Ta có thể phân loại các quá trình công nghiệp thành hai nhóm, tùy theo chúng hoạt động với một dòng dung môi duy nhất (là dung môi tinh khiết hoặc dung môi hỗn hợp đồng nhất của vài dung môi), hay với hai dòng dung môi không trộn lẫn nhau giữa chúng.
Phương pháp 1 dung môi được ứng dụng trong trường hợp:
- Dung môi có độ ổn định nhiệt cao nên không bị phân hủy trong quá trình hoàn nguyên bằng chưng cất trích ly.
- Độ chọn lọc của dung môi sulfolan cao nên chỉ cần 1 tháp trích ly, dung môi cũng kéo hết aromatic ra khỏi pha lọc (parafin-naphten),
- Việc tách dung môi sulfolan ra khỏi pha lọc rất dễ dàng nhờ nước hòa tan tốt với dung môi mà không hòa tan với parafin-naphten.
Phương pháp 2 dung môi được ứng dụng trong trường hợp:
- Dung môi DMSO có độ ổn định nhiệt thấp, dễ bị phân hủy trong quá trình hoàn nguyên bằng chưng cất trích ly (hoàn nguyên cũng ở Pck)
- Độ chọn lọc của dung môi DMSO thấp hơn, nó có thể hòa tan cả parafin-naphten nên phải có thêm dung môi thứ 2: C4 để C4 kéo hết parafin-naphten ra khỏi pha trích (aromatic-S),
- Việc tách dung môi DMSO ra khỏi pha lọc rất dễ dàng nhờ nước hòa tan tốt với dung môi mà không hòa tan với parafin-naphten-aromatic và C4,
Độ chọn lọc của 2 loại dung môi giảm dần theo trật tự sau: - C4 (hòa tan tốt) parafin-naphten>aromatic>DMSO và nước - DMSO>nước>aromatic>C4.
3.4.5.1. Các quá trình chỉ sử dụng một dung môi
a.Quá trình Shell/UOP
Năm 1961, công ty Hoàng gia Hà Lan Shell cộng tác với hãng UOP Mỹ đã phát minh ra 1 quá trình chỉ sử dụng một dung môi sulfolan. So sánh với dung môi glycol, dung môi sulfolan có năng suất lớn hơn đối với các hợp chất aromatic, nhiệt độ sôi cao hơn, độ ổn định
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 104 nhiệt tốt nhất và độ nhạy kém hơn đối với sự oxy hóa. Sơ đồ quá trình Shell/UOP được trình bày trong hình 3.23.
Các quá trình sử dụng một dung môi duy nhất một cách tổng quát bao gồm 4 công đoạn chính sau:
Trích ly các hợp chất aromatic bằng dung môi sulfolan,
Tách nước và parafin-naphten ra khỏi phần trích bằng chưng cất trích ly, Tái sinh dung môi cho phần trích bằng chưng cất thông thường,
Tái sinh dung môi cho phần lọc bằng việc dùng nưóc rửa kéo dung môi ra.
Nguyên liệu được nhập vào ở mức thấp của tháp trích ly, tháp này cũng nhận dung môi sulfolan có kèm theo khoảng 1% nước ở đỉnh tháp, và ở đáy các hydrocarbon được tuần hoàn lại. Thiết bị trích ly là thiết bị tiếp xúc bằng đĩa quay RDC, hay là một tháp mâm xuyên lỗ tương ứng với khoảng chục bậc lý thuyết. Nó hoạt động ở nhiệt độ khoảng 100°C dưới áp suất từ 2-4 bar. Tỷ lệ dung môi được điều chỉnh sao cho thỏa mãn với các tiêu chuẩn kỹ thuật về hiệu suất thu aromatic và thường nằm trong khoảng 3/1 dến 5/1 theo khối lượng.
