tìm hiểu tính chất acrylat, phương pháp sản xuất acrylat

Mở đầu Trong trình phát triển kinh tế xã hội ngày ngành cơng nghệ hóa học ngày khẳng định tầm quan trọng việc sản xuất sản phẩm phục vụ đời sống người Những sản phẩm ngành cơng nghiệp hóa học hữu nơi giới nilon, nhựa, xơ sợi tổng hợp, sơn, thuốc… Acrylat sản phẩm chủ yếu công nghiệp hóa học nói chung cơng nghệ sản xuất hợp chất polyacrylat nói riêng Acrylat sản phẩm có vai trị quan trọng cơng nghiệp Acrylat este axit acrylic sử dụng để sản xuất polyme copolyme, có ứng dụng nhiều công nghiệp công nghiệp sản xuất xơ sợi tổng hợp, công nghiệp sản xuất nhựa acrylic… Ngồi ra, acrylat cịn dùng để sản xuất loại cao su có tính kết dính phù hợp cho vật liệu xốp, dùng để sản xuất thủy tinh acrylat có khả chống vỡ tốt thủy tinh acrylat dùng nhiều ứng dụng y học cấy gắn xương Từ ta thấy acrylat hóa chất quan trọng có ý nghĩa đặc biệt ngành công nghiệp Trong tiểu luận tìm hiểu tính chất acrylat, phương pháp sản xuất acrylat công nghệ sản xuất acrylat Rất mong góp ý bạn để tiểu luận chúng em hoàn thiện Chương Tổng quan Tính chất vật lý Acrylat hợp chất hữu với công thức CH 2=CHCOOR, este không no với công thức đơn giản nhất, thường chất lỏng khơng màu có mùi đặc trưng chát chua Acrylat tan nước, rượu, ete chloroform Tính chất vật lý số este phân tử lượng thấp trình bày bảng sau: Tính chất hóa học (Acrylat có tính chất hóa học tương tự axit acrylic)  Phản ứng cộng: - Phản ứng cộng HX: H2C = CHCOOR + HX - Phản ứng cộng H2: H2C = CHCOOR + H2 - Ni, to CH3 – CH2COOR Phản ứng cộng halogen: H2C = CHCOOR + X2 - H2CX – CH2COOR CH2X – CHX – COOR Phản ứng cộng H2O: H2C = CHCOOR + H2O  Phản ứng trùng hợp: CH2OH – CH2COOR nH2C = CHCOOR to, xt, p ( H2C – CH ) n COOR  Phản ứng xà phịng hóa: H2C = CHCOOR + NaOH H 2C = CH2COONa + ROH  Phản ứng cháy: H2C = CHCOOR + O2 CO2 + H2O Ứng dụng acrylat Acrylat sử dụng ngành công nghiệp polyme siêu hấp thụ, bổ sung monome trùng hợp cao phân tử, tổng hợp hữu cơ, xử lý nước tinh khiết Nó cịn dùng để sản xuất nhựa, keo, vải, nhiên liệu, hàng dệt, chất dẻo vữa dùng xây dựng Ngoài ra, ứng dụng quan trọng acrylat để sản xuất polyacrylat Polyacrylat chất có nhiều đặc tính tốt tính chịu nhiệt chịu dầu tốt ứng dụng rộng rãi sống hàng ngày người Nhũ tương polyacrylat sử dụng loại huyền phù tạo màu, đặc biệt nhựa ứng dụng sơn acrylic Nhũ tương polyacrylat dùng làm chất liên kết cho sơn bên bên ngồi ngơi nhà, cung cấp mơi trường sơn nước cho sơn màu họa sĩ Polyacrylat biết đến khả chống vỡ chúng Thủy tinh acrylat dạng loại polyme tổng hợp metyl metaacrylat loại nhựa suốt, nhẹ dùng nhiều y học cấy gắn xương Poly acrylat dùng làm sản phẩm tiêu dùng dùng chất hút ẩm để tăng độ nhớt hệ có nước làm Alkylacrylat sử dụng nhiều loại thực phẩm khoa học sản phẩm tiêu dùng lĩnh vực mỹ phẩm Acrylat có nhiều ứng dụng thực tế nên việc tổng hợp acrylat có ý ghĩa thực tế sâu sắc Tình hình sản xuất Ngày nay, cơng ty hóa chất giới sản xuất hàng tỉ tần acrylat năm Khu vực châu Á - Thái Bình Dương thị trường lớn cho acrylat với khoảng 40% doanh thu toàn cầu năm 2011 ước tình lên tới 4,49 tỷ USD vào năm 2017 Đây nhà sản xuất lớn acrylat Thị trường lớn thứ hai châu Âu Bắc Mỹ Trong khủng hoảng kinh tế toàn cầu thị trường acrylat phải đối mặt với sụt giảm nhu cầu Trong năm 2010 