thiết kế quy trình công nghệ sản xuất axit terephthalic bằng phương pháp oxy hóa chọn lọc p-xylen bởi oxi không khí

Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polymer, xuất hiện từ lâu đời và được làm vật liệu sản xuất nhiều vật dụng góp phần quan trọng vào phục vụ đời sống con người cũng như phục vụ cho sự phát triển của nhiều ngành trong lĩnh vực kinh tế khác như: điện, điện tử, viễn thông, giao thông vận tải, thủy sản, nông nghiệp… Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, chất dẻo còn được ứng dụng và trở thành vật liệu thay thế cho những vật liệu truyền thống tưởng chừng như không thể thay thế được là gỗ, kim loại, silicat… Do đó, ngành công nghiệp Nhựa ngày càng có vai trò quan trọng trong đời sống cũng như sản xuất của các quốc gia. Như ta biết, Axit Terephthalic là nguồn nguyên liệu rất quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo, nhựa, sợi tổng hợp cùng những polyester. Axit Terephtalic tái sinh cũng là nguyên liệu sản xuất Polyethylene Terephthalate, là một chất có trong quá trình sản xuất các chai nước giải khát có ga, hộp đựng thực phẩm, cung cấp cho nhựa độ ổn định cao, khả năng chịu nhiệt tốt và độ bền cho các ứng dụng kỹ thuật. Trong ngành công nghiệp dược phẩm, Axit Terephthalic còn sử dụng làm nguyên liệu cho một số loại thuốc như: thuốc giảm đau Oxycodone từ một muối terephtalic. Trong phòng thí nghiệm, Axit Terephthalic được sử dụng rộng rãi để tổng hợp khung kim loại hữu cơ. Trong đồ án này, chúng tôi đã thiết kế quy trình công nghệ sản xuất Axit Terephthalic bằng phương pháp oxy hóa chọn lọc p-xylen bởi Oxi không khí. Đồ án được trình bày theo 4 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Thiết kế dây chuyền sản xuất Chương 3: Tính toán

MỞ ĐẦU

Chất dẻo, hay còn gọi là nhựa hoặc polymer, xuất hiện từ lâu đời vàđược làm vật liệu sản xuất nhiều vật dụng góp phần quan trọng vào phục vụđời sống con người cũng như phục vụ cho sự phát triển của nhiều ngành tronglĩnh vực kinh tế khác như: điện, điện tử, viễn thông, giao thông vận tải, thủysản, nông nghiệp… Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, chất dẻocòn được ứng dụng và trở thành vật liệu thay thế cho những vật liệu truyềnthống tưởng chừng như không thể thay thế được là gỗ, kim loại, silicat… Do

đó, ngành công nghiệp Nhựa ngày càng có vai trò quan trọng trong đời sốngcũng như sản xuất của các quốc gia

Như ta biết, Axit Terephthalic là nguồn nguyên liệu rất quan trọng trongngành công nghiệp sản xuất chất dẻo, nhựa, sợi tổng hợp cùng nhữngpolyester Axit Terephtalic tái sinh cũng là nguyên liệu sản xuất PolyethyleneTerephthalate, là một chất có trong quá trình sản xuất các chai nước giải khát

có ga, hộp đựng thực phẩm, cung cấp cho nhựa độ ổn định cao, khả năng chịunhiệt tốt và độ bền cho các ứng dụng kỹ thuật Trong ngành công nghiệp dượcphẩm, Axit Terephthalic còn sử dụng làm nguyên liệu cho một số loại thuốcnhư: thuốc giảm đau Oxycodone từ một muối terephtalic Trong phòng thínghiệm, Axit Terephthalic được sử dụng rộng rãi để tổng hợp khung kim loạihữu cơ

Trong đồ án này, chúng tôi đã thiết kế quy trình công nghệ sản xuấtAxit Terephthalic bằng phương pháp oxy hóa chọn lọc p-xylen bởi Oxi khôngkhí Đồ án được trình bày theo 4 chương:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Thiết kế dây chuyền sản xuất

Chương 3: Tính toán

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Giới thiệu về Axit Terephthalic

