Còn ngày nay với sự phát triển của các công nghệ hóa dầu so với lọc dầu, axetylen đã trở thành một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa học, với các số liệu như sau: mức sả
Trang 1ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GIAO SV LỚP CDVHT14A1
D Thiết kế phân xưởng sản xuất vynyl axetat.
MỞ ĐẦU
Công nghệ dầu khí và hoá dầu đã đang và sẽ là ngành công nghiệp rất quan trọng nó quyết định đến sự lớn mạnh của nền kinh tế thế giới vì sản phẩm của nó dễ sử dụng, dễ tự động hoá, sạch vì hầu như không có tro và xỉ Ngày nay có khoảng 70% nguồn năng lượng trên thế giới sử dụng đều là sản phẩm của ngành công nghiệp dầu khí Xét về mặt giá trị kinh tế cũng như giá tri sử dụng, các sản phẩm phi năng lượng từ dầu mỏ có giá trị cao hơn do độ tinh khiết cao, giá thành thấp so với các nguyên liệu khác Điều này càng được khẳng định khi khoảng 90% nguyên liệu của ngành công nghiệp hoá học đi từ nguồn dầu khí Trước khi dầu mỏ được công nhận là nguồn nguyên liệu chính trong ngành công nghiệp hóa chất, vinylaxetat đã có phần vượt trội trong việc xây dựng nên khối công nghiệp hữu cơ Còn ngày nay với sự phát triển của các công nghệ hóa dầu so với lọc dầu, axetylen đã trở thành một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa học, với các số liệu như sau: mức sản xuất vinylaxetat ở Mỹ 1960 là 500.000 tấn gấp 2,5 lần so với năm 1954 Ở Nhật năm 1958 là 1004 nghìn tấn , năm 1960 là 1133 nghìn tấn Ngoài ra ở Pháp, Ý, Liên Xô cũ, Đức công nghiệp vinylaxetat cũng phát triển mạnh Năm 1957 Tây Đức sản xuất 185 nghìn tấn vinylaxetat Ở nước
ta có nhiều than đá do đó công nghiệp sản xuất phải đi từ con đường
cacbuacanxi, công nghiệp vinylaxetat phát triển sẽ mở ra triển triển vọng to lớn cho ngành công nghiệp nước ta.
Việc tạo ra các quá trình công nghệ mới dựa trên nguyên liệu rẻ hay dễ kiếm thường là nhờ các phát minh những phản ứng mới và gây nên ảnh hưởng có tính cách mạng đối với sự phát triển của công nghệ.
Vinyl hoaslaf 1 quá trình quan trọng trong công nghệ tổng hợp các chất trung gian phục vụ cho việc tổng hợp ra các sản phẩm hưu cơ cuối cùng Vinyl axetat(VA) là một trong những monome quan trọng để chế ra chất dẻo
và sợi tổng hợp,làm chất nhũ hóa và chất tăng dộ nhớt hco các dung dịch
Trang 2nước hay làm vải giả da Ngoài ra còn ứng dụng trong việc sản xuất sơn keo dán có độ bền cao
Nghành công nghiệp tổng hợp hóa dầu và chế biến khí trên thế giới phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu đời sống xã hội ngày càng cao thì càng có nhiều phương pháp tổng hợp VA được tìm ra và ứng dụng.
Sản xuất VA chủ yếu đi từ các nguồn nguyên liệu sau.
- Đi từ axetylen và axit axetic
- Đi từ etylen
- Đi từ một số nguyên liệu khác
Ở Việt Nam từ nguồn nguyên liệu dồi dào như than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên các nhà máy lọc hóa dầu ,chế biến khí đang xây dựng và phát triển nó sẽ là nguồn nguyên liệu dồi dào cho ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ phát triển trong đó có ngành công nghiệp sản xuất VA
I TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA AXETYLEN
I Tính chất vật lý và hóa học của axetylen
1.Tính chất vật lý:
Axetilen là chất khí, không màu, không mùi, ít tan trong nước,nhẹ hơn không khí(d=26/29)
Axetilen có công thức cấu tạo: H-C≡C-H, viết gọn HC≡CH
Từ công thức cấu tạo của axetilen ta thấy: giữa hai nguyên tử cacbon có ba liên kết, còn gọi là liên kết ba Trong lên kết ba có hai liên kết kém bền, dễ đứt lần lượt trong các phản ứng hóa học.
2.Tính chất hóa học.
*Phản ứng oxi hóa(cháy)
Axetilen là hidrocacbon, vì vậy khi đốt, axetilen sẽ cháy tạo ra CO2 và
nước(H2O), tương tự Metan và etile axetilen cháy trong không khí với ngọn lửa sáng, 3000 °C.
2C2H2 + 5O2 —— t⁰ —> 4CO2 + 2H2O
*Phản ứng cộng.
