphonat) và kiềm. để đạt hiệu suất cao và chất lượng của sản phẩm tốt cần tinh chế các tác nhân khỏi các tạp chất gây tổn hại cho qúa trình phản ứng. Sunphoaxit tham gia phản ứng ở dạng muối - suphonat. Lượng tạp chất vô cơ (như NaCl, Na2SO4) trong đó không được qúa 10% trọng lượng sunphonat. Các tạp cahats vô cơ không tan trong kiềm nóng chảy, tạo thành cục, giảm độ linh động của khối phản ứng dẫn đến qúa nhiệt cục bộ và có thể xảy ra hiên cháy khối phản ứng khi nhiệt độ thành thiết bị tăng cao trên 3000C. Độ axit của muối sunpho cũng có hại đối với phản ứng vì phải tốn kiềm để trung hoà axit, mặt khác phản ứng trung hoà lại tạo thành các muối vô cơ, ảnh hưởng không tốt tới phản ứng. Trong kiềm (NaOH và KOH) thường có tạp chất clorat dễ gây phản ứng oxy hóa. Vì vậy cần phải tách các tạp chất đó trước khi đưa vào phản ứng. b) Các điều kiện phản ứng. Theo phương trình phản ứng phải dùng 2 mol NaOH cho một nhóm -SO3H. Nhưng trong thực tiễn sản xuất cũng như trong phòng thí nghiệm đều phải cho dư NaOH từ 3 đến 4 mol và có thể cao hơn nữa. Để giảm tiêu hao kiềm cần chọn sunphoaxit có chất lượng cao, chọn thiết bị phản ứng thích hợp và khống chế các điều kiện phản ứng theo đúng các yêu cầu. Để tăng độ linh động của khối phản ứng và giảm nhiệt độ của khối phản ứng có thể cho thêm từ từ 5-10% nước. Khi đó nhiệt độ của khối phản ứng sẽ từ 270 -2800C. Nước tạo thành trong phản ứng sẽ làm cho khối phản ứng linh động hơn. Sunphonat được đưa vào từng mẻ ở dạng bột hay dung dịch bão hòa trong nước. Nếu dùng sunphonat ở dạng dung dịch phản ứng sẽ dễ dàng hơn, không tạo bọt, không có bụi. Sau khi cho tất cả sunphonat vào, vừa khuấy trộn vừa nâng nhiệt độ của khối phản ứng lên tới mức cần thiết, giữ nhiệt độ của khối phản ứng trong một thời gian. Trong khối phản ứng chứa phenolat, sunphit và kiềm dư. c) Các phương pháp nóng chảy kiềm. Phản ứng nóng chảy kiềm có thể tiến hành trong điều kiện áp suất thường. Thiết bị phản ứng được chế tạo bằng gang, đáy cong, có cánh khuấy. Được đốt nóng bằng khí lò, than, bằng dầu, hoặc đốt nóng bằng điện. Trong qúa trình phản ứng thiết bị được đậy nắp kín, có cửa cho nguyên liệu vào. Trong kỹ thuật phương pháp nóng chảy kiềm được áp dụng rộng rãi nhất. VI. Qúa trình sản xuất phenol. Qúa trình sản xuất phenol bằng phương pháp nóng chảy kiềm thể hiện qua các giai đoạn phản ứng sau đây: 1. Qúa trình hình thành axit benzensunfonic bằng phản ứng của benzen với axit sunfuric đặc. C6H6 + H2SO4 đ C6H5SO3H + H2O 2. Qúa trình phản ứng của axit bezensunfoic với natrisunfit hoặc natri cacbonat tạo ra natribenzensulfonat. 