Đồ án Công nghệ hóa dầu và CB Polycaproamide

Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 1 Đồ án Công nghệ hóa dầu và CB Polycaproamide Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 2 Polycaproamide([-NH-(CH2)5-CO-]n) là một polyme mạch thẳng của caprolactam,là một polyamide béo.Có màu trắng, không mùi,trọng lượng phân tử 10000-35000,tỷ trọng ở 20°C là từ 1,13-1,14 g/cm3; khả năng kết tinh~60%,điểmnóngchảylà225°C. Polycaproamide là một trong các polyamit tốt nhất được biết đến. Nó được đặc trưng bởi khả năng chống mài mòn và va đập cơ học,ví dụ như khả năng uốn cong ~ 90 (MN/m2), hoặc ~ 900 (kgf/cm2), lực tác động là 150-170 kgf. cm/cm2. Polycaproamide có độ bền hóa học cao, nó có khả năng không tan trong hầu hết các dung môi (chỉ tan trong sulfuric đậm đặc và axit formic và trong rượu flo). Nó vô hại về mặt sinh lý học và đang được nghiên cứu trên cơ thể con người. Ở nhiệt độ phòng và độ ẩm bình thường, polycaproamide hấp thụ 2-3% hơi ẩm (tối đa, lên đến 12%).Polycaproamide được sản xuất trong công nghiệp bằng cách trùng hợp các monomer polyamit và được xử lý theo các phương pháp tiêu chuẩn cho polyamit.Phần lớn sản phẩm từ polycaproamide không cần gia công cơ khí được sản xuất bằng cách trùng hợp khuôn. Polycaproamide chủ yếu được sử dụng trong sản xuất sợi, cũng như trong sản xuất các chi tiết máy khác nhau. Polycaproamide là sản xuất theo tên thương mại Kapron và Kaprolon (Liên Xô), Perlon (Cộng hòa Liên bang Đức), Dederon (Cộng hòa dân chủ Đức), Silon (Tiệp Khắc), Amilan (Nhật Bản), và Nylon-6, Plaskon, và Caprolan (USA ). PHẦN I.NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT POLYCAPROAMIT Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 3 1.Nguyên liệu 1.1.Đi từ Cyclohexane Polycaproamit được tổng hợp từ Cylclohexan theo sơ đồ khối sau: 1.2.Đi từ Phenol Theo sơ đồ khối sau : Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 4 Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 5 1.3. Đi từ Toluen Theo sơ đồ khối sau : 2. Phương pháp sản xuất polycaproamit Có nhiều phương pháp để tiến hành trung hợp polime từ các monome ban đầu như:  Trùng hợp khối  Trùng hợp trong dung dịch  Trùng hợp nhũ tương  Trùng hợp huyền phù  Trùng hợp pha khí  Trùng hợp pha rắn. Caprolactam sử dụng phương pháp trùng hợp khối có sử dụng nước làm chất mở vòng. Sau đây chúng ta tìm hiểu đôi nét về trùng hợp khối: Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 6 Phản ứng tiến hành khi có monomer , chất kích thích và khi cần cho thêm chất điều hòa chất hóa dẻo. phản ứng được thực hiện bằng cách giữ nhiệt độ xác định khi khuấy dung dịch chất kích thích trong monomer và các chất khác Phương pháp này thu được polime có khối lượng phân tử cao , polime thu được khi đi ra khỏi lò phản ứng ở dạng nóng chảy. Nhược điểm :vì phản ứng xảy ra ở trạng thái nóng chảy nên độ nhớt lớn dẫn tới truyền nhiệt kém , nhiệt phản ứng thoắt ra chậm do đó rất dễ gấy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ dẫn tới bẻ gẫy mạch polime nếu nhiệt quá cao có thể tạo cốc. mặt khác do không đều nhiệt nên các khối phản ứng xảy ra ở nhiệt độ khác nhau nên cấu trúc mạch không điều hòa thường bị phá hủy tính đồng nhất về khối lượng phân tử giảm nghĩa là tăng độ đa phân tán của polime. Ngoài ra áp suất hơi của monomer ở độ sâu của khối polymer do sự quá nhiệt tạo nên ứng suát nội gây tạo bọt và nứt lẻ dẫn tới tính chất cơ lý giảm. Để tránh những nhược điểm đó ta tiến hành trùng hợp ở nhiệt độ thấp hoặc chỉ cao hơn nhiệt độ nóng chảy một chút. Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 7 PHẦN II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYCAPROAMIT 1. Công nghệ sản xuất polycaproamit đi từ Cyclohexane Hình 1. Dây chuyền công nghệ sản xuất Polycaproamit từ Cyclohexan 2. Quy trình công nghệ 2.1. Chuyển hóa Cyclohexane thành Cyclohexanone 2.1.1.Cơ chế Cyclohexan được lấy từ các phân đoạn chưng cất dầu mỏ (chiếm 30-60%).Từ phân đoạn này người ta tinh-cất tiếp theo để có Cyclohexan tinh khiết (99%) Phản ứng chuyển hóa Cyclohexane thành Cyclohexanone theo 2 giai đoạn: Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 8 - Giai đoạn 1:Oxi hóa Cyclohexane dưới áp suất 40atm và 150 o C tạo thành Cyclohexanol - Giai đoạn 2: Cyclohexanol - > Cyclohexanon dưới xúc tác ZnO,được gia nhiệt 2.1.2. Sơ đồ công nghệ quá trình chuyển hóa Hình 2. Sơ đồ công nghệ chuyển hóa Cyclohexane thành Cyclohexanon Chú thích sơ đồ Công nghệ 1-Tháp tách sản phẩm nặng cuối cùng (Heavy –end Separation) Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 9 2-Tháp tách sản phẩm nhẹ cuối cùng (Light-end Separation) 3-Tháp tách Cyclohexanon và Cyclohexanol 4-Tháp đề hydro hóa Cyclohexanol 5-Tháp tách lỏng-khí 6-Tháp thu hồi Cyclohexanone Thuyết minh sơ đồ Quá trình này gồm 2 giai đoạn.Đầu tiên Cyclohexane bị oxi hóa thành hỗn hợp Cyclohexanol và Cyclohexanon .Hỗn hợp này được tách ra ở 3 tháp chưng cất hoạt động dưới áp suất chân không.hai tháp đầu tiên có 20 đĩa để tách sản phẩm nhẹ (chủ yếu là Cyclohexane) và các hợp chất nặng (có thể là ete,hoặc sản phẩm của quá trình ngưng tụ andol).Cyclohexanon được lấy từ tháp thứ 3,tháp này có 40 đĩa.Ra khỏi đáy tháp này là Cyclohexanol sẽ được hóa hơi và quá nhiệt và đưa tới lò phản ứng dehydro hóa.Nhiệt độ phản ứng khoảng 400oC với sự có mặt của xúc tác Zn tại áp suất khí quyển.Với nhiệt được cung cấp bởi sự chuyển động của một muối nóng chảy.84% Cyclohexanon và 1% sản phẩm nhẹ được tạo ra.Cyclohexanol chưa phản ứng và Cyclohexanon tạo thành ở đây được quay trở về tháp số 3.Quá trình cứ tiệp tục như vậy.Và lượng Cyclohexanon tạo ra sẽ được đưa tới tháp chuyển hóa Cyclohexanon thành ߝ − Caprolactam 2.2. Chuyển hóa Cyclohexanon thành ࢿ − Caprolactam theo cơ chế quang hóa 2.2.1. Cơ chế của quá trình Quá trình này gồm 2 giai đoạn: Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 10 - Giai đoạn 1:Phản ứng Oximation - Giai đoạn 2:Phản ứng tạo ߝ −Caprolactam ΔH298 o = -184 kJ/mol Giai đoạn 1xảy ra với sự có mặt của Hydroxylamin.Dưới đây là các bước của quá trình tổng hợp Hydroxylamin Chuẩn bị Hydroxylamin cho phản ứng Oximation Quá trình chuẩn bị Hydroxylamin được thực hiện trong công nghệ Raschig.Phản ứng đầu tiên là phản ứng đốt cháy ammoniac trong