Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN

Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN

1.2 Sự hình thành micelle

Chất hoạt động bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface)của hai chất lỏng Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó Khi hòa chất hoạt hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle, được dịch là mixen) Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2 chiều) Tính ưa, kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng ưa kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), giá trị này

có thể từ 0 đến 40 HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu [1]

ra ion được chia làm ba loại: hoạt tính anion, hoạt tính caction và lưỡng tính

2.1.1 Chất hoạt động bề mặt không sinh ion (NI)

Các chất tẩy rửa khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion gọi

là chất tẩy rửa không sinh ion

NI có khả năng hoạt động bề mặt không cao Êm dịu với da, lấy dầu ít Làm bền bọt, tạo nhũ tốt Có khả năng phân giải sinh học Ít chịu ảnh hưởng của nước cứng và pH của môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước

Hiện nay để tổng hợp chúng, phương pháp được dùng phổ biến nhất là quá trình etoxy hóa từ rượu béo với oxyt etylen

Công thức chung: R-O-(CH2-CH2-O-)nH

Các rượu béo này có nguồn gốc thiên nhiên như dầu thực vật, mỡ động vật thông qua phản ứng H2 hóa các axit béo tương ứng

Hoặc bằng con đường từ rượu tổng hợp: bằng cách cho olefin-1 phản ứng với H2SO4, rồi thủy phân (thu được rượu bậc 2) Trong thương mại, loại này có tên gọi: tecitol 15-s-7, union caride 15-s-9

Chất hoạt động bề mặt không sinh ion được phân loại thành các dạng cơ bản sau:

Copolimer có công thức chung: (OE)n-(OP)m-(OE)n-H, hoặc (OP)n-(OE)m-(EP)n-H Tỷ số PO/OE có thể thay đổi: 4 - 1 hoặc 9 - 1 Trọng lượng phân tử thấp nhất: 2000đvC, thông dụng nhất hiện nay là loại n = 2 và m

HO-P a g e 3 | 73

= 30, chúng tạo bọt kém nên dùng phổ biến trong các sản phẩm tẩy rửa chuyên dùng cho máy: máy rửa chén, máy giặt, không gây hại cho môi trường, độc tính yếu Tuy nhiên dùng lượng không lớn vì khả năng phân hủy sinh học chậm

Các oxit amin, ankyl amin, rượu amit, polyglycerol ete, polyglucosit (APG) Nhóm này có tính chất nổi trội là rất ổn định với chất tẩy có clo, nước javel, chất oxy hóa thường dùng làm tác nhân nền, tăng tính ổn định bọt, làm sệt, tạo ánh ánh xà cừ cho sản phẩm đặc biệt dễ bị phân hủy sinh học, đó là oxit amin, ankyl amin, ankylmonoetanolamit, polyglycerol ete, ankyl polyglucosit (APG), sunfonat Betain, ankylaminopropylsunfo betain, betain etoxy hóa

2.1.2 Chất hoạt động bề mặt anion

Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động

bề mặt âm, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt Đó là chất hoạt động bề mặt anion

Có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất so với các loại khác Làm tác động tẩy rửa chính trong khi phối liệu Khả năng lấy dầu cao Tạo bọt to nhưng kém bền Bị thụ động hóa hay mất khả năng tẩy rửa trong nước cứng, cứng tạm thời, các ion kim loại nặng (Fe3+, Cu2+ )

Chất hoạt động bề mặt anion rất đa dạng và từ rất lâu con người đã biết sử dụng trong công việc giặt giũ Chia làm hai loại chính:

Có nguồn gốc thiên nhiên: Đó chính là sản phẩm từ phản ứng xà phòng hóa của các estec axit béo với glyxerin (dầu cọ, dầu dừa, dầu nành, dầu lạc, dầu cao su mỡ heo, mỡ cừu, mỡ bò, mỡ hải cẩu, mỡ cá voi )

Có nguồn gốc từ dầu mỏ: Thông qua phản ứng ankyl hóa, sunfo hóa các dẫn xuất anlkyl, aryl, ankylbenzen sunfonic

2.1.3 Chất hoạt động bề mặt cation

Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động

bề mặt dương, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt

Có khả năng hoạt động bề mặt không cao Chất hoạt động bề mặt cation

có nhóm ái nước là ion dương, ion dương thông thường là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo

P a g e 4 | 73

Êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng với mục đích tạo bọt Làm bền bọt, tạo nhũ tốt Có khả năng phân giải sinh học kém, hiện nay người ta dùng clorua ditearyl diamin amoni bậc bốn vì khả năng phân giải sinh học tốt hơn