Hầu hết các ngành công nghiệp sản xuất chất dẻo, nhựa, sợi tổng hợpcùng những Polyester đều cần rất nhiều hóa chất từ ngành Công nghệ sảnxuất và chế biến hóa chất Một trong số những chất cần thiết đó là AxitTerephthalic

1.1.1. Tính chất vật lý và hóa học

a. Tính chất vật lý

Axit terephthalic ( 1,4-Benzenedicarboxylicaxit p-phthalic) có công thứcphân tử là: C8H6O4

Công thức cấu tạo:

Là chất màu trắng có mùi hơi chua, thông thường ở dạng tinh thể hoặcbột, có thể gây kích ứng mắt, da và đường hô hấp Những tính chất vật lýđược tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1: Một số tính chất vật lý của axit terephthalic [1]

Axit terephthalic kém tan trong nước và rượu, độ hòa tan trong nước là0.0017g/100ml nước ( ở 25oC) Hòa tan được trong các dung môi hữu cơphân cực

Khả năng hòa tan của axit terephthalic trong một số dung môi ở các nhiệt

độ được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.2: Khả năng tan của Axit Terephthalic trong 100g dung môi [2]

Axit terehthalic có thể làm đổi màu chất chỉ thị, tác dụng với kim loạiđứng trước hydrogen trong dãi hoạt động hóa học, tác dụng với base…

Axit terephthalic tác dụng với base (NaOH) cho tạo ra muối terephthalat

Tính axit còn thể hiện qua sự phân ly ra ion H+ trong nước nhưng axitterephtalic tan rất ít trong nước nên nồng độ của nó là rất nhỏ, vì vậy khó thểhiện được tính axit

- Phản ứng este hóa

Đây là phản ứng quan trọng để tạo ra các monomer cho quá trình tổnghợp thành nhựa đặc biệt là phản ứng tạo thành dimetyl terephthalat Phản ứngcủa axit terephtalic với ancol để tạo thành este diễn ra với sự có mặt của

Phản ứng với NH3 hoặc các amin khác để tạo thành amin mới Nhóm –

OH của axit terephthalic sẽ bị thay thế bởi nhóm NH2,–NHR hoặc –NR.Trong phản ứng này có 2 giai đoạn, ban đầu sẽ tạo thành amoni terephthalat ,sau đó muối này được đun nóng sẽ tạo thành các amin tương ứng

Phản ứng tạo thành các axit chloride Đặc biệt là terephthaloyl cloric, làhợp chất quan trọng để tổng hợp nhựa Aramid (sợi chịu nhiệt)[3]

Terephthaloy lcloric được điều chế bằng cách cho axit terephthalic tácdụng với thionyl cloric (SOCl2) hoặc photpho tricloric (PCl3) Thông thườngSOCl2 được sử dụng nhiều do các sản phẩm phụ là các chất khí dể tách khỏiterephthaloyl cloric

1.1.2. Ứng dụng

Axit Terephthalic được sử dụng chủ yếu trong sản xuất sợi polyester,phim, polyethylene terephthalate nhựa trạng thái rắn và polyethylene

terephthalate nhựa kỹ thuật.

Sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng: Sản phẩm cuối cùng của sợipolyester là các sợi thảm, may mặc và sợi công nghiệp Polyethyleneterephthalate nhựa trạng thái rắn được sử dụng chủ yếu cho thực phẩm và hộpđựng đồ uống Có thể sản xuất ra các phim polyester, chẳng hạn như phimảnh và cơ sở băng từ, và polyethylene terephthalate và polybutlyeneterephthalate nhựa kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong phụ tùng ô tô

1.1.3. Quá trình phát triển

“Vào năm 1960, Amoco giới thiệu phương pháp sử dụng Axitterephthalic và đã định giá chiến lược cho sản phẩm mới này nằm mục đíchthay thế cho Dimethyl terephthalat và nhằm thúc đẩy phát triển sản xuấtpolyeste Cho đến giữa những năm 1980 do nắm bắt được công nghệ một sốnhà sản xuất lớn đã chi phối ngành công nghiệp Axit terephthalic Amoco lànhà sản xuất hàng đầu, cùng với các đối tượng nhượng bản quyền là Mitsui,Mitsubishi và ICI, cũng là các nhà sản xuất thương mại hàng đầu Amococùng với đối tác công nghệ Mitsui rất lựa chọn công nghiệp nhượng bảnquyền của họ để không ảnh hưởng vào hoạt động kinh doanh

