b. Sản xuất axetylen tự nhiên và khí đồng hành
3.2. XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH
Đối với mỗi quá trình, xúc tác là một yếu tố hết sức quan trọng, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Thông thường để cải tiến một quá trình ngoài cải tiến công nghệ người ta còn cải tiến xúc tác. Sử dụng chất xúc tác cho phép tăng tốc độ phản ứng từ trị số vô cùng nhỏ khi không sử dụng xúc tác thành trị số vô cùng lớn và có thể điều khiển phản ứng theo hướng mong muốn như: sản phẩm có độ chọn lọc cao, độ chuyển hoá tăng trong khi đó không cần một chế độ làm việc phức tạp, tiêu tốn nguyên liệu và năng lượng.
Trong quá trình sản xuất VC từ axetylen, xúc tác là một yếu tố quan
trọng làm tăng độ chuyển hoá và độ chọn lọc của phản ứng, đồng thời nó góp phần làm giảm chi phí cho quá trình.
Phản ứng chính quá trình sản xuất VC từ axetylen là phản ứng cộng hợp axit clohydric vào axetylen. Nó có thể xảy ra theo hai giai đoạn sau:
+Giai đoạn đầu: HC≡CH + HCl → CH2=CHCl +Giai đoạn sau: CH2=CHCl + HCl → CH3-CHCl2
Vì vậy để tăng tốc độ phản ứng đầu tiên và ngăn cản phản ứng tiếp
theo xảy ra, cần phải lựa chọn một xúc tác có tính chọn lọc thích hợp. Xúc tác Hg2+ và xúc tác Cu2+ đã được các nhà nghiên cứu cho là thích hợp đối với quá trình này.
Quá trình xúc tác của muối đồng và muối thuỷ ngân được giải thích theo nhiều quan điểm khác nhau.
Một số quan điểm cho rằng: muối thuỷ ngân tác dụng với axetylen tạo thành hợp chất trung gian, sau đó hợp chất trung gian bị phân huỷ dưới tác dụng của HCl, hoàn nguyên xúc tác cho ta vinylclorua:
HC≡CH + HgCl2 → ClCH=CH-HgCl → CH2=CHCl + HCl + HgCl
Quan điểm khác lại cho rằng: muối đồng và muối thuỷ ngân tác dụng với axetylen tạo thành phức chất II, trong đó các nguyên tử c có điện tích dương và có khả năng tác dụng với mono clo, còn Hg2+ sẽ kết hợp với C có điện tích âm hơn.
H+
HC≡CH + HCl δ+CH≡δ-CH⋅⋅⋅Cl CH2=CHCl + Hg2+.
Hg2+ Hg2+
Trong pha lỏng, xúc tác Cu+ là tốt nhất vì nó không bị mất hoạt tính và ít làn tăng vận tốc phản ứng phụ cộng nước của axetylen, tuy nhiên nó lại có xu hướng làm tăng phản ứng phụ: Trùng hợp axetylen thành Vinylaxetylen.
Để ngăn ngừa sản phẩm phụ người ta thường cho thêm HCl đặc để hoà tan muối đồng. Đồng thời trong pha lỏng Cu+ không bị mất hoạt tính. Trong pha khí xúc tác bằng muối đồng ít được sử dụng cho quá trình sản xuất VC. Xúc tác Hg2+ có nhiều ưu điểm hơn xúc tác Cu2+ :
Tăng độ chọn lọc VC, đồng thời tăng độ chuyển hoá của phản ứng. Nó có thể xúc tác cả trong pha khí và pha lỏng.
Trong pha lỏng xúc tác Hg2+ thường ở dạng muối HgCl2 hoà tan trong dung dịch HCl. Tuy nhiên ngoài phản ứng cơ bản xúc tác Hg2+ còn tăng tốc phản ứng hydrat tạo thành axetandehit. Do nguyên nhân này, cũng như sự mất hoạt tính của xúc tác trong dung dịch HCl, người ta thường dùng nó
trong quá trình pha khí ở nhiệt độ 150÷2000C, khi dùng những chất phản ứng khô hơn. Nhưng hàm lượng tạp chất không lớn lắm thường nhỏ hơn 1%.
Trong pha khí nó tồn tại ở dạng HgCl2 ngâm trên than hoạt tính. Khi
nồng độ HgCl2/C* tăng, hiệu suất chuyển hoá axetylen thành VC tăng.
Bảng 1: Hiệu suất chuyển hoá của axetylen phụ thuộc vào %HgCl2/C*
%HgCl2/C *
Hiệu suất chuyển hoá, % 5 10 20 40 69,6 86,7 92,3 94,9
60 96,8
Nồng độ HgCl2 tăng từ 5 ÷ 10%, hiệu suất chuyển hoá tăng nhanh. Nhưng
nồng độ HgCl2 trên 20% hiệu suất chuyển hoá tăng chậm lại đồng thời thúc đẩy quá trình toả nhiệt mạnh làm cho xúc tác bị nung nóng cục bộ, HgCl2 thăng hoa, axetylen tham gia phản ứng trùng hợp bao phủ trên bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính xúc tác. Vì vậy trong công nghiệp thường dùng xúc tác
HgCl2/C* có nồng độ 10%. Tuy nhiên muối thuỷ ngân là một loaị muối độc nên
khi sử dụng nó cần bảo đảm an toàn. Gần đây người ta đang có xu hướng thay thế muối thuỷ ngân bằng các muối kim loại khác như BaCl2, CdCl2. . .