Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất phenol bằng phương pháp sunfo hoá với năng suất 5000 tấn/năm

n tử có khả năng là tác nhân sunfo hoá hơn cả là các phần tử trung hoà SO3, H2SO4, H2S2O7 và cation H3SO4+. Rất có thể khi sunfo hoá, hợp chất hữu cơ sẽ đồng thời phản ứng với tất cả các tác nhân trên, tức là các phản ứng sẽ xảy ra song song, nhưng với tốc độ khác nhau: ArH + SO3 à ArSO3H ArH + H2SO4 àArSO3H + H2O ArH + H2S2O7 àArSO3H + H2SO4 ArH + H3SO4+ àArSO3H + H3O+ Tuỳ thuộc vào hàm lượng SO3 và H2O trong tác nhân mà tỷ lệ các phản ứng trên cũng thay đổi theo. Theo cơ chế được công nhận hiện nay, người ta cho rằng tác nhân tấn công trực tiếp vào nhân thơm là ion được tạo thành theo phương trình: 2H2SO4 HSO4- + H3SO4+ HSO4- + H2O + SO3+H Chúng kết hợp với hợp chất thơm tạo hợp chất trung gian với điện tích dương ở nhân. Sơ đồ cơ chế phản ứng được viết như sau: Phản ứng sunfo hoá các hợp chất thơm (cũng giống như các phản ứng nitro hoá, clo hoá) là phản ứng thế electrophyl. Tốc độ phản ứng sunfo hoá bằng oleum hay H2SO4 có thể viết: v = K [ArH]. [SO3] Khi phản ứng với H2SO4, tốc độ sunfo hoá tỉ lệ nghịch với hàm lượng nước. V = II.2.1.5. Kỹ thuật tiến hành phản ứng sunfo hoá. Phản ứng sunfo hoá được tiến hành trong thiết bị bằng thép hoặc gang, có cánh khuấy, vỏ bọc hay ống xoắn để đun nóng bằng hơi nước hay làm lạnh bằng nước thường, có ống gắn nhiệt kế. Khuấy trộn là yếu tố rất quan trọng vì khối sunfo trong phần lớn các trường hợp là dị thể, quánh, đặc. Khi khối phản ứng ở dạng loãng, linh động (sunfo hoá benzen) có thể dùng cánh khuấy bơi chèo với khối phản ứng có độ nhớt trung bình, dùng cách khuấy hình khung mỏ neo. Với những khối phản ứng quánh đặc, phải dùng cách khuấy mỏ neo với những cấu trúc đặc biệt bền vững. Phản ứng sunfo hoá thường được tiến hành ở nhiệt độ từ 30 - 1800C. Nếu nhiệt độ phản ứng không cao lắm ta cho axit vào thiết bị phản ứng trước, sau đó mới cho nguyên liệu đã được chuẩn bị. Lượng tác nhân được đưa vào sunfo hoá thường gấp 2-5 lần so với lý thuyết, vì ngoài lượng tác nhân tham gia phản ứng còn cần một lượng tác nhân để bù vào axit đã làm việc. Sau khi cho hết tác nhân phản ứng vào nguyên liệu người ta nâng khối phản ứng lên tới nhiệt độ cần thiết, giữ nhiệt độ đó trong một thời gian nào đó. Kết qủa của phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, điều cần thiết là phải khống chế các điều kiện phản ứng sao cho thích hợp nhất (nồng độ tác nhân, nhiệt độ phản ứng, độ tinh khiết của nguyên liệu, thời gian phản ứng khuấy trộn) có như vậy phản ứng mới đạt hiệu suất cao, chất lượng sản phẩm tốt. II.2.2. Quá trình trung hoà. Khi phản ứng sunfo hoá kết thúc, cần tách sản phẩm (sunfo axit) khỏi axit đã làm việc. Chúng ta dựa vào tính chất của sản phẩm để chọn 1 phương pháp tách thích hợp nhất. - Tách bằng nước: sau khi phản ứng kết thúc, người ta cho vào khối phản ứng một lượng nước lạnh, hoặc nước đá (để giảm độ hoà tan của sunfo axit). Sau đó sẽ lọc tách sản phẩm. Phương