không khí với sự có mặt của xúc tác Platin ở 850oC.Sản phẩm tạo thành là Nitơ oxit Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 11 2NH3 + 3O2  3H2O + NO + NO2 ΔH298o = -510 kJ/mol NO + NO2  N2O3 ΔH298o = -35 kJ/mol Một dung dịch của anonicacbonat được chuẩn bị từ phản ứng của CO2 với amoniac CO2 + NH3 + H2O  (NH4)2CO3 Phản ứng của amoni cacbonat với oxit nitơ tạo thành amoni nitrit (NH4)2CO3 + N2O3  2NH4NO2 + CO2 ΔH298o = - 75kJ/mol Hydroxylamin disulfonat được chuẩn bị từ phản ứng của SO2 với hỗn hợp amoni nitrit và amoni cacbonat 2NH4NO2 + (NH4)2CO3 + SO2 + H2O  2HON(SO3NH4)2 + CO2 ΔH298 o = 736kJ/mol Và Hydroxylamin được tạo thành từ phản ứng sau: 2HON(SO3NH4)2 + H2O  NH2OH,H2SO4 + (NH4)2SO4 Phản ứng xảy ra ở 95oC 2.2.2. Sơ đồ công nghệ chuyển hóa Cyclohexanon thành ࢿ −Caprolactam Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 12 Hình 2. Sơ đồ công nghệ chuyển hóa Cyclohexanon thành ߝ −Caprolactam Chú thích cơ đồ công nghệ 1-Lò phản ứng thứ cấp 2,5,9-Tháp trung hòa 3,6-Bể lắng 4-Lò phản ứng sơ cấp 7-Tháp ổn định 8-Thiết bị lọc Thuyết minh sơ đồ công nghệ Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 13 Xyclohexanone được đưa vào lò phản ứng có cánh khuấy để thực hiện phản ứng oximation . do phản ứng thu nhiệt nhẹ ∆H = 42kj/mol nên dùng cánh khuấy đảm bảo cung cấp nhiệt đều cho phản ứng. dòng sản phẩm đi ra khỏi lò phản ứng thứ cấp này có tỷ lệ tỷ lệ về khối lượng của cyclohexannon: oxim xấp xỉ như dòng đưa vào thiết bị phản ứng chính. Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng được đi qua thiết bị trung hòa có cánh khuấy . ở đây ammoniac được đưa vào để trung hòa lượng H2SO4 còn lẫn vào trong dòng sản phẩm . sau đó dòng được đưa vào bình lắng. tại đây oxim được nổi lên phía trên của bình lắng và dung dịch amoni sunfat lẫn hydroamin sunfat được tách ở dưới. sau đó dòng oxim được đi vào lò phản ứng chính với nồng độ oxim: xeton là 50:50. Tại đây hydroxylaminsunfat được đưa vào để thực hiện chuyển hóa lượng cyclohexanon còn lại thành oxim. Và tương tự với dòng sản phẩm của lò thứ cấp dòng sản phẩm lò phản ứng chính cúng được đi qua thiết bị trung hòa và lắng đi đến cụm lò phản ứng thiết kế kiểu Beckman trước khi đi vào tinh chế và trung hòa thu hồi caproamide. Cụm lò phản ứng bố trí kiểu Beckmann Việc bố trí lại oxim thành caprolactam được thực hiện bởi hơi axit sunfuric , sau đó được trung hòa bởi ammoniac với sản phẩm là amoni sunfat , theo phản ứng sau: Hiêu ứng nhiệt của phản ưng ∆H=-184 kj/mol được lấy đi bởi dòng hồi lưu ngoài của phản ứng trung gian thông qua trao đổi nhiệt, do đó nhiệt độ được duy trì ở khoảng 75 đến 80oC. hỗn hợp caprolactam và axit sunfuaric thu được đầu tiên được trung hòa bởi dung dịch amoniac 13% khối lượng. dòng hồi lưu có chỉ số cao của dung dịch amoni sunfat ngăn sự tăng nhiệt độ lên quá cao, nguyên nhân gây lên sự phân hủy lactam. Sau khi làm lạnh, hỗn hợp sẽ được lắng. pha chứa sản phầm thô thu được sẽ được ly tâm và sau đó được them vào một lượng nhỏ dòng hồi lưu từ giai đoạn tinh chế cuối, trước Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 14 khi loại bỏ các