2 C6H5 SO3 H + Na2SO3 đ 2C6H5SO3 Na + H2O + SO2 3. Qúa trình gia nhiệt benzensulfonat trong natri hydroxit để tạo ra natri phenolat. C6H5 SO3 Na + 2 NaOH đ C6H5O Na + H2O + Na2SO3 4. Qúa trình phản ứng của natri phenolat với sulfuadioxit hoặc CO2 tạo ra phenol dạng tự do. 2C6H5ONa + H2O + SO2 đ 2 C6H5 O H + Na2SO3 Trước đây người ta trung hoà benzen sunphoaxit bằng Na2SO3 và axit hóa phenolat bằng H2SO4. Sau này người ta tận dụng phế liệu của các giai đoạn khác nhau Na2SO3 , SO2 , H2O để trung hòa benzen sunphoaxit và axit hóa phenolat. Sơ đồ dây truyền sản xuất phenol theo phương pháp kiềm nóng chảy được trình bày theo sơ đồ sản xuất ở trang bên. Thuyết minh sơ đồ dây truyền sản xuất. 1. Chú thích sơ đồ sản xuất . 1 - Thiết bị sôi (nồi hơi). 2 - Thiết bị qúa nhiệt của hơi benzen. 3 - Tháp sunpho hóa. 4 và 13 - Thiết bị ngưng. 5 và 11 - Thiết bị lắng. 6 - Tháp trung hoà. 7 - Nồi nung chảy kiềm 8 - Thiết bị dật tắt 9 - Máy lọc ly tâm. 10 - Tháp để phân huỷ phenolat. 12 - Thiết bị luyện chân không. 14 - Bình chứa các sản phẩm tinh luyện. 2. Qúa trình hoạt động của tháp. Benzen mới và benzen thu hồi được đưa liên tục vào thiết bị bốc hơi benzen 1. Thiết bị được đun nóng bằng hơi nước ở áp suất 7 - 8 at. Hơi benzen tạo thành được đun qúa nhiệt trong thiết bị 2, sau đó vào phần dưới của tháp sunpho hóa 3. Tháp được tưới bằng H2SO4. Khi chảy theo các đĩa H2SO4 sẽ phản ứng với benzen tạo thành benzen sunphoaxit , tụ lại dưới đáy tháp. Hơi benzen còn dư sau phản ứng và hơi nước phản ứng được ngưng tụ trong thiết bị 4 và lắng trong thiết bị 5. Benzen thu hồi được đưa trở lại phản ứng. Benzen sunphoaxit vào phần trên của tháp trung hòa 6. Người ta cho Na2SO3 liên tục vào tháp. Khi đi từ trên xuống theo những tầng hình nón, C6H5SO3Na sẽ tác dụng với Na2SO3 tạo dung dịch đặc C6H5SO3Na và khí SO2. Khí SO2 sang tháp axit hóa phenolat C6H5SO3Na sang thiết bị chảy kiềm 7 đã chứa NaOH nóng chảy. Nâng nhiệt độ khối phản ứng lên 330 0C giữ nhiệt độ này trong khoảng thời gian tử 6 - 9 giờ. Hỗn hợp nóng chảy gồm khoảng 40% C6H5ONa, 45% Na2SO3, còn lại là Na2SO4 và nguyên liệu dư được đưa sang thiết bị dập tắt chứa sẵn Na2SO3. Trong thiết bị dập tắt, C6H5ONa tan trong dung dịch, Na2SO3 tách khỏi dung dịch ở dạng tinh thể. Bằng thiết bị quay ly tâm chúng ta tách được dung dịch C6H5ONa và Na2SO3 ra khỏi tinh thể Na2SO3. Tinh thể Na2SO3 được đưa sang giai đoạn trung hoà benzen sunphoaxit trong thiết bị 6 phenolat được axit hóa thành phenol. Sau đó lắng và tách phenol khỏi dung dịch Na2SO4. Phenol có nhiệt độ sôi cao nên phải chưng cất trong chân không bằng hơi nước 7-8 at. Hơi sản phẩm cho qua thiết bị ngưng tụ, được đưa vào thùng chứa. Để tránh hiện tượng phenol kết tinh làm tắc