Đề tài Quy trình tổng hợp Methanol

,610 ×10-3Wm-1.K 192,9 ×10-3Wm-1.K Bảng 1. 5.2. Tính chất hóa học : Oxi là một phi kim hoạt động, độ âm điện của nó lớn (∆H=3,5) chỉ kém flo nên trong tất cả các hợp chất, trừ hợp chát với flo,oxi đều thể hiện số oxi hóa là -2. Oxi tạo ra với hầu hết các nguyên tố trừ halogen, khí hiếm,vàng và phi kim họ platin. Tốc độ phản ứng của oxi với các nguyên tố, nhiệt độ và một số điều kiện khác nữa. a) Tác dụng với kim loại: Nó phản ứng trực tiếp với tất cả các kim loại trừ vàng và bạch kim.Những kim loại hoạt động như kim loại kiềm,Ca,Sr,và Ba tác dụng nhanh chóng với oxi tạo thành oxit. 2Ca + O2 = 2CaO 4Al + 3O2 = 2 Al2O3 b)Tác dụng với phi kim Oxi tác dụng với photpho ở 60OC,với lưu huyfnh ở 250OC,với hidro ở 300OC,vói cacbon (than) ở 700÷800OC và với nito ở 2000OC tạo nên những oxit cộng hóa trị: S +O2 = SO2 4P +5 O2 = P2O5 2H2 + O2 = 2 H2O C + O2 = CO2 N2 + O2 = 2 NO c)Tác dụng với hợp chất : Nhiều hợp chất cháy trong khí oxi dư tạo nên oxit của các nguyên tố có trong hợp chất đó. Như khí H2S, khí CH4, rượu etylic C2H5OH và pirit FeS2 cháy theo các phản ứng sau : 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O 4FeS2 + 9O2 = 2Fe2SO3 + 6H2O Tất cả các phản ứng trên xảy ra phát nhiệt, phản ứng với oxi tinh khiết luôn xảy ra mạnh so với không khí vì oxi tinh khiết có nộng độ O2 lớn hơn không khí. Bởi vậy ve diêm cháy dở còn một chấm đỏ sẽ cháy sáng khi đưa vào oxi tinh khiết, đây là phương pháp nhận biết oxi. Những quá trình khi xảy ra phát nhiệt và ánh sáng được gọi là quá trình cháy. Cũng có những phản ứng oxi hóa-khử khi xảy ra phát nhiệt nhưng không phát sáng, như quá trình hô hấp, sự thối rữa của thực vật và động vật sau klhi chết,…. Những phản ứng mà oxi tham gia đều là phản ứng oxi hóa-khử, trong đó oxi là chất oxi hóa: O2 + 4e = 2O-2 5.3. Ứng dụng của oxi : Oxi có vai trò rất đặc biệt đối với sự sống, mỗi ngày mỗi người hít thở 20÷30m3 không khí. Oxi tinh khiết được dùng trong y học với mục đích tăng oxi cho hô hấp. Trong công nghiệp hóa học, oxi được đùng trong sản xuất axit nitric, axit sunfuric đùng để đốt quặng trong tổng hợp hữu cơ. Trong công nghiệp, oxi chủ yếu được dùng cùng với hidro và nhất là với axetilen trong việc tạo nhiệt độ cao để hàn và cắt kim loại. Đèn xì hidro-oxi có nhiệt độ 2500oC và đèn xì axetilen-oxi cớ nhiệt độ 3000oC, nghành luyện kim tiếu thụ trên 60% lượng oxi dùng trong công nghiệp. Ngày nay, Oxi được sử dụng ngày càng nhiều để cho thêm vào không khí thổi vào các lò luyện gang. Oxi lỏng có thể trộn với rơm thành thuốc nổ để phá mỏ và dùng làm chất oxi hóa nhiên liệu tên lửa. VI. Tính chất của Methanol. 6.1) Tính chất vật lý : Methanol là chất lỏng không màu,trung tính,có tính phân cực,tan trong nước,bezen,rượu,este va hầu hết các dung môi hữu cơ.Methanol có khả năng hòa tan nhiều loại nhựa ít tan trong các loại chất béo,dầu.Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất vô cơ. Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí(7÷34%),rất độc cho sức khỏe con người, với lượng 10ml trở lên có thể gây tử vong. Bảng một số hằng số vật lý quan trộng của methanol Tên Hằng số Nhiệt độ sôi (101,3KPa) Nhiệt độ đóng rắn. Tỷ trọng chất lỏng (OOC, 101,3KPa). Tỷ trọng chất lỏng (25OC,101,3KPa) Nhiệt độ bốc cháy. Áp suất tối hạn. Nhiệt độ tới hạn. Tỷ trọng tới hạn. Thể tích tới hạn. Hệ số nén tới hạn. Nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ hóa hơi. Nhiệt dung riêng của khí (25OC,101,3KPa) Nhiệt dung riêng của lỏng (25OC,101,3KPa) Độ nhớt của lỏng (25OC) Độ nhớt của khí (25OC) Hệ số dẫn điện (25OC) Sức căng bề mặt trong không khí (25OC) Entanpi tiêu chuẩn (khí 25OC,101,3KPa) Entanpi tiêu chuẩn (lỏng 25OC,101,3KPa) Entopi tiêu chuẩn (khí 25OC,101,3KPa) Hệ số dẫn nhiệt lỏng (25OC) Hệ số dẫn nhiệt khí (25OC) Giới hạn nổ trong không khí. 64,7OC -97,68 OC 0,81000 g/cm2 0,78664 g/cm2 470 OC 8,097 Mpa 239,49 OC 0,2715 g/cm3 117,9 cm3/mol 0,224 100,3 KJ/kg 1128,8 KJ/kg 44,06 J.mol-1.K-1 84,08 J.mol-1.K-1 0,5513 m Pas 9,6.10-3 m Pas (2÷7).10-9Ω-1.Cm-1 22,10 m N/m -200,94 KJ/mol 239,88J.mol-1.K-1 127,27J.mol-1.K-1 190,16 m Wm-1.K-1 14,97 m Wm-1.K-1 5,5 ÷44% V Bảng 2. 6.2) Tính chất hóa học : Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức, hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm -OH. Các quá trình phản ứng của methanol đi theo hương cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đăc trưng bởi sự thay thế nguyên tử H hay nhóm OH trong phân tử. Một số phản ứng đặc trưng: TC, xúc tác a) Phản ứng hydro hóa CH3OH + H2 CH4 + H2 b) Phản ứng tách H2O: CH3OH + H2 TC=140 CH4 + H2O H2S04 đặc c) Phản ứng oxy hóa. Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại(Ag,Pt,Cu, O2) hay xúc tác oxyt (Fe, O2, Mo) hoặc hỗn hợp các oxyt (V-Mo,Fe-Mo,Ti-Mo) trong điều khiện thích hợp ta thu được fomanđehuyt và các sản phẩm phụ: CH3OH +1/2O2 TC, xúc tác HCHO + H2O +Q, ∆H=-159Kj/mol Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra axit fomic: CH3OH + O2 TC, xúc tác HCHO + H2O Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O: CH3OH + 1/2O2 TC, xúc tác CO + H2O CH3OH + O2 TC, xúc tác CO2 + H2O 6.3) Phản ứng dehydro hóa : Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO CH3OH ↔ CH2O + H2 Một số chỉ tiêu quan trọng của methanol Thành phần Quy định Hàm lượng methanol >99,5% Tỷ trọng d 0,7928 g/cm3 Khoảng nhiệt độ sôi cực đại 1OC Hàm lượng aceton và acetandehyt <0,003 W/t Hàm lượng etanol <0,001% Hàm lượng hợp chất bay hơi của sắt(tính theo sắt) <2.10-6 g/l Hàm lượng lưu huỳnh <0,0001% Hàm lượng Clo <0,0001% Ph 7,0 Thời gian khử màu tối thiểu(kiểm tra KmnO4) 30 phút Bảng 3. Chỉ tiêu kỉ thuật methanol thương phẩm Tên chất Giới hạn cho phép (% khối lượng) Metanol Min 99,88% Etanol Max 0,002% Axeton Max 0,001% Axit Axetic Max 0,003% Amoniac Max 0,003% Nước Max 0,1% Bảng 4. Tình hình sản xuất, sử dụng methanol trên thế giới và tại Việt Nam Hình 5. Năm 1994 1995 1996 1997 1998 2001 2004 Cung ứng 25.385 28.295 30.012 32.632 35.962 36.612 37.362 Tiêu thụ 22.720 23.927 26.127 27.142 28.165 30.355 32.746 Bảng 5. 