hợp chất nhẹ bằng stripping. Lactam trước tinh chế và pha nước chứa chủ yếu là amoni sunfat cùng với một dung môi (toluene) được chuyển tới một dãy các tháp chiết từ đó nó được đưa tới quá trình tiếp xúc ngược giữa dung dịch caprolactam giàu và dung dịch (NH4/)2SO4 giàu. Amoni sunfat thu được ở đáy của tháp chiết đầu tiên và sau đó được tinh chế bởi sự trao đổi ion và kết tinh, ly tâm và sấy khô. Lactam đi từ đỉnh của tháp hóa hơi cuối cùng được ổn định. Lớp dưới được hồi lưu tới tháp tách, và phần cất ở trên sau khi được thêm nước, tạo điều kiện tái sinh dung môi bởi sự hình thành hỗn hợp đẳng phí khác. Nước được tách khỏi dung môi, được hồi lưu trở lại sau khi được ngưng tụ và ổn định. Caprolactam lấy ra được đưa tới phần tinh chế, được thực hiện khi cho đi qua tháp trao đổi cation,tháp được tái sinh bằng dung dịch axit sunfuric 4% khối lượng và dòng nước thải thu được được cô đặc trong một chuỗi các thiết bị bay hơi lớp mỏng. hợp chất được bảo quản trong trạng thái lỏng. 2.3. Công nghệ quang hóa Cyclohexan để sản xuất Caprolactam 2.3.1. Tổng hợp oxim trực tiếp bởi quá trình quang hóa Cyclohexan Quá trình quang hóa xyclohexan Toray (PNC) thực hiện sự biến đổi xyclohexan thành oxim hydroclorit bởi phương pháp quang hóa, trong sự có mặt của nitrosyl chloride (NOCl) với phản ứng tổng quát sau: Hình 12.4 là sơ đồ dòng của công nghệ này Nitrosyl chloride (NOCl) được sản xuất từ amoniac và axit clohidric bằng cách: amoniac được oxi xúc tác hóa bởi không khí (quá trình oxi hóa có sử dụng xúc tác mà tác nhân OXH là không khí) ở nhiệt độ cao và tạo ra N2O3 : Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 15 Tác dụng của axit sunfuric ở điều kiện áp suất khí quyển tạo ra dung dịch nitrosyl sulfuric acid ( HNOSO4) trong môi trường axit sunfuric Axit clohidric thay thế axit sunfuric ở 75oC để tạo nitrosyl chloride (NOCl) Axit nitrosyl sunfuric không chuyển hóa được hồi lưu trở lại. hỗn hợp khí NOCl và HCl được đưa vào Cyclohexan lỏng. 2.3.2. Công nghệ quang hóa Cyclohexan Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 16 Hình 3. Công nghệ quang hóa Cyclohexan để sản xuất Caprolactam Quá trình quang hóa xảy ra trong lò phản ứng có đèn hơi thủy ngân được thiết kế để cung cấp năng lượng ánh sáng cần dùng để hoạt hóa cho phản ứng. cyclohexanone oxime hydrochloride, có khả năng hòa tan không đáng kể trong xyclohexan, được tách ra trong sự hình thành lớp dầu. một lượng nhỏ cloroxyclohexan xuất hiện cùng lúc, có thế được sử dụng sau khi được tách ra khỏi xyclohexan không chuyển hóa. Sau quá trình tách, oxime hydrochloride dễ bị phân bố Beckmann trong sự có mặt của hơi axit sunfuric : Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 17 Nhiệt của phản ứng thấp hơn trong quá trình phân bố của oxim tinh khiết (∆H= 187kj/mol), điều khiển nhiệt độ dễ hơn. Hiệu suất lactam thu được khi sử dụng oxim lớn hơn, đạt 90% khối lượng Hơi HCl bay ra được hấp thụ trong dung dịch axit clohiric loãng, và sau đó được đưa tới để sản xuất nitrosyl chloride. Dung dịch của lactam trong axit sunfuric được trung hòa bởi amoniac. 