フェノールの製造
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 評価3.67(9の投票)

ASPEN Plusプロセスシミュレーション

フェノール製造プロセスのASPENシミュレーションには、ゼオライト触媒を使用します。 材料はプロセス中にイオンに解離し、それ故溶解する。 EPNRTLプロパティ法は、レポート全体を通じてシミュレーションの実装に採用されました。

仮定

  • 触媒溶解度
  • 使用されたゼオライト触媒は明確に定義されていなかった。 したがって、意味のある仮定をする必要がありました。 これは、触媒の溶解度がプロセスの分離部に影響を及ぼし、すなわちパイプおよび蒸留塔トレイを詰まらせる可能性があるからである。 IUPAC分析から、ほとんどの触媒部分は可溶性であった。

  • アセトン最小化
  • プロセスに必要な溶媒に関して仮定しなければならなかった。 反応器中の水、アセトンおよびベンゼン混合物の分析から、混和性単相溶液をXNUMX psiに維持することが必要であった。

  • 過酸化水素の品質
  • 市販の過酸化水素はそれらの安定性を高めるための添加剤を有する。 安定剤の量は過酸化水素の強度の増加と共に常に増加するだろう。 分析は、過酸化水素が系中に存在しないように安定剤を含まないと仮定している。

    .
  • 廃棄物処理
  • このプロジェクトでは、実行される化学プロセスの性質により、廃棄物処理はすでに存在しているか含まれていると想定します。

ASPEN plusでのシミュレーション

議論

反応器は、プロピレンとベンゼンが反応する主要プロセスが反応する場所であるため、コンポーネントリストに指定されているとおりにモデル化する必要があります。 アルキル化およびトランスアルキル化反応器は別々にモデル化されている。 温度範囲は300〜400℃、圧力は25 atmです。

平衡条件を使用することは、反応が平衡圧力で起こるので考慮されないが、温度およびベンゼン/プロピレン比に依存する。 ASPEN Plusには7つのリアクターモデルがあります。

平衡依存RGIBBS反応器は、生成物の自由エンタルピーがその最低値にある物質の成分を測定することにおいて実行される。

各反応についての温度アプローチは、供給流のモル流量が1kmol /時の値に維持され、供給流がプロピレンとベンゼンからなる間に実施される。 反応器の温度をXNUMX℃に設定し、圧力をXNUMX気圧に設定する。 温度変化および転化率の選択性の影響をモニターする。

行われた計算は次の式に基づいています

クメンの選択率%=フクメン生成物/(プロピレン供給 - プロピレン生成物)×XNUMX%

プロピレンの転化率%=(プロピレン供給プロピレンプロッド)/プロピレン供給x×XNUMX%

m − DIPBの選択率%= Fmdipbproduct /(プロピレン供給 - プロピレン生成物)×XNUMX%

p − DIPBの選択率%= Fpdipbproduct /(プロピレン供給 - プロピレン生成物)×XNUMX%

Where

Fcumeneproduct =製品中のクメンのモル流量

プロピレン供給=供給原料中のプロピレンのモル流量

プロピレンプロッド=生成物中のプロピレンのモル流量

Fmdipbproduct =生成物中のm-DIPBのモル流量

Fpdipbproduct =物質中のp-DIPBのモル流量。

RSTOIC反応器モデルは様々な反応に対する標準反応熱を見出すのに適応した

反応番号 標準反応熱
1 -23.670
2 -24.321
3 0
4 0.649
5 0.649
6 -0.325
7 -0.324

反応に対する温度とベンゼン/プロピレン濃度の影響

所与の温度でベンゼン/プロピレン濃度を加えるとプロピレンの転化率は増加した。 これは、供給原料中のプロピレンの割合が減少したためです。 反応が発熱性である結果として、一定のベンゼン/プロピレン濃度に対して熱を加えるたびにプロピレンの転化率が減少することがわかった。 最後に、クメンの選択性は、過剰量のベンゼンのためにポリアルキル化反応が減少するにつれて、所与の温度でベンゼン/プロピレン濃度が上昇するたびに増加した。 吸熱性であるトランスアルキル化反応が高温で起こるように、任意の静的ベンゼン/プロピレン濃度に対する温度の上昇はクメンの選択性を高める。