Tại Mỹ và sau đó ở Châu Âu, Amoco đã xây dựng giá sản xuất thực tếcủa Axit terephthalic với một giá trị thặng dư cố định nhằm đáp ứng chỉ tiêulợi nhuận, kích thước tăng trưởng thị trường nhưng đủ sức cạnh tranh với cácnhà sản xuất khác Tuy nhiên, Amoco chỉ thành công trong việc thúc đẩy sựphát triển thị trường mà không thành công trong việc bao tiêu thị trường Khicông nghiệp sản xuất Polyester ở Châu Á tăng trưởng nhanh chóng thì đối lúc

đã xảy ra việc thiếu hụt Axit terephthalic điều này buộc các nhà sản xuất phảitìm kiếm thêm công nghệ hỗ trợ sản xuất

Vào giữa những năm 1980, khi bản quyền của Amoco hết hạn, ICI vàMontedison và các công ty khác bắt đầu cung cấp bản quyền Có hàng loạtcông ty xếp hàng mua công nghệ, vì các nhà sản xuất polyester nhận thấy thìtrường có lợi nhuận cao và mong muốn đảm bảo nguồn cung vật liệu thô đầu

vào Vào cuối những năm 1980, sự thiếu hụt Axit terephthalic toàn cầu đã tạo

ra sự đổ xô vào sản xuất của các nhà sản xuất Polyester Châu Á.” [3]

2. Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất Axit Terephthalic

2.1. Các phương pháp sản xuất

Để sản xuất axit terephthalic, người ta thường sử dụng nguyên liệu là xylen Nhưng do p-xylen có giá thành tương đối cao, nên người ta có thể sảnxuất axit terephthalic bằng toluen Một số phương pháp như:

p-a. Sản xuất từ n-toluialndehit

Trong phương pháp này người ta đi từ n-toluialdehit và oxi hóa nó thànhaxit terephthalic Phương trình phản ứng xảy ra như sau:

b. Sản xuất từ muối của Axit thơm

Trong phương pháp này, người ta thực hiện phản ứng chuyển không cânđối muối của axit thơm ở 400-450oC với xúc tác cabonat, oxit hay muối hữu

cơ cadimi:

Các phương pháp nghiên cứu trong khí quyển, đã xác định rằng các quátrình này xảy ra theo cơ chế phân tách CO2 và Cacboxyl hóa kế tiếp nhânthơm, nhờ khả năng gây ra hiệu ứng cảm ứng âm của ion cacboxylat

Vì vậy, quá trình sẽ tiến hành thuận lợi hơn dưới áp suất 0,3 – 1 MPa.Bằng phương pháp này, từ toluen qua axit benzoic và muối của nó, cóthể điều chế axit terephthalic Tuy nhiên, ở phương án đầu phương phápkhông được sử dụng do 2 nhược điểm: hỗn hợp nằm ở trạng thái rắn, nênkhông thuận lợi cho việc vận chuyển cũng như công việc khác và cần dùngmột lượng kiềm lớn (để tạo muối) và axit sunfuric (để tách axit terephthalic tựdo) Trong thời gian gần đây, đã có các thông tin về cách khắc phục cácnhược điểm này: quá trình thực hiện dưới dạng huyền phù (muối được huyền

phù hóa trong dimetylterephthalat), như vậy dể vận chuyển Còn để điều chếbenzoat kali và tách axit terephthalic tự do, sẽ sử dụng phản ứng trao đổimuối.