đường ống, người ta cho nước nóng chảy qua thiết bị ngưng tụ. Chưng phenol thô ta được lần lượt các sản phẩm như sau: - Nước phenol dùng trong giai đoạn dập tắt khỏi kiềm nóng chảy cùng với dung dịch sunphatnatri. - Phenol kỹ thuật thu được sau khi chưng cất lại hai lần nữa ta được phenol tinh khiết. Nhựa phenol dùng làm chất tẩy trùng và chất tẩy độc. Phần III: Tính toán Chương I: Tính cân bằng vật chất trong các qúa trình sản xuất Các số liệu đầu vào của qúa trình sản xuất Nồng độ của các nguyên liệu Năng suất của nhà máy là 55.000 tấn/năm. Benzen kỹ thuật gồm 96% benzen và 4% nước. Lấy dư 1,06 mol so với tỷ lệ phản ứng Sunfit natri 82%, 14% nước và 1% tạp chất. NaOH 85%, lấy dư 20% so với tỷ lệ phản ứng. SO2 lấy ở phản ứng trung hoà. Hiệu xuất của các qúa trình phản ứng như sau. - Hiệu xuất của qúa trình sunfo hóa : 96% - Hiệu xuất của qúa trình trung hòa là : 100% - Hiệu xuất của qúa trình nung chảy kiềm : 95% - Hiệu xuất của qúa trình dập tắt : 99% - Hiệu xuất của qúa trình lọc : 98% - Hiệu xuất của qúa trình axit hóa : 99,5 % - Hiệu xuất của qúa trình lắng : 99 % - Hiệu xuất của qúa trình chưng cất : 97% - Hiệu xuất chung của các qúa trình : 85,5% Trong qúa trình sản xuất một năm phải có một thời gian sửa chữa và bảo quản nhất định,với số ngày nghỉ là 25 ngày. Do đó số ngày làm việc trong một năm là 340 ngày. Từ đó chúng ta có thể tính được phenol sản xuất được trong một giờ là: Lượng phenol sản xuất trong một giờ (kg/h) I. Tính cân bằng vật chất cho qúa trình sunpho hóa. Các phản ứng xảy ra trong qúa trình sunpho hóa: C6H6 + H2SO4 đ C6H5SO3H + H2O (1) C6H5SO3H + H2SO4 đ C6H4(SO3H)2 + H2O (2) C6H5SO3H + C6H6 đ C6H5 - SO2 - C6H5 + H2O (3) Vậy lượng benzen tinh khiết cần để sản xuất được 6740,196 kg phenol trong một giờ là: (kg/h) Với hiệu xuất của qúa trình tính theo benzen là 85,5% nên lượng benzen tinh khiết cho qúa trình là : (kg/h) = 83,86 ( kmol/h) Lượng benzen kỹ thuật gồm 96% và 4% là nước. (kg/h) = 87,36 (kmol/h) + Lượng H2SO4 đưa vào thiết bị. Lượng H2SO4 tinh khiết được tính theo phản ứng (1) như sau: 87,36.98 = 8561,28 (kg/h) Nhưng trong thực tế lượng H2SO4 đưa vào dư 1,06 mol so với tỷ lệ phản ứng. Do đó lượng H2SO4 tinh khiết là 8561,28 + (1,06.98) = 8665,16 (kg/h) Lượng axit H2SO4 kỹ thuật gồm 98% và 2% tạp chất: (kg / h) Lượng tạp chất vào thiết bị. Lượng tạp chất có trong benzen 6813,99.0,04 = 272,56 (kg/h) Lượng tạp chất có trong axit H2SO4 8842.0,02 = 176,84 (kg/h) Như vậy tổng lượng tạp chất có trong nguyên liệu là : 272,56 + 176,84 = 449,4 (kg/h) Lượng vật chất ra khỏi thiết bị Sản phẩm chính của qúa trình sunpho hóa là benzen sunpho axit. Ngoài ra còn có một số sản