  • プロピレンの転化率に対する温度およびベンゼン:プロピレン濃度の増減の影響
  • クメンの選択性に及ぼす温度およびベンゼン:プロピレン濃度の増減の影響
  • 温度とベンゼンの増減の影響:m ‐ DIPBとp‐の選択性に及ぼすプロピレン濃度

このフェノール製造方法は、精製クメンまたはリサイクルクメンを酸化することを含む。 クメンは、XNUMX − XNUMX℃およびpH範囲XNUMX〜XNUMXに維持されている酸化容器に流れとして供給される。 この混合物は、少なくともXNUMX − XNUMX%のクメンがクメンヒドロペルオキシドに変換されるまで、圧縮空気に曝されるように維持される。

この粗混合物をXNUMX%に濃縮し、次いでクメンヒドロペルオキシドがおよそXNUMX℃および大気圧でフェノールおよびアセトンに開裂する反応器に注入する。 反応は起こるために少量の硫酸を必要とする。

流れは次に分離プロセスに向けられるが、最初にそれは水中で洗浄され、そしてアセトンが第一塔中の塔頂として除去される。 次いで混合物を連続蒸留により精製する。 第一塔において、未反応クメンを再循環流に移送する。 このクメンはフィードストリームに返送される前に処理されます。

精製プロセスは、メチルスチレンのクメンへの接触水素化による。 これは、メチルスチレンが副生成物として得られる注意深い分別によって達成された。

フェノールの反応は二段階であった。 最初の反応は、2つの原料、すなわちクメンと酸素によるクメンヒドロペルオキシドの製造です。 反応は、酸化塔中で、XNUMX − XNUMX℃、pH範囲XNUMX〜XNUMXで起こる。 クメンヒドロペルオキシドである中間生成物は第二反応器中で反応体として使用され、使用されることが意図されている反応器は連続攪拌タンク反応器(CSTR)である。 ほとんどの変換はここで、すなわち約110%で行われます。 分離工程では、副生成物および廃棄物が除去されて一次生成物、すなわちフェノールが得られる。

基本プロセスフロー図と背景

図5:フェノールプロセスのブロック図

シミュレーションを行うために、フェノール製造プロセスは2つのプロセス、すなわちクメンの酸化と開裂で構成されています。

ホック工程(クメンの酸化)

C 6H 5CH(CH 3) 2+O 2C 6H 5C(CH 3) 2うーん

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

開裂反応

(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

アスペンプロセスフロー図

様々な段階での留出物の表

図から、プロセスには6つのステップがあります

  • ヒドロペルオキシドを得るためのクメンの酸化
  • クメンヒドロペルオキシド濃度
  • 開裂(クメンヒドロペルオキシドの分解)
  • 排水の中和
  • 精製
  • 排水処理

ASPENプラスレポート

  • ポンプ(p-201)
  • ベンゼン供給圧力を3000 kPaに上げる

  • ポンプ(p-202)
  • プロピレンフィードの圧力を3000 kPaに上げる

  • ヒータ
  • 350 oCへの供給物の混合物を気化し、過熱します

  • 原子炉
  • 制限反応物の変換が起こる場所。

    C 3H 6+C 6H 6- > C 9H 12
  • フラッシュベッセル
  • 熱交換器とフラッシュドラムの組み合わせ。 クメンおよびベンゼンから不活性プロパンおよび未反応プロピレンを分離するための温度および圧力の低下を目的とした。

