PRODUCTION DE PHENOL
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Simulation de processus ASPEN Plus

Pour les simulations ASPEN du processus de production de phénol, nous utiliserons un catalyseur à base de zéolite. Le matériau se dissocie en ions au cours du processus et se dissout donc. La méthode de propriété EPNRTL a été utilisée dans la mise en œuvre de la simulation tout au long du rapport.

Hypothèses

  • Solubilité du catalyseur
  • Le catalyseur à base de zéolite utilisé n'était pas bien défini. Il était donc nécessaire de formuler des hypothèses significatives. En effet, la solubilité du catalyseur va influencer la section de séparation du processus, c’est-à-dire qu’elle peut entraîner l’obstruction du tuyau et des plateaux de la colonne de distillation. D'après l'analyse IUPAC, la plupart des catalyseurs étaient solubles.

  • Minimisation de l'acétone
  • Des hypothèses ont dû être formulées concernant le solvant requis pour le processus. D'après l'analyse de l'eau, de l'acétone et des mélanges de benzène dans le réacteur, il était nécessaire de maintenir la solution miscible monophasée à 22 psi.

  • Qualité du peroxyde d'hydrogène
  • Le peroxyde d'hydrogène obtenu commercialement contient des additifs pour améliorer sa stabilité. La quantité de stabilisants augmentera toujours avec l'augmentation de la force du peroxyde d'hydrogène. L'analyse suppose que le peroxyde d'hydrogène ne contient pas de stabilisants afin d'éviter leur présence dans le système.

    .
  • Traitement des déchets
  • Le projet supposera que le traitement des déchets existe déjà ou sera inclus en raison de la nature des processus chimiques mis en œuvre.

Simulation dans ASPEN plus

Discussion

Le réacteur est le lieu où le processus principal du propylène et du benzène doit réagir comme indiqué dans la liste des composants. Les réacteurs d'alkylation et de trans-alkylation sont modélisés séparément. Une plage de température de 300-400 oC et une pression de 25 atm sont adoptées.

L'utilisation de la condition aux conditions d'équilibre n'est pas prise en compte car la réaction se produit à la pression d'équilibre mais dépend de la température et du rapport benzène / propylène. ASPEN Plus propose sept modèles de réacteurs.

Le réacteur RGIBBS dépendant de l’équilibre est exécuté en analysant les constituants de la substance où l’enthalpie libre du produit est à son plus bas niveau.

L'approche en température pour chaque réaction est mise en œuvre tout en maintenant le débit molaire du courant d'alimentation à une valeur de 1 kmol / h et en ce que le courant d'alimentation comprend du propylène et du benzène. La température du réacteur est fixée à 350 oC et la pression à 25 atm. Les effets de la variation de température et de la sélectivité dans les conversions sont surveillés.

Les calculs sont basés sur la formule suivante

% Sélectivité du cumène = Fcumeneproduct / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

% De conversion de propylène = (Fpropylèneprod) / Fpropylènex x 100%

% De sélectivité de m-DIPB = Fmdipbproduct / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

% De sélectivité de p-DIPB = Fpdipbproduct / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

Fcumeneproduct = débit molaire de cumène dans le produit

Fpropylenefeed = débit molaire de propylène dans l’alimentation

Fpropyleneprod = débit molaire de propylène dans le produit

Fmdipbproduct = débit molaire de m-DIPB dans le produit

Fpdipbproduct = débit molaire de p-DIPB dans la substance.

Les modèles de réacteur RSTOIC ont été adaptés pour trouver la chaleur de réaction standard des différentes réactions.

Nombre de réaction Chaleur de réaction standard
1 -23.670
2 -24.321
3 0
4 0.649
5 0.649
6 -0.325
7 -0.324

Impact de la température et de la concentration en benzène / propylène sur la réaction.

La conversion du propylène augmente avec l'addition de la concentration en benzène / propylène pour une température donnée. Cela est dû à la proportion réduite de propylène dans l’alimentation. On a constaté que la conversion du propylène diminuait à chaque addition de chaleur appliquée pour une concentration constante de benzène / propylène du fait que la réaction était exothermique. Enfin, la sélectivité en Cumene augmente avec chaque augmentation de la concentration en benzène / propylène à une température donnée, à mesure que les réactions de polyalkylation se réduisent en raison de la quantité en excès de benzène. L'augmentation de la température augmente la sélectivité de Cumene pour toute concentration statique de benzène / propylène telle que les réactions de trans-alkylation étant endothermiques se produisent à des températures élevées.