Do các khuyết điểm của phương pháp oxi hóa nhiều giai đoạn, nên cầntiến hành nghiên cứu phương pháp một giai đoạn Kết quả đã tìm ra một vàiphương án tổng hợp và đặc điểm chung là sử dụng axit axetic làm dung môi.Trong nhóm đầu của phương pháp, người ta sử dụng các chất kích thíchcho quá trình oxy hóa (axetandehit, metyletylxeton, paraandehit) và axetatcoban để làm xúc tác Các chất kích thích sẽ được oxy hóa cùng vớihydrocacbon thơm tạo axit axetic Vai trò của chúng các thể hiện mạnh nếugiữ Coban ở hóa trị III nhờ vào sự oxy hóa Co2+ bởi các axit peroxit trunggian tạo thành Các phương án khác của quá trình một giai đoạn với xúc tác là

Co hay Co – Mn và được kích thích bằng chất phụ là các Bromua, đặc biệt làNaBr cũng được sử dụng rộng rãi

Quá trình nghiên cứu oxy hóa xylen khi có sự tham gia của chất xúc tácBromua kim loại đã cho thấy rằng, quá trình có thể xảy ra theo 2 giai đoạnkhác nhau Lúc đầu chỉ oxy hóa được nhóm metyl và chỉ sau khi sử dụng hếtxylen tự do thì mới bắt đầu chuyển hóa axit cacbonxylic, trong đó giai đoạn 2chậm hơn giai đoạn 1 Do đó quá trình được diễn ra theo cơ chế sau:

Theo nhiều tài liệu và nhiều ý kiến khác nhau đều đồng ý rằng, chất xúctác chỉ thể hiện chức năng ở dạng muối chuyển vị có Co ở hóa trị III, lúc đóBrom sẽ mang tính chất của gốc tự do, còn hydrocacbon sẽ tham gia phản ứngdựa vào sự chuyển vị của electron qua ion bromua

Vì vậy, ảnh hưởng làm mất hoạt tính của các nhóm cacboxylic khôngxảy ra ở mức độ mạnh, như đối với xúc tác thường không có mặt chất kíchthích bromua

Từ việc so sánh các phương pháp, nhóm chúng tôi đã chọn phương phápmột giai đoạn, đó chính là sản xuất axit terephthalic từ quá trình oxy hóa p-xylen, phương pháp này sử dụng axit acetic làm dung môi và chất xúc tác làkim loại nặng (thường là Coban) Quá trình oxi hóa p-Xylen diễn ra trong phalỏng.

2.2. Quá trình sản xuất Axit terephthalic theo công nghệ oxy hóa p-xylen

2.2.1. Nguồn nguyên liệu p-xylen của quá trình

a. Tính chất của nguyên liệu

P-xylen là một hydrocacbon thơm, gồm một vòng benzen là hai nhóm metyl thế vào hai nguyên tử Cacbon ở hai vị trị 1 và 4 vòng thơm (cấu hình para) P-xylen được sử dụng chủ yếu để sản xuất axit terephthalic

Công thức cấu tạo:

Bảng 1.3: Các thông số của p-xylen [4]

Cần bảo quản trong thùng kín tại nơi khô ráo, thoáng mát, riêng biệt vàthông gió tốt, tránh xa nơi có thể gây cháy Tránh nhiệt, độ ẩm và các vậttương khắc Bảo quản tránh sự hư hại về mặt cơ lý Không tẩy rửa, sử dụngthùng chứa vì mục đích khác, khi mở thùng chứa kim loại không được dùngcác thiết bị đánh lửa.

Khi vận chuyển cần cách ly chúng với nguồn khí nóng, lửa và tia lửađiện Duy trì chế độ thông hơi thích hợp và tránh trường hợp nén khí Khi sửdụng tránh tiếp xúc trực tiếp với da, mắt và quần áo, cần dùng các đồ bảo hộlao động thích hợp

2.2.2. Cơ sở hóa học của quá trình sản xuất Axit terephthalic theo công nghệ

oxy hóa p-xylen

2.2.2.1. Cơ sở hóa học của quá trình oxy hóa p- xylen

a. Khái niệm phản ứng oxi hóa

Phản ứng oxi hóa có ý nghĩa lớn trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ.Quá trình oxi hóa tạo ra các sản phẩm trung gian, dung môi, chất dẻo,monome, và một số hợp chất cơ bản khác Khác với quá trình oxi hóa tronghóa vô cơ, quá trình oxi hóa trong hóa hữu cơ không kèm theo sự thay đổi hóatrị của các nguyên tố Sự tham gia của oxy phân tử không phải là đặc điểmchung của phản ứng oxi hóa, điều này cũng được thể hiện ở các phản ứngkhác không liên quan đến sự oxi hóa Như vậy quá trình oxi hóa được xem làquá trình chuyển hóa các chất dưới tác dụng của tác nhân oxi hóa

b. Quá trình oxi hóa p-Xylen thành axit terephtalic:

Quá trình oxy hóa p-Xylen thường được thực hiện ở 190-205 oC, 15-30bar Xúc tác sử dụng là hỗn hợp Co(II)/Br- ( Br- có thể dùng NaBr hoặc axitbromic), axit axetic làm dung môi, hỗn hợp xúc tác này làm giảm thời giancảm ứng Axit axetic được sử dụng như môi trường của phản ứng Phản ứngoxi hóa p-Xylen thành axit terephtalic tỏa ra lượng nhiệt lớn, lượng nhiệt tỏa

ra là 1300 kJ/ mol Phản ứng theo cơ chế gốc tự do, phức tạp và được thựchiện qua nhiều giai đoạn

Cơ chế phản ứng oxi hóa p-Xylen thành Axit Terephthalic diễn ra 4 giaiđoạn: Oxi hóa p-Xylen thành p-tolualdehit, p-tolualdehit bị oxi hóa thành axitp- toluic, axit p-toluic bị oxi hóa thành 4-cacboxylbenzenaldehit, và cuối cùng

là axit terephtalic

- Tạo thành p-tolualdehit:

+ Giai đoạn bắt đầu: Co(III) bị khử thành Co(II) với sự có mặt của

Br- Do Co(III) kim loại không phải là một chất oxy hóa đủ mạnh để bắt đầuchuỗi phản ứng, vì thế nó bắt đầu bằng cách hình thành các gốc ion tự doBrom trong dung dịch Các gốc Br- này sẽ phân hủy các hydrocacbon

+ Giai đoạn phát triển:

Axit Terephthalic

- Khi các p-tolualdehit được tạo thành chúng sẽ bị oxi hóa tiếp để tạo thành axitp- toluic,4-cacboxylbenzenaldehit và kết thúc là sự tạo thành axit terephtalic

2.2.2.2. Xúc tác cho quá trình oxi hóa p-Xylen thành axit terephtalic

Xúc tác sử dụng là Co(II) xúc tác có tính chọn lọc tạo ra axit terephtaliccao, xúc tác làm tăng sự tạo ra p-TA và 4-CBA từ đó tăng sự tạo thành axitterephtalic

Với sự có mặt của Br- giúp tăng sự chọn lọc và hoạt động của xúc tác dochuyển điện tử nhanh chóng từ coban sang Br-, ngoài ra Br- còn giúp làmgiảm hao hụt Co(II) cho các phản ứng phụ ( khử cacboxyl), nhờ đó đẩy nhanh

quá trình oxy hóa trên nhóm metyl thứ 2 Khi tăng tỉ lệ Br-/Co thì giúp đẩycao tốc độ phản ứng

Một số nghiên cứu cho thấy khi cho thêm phụ gia vào xúc tác sẽ tăngkhả năng tạo thành terephtalic axit, và cũng làm tăng độ tinh khiết của axit

2.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng

a. Nhiệt độ

Phản ứng oxi hóa p-Xylen thành axit terephthalic là phản ứng tỏa nhiệt,nhiệt lượng tỏa ra là 1300kJ/mol Vì vậy nhiệt độ thấp sẽ có lợi cho quá trình,nhưng đối với xúc tác Co/Br- thì nhiệt độ tối ưu nằm trong khoản từ 190-

205oC, nếu thấp quá hoạt tính của xúc tác sẽ giảm làm giảm hiệu suất quátrình Nếu nhiệt độ cao quá Co(II) sẽ làm xúc tác cho phản ứng khử cacboxyllàm giảm phản ứng oxy hóa p-Xylen, do đó làm giảm hiệu suất tạo thành axitterephtalic

bromide) Br- còn giúp tăng rào cản nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng, nếu lượng