反応器内の反応物の手動計算

材料とエネルギーのバランス

最初の反応器での反応は、1キロモルのCが 6H 5CH(CH 3) 2そして1キロモルのO 21キロモルのCを生成します 6H 5C(CH 3) 2おお。 硫酸の存在下でも(H 2SO 4、1キロモルのC 6H 5C(CH 3) 2OOHは1キロモルのCを開裂する 6H 5OHと1キロモルのCH 3COCH 3。 以下の標準的な関係を使用して、フェノールの生産にかかわる質量を計算することができます。

質量投入量=質量排出量

1年のフェノール生産量= 136363.64トン/年

= 15.56663トン/時

= 15566.63 kg / h

= 165.6 kmole / h

第一反応器中の混合物中のクメンヒドロペルオキシド中の生成物の組成の割合

X3cumene = 0.6

X3クメンヒドロペルオキシド= 0.3

X3酸素= 0.1

換算係数

Xリアクター2 = 90%

反応器XNUMX中のモル比を得るために、我々は最初に次式を計算する。

反応器2(酸性化剤)上の分子バランス。

フェノールバランス:

N3X3フェノール= N4X4フェノール - ar2 N4X4フェノール

=> 165.6 kmole / h

a = 1

0 = N4X4フェノール - r2 r2

= 165.6キロモル/時

アセトンのバランス:

N3X3acetone = N4X4acetone–ar2

N4X4アセトン= 165.6 kmole / h

過酸化クメンバランス:

N3X3クメンヒドロペルオキシド= -ar2 / Xreactor2

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

= 184 kmole / h

供給反応器中の総モル数2、N3

N3X3クメンヒドロペルオキシド= 184 kmole / h

X3クメンヒドロペルオキシド= 0.3 N3(0.3)= 184 kmole / h

N3 = 613.3 kmole / h

反応器2中の供給物の質量流量を求める。

F3 = N3X3 クメン(氏 クメン)+ N3X3 クメン過酸化水素(氏 クメンヒドロペルオキシド)+ N3X3酸素(Mr) 酸素)

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

得られた値は、反応器XNUMXがXNUMX%の転化率でXNUMX kg / hのフェノールを製造するためには、XNUMX kg / hのクメンヒドロペルオキシドならびにクメンおよび酸素を必要とすることを示す。

システム(hysys)内で材料とエネルギーのバランスを完全にとるためには、変換室とそれらのそれぞれの入力および出力ストリームを引き出す必要がある。

ASPENプラス結果と手計算結果の比較

ASPEN plusの報告書に記載されているデータから、手計算によって使用される物質が明確に示されていると結論付けることができます。 シミュレーションはプロジェクトの理想的な条件を提供します。

期待される入力と出力

設計プロセスの主な目的は、年間の100000メートルトンのカルボン酸生産のコストと基礎を分析することです。 化学書から、クメンの分子量は120.20 g mol-1であり、密度は862 kg / m3です。 ベンゼンの密度は876 kg / m3、分子量は78.11 g / molです。 最後に、プロピレンは密度1.81kg / m3および分子量42.08g / molを有する。 結論として、フェノールの密度は1070kg / m3であり、そのモル質量は94.11g / mol [9]です。 これらの密度とモル質量を念頭に置いて、次の入力要件が必要になるでしょう:製造するためのクメンの255050メートルトン、プロピレンの728545トン、およびベンゼンの392490トン。 これらの値は、最も近い5トンに推定されます。

経済コスト分析

代替案を評価する際には、経済的基準の数、すなわち回収期間、キャッシュフロー分析および内部収益率に基づいて収益性分析を行います。 分析には同等の年間運用コストを適用します。

収益性分析

EAOC = - (製品価値 - 飼料コスト - その他の営業コスト - 資本コスト年金)

EAOCの値が負の場合、それは収益性を示します。 Cumene nad benzeneの価格は化学薬品の販売記者から入手した。 資本コスト年金(年間コスト)は、主にプラントの建設に伴う一時的な固定費です。 それは次のように定義されます。

