I. Alkyl hóa các hợp chất thơm 1 Hóa học và cơ sở lý thuyết
a. Quá trình pha lỏng
Từ những năm 1930, công nghệ alkyl hóa pha lỏng với xúc tác AlCl3 đã được đưa vào sử dụng với những đặc tính ưu việt. Nhiều công nghệ đã phát triển dựa trên sự cải tiến qui trình công nghệ ban đầu này, tuy nhiên đến hiện nay qui trình của Monsanto sử dụng xúc tác AlCl3 là qui trình thương mại hiện đại nhất.
Quá trình alkyl hóa benzen bằng etylen trên xúc tác AlCl3 là một phản ứng tỏa nhiệt xảy ra rất nhanh và phần lớn tạo thành etylbenzen. Ngoài xúc tác AlCl3
còn có nhiều xúc tác acid Lewis khác được sử dụng như AlBr3, FeCl3, BF3. Ngoài ra người ta còn đưa vào những chất kích động halogen như etylclorua hay hidroclorua có tính chất kích động xúc tác, làm giảm lượng AlCl3 cần thiết. Cơ chế hoạt động của hệ xúc tác AlCl3 - HCl như sau:
C2H4 + HCl + AlCl3 → C2H5+ + AlCl4-
C6H6 + C2H5+ + AlCl4- → C6H6 - C2H5+ - AlCl4-
C6H6 - C2H5+ - AlCl4- → C6H5 - C2H5 + AlCl3 + HCl
* Điều kiện vận hành phân xưởng:
• Nguyên liệu benzen phải sấy khô trước khi sử dụng (< 30 ppm H2O) • Nhiệt độ t = 160 ÷ 180oC tương ứng với áp suất tuyệt đối p = 1.106 Pa
• Điều chỉnh tỷ số ε = benzen/nhóm etyl = 2 ÷ 2,5 để hiệu suất thu sản phẩm tối đa
• VVH ≈ 2
• Thu hồi nhiệt tỏa ra để sản xuất hơi nước áp suất thấp nhằm giảm nhiệt độ phản ứng, giúp cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận
* Sơ đồ công nghệ: Hình 2
Hình 2: Quá trình alkyl hóa sản xuất Etylbenzen với pha lỏng đồng thể
a. tháp khử nước - b. Thiết bị phản ứng alkyl hóa - c. Thùng chuẩn bị xúc tác d. Thiết bị chuyển vị alkyl - e. Thiết bị bay hơi - f. Thiết bị rửa khí thải - g. Thiết bị tách lắng - h. Hệ thống trung hòa - i. Thiết bị tạo hơi áp suất thấp
* Thuyết minh: Benzen được làm khô ở tháp tách nước (a) rồi đưa qua hệ
thống làm sạch khí thải (f), sau đó trộn với dòng xúc tác và etylbenzen hồi lưu đến từ thùng chứa xúc tác (c) cùng vào thiết bị phản ứng alkyl hóa (b). Etylen và chất kích động được đưa vào thiết bị phản ứng từ dưới lên qua bộ phận phân phối. Dòng lỏng đi ra khỏi thiết bị phản ứng được trộn với dòng poly alkylbenzen hồi lưu đi vào thiết bị chuyển vị alkyl (d). So với công nghệ trước đây, ở công nghệ này poly
C2H5Cl trong C6H6 C2H4 C6H6 hồi lưu C6H6 N2 h h g a b f c d e h AlCl3 H2O i EB hồi lưu Khí thải NH3 EB thô đi làm tinh muối thải
alkylbenzen không được hồi lưu trực tiếp về thiết bị phản ứng do sự hồi lưu với một lượng lớn với nồng độ xúc tác thấp sẽ làm ngừng phản ứng alkyl hóa. Người ta sử dụng một thiết bị chuyển vị alkyl riêng (d), trong thiết bị này nhiệt độ cũng thấp hơn nhiều so với thiết bị alkyl hóa (b) để quá trình thu etylbenzen đạt năng suất cao hơn. Sau khi ra khỏi thiết bị chuyển vị alkyl (d), dòng được đưa đến một tháp tách, tại đây khí đi ra ở đỉnh còn dòng lỏng được làm lạnh và đưa vào thùng lắng (g). Tại (g) pha nặng lắng ra khỏi pha lỏng được tách ra một phần hồi lưu lại quá trình , còn phần lỏng nhẹ được đưa qua hệ thống các cột phân tách làm sạch (h). Đối với quá trình đồng thể, tất cả xúc tác đều vẫn còn trong dung dịch, sản phẩm được rửa bằng nước và amoniac. Dòng alkylat thô tiếp tục đưa qua bộ phận tinh chế để thu etylbenzen tinh khiết.
Quá trình tinh chế thu etylbenzen tinh khiết được thực hiện trong 3 cột chưng tách:
• Benzen không phản ứng được thu hồi ở đỉnh cột chưng cất đầu tiên, dòng đáy cột 1 được đưa qua cột chưng cất 2.
• Ơ cột 2, etylbenzen được chưng tách ra khỏi phần poly alkylbenzen nặng hơn, đáy cột 2 được đưa qua cột cuối cùng. Ơ đỉnh cột 2 thu được etylbenzen với độ tinh khiết lớn hơn 99% (có thể đạt 99,8%)
• Tại cột 3, chưng cất poly alkyl bằng stripping và cho hồi lưu về đầu quá trình, những hợp chất cặn hay dầu chứa chủ yếu là các hợp chất thơm đa vòng được sử dụng làm nhiên liệu.