  • Impact de l'augmentation / diminution de la température et de la concentration en benzène: propylène sur la conversion du propylène.
  • Impact de l'augmentation / diminution de la température et de la concentration en benzène: propylène sur la sélectivité en cumène
  • Impact de l’augmentation / diminution de la température et de la concentration en benzène: propylène sur la sélectivité de m-DIPB et de p-

Ce processus de production de phénol implique l'oxydation du cumène purifié ou recyclé. Le cumène est acheminé sous forme de flux dans le récipient d'oxydation qui est maintenu à 110-115 oC et à une plage de pH de 6.0 à 8.0. Ce mélange est maintenu exposé à l'air comprimé jusqu'à ce qu'au moins 20-25% du cumène soit converti en hydroperoxyde de cumène.

Ce mélange brut est concentré à 80% puis injecté dans un réacteur où l’hydroperoxyde de cumène est clivé en phénol et en acétone aux environs de 70 oC et à la pression atmosphérique. La réaction nécessite une petite quantité d'acide sulfurique pour avoir lieu.

Le flux est ensuite dirigé vers le processus de séparation, mais il est d’abord lavé à l’eau et l’acétone est éliminé en tête de la première colonne. Le mélange est ensuite purifié par distillation successive. Dans la première colonne, le cumène n'ayant pas réagi est transféré dans le flux de recyclage. Ce cumène est traité avant de le renvoyer dans le flux.

Le processus de purification se fait par hydrogénation catalytique de méthylstyrène en cumène; ceci est obtenu grâce à un fractionnement soigneux où le méthylstyrène est obtenu en tant que sous-produit.

La réaction du phénol s'est faite en deux étapes. La première réaction est la production d'hydroperoxyde de cumène par deux matières premières, à savoir le cumène et l'oxygène. La réaction a lieu dans la tour d'oxydation à 110-115 oC et dans la plage de pH de 6.0 à 8.0. Le produit intermédiaire, l'hydroperoxyde de cumène, est utilisé comme réactif dans le deuxième réacteur. Le réacteur à utiliser est le réacteur à réservoir agité en continu (CSTR). La majeure partie de la conversion a lieu ici, à savoir environ 90%. Dans le processus de séparation, le produit secondaire et les déchets sont éliminés pour obtenir le produit principal, à savoir le phénol.

Diagramme de flux de processus de base et arrière-plan

Figure 5: Schéma fonctionnel du processus de Phénol

Pour effectuer une simulation, le processus de production de phénol est composé de deux processus: l’oxydation et le clivage de Cumene.

Procédé de jarret (oxydation de cumène)

C 6H 5CH (CH 3) 2+O 2C 6H 5C (CH 3) 2OOH

C 6H 5CH (CH 3) 2+ 1.5O2 → (CH 3) 2C 6H 3CH 2OH

Réaction de clivage

(CH 3) 2C 6H 3CH 2OH → C 6H 4(C 2H 3) CH 3+ H 2O

C 6H 5C (CH 3) 2OOH → C 6H 5OH + CH 3COCH 3

Schéma de processus d'Aspen

Tableau de distillat à différentes étapes

À partir du diagramme, le processus comporte six étapes.

  • Oxydation du cumène pour obtenir de l'hydroperoxyde
  • Concentration d'hydroperoxyde de cumène
  • Clivage (décomposition de l'hydroperoxyde de cumène)
  • Neutralisation des effluents
  • Purification
  • Traitement des effluents

Rapport ASPEN plus

  • Pompe (p-201)
  • Augmenter la pression d'alimentation du benzène jusqu'à 3000 kPa

  • Pompe (p-202)
  • Pour augmenter la pression de l'alimentation en propylène jusqu'à 3000 kPa

  • Chauffe-eau
  • Vaporise et surchauffe le mélange de l'alimentation en 350 oC

  • Réacteur
  • Où la conversion des réactifs limitants a lieu.

    C 3H 6+C 6H 6-> C 9H 12
  • Navire flash
  • La combinaison de l'échangeur de chaleur et d'un tambour de détente. Destiné à abaisser la température et la pression pour séparer le propane inerte et le propylène n'ayant pas réagi du cumène et du benzène.

Calcul manuel des réactifs dans le réacteur.