6.4) Ứng dụng : - Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản xuất những hóa chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Tuy nhiên, sau năm 1990, nhu cầu methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE) tăng cao khi MTBE trở thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ. - Methanol được sử dụng như là một dung môi phục vụ cho các ngành công nghiệp pha chế sơn ,dung dịch lau kính xe, mực in máy photocopy…….. - Methanol không phải là loại thực phẩm, vì vậy, việc sử dụng các loại rượu có nồng độ methanol vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong 1000 ml rượu chỉ có dưới 1ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol. Một số lượng lớn của methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống dẫn khí thiên nhiên chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp,làm tác nhân hấp phụ trong các thiết bị làm sạch khí để loại bỏ CO2 ,H2S ở nhiệt độ thấp. Methanol được sử dụng ở Liên Xô cũ năm 1969 TT Sử dụng để sản xuất Thành phần (%) 1 Fomandehyt 51,2 2 Cao su tổng hợp 12,5 3 Các thuốc thử 10,0 4 Thuốc nhuộm 7,3 5 Cacbamit, nhựa trao đổi 6,3 6 Metylêt,etylen glycol 3,9 7 Demetyl ephatalat 2,9 8 Các ure khác 5,7 Bảng 6. → Tóm lại methanol dùng để: Sản xuất MTBE Sản xuất Axit Axetic Sản xuất MMA,DMT. Làm dung môi,chất tải lạnh, chất chống đông. Có trong thành phần của sơn,vecni Sản xuất Formandehyt Nhiên liệu/Xăng. Hình 6. PHẦN B: TỔNG HỢP H2, CO VÀ KHÍ TỔNG HỢP I. GIỚI THIỆU CHUNG Khí tổng hợp là hỗn hợp khí của CO và H2.Tỷ lệ H2/CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất và mục đích ứng dụng. Trong chiến tranh Thế giới thứ II, khí tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp khí hóa than và được dùng ở Đức để sản xuất hỗn hợp hydrocacbon lỏng theo công nghệ Fischer-Tropsch dùng cho xăng.Công nghệ khí hóa than hiện nay hầu như không được ứng dụng vì giá thành sản phẩm cao,tuy nhiên nó vẫn được duy trì ở một số nước có nguồn than đá dồi dào và rẻ (Nam Phi). Qúa trình steam reforming khí tự nhiên được áp dụng ở những nước có nguồn khí lớn như Mỹ, Ảrập Xeeut, trong khi đó ở châu Âu thường sử dụng quá trình steam reforming phân đoạn naphta (chứa các hydrocacbon từ C5-C10). Khi khối lượng phân tử của hydrocacbon tăng (tỷ lệ H/C của nguyên liệu giảm)thì tỷ lệ H2/CO trong sản phẩm giảm.Tỷ lệ này là 3 khi sử dụng nguyên liệu là metan; 2,5 đối với etan; 2,1 đối với heptan và nhỏ hơn 2 đối với hydrocacbon nặng hơn. Qúa trình oxy hóa không hoàn toàn không sử dụng xúc tác cũng có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, nhưng tỷ lệ H2/CO thấp hơn so với quá trình steam refoming. Khí tổng hợp là sản phẩm trung gian quan trọng. Hỗn hợp CO và H2 có thể được sử dụng để sản xuất metanol, tổng hợp hydrocacbon theo công nghệ Fischer-Trosch, tổng hợp anddeehit và rượu theo công nhệ Oxo. Khí tổng hợp là nguồn chính để sản xuất H2 dùng cho sản xuất amoniac. Amoniac lại là nguyên liệu đầu quan trọng để tổng hợp ure, nitrat amon và hydrazin. Qúa trình tổng hợp metanol và amoniac là các quá trình xúc tác đầu tiên được áp dụng với quy mô lớn vào đầu thế kỷ 20. Nhà máy sản xuất metanol đầu tiên được xây dựng vào năm 1923 đã đánh dấu bước khởi đầu cho nền công nghiệp hóa hiện đại hóa. Metanol là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất các hóa chất như formandehit, dẫn xuất Clo, MTBE...40% lượng metanol được dùng để sản xuất formandehit. II.CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT H2, CO VÀ KHÍ TỔNG HỢP Các phương pháp chính sản xuất H2,CO và khí tổng hợp bao gồm: Steam reforming khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ Oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ. Khí hóa than 2.1) Sản xuất khí hydro và khí tổng hợp bằng phương pháp reforming hơi nước (steam reforming) 2.1.1) Nguyên liệu đầu và phương pháp xử lý nguyên liệu đầu Nguyên liệu đầu sử dụng cho quá trình reforming hơi nước có thể là khí tự nhiên hay là phân đoạn naphta. 2.1.1.1 ) Khí tự nhiên Trong khí tự nhiên, ngoài thành phần chính là metan còn có một lượng nhỏ các hợp chất hydrocacbon phân tử lượng thấp N2,CO2,các hợp chất chứa lưu huỳnh....,ngoài ra trong khí tự nhiên còn có thể có vết của hợp chất chứa Cl phát sinh trong quá trình bảo quản. Trước khi đưa vào quá trình reforming hơi nước, thành phân condensat phải được tách loại để đảm bảo thành phần khí ổn định, các hợp chất chứa lưu huỳnh cũng phải được loại bỏ bằng quá trình hydro hóa và hấp thụ bằng oxyt kẽm. Nếu hàm lượng Clo lớn hơn 1 ppm thì cần phải tách bằng quá trình hấp phụ kiềm. Sự có măt của CO2 trong thành phần nguyên liệu của quá trình sản xuất NH3 và H2 có thể làm giảm hiệu quả của quá trình, do vậy cũng phải loại bỏ.Để tránh quá trình metan hóa, hàm lượng CO2 phải đảm bảo nhỏ hơn 5%. Nito là chất pha loãng không ảnh hưởng đến quá trình và sẽ thu được cùng sản phẩm hydro, tuy nhiên nếu sản phẩm khí tổng hợp được dùng cho quá trình sản xuất metanol thì lượng nitro trong nguyên liệu đầu cũng cần được loại bỏ. 2.1.1.2. Naphta Phân đoạn naphta có nhiệt độ sôi cuối nhỏ hơn 220oC thích hợp làm nguyên liệu cho quá trình reforming hơi nước. Hàm lượng naphten trong nguyên liệu đầu phải nhỏ hơn 40% để tránh tạo thành hydrocacbon thươm trong giai đoạn hydrodesunfua hóa trước khi đưa vào thiết bị reforming hơi nước. Các hợp chất olefin cũng phải nhỏ hơn 1%. Để tránh ngộ độc xúc tác, khi đưa vào thiết bị refoming hơi nước, hàm lượng hợp chất chứa lưu huỳnh phải nhỏ hơn 0,5 ppm, hợp chất chứa Clo dưới 1 ppm. Ngoài ra hàm lượng Pd (xuất hiện trong quá trình tồn chứa và vận chuyển naphta) phải nhỏ hơn 1 ppm. a) Hóa lý của quá trình refoming hơi nước Mục đíchcủa quá trình refoming hơi nước là tách ra một lượng hydro lớn nhất từ nước và hydrocacbon. Qúa trình refoming hơi nước sơ cấp khí tự nhiên bao gồm 2 phản ứng thuận nghịch đó là phản ứng refoming (1) và phản ứng chuyển hóa CO bằng hơi nước (water-gas ghift) (2). CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 ΔH = +206 KJ/mol (1) CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH= - 41 KJ/mol (2) Phản ứng refoming (1) là phản ứng thu nhiệt và tăng thể tích, do vậy về mặt nhiệt động học thích hợp ở nhiệt độ cao, áp suất thấp. Trong khi đó phản ứng chuyển hóa CO bằng hơi nước (2) là phản ứng tỏa nhiệt và không thay đổi thể tích nên thích hợp ở nhiệt độ thấp và không bị thay đổi bởi ảnh hưởng của áp suất. Từ phản ứng (1) và (2) cho thấy hệ số tỷ lượng giữa hơi nước/cacbon là 1,0. Phản ứng refoming được tăng cường nếu sử dụng lượng hơi nước dư và trong thực tế tỉ số này thường được duy trì ở 3,0 – 3,5. Tuy nhiên, hiện nay để tăng cường hiệu quả kinh tế của quá