資本コスト年金= FCI((i(1 + i) n/(1 + i) n-1)

Where

FCIはすべての機器の設置コストです。

iは金利、i = 0.15です。

nは会計目的のプラントライフ、n = 10です。

収益性の議論

産業用途の場合、計画は固定費で$ 25百万プラス直接資本支出で$ 127.6百万/年を消費するように概算することができます[7]。 静的コストは、次のような機器の購入を通じて発生します。 ボイラー、予熱器、反応器、加熱器、冷却器、還流器、圧縮機、凝縮器、塔およびコンダクム[7]。 直接資本コストの大部分は、原材料の購入から生じます。 クメン、プロピレン、ベンゼン、およびDIPBの場合、それぞれ1kgあたり$ 1.37、$ 1.12、$ 1.20、および$ 3.30のコストになると見積もることができます。以下の表のように、$ 133419932がそのまま表示されます。

原材料 1kgあたりの費用($) 年間費用(ドル)
クメン 1.37 133419932
プロピレン 1.12 45552468
ベンゼン 1.20 79919133
ディップ 3.30 12521737

生産ターゲット

土地建設および機械

説明 測定値/数量 コスト
対象地域 Sq。 Ft。 500
覆われていない地域 Sq。 Ft。 500
総面積 Sq。 Ft。 1000
賃貸物件 2000
原子炉 1 34255.03
ミキサー 1 34255.03
分離機 1 34255.03

年間の推定費用

年間総経費 26951.26
機械装置の減価償却 372.34
総投資に対する利子@ 10% 595.74
合計 27919.34
セールス
品目 数量 値($)
フェノール 100,000 34255.03
合計 34255.03

採算性

年間総利益 6335.69
売上高利益率 18.50%
年間固定費 8668.01
年間販売 34255.03
年間変動費 18283.25
損益分岐点 54.27%

安全上の問題と危険

健康と安全

安全管理の必要性は、可燃性および有毒物質の存在によって必要とされています。 プロセスは、プロセス品質の管理とプロセス内の逸脱を考慮する必要があります。

プロセス安全文書

ベンゼン

この化学物質は吸入すると非常に危険です。 肌や目にも刺激を与えます。 大量にこぼしたときは、熱や発火源と接触しないようにしてください。 保護具は、スプラッシュゴーグル、白衣、および手袋のように着用してください。 発がん性もあります。

過酸化水素

肌や目に刺激を与えます。 接触すると、皮膚や眼を腐食することもあります。 それはまた組織および気道の損傷を引き起こす可能性があります。 火災の原因となります。 個人用保護具、すなわち手袋、顔面シールド、長靴、防毒マスクおよびフルスーツを着用しなければならない。

フェノール

接触または吸入すると危険です。 肌と目の両方に刺激を与えます。 ばく露は肺、腎臓、中枢神経系の損傷にもつながる。 個人用保護具には、合成エプロン、蒸気、水しぶきゴーグル、手袋、および防塵マスクを含める必要があります。

燃焼限界

ベンゼンは酸素中で1.2パーセントから11.5パーセントの燃焼限界を持っています。 流出蒸気中に存在するベンゼンは火災を回避するための制御機構を必要とする。 に制御された天然ガスの供給

ハゾップ解析

フェノール製造方法は発熱性であり、それ故に冷却系が用意されている。 冷却システムの中断は反応器の温度を上昇させる。 この温度変化は、最終的に血管を破裂させる可能性のある暴走反応を引き起こす可能性があります。 注目すべき点は、冷却水ライン、モノマー供給ライン、反応容器および攪拌モーターである。 Hazop分析から、次のような変更を加えることができます。

  • 警告オペレータへの高温監視システムの導入
  • 冷却水の喪失を即座に知らせるための冷却水道メーターとアラームの設置。
  • 原子炉が過熱した場合にシステムを停止させる高温シャットダウンを提供します。
  • 冷却水の逆流を防ぐための逆止弁の設置。