Bilan matière et énergétique

La réaction dans le premier réacteur montre que le kmole de C 6H 5CH (CH 3) 2et un kmole de O 2produira un kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OOH. Également en présence d'acide sulfurique (H 2SO 4), une kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OOH va cliver un kmole de C 6H 5OH et un kmole de CH 3COCH 3. En utilisant la relation standard suivante, nous pouvons calculer les masses impliquées dans la production de phénol.

Taux d'entrée massique = Taux d'émission massique

Production de phénol en un an = 136363.64 tonnes / an

= 15.56663 tonnes / h

= 15566.63 kg / h

= 165.6 kmole / h

Fraction de la composition du produit dans l’hydro-peroxyde de cumène dans le mélange dans le premier réacteur

X3cumene = 0.6

X3coxyde de peroxyde de cumène = 0.3

X3oxygen = 0.1

Facteur de conversion:

X réacteur 2 = 90%

Pour obtenir le débit molaire dans le réacteur 1, calculons d’abord le

Balance moléculaire sur le réacteur 2 (acidifiant).

Balance de phénol:

N3X3phenol = N4X4phenol - ar2 N4X4phenol

=> 165.6 kmole / h

a = 1

0 = N4X4phenol - r2 r2

= 165.6 Kmole / h

Balance d'acétone:

N3X3acetone = N4X4acetone–ar2

N4X4acetone = 165.6 kmole / h

Balance de peroxyde de cumène:

N3X3 hydro peroxyde de cumène = -ar2 / Xreactor2

= - (-1) (165.6) / (0.9)

= 184 kmole / h

Nombre total de moles dans le réacteur d'alimentation 2, N3

N3X3coxyde de peroxyde d'hydrogène = 184 kmole / h

X3cydène peroxyde d'hydrogène = 0.3 N3 (0.3) = 184 kmole / h

N3 = 613.3 kmole / h

Recherche du débit massique pour l’alimentation dans le réacteur 2.

F3 = N3X3 le cumène(M le cumène) + N3X3 le cumènehydro peroxyde (M. cumène hydro peroxyde) + N3X3oxygen (M. oxygène)

=> (613.33) (0.6) (120) + (613.33) (0.3) (150) + (613.33) (0.1) (32) = 73722.26 (kg / h)

Les valeurs obtenues indiquent que le réacteur 2 aurait besoin de 73722.26 kg / h d'hydro-peroxyde de cumène et de cumène et d'oxygène pour produire 15566.63kg / h de phénol au taux de conversion de 90%.

Pour réaliser pleinement l'équilibre matière et énergie du système (hysys), il est nécessaire de dessiner les chambres de conversion et leurs flux d'entrée et de sortie respectifs.

Comparaison des résultats ASPEN plus et des résultats de calcul manuel

Les données fournies dans le rapport ASPEN plus permettent de conclure que le calcul manuel donne une indication claire de la substance à utiliser. La simulation fournit une condition idéale du projet.

Entrée et sortie attendues

L'objectif principal du processus de conception est d'analyser le coût et les principes fondamentaux de la production de tonnes métriques 100000 par an. D'après les ouvrages de chimie, le poids moléculaire de Cumene est 120.20 g mol-1 et sa densité est de 862 kg / m3. Tandis que le benzène a une densité de 876 kg / m3 et un poids moléculaire de 78.11 g / mol. Enfin, le propylène possède une densité de 1.81kg / m3 et un poids moléculaire de 42.08g / mol. En conclusion, le phénol a une densité de 1070kg / m3 alors que sa masse molaire est de 94.11g / mol [9]. Compte tenu de ces densités et de ces masses molaires, les besoins en intrants suivants seront nécessaires: tonnes 255050 de cumène, tonnes 728545 de propylène et 392490 tonnes de benzène à fabriquer. Ces valeurs sont estimées aux cinq tonnes métriques les plus proches.

Analyse des coûts économiques

Lors de l’évaluation des alternatives, nous réalisons l’analyse de la rentabilité en nous basant sur le nombre de critères économiques, c’est-à-dire la période de retour sur investissement, l’analyse des flux de trésorerie et le taux de rentabilité interne. Nous appliquons le coût de fonctionnement annuel équivalent dans l'analyse

Analyse de rentabilité

EAOC = - (valeur du produit - coût de l'alimentation - autres coûts d'exploitation - rente en capital)

Lorsque la valeur de EAOC est négative, cela indique une rentabilité. Le coût de Cumene nad benzene a été obtenu auprès d’un reporter marketing sur les produits chimiques. La rente en capital (un coût annuel) est un coût fixe ponctuel qui implique principalement la construction de l’usine. Il est défini comme

Rente en capital = FCI ((i (1 + i) n/ (1 + i) n-1)

FCI est le coût installé de tout l'équipement;

i est le taux d'intérêt, i = 0.15;

n est la durée de vie de l'installation aux fins de la comptabilité, n = 10.