trình, người ta đang cố gắng giảm tỉ lệ hơi nước/C xuống thấp hơn. Qúa trình reforming naphta dựa trên 3 phản ứng: reforming (3), metan hóa (4) và chuyển hóa CO (5). C2H2n+2 + nH2O nCO + (2n+1)H2 (3) CO +3H2 CH4 + H2O ΔH = -206 kJ/mol (4) CO + H2O CO2 + H2 ΔH = -41 kJ/mol (5) Phản ứng reforming (3) thu nhiệt nhiều hơn 2 phản ứng tỏa nhiệt (4) và (5) (ví dụ đối với C7H16 ΔH = +1108 kJ/mol), do vậy hiệu ứng nhiệt tổng cộng của quá trình thường là thu nhiệt. Cũng giống như quá trình reforming hơi nước khí tự nhiên, về mặt nhiệt động học phản ứng reforming hơi nước với nguyên liêu đầu là naphta cũng thích hợp ở nhiệt độ cao và áp suất thấp, trong khi đó phản ứng chuyển hóa hơi nước bị ức chế ở nhệt độ cao và không bị ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất. Niếu tỉ lệ hơi nước/naphta lớn hơn thì sẽ thúc đẩy phản ứng reforming. Trong thực tế tỉ lệ hơi nước/cacbon = 3,5 ÷ 4,5 thường được sử dụng. Niếu tỉ lệ hơi nước/C thấp thì phản ứng metan hóa sẽ chiếm ưu thế, và trong một số điều kiện nhiệt độ và áp suất đặc biệt thì hiệu ứng nhiệt tổng cộng của quá trình sẽ là tỏa nhiệt (bảng 4.1). Bảng 4.1. Hiệu ứng nhiệt của ứng reforming hơi nước sơ cấp ở các điều kiện phản ứng khác nhau Điều kiện phản ứng Phản ứng ΔH(kJ/monl CH2,2) Áp suất (Mpa)M Nhiệt độ(0oC) Tỉ lệ hơi nước/C 2,07 800 3,0 CH2,2 + 3H2O 0,2CH4 + 0,4CH2 + 0,4CO + 1,9H2 + 1,8H2O +102,5 2,76 750 3,0 CH2,2 + 3H2O 3,35CH4 + 0,4CH2 + 0,25CO + 1,45H2 + 1,95 H2O +75 3,10 450 2,0 CH2 +2H2O 0,75CH4 + 0,25CO2 + 1,14H2 + 1,15H2O -48 Bảng 6. Phản ứng chính xảy ra trong thiết bị reforming thứ cấp là phản ứng oxy hóa không hoàn toàn metan với lượng thiếu oxy hoặc không khí. CH4 + ½ O2 CO + 2H2 ΔH = -32,1 kJ/mol (6) Đây là phản ứng tỏa nhiệt nên nhiệt độ ở thiết bị reforming thứ cấp có thể lên tới 900oC b) Công nghiệ reforming hơi nước Quá trình reforming hơi nước sản xuất hydro bao gồm 6 giai đoạn xúc tác. Các phản ứng cơ bản và xúc tác điển hình cho các giai đoạn này được liệt kê trong bảng 4.3. Để thu được khí tổng hợp có thể dừng ở giai đoạn thứ 3 (steam reforming thứ cấp). Để thu được hydro cho quá trình tổng hợp amoniac cần thực hiện các giai đoạn tiếp theo nhằm làm giảm hàm lượng CO xuống mức thấp nhất. Bảng 4.3. Các giai đoạn cơ bản của quá trình reforming hơi nước sản xuất hydro Giai đoạn Phản ứng Xúc tác Desunfua hóa R-S + H2 H2S + RH Co-Mo/Al2O3 Steam reforming sơ cấp RH +H2O H2 + CO + CO2 + CH4 Ni/Mg (naphta), Ni/CaAl2O4 (CH4) Steam reforming thứ cấp 2CH4+3H2O7H2+CO+CO2 CH4 + ½ O2 CO +2H2 Ni/CaAl2O4, Ni/α-Al2O3 Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao CO + H2O H2 + CO2 Fe3O4 –Cr2O3 Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp CO + H2O H2 + CO2 CuO Metan hóa CO + 3H2 CH4 + H2O Ni/Al2O3 CO2 oxi Nhiệt độ cao Nhiệt độ cao khí tự nhiên Thải Thải 99% H2 Bảng 7. Hình 7: Sơ đồ sản xuất H2 bằng phương pháp reforming hơi c) Làm sạch RH Trong nguyên liệu đầu hydrocacbon có chứa các hợp chất lưu huỳnh có thể gây ngộ độc cho xúc tác của quá trình chuyển hóa, vì vậy các hợp chất này cần được làm sạch khỏi nguyên liệu đầu. Các hợp chất lưu huỳnh được chuyển sang dạng H2S bằng quá trình hydrodesunfua hóa (HDS) với xúc tác Co-Mo/Al2O3 . Sau đó H2S được hấp thụ bằng ZnO (bề mặt riêng 25m2/g) H2S + ZnOZnS + H2O Hàm lượng lưu huỳnh được giảm xuống mức nhỏ hơn 0,01 ppm. Các hợp chất clo gây ăn mòn các thiết bị trao đổi nhiệt và gây ngộ độc xúc tác khí hóa nhiệt độ thấp cũng được giảm xuống mức dưới 5 ppb sử dụng chất hấp thụ Al2O3 đã được xử lý với kiềm. d) Reforming hơi nước sơ cấp (Primary steam reforming) Hydrocacbon sạch và nước mền được trộn với tỉ lệ H2O:C=2,5-4 (tương ứng với nồng độ CH4 là 20- 25% ở đầu vào). Hỗn hợp nguyên liệu đầu được gia nhiệt đến 4000C , áp suất 2-3 Mpa và được đưa vào thiết bị phản ứng gồm hàng trăm ống chứa xúc tác với đường kính 25 -50 mm làm bằng hợp kim Cr-Ni. Các ống phản ứng được đặt trong một buồng đốt và được gia nhiệt qua thành ống. Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, nhiệt độ đầu ra thường chỉ duy trì ở 8000C và hàm lượng H2O không vượt quá 80%. Điều kiện phản ứng đối với nguyên liệu đầu metan và naphta rất khác nhau. Đối với nguyên liệu đầu là CH4: nhiệt độ 800- 9000C, tỉ lệ H2O/ CH4 = 18 - 3. Nhiệt độ phản ứng đối với nguyên liệu naphta thấp hơn khoảng 100 - 2000C (600 - 8000C) và tỉ lệ H2O:C cao hơn (2,5 - 4). Để giảm thể tích thiết bị phản ứng và giảm sự chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị trong cả hai trường hợp áp suất được duy trì ở 2 -3 Mpa và tôc độ thể tích khí từ 2500 - 8700 h-1 e) Reforming hơi nước thứ cấp (Secondary steam reforming) Khí đi ra từ thiết bị reforming hơi nước sơ cấp có chứa 10 - 13 % CH4 sẽ được tiếp tục phản ứng trong thiết bị reforming thứ hai để giảm lượng CH4 xuống < 1%, tăng hàm lượng hydro trong sản phẩm. Quá trình được tiến hành trong thiết bị phản ứng đoạn nhiệt. Nhiệt độ phản ứng cao hơn quá trình reforming hơi nước sơ cấp. Nhiệt độ đầu vào 8000C, đầu ra 900-10000C. Nhiệt phản ứng được cung cấp thêm bởi phản ứng oxy hóa của oxy với CH4, H2 và CO bằng cách đưa thêm oxy vào với tỉ lệ O2/C khoảng 0,22. Trong trường hợp tổng hợp amoniac, có thể dùng không khí thay cho oxy nguyên chất. Sản phẩm có hàm lượng CH4+ < 1%, CO = 10 - 13% f) Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao (Hiigh temperature water-gas-shift) Khí sản phẩm từ Steam Reforming thứ cấp có chứa 10-13% CO sẽ được tiếp tục xử lý để làm tăng hàm lượng H2 và giảm hàm lượng CO xuống khoảng 2-3% trong thiết bị lớp xúc tác cố định, ở chế độ đoạn nhiệt (T =500C ) . Nhiệt độ phản ứng 350-5000C, áp suất 2-3 Mpa và tốc độ thể tích: 400 -1200h-1 . Về mặt nhiệt động học, phản ứng thích hợp ở 2000C,tuy nhiên tại nhiệt độ này xúc tác Fe3O4 có hoạt tính không cao, Cr2O3 đóng vai trò chất trợ xúc tác làm cho xúc tác Fe3O4 không bị thiêu kết (kết tụ). Xúc tác được điều chế bằng phương pháp đồng kết tuả. Dạng hoạt tính của xúc tác( Fe3O4) được tạo ra bằng phản ứng khử của Fe2O3 bằngCO và H2 trong dòng khí phản ứng. Fe2O3 + H2 + CO = Fe3O4 + H2O + CO2 Hơi nước được thêm vào quá trình hoạt hóa xúc tác để điều khiển nhiệt độ và tránh phản ứng khử hoàn toàn Fe2O3 thành Fe kim loại. g) Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp (Low temperature water-gas-shift) Hàm lượng CO trong khí sản phẩm của quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao vào khoản 2-3% cần được tiếp tục giảm xuoongsdwowis 0,2% trong thiết bị khí hoá ở nhiệt độ thấp. Qúa trình được tiến hành trong thiết bị phản ứng với lớp xúc tác cố định ở chế độ đoạn nhiệt (T=150C ). Nguyên liệu từ thiết bị chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao được hạ xuống nhiệt độ 2000C trước khi đưa vào thiết bị chuyển hóa nhiệt độ thấp. Qúa trình được tiến hành ở nhiệt độ 2300C, áp suất 1-3 Mpa, tốc độ thể tích (GHSV):3600h-1. Xúc tác có hoạt tính caoCuO/ZnO/ Al2O3 ở dạng hình cầu thường chứa 30% CuO, 35-55% ZnO và 15-35% Al2O3. ZnO có vai trò tránh cho CuO không bị thiêu kết. ZnO và Al2O3 sẽ hấp phụ các hợp chất chứa lưu huỳnh và clo, bảo vệ cho CuO không bị ngộ độc bởi các hợp chất này. h) Metan hóa (Methanation) hay quá trình tách CO/CO2 cuối cùng. Tuy hàm lượng CO trong khí sản phẩm của quá trình khí hóa ở nhiệt độ thấp chỉ là 0,2-0,5%, nhưng để sử dụng khí tổng hợp làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp NH3 vẫn cần tiếp tục giảm lượng CO xuống 5 ppm. Lượng CO2 trong khí sản phẩm được giảm xuống 0,1-0,2% trong thiết bị rửa bằng amin và được thu hồi cho các mục đích sử dụng khác. Qúa trình metan hóa được tiến hành trong thiết bị đoạn nhiệt, lớp xúc tác cố định, sử dụng xúc tác Ni/ Al2O3. Qúa trình được tiến hành ở áp suất 3 Mpa. Nhiệt độ đầu vào 3000C, đầu ra 3650C , tốc độ thể tích 6000-10000 h-1. 2.2. Sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn. Về lý thuyết, quá trình này quá trình này có thể dùng cho bất kỳ dạng nguyên liệu nào từ khí, lỏng hay rắn, tuy nhiên quá trình thường sử dụng các loại nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có như: khí tự nhiên, hydrocacbon nặng (phân đoạn FO), than đá.... Đôi khi quá trình này còn được gọi là quá trình khí hóa ( gasification). Qúa trình dựa trên các phản ứng sau: -Phản ứng cháy: xảy ra ở nhiệt độ caoCO là sản phẩm chính CH4 +3/2 O2 ↔ CO +2 H2O -Phản ứng của CO với hơi nước (hơi nước được tạo ra trong phản ứng cháy hoặc được đưa thêm vào) CO + H2O ↔ CO2 + H2 -Phản ứng phân hủy hydrocacbon CH4 ↔ C (khí) +2H2 -Với sự có mặt của CO2 và hơi nước, C tạo thành sẽ tiếp tục tham gia các phản ứng sau: CO2 + C ↔ 2CO C + H2O↔ CO + H2 Đối với quá trình sử dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên, phản ứng tổng quát: CH4 + 1/2O2 ↔ CO + 2H2 Trong trường hợp nguyên liệu là các hydrocacbon nặng hơn, phản ứng xảy ra như sau: CnHm +( 2n + m)/4O2 ↔ nCO + m/2 H2O Vì tỉ lệ H/C trong nguyên liệu giảm, nên phẩn ứng có xu hướng tạo thành nhiều CO hơn, lượng H2O tạo ra trong phản ứng cháy giảm, nên cần phải thêm hơi nước vào. Qúa trình tỏa nhiệt, do vậy năng lượng tiêu thụ thấp hơn trong phản ứng steamrefoming. Tốc độ phản ứng lớn nên thiết bị phản ứng rất nhỏ. Chi phí cho thiết bị chỉ bằng 30% so với các phương pháp truyền thống. Trong trường hợp sử dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên, sản phẩm thu được có tỉ lệ H2/CO=2 rất thích hợp cho quá trình tổng hợp FT và tổng hợp metanol. Sơ đồ công nghệ sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn của hảng Texaco và Shell được trình bày trong hình 8.1 và hình 8.2. Cả hai sơ đồ này đều có công đoạn thu hồi cacbon tạo thành bằng cách rửa với nước, sau đó trích ly phần bùn bằng naphta. Tiếp theo phần trích được trộn với nguyen liệu đầu và đưa trực tiếp vào thiết bị oxy hóa (công nghệ Shell), hoặc xử lý trước bằng cách gia nhiệt và tách với sự có mặt hydocacbon nặng hơn (như FO hoặc dầu thô) để tách và tuần hoàn naphta (công nghệ Texaco). tách Tách naphta bằng FO Tách cacbon Nước và cacbon Sản xuất hơi nước Oxy hóa không hoàn toàn Nước cho Nồi hơi noii Oxy hoặc không khí Rửa khí Khí sản phẩm Hơi nước Áp suất cao naphta FO Hình 8.1. Sơ đồ sản xuất khí và tổng hợp bằng phương pháp Oxy hóa không hoàn toàn của Texaco Nước thải Oxy hoặc không khí Oxy hóa không hoàn toàn Sản xuất hơi nước Khí sản phẩm Nước cho nồi hơi Lọc cacbon Rủa khí Thu hồi cacbon naphta Nước bổ sung Hơi nước áp suất cao Hình 8.2. Sơ đồ sản xuất khí và tổng hợp bằng phương pháp Oxy hóa không hoàn toàn của shell III. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ QUẢN LÝ KHÍ SẢN PHẨM Thành phần của khí tổng hợp thu được từ quá trính steam reforming khí tự nhiên và quá trình trình oxy hóa không hoàn toàn phân đoạn FO nặng được so sánh trong bảng 8.1 Bảng 8.1. Thành phần của khí tổng hợp thu được từ quá trính steam reforming khí tự nhiên và quá trình trình oxy hóa không hoàn toàn phân đoạn FO nặng Quá trình Nguyên liệu Oxy hóa không hoàn toàn Steam reforming Khí tự nhiên Naphta FO Than đá Khí tự nhiên Cấu tử H2 CO CO2 CH4 N2 Tạp chất khác 61 35 2-3 - 0-1 2-0 51 45 2-3 - 0-1 2-0 47 47 4 1 - 1 40 35 21 2 2 - 55-57 12-15 7-12 - 22-24 4-2 Bảng 8.1 3.1. Sản xuất hydro H2 (tos = -249,4oC, d = 0,0679) có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất cốc, cracking hơi nước reforming xúc tác, từ quá trình oxy hóa không hoàn toàn, reforming hơi nước, từ quá trình điện phân nước…. Từ bảng 4.4 cho thấy sản phẩm khí tổng hợp của quá trình oxy hóa không hoàn toàn và quá trình steam reforming có chứa nhiều CO, vì vậy để có thể sản xuất hydro cho quá trình tổng hợp amoniac cần có công đoạn chuyển hóa CO, tách CO2 và các tạp chất. Khí sản phẩm thu được sau quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp (L.T.W.G.S) cần qua các giai đoạn tách các tạp chất sau: Tách ẩm: bằng phương pháp làm lạng ngưng tụ hoặc hấp thụ bằng zeolit. Tách khí axit, đặc biệt là CO2 hoặc H2S sinh ra trong quá trình oxy hóa không hoàn toàn các nguyên liệu đầu không được khử lưu huỳnh. Tách vết CO còn lại Hình 9. mô tả các công đoạn trong quá trình sản xuất H2 từ khí tổng hợp của quá trình reforming hơi nước và oxy hóa không hoàn toàn. Desungfua hóa Steam reforming H2O Oxy hóa không hoàn toàn O2 H2O S Hấp phụ H2S Sản xuất S H2O Chuyển hóa CO Hấp thụ CO2 và H2S Sấy Làm sạch CO2 H2 Asphan Than đá Cặn chân không FO Naphta LPG Metan Hình 9. Sản xuất H2 từ khí tổng hợp 3.2.Tách khí axit Phụ thuộc vào nguồn nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất,loại xúc tác sử dụng cho quá trình chuyển hóa CO với hơi nước, có các quá trình tách khí axit sau đây: a)Tách bằng hấp phụ hóa học thuận nghịch, giải hấp thụ bằng cacha tăng nhiệt độ giảm áp suất. Các dung môi được sử dụng bao gồm: Alkanolamin (monoetanolamin, trietanolamin, dietanolamin, disopropyamin và