Các điều kiện phản ứng:
- Nhiệt độ: nhiệt độ phản ứng trong pha lỏng (1001300C) thấp hơn pha khí (1601800C). Tuy nhiên, do quá trình diễn ra trong pha lỏng thì gây ăn mịn thiết bị, hiệu xuất VA theo etylen thấp. Nên hiện nay khơng cịn sử dụng cơng nghệ trong pha lỏng.
- Áp suất: dây chuyền cơng nghệ làm việc ở áp suất thấp sẽ cĩ những ưu điểm hơn so với làm việc ở áp suất cao như: dễ kiểm sốt q trình hơn, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí thiết kế xây dựng,…
- Xúc tác: xúc tác dùng cho quá trình cần phải đáp ứng được các điều kiện như: khơng độc hại, cĩ hoạt tính cao, dễ kiếm, rẻ tiền, độ bền cao với nhiệt độ phản ứng, độ chọn lọc cao,…
Với những nhận xét trên ta cĩ 2 dây chuyền phù hợp là dây chuyền của hãng USI Chemicals của Mỹ và hãng Bayer- Hoechst của Đức đều thực hiện trong pha khí. Trong đồ án này, em lựa chọn dây chuyền của hãng Bayer- Hoechst vì dây chuyền này cĩ những ưu điểm như:
+ Áp suất thấp 0,5 0,8.106 Pa và nhiệt độ làm việc thấp từ 160 1800C cịn dây chuyền của hãng USI Chemicals thì làm việc ở nhiệt độ cao từ 175 ÷ 2000C, áp suất cao từ 70 ÷ 140 Psi (0,48 0,97.106 Pa).
+ Đặc biệt hiệu suất thu được VA lên đến 95 98% (đối với hãng USI chemicals thì hiệu xuất chỉ từ 91 95%). Do vậy giảm lượng tiêu tốn nguyên liệu cũng như tránh được thất thốt nhiệt, tiết kiệm được chi phí đầu tư.
+ Tỷ lệ nguyên liệu C2H4:CH3COOH:O2 là 4:1:1 đối với hãng Bayer- Hoechst thấp hơn so với hãng USI Chemicals là 8:4:1.
Sơ đồ cơng nghệ quá trình sản xuất vinyl axetat từ etylen và axit axetic trong pha khí (hãng Hoechst – Bayer) được trình bày ở hình 8.
1.6.2. Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ:
Quá trình tổng hợp xảy ra trong thiết bị phản ứng dạng tháp, thường dùng hai tác nhân phản ứng song song nhau. Axit axetic nguyên chất và axit axetic tuần hồn cùng với etylen nguyên chất và etylen tuần hồn đưa vào thiết bị bốc hơi (1), trong thiết bị này hỗn hợp nguyên liệu được đun nĩng tới nhiệt độ phản ứng. Nhiệt độ trong thiết bị (1) là 140oC và áp suất 1.106 Pa. Đáy thiết bị là các sản phẩm nặng khơng bay hơi đi vào cùng với nguyên liệu được chia làm hai phần, một phần được bơm (16) bơm ra ngồi, một phần qua thiết bị đun nĩng đáy tháp (3) và tuần hồn trở lại thiết bị (1). Hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp (1) ở dạng hơi đi qua thiết bị đun nĩng sơ bộ (3), qua thiết bị này hỗn hợp được gia nhiệt đến 160oC.Sau đĩ hỗn hợp được trộn với oxy với một lượng nhất định.Lượng oxy này được xác định bởi giới hạn tự bốc cháy của hỗn hợp etylen và oxy.
Hỗn hợp nguyên liệu etylen, axit axetic, oxy cĩ nhiệt độ 160oC đi vào thiết bị phản ứng (2) từ đáy, quá trình phản ứng xảy ra tại đây. Hỗn hợp sản phẩm rời khỏi thiết bị phản ứng ở trên đỉnh ở nhiệt độ 180oC và áp suất 0,7.106Pa, được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều (4) xuống nhiệt độ 130oC với tác nhân làm lạnh là hỗn hợp khí etylen và khí tuần hồn. Sau khi ra khỏi thiết bị (4), hỗn hợp qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ (17), chuyển qua tháp hấp thụ (5) đồng thời cùng với dịng dung dịch axit axetic tuần hồn làm dung mơi cho q trình hấp thụ. Tại tháp (5), khí etylen, CO2 các tạp chất do
etylen mang vào… ra khỏi đỉnh tháp (5), đi qua tháp lọc sạch khí (6) bằng H2O.Ra khỏi
đỉnh tháp (6) một phần khí được làm sạch đưa ra ngồi, một phần được nén lại tại máy nén tuần hồn (7). Khí sau khi ra khỏi máy nén (7) được đưa qua tháp hấp thụ CO2 (8), để
ngăn chặn sự tích tụ CO2 trong q trình tổng hợp dùng dung mơi K2CO3 để hấp thụ CO2, dung mơi K2CO3 được tái sinh ở tháp (9), CO2 nhả hấp thụ bằng cách đun sơi ở đáy tháp và đi ra ở đỉnh tháp (9). Sản phẩm đáy một phần qua thiết bị đun nĩng đáy tháp tuần hồn lại tháp (9), một phần làm dung mơi đưa trở lại tháp (8). VA, CH3COOH và các sản phẩm nặng, nhẹ khác ra khỏi đáy tháp (5), (6) được bơm (16) bơm về cùng với chất ức chế chuyển vào tháp chưng cất sơ bộ (10). Dung dịch được tách ra từ đáy tháp (10) cĩ 97÷98% axit axetic chia làm hai phần, một phần qua bơm (16) tuần hồn làm nguyên liệu