phẩm phụ chủ yếu khác như Benzen disunphua axit, di phenyl, và một ít nguyên liệu. Theo giả thuyết thì hiệu xuát của qúa trình sunpho hóa là 96%. Vậy lượng C6H6 đẫ chuyển hoá thành benzen sunpho axit là: 6541,436.0,96 = 6279,78 (kg/h) Lượng H2SO4 cần có là (kg/h) Lượng C6H5SO3H thu được là : (kg/h) Lượng H2O thu được là : (kg/h) Từ phương trình (1) và (2) ta có phương trình tổng hợp sau: C6H6 + 2 HO – SO3H đ C6H4(SO3H)2 + 2 H2O (4) Phản ứng tạo Benzen disunpho axit xảy ra khó khăn hơn. Trên thực tế lượng benzen tiêu tốn cho phản ứng này chiếm khoảng 1% nguyên liệu cho vào. Nên lượng benzen tiêu tốn cho qúa trình này là : 6541,436.0,01 = 65,414 (kg/h) Theo phản ứng (4) ta có thể tính được: Lượng H2SO4 tiếu tốn cho qúa trình này là: (kg/h) Lượng C6H4(SO3H)2 tạo thành trong qúa trình này là: (kg/h) Lượng H2O tạo thành trong qúa trình này là: (kg/h) Vậy lượng H2SO4 tiếu tốn cho qúa trình này là: 164,37 (kg/h) Lượng C6H4(SO3H)2 tạo thành trong qúa trình này là: 119,6 (kg/h) Lượng H2O tạo thành trong qúa trình này là: 32,707 (kg/h) Từ phản ứng (1) và (3) ta có phản ứng (5) 2C6H6 + 2HO - SO3H đ C6H5 - SO2 - C6H5 + 2H2O (5) Trong thực tế lượng benzen tiêu tốn cho qúa trình này khoảng 1% lượng nguyên liệu nên lượng benzen tiêu tốn cho qúa trình này là: 6541,436.0,01 = 65,414 (kg/h) Theo phản ứng (5) ta có thể tính được: Lượng H2SO4 tiếu tốn cho qúa trình này là: (kg/h) Lượng C6H5 - SO2 - C6H5 tạo thành cho qúa trình này là (kg/h) Lượng H2O tạo thành trong qúa trình này là (kg/h) Như vậy lượng benzen tinh khiết dư trong qúa trình này là 6541,436 - (6279,78 + 65,414 + 65,414) = 130,828 (kg/h) Vậy lượng benzen kỹ thuật còn dư tương ứng là (kg/h) Lượng H2SO4 tinh khiết dư trong qúa trình là 8665,16 - (7889,98 + 164,37 + 41,09) = 569,72 (kg/h) Vậy lượng H2SO4 kỹ thuật dư tương ứng là (kg/h) Lượng nước tạo thành trong qúa trình này là 1449,18 + 32,707 + 15,1 = 1496,99 (kg/h) Từ qúa trình tính toán ở trên cho qúa trình sunpho hóa ta thu được bảng cân bằng vật chất sau. Lượng nguyên liệu vào Kg / h Lượng sản phẩm ra Kg / h C6H6 6541,436 C6H5SO3H 12720,58 H2SO4 8665,16 C6H4(SO3H)2 199,6 Tạp chất 449,4 C6H5 - SO2 - C6H5 91,41 H2O 1496,99 C6H6 dư 130,828 H2SO4 dư 569,72 Tạp chất 449,4 Tổng lượng vào 15655,996 Tổng lượng ra 15658,528 II. Tính cân bằng cho qúa trình trung hoà. Các sản phẩm ra khỏi qúa trình sunpho hóa sẽ vào thiết bị trung hòa gồm có các sản phẩm sau: benzen sunpho axit, benzen disunpho axit, di phenyl, sunphonat và một phần H2SO4 dư, khoảng 10% lượng axit không phản ứng và bằng 0,1.569,72 = 56,972 (kg/h) Các phản ứng xảy ra trong qúa trình trung hòa là 2 C6H5SO3H + Na2SO3 đ 2 C6H5SO3Na + H2O + SO2 (6) C6H4(SO3H)2 + Na2SO3 đ C6H4(SO3Na)2 + H2O + SO2 (7) H2SO4 + Na2SO3 đ Na2SO4 + H2O + SO2 (8) Lượng H2SO4 dùng cho qúa trình trung hoà được tính như sau. Vì hiệu xuất của qúa trình trung hoà là 100% nên lượng C6H5SO3H đã được chuyển hóa là: 12720,58.1 = 12720,58 (kg/h) Theo phản ứng (6) lượng Na2SO3 cần thiết cho phản ứng (6) là: (kg/h) Lượng C6H5SO3Na tạo thành: (kg/h) Lượng H2O tạo thành là: (kg/h) Lượng SO2 tạo thành là: (kg/h) Do qúa trình chuyển hóa C6H4(SO3H)2 đạt hiệu xuất 100% do đó lượng C6H4(SO3H)2 thu được là 199,6 (kg/h) Theo phản ứng (7) ta tính được Lượng Na2SO3 cần thiết là: (kg/h) Lượng C6H4(SO3Na)2 tạo thành là: (kg/h) Lượng H2O tạo thành là: (kg/h) Lượng SO2 tạo thành là: (kg/h) Theo phương trình phản ứng (8) ta có Lượng Na2SO3 cần thiết là : (kg/h) Vậy lượng Na2SO4 thu được là: (kg/h) Vậy lượng H2O thu được là: (kg/h) Vậy lượng SO2 thu được là: (kg/h) Tổng lượng Na2SO3 cần là: 5072,13 + 105,67 + 659,247 = 5837,047 (kg/h) Thực tế lượng Na2SO3 lấy dư 20% nên lượng Na2SO3 cần dùng là 1,2.5837,047 = 7004,456 (kg/h) Lượng Na2SO3 kỹ thuật 82% cần dùng là: (kg/ h) Lượng C6H5SO3H chưa chuyển hóa là 12720,58 - 12720,58 = 0 (kg/h) Lượng C6H4(SO3H)2 chưa chuyển hóa là = 0 (kg/h) Lượng Na2SO3 dư là 7004,456 - 5837,047 = 1167,409 (kg/h) Tổng lượng H2O thu được là: 724,59 + 15,09 + 94,178 = 833,858 (kg/ h) Lượng Na2SO3 kỹ thuật dư tương ứng là (kg/h) Tổng lượng SO 2 thu được là: 2576,32 + 53,67 + 334,856 = 2964,846 (kg/h) Từ số liệu tính toán ở phần trên chúng ta có bảng cân bằng vật chất cho qúa trình trung hoà. Lượng vào Kg / h Sản phẩm ra Kg / h C6H5SO3H 12720,58 C6H5SO3Na 14491,8 C6H4(SO3H)2 199,6 C6H4(SO3Na)2 236,5 Na2SO3 7004,456 Na2SO4 742,961 H2SO4 569,72 H2O 833,858 SO2 2964,846 Na2SO3 dư 1167,409 C6H5SO3H dư 0 C6H4(SO3H)2 dư 0 H2SO4 dư 56,972 Tổng vào 20494,356 Tổng ra 20494,346 III. Tính cân bằng cho qúa trình nung chảy kiềm. Các phản ứng xảy ra trong qúa trình nung chảy kiềm 2 C6H5SO3Na + 2NaOH đ 2 C6H5ONa + Na2SO3 + SO2 + H2O (9) C6H5-SO2- C6H5 + 4NaOH + 0,5 O2 đ 2C6H5ONa + Na2SO3 + 2H2O (10) C6H5 - SO2 - C6H5 + 2 NaOH đ C6H5 - C6H5 + Na2SO3 +H2O (11) C6H4(SO3Na)2 + 4NaOH đ C6H4(ONa)2 + 2Na2SO3 +2H2O (12) Ngoài ra ở nhiệt độ cao còn xảy ra một số phản ứng như sau: 2 C6H5ONa + 0,5O2 đ NaO-C6H4- C6H4- ONa + H2O (13) C6H5ONa + C6H5ONa đ C6H5-O- C6H5 + Na2SO3 (14) C6H5SO3Na đ C6H5S Na + 1,5 O2 (15) Tính lượng vật chất vào thiết bị Vì hiệu xuất của qúa trình nung chảy kiềm là 95% nên lượng C6H5SO3Na chuyển hóa thành C6H5SO3Na là (kg/h) Theo phản ứng (9) chúng ta có thể tính được Lượng NaOH cần có là (kg/h) Lượng C6H5ONa tạo thành là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Lượng