pháp này đơn giản, kinh tế nhất, nhưng do chỉ áp dụng được đối với những sunfo axit không tan trong nước, mà phần lớn các sunfo axit lại tan trong nước cho nên không được ứng dụng rộng rãi. - Tách bằng muối ăn: khi cho dung dịch NaCl vào khối phản ứng hoặc cho NaCl vào khối phản ứng đã được pha loãng bằng nước, sẽ xảy ra phản ứng tạo muối của sunfo axit: ArSO3H + NaCl = ArSO3Na + HCl Sunfo axit được tách ra dưới dạng muối natri. NaCl vừa rẻ, vừa sẵn có trong thiên nhiên, song phương pháp này cũng không được ứng dụng rộng rãi do tính chất ăn mòn của khối phản ứng (HCl tạo thành trong phản ứng trên sẽ tan trong nước, tạo axit HCl - axit ăn mòn kim loại rất mạnh. Ngoài ra trong khối phản ứng còn có H2SO4 dư). - Tách bằng sunfit natri: sunfo axit sẽ tác dụng với sunfit natri tạo muối natri như sau: ArSO3H + Na2SO3 à ArSO3Na + SO2 +H2O Đây là phương pháp phổ biến nhất, được áp dụng rộng rãi nhất, do có nhiều điểm ưu việt hơn các phương pháp khác, vì tận dụng được sunfit natri tạo thành trong nhóm phản ứng nóng chảy kiềm để trung hoà sunfoaxit : ArSO3Na + 2NaOH à ArONa + Na2SO3 +H2O Và ngược lại, phế liệu của quá trình trên (SO2 và H2O) có thể tận dụng axit hoá phenolat. 2ArONa + SO2 + H2O à 2ArOH + Na2SO3 Sunfit natri tạo thành trong quá trình này cùng với sunfit natri trong quá trình nóng chảy kiềm lại được đưa sang để trung hoà sunfo axit. Phương pháp này không có gì khó khăn về kỹ thuật tiến hành phản ứng lại có thể tiết kiệm được nguyên liệu. - Tách bằng soda: khi cho soda vào khối phản ứng sunfo hoá, xảy ra các phản ứng sau. ArSO3H + Na2 CO3 à ArSO3Na + CO2 + H2O H2SO4 + Na2 CO3 à Na2SO4 + CO2 + H2O Sau khi trung hoà xong, người ta cô đặc dung dịch phản ứng trên, sunfat natri sẽ kết tủa trước, cho nên có thể lọc tách dung dịch muối natri của sunfoaxit. Phương pháp này ít được dùng do phản ứng tạo thành nhiều bọt. Các sản phẩm từ thiết bị sunfo hoá được đưa sang thiết bị trung hoà. Tại đây C6H5SO3H, C6H4(SO3H)2 và H2SO4 dư được trung hoà bằng Na2SO3 và C6H6 được tách ra khỏi khối phản ứng. Phản ứng xảy ra trong quá trình này là: 2C6H5SO3H + Na2SO3 à 2C6H5SO3Na + H2O + SO2 II.2.3. Quá trình nóng chảy kiềm. II.2.3.1.Khái niệm chung: Một trong những chuyển hoá quan trọng nhất của các sunfo axit dãy thơm là phản ứng thay thế nhóm sunfo bằng nhóm hydroxyl, khi cho muối của sunfo axit tác dụng với hydroxit kim loại kiềm ở dạng nóng chảy. ArSO3Na + 2Na OH à ArONa + Na2SO3 + H2O II.2.3.2. Đặc điểm của phản ứng nóng chảy kiềm. Đặc điểm thứ nhất : 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 sunfoaxit, hoặc nói chung quá trình đưa nhóm -OH vào nhân thơm bằng tác dụng của kiềm, là phản ứng thế nucleophyl, ion OH- sẽ vào vị trí của 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 tích dương trong nhóm SO3H. Cho nên trong nhiều trường hợp nhóm -OH sẽ vào vị trí 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 nhau. Cho nên nhóm OH cũng có thể tấn công vào nguyên tử cacbon này. Đặc điểm thứ hai của phản ứng nóng chảy kiềm: trong các polysunfo axit có giới hạn số nhóm SO3H được thay thế bằng nhóm OH. Khi các polysunfo axit phản ứng với kiềm nóng chảy thường tạo thành các polyoxy sunfo axit. Nhóm -SO3H còn lại hầu như không có khả năng thay thế bằng nhóm - OH nữa. Đặc điểm thứ ba: khi phản ứng với kiềm nóng chảy, sunfo axit có thể tách thành hợp chất chứa ít nguyên tử cacbon hơn. II.2.3.3. ảnh hưởng của bản chất sunfo hoá tới điều kiện phản ứng. Quá trình nóng chảy kiềm phụ thuộc nhiều vào độ linh động của nhóm sunfo trong hợp chất. ở nhiệt độ cao, tốc độ biến đổi nhóm sunfo đạt được là lớn nhất. Nhóm -SO3H trong benzen sunfo axit kém hoạt động, phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao trên 3000C. Trên thực tế thì nhiệt độ xấp xỉ 3300C là thích hợp nhất. Nếu ở nhiệt độ thấp hơn hỗn hợp phản ứng kém linh động, tốc độ phản ứng chậm, sản phẩm thu được không đồng đều. Nếu ở nhiệt độ cao quá thì tốc độ phản ứng nhanh hơn nhưng tạo ra nhiều sản phẩm phụ. II.2.3.4. Cơ chế quá trình nóng chảy kiềm. Quá trình nóng chảy là một quá trình hoá học phức tạp có kèm theo phản ứng phụ, do đó làm giảm hiệu suất của phản ứng chính. Thực tế cho thấy, hiệu suất tạo phenol khi nung chảy benzen sunfo axit với NaOH không cao hơn 96%. Nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất tạo phenol là xuất hiện các phản ứng phụ biến đổi muối natri của benzen sunfo axit thành cacbua hydro và các sunfat. ArSO3Na + NaOH à ArH + Na2SO4 Trong một số trường hợp phản ứng trên không xảy ra. Cơ chế của quá trình nóng chảy kiềm có thể được viết như sau Xác nhận cơ chế đó, Makolin thấy rằng khi tác dụng NaOH lên vòng thơm mà NaOH đã được làm giầu bằng đồng vị O18 thì oxi của kiềm sẽ biến thành H2O khi phản ứng tạo ra phenolat. Thực nghiệm cho thấy độ bền tương đối của những sunfo axit riêng biệt trong dãy thơm của quá trình nóng chảy kiềm không bị mất đi. Khi đun nóng với dung dịch NaOH ở nhiệt độ 315 á3750C, meta - sunfo axit và para - toluen sunfo axit bền nhất. Năng lượng hoạt hoá của chúng là 34,7 và 62,5 Kcal. Năng lượng hoạt hoá của benzen sunfo axit là 29,3 kcal. II.2.3.5. Các phản ứng phụ. Khi thực hiện quá trình nóng chảy kiềm với muối benzen sunfo axit natri tạo ra phenolat natri. ArSO3Na + 2NaOH à ArONa + Na2SO3 +H2O Ngoài phản ứng chính trên, quá trình còn có các phản ứng phụ: C6H4 (SO3Na)2 + 4NaOH àC6H4 (ONa)2 + 2Na2SO3 + 2H2O C6H5 - SO2 - C6H5 + 4NaOH + O2 à2C6H5ONa + Na2SO3 +H2O Đồng thời cũng xảy ra sự oxi hoá, sự khử khi nóng chảy kiềm dưới tác dụng của hơi nước, oxi không khí ở nhiệt độ cao. 2C6H5ONa + O2 à NaO - C6H4 - C6H4 - ONa + H2O C6H5SO3Na à C6H5SNa + 3/2O2 Ngoài dioxi-diphenyl còn tạo ra oxi diphenol: C6H5SO3Na - C6H5ONa à C6H5 – O - C6H5 + Na2SO3 II.2.3.6. Kỹ thuật tiến hành phản ứng nóng chảy kiềm. a. Nguyên liệu: Hai tác nhân chủ yếu trong phản ứng nóng chảy kiềm là muối của sunfo axit (sunfonat) và kiềm. Để đạt hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt, cần tinh chế các tác nhân khỏi các tạp chất gây tổn hại cho quá