diglycolamin), muối kiềm: cacbonat natri hoặc kali, kết hợp với amin hoặc không và dung dịch amoniac. b) Tách bằng hấp thụ vật lý: hiệu quả hấp thụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí axit. Các dung môi sử dụng bao gồm:dimetyl ete, metanol, N-metylpyrodidon, propylen glycol/metyl isopropyl ete, propyl cacbonat. c) Kết hượp giữa hấp thụ hóa học và hấp thụ vật lý: sử dụng hỗn hượp dung môi để kết hợp khả năng hấp thụ hóa học và vật lý như: meetanol etanolamin, sunfolan và diiso propylamin. d) Hấp phụ:sử dụng oxyt sắt, oxyt kẽm, than hoạt tính và sàng phân tử. e) Màng thẩm thấu: Màng Pd, hoặc các màng vật liệu polyme (màng polyamit, poly este, poly sunfon, poly vinyl trimetry silan, polytetrafloetylen, axetat xenlulo…) f) làm lạnh sâu: dùng metan lỏng. 3.3. Tách vết CO Để tách CO ở dạng vết, có thể áp dụng các phương pháp sau đây: Hấp phụ bằng dung dịch muối đồng (axetat amon đồng, format amoni đồng), bằng metanol lạnh hoặc tetraclo nhôm đồng. Metan hóa (tương tự mục II.2.1.3 đã trình bày). Oxy hóa xúc tác CO thành CO2: phương pháp này không chọn lọc nên ít được sử dụng. 3.4. Sản xuất CO Các phương pháp được sử dụng trong công nghiệp để chế tách CO từ khí tổng hợp bao gồm: hấp thụ và tách bằng kỹ thuật làm lạnh sâu. Phương pháp hấp phụ thay đổi áp suất cũng có thể được sử dụng nếu hàm lượng CO trong nguyên liệu đầu dưới 40%. 3.5.Sản xuất CO bằng phương pháp hấp phụ CO được tách bằng dung dịch clo amoni đồng với sự tạo thành phức của CO với Muối đồng theo phản ứng thuận nghịch sau đây: Cl- + Cu(NH3)X+ + CO ↔ Cu(NH3)XCO+ + Cl- Để giảm ăn mòn và giảm lượng Cu bám trê bề mặt thiết bị phản ứng, các ion Cl được loại bỏ bằng cách sử dụng các axit hữu cơ yếu hơn axit formic, axit axetic… Quá trình hấp thụ được tiến hành trong tháp hấp thụ ngược dòng ở 2 Mpa, nhiệt độ nguyên liệu vào 40oC, nhiệt độ dòng sản phẩm ra 65oC. Phức thu được sẽ được nhả hấp thụ bằng cách gia nhiệt đến 100÷150oC và đưa sang tháp tái sinh làm việc ở áp suất thấp 0,15 Mpa. 3.6. Sản xuất CO bằng phương pháp làm lạnh sâu Trong cong nghiệp quá trình này được thực hiện bằng 2 cách: a. Ngưng tụ: Nguyện liệu đầu su khi được sấy khô để giảm hàm lượng ẩm xuống dưới 1 ppm được sử lý qua các công đoạn sau: Làm lạnh xuống -185oC bằng cách trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm lạnh. Ngưng tụ một số cấu tử. Tách khí/lỏng. Sau mỗi bước, hỗn hợp khí được giảm áp suất. Để giảm sự mất mát năng lượng và tăng độ tinh khiết của sản phẩm cần tiến hành các công đoạn phụ trợ sau đây: Giãn nở khí trong turbin để làm lạnh. Bay hơi một phần bằng cách dãn nở sản phẩm bị hóa lỏng. Tách các cấu tử trong pha lỏng bằng phương pháp chưng cất, N2 và CO thu được ở sản phẩm đỉnh, metan thu được ở đáy. b. Hấp thụ bằng metan lỏng. Nguyên liệu sau khi sấy tách ẩm, được làm lạnh xuống khoảng – 120oC bằng cách trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm lạnh và được đưa vào đáy tháp đĩa. Metan lỏng được đưa vào từ đỉnh tháp. Quá trình hấp thụ xảy ra ở áp suất 1,6 Mpa, hydro không hấp thụ có độ tinh khiết hơn 98,5%. Sau khi dãn nở và bay hơi một phần, Phần trích được đưa vào tháp chưng làm việc ở áp suất 0,2 Mpa, CO thu được ở đỉnh tháp, metan lỏng thu được ở đáy tháp được tuần hoàn lại tháp hấp thụ. Tổng hợp từ oxyt cácbon và hydro các quá trình chuyển hóa từ oxyt các bon và hydro dưới tác dụng xúc tác rất da dạng nhưng có giá trị nhất là hai quá trình: tổng hợp hydro các bon( kể cả nhiên liệu) và rượu (đặc điểm là metanol). PHẦN C: TỔNG HỢP METHANOL I. Tổng hợp hydro các bon từ CO và H2 Một trong nhưng phản ứng thuộc của CO và H2 là sự tạo thành metan với xúc tác niken ở 200 – 250 oC dưới tác dụng của áp suất: CO +3H2 ↔ CH4+H2O Quá trình metan hóa này hiện nay đang được nghiên cứu sâu nhằm mục đích sản xuất khí đốt từ thang đá. Vào những năm 20 fisher trops phát hiện thấy từ hổn hợp CO và H2 dưới áp suất cao(10-15 Mpa) các mặt xúc tác tạo thành các hợp chất chứa oxy tác tạo thành các hợp chất chứa oxy, còn khi giảm áp suất đến 3 Mpa chủ yếu sẽ thu được hydrocacbon. Với coban (Co) phản ứng sinh ra nước: nCO + (2n+1)H2 Co CO+CnH2n+nH2O còn khi có mặt sắt sẽ tạo thanh CO2: 2nCO +(n+1)H Fe CnH2n+2 +nCO2 Trong nhưng năm đầu thế kỷ này CO và H2 chủ yếu sản xuất từ than đá vì vậy hổn hợp các hydrocacbon thu được các sản phản ứng trên có tên gọi là kogazin (từ các chữ Kohl – gas – benzin) và phân đoạn xăng được gọi là sintin (xăng tổng hợp). tại đức năm1945 nhiên liệu cho các động cơ chủ yếu sản xuất theo phương pháp Fisher và trops, tuy nhiên đến nay chỉ còn lại một hoặc hai nhà máy ở miền nam phi sản xuất nhiên liệu từ than đá. Mặc dù vậy hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục theo hướng hoàng thiện các quy trình công nghệ trên và rất có khả năng nó sẽ áp dụng trở lại. Tổng họp hidrocacbon theo Fisher và trops ở các điều kiện nhiệt độ, áp suất trung bình là các quá trình bất thuận nghịch và tỏa ra một lượng nhiệt lớn (165- 205KJ hay 39-49 Kcal cho mỗi một nhóm ch2 trong hidrocacbon). Sắt là một xúc tác hữu hiệu nhất vì nó dẫn nhiệt tốt và rẻ tiền, để tăng hiệu quả xúc tác ngươi ta thêm vào 0.5% K2O và điều kiện làm việc là 220 – 320 oC, 1,5 – 2,5 MPa. Người đưa ra hai phương án thực hiện công nghệ của quá trình – vời tầng xúc tác có định và với xúc tác giả sôi. Trong cả hai trường hợp cần phải có hệ thống truyền nhiệt đạt hiểu quả cao bao gồm hệ thống ngưng tụ hơi nước (làm lạnh) và tái chế dưới áp suất cao. Các sản phẩm thu được là các hydro cacbon dạng paraphin hoặc olefin chủ yếu mạch thẳng có chứa nối đôi cuối mạch, ngoài ra còn có thể có các hợp chất chứa oxy (rươu và ceton). Xét thành phần hỗn hợp sản phẩm trên ta thấy có mặt một lượng lớn các đồng đẳng thấp phân tử (C1- C4), xăng, nhiên liệu diezen, paraphin, mềm và cứng. tỷ lệ các thành phân trên có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ, áp suất và bản chất xúc tác. Ví dụ, có thể chọn điều kiện phản ứng thích hợp để sản phẩm thu được chủ yểu là những hydrocacbon có cấu tạo dạng iso (những hydrocacbon này có chỉ số octan cao hơn). Thời gian gần đây,theo các paten được công bố, người ta đề nghị các xúc tác mới, ví dụ các zeolit chuyển sử dụng để tổng hợp các hydrocacbon thấp phân tử (C2 - C3) và ngay cả các hydrocacbon vòng thơm. Đây là một trong những điều kiện quang trọng để thực hiện các quá trình tổng hợp hữu cơ từ các nguyên