Hazopレポートは次のように表現できます。

環境問題

植物を環境にやさしいものにするには、いくつかの生産要素を考慮する必要があります。 有機化合物が大気中に放出されるのを防ぐためにフレアを含める必要があります。 生じたガス流出物は、有機化合物の濾過のために混合され、精製されそしてフレアを通過する。 メタンは、システムの燃焼性を低下させるための制御供給原料として含まれています。

フェノールの製造に関わる化学プロセスは、環境にいくつかの影響を与えます。 この環境への影響は、プロセス全体で発生するさまざまな種類の廃棄物によるものです。 これらの廃棄物は

  • アセトフェノン
  • 酸性水

これらの廃棄物はプロセスのさまざまな段階で発生し、環境にさまざまな影響を及ぼします。 アセトフェノンはシステム全体の主要な副産物です。

酸性化された水は、分離室で発生するプロセスから放出されます。 この廃棄物は、水のpHが低下し、沈殿によって沈殿するために発生します。 水は生態系と重要な栄養素の流れを混乱させ、淡水魚やPHの状態に依存する植物の死につながります。

酸性水の特性は次のとおりです。

物理的特性 データ
化学式 H2O
室温での物理的状態 液体
臭気 -
外観 無色の液体
沸点 100°C
融点 0°C
相対密度 1g / cm3
モル質量 X
溶解度 無限
粘度 8.90 x X NUMX - X NUMX Pa.s
pH 3.0

これらの環境条件から、プラントがリサイクルプロセスのために多くの水を必要とすることは明らかであり、それゆえ水源の近くに位置することが望ましいであろう。 この位置はまた国際市場への輸送が水路によって容易にされるという事実によって支えられる。 流出液は、燃料が豊富な運転を保証し、フレア化を可能にするために使用されます。

工場のグラウンドレイアウト

レイアウトはそのように設計されていて、便利な方法で材料の入り口と製品を除外することができます。 工場は、キャンパスのすべての場所からアクセスできるようにレイアウトの中央に配置されています。

リファレンス

[1] ncfb情報、 「フェノール」 米国国立医学図書館、ロックビルパイク。

[XNUMX] c。 雹、 「フェノールとアセトン製造のためのホックプロセスのFT-NIR分析」 サーモフィッシャーサイエンティフィック社、マディソン、2008。

[XNUMX] a。 コーカー、 「フェノール、アセトン、クメン」 ネクサント、2012。

[4] L. Pellegrini、S. Bonomi、およびG. Biardi、 「安全性解析のためのフェノールプラントにおける除雪区画の動的シミュレーション」 2001、ミラノの化学、材料および化学工学学科Politecnico。

[5] M.シーザー、 「ゼオライト触媒を用いたPEPプロセスモジュール」 1999

[6] WH組織、 「クメン」 世界保健機関、ニューヨーク市、1999。

[XNUMX] e。 カナダ、 「フェノール」 Environment Canada、オタワ、2000。

[XNUMX] e。 ベルーベ、 「液内培養における白色腐朽菌によるフェノールオキシダーゼの生産」 マギル大学、2003。

[9]ヴォルフガング・シュミット 「プロセスシミュレーション - 環境技術における効率的で有能なツール」 ケミステーションDeutschland GmbH。

[10] NIRLIPT MAHAPATRA アスペンを用いたクメンプラントの設計とシミュレーション

プラス国立工科大学Rourkela 2010

添付ファイル:
フィレット説明ファイルサイズ
このファイルをダウンロードする(production_of_phenol.pdf)フェノールの製造フェノールの製造880キロバイト

より多くのサンプル執筆

スペシャルオファー!
用途 クーポン: UREKA15 15.0%をオフにします。

すべての新規注文

書き込み、書き換え、編集

今すぐ注文する