trình phản ứng. Sunfo axit tham gia phản ứng ở dạng muối-sunfonat. Lượng tạp chất vô cơ (NaCl, Na2SO4...) trong đó không được quá 10% trọng lượng sunfonat. Các tạp chất vô cơ không tan trong kiềm, nóng chảy, tạo thành cục, giảm độ linh động của khối phản ứng dẫn đến quá nhiệt cục bộ và có thể xảy ra hiện tượng cháy khối phản ứng khi nhiệt độ thành thiết bị cao (trên 3000C). Độ axit của muối sunfo 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 ClO3-, dễ gây phản ứng oxy hoá. Vì vậy cần 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 sunfo axit có chất lượng cao, chọn thiết bị phản ứng thích hợp và khống chế các điều kiện phản ứng theo đúng yêu cầu. Để tăng độ linh động của khối phản ứng và giảm nhiệt độ phản ứng có thể cho thêm từ 5 - 10% nước. Khi đó nhiệt độ của khối phản ứng sẽ là 270 - 2800C, KOH: 4100C. Nước tạo thành trong phản ứng sẽ làm cho khối phản ứng linh động hơn. Sunfonat được đưa vào từng mẻ, ở dạng bột khô hay dung dịch bão hoà trong nước. Nếu dùng sunfonat ở dạng dung dịch, phản ứng dễ dàng hơn, không tạo bọt, không bụi. Sau khi cho tất cả sunfonat vào, vừa khuấy trộn vừa nâng nhiệt độ khối phản ứng lên tới mức cần thiết, giữ khối phản ứng ở nhiệt độ đó trong một thời gian. Trong khối phản ứng chứa phenolat, sunphit, và kiềm dư. II.2.4. Quá trình axit hoá. Sự phân huỷ phenolat natri tiến hành trong tháp đệm bằng SO2 (nhận được từ quá trình trung hoà). 2C6H5ONa + SO2 +H2O à 2C6H5OH + Na2SO3 Hiệu suất của quá trình là 99%. Ngoài ra, còn xảy ra một số phản ứng phụ: C6H4(ONa)2 + SO2 + H2O à C6H4(OH)2+ Na2SO3 2C6H5SNa2 + SO2 + H2O à C6H5SH+ Na2SO3. II.3 Thuyết minh dây chuyền sản xuất. Trên cơ sở phương pháp sunfo hoá với các giai đoạn chính đã đề cập trên đây, dây chuyền sản xuất phenol được thiết lập và minh hoạ trong hình 2.1. Quá trình sản xuất được tiến hành qua các giai đoạn sau: II.3.1. Giai đoạn sunfo hoá: Axit sunfuric có nồng độ 96% từ thùng chứa (1) được bơm lên thùng lường (2) rồi chảy vào thiết bị sunfo hoá (3) và được đun nóng tới nhiệt độ 1000C bằng hơi nước qua vỏ ngoài của thiết bị sunfo hoá. Benzen từ thùng chứa (4) có độ tinh khiết 99% được bơm lên thùng lường (5) rồi từ từ chảy vào thiết bị bốc hơi (6) kiểu ống lồng ống. Benzen đi trong ống, còn hơi nước có áp suất 8at đi ngoài ống. Trong thiết bị bốc hơi, benzen được làm bay hơi và đun quá nhiệt tới nhiệt độ = 150 – 1600C (áp suất riêng phần của benzen lúc này là 0,5-0,8at). Benzen sục vào axit qua bộ phận sủi bọt đặt trong thiết bị. Hơi benzen dư cùng với hơi nước của phản ứng đi qua thiết bị ngưng tụ (7). Benzen đã được ngưng tụ cùng nước được đưa sang thiết bị lắng (8) có nhiệt độ bằng 30-350C để phân tách. Benzen sau khi tách ra khỏi nước được trung hoà bằng NaOH trong thiết bị trung hoà (9) rồi quay lại sunfo hoá tiếp tục cùng với benzen nguyên liệu. Từ thiết bị sunfo hoá (3) khối phản ứng được đẩy vào thùng chứa trung gian (10) trước khi đưa vào thiết bị trung hoà (11). Thời gian sunfo hoá là 10 giờ, nhiệt độ của quá trình t0 = 1600C, lượng axit dùng dư so với lý thuyết là 1,06 mol. Để duy trì nhiệt độ của phản ứng người ta dùng nước thường để làm lạnh vỏ ngoài của thiết bị. Nước lạnh được đưa vào từ đáy và ra ở phía trên của vỏ bọc. II.3.2. Giai đoạn trung hoà. Khối sunfo từ thùng chứa (10) và huyền phù sunfit natri từ thùng chứa (12) được đưa vào thiết bị trung hoà (11) có lắp cánh khuấy. Khí sunfurơ tách ra ở giai đoạn này được đưa sang thiết bị axit hoá (20) để phân huỷ phenolat. Dung dịch benzen sunfonat được đưa sang thiết bị nóng chảy kiềm (13). Thời gian trung hoà là 3 giờ. II.3.3. Giai đoạn nóng chảy kiềm. Nước từ thùng lường (14) chảy vào thiết bị nóng chảy kiềm (13). Kiềm rắn được cho trực tiếp vào thiết bị và khuấy đều. Từ thiết bị trung hoà (11) dung dịch benzen sunfonat cũng được đưa vào nồi . Quá trình nóng chảy kiềm được tiến hành trong thiết bị có lắp cánh khuấy làm việc gián đoạn. Thời gian tiến hành phản ứng là 7 giờ ở nhiệt độ 3200C, áp suất 7 á 8at, lượng kiềm dư 20% so với lý thuyết. II.3.4. Giai đoạn dập tắt. Sau khi phản ứng kết thúc khối phản ứng được đưa sang thiết bị dập tắt (15) có cánh khuấy có chứa nước từ thùng lường (16). Tiếp tục sau đó dung dịch phenolat natri được đưa sang giai đoạn lọc. II.3.5. Giai đoạn lọc. Huyền phù sunfit trong dung dịch phenol từ thiết bị dập tắt (15) được đưa vào thùng cao vị (17) rồi từ từ chảy vào máy lọc ly tâm (18). ở đây Na2SO3 tách ra khỏi dung dịch và được đưa vào thùng chứa (12) để đưa đi trung hoà, còn dung dịch phenolat natri được đưa vào thùng chứa (19) để đưa đi axit hoá. II.3.6. Giai đoạn axit hoá. Dung dịch phenolat natri từ thùng chứa (19) được bơm lên thiết bị axit hoá (20). Để phân huỷ phenolat natri sử dụng SO2 và H2O ở giai đoạn trung hoà, nếu thiếu SO2 người ta bổ sung thêm bằng SO2 được điều chế theo phản ứng: Na2SO3 + H2SO4 - > Na2SO4 + SO2 + H2O. Trong thiết bị axit hoá (20) có chứa đệm, dung dịch phenolat tưới từ trên xuống còn SO2 sục từ dưới lên. Tiếp theo đó khối phản ứng được đưa qua thiết bị lắng (21). II.3.7. Giai đoạn lắng. Trong thiết bị này khối phản ứng phân thành 2 lớp: lớp dưới là sản phẩm phụ Na2SO3 được đưa vào thùng chứa (22) . Còn lớp trên là sản phẩm chính phenol được đưa vào thùng chứa (23). chương III Tính toán III.1. Cân bằng vật chất các giai đoạn. Bảng hiệu suất các giai đoạn: STT Tên các giai đoạn Hiệu suất % 1 Hiệu suất chung 85% 2 Sunfo hoá 96% 3 Trung hoà 98% 4 Chảy kiềm 96% 5 Dập tắt 100% 6 Lọc 98% 7 Axit hoá 99% 8 Lắng 97% Phenol được tạo thành qua các phản ứng: C6H6 + H2SO4 à C6H5SO3H + H2O (1) 78 98 158 18 2C6H5SO3H + Na2SO3 à 2C6H5SO3Na + SO2 + H2O (2) 2C6H5SO3Na + 2NaOH à C6H5ONa + Na2SO3 + H2O (3) 2C6H5ONa + SO2 + H2O à 2C6H5OH + Na2SO3 (4) Như vậy từ các phương trình phản ứng (1)(2)(3)(4) , cứ 1 mol benzen thu được 1 mol phenol. C6H6 à C6H5OH 78 94 Tính cân bằng vật chất cho một tấn phenol tinh. III.1.1. Giai đoạn sunfo hoá. III.1.1.1. Lượng vật chất vào thiết bị. Vật chất đưa vào thiết bị sunfo hoá gồm có các nguyên liệu của quá trình: a. Lượng Benzen . -Benzen tinh khiết : -Lượng tạp chất : Vậy lượng Benzen kỹ thuật là: b. Lượng axit sunfuric. Trong thực tế để sunfo hoá một mol benzen, người ta thường dùng 1,06 mol axit sunfuric. - Lượng axit sunfuric tinh khiết. - Lượng nước trong axit sunfuric nguyên liệu là : Vậy lượng axit sunfuric kĩ thuật 96% là: 1300,12 + 54,17 = 1354,29 kg III.1.1.2. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị: Thành phần vật chất ra khỏi thiết bị sunfo hoá gồm có: a. Lượng benzen chưa phản ứng : Vì hiệu suất giai đoạn sunfo hoá là 96% nên lượng benzen chưa phản ứng là: b. Lượng axit chưa phản ứng: - Lượng axit đã phản ứng: - Lượng axit chưa phản ứng: 1300,12 – 1177,47 = 122,65 kg c. Lượng sunfo axit tạo thành: d. Lượng nước trong khối phản ứng: Tổng lượng nước trong khối phản ứng bao gồm nước tạo thành do phản ứng và nước có trong axit sunfuric nguyên liệu : Theo số liệu đã cho, 80% tổng lượng nước của khối phản ứng sẽ bay hơi cùng với benzen. Lượng nước bay hơi là : Vậy lượng nước còn lại trong khối phản ứng là: 270,44 – 216,35 = 54,09 kg e. Lượng tạp chất trong benzen nguyên liệu: 9,86 kg Bảng cân bằng vật chất giai đoạn sunfo hoá: Bảng 1a : Lượng vào: TT Tên vật chất vào Trọng lượng kỹ thuật (kg) Nồng độ % Trọng lượng tinh (kg) 1 Benzen 986,08 99 976,22 2 H2SO4 1354,29 96 1300,12 Tổng cộng 2340,37 2276,34 Bảng 1b : Lượng ra: TT Tên vật chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần % Thể tích (l) Khối sunfo H2SO4 122,65 5,88 V = 1667,98 C6H5SO3H 1898,37 91,05 d=1,25 H2O 54,09 2,60 Tạp chất 9,86 0,47 Tổng cộng 2084,97 100,00 Phần bay hơi C6H6 chưa phản ứng 39,05 15,29 H2O 216,35 84,71 Cộng 255,40 100,00 Tổng cộng 2340,37 III.1.2. Giai đoạn trung hoà. Các phản ứng xảy ra trong quá trình trung hoà : 2C6H5SO3H + Na2SO3 à 2C6H5SO3Na + SO2 + H2O (5) 2 x 158 126 2 x 180 64 18 H2SO4 + Na2SO3 à Na2SO4 + SO2 + H2O (6) 98 126 142 64 18 III.1.2.1 .Lượng vật chất vào thiết bị. a. Khối sunfo gồm có: -C6H5SO3H : 1898,37 kg -H2O : 54,09 kg -H2SO4 :122,65 kg -Tạp chất : 9,86 kg Tổng cộng : 2084,97 kg b. Sunfitnatri kỹ thuật 86%: -Na2SO3 sử dụng để trung hoà C6H5SO3H: -Na2SO3 sử dụng để trung hoà H2SO4 : Tổng lượng Na2SO3 tinh = 914,64 kg - Nước trong sunfit natri kỹ thuật: Tổng lượng sunfit natri kỹ thuật là: 914,64 + 148,89 = 1063,53 kg III.1.2.2. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị. a. Lượng sunfo axit chưa phản ứng: b.Lượng sunfit natri chưa phản ứng: Phản ứng trung hoà H2SO4 xem như xảy ra hoàn toàn. c. Lượng sunfonat tạo thành từ phản ứng (5): d. Lượng khí SO2 tạo thành: e. Lượng nước trong khối phản ứng: Nước tạo ra từ các phản ứng (5) và (6): -Nước có trong khối sunfo : 54,09 kg -Nước trong sunfit natri kỹ thuật: 148,89 kg - Vậy tổng lượng nước trong phản ứng: 54,09 + 148,89 + 128,50 = 331,48 kg g. Lượng sunfat natri tạo thành: Bảng cân bằng vật chất giai đoạn trung hoà: Bảng 2a : Lượng vào TT Tên chất vào Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối sunfo C6H5SO3H 1898,37 91,05 H2O 