2011, ngành cơng nghiệp phục hồi từ suy thối kinh tăng trưởng cách đáng kể Việc tiêu thụ ước tính acrylat ngày tăng lên tới hàng tỉ năm BASF, Arkema, SunVic Chemical… hãng sản xuất acrylat lớn giới Các công ty đầu tư lớn vào hoạt động R & D để phát triển tốt acrylat sản phẩm với nhiều ứng dụng Hiện nay, Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất sản phẩm mà hoàn toàn nhập từ nước ngồi Chính nhu cầu có nhà máy sản xuất acrylat sản phẩm liên quan cần thiết Tuy nhiên cần xem xét mặt nguyên liệu, vốn đầu tư, công nghệ, nhà xưởng, khả cạnh tranh, mặt bằng… Trong nguyên liệu yếu tố quan trọng để từ đưa định chọn công nghệ Chương 2: Phương pháp sản xuất acrylat Sản xuất acrylat phương pháp este hóa axit acrylic a Hóa học phương pháp Q trình xảy theo phản ứng thu nhiệt sau: CH2 = CH – COOH + CH3CH2OH CH2 = CH – COO – CH2 – CH3 + H2O ∆H298o = +35 kJ/mol - Phản ứng tiến hành pha lỏng Nhiệt độ trung bình: 50-80oC Áp suất thấp: P= 20-100 kPa Xúc tác: axit (thường la axit sunfuric nhựa trao đổi ion) Cơ chế phản ứng este hóa: b Cơng nghệ sản xuất acrylat phương pháp este hóa Hình Sơ đồ sản xuất acrylat phương pháp este hóa acrylic  Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Axit acrylic xúc tác H2SO4 bơm vào thiết bị este hóa với rượu etanol sau đun nóng thiết bị đun nóng Trong tháp este hóa có chứa 30 đĩa xảy phản ứng este hóa axit acrylic rượu etanol Tại đỉnh tháp thu hỗn hợp acrylat/rượu/nước có lẫn lượng nhỏ axit acrylic chưa phản ứng Ở đáy giàu axit sunfuric sản phẩm nặng trung hòa NaOH Lượng rượu đáy tháp thu hồi chưng cất 110-120 oC, áp suất thấp 40-120 kPa tuần hồn lại tháp este hóa Sản phẩm nhẹ trích ly tách rượu cách rửa nước, cần thiết pha thêm NaOH để trung hịa vết axit acrylic Q trình trích ly tiến hàn phương pháp ngược dòng tháp tiếp xúc đĩa quay Este thu hồi pha raffinat đỉnh tháp tách nước tháp chưng cất đẳng phí (20 đĩa, nhiệt độ đỉnh tháp 50-80oC phụ thuộc vào loại este, áp suất 20-100 kPa) Pha hữu thu lớp thiết bị lắng dùng để hồi lưu, pha nước lớp tuần hồn lại thiết bị trích ly Sản phẩm đáy đượ đưa sang thiết bị tinh chế este (20 đĩa, nhiệt độ đỉnh tháp 40-100 oC, áp suất 15-100 kPa) để thu acrylat với độ tinh khiết 98,5 – 99% Sản phẩm đáy tiếp tục tính chế để thu hồi lượng acrylat cịn lẫn Các thiết bị chưng cho thêm chất ức chế hydroquinhon dòng hồi lưu nhiệt độ đáy tháp trung bình Pha chiết thu đáy tháp trích ly đĩa quay đưa sang tháp chưng cất tách hỗn hợp đẳng phí acrylat/rượu/nước đỉnh tháp tuần hồn lại tháp trích ly (đặc biệt trường hợp dùng rượu butanol), hỗn hợp nước/rượu thu đáy tháp tiếp tục đưa tách nước chưng cất đẳng phí, rượu tuần hồn lại thiết bị este hóa Sản xuất acrylat từ axetylen a Hóa học phương pháp Acrylat thu phản ứng cộng hợp CO rượu vào axetylen theo kiểu phản ứng tổng hợp Reppe với xúc tác cacbonyl niken - Phản ứng tổng hợp Reppe Phản ứng xảy theo chế chuỗi gốc, tự xúc tác, nhanh nhiệt độ thấp 25 -70 C áp suất khí Phản ứng tổng cộng sau: o Đây phản ứng tỏa nhiệt mạnh, với ∆H298o = -250 kJ/mol acrylat Hydro tạo thành nhanh chóng tham gia phản ứng phụ taoh thành propionat metanol… khơng có mặt sản phẩm phản ứng - Công nghệ sản xuất acrylat từ axetylen BASF: Phương trình phản ứng: b Phản ứng tiến hành pha lỏng Nhiệt độ phản ứng cao: 150-290oC Áp suất cao: 