cho tháp (1) và tháp (5), phần cịn lại qua thiết bị đun nĩng đáy tháp hồi lưu lại.Thành phần ra khỏi đáy tháp (10) qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ (17) đi vào thiết bị tách lỏng khí (11). Tại đây, hỗn hợp sản phẩm chia làm 3 phần: một phần qua tháp chưng cất phần nhẹ (12), một phần lỏng được bơm (16) trở về đỉnh tháp (10), một phần được (16) đi vào tháp tách nước (13). Ở tháp (12) đáy tháp chia làm hai phần, một phần qua bộ phận đun nĩng đáy tháp một phần nhờ bơm (16) bơm nước thải ra ngồi. Các sản phẩm nhẹ đi ra từ đỉnh tháp (12) qua thiết bị (17) trở lại thiết bị tách lỏng khí (11). Phần lớn phần cất được lấy từ tháp tách phần nhẹ (12) để làm giàu VA, phần khơng ngưng tụ là etylen và oxy được nén lại đưa sang phân đoạn phản ứng và hỗn hợp đẳng phí VA/H2O (nhiệt độ sơi
66oC, trong đĩ H2O chiếm 7,3% trọng lượng). Pha tách xảy ra trong thiết bị tách (11): hai phần ba pha hữu cơ được hồi lưu cho cột chưng cất thứ nhất và phần chính thứ ba được hồi lưu cho cột chưng cất thứ ba, pha nước được đến tháp chưng cất phần nhẹ (12). Tồn bộ phần thu hồi được chứa một số hợp chất hữu cơ (1000÷2000ppm). Hơi nước ra khỏi đáy tháp tách nước (13) kết hợp với chất ức chế đi vào tháp tách sản phẩm nhẹ (14), ra khỏi đáy tháp dung dịch chia làm hai phần, một phần qua thiết bị đun sơi đáy tháp tuần hồn trở lại, một phần kết hợp với chất ức chế vào tháp tách sản phẩm nặng (15). Ở đỉnh tháp (14) thu được sản phẩm nhẹ với hàm lượng rất ít. Tháp tách phần nặng được thiết kế để thu hồi etyl axetat trong sản phẩm nặng, tháp (14) được thiết kế để thu hồi axetaldehit trong số thành phần nhẹ. Ở đỉnh tháp (15) thu được VA cĩn ở đáy thu được các sản phẩm nặng là etyl axetat.
VA được thu hồi và tinh chế địi hỏi trong quá trình cĩ sự tham gia của chất ức chế để tránh sự trùng hợp tạo nhựa, chất ức chế ở dạng hỗn hợp khí O2 và CO2.
1.6.3. Thiết bị chính
Thiết bị phản ứng chính là thiết bị dạng ống chùm. 1.5.3.1. Đặc điểm của thiết bị chính
Thiết bị trao dổi nhiệt dang ống chùm cĩ khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi cơng suất, trong mọi điều kiện hoạt động từ chân khơng đến siêu cao áp, từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ rất cao và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía trong và ngồi ống. Vật liệu để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ
thuộc vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phép thiết kế để đáp ứng các yêu cầu khác như độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể cĩ những tính chất đĩng cặn, chất cĩ độ nhớt cao, cĩ tính xâm thực, tính ăn mịn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm cĩ thể được chế tạo vật liệu là các kim loại, hợp kim cho tới các vật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100000m2. Tuy nhiên, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm cĩ một nhược điểm là bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so với các dạng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới.Vì vậy, cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường cĩ kích thước lớn hơn nhiều.
1.6.3.2. Nguyên lý làm việc
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngồi ống trao đổi nhiệt. Để tăng cường độ trao đổi nhiệt người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngồi ống theo phương vuơng gĩc hoặc chéo dịng. Để phân phối lưu thể trong và ngồi ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngồi ống khác nhau. Lưu chất ngồi ống được chứa trong vỏ trụ cịn lưu chất trong lịng ống được chứa ở đầu và trong lịng ống, tồn bộ bĩ ống được chứa trong vỏ trụ.
Với quy trình sản xuất VA hỗn hợp nguyên liệu etylen, axit axetic, oxy đi trong ống truyền nhiệt, từ dưới lên. Dầu tải nhiệt đi ngồi ống từ dưới lên.
Tài liệu tham khảo
1. Https://www.britannica.com/science/ethylene 3. Https://www.britannica.com/science/acetic-acid
4. Ullmanns Encyclopedia Industrial Chemistry 06 (ethylene [8920-8977], acid acetic [105-134])
5. Tổng hợp Hữu cơ hĩa dầu – Cơ Hiền
6. Sổ tay quá trình và cơng nghệ hĩa chất tâp 1+2 7. Wikipedia.org
8. http://www.imedpub.com (poly-ethylenecovinyl-acetate-blends-for-controlled-drug- release)