Phần trích thô có từ tháp trích ly được chuyển về đỉnh tháp chưng cất trích ly có khoảng ba chục mâm, hoạt động ở áp suất khí quyển với tỷ số đun sôi tuần hoàn phù hợp để cho các hợp chất aromatic ở đáy tháp đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật về hàm lượng các hợp chất không aromatic. Hơi đỉnh bao gồm các hợp chất không aromatic, một phần các hợp chất aromatic nhẹ nhất và nước bị lôi cuốn theo do đẳng phí (có cùng nhiệt độ sôi) với các hydrocarbon. Sau khi ngưng tụ, pha hydrocarbon được lắng và chuyển trở lại về tháp trích ly.
Hình 3.23 Công nghệ quá trinh trích ly của Shell/UOP (A: Aromatic-NA:Non Aromatic)
Phần trích đã được làm sạch hết các chất không phải aromatic (chỉ còn Ar và dung môi) được chuyển về tháp bốc hơi các hợp chất aromatic (cũng có khoảng ba chục mâm), nó được sục hơi nước ở chân tháp. Tháp hoạt động ở áp suất thấp (300-400mmHg) để nhiệt độ đáy đảm bảo độ ổn định nhiệt của dung môi, khoảng 180°C. Quá trình điều khiển tháp được thực hiện sao cho ở đỉnh thu được hợp chất aromatic có các tiêu chuẩn kỹ thuật thích hợp, và ở đáy dung môi tái sinh được tuần hoàn về lại tháp trích ly.
Nước thu hồi ở thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp bốc hơi sẽ qua công đoạn rửa phần lọc thô để kéo hết dung môi sulfolan ra khỏi phần lọc, sau đó được xử lý sao cho tách loại các vết hợp chất hydrocarbon không aromatic bị hòa tan và được tuần hoàn trở lại trong tháp bốc hơi.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 105 Quá trình Udex đã được phát triển kết hợp bởi các hãng UOP và Dow Chemical Co., bằng dung môi có cơ sở DEG và được áp dụng từ năm 1952. Trrong khoảng chục năm, nó là quá trình duy nhất sản xuất aromatic có nguồn gốc từ dầu mỏ với độ tinh khiết lớn hơn 99,8% và hiệu suất trung bình dư 95%.
Ngày nay nó không còn được quan tâm như là một quá trình có tính cạnh tranh nữa. DEG trong thực tế cho năng suất aromatic tương đối thấp, dẫn đến sử dụng các tỷ lệ dung môi lớn trong quá trình trích ly, từ 6 -20, tùy theo nguyên liệu. Các dung môi hiệu năng cao hơn đã thay thế nó.
c. Quá trình Arosolvan của Lurgi
Quá trình này thực hiện với dung môi cơ sở là NMP. Trong thế hệ đầu tiên được công nghiệp hóa vào năm 1962, NMP được cộng thêm nước (12-14 %) để tối ưu hóa hiệu qủa trích ly của nó. Sau đó, xuất hiện một dung môi hỗn hợp NMP-glycol dẫn đến một quá trình tiết kiệm hơn về năng lượng, do nó tránh được sự hóa hơi nước dư cùng với các hydrocarbon trong giai đoạn làm sạch phần trích bằng chưng cất trích ly. Tỷ lệ của glycol phụ thuộc vào hàm lượng aromatic của nguyên liệu và thường nằm trong biên độ 40-50%.
Một đặc điểm của quá trình là thiết bị trích ly Lurgi, được thiết kế trên nguyên lý chồng chất các thiết bị khuáy trộn-lắng và có thuận lợi là dễ dàng được ngoại suy cho đến đường kính tháp khoảng 8m. Các tính chất tan của NMP dẫn đến việc tiến hành quá trình trích ly ở nhiệt độ gần với môi trường, khoảng 50°C.