Do Axetilen trong phân tư có liên kết pi nên có thể tham gia phản ứng cộng (giống ankin)
2.1: cộng halogen, cộng hidro halogen (HX, cộng hidro: Axetilen làm mất màu dung dịch Brom giống etilen
Trang 3CH≡CH+ Br−Br——> Br−CH=CH-Br
Br-CH=CH-Br+ Br-Br——>Br2CH-CHBr2
2.2.Cộng cation Ag + trong AgNO3 /NH3
Các anken có liên kết ≡ đầu mạch như axetilen (anken-1-en) đểu có phản ứng cộng ion Ag + tạo kết tủa vàng (không phải phản ứng tráng gương) (phân biệt anken-1-en vs các ankin cũng như các anken khác
CH≡CH + AgNO3 + NH3 + H2O →Ag-CH=CH-Ag↓ + Nh4NO3
*Phản ứng trùng hợp
Tương tự như ankin các anken có liên kết pi nên có thể tham gia phản ứng trùng hợp tạo polyme.
nCH≡CH - t0C, xt > (CH=CH)n
3 Điều chế axetylen:
Axetilen được điều chế bằng cách cho canxi cacbua (thành phần chính của đất đèn) phản ứng với nước:
CaC2 (đất đèn) + 2H2O ——> C2H2 + Ca(OH)2
II TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA AXIT AXETIC :
1. Tính chất vật lý:
• Không màu
• Mùi chua của giấm
• Tan tốt trong nước với ở mọi tỷ lệ.
2 Tính chất hóa học:
Axit Axetic
Axit Axetic có công thức phân tử : CH3COOH
Có đầy đủ tính chất của hợp chất mang nhóm cacboxyl(−COOH) trong
phân tử
Các phản ứng tạo monomer cho tổng hợp các polyme
Muối của axit Axetic có nhiều ứng dụng lớn : kẽm axetat, đồng axetat làm hợp chất màu; sắt axetat, natri axetat, làm xúc tác cho các quá trình hợp hữu cơ
Axit axetic là một axit yếu, yêu hơn các axit HCl, H2SO4, HNO3,
H2SO3 nhưng mạnh hơn axit cacbonic H2CO3 Axit axetic cũng có đầy đủ tính chất của một axit.
- Dung dịch axit axetic làm quỳ tím đổi màu thành đỏ.
- Tác dụng với oxit bazơ, bazơ tạo thành muối và nước.
CH3COOH + NaOH -> H2O + CH3COONa (Natri axetat)
CH3COOH + CaO -> H2O + (CH3COO)2Ca
Trang 4 - Tác dụng với kim loại (trước H) giải phóng H2:
2CH3COOH + 2Na - > 2CH3COONa + H2
- Tác dụng với muối của axit yếu hơn.
2CH3COOH + CaCO3 -> (CH3COO)2Ca + CO2 + H2O.
- Tác dụng với rượu tạo ra este và nước :
CH3COOH + HO-C2H5 CH3COC2H5 + H2O
3.Các phương pháp điều chế
Axit axetic được sản xuất theo cả hai phương pháp sinh học và tổng hợp Ngày nay, lượng axit sản xuất theo phương pháp sinh học chỉ chiếm khoảng 10% sản lượng thế giới, nhưng nó vẫn là một phương pháp quan trọng dùng để sản xuất giấm, theo các luật về độ tinh khiết thực phẩm ở một số quốc gia quy định rằng giấm sử dụng trong thực phẩm phải có nguồn gốc từ sinh học Khoảng 75% axit axetic được sản xuất công nghiệp được dùng để sản xuất theo phương pháp cacbonyl hóa metanol Khoảng 15% còn lại được sản xuất từ các phương pháp thay thế khác.[9] Tổng sản lượng axit axetic giấm ước tính khoảng 5 triệu
tấn/năm, khoảng nửa trong số đó được sản xuất ở Hoa Kỳ Sản lượng ở châu
Âu khoảng 1 triệu tấn/năm và đang giảm, trong khi đó Nhật Bản sản xuất
khoảng 0,7 triệu tấn/năm Khoảng 1,5 triệu tấn được tái chế hàng năm, nâng tổng sản lượng trên thị trướng thế giới lên 6,5 triệu tấn/năm.Hai nhà sản xuất axit axetic giấm lớn nhất là Celanese và Công ty hóa BP Các nhà sản xuất lớn khác như Millennium Chemicals, Sterling Chemicals, Samsung, Eastman,
và Svensk Etanolkemi
3.Các phương pháp điều chế
Cacbonyl hóa metanol
Hầu hết axit axetic giấm được sản xuất bằng phương pháp cacbonyl hóa
metanol Trong quy trình này,meltanol và cacbon monoxit phản ứng với nhau tạo ra axit aextic theo phương trình:
CH3OH + CO → CH3COOH
Quá trình này liên quan đến chất trung gian iodometan, và diễn ra theo 3 bước Chất xúc tác, thường là phức chất kim loại, được dùng trong bước 2
