CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về nguyên liệu 1. Aceton Acetone còn được gọi là Propan-2-one, có công thức phân tử là CH 3COCH3. Nó là một chất lỏng không màu, trong suốt với mùi cay đặc biệt, acetone hòa tan trong nước và dung môi hưu cơ như: ethanol, ether, chloroform, pyridine.
Acetone là chất lỏng dễ cháy, dễ bay hơi và phản ứng với nhiều hợp chất và đơn chất hóa học,. Acetone chủ yếu được sử dụng làm dung môi trong các ngành công nghiệp như chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da, sơn phun… Ngoài ra, acetone còn được sử dụng làm dung môi để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay. Các phương pháp sản xuất acetone chủ yếu bao gồm: phương pháp isopropanol, phương pháp cumene, phương pháp lên men, phương pháp hydrat hóa acetylene và phương pháp oxy hóa trực tiếp propylene. Sản xuất acetone ở quy mô công nghiệp trên thế giới bị chi phối bởi phương pháp cumene.
Hai phần ba lượng acetone trên thế giới là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phenol và là một trong những sản phẩm của quá trình oxy hóa cumene. Trong năm 2010, sản xuất axeton trên toàn thế giới đạt 6,7 triệu tấn, Với 1,56 triệu tấn mỗi năm, Hoa Kỳ có sản lượng sản xuất cao nhất, tiếp sau là Đài Loan và Trung Quốc, Nhà sản xuất acetone lớn nhất là INEOS Phenol, mỗi năm săn xuất 17% lượng sản xuất của thế giới. [1] Ứng dụng của acetone Trong một số loại thuốc dược phẩm, được sử dụng làm dung môi để vận chuyển acetylene an toàn. Acetone là một nguyên liệu tổng hợp hữu cơ quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu.
Là một dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene. Được sử dụng như một chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa trong công nghiệp. [2] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 1 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh Nó cũng là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất anhydrid acetic, rượu diacetone, chloroform, iodoform, nhựa epoxy, cao su polyisoprene, methyl methacrylate. Được sử dụng làm chất chiết trong các ngành công nghiệp như dầu và mỡ.
Dùng để điều chế monome plexiglass, bisphenol A, rượu diacetone, hexanediol, methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl methoxide, phorone, isophorone, chloroform, iodoform… Acetone được sử dụng trong các ứng dụng y tế và mỹ phẩm khác nhau, Nó cũng được xem là hợp chất trong phụ gia thực phẩm, bao bì thực phẩm và trong tẩy sơn móng tay.[2] Tính chất vật lý của acetone Là một chất có công thức hóa học là (CH3)2CO, công thức phân tử là CH3COCH3, khối lượng phân tử: 58 đvC, Acetone là chất lỏng không màu, trong suốt có mùi thơm, rất dễ bay hơi, tan vô hạn trong nước, dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 56,5 ℃ ở 760 mmHg) và rất dễ cháy.[2] Tính chất hóa học của acetone Phản ứng với natri hydro sulfit (Na 2HSO3) tạo thành một chất phụ gia tinh thể không màu. Phản ứng với hydro xyanua tạo thành acetone cyanohydrin. Acetone tương đối ổn định với chất oxy hóa, Nó không bị oxy hóa bởi axit nitric ở nhiệt độ phòng. Phản ứng ngưng tụ lưỡng phân xảy ra với sự có mặt của một bazơ để tạo thành rượu diacetone.
Phản ứng với Ca(OH)2 với natri alkoxide hoặc natri amide sản phẩm tạo thành isophorone (3,5,5-trimethyl-2-cyclohexen-1-one). Ngưng tụ với một aldehyd hoặc ketone với sự có mặt của axit hoặc bazo để tạo thành rượu keto, ketone không bão hòa và các sản phẩm nhựa. Nó được ngưng tụ với phenol trong điều kiện axit để tổng hợp bisphenol-A, Nó phản ứng với dung dịch kiềm của hypohalite hoặc halogen để tạo thành haloform. Acetone được thêm vào thuốc thử Grignard và sản phẩm bổ sung được thủy phân để thu được rượu bậc ba.[2] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 2 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh 1.