Tương lai trên thị trường, sẽ có các cation dạng nhóm chức este dễ phân giải sinh học hơn cho môi trường, và giảm khả năng gây dị ứng khi sử dụng Chủ yếu làm triệt tiêu tĩnh điện cho tóc, vải sợi nên lượng dùng rất ít

2.1.4 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

Những chất hoạt động bề mặt mà tùy theo môi trường là axit hay bazo mà

có hoạt tính cation với axit hay anion với bazo, hay nói cách khác là chất hoạt động bề mặt có các nhóm lưỡng cực vừa tích điện âm vừa tích điện dương (amin, este)

Có khả năng hoạt động bề mặt không cao, Ở pH thấp chúng là chất hoạt động bề mặt cationic và là anionic ở pH cao Có khả năng phân hủy sinh học Lượng dùng khoảng 0,2% -1% trong các sản phẩm tẩy rửa

Phân loại:

Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, hiện nay các dẫn xuất

từ betain được sử dụng rộng rãi nhất Chúng gồm các nhóm chính sau: Ankylamino propyl betain

Khi R là gốc lauryl thì có tính tẩy rửa rất tốt, khả năng tạo bọt mạnh, không là khô da, dịu cho da hiện nay trên thị trường thường thấy phối trong: dầu gội, sữa tắm, nước rửa chén với tên gọi: cocoamino propyl betain (CAPB)

2.2 Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày Ứng dụng phổ biến nhất là bột giặt, sơn, nhuộm

Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như

Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mếm cho vải sợi, chất trợ nhuộm Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt

Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in

Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật

Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của

bê tông

P a g e 5 | 73

Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan

Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tập hợp, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản

3.3 Khả năng hòa tan

Tình hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố:

- Bản chất và vị trí của nhóm ưa nước Nhóm ưa nước ở đầu mạch dễ hòa tan hơn nhóm ở giữa mạch

- Chiều dài của mạch Hydrocacbon Nhóm kỵ nước mạch thẳng dễ hòa tan hơn mạch nhánh

- Nhiệt độ

- Bản chất của ion kim loại: với ion Na+, K+ dễ hòa tan hơn các ion Ca2+, Mg2+…

3.4 Khả năng hoạt động bề mặt

Nước có sức căng bề mặt lớn Khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng

bề mặt của nước giảm Một lớp hấp thụ định hướng hình thành trên bề mặt nhóm ưa nước hướng vào nước, nhóm kỵ nước hướng ra ngoài Nhờ có lớp hấp thụ đó mà sức căng bề mặt của nước giảm vì bề mặt nước – không khí được thay bằng kỵ nước – không khí (giữa các pha)

3.6 Điểm Kraft – điểm đục

Khả năng hòa tan của các chất hoạt động bề mặt anion tăng lên theo nhiệt

độ Khả năng hòa tan này tăng trưởng đột ngột khi tác nhân bề mặt hòa tan đủ để tạo thành Micell Điểm Kraft là điểm mà tại nhiệt độ đó các Micell có thể hòa tan được

Độ tan của các chất hoạt động bề mặt NI phụ thuộc vào lien kết hydro trong nước với chuỗi polyoxyetylen Năng lượng của liên kết hydro rất lớn khi tăng nhiệt độ vì khi đó sự mất nước làm giảm độ tan Điểm đục là điểm tại nhiệt

độ đó các chất hoạt động bề mặt NI không hòa tan được

3.7 HLB (tính ưa nước – tính ưa dầu – cân bằng)

HLB là một đơn vị đo lường lưỡng tính đối cực của phân tử

ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy

Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhũ Một số loại vải không thể chịu được nhiệt độ dung dịch cao

Đối với chất hoạt động bề mặt NI, khi tăng dây béo C12 – C14 sức căng

bề mặt giảm vì khi đó khả năng phân cực của đầu phân cực giảm Sự hấp phụ giảm khi tăng số oxyetylen ưa nước

và giảm viêm nướu Nó cũng đã được sử dụng như là một thành phần trong một

số thuốc trừ sâu Tuy nhiên, CPC cũng được cho là gây ra các vết bẩn màu nâu giữa các răng tương tự như chlorhexidine

Cetylpyridinium clorua có công thức phân tử C21H38NCL và ở dạng tinh khiết của nó là ở trong trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng Nó có điểm nóng chảy là 77°C khi khan hoặc 80-83°C trong monohydrat của nó Nó không hòa tan trong