2 pha được tạo ra: lớp trên là caprolactam thô, được làm tinh khiết và lớp đáy là dung dịch amoni sunfat. Hiệu suất lý thuyết tạo caprolactam là 81% khi sử dụng xyclohexan. Đồng sản phẩm amoni sunfat là 1,7 tấn/1 tấn sản phẩm. Phả ứng quang hóa có hiệu suất lượng tử rất thấp (~0,7). Mặc dù, nếu 60KW được và có cho thêm thallium iodide được sử dụng để sản xuất ánh sáng phát xạ cường độ cao ở 535 nm, trong khi làm giảm cường độ của dải sáng thủy ngân khác, 24kg/h oxim có thể được sản xuất bởi mỗi đèn, hay khoảng 180 tấn/năm. Chỉ có một công ty duy nhất phát triển công nghệ này với quy mô công nghiệp đó là Toray ở Nagoya. Việc tiêu tốn lượng năng lượng lớn đã hạn chế quá trình này. 2.4. Quá trình sản xuất caprolactam đi từ phenol Về căn bản quá trình này xảy ra theo hai giai đoạn Giai đoạn 1 : Từ phenol tổng hợp xyclohexanon Giai đoạn 2 : Từ xyclohexanon tổng hợp thành caprolactam Với giai đoạn 1: Sản xuất xyclohexanon Quy trình này có hai bước , đầu tiên phenol được hydro hóa thành hydrohexanol trên nền xúc tác niken. Nhiệt độ của lò phản ứng lên tới 180o C trong hai lò phản ứng mắc nối tiếp với sự có mặt của NaOH và tác nhân làm sạch EDTA( axit etylen diamin tera acetic) để loại bỏ hợp chất cơ kim lẫn vào trong sản phẩm từ xúc tác. Sau đó nó được đưa tới cột chưng cất (15 đĩa) ở đó sẽ phân tách sản phẩm ùng các đồng sản phẩm đi ra trên đỉnh tới hệ thống Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 18 dehydrogen hóa. Lượng tháo ra ở đáy được đưa đến tháp chưng cât thứ 2 gồm 20 đĩa để tách các sản phẩm nặng, tháp này hoạt động dưới áp suất chân không. Đỉnh được quay lại tháp chưng thứ nhất. đáy với 30ppm phenol lẫn trong sản phẩm nặng được lấy ra. xyclohexanol tinh khiết được dehydro hóa ở 175oC với 3 lò phản ứng mắc nối tiếp hoạt động ở áp suất 1.3.106 Pa . xúc tác được sử dụng 0,5% khối lương nguyên liệu. hydro được thêm vào 95% thẻ tích nhiệt được ổn định bởi dòng nước tái sinh giới hạn nhiệt độ đầu ra lên tới 200oC . sản phẩm của nó được làm mát tới 90 oC và được ly tâm để thu hồi xúc tác sau đó xúc tác được tái sinh. Sản phẩm đi ra 97% xyclohexanon 2.5 % cyclohexanol. Chúng được tinh chế trong tháp 35 đĩa. Xyclohexanon được lấy ra trên đỉnh . sản phâm nặng được lấy ra dưới đáy. Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 19 Với giai đoạn 2 : giai đoạn này giống với sản xuất đi từ xyclohexan đã trình bày ở mục 2.3 2.5. Quá trình sản xuất caprolactam từ toluene: Phương pháp này, bắt đầu với toluene, bao gồm 3 bước (hình 12.15) 2.5.1. Oxy hóa toluene thành axit benzoic Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 20 Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 21 Việc biến đổi này xảy ra giống như trong quá trình sản xuất phenol bằng phương pháp Dow ( xem phần 10.15). toluene bị oxy hóa bởi không khí trong sự có mặt của một muối hòa tan của coban, ở nhiệt độ khoảng 160 đến 170oC và áp suất khoảng 0,8 đến 1.106 Pa. độ chuyển hóa 1 lần giới hạn trong khoảng từ 20 đến 40%. Độ chọn lọc của axit benzoic là 93% mol. 2.5.2. Hydro hóa axit benzoic thành axit hexanhydrobenzoic (hay xyclohexan cacboxylic) Phản ứng diễn ra ở 170oC và trong