54,09 2,60 H2SO4 122,65 5,88 Tạp chất 9,86 0,47 Cộng 2084,97 100,00 sunfit natri Na2SO3 914,64 86,00 H2O 148,89 14,00 Cộng 1063,53 100,00 Tổng cộng 3148,50 Bảng 2 b : Lượng ra TT Tên chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối sunfonat C6H5SO3H chưa phản ứng 37,97 1,41 Na2SO3 15,14 0,56 C6H5SO3Na 2119,45 78,74 H2O 331,48 12,3 Na2SO4 177,71 6,60 Tạp chất trong benzen 9,86 0,37 Cộng 2691,61 100,00 Khí bay ra SO2 456,89 Tổng cộng 3148,50 III.1.3 Cân bằng vật chất giai đoạn nóng chảy kiềm. -Phản ứng xảy ra trong quá trình nóng chảy: C6H5SO3Na + 2NaOH à C6H5ONa + Na2SO3 + H2O (7) 180 2 x 40 116 126 18 III.1.3.1. Lượng vật chất vào thiết bị. a. Khối sunfonat bao gồm: -C6H5SO3H : 37,97kg -Na2SO3 : 15,14kg -C6H5SO3Na : 2119,45kg -H2O : 331,48 kg -Na2SO4 : 177,71 kg -Tạp chất : 9,86 kg b. Lượng kiềm kỹ thuật . Thành phần 85% NaOH; 14% H2O; 1% tạp chất được cho dư 20% so với lý thuyết bao gồm: -Lượng NaOH: -Lượng nước trong xút kỹ thuật: -Lượng tạp chất có trong xút kỹ thuật: Tổng lượng kiềm kỹ thuật: 1329,85 kg III.1.3.2. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị. a. Lượng sunfonat natri không phản ứng: b. Lượng kiềm chưa phản ứng: c. Lượng phenolat natri tạo thành: d. Lượng sunfit natri: - Tạo thành do phản ứng (7): - Có trong khối sunfonat: 15,14 kg ịVậy tổng lượng sunfit nattri là : 1439,41kg e. Tổng lượng nước: - Tạo thành do phản ứng (7): - Có trong khối sunfonat : 331,48 kg - Có trong xút kỹ thuật : 186,18 kg ị Vậy tổng lượng nước là : 721,13 kg g. Tổng lượng tạp chất: Gồm tạp chất của C6H6 , tạp chất của kiềm và C6H5SO3H chưa phản ứng trong sunfonat : 9,86 + 13,30 + 37,97 = 61,13 kg h. Sunfat natri có trong khối sunfonat: Na2SO4 =177,71 kg  Bảng cân bằng vật chất giai đoạn nóng chảy kiềm: Bảng 3a : Lượng vào TT Tên chất vào Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối sunfo C6H5SO3H 37,97 1,41 Na2SO3 15,14 0,56 C6H5SO3Na 2119,45 78,74 H2O 331,48 12,32 Na2SO4 177,71 6,60 Tạp chất 9,86 0,37 Cộng 2691,61 100,00 Kiềm NaOH 1130,37 85,00 H2O 186,18 14,00 Tạp chất 13,30 1,00 Cộng 1329,85 Tổng cộng 4021,46 Bảng 3b: Lượng ra TT Tên chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần (%) 1 C6H5SO3Na chưa phản ứng 84,78 2,11 C6H5ONa tạo thành 1311,23 32,61 NaOH dư 226,07 5,62 Na2SO3 1439,41 35,79 Na2SO4 177,71 4,42 H2O 721,13 17,93 Tạp chất 61,13 1,52 Tổng cộng 4021,46 100,00 III.1.4. Giai đoạn dập tắt. III.1.4.1. Lượng vật chất vào thiết bị: a. Khối phản ứng từ giai đoạn nóng chảy kiềm gồm có: C6H5SO3Na chưa phản ứng : 84,78kg C6H5ONa tạo thành : 1311,23kg NaOH dư : 226,07kg Na2SO3 : 1439,41kg Na2SO4 : 117,71kg H2O : 721,13kg Tạp chất : 61,13kg Vậy lượng khối phản ứng giai đoạn nóng chảy kiềm là: 4021,46 kg. b. Lượng nước cần để dập tắt (bằng khối lượng toàn bộ khối phản ứng trên): 4021,46 kg. III.1.4.2.Lượng vật chất ra khỏi thiết bị: - Lượng nước : 4021,46 +721,13 = 4742,59 kg - Và khối lượng vật chất của các thành phần khác từ giai đoạn chảy kiềm đã kể trên. Bảng cân bằng vật chất giai đoạn dập