liệu rắn. 1.1.Tổng hợp rượu từ CO và H2: metanol Như phần trên đã trình bày, dưới điều kiện áp suất cao fisher và trops đã tổng hợp từ CO2 và H2 một hỗn hợp chất chứa oxy (còn gọi là syntol) bao gồm rượu, aldehyd,ceton,axit cacbonxylic và este. Các hợp chất này không thể sử dụng làm nhiên liệu, tuy nhiên trên cơ sơ của chúng đã tìm ra được những quá trình công nghệ mới. ví dụ,nếu sử dụng sắt làm xúc tác cộng với các chất trợ xúc tác như các oxyt kim loại và kiềm ở điều kiện nhiệt độ 160-190 oC, ấp suất 20 đến 30 Mpa, thì hỗn hợp sản phẩm chủ yếu chứa các rượu bậc nhất mạch thẳng, ngoài ra còn cò thể có rượu mạch nhánh và rượu bậc hai. Còn trên oxyt kẽm với trợ xúc tác là kiềm, nhiệt độ 400 – 475oC, áp suất 20-40 Mpa sẽ tạo thành hỗn hợp các rượu bậc thấp (bắt đầu từ metanol) nhưng chủ yếu chứa izobutilalcol. Mặc dù vậy trong các sản phẩm trên đây metanol vẫn được coi là sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất. Metanol là một chất lỏng không màu (tos=64,7oC), có mùi đặc trưng tương tự etanol. Trộn ở tỷ lệ bất kỳ với nước và một số dung môi hữu cơ. Là chất dễ cháy, tạo với không khí một hỗn hợp dễ nổ với hàm lượng 6 - 34,7% thể tích. Metanol có độc tính cao. Trước đây metanol được điều chế bằng cách chưng cất khô gỗ (còn gọi là rượu gỗ) nhưng hiện nay phương pháp này đã dược loại bỏ bằng phương pháp tổng hợp từ CO và H2. Ngoài ra metanol còn là một trong sản phẩm trong quá trình oxy hóa paraphin trong pha khi. Phần lớn lượng metanol được sử dụng để sản xuất formaldehyd. Ngoài ra no còn được xem như sản phẩm trung gian trong các điều chế ester quang trọng (metylmetacrylat, dimetyleter-phtalat, dimetylsulphat) và là tác nhân metyl hóa (tổng hợp metylamin, dimetylanilin). Một lượng nhỏ metanol còn được sử dụng làm dung môi, tuy nhiên vì độc tính cao nên hiện nay nó được thay bằng dung môi khác. Metanol còn ứng dụng làm phụ gia cho nhiên liệu của các động cơ và còn nhiều ứng dụng khácnhau nữa, như sử dụng để tổng hợp các olefin thấp phân tử ... Sự tạo thành metanol từ oxyt cacbon và hydro xảy ra theo phản ứng thuận nghịchvà tỏa nhiệt sau: CO+ 2H2↔ CH3OH - ΔHo298 - ∆Ho298 = 110,8 KJ (26,5 kcal/mol) Do phản ứng tỏa nhiệt nên hằng số cân bằng sẽ giảm khi tăng nhiệt độ, ví dụ k=2,314.10-4 ở 300oC và 1,091.10-5 ở 400oC. Như vậy cần tăng áp suất để giảm thể tích hỗn hợp khí và tăng tốc độ chuyển hóa phản ứng thuận. trên hình 10 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng metanol trong hỗn hợp phản ứng vào áp suất và nhiệt độ phản ứng. 20 10 30 20 10 30 Hình 10. sự phụ thuộc hàm lượng Metanol ở trạng thái cân bằng vào áp Suất và nhiệt độ (CO:H2= 1:2) Metanol tổng hợp từ CO và H2 lần đầu tiên do patar thực hiện vào năm 1924 với xúc tác ZnO. Sau đó người ta hoạt hóa xúc tác bằng oxyt crom (8 phần khối lượng zno trên một phần Cr2O3). Xúc tác có hoạt tính cao hơn (nhưng đòi hỏi phải sạch hơn) là hỗn hợp các oxyt đồng – crom và kẽm – đồng – crom. Có thể phản ứng được biểu diển như sau: K +CO ↔ K=C=O + H2 ↔ K=CHOH + H2 ↔ K+ CH3OH Các sản phẩm phụ của phản ứng là dimetylete (do sự tách nước từ metanol), metan (là sản phẩm hydro hóa metanol và co), dioxytcacbon và nước: (CH3)2O + H2O +H2 +CH3OH CH3OH CH4 + H2O +3H2 CH4 + H2O CH4 + H2O CO +H2O Hỗn hợp các sản phẩm còn có thể chứa một lượng nhỏ các rượu khác, aldehyd và ceton, tuy nhiên nếu sử dụng các xúc tác nếu trên thì tính lựa chọn phản ứng rất cao, hiệu suất tạo thành metanol có thể đạt 95% Sự lựa chọn các thông số của phản ứng thỏa mãn hiệu suất phản ứng. nhiệt độ phản ứng chủ yếu phụ thuộc vào hoạt tính của xúc tác và có thể thay đổi trong khoảng 250 – 420oC. Phụ thuộc vào nhiệt độ người ta chọn áp suất phù hợp với các thông số nhiệt động học và nói chung nhiệt độ càng cao thì áp suất càng lớn. khoảng thay đổi của áp suất từ 5 đến 20 – 35 Mpa. Tất nhiên sự giảm áp suất đồng nghĩa với việc giảm tiêu hao năng lượng để nén các khí. Tuy vậy càng tiến gần tới độ chuyển hóa cân bằng sẽ không có lợi vì lúc này sẽ giảm năng suất và tính lựa chọn của phản ứng. vì vậy độ chuyển hóa thực tế chỉ khoảng 15 – 20% trong thời giang tiếp xúc của các tác chất từ 10 – 40 giây. Một thời gian dài quá trình được thực hiện ở áp suất và nhiệt độ cao (20 – 35 Mpa, 370 – 420 oC) với xúc tác oxyt kẽm – crom. Gân đây nhờ việc làm sạch xúc tác tốt hơn nên đã sữ dụng được những hệ xúc tác hiệu quả hơn trên cơ sở CuO, Cr2O3, và ZnO.CuO.Cr2O3. các xúc tác này đã tạo điều kiện để giảm đáng kể nhiệt độ và áp suất của phản ứng (250 – 300oC và 5 – 10 Mpa). Hiện nay các quá trình nhiệt độ và áp suất thấp dẫn đến thay thế các quá trình cũ trước đây. 1.2. Thiết bị phản ứng chính trong tổng hợp hợp metanol: Các thiết bị này tương đối đa dạng phụ thuộc vào phương pháp giải nhiệt và tiến hành phản ứng. Thông dụng nhất là các thiết bị dạng ống (hình 11 a), trong ống có chứa xúc tác và hỗn hợp khí chuyển động tại đây được làm lạnh bằng lượng nước giữa các ống. lượng nhiệt do nước hấp thu sẽ được sử dụng để đốt nóng hỗn hợp khí ban đấu. trong trường hợp này sẽ đạt được hệ số hiệu dụng năng lượng cao, thực tế thu được một tấn hơi áp suất cao cho một tấn metanol. Tuy nhiên nhược điểm của thiết bị loại nay tiêu hao nhiều kim loai và phần thể tích thực tế tiến hành phản ứng tương đối thấp. Hiên nay người ta sữ dụng các thiêt bị phản ứng đẳng áp nhiều hơn b) c) Hình 11. Các dạng thiết bị phản ửng chính để tổng hợp methanol a)-Thiết bị phản ứng dạng ống b)- Thiết bị phản ứng đẳng áp c)- Thiết bị phản ứng để tổng hợp trong pha lỏng (hệ ba pha) So với thiết bị dạng ống (hình 11b) trong đó xúc tác được sắp đặc thành 4 lớp liên tục. trong các thiết bị này không có hệ thống tải nhiệt, do vậy điều chỉnh nhiệt độ phản ứng người ta cho hỗn hợp khí ban đầu đi qua các ống phân bố đặc biệt giúp cho việc trộn lẫn khí nóng và khí lạnh xảy ra điều đặn. như profil nhiệt độ thiết bị này thay đổi theo từng bậc xúc tác, và sự tăng nhiệt độ ở vùng nào đó sẽ được điều hòa bằng lượng khí lạnh đưa vào. Chỉ cần đốt nóng sơ bộ một phần hỗn hợp khí ban đầu, còn lượng nhiệt thoát ra sẽ được sử dụng để tạo hơi áp suất cao. Thời gian gần đây xuất hiện thêm một phương pháp tiến hành phản ứng gọi là tổng hợp trong hệ “ba pha” (hình 11c). quá trình thực hiện trong pha lỏng của hydrocacbon với xúc tác được phân tán trong nó tạo ra một hệ huyền phù. Phản ứng trong hệ huyền phù này. Sự xảy trao đổi nhiệt