Br- thấp không đủ để làm tăng rào cản nhiệt độ làm giảm hiệu xuất

c. Thời gian lưu

Thời gian lưu của phản ứng trong khoảng 8-10s, thời gian tồn tại trongtháp phản ứng lâu sẽ giúp tăng sự khuếch tán của oxi vào trong dung dịch,nhưng khi lâu quá sẽ làm cho các phản ứng phụ làm decacboxyl xảy ra làmgiảm hiệu xuất của quá trình Thời gian ngắn sẽ hạn chế quá trình khuếch táncủa oxi vào trong dung dịch lỏng

d. Khuấy trộn

Để khắc phục hạn chế của việc khuếch tán oxi không khí vào trong dungdịch ta thục hiện sục oxi từ dưới tháp phản ứng tạo sự khuấy trộn tăng sự tiếpxúc của oxi với pha lỏng Ngoài ra khi phun sản phẩm ở dạng phun tạo cáchạt sương nhỏ trong khi khí được thổi từ dưới lên làm tăng sự tiếp xúc giữapha lỏng khí và oxi không khí dễ dàng khuếch tán vào trong pha lỏng và thựchiện quá trình oxi hóa

2.2.2.4. Sơ đồ sản xuất axit terephtalic theo công ty Amoco

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất axit terephtalic bằng phương pháp oxi hóa p-Xylen

Thuyết minh sơ đồ: Nguyên liệu p-Xylen, axit axetic, xúc tác và dung

dịch hồi lưu đưa vào máy trộn để hòa trộn lại trước khi đưa vào tháp phảnứng Sau đó hỗn hợp được đưa vào thiết bị phản ứng, trong khi không khíđược sục vào từ bên dưới tháp phản ứng, thiết bị phản ứng có các cánh khuấynhằm tăng sự tiếp xúc của oxi không khí với p-Xylen tại đây quá trình phảnứng thực hiện trong khoản 125-275oC, hơi bay lên được ngưng tụ lại và hồilưu một phần để giảm nhiệt cho tháp phản ứng Sản phẩm ra khỏi tháp phảnứng ở dạng huyền phù và tiếp tục đi qua 3 tháp kết tinh, ở đây ta sử dụng

p-Xylene dung môi, xt

Không khí

Dung môi, một phần p-xylene hồi lưu

PHẢN ỨNG TÁCH VÀ LÀM KHÔ

KHO CHỨA

TÁI SINH DUNG MÔI

không khí ở tháp đầu là để phản ứng tiếp một phần p-Xylen dư, và thực hiện

trao đổi nhiệt làm bay hơi dung dịch Sản phẩm tiếp tục đi vào thiết bị Buffer

tank tháp này là dạng tháp chứa nó giúp ổn định dòng sản phẩm đi vào thiết bị

tách chân không Hỗn hợp sản phẩm vào thiết bị tách chân không, ở đây axit

terephtalic là dạng rắn còn dung môi, xúc tác, và các sản phẩm khác ở dạng

lỏng nên được tách ra dễ dàng Sau khi qua tháp tách chân không thì axit

terephtalic đã loại khỏi dung dịch nhưng vẫn còn ẩm vậy ta sẽ đưa đi sấy khô

Và ta thu được axit terephtalic khô Còng dung môi ta sẽ đưa về hồi lưu

Chương 2: THIẾT KẾ DÂY CHUYỂN SẢN XUẤT

2.1. Xây dựng quy trình sản xuất Axit Terephthalic

Quá trình sản xuất axit terephthalic trải qua 3 giai đoạn: phản ứng, tách,

tái sinh dung môi Sơ đồ khối quá trình sản xuất axit terephtalic được thể hiện

ở dưới

Sơ đồ quy trình sản xuất Axit terephthalic bằng phương pháp oxy

hóa p-xylen

Giai đoạn 1 là giai đoạn phản ứng: giai đoạn này xảy ra quá trình oxihóa p-Xylen bằng oxi dưới xúc tác là muối Coban, và dung môi là axit axetic.Tháp phản ứng được khuấy trộn liên tục nhằm tăng hiệu suất chuyển hóa, sảnphẩm sau phản ứng ở dạng huyền phù

Phản ứng tạo thành axit terephtalic:

Ngoài sự tạo thành axit terephtalic còn tạo ra các sản phẩm phụ như:toluic andehit, axit toluic, 4- cacboxybenzen andehit

Tách sản phẩm: sau phản ứng xong dòng sản phẩm có dạng huyền phù,

ta có thể dễ dàng tách ra, giai đoạn này gồm các thiết bị: tháp bay hơi, máy lytâm, và thiết bị sấy Giai đoạn này qua tháp bay hơi nhằm bay hơi một phầndòng sản phẩm và hạ áp suất xuống, sản phẩm tiếp tục được ly tâm để táchaxit terephthalic rắn ra khỏi pha lỏng, trong quá trình li tâm ta tách được axitnhưng axit vẫn còn ướt vì vậy cần phải sấy khô để thu được axit khô

Tái sinh dung môi: sau khi sản phẩm được tách ra, một lượng dung môitồn tại trong dung dịch và cần được tách ra, do sự khác nhau về nhiệt độ sôinên ta có thể dùng phương pháp chưng cất để thu hồi lại dung môi Dung dịchsau tách qua 2 tháp chưng cất, tháp thứ nhất tách nước và một lượng lớn dungmôi, tháp thứ 2 tách một phần dung môi còn lại khỏi phần lỏng Sau đó dungmôi được tuần hoàn lại tháp phản ứng

Thiết bị phản ứng sử dụng là loại tháp sục khí hay các thiết bị có cánhkhuấy; nhiệt tỏa ra được dùng để đun sôi hydrocacbon, nước và axit axetic.Axit axetic và chất xúc tác sau khi tách ra khỏi các sản phẩm lại đưa trở vềtiến hành quá trình oxy hóa Do nước tạo thành sẽ giảm tốc độ phản ứng nêncần phải loại ra khỏi axit axetic tái sinh.

Trong tháp phản ứng, nhiệt độ khoảng 125-275oC, áp xuất 4-4,5 MPa.Trong tháp tái sinh dung môi, do nhiệt độ sôi của axit axetic là 118oC,còn đối với nước là 100oC, nên trong tháp này nhiệt độ khoảng 100oC, để cóthể bay hơi hết lượng nước trong dung môi

2.2. Thiết kế sơ đồ công nghệ

2.2.1. Thuyết minh sơ đồ công nghệ

P-Xylen, axit axetic, xuc tác và dòng hồi lưu được đưa vào tháp phảnứng, dòng không khí thì được đưa vào từ dưới đáy tháp phản ứng nhằm tạo ra

sự khuấy trộn Tại tháp phẩn ứng nhiệt độ khoản 392oF và áp suất là 261.1psia, nhiệt độ của tháp phản ứng sẽ được giữ ổn định bằng cách trao đổi nhiệtđáy ở đáy tháp và hồi lưu dòng dung môi trên đỉnh tháp ( nhiệt độ khí sẽ hạxuống còn 105oF) Sau phả ứng sản phẩm tạo thành ở dạng huyền phù ( gồmaxit axetic, p-Xylen dư, các sản phẩm phụ như axit p-toluic, 4CBA), sảnphẩm ra khỏi tháp phản ứng () tiếp tục đi qua tháp bai hơi

Sản phẩm được đi qua van và tháp bay hơi nhằm làm giảm áp suất củadòng sản phẩm xuống, tại đây áp suất sẽ giảm từ 261,1 psia xuống còn 35psia Tại tháp bay hơi do áp suất giảm trong điều kiện đoạn nhiệt nên sẽ làmchất lỏng trong huyền phù bay hơi, sau đó dòng sản phẩm tiếp tục đi vào thiết

bị ly tâm tại đây rắn và lỏng sẽ được tách khỏi nhau Dòng lỏng được đưa đếnthùng chứa và được đưa đi tái sinh Còn chất rắn axit terephtalic và một lượngnhỏ tạp chất được đưa đi xấy khô để loại hơi ẩm thiết bị sấy sử dụng khí khô,hơi bóc lên ở nhiệt độ 339oF sẽ được làm lạnh xuống còn 105oF, sau làm lạnhlượng nước ngưng tụ sẽ được đua vào thùng chứa và đưa đi tái chế, congdòng khí không ngưng sẽ trở lại làm khí sấy khô