d.Quá trình Tetra của Union Carbide
Quá trình này lấy tên gọi của dung môi mà nó sử dụng: đó là dung môi tetraethylen glycol cộng với 4% nước. Nó được biết đến vào năm 1968. Sự thay thế DEG bằng TETRA có khả năng hòa tan lớn hơn cho phép chia hai tỷ lệ dung môi và như vậy làm tăng lên 80% năng suất xử lý. Với các thiết bị mới, Union Carbide đưa ra các cấu trúc bên trong đặc biệt của tháp. Đó là các mâm xuyên lỗ có nhiều ống chảy chuyền kiểu MU (Multiple Upcomer) đối với tháp trích ly và chúng cho phép các lưu lượng lớn hơn các mâm thông thường, và các mâm có ống chảy chuyền kiểu MD (Multiple Downcomer) đối với các tháp stripping các hợp chất không aromatic. Tháp này trong thực tế cần phải có các cấu trúc bên trong tỷ lệ với các lưu lượng lỏng/hơi cao, để mà có hiệu quả. Đường nước rửa các hợp chất aromatic và phần lọc, cũng như quá trình làm sạch dung môi bằng hấp thụ, thì phù hợp với quá trình Tetra.
e. Quá trình Morphylex của Krupp-Koppers
Quá trình này được hoạt động với dung môi NFM có 4% nước. Quá trình trích ly được thực hiện trong tháp có mâm xuyên lỗ kiểu thông dụng ở nhiệt độ cao khoảng 180°C. Sơ đồ chung của quá trình có hai điểm cùng nguồn gốc so với các sơ đồ trước. Một nguồn gốc liên quan đến tháp stripping các hợp chất không aromatic được biết như là tháp chưng cất trích ly hoàn toàn, nghĩa là bởi sự nhập dung môi tinh khiết vào đỉnh và do đó có một khu vực cất và
một khu vực chưng. Ưu điểm của sự bố trí này là giới hạn được sự đi lên của các hợp chất aromatic trong phần cất distilat, một mặt điều này cũng giới hạn lượng nước được hóa hơi cùng với các hợp chất aromatic này do đẳng phí, và mặt khác giới hạn sự tuần hoàn hydrocarbon về tháp trích ly. Một nguồn gốc khác nằm ở đường nước rửa các hợp chất hydrocarbon: nước đi qua đỉnh của 2 thiết bị stripping được sử dụng cho rửa phần lọc, ròi thì nước được nối lại với dung môi đã được tái sinh đến từ đáy tháp stripping các hợp chất aromatic nhằm để hydrate hóa lại dung môi trước khi tuần hoàn về tháp trích ly.
3.4.5.2. Các quá trình sử dụng 2 dung môi
Các quá trình sử dụng hai dung môi, một cách tổng quát bao gồm 5 công đoạn chính sau: Trích ly (lần 1) các hợp chất aromatic , dùng 2 dung môi đồng thời (DMSO và C4): lợi dụng tính chọn lọc của DMSO-aromatic và của C4-naphten và parafin mà tách được aromatic ra khỏi naphten và parafin
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 106 Trích ly lại (lần 2), chỉ dùng 1 dung môi C4: lợi dụng tính chọn lọc của C4- aromatic mà tách được aromatic ra khỏi DMSO (thu được phần lớn DMSO tinh khiết)
Tách DMSO bị kéo theo các phần lọc ra ở đỉnh của 2 tháp trích ly: lợi dụng tính chọn lọc của nước-DMSO mà tách được DMSO ra khỏi các phần lọc đó.
Tách hỗn hợp nước-DMSO bằng chưng cất chân không nhằm thu hồi triệt để DMSO (0,3 bar do DMSO dễ bị phân hủy vì nhiệt)
Thu hồi dung môi C4 từ 2 phần lọc ra khỏi tháp rửa bằng 2 tháp chưng cất ở áp suất cao: Đỉnh các tháp thu được C4 cho tuần hoàn trở lại, còn đáy các tháp ta thu được các dung dịch trích và lọc tinh khiết.