xảy ra nhờ việc tuần hoàn chất lỏng này qua các thiết bị đun nóng hoặc làm nguội. metanol (và một phần hydrocacbon) được đưa ra bằng khí chưa chuyển hóa, còn nhiệt của chúng thì sử dụng làm đun nóng khí ban đầu. ưu điểm của phương pháp này ở chổ trạng thái cân bằng là phản ứng pha lỏng do vậy cho phép đạt được nồng độ metanol trong hỗn hợp khí là15% (thể tích) só với 5% ở các phương pháp khác (độ chuyển hóa cũng cao hơn và đạt tời 35%) Các thiết bị tổng hợp hiện đại có công suất lớn hơn và hệ thống năng lượng hoàn hảo hơn. Các thiết bị tổng hợp này thường liên hợp với việc sản xuất hỗn hợp khí dưới áp suất 2 – 3 Mpa. Hỗn hợp khí thông thường được làm sạch khỏi khí co2, cũng có khả năng tham gia vào việc tổng hợp metanol. Hàm lượng co2 thích hợp khi đạt tỷ lệ sau: (H2+CO2)/(CO+CO2) là (2,05-3):3 Các thiết bị sử dụng trong toàn quá trình chưng cất Dạng Tầng Khoan Áp suất cao Áp suất thấp Hình 12. Dạng Ống Chùm Áp suất thấp Áp suất cao Hình 13. Lò tĩnh Dòng động Khí hóa than Hình 14. 1.3. Sơ đồ công nghệ tổng hợp metanol: Sơ đồ công nghệ tổng hợp hưu cơ metanol được trình bày trên hình 15 Hỗn hợp khí sau khi được lam sạch sẽ được nén turbin 1 đến-5-10Mpa và trộn với phần khí thu hồi sau phản ứng trước cũng đã nén tới áp suất trên. Sau đó các khí trên được đi qua thiết bị hấp phụ để tách khỏi pentacacbonil sắt. chất này thường được hình thành khi co tác dụng với sắt thành phản ứng, và phân rã trong thiết bị phản ứng để sinh ra sắt kích thước mịn. chính phần sắt này sẽ xúc tác cho các phản ứng không mông muốn là phản ứng tạo thành CH4 và CO2.vì các nguyên nhân trên và do sự ăn mòn của khí H2 nên thiêt bị phản ứng được chế tạo từ các hợp kim khác nhau. Hình 15: sơ đồ công nghệ tổng hợp metanol. 1.thiết bị turbin; 2 – Máy nén turbin khí tuần hoàn; 3 – thiết bị hấp thụ; 4 – thiết bị trao đổi nhiệt; 5 – thiết bị phản ứng; 6 – thiết bị tái tạo hơi; 7 – sinh hàn; 8 – thiêt bi tách áp suất cao; 9 – 10 – tháp chưng cất. Sau khi qua thiết bị hấp thụ 3, hỗn hợp khí tách thành hai dòng khí: một dòng được đốt nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và đưa vào thiết bị phản ưng từ phía trên, còn dòng khí thứ 2 đi vào thiết bị phản ứng giữa các tầng xúc tác dưới dạng khí lạnh để hiệu chỉnh nhiệt độ và đồng thời tải nhiệt. hỗn hợp khí đi từ trên xuống dưới, qua các tầng xúc tác và ra khỏi đáy ở nhiệt độ gần bằng 300oC. Khí ra khỏi thiết bị phản ứng cũng được chia làm hai dòng: dòng thứ nhất quay trở lại thiết bị trao đổi nhiệt 4 để đốt nóng khí ban đầu, còn dòng thứ hai qua thiệt bị tạo hơi 6,trong đó nhiệt lượng khí sử dụng để thu nhận hơi áp suất cao. Sau đó hai dòng khí trên hợp nhất trở lại và được làm lạnh tái sinh hàn 7, tại đây metanol sẽ ngưng tụ và tách khỏi khí ở thiết bị tách 8. Khí đi ra từ phần trên của thiết bị tách 8 sẽ được đưa vào máy nén 2 và quay lại phản ứng trực tiếp tuc. Phần lỏng ngưng tụ từ phía dưới thiết bị 8 sẽ được chỉnh lưu áp suất đến gần áp suất khí quyển và được chưng tách trong cột chưng 9 để tách metanol khỏi các khi hòa tan, cũng như các sản phẩm bốc hơi (dimetylete), các khí này được đem đi đốt sau khi tách. ở cột chưng 10,metanol sẽ được tiếp tục tách khỏi các phân đoạn nặng (rượu bậc cao). Metanol thành phẩm có độ tinh khiết cao (đến 99,5%) và hiệu suất quá trình vào khoảng 95% (đã tính các mất mát có thể xảy ra) 1.3.1. Tổng hợp metanol Metanol được sử dụng làm nguyên liệu đầu cho các quá trình sản xuất formaldehit, clorometanol, amin, metyl meacrylat, MTBE…và làm dung môi. Quá trình tổng hợp metanol dựa trên hai phản ứng tỏa nhiệt sau: CO + 2 H2 ↔ CH3OH ∆H(298) = -90,6kj/mol (1) CO+ 3 H2 ↔ CH3OH + H2O ∆H(298) = -49,5kj/mol (2) Phản ứng thứ hai có thể được xem như hệ quả của phản ứng thứ nhất và phản ứng thuận nghịch của quá trình chuyển hóa co bằng hóa hơi nước CO2 + H2↔ CO + 2 H2O ∆H(298) = 41,3kj/mol (3) Metanol có thể được tổng hợp từ hỗn hợp H2 – CO hoặc H2 – CO2, tuy nhiên hỗn hợp phản ứng chứa đồng thời H2 – CO – CO2 cho hiệu suất metanol cao gấp 6,7 lần. Tùy thuộc vào thành phần CO và CO2 , đạt được độ chuyển hóa yêu cầu hỗn hợp khi phải có tỉ lệ mol H/C bằng 2÷3. Hỗn hợp này có thể thu được từ quá trình oxy hóa không hoàn toàn, khí hóa hoặc steam reforming. Sơ đồ của quá trình tổng hợp metanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau bằng các phương pháp khác nhau được trình bày trong hình 4.6 và hình 4.7a,b. Khí nhiên liệu Chưng cất CH3OH Tổng hợp metanol Hơi nước Khí tự nhiên naphta Desunfua hóa Steam reforing Hình 16. Sơ đồ khối của quá trình tổng hợp metanol từ sản phẩm của quá trình steam refoming Quá trình tổng hợp metanol từ sản phẩm của quá trình steam refoming đơn giản hơn nhiều so với quá trình sản xuất hydro tinh khiết và quá trình tổng hợp amoniac. Trong sơ đồ hình 16 giai đoạn chuyển hóa co, tách CO2 và metan hóa được loại bỏ, tuy nhiên lại cần một máy nén phụ trợ. Quá trình bao gồm hai bộ phận chính Xử lý nguyên liệu dầu: nhằm tách các hợp chất lưu huỳnh và các tạp chất khác có hại cho xúc tác như clo. Steam reforming. Sơ đồ khối của quá trình tổng hợp hưu metanol từ các sản phẩm khí tổng hợp của quá trình oxy hóa không hoàn toàn cũng tương tự như các quá trình sản xuất hydro và amoniac. Do sự có mặt các hợp chất có lưu huỳnh trong nguyên liệu đầu, có hai loại sơ đồ công nghệ được ứng dụng tùy thuộc vào xúc tác sử dụng trong quá trình chuyển hóa co (hình 17 a và b) . sơ đồ (a): xúc tác trong quá trình chuyển hóa CO không bền với các hợp chất lưu huỳnh tới hàm lượng 0,005-0,1 ppm. Sau đó sản phẩm khí được đưa qua thiết bị chuyển hóa co và được trộn với một phần khí chưa chuyển hóa CO. Tổng hợp CH3OH Chưng cất CH3OH Hấp thụ CO2 CO2 Chuyển hóa CO Tổng hợp Chưng cất Không khí N2 FO/ than đá Oxy hóa không hoàn toàn Hấp thụ H2S Lưu huỳnh Hình 17a. . sơ đồ (b): xúc tác bền với các hợp chất lưu huỳnh. Một phần sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị oxy hóa không hoàn toàn được chuyển hóa CO và sau đó đồng thời được tách CO2 và H2S. FO/than đá Không khí Oxi hóa không hoàn toàn N2 Chưng cất Chuyển hóa CO Hấp thụ CO2 CO2 + H2S Tổng hợp CH3OH Chưng cất CH3OH Hình 17b. Trong cả hai trường hợp trước khi đưa vào thiết bị tổng hợp metanol, để bảo vệ xúc tác, khi tổng hợp cần được đưa qua lớp oxyt kẽm đẻ loại bỏ lưu huỳnh. Xúc tác: hai loại xúc tác chính được sử dụng trong công nghiệp Xúc tác: xúc tác Zn – Cr: hệ xúc tác