khoảng 1 đến 1,5.106 Pa, trong sự có mặt của xúc tác plaid, trong một dãy các lò phản ứng có cánh khuấy. hydro không chuyển hóa được hồi lưu sau khi được rửa bởi kiềm và nước. hệ xúc tác ở dạng huyền phù trong nước thải được phục hồi bằng cách ly tâm và làm bay hơi axit hexahydrobenzoic trước khi tái sinh và tái chế. 2.5.3. Chuyển hóa axit hexahydrobenzoic thành caprolactam Caprolactam thu được ở áp suất thường trong sự có mặt của dung môi (xyclohexan) trong lò phản ứng nhiều giai đoạn. axit hexahydrobenzoic và hơi axit sunfuric trước tiên được trộn đều ở 35oC, rồi được đưa vào lò phản ứng. axit nitrosyl sulfuric ( được xử lý bởi việc hấp thụ NO-NO2 trong hơi axit sulfuric) được phun vào mỗi giai đoạn với lượng được định trước. độ chuyển hóa một lần của axit hexahydrobenzoic bị giới hạn trong khoảng 50%. Nhiệt độ được giữ ở 80oC bởi quá trình hóa hơi của xyclohexan. Nước thải từ lò phản ứng được pha loãng bởi nước ở nhiệt độ thấp. hơi xyclohexan được ngưng tụ và sử dụng để tách axit hexahydrobenzoic chưa chuyển hóa để hồi lưu trong khi caprolactam được tạo ra sẽ đi tới dung dịch nước. pha này được Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 22 trung hòa bởi amoniac. Amoni sulfat được tạo ra với tỷ lệ 4,2 tấn/1 tấn sản phẩm, thu được bởi quá trình ly tâm. Lactam được chiết với toluene, chiết lại với nước và tách nước. hiệu suất cuối của quá trình là 72% khối lượng khi sử dụng toluene. 2.6. Phản ứng trùng hợp Caprolactam tạo Polycaproamit 2.6.1. Cơ chế phản ứng -Trùng hợp Caprolactam khi có H2O làm chất hoạt hóa ở nhiệt độ 240-270oC với 5 – 10% là nước -Phương trình phản ứng: ࢿ −Caprolactam Polycaproamit − Cơ chế phản ứng: Sự tương tác giữa nhóm cacbony của phân tử Caprolactam với H của phân tử H2O .Trong môi trường axit thì phản ứng càng dễ xảy ra tạo thành 1 cacbocation .Nhóm cacbonyl trong phân tử ࢿ −Caprolactam sẽ lấy một H của phân tử H2O Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 23 Nhóm OH – tấn công vào cacbocation trên Phản ứng mở vòng tạo thành aminoaxit: ࢿ – aminocaproic ࢿ – aminocaproic có chứa N có cặp e chưa tham gia liên kết sẽ tấn công vào cacbocation Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 24 Phản ứng sẽ tiếp tục xảy ra tạo Polycaproamit 2.6.2. Sơ đồ công nghệ Hình 4. Công nghệ polymer hóa Caprolactam thành Polycaproamit Nguyên lý hoạt động Sơ đổ tổng hợp polycaproamide gồm có 3 cụm chính cụm polime hóa , cụm phân tách và cụm làm khô. Cụm polime hóa Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 25 Caprolactam nguyên liệu ( 99%) được trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt trong thiết bị polyme hóa đến khi chuyển sang thể lỏng ( do ở đk bình thường Caprolactam ở thể rắn, ts=69,3oC) hỗn hợp với dòng nước (0,3-5% hỗn hợp) trước khi đưa vào đỉnh tháp oxi hóa. Nếu cần thiết phải thêm chất ức chế thì ta thêm vào dòng nguyên liệu trước khi vào thiết bị oxi hóa. Một số đăc điểm thiết bị oxi hóa:là thiết bị oxi hóa là thiết bị loại ống; Chất xúc tác dòng axit sunphuric trên chất mang cố định; Sau khi dòng nguyên liệu phản ứng đi qua thiết bị trao đổi nhiệt trung tâm thì nhiệt