Discussion de rentabilité

Pour les applications industrielles, on peut estimer que le plan consomme des millions de dollars 25 en coûts fixes plus des millions de dollars 127.6 / an en dépenses d’investissement directes [7]. Les coûts statiques seront comptabilisés lors de l’achat d’équipements tels que: des chaudières, un préchauffeur, un réacteur, un réchauffeur, des refroidisseurs, des reflux, un compresseur, des condenseurs, des colonnes et des condacuums [7]. La plupart des coûts en capital directs résulteront de l'achat de matières premières. Les coûts de base, qui peuvent être estimés à 1.37, 1.12, 1.20 et 3.30 par kg pour le cumène, le propylène, le benzène et le DIPB, devraient entraîner des dépenses annuelles de 133419932 $ 45552468, $ 79919133, et $ 12521737 in verbatim comme indiqué dans le tableau ci-dessous

Matière première Coût par kg ($) Coût annuel ($)
Cumene 1.37 133419932
Propylène 1.12 45552468
benzène 1.20 79919133
DIPB 3.30 12521737

Objectifs de production

Construction de terrains et machinerie

Description Mesure / quantité Coût
Surface couverte Sq. Ft. 500
Zone non couverte Sq. Ft. 500
Superficie totale Sq. Ft. 1000
Locaux loués 2000
Réacteurs 1 34255.03
Mélangeurs 1 34255.03
Machines de séparation 1 34255.03

Coût estimé par an

Coût récurrent total par an 26951.26
Amortissement des machines et du matériel 372.34
Intérêt sur l’investissement total @ 10% 595.74
total 27919.34
Vente
Article Quantité Valeur ($)
Phénol 100,000 34255.03
Total 34255.03

Rentabilité

Bénéfice brut annuel 6335.69
Pourcentage de profit sur les ventes 18.50%
Coût fixe annuel 8668.01
Vente annuelle 34255.03
Coût variable annuel 18283.25
Seuil de rentabilité 54.27%

Problèmes de sécurité et danger

Santé et sécurité

La nécessité de gérer la sécurité est rendue nécessaire par la présence de matières inflammables et toxiques. Le processus doit prendre en compte le contrôle de la qualité du processus et des écarts dans les processus.

Documentation sur la sécurité des processus

Benzène

Ce produit chimique est très dangereux lorsqu'il est inhalé. Il est également irritant pour la peau et les yeux. En cas de déversement important, éviter tout contact avec la chaleur ou une source d'inflammation. Les équipements de protection doivent être portés comme des lunettes anti-éclaboussures, des sarraus et des gants. Il est également considéré comme cancérogène.

Le peroxyde d'hydrogène

Il a un effet d'irritation de la peau et des yeux. Il est également corrosif pour la peau et les yeux en cas de contact. Il peut également causer des dommages aux tissus et aux voies respiratoires. Peut provoquer une combustion et fournir de l'oxygène pour entretenir les incendies. Il faut porter des équipements de protection individuelle, tels que des gants, un masque facial, des bottes, un respirateur anti-vapeurs et une combinaison complète.

Phénol

C'est dangereux en cas de contact ou d'inhalation. Il irrite à la fois la peau et les yeux. L'exposition peut également causer des dommages aux poumons, aux reins et au système nerveux central. La protection individuelle devrait comprendre un tablier synthétique, des lunettes anti-éclaboussures, des gants et un masque anti-poussières.