này được sử dụng cho hầu hết các quá trình sản xuất metanol trong công nghiệp cho đến cuối những năm 1960. Đây là một hỗn hợp đồng thể của oxyt kẽm và oxyt crom. Hệ xúc tác này có hoạt tính tương đối thấp, đồi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ 300- 400oC, tại nhiệt độ này, để đảm bảo chuyển hóa yêu cầu thì áp suất duy trì ở 30-40 Mpa nên không kinh tế. do vậy hệ xúc tác này dần dần dược thay thế bằng xúc tác cơ sơ Cu. Xúc tác trên cơ sở Cu: hệ xúc tác này có hoạt tính cao hơn nhưng nhạy cảm với các chất độc, đặc biệt là hợp chất lưu huỳnh vá halogen. Xúc tác cho độ chọn lọc cao hơn, ít sản phẩm phụ, thời gian sống dài hơn, lám việc ở điều kiện mềm hơn: nhiệt độ 240-270oC, áp suất 5-10 Mpa. Tổng hợp fischer – tropsch (ft) Quá trình tổng hợp FT được ứng dụng sản xuất hydrocacbon lỏng từ khí tổng hợp FT. CO+ 3H2↔CH4 nCO+ 2nH2↔CnH2n+H2O nCO+(2n+1)H2↔CnH2n+2 +nH2O Ngoài ra trong quá trình còn có xảy ra các phản ứng phụ: CO+ H2O ↔CO2+ H2 2CO↔C + CO2 Ni có hoạt tính cao đối với phản ứng (1), CO, Fe, Ru có hoạt tính cao đồi với (2) và (3). Quá trình được tiến hành ở nhiệt độ 180oC-250oC, tỉ lệ H2/CO=2. 1.3.2. Toàn bộ quá trình xử lý, tổng hợp và tiêu thụ Methanol Hình 18. II. Kỹ thuật an toàn. Bởi vì quy trình sản xuất Methanol đi từ Cacbon Oxit và Hiđrô hầu hết các trường hợp điều sử dụng đến các xúc tác ở áp suất cao và áp suất thấp vì có mặt của Hiđrô nên khi tiến hành cần chú ý đến những thiết bị phản ứng tránh tiếp xúc với những thiết bị áp suất khi nó đang hoạt động. Đồng thời sản phẩm tạo thành là Methanol nếu tiếp xúc nhiều sẽ bị ngộ độc nên cần trang bị về bảo hộ cá nhân thật hợp lý với từng vị trí đảm nhiệm. III. Vận chuyển và bảo quản. Tùy thuộc vào từng quốc gia mà có cách quy định bảo quản khác nhau. Ở Việt Nam (nhà máy hóa chất Việt Mỹ ) được quy định: 3.1 Vận chuyển: Sản phẩm được vận chuyển bằng mọi phương tiện thông thường, có che nắng, che mưa, khi vận chuyển lên, xuống phải nhẹ nhàng, trách va đập mạnh ảnh hưởng tới bao bì đựng sản phẩm và chất lượng sản phẩm . 3.2 Bảo quản : Sản phẩm được bảo quản trong kho khô, mát. Hình 19. PHẦN D: KẾT LUẬN Sau h¬n hai th¸ng học tập nghiªn cøu vµ tÝnh to¸n, ®­îc sù gióp ®ì nhiÖt t×nh cña cô Nguyễn Thị Hồng Anh vµ c¸c thÇy c« gi¸o trong khoa công nghệ hóa cïng víi sù ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c b¹n, chúng em ®· hoµn thµnh đề tài nµy. Trong đề tài nµy ®· gi¶i quyÕt mét sè vÊn ®Ò sau: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu về sản phẩm. Nguyên liệu yêu cầu. Tính chất của Methanol. Phương pháp tổng hợp cụ thể. Chu trình sản xuất Methanol. Sơ đồ sản xuất Methanol. Cơ chế hình thành Methanol. Thông số kỹ thuật. Kỹ thuật an toàn. Qua qu¸ tr×nh lµm đề tài gióp «n l¹i nh÷ng kiÕn cña c¸c m«n häc nh­: hãa häc h÷u c¬, qu¸ tr×nh thiÕt bÞ trong hãa chÊt,.. biÕt ®­îc c¸ch tra tµi liÖu, biÕt c¸ch tra cøu c¸c ®¹i l­îng hãa lý. Qua phÇn lý thuyÕt tæng quan gióp chúng em n¾m kü c¸ch tr×nh bµy nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña mét d©y chuyÒn c«ng nghÖ vµ so s¸nh ­u nh­îc ®iÓm cña tõng c«ng nghÖ ®Ó tõ ®ã biÕt ®­îc c«ng nghÖ nµo lµ thÝch hîp nhÊt cho ®iÒu kiÖn ë n­íc ta. BiÕt c¸ch tÝnh to¸n c©n b»ng vËt chÊt vµ c©n b»ng nhiÖt l­îng cho mét sè thiÕt bÞ sau ®ã tù thiÕt kÕ mét d©y chuyÒn s¶n xuÊt vµ gióp chúng em lùa chän thiÕt bÞ nµo cho phï hîp cho d©y chuyÒn s¶n xuÊt Êy, mÆt kh¸c biÕt ®­îc c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn tõng c«ng ®o¹n trong d©y chuyÒn tõ ®ã ®­a ra c¸ch gi¶i quyÕt phï hîp. Qua c¸ch tÝnh to¸n kinh tÕ vµ x©y dùng còng gióp chúng em lùa chän d©y chuyÒn s¶n xuÊt sao cho thêi gian hoµn vèn lµ ng¾n nhÊt vµ hiÖu qu¶ nhÊt vµ nhµ m¸y dùng lªn kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn m«i tr­êng ®« thÞ, khu d©n c­ còng nh­ c¸c di s¶n v¨n hãa cña ®Þa ph­¬ng. §iÒu chúng em lu«n t©m ®¾c lµ qua đề tài nµy gióp chúng em c¸ch lµm viÖc lu«n mong muèn häc hái t×m tßi ë thÇy c« vµ b¹n bÌ ®iÒu nµy gióp chúng em tù tin h¬n khi ra tr­êng vµ cã thÓ lµm viÖc ®éc lËp. Vì cũng là lần đầu tiên nhóm em tìm hiểu sâu và tiếp cận với một đề tài cụ thể nên cũng gặp nhiều khó khăn và bỡ ngỡ nên để làm được đề tài nµy kh«ng tr¸nh khái nh÷ng sai sãt rÊt mong sù th«ng c¶m cña cô Nguyễn Thị Hồng Anh. Chúng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n. Mong cô cùng các bạn đóng góp ý kiến để bài sau đạt kết quả hơn. Tµi liÖu tham kh¶o Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A1, n¨m 1995 Encyclopeadia of chemical Technology,Vol A1, 1996 NguyÔn Mai Liªn -Tæng hîp h÷u c¬ c¬ b¶n, tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi, xuÊt b¶n n¨m 1964. Phan Minh T©n, tæng hîp h÷u c¬ hãa dÇu, tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa thµnh phè Hå ChÝ Minh, tËp 1 Lª mËu QuyÒn, hãa v« c¬, nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt Hµ Néi. Phan Minh T©n, tæng hîp h÷u c¬ hãa dÇu, tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa thµnh phè Hå ChÝ Minh, tËp 2. NguyÔn ThÞ Minh HiÒn. C«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh, nhµ xuÊt b¶n khoa häc vµ kü thuËt, 2000 Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A10, n¨m 1995 Ullman,s Encyclopeadia of Industrial chemitry, Vol A9, 1995 TrÇn Träng Khu«ng, TrÇn Xoa(chñ biªn), tËp thÓ t¸c gi¶, sæ tay qu¸ tr×nh vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ hãa chÊt, nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt, tËp 1, 1999 TrÇn Träng Khu«ng, TrÇn Xoa (chñ biªn), tËp thÓ t¸c gi¶, sæ tay qu¸ tr×nh thiÕt bÞ c«ng nghÖ hãa chÊt, nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt, tËp 2, 1999 TrÇn C«ng Khanh, thiÕt bÞ ph¶n øng trong s¶n xuÊt c¸c hîp chÊt h÷u c¬, Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa Hµ Néi, 1986 Bé m«n hãa lý(kh«ng cã chñ biªn), sæ tay hãa lý, Tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa thµnh phè Hå ChÝ Minh. §ç v¨n §µi, NguyÔn Bin, Ph¹m Xu©n Táan, §ç Ngäc Cö, c¬ së qu¸ tr×nh vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ hãa häc, nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt Hµ Néi, tËp 1, 1999 §ç v¨n §µi, NguyÔn Bin, Ph¹m Xu©n Táan, §ç Ngäc Cö, c¬ së qu¸ tr×nh vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ hãa häc, nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt Hµ Néi, tËp 2, 2000 Ng« B×nh, C¬ së x©y dùng nhµ c«ng nghiÖp, Nhµ xuÊt b¶n khoa häc vµ kü thuËt.