S2O tạo thành là (kg/h) Lượng H2O tạo thành là (kg/h) Diphenyl sunpho tham gia phản ứng tạo ra 2 sản phẩm là phenolat và dephenyl.Trong đó 60% Diphenyl sunpho tạo thành phenolat (10), còn 40% phản ứng tạo thành diphenyl (11). Vậy lượng diphenyl sunfo tham gia (10) là (kg/h) Vậy lượng diphenyl sunfo tham gia (11) là (kg/h) Theo phương trình phản ứng (10) ta có : Vậy lượng NaOH cần có là (kg/h) Vậy lượng O2 cần có là (kg/h) Vậy lượng Na2SO3 tạo ra là (kg/h) Vậy lượng H2O tạo ra là (kg/h) Vậy lượng phenolat tạo thành là (kg/h) Theo phản ứng (11) ta có Lượng diphenyl tạo thành trong phản ứng (11) là (kg/h) Lượng NaOH cần thiết cho phản ứng là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Lượng H2O tạo thành là (kg/h) Theo phản ứng (12) ta có Lượng C6H4(SO3Na)2 vào thiết bị là 236,5 (kg/h) Lượng NaOH cần thiết cho phản ứng này là (kg/h) Lượng C6H4(ONa)2 tạo ra (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Lượng H2O tạo thành là (kg/ h) Theo phản ứng (13) ta có Lượng C6H5ONa tham gia phản ứng (13) là (8872,202 + 58,368).0,002 = 17,861 (kg/h) Lượng O2 cần là: (kg/h) Lượng NaO-C6H4-C6H4-ONa tạo thành là: (kg/h) Lượng H2O tạo thành là (kg/h) Phản ứng (14) Lượng C6H5ONa tham gia phản ứng (14) là (8872,202 + 58,368).0,009 = 80,375 (kg/h) Lượng (C6H5 )2O tạo ra là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Theo phương trình phản ứng (15) : Lượng C6H5SO3Na tham gia (15) là: 14491,8 - 13767,21 = 724,59 (kg/h) Lượng C6H5SNa tạo ra là (kg/h) Lượng O2 tạo thành là (kg/h) Vậy ta có lượng vào thiết bị là C6H5SO3Na = 14491,8 (kg/h) C6H5 - SO2-C6H5 = 91,41 (kg/h) C6H4(SO3Na)2 = 236,5 (kg/h) NaOH = 3059,38 + 40,254 + 13,418 + 134,184 = 3247,236 (kg/h) Mà NaOH lấy dư so với phản ứng 20% nên lượng NaOH thực tế cần dùng là : 3247,236.1,2 = 3896,683 (kg/h) vậy lượng NaOH kỹ thuật là (kg/h) Lượng NaOH dư là 3896,683 - 3247,236 = 649,447 (kg/h) Lượng O2 4,025 + 1,232 = 5,257 (kg/h) Lượng tạp chất vào là 449,4 (kg/h) Tổng lượng vào là 19171,05 (kg/h) Lượng ra khỏi thiết bị là C6H5ONa = (8872,202 + 58,368) - (17,861 + 80,375) = 8832,334 (kg/h) Tổng lượng Na2SO3 tạo ra là 4818,523 + 31,7 + 21,133 + 211,34 + 43,652 = 5126,348 (kg/h) Tổng lượng H2O tạo ra trong quá trình nung chảy kiềm là 688,360 + 9,057 + 3,019 + 30,191 + 1,386 = 732,013 (kg/h) Từ qúa trình tính toán trên chúng ta có thể lập được bảng cân bằng vật chất cho qúa trình này. Lượng vào Kg / h Sản phẩm ra Kg / h C6H5SO3Na 14491,8 C6H5ONa 8832,334 C6H4(SO3Na)2 236,5 Na2SO3 5126,348 C6H5-SO2- C6H5 91,41 H2O 732,013 NaOH 3896,683 C6H5-O- C6H5 58,895 Tạp chất 449,4 C6H5- C6H5 25,829 Lượng O2 5,257 C6H4(ONa)2 129,152 