tắt: Bảng 4a : Lượng vào TT Tên chất vào Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối phản ứng C6H5SO3Na tạo thành 84,78 2,11 C6H5ONa chưa phản ứng 1311,23 32,61 NaOH dư 226,07 5,62 Na2SO3 1439,41 35,79 Na2SO4 177,71 4,42 H2O 721,13 17,93 Tạp chất 61,13 1,52 Cộng 4021,46 100,00 Nước 4021,46 100,00 Tổng cộng 8042,92 Bảng 4b: Lượng ra : TT Tên chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối phản ứng C6H5SO3Na 84,78 1,05 C6H5ONa 1311,23 16,30 NaOH 226,07 2,81 Na2SO3 1439,41 17,90 Na2SO4 177,71 2,21 H2O 4742,59 58,97 Tạp chất 61,13 0,76 Tổng cộng 8042,92 100,00 III.1.5. Giai đoạn lọc. III.1.5.1. Lượng vật chất vào thiết bị: Là toàn bộ lượng vật chất ra khỏi thiết bị dập tắt. III.1.5.2. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị. a. Dung dịch lọc: Theo số liệu đã cho dung dịch lọc có thành phần như sau: C6H5ONa : 25% NaOH : 3,0% Na2SO3 : 3,0% Na2SO4 : 0,5% H2O : 68,5% Như vậy khối lượng các chất trong dung dịch lọc sẽ là: - Lượng phenolat natri: - Tổng lượng dung dịch là : -Lượng sunfit natri : -Lượng sunfat natri : -Lượng kiềm : -Lượng nước : b. Bã lọc gồm có: -Lượng sunfit natri : 1439,41 – 154,20 = 1285,21 kg -Lượng sunfat natri : 177,71 – 25,70 = 152,01 kg -Lượng kiềm : 226,07 – 154,20 = 71,87kg -Lượng sunfonat natri : 84,78 kg -Lượng nước : 4742,59 – 3520,92 = 1221,67 kg -Tạp chất : 61,13 kg -Lượng phenolat natrri: 1311,23 – 1285,01 = 26,22 kg *Bảng cân bằng vật chất giai đoạn lọc: Bảng 5a: Lượng vào: TT Tên chất vào Trọng lượng (kg) Thành phần (%) 1 C6H5SO3Na 84,78 1,05 C6H5ONa 1311,23 16,30 NaOH 226,07 2,81 Na2SO3 1439,41 17,90 Na2SO4 117,71 2,21 H2O 4742,59 58,97 Tạp chất 61,13 0,76 Tổng cộng 8042,92 100,00 Bảng 5b : Lượng ra: TT Tên chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần (%) dung dịch lọc C6H5ONa 1285,01 25,00 NaOH 154,20 3,00 Na2SO3 154,20 3,00 Na2SO4 25,70 0,50 H2O 3520,92 68,50 Cộng 5140,03 100,00 bã lọc C6H5SO3Na 84,78 2,92 C6H5ONa 26,22 2,90 NaOH 71,87 2,48 Na2SO3 1285,21 44,27 Na2SO4 152,01 5,24 H2O 1221,67 42,09 Tạp chất 61,13 2,11 Cộng 2902,89 100,00 Tổng cộng 8042,92 III.1.6. Giai đoạn axit hoá. Trong quá trình axit hoá, xảy ra các phản ứng: 2C6H5ONa + SO2 + H2O à 2C6H5OH + Na2SO3 (8) 2 x 116 64 18 2 x 94 126 2NaOH + SO2 à Na2SO3 + H2O (9) 2 x 40 64 126 18 III.1.6.1.Lượng vật chất vào thiết bị: a.Toàn bộ lượng dung dịch lọc: 5140,03kg có thành phần như trong bảng 5b b.Tổng lượng SO2 : III.1.6.2. Lượng vật chất ra khỏi thiết bị . a.Lượng phenol tạo thành: b.Tổng phenolat dư : c.Tổng lượng sunfit natri: Coi phản ứng trung hoà kiềm xảy ra hoàn toàn. d. Lượng nước: e.Lượng SO2 dư: g.Lượng sunfat natri: 25,7kg *Bảng cân bằng lượng vật chất giai đoạn axit hoá: Bảng 6a: Lượng vào TT Tên chất vào Trọng lượng (kg) Thành phần (%) Khối dung dịch lọc C6H5ONa 1285,01 25,00 NaOH 154,20 3,00 Na2SO3 154,20 3,00 Na2SO4 25,7 0,50 H2O 3520,92 68,50 Cộng 5140,03 100,00 Khí SO2 477,85 Tổng cộng 5617,88 Bảng 6b : Lượng ra : TT Tên chất ra Trọng lượng (kg) Thành phần (%) 1 C6H5OH tạo t