5.2 Sodium lauryl sulfate (SLS)

Sodium lauryl sulfate (SLS), laurilsulfate dodecyl sulfate natri hoặc natri (SDS hoặc NaDS) (C12H25SO4Na) là một chất hoạt động bề mặt anion được sử dụng trong nhiều sản phẩm vệ sinh làm sạch Phân tử có một đuôi 12 nguyên tử carbon, gắn liền với một nhóm sulfate, đặc trưng cho tính chất cần thiết của một chất tẩy rửa

SLS là một hoạt động bề mặt hiệu quả cao và được sử dụng trong bất kỳ công việc đòi hỏi phải có việc loại bỏ các vết bẩn và bã nhờn Ví dụ, nó được tìm thấy ở nồng độ cao hơn với sản phẩm công nghiệp bao gồm chất tẩy rửa sàn nhà, và xà phòng rửa xe Nó được sử dụng ở nồng độ thấp hơn với kem đánh răng, dầu gội, và bọt cạo râu

SLS chưa được chứng minh là gây ung thư khi một trong kích ứng trực tiếp lên da hoặc tiêu hóa Tuy nhiên, nó có thể gây kích ứng da trên khuôn mặt

và nếu dùng liên tục hơn một giờ đối với người trung niên

5.3 Natri lauryl ether sulfate (SLES)

Natri lauryl ether sulfate (SLES), hoặc sodium laureth sulfate, là một chất hoạt động bề mặt anion, được tìm thấy trong nhiều sản phẩm chăm sóc cá nhân (xà phòng, dầu gội, kem đánh răng, vv.) SLES là một chất tạo bọt rất hiệu quả

Công thức hóa học của nó là CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2)nOSO3Na Đôi khi số đại diện bởi n được quy định trong tên, cho sulfate laureth-2, ví dụ: Các sản phẩm thương mại là không đồng nhất trong số nhóm ethoxyl, trong đó n

là có ý nghĩa phổ biến cho các sản phẩm thương mại là n = 3

SLES, SLS và ALS là những chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong nhiều sản phẩm mỹ phẩm tẩy rửa Chúng có tính chất tương tự như xà phòng

a Tính chất vật lý và hóa học của LAB

LAB là một hợp chất thu được từ parafin và benzene dùng làm nguyên liệu để sản xuất LAS Dưới những điều kiện bình thường thì LAB là một chất lỏng trong suốt, không mùi

Công thức cấu tạo của LAB:

LAB là một alkylbenzen mạch thẳng là nguyên liệu sản xuất LAS, được chuyển hoá từ dầu thô: benzen và các parafin mạch thẳng

LAB ở bề ngoài ở 600C có màu sáng, tỉ trọng ở 150C là 0.854, độ nhớt tại 400C là 18mm2/S và độ nhớt ở 1000C là 4mm2/S, điểm chớp cháy là 1840C Khối lượng phân tử là 390 đVC

b.Tính chất vật lý, hóa học của LAS

Công thức cấu tạo của LAS:

- Khối lượng phân tử trung bình: 342 đVc

- LAS dễ phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí

- Khả năng hòa tan trong nước giảm khi chiều dài chuỗi alkyl tăng và tùy thuộc vào ion dương của muối

- Ở nhiệt độ phòng, LAS (C12) là chất rắn màu vàng nhạt

- LAS bền trong môi trường oxy hóa

- Một trong những tính chất quan trọng của LAS là nó có tính tương thích cao hơn các chất hoạt động bề mặt anionic khác, do đó chúng có thể sử dụng trong cả công nghệ acidic và alkaline như một chất tẩy rửa dạng lỏng hay dạng bột đều được

- LAS là hợp chất cơ tính ổn định cao

c Ứng dụng của LAB và LAS

- LAB là những hợp chất có tầm quan trọng đáng kể trong thương mại Vì LAB dễ dàng phân hủy sinh học hơn alkylbenzen có nhánh nên LAB đã dần thay thế alkylbenzen có nhánh trong sản xuất chất tẩy rửa và các sản phẩm

- Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhủ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa

và đồ hộp

- Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt

- Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm sợi vải, chất trợ nhuộm

- Trong ngành in: Chất trợ ngấm và chất phân tán mực in

- Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật

- Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông

- Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan

- Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản

d Tình hình sản xuất LAB và LAS ở Việt Nam và trên thế giới

- Linear Alkylbenzen Sulfonate (LAS) là chất hoạt động trong các chất bột giặt, nước rửa chén, chất lau chùi công nghiệp và sinh hoạt