độ dòng được nâng lên tới 270-280oC và đố cũng là nhiệt phẩn ứng; Dưới đáy tháp ra nhiệt độ dưới 240-250oC. Dựa vào số giai đoạn của cụm polime hóa mà người ta chia ra làm hai loại polime hóa một giai đoạn và polime hóa hai giai đoạn. Polime hóa một giai đoạn: Hình 5. Sơ đồ polymer hóa một giai đoạn Caprolactam nóng chảy, với 0,3-5% nước, được đưa vào và trao đổi nhiệt với dòng tải nhiệt từ trong lò phản ứng. điều này giúp ta tận dụng được nhiệt vì phản ứng mặc dù giai đoạn mở vòng thu nhiệt nhẹ nhưng khi trùng hợp tỏa nhiệt mạnh nên cần hệ thống tải nhiệt tốt. để điều chỉnh chiều dài chuỗi, ta thêm các chất ức chế hoặc phụ gia , được đưa từ trên dỉnh của thiết bị phản ứng, polime nóng chảy được lấy ra ở phía đáy của lò phản ứng. Thông thường, các ống VK được trang bị 3 bộ trao đổi nhiệt, để ổn định nhiệt cho vùng phản ứng . Ống VK-bao gồm hai phần phần ngâm trong hỗn hợp phản ứng ở phía dưới và phần phía trên dùng để hóa hơi nướcdưtronghỗnhợp. Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 26 Chức năng của phần trên là để làm nóng khối lượng phản ứng và làm bay hơi nước dư thừa do đó nó được thiết kế dựa trên tổng lượng nước trong các polymer nóng chảy. Caprolactam thu nhiệt phản ứng mở vòng là bắt đầu, sau đó là tăng mạch polime toả nhiệt và ngưng tụ poime tỏa nhiệt.Với vùng giữa trao đổi nhiệt, nhiệt độ được điều chỉnh và cân bằng trên mặt cắt ngang ống. Sau khi vượt qua các trung tâm trao đổi nhiệt, nhiệt độ tăng lên đến khoảng 270-280 ° C do nhiệt sinh ra của phản ứng. Trao đổi nhiệt với dòng tải nhiệt làm phía dưới giảm nhiệt độ xuống đến 240 - 250 ° C, để đảm bảo phản ứng trùng hợp sâu ở trạng thái cân bằng. Đồng thời, một mức độ cao hơn của chuyển đổi caprolactam để Nylon-6 là đạt được.do hạn chế về độ nhớt 2,4-2,8 nên công suất tối đa 130 tấn /ngày. Polyme hóa hai giai đoạn Hình 6. Sơ đồ polymer hóa hai giai đoạn Một tháp tiền polymer hóa được thêm vào , hoạt động dưới áp suất và hàm lượng nước cao, được theo sau bởi một tháp VK-polyme hóa cuối cùng hoạt động ở áp suất khí quyển hoặc chân không.Quá trình 2 giai đoạn cho phép sản xuất độ trùng hợp poli me cao hơn, theo yêu cầu ví dụ như cho dây lốp.Độ nhớt giải pháp tương đối lên đến xấp xỉ 3.5 thu được. Tỷ lệ phản ứng cao của việc mở vòng caprolactam theo các điều kiện trong của tháp tiền Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 27 poime hóa nên thời gian lưu của tháp polime hóa giảm làm cho quá trình có thể sản xuất với lưu lượng lớn 350 tấn/ngày.Các chuỗi polymer được hình thành bằng cách sử dụng máy cắt sợi hoặc các hệ thống cắt ẩm được đưa đến đến các thiết bị phân tách. Cụm phân tách Hình 7. Cụm phân tách sản phẩm Điều quan trọng cho đến nay công nghệ sản xuất là việc tái chế caprolactam và oligomers của nó, được lấy ra trong khi chiết tách polycaprolactam. Các công nghệ chư yêu được sử dụng là chưng cất và trích ly các tạp chất này. Nếu không tách chúng ảnh hưởng xấu đến tính chất polime nhưng tách thì chúng tốn năng lượng và chất thải gây ô nhiếm môi trường do vậy chúng ta phải tách tinh chế caprolactam còn lại chưa phản ứng để hồi lưu nó về dòng