NaO-C6H4-C6H4-ONa 17,707 C6H5S Na 531,366 NaOH dư 649,447 SO2 2447,504 Tạp chất 449,4 O2 187,967 Tổng lượng vào 19171,05 Tổng sản phẩm ra 19177,962 IV. Qúa trình dập tắt. Toàn bộ lượng hỗn hợp thu được sau qúa trình nóng chảy kiềm có chứa khoảng 40% phenolat, 45 % natri sunphit, phần còn lại là natri sunphit chất không tham gia phản ứng và phenolat cao được đưa sang thiết bị làm nguội gọi là thiết bị dập tắt. Đó chính là qúa trình dập tắt. Theo đầu bài hiệu xuất của qúa trình dập tắt là 99%. Do đó sau qúa trình dập tắt chúng ta thu được lượng phenolat là (kg/h) V. Qúa trình lọc. Hỗn hợp sau khi thu được làm nguội đến nhiệt độ khoảng 40-50 0C khi đó ta tiến hành qúa trình lọc. Theo đầu bài hiệu xuất của qúa trình đạt 98%. Do đó sau qúa trình lọc ta thu được phenolat là (kg/h) Trong đó chứa một lượng nhỏ gồm C6H5-O- C6H5 , C6H5- C6H5 , C6H4(ONa)2 , C6H5S Na, Na2SO4, NaO-C6H4-C6H4-ONa và một số tạp chất khác. Sau qúa trình lọc tạp chất chỉ còn lại khoảng 60% so với lượng tạp chất lúc ban đầu. Lượng C6H5-O- C6H5 còn lại là 0,6 .58,895 = 35,337 (kg/h) Lượng C6H5- C6H5 còn lại là 0,6 .25,829 = 15,497 (kg/h) Lượng C6H4(ONa)2 còn lại là 0,6 .129,152 = 77,491 (kg/h) Lượng C6H5S Na còn lại là 0,6 .531,366 = 318,82 (kg/h) Lượng Na2SO3 còn lại là 0,6 .5126,348 = 3031,985 (kg/h) Lượng NaO-C6H4-C6H4-ONa còn lại là 0,6 . 17,707 = 10,624 (kg/h) Lượng tạp chất còn lại là 0,6 . 449,4 = 269,64 (kg/h) VI. Tính toán cân bằng cho qúa trình axit hóa. Sau qúa trình lọc chúng ta tiếp tục đưa sang qúa trình axit hóa. Các phản ứng xảy ra trong qúa trình axit hóa như sau: Phản ứng chính xảy ra là . 2 C6H5ONa + H2O + SO2 đ 2 C6H5OH + Na2SO3 (16) Phản ứng phụ xảy ra là. C6H4(ONa)2 + H2O + SO2 đ C6H4(OH)2 + Na2SO3 (17) 2 C6H5S Na + H2O + SO2 đ 2 C6H5S H + Na2SO3 (18) NaO-C6H4-C6H4-ONa + H2O + SO2 đ OH - (C6H4) – OH + Na2SO3 (19) Tính lượng vào thiết bị axit hóa Tính lượng phenol tạo thành Theo đầu bài hiệu xuất của qúa trình axit hóa là 99,5 % nên lượng phenolat đã chuyển hóa theo phản ứng (16) là (kg/h) Lượng SO2 cần thiết cho phản ứng là (kg/h) Lượng H2O cần thiết cho phản ứng là (kg/h) Lượng C6H5OH tạo thành là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Theo phản ứng (17) ta có Lượng SO2 cần có là (kg/h) Lượng H2O cần có là (kg/h) Lượng C6H4(OH)2 tạo thành là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Theo phản ứng (18) ta có Lượng SO2 cần có là (kg/h) Lượng H2O cần có là (kg/h) Lượng C6H5S H tạo thành là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Theo phản ứng (19) ta có Lượng SO2 cần có là (kg/h) Lượng H2O cần có là (kg/h) Lượng OH - (C6H4)2 - OH tạo thành là (kg/h) Lượng Na2SO3 tạo thành là (kg/h) Lượng SO2 đưa vào lấy từ giai đoạn trung hòa là: 2964,846 (kg/h) Tổng lượng SO2 tiêu tốn là: 2352,078 + 32,204 + 77,289 + 2,956 = 2464,527 (kg/h) Vậy lượng SO2 còn dư là: 2964,846 - 2464,527 = 500,319 (kg/h) Lượng C6H5ONa đã chuyển hóa là: 8526,284 (kg/h) Lượng C6H5ONa còn dư là: 8569,13 - 8526,284 = 42,846 (kg/h) Tổng lượng H2O tiêu tốn là: 661,522 + 9,057 + 21,738 + 0,831 = 693,148 (kg/h) Tổng lượng Na2SO3 tạo thành là: 4630,654 + 63,402 + 152,164 + 5,820 = 4852,04 (kg/h) Từ qúa trình tính toán ở phần trên chúng ta có thể lập được bảng cân bằng vật chất cho qúa trình này. Lượng vào Kg / h Sản phẩm ra Kg / h C6H5ONa 8526,284 C6H5OH 6909,23 SO2 2964,846 Na2SO3 4852,04 H2O 693,148 C6H4(OH)2 55,35 C6H4(ONa)2 77,491 C6H5S H 265,683 C6H5S Na 318,82 OH -(C6H4)2- OH 8,591 NaO-C6H4-C6H4-ONa 10,624 C6H5ONa dư 42,846 C6H5-O- C6H5 35,337 SO2 dư 500,319 C6H5- C6H5 15,497 Na2SO3 3031,985 Na2SO3 3075,808 C6H5- C6H5 15,497 Tạp chất 269,64 C6H5-O- C6H5 35,337 Tạp chất 269,64 Tổng lượng vào 15987,495 Tổng lượng ra 15986,518 VII. Qúa trình lắng. Hỗn hợp phenol và chất nhận được sau qúa trình axit hóa được đưa đi lắng, tách các tạp chất khi đó chúng ta thu được phenol thô. Hiệu suất của qúa trình này là 99% .Vậy phenol nhận được sau qúa trình này là 6909,23.0,99 = 6840,138 (kg/h) VIII. Qúa trình chưng cất. Phenol thô sau qúa trình lắng được đưa vào tháp chưng cất thu được phenol tinh khiết. Theo đầu bài hiệu suất của qúa trình chưng cất là 97%. Do đó lượng phenol thu được sau qúa trình này là 6840,138.0,97 = 6634,933 (kg/h) Kết luận Sau qúa trình tính toán chúng ta có thể rút được các lượng nguyên liệu cho qúa trình sản xuất phenol với năng suất 55.000 tấn/năm được thể hiện qua bảng số liệu sau. Lượng nguyên liệu Kg / h Ghi chú C6H6 99% 6813,99 Lượng kỹ thuật H2SO4 98 % 8842 Lượng kỹ thuật, lấy dư 1,06 mol so với phản ứng Na2SO3 82% 8480,044 Lượng kỹ thuật, lấy dư 20% so với phản ứng NaOH 85% 4584,333 Lượng kỹ thuật, lấy dư 15% so với phản ứng SO2 2964,846 Lấy ở quá trình trung hoà H2O 693,148 Chương II: Tính cân bằng nhiệt lượng trong các qúa trình sản xuất I. Cân bằng nhiệt lượng của qúa trình sunpho hóa - Nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp 25 0 C - Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm là 150 0C Nguyên liệu C6H6 và H2SO4 Phượng trình cân bằng nhiệt lượng Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Q1 – Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào, Kcal / h Q3  –Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra, Kcal / h Q2 – Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra, Kcal / h Q4 – Nhiệt lượng mất mát ra môi trường, Kcal / h Q5 --Nhi