- LAS loại chất bẩn bằng cơ chế hóa lý và là một trong các chất hoạt động bề mặt sử dụng rộng rãi nhất trong các chất tẩy rửa lỏng và dạng bột Chất hoạt động bề mặt anion, chúng ion hóa trong dung dịch, mang điện tích âm, nhìn chung tạo bọt nhiều

- Với sự phân bố 27% tổng tiêu thụ chất hoạt động bề mặt trong các loại chất tẩy rửa gia đình, LAS được dùng hơn 30 năm qua và tiếp tục góp phần đáng kể trong thị trường chất hoạt động bề mặt ngày nay Trung bình hàm lượng LAS chiếm khoảng 5%-25% khối lượng trong mỗi loại chất tẩy rửa ở châu Âu (dung dịch rửa chén, bột giặt…)

P a g e 12 | 73

P a g e 13 | 73

Chương 2: Công Nghệ Sản Xuất Một Số Chất Hoạt

Động Bề Mặt

1 Công nghệ sản xuất LAB

1.1 Công nghệ Hydroflouric alkylation

Tính đến năm 2006, xấp xỉ 80 % của LAB được sản xuất trên toàn thế giới được sản xuất bằng cách sử dụng HF alkyl hóa Một sơ đồ alkyl hóa HF điển hình được thể hiện trong hình vẽ dưới đây Hình ảnh chỉ dẫn một sơ đồ phản ứng 2 cấp Tại cấp thứ nhất, chủ yếu xảy ra sự alkyl hóa Trong lò phản ứng giai đoạn thứ hai, các dấu vết cuối cùng của hydrocarbon không bão hòa tái phản ứng, và một phần lớn polyaromatics sinh ra như các sản phẩm phụ được tách ra

Các nguồn nguyên liệu chứa diene thấp hơn có thể sử dụng một lò phản ứng đơn như thiết kế Các nguyên liệu olefin và benzene được đưa vào các lò phản ứng sơ cấp Các phản ứng xảy ra trong pha lỏng ở áp suất khí quyển và 50°C Độ axit được duy trì từ 80-90% HF Hỗn hợp phản ứng cấp 1 được đưa vào tháp tách pha nơi mà pha axit và hydrocacbon tách biệt Phần lớn pha axit được đưa trở lại đầu vào của thiết bị phản ứng sơ cấp Một phần HF từ tháp tách pha sẽ được đưa đi tái sinh, do chứa các thành phần alkylate nặng không mong muốn (polyme), và được tách ra tại phần đáy thiết bị Đồng thời thiết bị cũng tách nước lẫn trong HF do từ nguyên liệu hydrocacbon Nước được tách ra dưới dạng hỗn hợp đẳng phí (CBM) và tại đáy thiết bị tái sinh Sau giai đoạn phân tách của hỗn hợp tại đáy thiết bị, CBM được loại bỏ và vô hiệu hóa để xử lý an toàn Pha polymer cũng được rửa sạch bằng vôi hoặc dung dịch kiềm để loại bỏ acid HF còn lại và thường được sử dụng làm nhiên liệu cho các đầu đốt đặc biệt trong các lò đốt được sử dụng trong quá trình HF hoặc một quá trình nằm gần

đó

Pha hydrocacbon tại giai đoạn phản ứng cấp 1 được đưa sang thiết bị phản ứng cấp 2, nó được trộn với nhiều axit hơn Hỗn hợp sau phản ứng lại được phân tách Axit sẽ được đưa trở lại đầu vào thiết bị phản ứng cấp 1

Pha hydrocacbon từ thiết bị phản ứng cấp 2 được đưa vào tháp chưng tách

HF để tách hoàn toàn HF khỏi sản phẩm Do trong hỗn hợp đáy tháp còn dư benzen nên được đưa sang tháp thu hồi benzen Dòng benzen thu được sẽ đưa trở lại tháp phản ứng cấp 1

P a g e 14 | 73

Phụ thuộc vào nguyên liệu thì có thể đưa thêm tháp chưng vào khối sản xuất VD: đầu vào khối sản xuất là khí của quá trình dehydro hóa thì có lẫn parafin trong nguyên liệu olefin Để chưng tách và thu hồi các parafin này thì phần đáy tháp tách benzen được đưa sang tháp thu hồi parafin, parafin thu được tại đỉnh tháp sẽ được đưa trở lại phân đoạn dehydro hóa Sản phẩm sẽ được đưa sang tháp thu hồi sản phẩm Cặn quá trình là các alkylate cao phân tử (HAB) sẽ thu ở đáy