Nước Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặt trái đất là nước), nước rất cần thiết cho sự sống. Ở điều kiện bình thường nước là một chất không màu, không mùi, không vị, là dung môi hòa tan tốt các chất phân cực, nặng hơn dung môi hữu cơ, không hòa tan dung môi hữu cơ.[2] Các tính chất vật lý của nước, Khối lượng phân tử: 18 g.mol-1 Nhiệt độ nóng chảy: 0 ℃ (ở 760 mmHg). Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Hỗn hợp Acetone – Nước Trong công nghiệp khi tổng hợp acetone từ axit axetic với xúc tác ThO 2 ở nhiệt độ cao ta thu được hỗn hợp đa phần là acetone và nước.
Lượng acetone trong hỗn hợp này thường vào khoảng 48% khối lượng tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình tổng hợp. Vì vậy, yêu cầu bức thiết là cần phải nâng cao độ tinh khiết của acetone để có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Dựa vào tính chất vật lý của acetone như tan hoàn toàn trong nước, nhiệt độ sôi của acetone (56,5℃ ở 760 mmHg) < nước (100 ℃ ở 760 mmHg), hệ này không có điểm đẳng phí, nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợp nhất với hệ acetone – nước đó là phương pháp chưng cất.mol-1) 100,348 0 0 99,4563 0,001 0,0320883 98,5803 0,002 0,0622793 97,7343 0,003 0,0907165 96,9171 0,004 0,117531 95,3637 0,006 0,166759 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 3 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh toC x(mol.mol-1) 93,9106 0,008 0,210804 92,5493 0,01 0,250369 86,871 0,02 0,398797 82,5913 0,03 0,494505 79,265 0,04 0,56032 74,4609 0,06 0,643561 71,1926 0,08 0,693094 68,8546 0,1 0,725424 65,2535 0,15 0,770922 63,2941 0,2 0,794035 62,1122 0,25 0,807764 61,334 0,3 0,816945 60,7741 0,35 0,823793 60,3324 0,4 0,829481 59,9519 0,45 0,834711 59,5985 0,5 0,839958 59,252 0,55 0,845588 58,9005 0,6 0,851925 58,5375 0,65 0,859299 58,161 0,7 0,868092 57,7726 0,75 0,878786 57,3782 0,8 0,89204 SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 4 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh toC x(mol.mol-1) 56,9897 0,85 0,908808 56,6285 0,9 0,930547 56,4995 0,92 0,941117 56,3842 0,94 0,95305 56,2871 0,96 0,966607 56,2471 0,97 0,974095 56,2141 0,98 0,982118 56,1888 0,99 0,990732 56,1848 0,992 0,992531 56,1811 0,994 0,994357 56,1779 0,996 0,99621 56,1764 0,997 0,997147 56,175 0,998 0,998091 56,1737 0,999 0,999042 56,1642 1 1 Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [5] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 5 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh Đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Acetone-nước ở 760mmHg 1 0.9 1 x (Acetone) mol/mol Hình 1-1 Đồ thị đường cân bằng hệ Aceton-nước ở 760mmHg 1. Lý thuyết về chưng cất 1.
Khái niệm về chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên từ sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong quá trình chưng cất, dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau. Trong trường hợp chưng cất đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé.
Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm acetone và rất ít nước, sản phẩm đáy chủ yếu là nước và rất ít acetone. SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 6 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trực tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của hệ nguyên liệu.
[3] Đối với hệ acetone – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này trong lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùng hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước của tháp, đường kính tháp, chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm. Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.
Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại vật chêm như: vòng Raschig, vật chêm vòng xoắn, vật chêm hình yên ngựa, Tháp mâm: thân tháp hình trụ thẳng đứng, bên trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha hơi và pha lỏng tiếp xúc với nhau.[4] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 7 Tổng quan CBHD: PGS.Lương Huỳnh Vủ Thanh Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm[4] Tùy theo cấu tạo của mâm ta có: Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng, Chóp có thể hình tròn hay một dạng khác, Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 ÷12 mm, tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp, Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, ống chảy chuyền được bố trí như ở tháp mâm chop.[4] SVTH: Nguyễn Thị Kim Thuyền 8 Tổng quan CBHD: PGS.
