Phân xưởng UOP Isomar được sử dụng để thu tối đa một đồng phân xylen nào đó trong hỗn hợp đồng phân hydrocacbon thơm C8. Thông thường Isomar chủ yếu được sử dụng để tận thu tối đa p-xylen nhưng nó cũng có thể sử dụng để thu hồi cả o-, m-xylen. Trong trường hợp thu hồi p-xylen thì nguyên liệu của quá trình này là phần raffinat của phân xưởng Parex, nơi mà p-xylen đã được thu hồi tới 97% và có độ tinh khiết lên tới 99% khôi lượng. Phần Raffinat còn lại chủ yếu gồm m-xylen và etylbenzen một lượng nhỏ còn lại là p- và o-xylen. Ở đây hiệu suất của p-xylen được tăng cường nhờ quá trình isome hóa các đồng phân m-,o-xylen và cả etylbenzen.
Isome hóa tạo ra sự chuyển hóa liên tục và dẫn đến cân bằng giữa 4 loại hydrocacbon thơm C8 theo sơ đồ sau:
Các phản ứng chính
Phản ứng Isome hóa xylen
Phản ứng Isome hóa Etylbenzen
Xúc tác của quá trình
Xúc tác dùng cho quá trình này là xúc tác lưỡng chức, chức axit (zeolit) và chức kim loại. Chức năng của chức axit đó là isome hóa các đồng phân xylen tạo thành một hỗn hợp cân bằng động. Chức kim loại chủ yếu để thúc đẩy các phẩn ứng hydro hóa và đề hydro hóa, góp phần chuyển hóa etylbenzen thành các đồng phân xylen.
Theo dây chuyền của UOP để tối đa hóa lượng p-xylen thu được họ đã đưa ra một loạt các mẫu xúc tác như I-9, I-210, I-400
Hình 5: Sơ đồ công nghệ UOP Isomar [2]
Một phân xưởng Isomar thông thường sẽ luôn đi cùng với một phân xưởng để thu hồi một hay nhiều đồng xylen. Và hầu hết các phân xưởng Isomar thường đi cùng với phân xưởng Parex để thu hồi p-xylen. Hỗn hợp xylen nguyên liệu vào phân xưởng Parex được đưa tới tháp chưng cất xylen, đây là bộ phận thiết kể không những thu được o-xylen ở đáy tháp mà còn đơn giản loại bỏ được các hydrocacbon thơm C9+ đáp ứng được các chỉ tiêu nguyên liệu của phân xưởng Parex. Còn sản phẩm đỉnh của tháp chưng xylen sẵ được đưa thẳng vào quá trình Parex nơi mà có thể thu hồi 97% lượng p- xylen và sản xuất được p-xylen với độ tinh khiết 99,9%. Còn sau đó sản phẩm Raffinat của quá trình Parex, chứa hàm lượng p-xylen dưới 1% được đưa sang quá trình Isomar.
Dòng nguyên liệu của quá trình Isomar đầu tiên phải trộn với dòng khí giàu Hydro tuần hoàn và luôn được bù vào lượng Hydro đã mất đi do phản ứng của quá trình Isomar. Sau đó dòng nguyên liệu được gia nhiệt bởi dòng sản phẩm ra từ thiết bị phản ứng, tiếp theo chúng được bốc hơi trong thiết bị nung nóng, nhiệt độ được nâng tới nhiệt độ phản ứng. Dòng khí nóng được đưa vào thiết bị phản ứng rồi đi qua các lớp xúc tác cố định, thiết bị thường dạng hướng trục. Dòng
sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng được làm lạnh khi trao đổi nhiệt với hỗn hợp nguyên liệu đầu sau đó được đưa vào thiết bị tách sản phẩm. Dòng khí giàu hydro sẽ được lấy ra ở đỉnh của tháp tách và tuân hoàn lại thiết bị phản ứng. Một phần của dòng khí được làm sạch để loại bỏ phần nhẹ lẫn vào trong dòng khí tuần hoàn. Phần lỏng ở đáy tháp tách được đưa đến tháp chưng để loại bỏ các hợp chất C7. Phần C7 ở đỉnh tháp này được cũng được làm lạnh và đưa vào một bộ phận tách khí lỏng, phần khí được sử dụng làm nhiên liệu còn phần lỏng thì được tuần hoàn lại quá trình UOP Platforming. Phần hydrocacbon C8 dưới đáy của tháp deheptan hóa được xử lý bằng vật liệu đất sét để loại bỏ vết tạp chất, các loại nhựa và polime tạo thành, sau đó tiếp tục tuần hoàn về tháp tách xylen.