1.2.Công nghệ alkyl hóa dùng AlCl3

- HAB có thể chuyển về thiết bị alkyl hóa để chuyển hóa thành LAB

1.3.Công nghệ xúc tác pha rắn của UOP/CEPSA

Tính đến năm 2006 thì sản phẩm của công nghệ này chiếm khoảng 18% lượng sản xuất LAB của thế giới Dự tính đến năm 2011 thì nó sẽ chiếm khoảng 22% khả năng sản xuất của thế giới

- Công nghệ sử dụng pha rắn

- Hạn chế ăn mòn thiết bị

- Hệ thống đơn giản hơn 2 công nghệ còn lại

P a g e 16 | 73

2.Các công nghệ sản xuất LAS

2.1Sơ đồ công nghệ Sulphurex F của Ballestra

4- Tháp chuyển hóa SO2 9- Thiết bị già hóa

P a g e 17 | 73

a.Nguyên liệu

- LAB (Linear Alkylbenzen)

- Lưu huỳnh: dạng hạt nhỏ, độ tinh khiết 99,8%

b.Quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ gồm các công đoạn chính:

- Hóa lỏng lưu huỳnh

Khí SO2 được đưa sang tháp chuyển hóa xúc tác cố định 4 tầng, chuyển thành SO3

SO2 được dẫn từ trên xuống Trong quá trình chuyển hóa thành SO3, do nhiệt độ của dòng khí tăng quá cao so với nhiệt độ thuận lợi cho phản ứng nên làm nguội dòng khí bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ở 2 tầng trên và làm nguội trực tiếp bằng không khí ở 2 tầng dưới Hỗn hợp khí ra khỏi tháp chuyển hóa được làm mát qua 2 thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm rồi đưa qua thiết bị lọc sương, loại bỏ oleum vẫn còn lẫn trong khí rồi dẫn vào tháp phản ứng

LAB được bơm từ téc chứa vào tháp phản ứng Tại đây LAB và SO3 tiếp xúc và phản ứng với nhau Sản phẩm phản ứng được dẫn vào thiết bị phân tách lỏng khí Phần lỏng được đưa sang thiết bị làm già ủ để phản ứng tiếp tục xảy ra, nâng cao hiệu suất phản ứng, rồi đưa sang thiết bị hydrat hóa Sau đó dòng sản phẩm làm mát bằng thiết

bị trao đổi nhiệt đạng tấm về nhiệt độ môi trường trước khi đưa ra ngoài téc chứa sản phẩm Hỗn hợp khí được đưa sang xyclon tách giọt, lỏng thi được sẽ quay trở lại đường ống đưa sang thiết bị làm già Hỗn hợp khí sau khi tách giọt gồm SO2, SO3 Hỗn hợp khí được đưa sang lọc tĩnh điện để loại bỏ mù LAS, rồi qua tháp đệm hấp thụ loại bỏ SO2, SO3 trước khi xả khí thải ra môi trường

P a g e 18 | 73

c.Tháp chuyển hóa SO 2

Trước khi tháp chuyển hóa làm việc, cần phải sấy lớp xúc tác lên khoảng 400oC để hoạt hóa xúc tác

2- Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 5- Cửa vào của không khí

P a g e 19 | 73

SO2 trước khi dẫn vào tháp được làm nguội xuống khoảng 500oC Vào tháp, hỗn hợp khí qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm nằm ngang để giảm nhiệt độ xuống khoảng 400oC, thích hợp cho quá trình chuyển hóa Tại tầng đầu tiên, quá trình chuyển hóa được khoảng 935 Sau khi ra khỏi tầng thứ nhất, nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng lên khoảng 550oC Lúc này hỗn hợp khí lại được làm nguội xuống 400oC, rồi chuyển xuống tầng xúc tác thứ 2 Tại tầng xúc tác thứ 2, quá trình chuyển hóa đạt khoảng 95%

Ở 2 tầng dưới, do SO2 đã chuyển hóa gần như hoàn toàn nên phản ứng chuyển hóa xảy

ra không mãnh liệt, do đó chỉ cần làm mát bằng không khí, đồng thời bổ sung thêm O2