Các quá trình sử dụng 2 dung môi khác biệt với các quá trình trên do các giai đoạn làm sạch các hợp chất thơm và tái sinh dung môi không được thực hiện bằng chưng cất trích ly và stripping mà bằng trích ly lại với một dung môi phụ. Dung môi phụ phải ít bị trộn lẫn với dung môi chính và dễ dàng phân tách được với các hợp chất hydrocarbon của nguyên liệu bằng phương pháp chưng cất.
Các quá trình khác nhau đã được đề nghị, nổi bật nhất là với các dung môi tetraethylenglycol (Union Carbide), NFM (Snam Progetti), DMSO (IFP) được sử dụng như dung môi trích ly và một parafin có thể hoặc dễ bay hơi hơn hoặc ít bay hơi hơn các hợp chất hydrocarbon của nguyên liệu, được sử dụng như dung môi trích ly lại.
Quá trình DMSO-Butane, sơ đồ công nghệ được trình bày trong hình 3.24, đã được phát triển bởi IFP từ đầu những năm 1960 và được công nghiệp hóa vào năm 1967.
Hình 3.24 Sơ đồ công nghệ trích ly bằng dung môi hỗn hợp của IFP
Nguyên liệu được nhập vào trong tháp trích ly ở khu vực trung gian. DMSO, được gia thêm 4-6 % nước được đưa vào ở đỉnh và Butane được đưa vào đáy tháp. Quá trình trích ly được thực hiện ở nhiệt độ trung bình khoảng 30°C và ở áp suất 4-6 bar tuyệt đối nhằm giữ cho butan ở thể lỏng. Tỷ lệ dung môi (DMSO/nguyên liệu) được khống chế sao cho bảo đảm được hiệu suất thu aromatic tùy theo thành phần nguyên liệu. Thường tỷ lệ này trong khoảng 3/1 đến 6/1. Tỷ lệ Butane/nguyên liệu được điều chỉnh tùy theo các chỉ tiêu kỹ thuật độ tinh khiết của các hợp chất aromatic; tỷ lệ này thường khoảng 0,15/1.
Phần lọc thô đến từ thiết bị trích ly được rửa bằng nước để tách loại DMSO hòa tan trong đó, sau đó được chưng cất để phân tách butan, butan được tuần hoàn. Phần trích được đưa đến thiết bị trích ly lại cho tiếp xúc ngược dòng với butan ở cùng một điều kiện áp suất và nhiệt độ như trong tháp trích ly. Tỷ lệ lưu lượng butan/trích được xác định sao cho trích ly lại được hoàn toàn các hợp chất aromatic và trung bình bằng 0,31/1 theo khối lượng.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 107 DMSO được tái sinh như vậy được cho tuần hoàn trực tiếp về tháp trích ly. Butane có mang theo aromatic được rửa bằng nước để loại DMSO bão hòa có trong đó rồi được chưng cất và được tuần hoàn về tháp trích ly lại. Nước rửa các hydrocarbon có chứa DMSO được chưng cất chân không (200 mmHg) và được tuần hoàn về thiết bị rửa bằng nước, nằm ở đỉnh các tháp trích ly. DMSO được thu hồi và được tái nhập vào trong dòng dung môi.
Hiệu quả của sơ đồ này là dùng DMSO mà không sợ có nguy cơ phân hủy nó. Một thuận lợi khác của sơ đồ này là nó có khả năng trích ly các hợp chất aromatic của một phân đoạn rộng, do đó việc phân tách aromatic/dung môi bằng chưng cất không còn là vấn đề nữa. Tuy nhiên cần lưu ý rằng phân đoạn càng rộng thì lưu lượng dung môi trích ly và trích ly lại càng đáng kể đối với một đơn vị aromatic được trích ly. Vì vậy có một giới hạn kinh tế về xử lý các phân đoạn rộng và nếu vượt quá giới hạn của phân đoạn rộng cho phép thì không thể áp dụng mang tính công nghiệp đối với trích ly các hợp chất BTX.