Các chỉ tiêu nguyên liệu của quá trình Isomar
Bảng 5: Chỉ tiêu nguyên liệu của quá trình Isomar
Tạp chất Tác hại Giới hạn
Nước Tăng ăn mòn, giảm
hoạt tính xúc tác, không tái sinh được
200 ppm, max
Tổng clo Tăng cường chức axit, tăng phản ứng cracking, có thể tái sinh
2 ppm, max
Tổng nitơ Trung hòa vùng axit, giảm hoạt tính xúc tác, không tái sinh được
1 ppm, max
Tổng lưu huỳnh Giảm hoạt tính chức kim loại, tăng phản ứng cracking, có thể tái sinh
1 ppm, max
Chì Làm ngộ độc chức axit
và chức kim loại, không thể tái sinh
20 ppb, max
Đồng Làm ngộ độc chức axit
và chức kim loại, không thể tái sinh
20 ppb, max
và chức kim loại, không thể tái sinh
2.3.3.3. Phân xưởng Parex
UOP Parex là quá trình sử dụng phương pháp tách với hệ hấp phụ zeolit sàng phân tử để thu hồi p-X từ hỗn các đồng phân xylen. Hầu hết các quá trình Parex ngày nay được thiết kế để sản xuất p-X có độ tinh khiết là 99,9 % khối lượng và thu hồi được trên 97 % lượng đưa vào.
Không giống như các phương pháp sắc ký thông thường, quá trình Parex mô phỏng sự chuyển động ngược chiều nhau của lòng lỏng nguyên liệu so với lớp chất hấp phụ tác cố định. Nguyên liệu và sản phẩm vào và ra khỏi lớp chất hấp phụ một cách liên tục với thành phần gần như không thay đổi. Kỹ thuật này còn đôi khi gọi là
simulated moving-bed (MBA) lớp hấp phụ giả chuyển động.
Trong một tổ hợp sản xuất hợp chất thơm hiện đại (Hình 2), Phân xưởng Parex thường nằm dưới tháp tách xylen và thường đi cùng với phân xưởng Isomar. Nguyên liệu của tháp tách xylen chứa sản phẩm hydrocacbon thơm C8+ từ quá trình CCR* Platforming cùng với sản phẩm từ phân xưởng Tatoray. Phần C8 từ đỉnh của tháp tách xylen được đưa thẳng tới phân xưởng Parex, nơi mà p-xylen có độ tinh khiết cao được thu hồi. Phần Raffinat của quá trình Parex sau đó được đưa sang phân xưởng Isomar, nơi mà các đồng phần C8 được chuyển hóa thêm thành p-xylen và lại tuần hoàn về tháp chưng tách xylen.
Trước khi quá trình Parex được biến đến, p-xylen chủ yếu chỉ được sản xuất bằng phương pháp kết tinh phân đoạn. Trong phương pháp kết tinh, hỗn hợp xylen được làm lạnh xuống khoảng -750C (- 1000F) tại điểm mà p-xylen bắt đầu kết tinh. Các tinh thể được tách ra
khỏi nước cái bằng máy lọc ly tâm hay tách lọc thông thường. Sau đó sản phẩm sẽ được rửa bởi Toluen hay chính một phần sản phẩm p- xylen. Nhưng khoảng không lâu sau đó, năm 1971 công nghệ UOP Parex đã nhanh chóng trở thành công nghệ được lựa chọn nhất để sản xuất p-xylen. Và từ thời điểm đó hầu như tất cả các dây chuyền sản xuất p-xylen đề dựa trên công nghệ UOP Parex. Lợi thế chính của quá trình Parex so với phương pháp kết tinh là khả năng thu hồi trên 97% lượng p-xylen đưa vào. Còn các phương pháp kết tinh chứa các hỗn hợp ơ-tec-tíc nên lượng p-xylen thu hồi được chỉ đạt khoảng 65%.
Đánh giá nguyên liệu
Hầu hết hỗn hợp xylen được sử dụng để sản xuất xylen được sản xuất từ naphta dầu mỏ bởi quá trình reforming xúc tác. Công nghệ UOP CCR Platforming hoạt động ở điều kiện cực kỳ khắt khe nên trong thành phần C8+ của phần Reformat hầu như không chứa các tạp chất không thơm. Nhờ đó các đồng phân hydrocacbon thơm C8 có thể đưa trực tiếp vào tổ hợp thu hồi xylen. Nhưng cso trên một nửa tổn lượng hỗn hợp xylen được sản xuất từ quá trình chuyển hóa của toluen và hydrocacbon thơm C9 trong quá trình Tatoray.
Các tạp chất không thơm trong nguyên liệu của quá trình Parex chỉ làm tăng năng lượng tiêu thụ và chiếm nhiều không gian chứ không ảnh hưởng đến độ tinh khiết của p-xylen sản phẩm. Nhưng nguyên liệu phải được tiến hành phân đoạn trước để tách hỗn hợp hydrocacbon thơm C8 và xử lý bằng đất sét để bảo vệ chất hấp phụ.
