Sản xuất phenol bằng cách phân hủy hydroperoxit cumen

Cơ sở lý thuyết của quá trình phân hủy cumen hydroperoxit bằng xúc tác axit

Ngoài cơ chế gốc tự do, phân hủy hydroperoxit còn có khả năng xảy ra d- ới ảnh hởng của xúc tác axit. Khi có một lợng nhỏ axit mạnh (0,1% H2SO4) hydroperoxit sẽ bị phân huỷ thành phenol và axeton. Ngoài ra các sản phẩm phụ của quá trình oxy hóa là tạp chất của hydroperoxit cũng rất nhạy với xúc tác axit.

Nh dimetyl phenyl metanol sẽ bị tách nớc tạo α - metyl styren và alkyl hóa để tạo cumylphenol. Về phơng diện động học, sự phân hủy hydroperoxit bằng axit đợc đặc tr- ng bằng tốc độ rất cao, và trên thực tế là chuyển hoá hoàn toàn nếu trong hỗn hợp có từ 0,005ữ0,1% khối lợng H2SO4 (tính theo hydroperoxit), và quá trình phân hủy tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn 700C. Do đó trong quá trình phân hủy cần phải giảm nhiệt độ bằng cách làm bốc hơi lợng axeton cho vào tháp phân huû.

Trong quá trình oxy hoá cumen không dùng xúc tác mà cho chất phụ gia là Na2CO3 (hay NaOH) vừa làm chất nhũ hoá cumen vừa là chất tạo môi trờng kiềm để trung hoà axit focmic tạo ra, để loại sự phân huỷ bằng axit của hydroperxit (tạo ra phenol) và sự dehydrat của cacbinol (tạo ra α- styren hoặc α- metyl styren). Nhiệt độ là yếu tố gây ảnh hởng lớn đến tính chọn lọc của quá trình vài có sự khác biệt về năng lợng hoạt hóa của các giai đoạn phản ứng. Năng lợng hoạt hóa của phản ứng phụ thờng cao và phản ứng tiến hành trong pha lỏng, vì.

Do quá trình oxy hoá thờng gồm các phản ứng song song và nối tiếp, vì. Nếu trong nguyên liệu đi vào tháp oxy hóa có chứa nhiều tạp chất nh các hợp chất lu huỳnh, các hợp chất không no, phenol thì các tạp chất này sẽ gây ức chế làm kìm hãm mạnh đến quá trình oxy hóa gây ra hiện tợng gián đoạn cảm ứng làm cho tốc độ oxy hóa diễn ra chậm hơn bình thờng. Ngoài ra, các tạp chất khác nh các kim loại chuyển tiếp hay bụi bẫn sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy hydroperoxit.

Công nghệ của quá trình oxy hóa cumen

Quá trình sản xuất phenol và axeton chia thành các giai đoạn: oxy hóa iso propyl benzen (IPB) thành hydrpperoxit (HP) và sự phân hủy nó bằng axit thành phenol và axeton. Quá trình oxy hóa tiến hành trong hệ thống các tháp oxy hóa bao gồm 6 tháp sủi bọt đợc bố trí vừa song song vừa nối tiếp để đạt sự phân bố thời gian lu tối u. Do quá trình tạo hợp chất trung gian là cumen hydroperoxit có khả năng phân hủy oxy hóa tiếp theo.

Do đó chỉ khống chế mức độ chuyển hóa khoảng 20% mà lợng nguyên liệu trong một giờ theo thiết kế là lớn hơn 15 tấn, do đó nguyên liệu đợc chia ra làm hai hay cùng đi vào hai tháp oxy hoá, làm nh thế để giảm kích thớc và chiều cao tháp sủi bọt. Chế độ làm việc của hai tháp nh nhau về mức độ chuyển hoá, nhiệt độ đi vào của nguyên liệu và không khí. Đồng thời IPB tinh khiết và một l- ợng nhỏ hydroperoxit cũng đợc đa vào cùng với cumen giúp kích thích giai.

Phần hơi cumen tách ra từ đỉnh thiết bị (4) đợc đem đi trao đổi nhiệt với nguyên liệu cumen, sau đó đợc làm lạnh rồi đi vào tháp tách khí trơ (6). Sản phẩm từ đáy thiết bị (4) chứa CHP đợc đa vào tháp chng cất chân không (9) để tách cumen cha chuyển hoá. Phản ứng phân huỷ toả nhiệt mạnh do đó ta đa axeton vào để bay hơi axeton và điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị.

Hỗn hợp sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị (11) có chứa H2SO4 dễ gây ăn mòn thiết bị nên nó đợc trung hoà bởi NaOH trong thiết bị (12), tại đó H2SO4 đợc trung hoà và lắng tách khỏi hỗn hợp sản phẩm thô. Phần hỗn hợp sản phẩm thô nhẹ hơn sản phẩm vô cơ nên đợc tháo ra từ phía trên thiết bị và đợc đa vào bể chứa sản phẩm thô. Sản phẩm đỉnh từ tháp (16) đợc làm lạnh rồi đa vào thùng chứa axton, một phần đợc đa vào tháp phân huỷ (10).

Phần nặng (gồm:phenol, axetonphenol, nhựa) thu đợc từ tháp (15) đợc bơm vào tháp (17) để tách cumyl phenol, axetonphenol, và những phần nặng khác. Sản phẩm đỉnh thu đợc từ tháp này chứa phenol và các phần nhẹ còn lại đợc nạp vào tháp (18) để tách phần nhẹ khỏi phenol. Sản phẩm ở đáy tháp (18) chứa phenol đợc bơm vào tháp chng tách sơ bộ (20) để tách phần nhẹ còn lại khỏi phenol sản phẩm.

Tính toán cân bằng vật chÊt

Theo các phản ứng trên thì ta nhận thấy cứ 1mol cumen sẽ tạo ra đợc 1mol phenol. Trong dòng hơi thoát ra ở đỉnh các tháp oxy hoá ngoài cumen còn có hơi của các sản phẩm khác cùng không khí. Lợng cumen hydroperoxit và sản phẩm phân huỷ ra khỏi hệ thống tháp sủi bọt bằng tổng lợng tạo thành khi oxy hoá và lợng có trong nguyên liệu ban.

Trên thực tế lợng cumen cho vào lớn hơn lợng cumen tham gia phản ứng nhiều. Do đó ngoài lợng cumen thoát ra ở đỉnh các tháp sủi bọt vẫn còn một l- ợng lớn cumen theo sản phẩm oxy hoá ra ngoài. Khối lợng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị oxy hoá đợc xác định theo công thức (2).

Lợng không khí thải thoát ra khỏi tháp oxy hoá bao gồm hơi cumen, cumen hydrroperoxit, sản phẩm phân huỷ, O2 d và N2. Từ những kết quả ở trên ta lập đợc bảng thống kê cân bằng vật chất trong hệ thống tháp oxy hoá nh sau:(Bảng 7).

Tính cân bằng nhiệt lợng trong hệ thống tháp oxy hoá

X Hàm lợng cumen hydroperoxit và sản phẩm phân huỷ ra khỏi hệ thống oxy hoá, X1=0,245. Từ những kết quả trên ta lập đợc bảng cân bằng nhiệt lợng trong hệ thống tháp oxy hoá.