Tài liệu Tổng hợp về hóa dầu

-cloxyclohexan. Sản phẩm kỹ thuật là hỗn hợp 8 đồng phân lập thể, trong số đó chỉ có đồng phân α là có hoạt tính để làm thuốc trừ sâu (tinh thể, nóng chảy 112-1130C). Hàm lƣợng của nó trong sản phẩm kỹ thuật là 11-18%, bởi vậy ngƣời ta thực hiện tuyển tính đồng phân , bằng cách chiết tách để thu đƣợc sản phẩm giàu hexacloran có chứa 80-90%, đồng phân và đƣợc gọi là lindan (99% đồng phân ). Những đồng phân còn lại để xử lý thành triclobenzen, bằng cách đehyđroclo hóa. Hexacloran đƣợc dùng làm thuốc trừ sâu. 1.2.3. Điều kiện của quá trình và các dạng thiết bị phản ứng Ngƣời ta thực hiện clo hóa pha lỏng, bằng cách làm sủi bọt clo dạng khí qua lớp chất lỏng phản ứng. Clo hòa tan trong chất lỏng và phản ứng xảy ra trong dung dịch. Trong nhiều trƣờng hợp, môi trƣờng lỏng chính là những tác nhân hữu cơ, với lƣợng dƣ nhiều để tránh quá trình clo hóa sâu. Sản phẩm tạo thành ngày càng tăng, tỷ trọng của hỗn hợp cũng tăng, ngƣời ta dùng tỷ trọng để kiểm tra mức độ chuyển hóa. Khi chế biến polycloparafin và hexacloxilen lỏng, thành phần pha lỏng thay đổi trong quá trình phản ứngy đến khi tạo thành sản phẩm sệt hoặc nóng chảy. Cuối cùng, khi chế biến polycloparafin rắn và polyme đã clo hóa, để đồng nhất tốt hỗn hợp, ngƣời ta dùng dung môi (tetraclometan, o-diclobenzen). Trong công nghiệp, ngƣời ta sử dụng tác nhân quang hóa hoặc hóa học trong giai đọan khởi đầu. Phƣơng pháp 2 có ƣu thế là cấu trúc mắc xích, phản ứng đơn giản nhƣng phải thêm chi phí chất kích hoạt đắt tiền hơn. Trong phƣơng pháp 1 thì cấu tạo là phản ứng phức tạp hơn. Tăng vốn đầu tƣ và chi phí năng lƣợng điện, nhƣng không có chi phí vào chất khởi đầu, còn những chất tổng hợp không bị bẩn bởi những sản phẩm phân hủycủa nó. Việc chọn phƣơng pháp, đƣợc xác định dựa vào những yếu tố kinh tế. Ngoài tỷ lệ những chất phản ứng ban đầu, việc chọn nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu hoặc cƣờng độ chiếu sáng cũng có ý nghĩa quan trọng. Khi clo hóa quang hóa, việc chọn nhiệt độ không giới hạn trong khoảng giới hạn nào cả, bởi vì nó hoàn toàn không ảnh hƣởng đến vận tốc phản ứng. Hơn nữa, nó thích hợp hơn khi làm lạnh bằng nƣớc. Vì vậy, tổng hợp quang hóa hexacloxyclohexan thực hiện ở 40 – 600C. Khi dùng chất khởi đầu, việc chọn nhiệt độ đƣợc quy ƣớc bằng vận tốc lớn nhất có thể, của quá trình phân hóa chúng. Nhiệt độ bằng 70 – 1000C đối với azo-bis izo-butylronitril và 100 – 1200C đối với peoxit benzoil, khi có sự liên hệ giữa nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu 97 Do đó, để giảm lƣợng chất khơi mào, ngƣời ta giảm nhiệt độ và nồng độ chất khởi đầu, nhƣng điều này dẫn đến giảm vận tốc phản ứng và tăng chi phí cho giai đoạn phản ứng. Vì nó đòi hỏi sự tối ƣu về điều kiện của quá trình theo tiêu chuẩn kinh tế. Lƣợng chất khởi đầu có thể giảm, nếu cho vào từng phần và vào từng thời điểm khác nhau (khi quá trình tuần hoàn) hoặc là theo chiều dài của thiết bị phản ứng (đối với điều kiện phản ứng liên tục), hoặc sự thay đổi nhiệt độ theo việc chi phí chất khơi mào. Điều kể trên xảy ra với clo hóa quang hóa, khi quá trình tăng cƣờng độ chiếu sáng và vận tốc dẫn đến việc giảm chiều dài chuỗi và tăng chi phí cho năng lƣợng điện. Sự tối ƣu cho cả 2 trƣờng hợp này là cƣờng độ của quá trình