Trang 5Bằng cách theo thế các điều kiện phản ứng, anhydrit axetic cũng có thể được tạo ra trong từ các vật liệu này Bởi vì cả metanol và cacbon monoxit đều là các hàng hóa nguyên liệu, cacbonyl hóa metanol trong một thời gian dài là phương pháp sản xuất axit axetic được ưa chuộng Henry Drefyus ở British Celanese đã xây dựng một nhà máy sản xuất theo phương pháp này vào năm
1925.[12] Tuy nhiên do thiếu các vật liệu có thể chứa các hợp chất gây ăn mòn
ở áp suất cao (khoảng 200 atm hoặc hơn) đã không được khuyến khích
thương mại hóa phương pháp này Phương pháp cacbonyl hóa metanol
thương mại đầu tiên, sử dụng chất xúc tác coban, đã được công ty hóa chất Đức BASF phát triển năm 1963 Năm 1968, chất xúc tác gốc rhodi (cis−
[Rh(CO)2I2]−) được phát hiện có thể vận hành một cách hiệu phả ở áp suất thấp mà hầu như không có sản phẩm phụ Nhà máy đầu tiên cử dụng chất xúc tác này được công ty hóa chất Hoa Kỳ Monsanto xây dựng năm 1970,
và cacbonyl hóa metanol với xúc tác rhodi trở thành một phương pháp phổ biến dùng để sản xuất (xem công nghệ Monsanto) Vào cuối thập niên
1990, Công ty hóa chất BP thương mại hóa chất xúc
tác Cativa ([Ir(CO)2I2]−), được chết từ rutheni Công nghệ Cativa dùng chất xúc tác iridi này sạch hơn và hiệu quả hơn[13] và đã thay thế phần lớn công nghệ Monsanto, thường dùng trong cùng một nhà máy sản xuất
Oxy hóa axetaldehyt
Trước khi thương mại hóa công nghệ Monsanto, hầu hết axit aextic được sản xuất bằng cách oxy hóa axetaldehyt Phương pháp này là phương pháp
quaan trọng thứ hai vẫn còn được sử dụng mặc dù nó không thể cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa metanol
Axetaldehytcó thể được sản xuất bằng cách oxy hóa butan hoặc naphtha nhẹ, hoặc hydrat hóa etylen Khi butan hoặc naphtha nhẹ được nung nó trong không khí có mặt các ion kim loại khác nhau như mangan, coban,
và crôm, peroxit và sau đó phân hủy tạo ra axit axetic theo phương trình phản ứng:
2 C4H10 + 5 O2 → 4 CH3COOH + 2 H2O Phản ứng đặc trưng là sự kết hợp của nhiệt độ và áp suất được đều chỉnh sau cho đủ nóng để có thể giữ butan ở dạng lỏng Các điều kiện phản ứng đặc trưng là 150 °C và 55atm Các sản phẩm phụ cũng có thể được tạo ra,
như butanon, etyl axetat, axit formic, và axit propionic Các sản phẩm này cũng có giá trị thương mại, và các điều kiện phản ứng có thể được thay thế
để tạo ra số lượng sản phẩm nhiều hơn Tuy nhiên, việc phân tách axit axetic
ra khỏi hỗn hợp này làm cho phương pháp này khá tốn kém
Cùng các điều kiện và sử dụng các chất xúc tác tương tự trong việc oxy hóa butan, axetaldehyt có thể bị oxy hóa bởi oxy trong không khí tạo ra axit axetic:
Trang 62 CH3CHO + O2 → 2 CH3COOH
Sử dụng các chất xúc tác hiện đại, phản ứng này có thể tạo ra axit axetic hơn 95% Các sản phẩm phụ là etyl axetat, axit formic,
và formaldehyt đều có điểm sôi thấp hơn axit axetic nên sẽ dễ tách chúng
ra bằng cách chưng cất
Oxy hóa etylen
Axetaldehyt có thể được điều chế từ etylen theo phản ứng Wacker, và sau đó oxy hóa như nên bên dưới Trong thời gian gần đây, việc chuyển đổi etylen thành axit axetic qua theo một bước, chi phí rẻ hơn đã được công ty Showa Denko thương mại hóa, công ty này đã xây dựng một nhà máy oxy hóa etylen
ở Ōita, Nhật Bản năm 1997.[15] Quá trình này sử dụng chất xúc tác là kim
loại palladi với sự hỗ trợ của axit heteropoly như axit tungstosilicic Nó được xem là một phương pháp có thể cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa
metanol đối với các nhà máy nhỏ hơn (100–250 ngàn tấn/năm), tùy thuộc vào giá địa phương của etylen