nguyên liệu đưa vào.Do cân bằng của phản ứng thuận nghịch phát triển mạch polime nên việc chuyển đổi caprolactam thành nylon- 6 không phải là hoàn toàn . Polymer ra khỏi lò phản ứng có chứa một tỷ lệ thấp phân tử khoảng 8 - 10% bao gồm caprolactam và oligomers. Tại đây phải được loại bỏ bằng cách chiết xuất bằng hơi nước ở nhiệt độ cao để đạt Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 28 được nồng độ polymer tốt và hiệu suất cao trong quá trình chế biến sâu. Nước ở nhiệt độ giữa 100 và 120 ° C được đưa vào dưới cùng của tháp , là một cột thẳng đứng, ngược dòng polime đi từ trên xuống ). Dòng nước được làm giàu nồng độ lên 8-12% các chất lôi quấn theo, trong khi nồng độ caprolactam trong linon-6 chỉ còn lại 0,6%. Các đĩa trong tháp cần được thiết kế tránh dòng nước chảy ngược lại do tỷ khối của nó thay đổi tăng từ dưới lên trên. Cụm làm khô Ở cụm này người ta có thể thực hiện một trong hai loại hoặc kêt hợp cả hai loại hình xử lý sau: Làm khô chân không: đây là cách mà trong sơ đồ đưa ra dòng polime sau khi chưng tách một lượng lớn caprolactam , lượng còn lại sẽ đi ra đáy tháp và được đưa vào trên đỉnh của thiết bị làm khô. Người ta dùng dòng nitow trộn lẫn với H2 để làm khố polime. Khí được gia nhiệt và sục từ dưới lên ở điều kiện chân không. Tuy nhiên việc loại bỏ này chỉ có thể loại caprolactam còn lại nhưng các oligome và các dạng tam hợp không thể loại bỏ dưới điều kiện này. Do vậy sản phẩm tạo ra cần được gia nhiệt đáy để tiến hành chuyển hóa sâu các polime có độ trùng hợp thấp. Ngưng tụ polymer: người ta nâng nhiệt độ polime lên 150-190oC để xử lý các chất có trọng lượng phân tử cao hơn monome và thấp hơn polime yêu cầu. tại nhiệt độ này các phân tử sẽ nối với nhau tạo ra mạch dài hơn.. Đồ án CN Hóa dầu và CB Polyme Bộ môn Lọc – Hóa dầu Sinh viên Nhóm 9 Lớp : Lọc – Hóa dầu K52 29 KẾT LUẬN Polycaproamit có thể sản suất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau. Nhưng đều phải qua 2 giai đoạn là tổng hợp caprolactam và thủy phân caprolacta trong điều kiện thích hợp.Trong đồ án này nhóm đã đưa ra 2 phương pháp tổng hợp monome caprolactam đó là : đi từ xyclohexan, toluene . Cả 2 phương pháp này đều có những ưu và nhược điểm riêng vì thế chúng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên được sử dụng rộng rãi hơn cả là phương pháp đi từ Cyclohexan.Phương pháp này sử dụng nước làm tác nhân khơi mào mở vòng. Mặc dù việc tản nhiệt trong lò phản ứng khó khăn và độ nhớt của polime ảnh hưởng đến năng suất của sản phẩm nhưng phương pháp này vẫn được sử dụng bởi nó có chi phí tinh chế sản phẩm thấp hơn so với phương pháp khác và quy trình công nghệ tương đối đơn giản. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Petrochemical processes technical and economic characteristic.Volume 2 major oxygenatef, chlorinated and nitrated derivatives [2]. Ths.Nguyễn Thị Linh, Bài giảng các quá trình công nghệ hóa dầu và chế biến polyme, Bộ Môn Lọc – Hóa dầu,ĐH Mỏ - Địa chất Hà nội [3]. PGS.TS.Thái Doãn Tĩnh, Hóa học các hợp chất cao phân tử (2005),Nxb Khoa học và Kỹ thuật [4]. Sổ tay hóa dầu petroprocess(2005) [5]. pshe