3-20 MPa Xúc tác: Ni(CO)4 Dung môi: tetrahydrofuran (THF) để giữ môi trường phản ứng Công nghệ sản xuất acrylat từ axetylen Hình Cơng nghệ BASF sản xuất axit acrylic acrylat từ axetylen  Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Trong công nghiệp trình tiến hành theo hai giai đoạn: sản xuất axit acrylic este hóa thành acrylat Sơ đồ cơng nghệ giai đoạn sản xuất axit acrylic bao gồm phận sau đây: - - Điều chế xúc tác từ muối niken đồng bromua (hoặc clorua) THF tuần hồn thiết bị có khuấy Hịa tan axetylen nén vào dung môi tetrahydrofuran Phản ứng: cho CO nén trước dung dịch axetylen trộn với xúc tác vào thiết bị phản ứng ống chùm, với chất tải nhiệt chạy ống để sản xuất nước áp suất thấp Axetylen chuyển hóa hồn tồn Tách khú thiết vị tách khí/lỏng thu hồi axit acrylic bị theo cách rửa với THF Xử lý phân đoạn lỏng (chứa 18% trọng lượng axit acrylic dung môi THF)bao gồm công đoạn sau: tách CO rửa nước trước tuần hồn, chưng cất chân khơng dung mơi, trích ly axit acrylic dung môi metyl etyl keton, thu hôi dung mơi trích ly metyl etyl keton tinh chế axit acrylic chưng cất chân khơng với có mặt chất ức chế polyme hóa (hydroquinon) Nhà máy BASF sản xuất axit acrylic theo công nghệ dựa trình tổng hợp Reppe xây dựng Freeport, Texas ngừng hoạt động năm 1982 để thay cơng nghệ oxy hóa propylen Mippon Shokubai Nhà máy Ludwigshafen hoạt động Sản xuất acrylat từ acrylonitril a Hóa học phương pháp Phương trình phản ứng: Quá trình liên quan tới phản ứng oxi hóa khơng trựctiếp propylen, Sohio Ugine sau nhiều cơng ty khác Nhật phát triển, áp dụng Nhật Mehico Quá trình dựa phản ứng thủy phân acrylonitril thành acrylamit sunfat môi trường axit sunfuric, sau phản ứng este hóa với rượu tạo thành acrylat b Áp suất: áp suất khí Nhiệt độ: 145 – 155oC Môi trường phản ứng: axit sunfuric 85% Công nghệ sản xuất acrylat từ acrylonitril Hình Sơ đồ cơng nghệ sản xuất acrylat từ acrylonitril  Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Mặc dù phản ứng chuyển hóa acrylonitril thành acrylamit sunfat điều khiển cách hạn chế hàm lượng nước môi trường phản ứng giảm thời gian lưu thiết bị phản ứng (5-10 phút), phần nhot acrylonitril bị thủy phân tạo thành axit acrylic Phản ứng xảy áp suất khí nhiệt độ 145-155 oC với có mặt axit sunfuric 85% thiết bị có khuấy Sản phẩm đưa sang thiết bị este hóa làm việc áp suất khí quyển, nhiệt độ 160180 C, nhiệt độ này, sản phẩm phụ axit acrylic chuyển hóa Hỗn hợp acrylat, rượu dư nước thu đỉnh tháp, hỗn hợp axit sunfuric, bisunfat amoni sản phẩm phụ chất hữu phân hủy nhiệt để tạo thành sunfat amoni dùng làm phân bón o Phân đoạn nhẹ chưng cất để thu hồi sản phẩm phụ ete tuần hoàn lại thiết bị este hóa để đảm bảo điều kiện nồng độ ổn định Rượu tách chưng cất trích ly, sau đưa sang chưng cất tách nước trước tuần hồn lại tháp este hóa Trong thiết bị lắng tháp chưng cất trích ly phân làm hai pha Pha nước hồi lưu, pha hữu chứa nước đưa sang thiết bị tách nước Tại thiết bị lắng tháp chưng cất tách nước phân làm pha Pha hữu hồi lưu pha nước tuần hoàn lại tháp chưng cất trích ly Sản phẩm đáy tháp tách nước chứa este khan đưa sang tháp tinh chế este, tách sản phẩm nặng khỏi acrylat Chất ức chế polyme hóa (hydroquinon) đưa vào tháp chưng để tránh phản ứng trùng hợp Chương 3: So sánh công nghệ hướng nghiên cứu