Bảng 6: Chỉ tiêu thành phần nguyên liệu của quá trình Parex [3]
Thành phần Chỉ tiêu
Para Xylen min, % khối lượng 18
Etyl Benzen max, % khối lượng 20
Hydrocacbon C9+ max, % khối lượng 1.5 Hydrocacbon không thơm max, % khối
lượng
0.3
Nitơ max, mg/kg 1.0
Lưu huỳnh max, mg/kg 1.0
Axit Không được có
Sơ đồ dây chuyền công nghệ
Các quá trình chia tách diễn ra trông các tháp hấp phụ. Mỗi tháp hấp phụ được chia thành các lớp chứa chất hấp phụ. Mỗi lớp hấp phụ được gắn bởi một bộ phân phối đặc biệt, mỗi bộ phân phối này được nối chung với một van quay nhờ các ống nối. Bộ phân phối giữa các lớp hấp phụ dùng để đưa chất lỏng vào và rút chất lỏng ra khỏi tháp, cũng như thu hồi chất lỏng ở đĩa trên và phân phối đề chất lỏng cho đĩa dưới.
Thông thường một Phân xưởng Parex có 24 lớp hấp phụ và 24 ông nối mỗi lớp đến van quay chung. Nhưng theo thực tế khảo sát và đáng giá mỗi Phân xưởng Parex đề có 2 thấp hấp phụ mỗi tháp có chứ 12 lớp chất hấp phụ. Quá trình Parex thường có bốn dòng chính được phân phối vào trong tháp hấp phụ bởi van quay là:
Dòng nguyên liệu: Hỗn hợp xylen vào
Dòng trích ra: Gồm có sản phẩm p-xylen cùng với chất nhả hấp phụ
Dòng raffinat ra: Gồm có etylbenzen, m-xylen, o-xylen, và chất nhả hấp phụ
Dòng chất nhả hấp phụ vào: Chất nhả hấp phụ được tuần hoàn từ khu vực phân tách.
Tại bất cứ thời điểm nào cũng chỉ có 4 ỗng dẫn hoạt động đưa 4 dòng ra và vào tháp hấp phụ. Van quay được sử dụng để chuyển theo chu kỳ vị trí của lỏng vào và ra khỏi tháp tương ứng với mỗi vị trí có thành phần xác định dọc theo thân tháp. Một bơm được sử dụng để bơm chất lỏng từ đáy tháp 1 lên đỉnh của tháp 2 và một bơm được sử dụng để bơm chất lỏng từ đáy tháp 2 nên đỉnh tháp 1. Như vậy 2 tháp hấp phụ hoạt động như một tháp cứ lần lượt tuần hoàn từng lớp chất hấp phụ.
Dòng trích từ tháp hấp thụ được van quay đưa đến tháp chưng để tách sản phẩm ra khỏi chất nhả hấp phụ. Sản phẩm đỉnh của tháp được đưa sang tháp cuối cùng để tách loại bất cứ lượng toluen nào còn lẫn phải p-xylen tinh khiết.
Dòng raffinat tương tự cũng được van quay đưa sang tháp chưng để tách chất nhả hấp thụ. Sản phẩm đỉnh của tháp là hỗn hợp đồng phân C8: etylbenzen; m-xylen; o-xylen cùng với bất cứ hợp chất thơm nào còn lẫn phải trong nguyên liệu vào.
Sản phẩm raffinat lại tiếp tục đưa sang quá trình Isomar để chuyển hóa thành p-xylen rồi lại tuần hoàn về quá trình Parex.
Hình 8: Mô hình tháp hấp phụ với lớp chất hấp phụ chuyển động [3]
Như vậy qua các quá trình:
Lựa chọn nguyên liệu naphta
Tiến hành quá trình reforming xúc tác
Phân bố lại Toluen bằng phân xưởng Tatoray
Isome hóa xylen và etylbenzen trong phân xưởng Isomar
Tách p-xylen bằng quá trình Parex
Ta có thể thu hồi được 97% p-xylen có độ tinh khiết cao tới 99,9% về khối lượng.
Phần 3. Kết luận
Thực tế trên thế giới công nghệ sản xuất para xylen ngày càng hiện đại và dần đạt tới hiệu xuất tối đa. Ngành công nghiệp sản xuất para xylen là ngành công nghiệp mang lại nhiều lợi nhuận với nhu cầu tiêu thụ hàng năm luôn tăng. Các sản phẩm sản xuất từ para xylen ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong mọi mặt đời sống xã hội.
Với thực tế ở Việt Nam thì đây là ngành đang được bỏ ngỏ và giàu tiềm năng để phát triển
Tài Liệu Tham Khảo
[1] Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên. Công nghệ tổng hợp Hữu cơ – Hóa dầu
[2] Willey-VCH. ULLMANN'S Encyclopedia of Industrial Chemistry
[3] Robert Meyers. Handbook of Petroleum Refining Process
[4] http://www.uop.com/processing-