Lên men oxy hóa
Trong lịch sử nhân loại, axit axetic, ở dạng giấm, đã được tạo ra từ các vi khuẩn
axit axetic thuộc chi Acetobacter Khi cung cấp đủ oxy, các vi khuẩn này có thể
tạo ra giấm từ các thực phẩm sinh cồn khác nhau Các loại được sử dụng
như rượu táo, rượu vang, và các loại ngũ cốc, gạo, mạch nha hoặc khoai tây lên men Phản ứng hóa học chung nhất do các vi khuẩn thực hiện là:
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O
Dung dịch rượu loãng trộn với Acetobacter và giữ ở nơi thoáng khí, ấm sẽ tạo ra giấm trong vòng vài tháng Các phương pháp sản xuất giấm công nghiệp, người
ta tăng tốc độ phản ứng bằng cách cung cấp nhiều oxy cho vi khuẩn
Các lô giấm đầu tiên được sản xuất bằng phương pháp lên men có thể là lỗi trong quá trình làm rượu vang Nếu hèm rượu nho được lên men ở nhiệt độ quá cao, acetobacter sẽ phát triển lấn án nấm men có mặt tự nhiên trong nho Vì nhu cầu giấm cho mục đích ẩm thực, y tế, và vệ sinh gia tăng, những người bán rượu nho học nhanh chóng cách sử dụng các vật liệu vô cơ khác để sản xuất giấm trong các tháng hè nóng trước khi nho đã chính và sẵn sàng để sản xuất rượu vang Phương pháp này chậm, tuy nhiên, không phải lúc nào cũng thành công, khi những người bán rượu không hiểu quá trình này
Một trong những công nghệ thương mại hiện đại đầu tiên là "phương pháp nhanh" hoặc "phương pháp Đức", đã được ứng dụng ở Đức năm 1823 Trong phương pháp này, quá trình lên men diễn ra trong một tháp bọc bằng gỗ bào hoặc than Các chất cung cấp cồn được cung cấp từ trên đỉnh tháp, và không khí sạch được cung cấp từ dưới lên bằng thông khí tự nhiên hoặc bơn đối lưu Việc cung cấp không khí được cải thiên trong quá trình này làm giảm bớt thời gian điều chế giấm từ vài tháng còn vài tuần.[17]
Trang 7Ngày nay, hầu hết giấm được sản xuất trong các thùng để ngầm được Otto Hromatka và Heinrich Ebner sử dụng đầu tiên năm 1949 Trong phương pháp này, rượu được lên men thành giấm trong bồn được đảo liên tục, và oxy được cung cấp bằng cách thổi bọt khí qua dung dịch Sử dụng các ứng dụng hiện đại của phương pháp này, giấm chứa 15% axit axetic có thể được đều chế trong vòng 24 giờ, thậm chí đạt được độ giấm 20% trong vòng 60 giờ
Lên men kỵ khí
Các loài vi khuẩn kỵ khí bao gồm cả thuộc chi Clostridium, có thể chuyển đổi
đường thành axit axetic một cách trực tiếp mà không cần phải qua bước trung gian là tạo thành etanol Phản ứng chung mà các vi khuẩn thực hiện có thể được biểu diễn:
C6H12O6 → 3 CH3COOH Trên quan điểm của một nhà hóa học công nghiệp, một điểm đáng chú ý là các vi khuẩn acetogen có thể tạo ra axit axetic từ các hợp chất chứa 1 cacbon như metanol, cacbon monoxit, hay hỗn hợp của cacbon dioxit và hydro:
2 CO2 + 4 H2 → CH3COOH + 2 H2O
Khả năng Clostridium chuyển hóa trực tiếp các loại đường hoặc tạo ra axit
axetic với chi phí đầu vào thấp, có nghĩa rằng các vi khuẩn này có thể có khả năng tạo ra axit axetic hiệu quả hơn phương pháp oxy hóa etanol
như Acetobacter Tuy nhiên, vi khuẩn Clostridium íy chịu axit hơn Acetobacter Ngay cả hầu hết các chủng Clostridium chịu axit nhất có thể tạo ra giấm chỉ đạt vài phần trăm axit axetic, so với các chủng Acetobacter có thể tạo ra giấm với
nồng độ axit lên đến hơn 20% Hiện tại, chi phí để sản xuất giấm
bằng Acetobacter vẫn cao hơn dùng Clostridium và sau đó tách nó Kết quả là,
mặc dù vi khuẩn acetogenic đã được biết đến rộng rãi từ năm 1940, việc sử dụng ở quy mô công nghiệp của loại vi khuẩn này vẫn còn giới hạn trong một vài ứng dụng