để tăng khả năng chuyển hóa Khả năng chuyển hóa ở 2 tầng dưới khoảng 98%

Sau khi chuyển hóa, hỗn hợp khí lúc có nhiệt độ khoảng 410oC được đưa ra ngoài sang thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ Tháp chuyển hóa cao khoảng 10m, đường kính 1,4m

d) Thiết bị phản ứng:

Thiết bị gồm có 37 ống phản ứng Bên ngoài có lớp nước làm mát Khí SO3 được đưa vào đỉnh tháp LAB được đưa vào từ bên cạnh qua 3 vòi phân phối LAB chảy qua phễu phân phối, chảy màng vào ống phản ứng LAB phản ứng với SO3 trong ống phản ứng tạo LAS LAS sinh ra chảy xuống thiết bị tách bọt Tháp phản ứng cao 7m, đường kính thân 0,4m

P a g e 21 | 73

2.2 Sản xuất LAS ở áp suất cao trong môi trường Carbon dioxide quá tới hạn [6]

a.Phản ứng ở áp suất cao

Đánh giá tác động của áp suất cao đến cân bằng hóa học và tốc độ phản ứng là rất quan trọng để phản ánh được sự thay đổi khối lượng chất phản ứng trong tất cả các phản ứng

Sự thay đổi khối lượng phụ thuộc vào mức độ nén của hệ thống phản ứng và có thể được xác định bằng các thông số khác như hằng số điện môi, cũng phụ thuộc vào

- Áp suất và độ nhớt của khí: ở áp suất thấp và nhiệt độ nhớt của khí là độc lập với áp suất và nó liên quan trực tiếp tới nhiệt độ Áp suất tăng, hoạt động của khí trở nên gần giống lỏng và độ nhớt tăng khi áp suất răng và giảm khi tăng nhiệt độ

- Áp suất và độ nhớt của lỏng: ảnh hưởng của áp suất đến độ nhớt của lỏng là khá cao Áp suất tăng thì độ nhớt tăng, độ nhớt tăng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học

- Áp suất và hằng số điện môi: Các hằng số điện môi của chất khí không phân cực và các chất lỏng tăng chậm với áp suất

b.Phản ứng trong môi trường Cacbon dioxide quá tới hạn

Tính chất của Cacbon dioxide quá tới hạn

Trạng thái vật lí của một chất có thành phần cố định có thể được mô tả bằng đồ thị

áp suất – nhiệt độ (hình 2.1)

P a g e 22 | 73

Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà một chất khí có thể chuyển thành dạng lỏng khi tăng áp suất Áp suất tới hạn là áp suất cao nhất mà một chất lỏng có thể chuyển thành dạng khí khi tăng nhiệt độ Một chất lỏng được gọi là quá tới hạn khi nhiệt độ và áp suất của nó ở trên nhiệt độ tới hạn và áp suất tương ứng

Một số tính chất của CO2 quá tới hạn thay đổi theo áp suất và nhiệt độ là tỷ trọng, khuếch tán, độ nhớt, độ dẫn điện, hằng số điện môi, một phần khối lượng phân tử, nhiệt Ở áp suất thấp, tỷ trọng của CO2 quá tới hạn giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng Ở

áp suất cao, sự thay đổi nhiệt độ ít ảnh hưởng đến tỷ trọng

P a g e 23 | 73

Độ giảm tỷ trọng theo độ giảm áp suất (Pr), nhiệt độ (Tr) được thể hiện ở trên:

- 1< Tr < 1.2: sự tăng nhỏ áp suất làm tỷ trọng tăng đáng kể

c.Hiệu quả của việc sử dụng CO 2 quá tới hạn

P a g e 24 | 73

Tăng hệ số khuếch tán: Chất lỏng quá tới hạn có tính khuếch tán cao hơn so với chất lỏng thường do chất lỏng thường có tỷ trọng thấp hơn Ngoài ra, nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán Hệ số khuếch tán khá khác nhau trong vùng quanh điểm tới hạn vì vậy người ta hi vọng tăng hệ số khuếch tán của phản ứng kiểm soát

Tăng khả năng hòa tan của chất phản ứng và loại bỏ truyền khối Một số phản ứng bình thường được thực hiện trong nhiều pha hoạt động có thể thuận lợi bởi quá trình một pha quá tới hạn

