CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu sơ bộ 1. Khái niệm Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm. Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : ete, metanol, etanol, diacetone alcohol… Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
Ứng dụng Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom. Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone : • Nhiệt độ nóng chảy : -94.9 0C ; • Tỷ trọng : 4 𝑑20 ; • Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C) • Độ nhớt : 0.316 cp ( ở 250C) • Nhiệt trị : 0.
Tính chất hóa học Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3+H2O → CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) CH3 SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 2 Đồ án QT&TB CN hóa chất và thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN → CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3+HCH2C=O → CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) CH3 CH3 Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon. CH3-C-CH → CH3-C-CH2-OH → CH3-C-CH=O → CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hoá : CH3COCH3 + H2 → CH3CHOH-CH3 1. Điều chế Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn acetone rất lớn, tong khi có sự giới hạn trong việc thu được acetone từ sự chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 – thu được bằng cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành acetone và Butyl Alcohol.Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ nhất và những năm 20. SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 3 Đồ án QT&TB CN hóa chất và thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được thay bằng công nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất acetone của Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol.
Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone. - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan. - Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt. - Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ.
Tổng hợp acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: 𝑥𝑢𝑐𝑡𝑎𝑐 • CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) → CH3COCH3 + H2 • Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối. • Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%. • Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter …). Hỗn hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước.
Dung dịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít ) ở đáy. Công nghệ chưng cất hỗn hợp acetone – nước Ta có acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của acetone ( 56.9 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Trong trường hợp này ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách chúng, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách không được hoàn toàn. Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.
Phương pháp thực hiện SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 4 Đồ án QT&TB CN hóa chất và thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn. Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục. Trong trường hợp này, do sản phẩm là acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.2 Loại tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. ▪ Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh ▪ Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định. - Trở lực thấp.
- Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao. Ưu điểm - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 5 Đồ án QT&TB CN hóa chất và thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá cầu có của chất lỏng. - Do có hiệu ứng thành → - Không làm việc được - Có trở lực lớn.
hiệu suất truyền khối với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều vật thấp. - Kết cấu khá phức tạp. tư, kết cấu phức tạp.
- Độ ổn định không cao, Nhược khó vận hành. điểm - Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ aceton – Nước.
Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ 3. Sơ đồ quy trình công nghệ STT Kí hiệu Tên thiết bị 1 E-1 Tháp chưng luyện 2 T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 3 T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy 4 T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh 5 H-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 H-2 Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp 7 C-1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy 8 C-2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 9 C-3 Thiết bị làm 10 R-1 Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh 11 R-2 Cơ cấu hồi lưu ở đáy tháp 12 P-1 Bơm SVTH: Phạm Thị Huyền Trang- 20180982 Trang: 6 Đồ án QT&TB CN hóa chất và thực phẩm GVHD: T.S Nguyễn Văn Xá 13 P-2 Bơm dự phòng 14 X-1 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 15 X-2 Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt ở đáy 16 F-1 Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu 17 F-2 Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh 18 …. Hệ thống van Vđ, V-2,…; V-18 3. Thuyết minh sơ đồ Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-2 và lưu lượng kế F-1.
Bơm P-2 được lắp song song dự phòng trường hợp bơm P-1 bị hỏng học. Tại thiết bị gia nhiệt H-1 , dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi tF thì đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại vị trí đĩa tiếp liệu. Trong tháp chưng luyện E-1 hơi đi từ dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ. Cụ thể trên một đĩa của tháp, chất lỏng có nồng độ của cấu từ dễ bay hơi là x1, hơi bốc lên có nồng độ y1 , trong đó y1> x1.
Hơi này qua ống hơi đi lên đĩa trên, qua lỗ trên đĩa, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng ở trên đó. Nhiệt độ của chất lỏng trên đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này x2>x1.