Tái sinh axit axetic gồm 2 tháp chưng cất, dung dịch lỏng từ thùng chứa

sẽ được đưa vào tháp chưng cất ta loại được khí không ngưng và hơi nước,

dòng ra phía bên của tháp chưng cất chứa 98% axit axetic Dòng ra ở dáy thápchưng cất đầu tiên tiếp tục qua tháp chưng cất thứ 2 ở đây thực hiện ở điềukiện 6 psig và 262oF Dòng đáy ra một phần được hồi lưu lại một phần đem di

xử lí, dòng hơi là axit axetic được tuần hoàn lại

2.2.2. Các thiết bị trong sơ đồ công nghệ

Tháp phản ứng là tháp đẳng nhiệt Tuy nhiên đây là phản ứng tỏa nhiệtnên muốn giử nhiệt độ tháp luôn ổn định thì phải troa đổi nhiệt làm giảmnhiệt độ của huyền phù, và lượng hơi bay lên được ngưng tụ bằng cách traođổi nhiệt với nước lạnh, và hồi lưu lại tháp phản ứng

Do phản ứng có hiệu xuất cao và sản phẩm tạo ra ở dạng huyền phù nêntiết bị phản ứng không cần phải lắp nối tiếp, và có thể đặt nhiều tháp phảnứng song song để đảm bảo năng suất

Ưu điểm của thiết bị phản ứng liên tục khuấy trộn: được khuấy trộn nênhỗn hợp đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong toàn thể tích

Nguyên lí hoạt động: dòng sản phẩm sau khi ra khỏi van áp suất hạ còn

50 psia sau đó vào khoản giữa của tháp bay hơi , tháp bay hơi là một bồnrổng, khi dòng sản phẩm vào tháp thì áp lực giảm do lượng hơi được bay hơilên à khi đó áp suất giảm còn 35 psia Tại tháp tách hơi này thì lượng hơiđược tách ra khoản 20% sau đó dòng hơi được ngưng tụ và qua tháp chưngcất

Ưu điểm : đơn giản, chi phí thấp và thu hồi vốn nhanh

Hệ gồm 2 tháp chưng cất: ở đây ta sử dụng tháp chưng cất dạng tháp đĩa.Tháp chưng cất để tái sinh dung môi và tuần hoàn lại cho tháp phản ứngĐiều kiện hoạt động: hoạt đông ở 100psia đối với tháp thứ nhất, 20 psia với tháp 2

Cấu tạo:

- Thân táp hình trụ, nắp và đáy tháp

- Cửa vào, ra và cửa thoát khí

- Các đĩa trong tháp ( tháp thứ nhất 23 đĩa, tháp 2 có 7 đĩa)

Nguyên tắc hoạt động: dòng chất lỏng đi từ đĩa nhập liệu xuống, chất lỏng chảy xuống nhờ các ống chảy tràng, trog khi chảy xuống, chất lỏng tiếp xúc với hơi đi từ dưới lên sẽ lôi cuốn một phần cấu tử nhẹ lên Áp suất giảm dần qua các đĩa làm nhiệt độ chất lỏng tăng, từ đó ta thu được nước trên đỉnh tháp, còn axit axetic ở phần đĩa cuối, đáy tháp là phần nặng

Chương 3: TÍNH TOÁN

3.1. Tính cân bằng vật chất

Dây chuyền hoạt động 24/24 giờ, trong một năm làm việc 7500 giờ, còn lại là thời gian bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị

Năng suất cho 1 giờ là:

Độ tinh khiết của sản phẩm là 95%

Vậy lượng Axit Terephthalic thu được trong thực tế là:

Hiệu suất chung của quá trình là 80%

Ta có phản ứng:

Lượng Axit Terephthalic thu được của phản ứng này với hiệu xuất 80%:

Từ phản ứng ta có:

nC6H4(COOH)2 = nC6H4(CH3)2 = = 42,92 (kmol/h)Vậy lượng p-xylen cần dùng là:

3.1.1. Tháp oxi hóa p-xylen