Tạo điều kiện cho việc tách: Tính tan của các chất hòa tan trong chất lỏng quá tới hạn rất mạnh ở nhiệt độ trong khu vực nén gần điểm tới hạn Do đó cần cẩn thận lựa chọn điều kiện hoạt động sao cho có thể dễ dàng kết tủa sản phẩm nếu nó tan ít hơn chất phản ứng

a.Sơ đồ công nghệ

Trong tháp hấp phụ xử lý hỗn hợp khí chứa 3000ppm SO2 qua lớp than hoạt tính

Bộ điều khiển lưu lượng (MFC) được sử dụng để được dòng khí có thành phần mong muốn Tháp AC1, -AC2 có chứa lớp than hoạt tính cố định Một máy phân tích khí

SO2 được kết nối với một hệ thống thu thập dữ liệu để đo và ghi chép nồng độ SO2 của khí thải cột AC Một lưu lượng kế kiểm soát lưu lượng thể tích khí đi qua thông qua

P a g e 25 | 73

các máy phân tích SO3 được hình thành trền than hoạt tính đã được tách sử dụng

cacbon dioxit quá tới hạn (SCCO2) Pha nén CO2 – SO3 liên kết với LAB để sản xuất

LAS (sulfo hóa) Một bơm áp suất cao, nhiệt tuần hoàn, thiết bị trao đổi nhiệt được sử

dụng để tạo áp lực và làm nóng dòng CO2 để đạt trạng thái quá tới hạn LAB1, LAB2,

LAB3 đại diện cho 3 tháp LAB sử dụng trong quá trình sunfo hóa Bộ điều chỉnh áp

suất trở lại (BPR) được sử dụng để duy trì áp suất mong muốn trong tháp AC và tháp

LAB Một cột nước (H2O) ở đáy của tháp phản ứng LAB giữ lại SO3 và SO2 chưa

phản ứng Bộ lọc được sử dụng ở đỉnh của MFC để giữ những mảnh vỡ và ngăn chặn

thiệt hại từ bộ điều chỉnh áp suất trở lại, khí phân tích SO2, MFC và bơm Tháp AC1,

AC2 có thể làm việc luân phiên nhưng các tháp LAB làm việc liên tiếp nhau

Gồm có 1 tháp hấp phụ, 1 tháp than hoạt tính, xi lanh khí (2536ppm SO2 trong N2),

dòng khí (không khí, N2, SO2), bộ điều khiển lưu lượng, phân tích khí SO2, lưu lượng

kế, hệ thống thu thập số liệu

Máy phân tích khí được kéo về 0 trước mỗi lần hấp phụ Xi lanh khí và N2 sử dụng

cho mục đích đó Để đo chính xác người ta đặt một lưu lượng kế trước máy phân tích

khí để kiểm soát tốc độ dòng khỉ chảy qua Trong khi may phân tích khí về 0 thì áp

suất được duy trì ở 15psi bằng điều khiển xi lanh bơm khí Tốc độ dòng chảy tối ưu là

1 l/phút

Áp suất đầu ra của MFC là 15psi, áp suất đầu vào đối với không khí và nitro là

40psi, đối với SO2 là 30psi Để thực hiện quá trình oxi hóa, SO2, không khí và N2 được

P a g e 26 | 73

trộn với nhau để thu được dòng nguyên liệu có thành phần theo yêu cầu Sau đó sấy dòng khí để loại bỏ nước rồi đi vào thiết bị oxy hóa AC ở nhiệt độ môi trường 250C

Các bước thực hiện quá trình oxi hóa:

- Khởi động máy phân tích khí và bộ điều khiển lưu lượng trong ít nhất 30 phút

- Đưa máy phân tích khí bằng cách sử dụng khí N2 và khí khoảng (mở van V18 và V19)

- Đóng van V6 nối giữa đầu ra của tháp AC1 với tháp LAB

- Đầu vào của tháp AC1 (V2 và V3) và đầu ra của máy phân tích khí (V4 và V20)

mở

- Thiết lập trước lưu lượng bằng bộ điều khiển lưu lượng cho dòng SO2, không khí,

N2

- Khởi động chương trình thu thập dữ liệu

- Dòng khí được dẫn trực tiếp vào tháp AC1 qua các van V2, V3, V4, V20 để bắt đầu hấp thụ

- Quan sát và ghi lại nồng độ SO2 của dòng khí thải tháp AC1

- Dừng cấp dòng khí một cách từ từ sau khi quan sát thấy nồng độ SO2 ở đầu ra và đầu vào của tháp AC1 bằng nhau

- Đóng các van cấp SO2, không khí, N2

- Tắt chương trình thu thập dữ liệu

- Các van đầu ra và đầu vào của tháp AC1 đóng lại (V2, V3, V4, V20)

- Rửa máy phân tích khí bằng dòng khí N2 (nguồn 2) trong 20 phút (mở van V18)