công nghệ tương lai So sánh công nghệ Công nghệ Sản xuất acrylat Sản xuất acrylat từ phương pháp axetylen BASF este hóa axit acrylic Sản xuất acrylat từ acrylonitril Ưu điểm - Đơn giản, chiếm - Hàm lượng acrylat mặt bằng, dễ vận có độ tinh khiết cao hành - Tận dụng - Hiệu suất cao nhiệt để sản xuất nước - Hàm lượng acrylat có độ tinh - Thiết bị phản ứng kiết cao tương đối đơn giản, dễ lắp ráp, sửa - Chi phí thấp chữa - Đơn giản, chiếm mặt - Năng lượng tiêu tốn so với cơng nghệ khác - Chi phí cho ngun liệu khơng lớn Nhược điểm - Thiết bị phản ứng phức tạp, khó lắp ráp, sửa chữa, vệ sinh - Tiêu tốn lượng nhiều cho bơm -Phải sử dụng - Chi phí cho ngun liệu khơng lớn - Sản phẩm phụ có giá trị kinh tế cao - Kết hợp trình sản xuất axit acrylic acrylat - Sơ đồ cồng kềnh, phức tạp, chiếm nhiều mặt -Hiệu suất q trình thấp - Sản phẩm phụ có - Vận hành khó chứa nhiều axit sunfuric sunfat - Chi phí cho amoni nguyên liệu lớn - Tiêu tốn - Tiêu tốn nhiều lượng cho bơm lượng cho lượng chất ức chế nhiều để tránh phản ứng phụ - Tiêu tốn nhiều nước rửa bơm nhiều - Tiêu tốn lượng chất tải nhiệt lớn - Phải hạn chế hàm lượng nước môi trường phản ứng để tránh phản ứng phụ - Tiêu tốn lượng dung môi lớn - Ngày hạn chế sử dụng - Ngày hạn chế sử dụng giới Từ ta thấy công nghệ sản xuất acrylat phương pháp este hóa axit acrylic ưu việt Hiện nay, công nghệ sử dụng phổ biến giới Hướng nghiên cứu công nghệ tương lai Acrylat loại hóa chất hàng hóa quan trọng, sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau, từ sợi polyeste tã lót trẻ em Ngày nay, cơng ty hóa chấttrên giới sản xuất năm hàng tỉ acrylat, thường cách gia nhiệt propylen - hợp chất dẫn xuất từ dầu mỏ Propylen nguyên liệu cacbon tương đối đắt tiền khơng thể tái tạo Vì vậy,các cơng ty lĩnh vực sản xuất acrylat với doanh số tỉ USD/năm quan tâm đến việc nâng cao hiệu kinh tế tính bền vững quytrình sản xuất acrylat Từ thập niên 1980, nhà nghiên cứu tìm kiếm khả sản xuất acrylat cách kết hợp CO2 với khí etylen tác động xúc tác niken xúc tác kim loại khác CO2 nguyên liệu sẵn có Trái Đất, cịn etylen rẻ propylen sản xuất từ sinh khối trồng Tuy nhiên, trước quy trình sản xuất gặp phải trở ngại khó vượt qua Thay cho việc tạo thành phân tử acrylat, CO etylen có xu hướng tạo thành phân tử tiền chất với vòng thành phần gồm có oxy, niken nguyên tử cacbon Nếu muốn thực việc chuyển đổi thành acrylat, vòng cần phải phá vỡ phép tạo thành liên kết kép cacbon (quá trình khử) Từ trước đến nay, công đoạn tỏ khó thực hiện, nhà nghiên cứu Đại học Tổng hợp Brown Yale (Mỹ) phát axit Lewis dễ dàng phá vỡ vịng thành phần đó, cho phép thực quátrình khử tạo thành acrylat Về bản, axit Lewis chất nhận điện tử Trong trường hợp nói trên, axit lấy điện tử liên kết niken oxy vịng thành phần, làm yếu liên kết mở vịng Các nhà nghiên cứu cho rằng, cơng nghệ áp dụng trình sử dụng xúc tác để sản xuất acrylat quymơ cơng nghiệp Hiện họ thực tất bước cần thiết quy trình Ban đầu, nhóm nghiên cứu sử dụng axit Lewi smạnh mà sẵn có, dẫn xuất từ bo Nhưng axit mạnh nên sử dụng cho trình xúc tác lặp lại, liên kết mạnh với sản phẩm acrylat nên không cho phép thực phản ứng với xúc tác niken Do đó, họ chuyển sang sử dụng axit Lewis yếu số nhiều loại axit Lewis khác Nghiên cứu nói cơng trình hợp tác hai trường đại học Brown Yale