Limites d'inflammabilité

Le benzène a une limite d'inflammabilité de 1.2 pour cent à 11.5 pour cent en volume dans l'oxygène. La présence de benzène dans les effluents nécessite un mécanisme de contrôle pour éviter les incendies. Une alimentation en gaz naturel contrôlée dans le

Analyse Hazop

Le processus de production de phénol étant exothermique, un système de refroidissement est prévu. Une interruption du système de refroidissement augmente la température des réacteurs. Ces changements de température peuvent entraîner une réaction d'emballement qui peut finalement ravir les vaisseaux. Les points d’intérêt indiqués sont la conduite d’eau de refroidissement, la conduite d’alimentation en monomères, la cuve du réacteur et le moteur d’agitation. L'analyse Hazop nous permet d'obtenir les modifications suivantes:

  • Introduction d'un système de surveillance à haute température pour alerter les opérateurs
  • Installation d'un compteur d'eau de refroidissement et d'une alarme pour une indication immédiate en cas de perte d'eau de refroidissement.
  • Prévoir un arrêt à haute température, qui fermera le système en cas de surchauffe du réacteur.
  • Installation d'un clapet anti-retour pour empêcher le reflux de l'eau de refroidissement.

Le rapport Hazop peut être présenté comme:

Problèmes environnementaux

Plusieurs éléments de production doivent être pris en compte pour rendre l’usine écologique. Une torche doit être incluse pour empêcher les composés organiques d'être libérés dans l'air. Tous les effluents gazeux résultants sont combinés, purifiés et passés à travers la torche afin de filtrer les composés organiques. Le méthane est inclus en tant qu’alimentation contrôlée pour réduire l’inflammabilité du système.

Les processus chimiques impliqués dans la production de phénol ont plusieurs impacts sur l'environnement. Ces effets sur l'environnement sont dus aux différents types de déchets générés au cours du processus. Ces déchets sont

  • Acétophénone
  • Eau acidifiée

Ces déchets sont générés aux différentes étapes du processus et ont des impacts différents sur l'environnement. L'acétophénone est un sous-produit majeur de l'ensemble du système.

L'eau acidifiée est libérée par les processus qui se produisent dans la chambre de séparation. Ces déchets sont générés lorsque le pH de l’eau est abaissé et qu’ils se déposent grâce aux précipitations. L'eau perturbe l'écosystème et entraîne un important flux d'éléments nutritifs, qui entraîne la mort de poissons et de plantes d'eau douce qui dépendent des conditions de PH.

Les propriétés de l'eau acidifiée incluent:

Propriétés physiques date
Formule chimique H2O
Etat physique à température ambiante Liquide
Senteur -
Apparence liquide incolore
Point d'ébullition 100 ° C
Point de fusion 0 ° C
Densité relative 1g / cm3
Masse molaire X
solubilité Infini
Viscosité 8.90 x 10-4 Pa.s
pH 3.0

Compte tenu de ces conditions environnementales, il est évident que l’usine a besoin de beaucoup d’eau pour le processus de recyclage. Il est donc conseillé de la placer près d’une source d’eau. Cette localisation est également soutenue par le fait que le transport sur le marché international sera facilité par les voies navigables. les effluents sont utilisés pour assurer un fonctionnement riche en carburant et permettre le brûlage à la torche.

La mise en page de l'usine

La disposition est conçue de manière à permettre l’entrée du matériel et à laisser le produit de manière pratique. L'usine est située au centre du réseau pour le rendre accessible depuis toutes les parties du campus.

Les références

[1] informations ncfb, "phénol," Bibliothèque nationale américaine de médecine, Rockville Pike.

[2] c. saluer, "Analyse FT-NIR du procédé de jarret pour la production de phénol et d'acétone" Thermo pêcheur scientifique inc., Madison, 2008.

[3] a. coker, "phénol, acétone, cumène," Nexant, 2012.

[4] L. Pellegrini, S. Bonomi et G. Biardi, "SIMULATION DYNAMIQUE DE LA SECTION DE CLIVAGE DANS UNE USINE DE PHENOL POUR L'ANALYSE DE LA SECURITE," Département de chimie, de génie des matériaux et de génie chimique de Milan, Milan, 2001.

[5] M. César, "Module de traitement PEP UTILISANT LE CATALYSEUR DE ZÉOLITE," 1999.

[6] WH Organization, "cumène" organisation mondiale de la santé, ville de New York, 1999.

[7] e. Canada, "phénol," Environnement Canada, Ottawa, 2000.

[8] e. Bérubin, "La production de phénol oxydases par les champignons de la pourriture blanche dans des cultures liquides submergées", Université McGill, 2003.

[9] Wolfgang Schmidt «Simulation de processus - un outil efficace et performant en technologie environnementale» Chemstations Deutschland GmbH.

[10] NIRLIPT MAHAPATRA “Conception et simulation d'une usine de cumène utilisant du tremble

PlusInstitut national de technologie Rourkela 2010

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