- Xây dựng đường cong giữa nồng độ SO2 với thời gian

- Từ đó xác định lượng SO2 đã tiêu thụ và lượng SO2 chưa chuyển hóa

P a g e 27 | 73

SO3 được tách ra từ than hoạt tính và chuyển sang tháp LAB bởi cacbon dioxit quá tới hạn (SCCO2) Để giảm mức tiêu thụ CO2 và tăng nồng độ SO3 trong pha khí CO2 SCCO2 được tuần hoàn qua lớp xúc tác của tháp AC trong một thời gian nhất định

và sau đó đi đến tháp LAB

Bằng cách mở/đóng van V6, V7, dòng ra của tháp SC có thể tuần hoàn hoặc đi vào tháp LAB Mỗi lần tuần hoàn chạy trong 10 – 15 phút và lặp đi lặp lại sau lại lần bơm dòng SCCO2 mới vào tháp AC SCCO2 có áp suất 1350psi và 400C Nhiệt độ của dòng

CO2 được kiểm soát bằng cách sử dụng tuần hoàn nhiệt và trao đổi nhiệt Trong suốt quá trình giải hấp phụ SO3 và tuần hoàn thì tháp AC được duy trì tại nhiệt độ 400C Tháp AC cũng được cách nhiệt để giảm tổn thất nhiệt và giảm tối thiểu áp lực tăng đột ngột khi khởi động bật bộ điều khiển nhiệt độ

P a g e 28 | 73

2.3 So sánh, lựa chọn công nghệ

Trong 2 công nghệ trình bày ở trên, công nghệ Sulphurex F của Ballestra có những

ưu điểm vượt trội:

- Quá trình đơn giản

- Dễ vận hành

- Không cần sử dụng xúc tác

- Hiệu suất chuyển hóa cao

Tuy nhiên, sơ đồ công nghệ sản xuất LAS ở áp suất cao trong môi trường Carbon Dioxide quá tới hạn là công nghệ mới, hứa hẹn khả năng phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thực tế

Thực tế, tại Việt Nam, công nghệ Sulphorex F của Ballestra đã được ứng dụng tại một số nhà máy như nhà máy hóa chất Đức Giang để sản xuất LAS phục vụ cho việc sản xuất bột giặt và nước rửa chén Do đó trong đồ án này em xin trình bày chi tiết về công nghệ Sulphorex F của Ballestra mà hiện nay nhà máy hóa chất Đức Giang đang

sử dụng

P a g e 29 | 73

3.1 Quá trình sản xuất MES

- MES được sử dụng cho các chất tẩy rửa dạng lỏng, dạng thanh, dạng hạt

và dạng tấm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Nó thân thiện với môi trường và giá cả rẻ do nguồn nguyên liệu dễ kiếm

- Sơ đồ khối tổng quát quá trình sản xuất MES

P a g e 30 | 73

- Sơ đồ khối quá trình sản xuất MES thô liên tục của hãng Chemithon

4.1 Quá trình sản xuất alkyl phenol ethoxylate

Sản xuất trên toàn thế giới hàng năm của tất cả các alkyphenols vượt quá 1

tỷ pound một năm Trong số này thì mono alkylphenol chiếm khoảng 80-85% Đặc biệt với nhóm alkyl từ C8 – C12 được sử dụng để sản xuất chất hoạt động bề mặt không ion

Hai sơ đồ thiết bị phản ứng

- Gián đoạn

P a g e 31 | 73

- Liên tục:

- Sau khi thực hiện phản ứng sản phẩm sẽ được chưng tách

P a g e 32 | 73

5.1 Một số các quá trình tiêu biểu khác

- Sản xuất PAS: đây là quá trình mà Shell và P&G đang nghiên cứu Sản phẩm của quá trình thì có phân tử lượng vừa phải nhưng có tính hoạt động bề mặt tốt và thân thiện với môi trường

P a g e 33 | 73

Chương 3: Công Nghệ Sản Xuất LAS Tại Đức Giang

P a g e 35 | 73

Hình 1: Thiết bị làm lạnh ngưng tụ

2- Ống xoắn ruột gà 5- Đường vào của nước

3- Đường không khí vào 6- Đường vào của glycol

1.1.2 Tháp hấp phụ Silicagel

a) Cấu tạo

Khí cần làm mát đi vào từ đỉnh mỗi tháp, qua lớp hấp phụ nước silicagel sau đó đi

ra ở cửa dưới của tháp