không cao. Bộ phận phản ứng (là tất cả quá trình clo hóa pha lỏng), có thể thực hiện liên tục và gián đoạn. Thiết bị cơ bản (thiết bị clo hóa) phải đƣợc cung cấp clo bằng bình khí, thiết bị làm lạnh để thoát nhiệt, thiết bị làm lạnh ngƣợc dòng hoặc bộ tách khí trên đƣờng thoát khí (HCl), đƣờng ống bắt buộc và thiết bị đo kiểm tra. Trong phản ứng clo hóa trong lò quang hoạt, luôn có dụng cụ để chiếu sáng phần phản ứng (đèn thủy ngân - thạch anh phía trong đƣợc bảo vệ bằng đèn trần hoặc đèn ngoài để chiếu sáng thiết bị phản ứng qua của sổ thủy tinh trong vỏ). Sơ đồ lò phản ứng đặc trƣng để clo hóa gốc chuỗi pha lỏng đƣợc mô tả trên hình 4.1. Sơ đồ thứ nhất (hình 4.1a) dùng để cho quá trình tuần hoàn và là tháp sục khí rỗng với bộ phận làm lạnh đặt ở ngoài. Quá trình hồi lƣu phần phản ứng qua thiết bị làm lạnh, đƣợc thực hiện bắt buộc (nhờ bơm), hoặc nhờ quá trình hồi lƣu tự nhiên (dƣới ảnh hƣởng của sự chênh lệch tỷ trọng của bọt khí đầy và nóng của chất lỏng trong tháp và phần lạnh hơn không chứa khí của chất lỏng trong vòng hoàn lƣu). Bằng phƣơng pháp này, ngƣời ta thu đƣợc polycloparafin. Khi clo hóa polyme, trong dung dịch có thể thoát nhiệt phản ứng nhờ quá trình hóa hơi của dung môi. Dung môi này đƣợc ngƣng tụ và quay lại vào lò phản ứng nhờ bộ phận làm lạnh ngƣợc dòng. 98 (c)(a) Hình 4.1. Hệ thống thiết bị Clo hóa chuỗi gốc pha lỏng. a- Thiết bị tiến hành với quá trình tuần hoàn làm lạnh bên ngoài. b- thiết bị liên tục với sự làm lạnh bên trong. c- Thiết bị liên tục với sự làm lạnh ngƣợc dòng. HCl RH Cl2 RH, RCl RH, RCl (b) Cl2 H2O H2O H2O H2O H2O H2O RH HCl RH, RCl Cl2 RH HCl Phƣơng án hoạt động liên tục của lò phản ứng có quá trình làm lạnh không hiệu quả vì sự khuấy trộn mạnh hỗn hợp phản ứng và làm giảm độ chọn lọc. Vì lý do này, thiết bị phản ứng hoạt động liên tục dùng ở dạng tháp sục khí với sự làm lạnh bên trong (hình 4.1b) nhờ những ống xoắn (đôi khi nhờ vỏ bọc nƣớc) và thiết bị ngƣng tụ ngƣợc. Chất lỏng và khí thƣờng chuyển động ngƣợc dòng nhau, khi đó để giảm việc khuấy trộn mạnh và để tăng độ chọn lọc, tốt nhất là phân nhỏ thiết bị phản ứng theo chiều cao của dãy đĩa hoặc theo bậc của thiết bị phản ứng. Khi clo hóa với các chất có nhiệt độ sôi thấp (1,1 – và 1,2- diclo etan), nhiệt thoát ra đƣợc đƣa ra ngoài nhờ quá trình hóa hơi của những chất này trong dòng HCl. Trong trƣờng hợp này, việc làm lạnh trong là không cần thiết, và vai trò này đƣợc giao cho thiết bị làm lạnh ngƣợc dòng. (hình 4.1c). 1.2.4. Công nghệ của quá trình a. Công nghệ của clo hóa chuỗi gốc pha lỏng Công nghệ của clo hóa gốc chuỗi pha lỏng gồm nhiều giai đoạn: chuẩn bị các chất phản ứng ban đầu, clo hóa, xử lý khí thoát ra và tận dụng HCl, xử lý phần đã phản ứng và tách sản phẩm phản ứng. Chuẩn bị chất phản ứng: thƣờng là hóa hơi clo lỏng và gia nhiệt nó đến nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng. Những chất phản ứng hữu cơ thƣờng đƣợc 99 dùng ngay, chúng đƣợc chuyển đến thiết bị phản ứng bằng bơm. Nếu có ẩm, ngƣời ta làm khô clo bằng H2SO4, còn chất phản ứng hữu cơ - bằng cách chƣng cất đẳng phí hoặc nhờ chất hấp phụ rắn. Đôi khi, ngƣời ta làm lạnh những kim loại hoặc muối của chúng, chúng có tác dụng xúc tác phản ứng ion, và khi đó clo đƣợc lọc khỏi vẩy sắt, còn chất phản ứng hữu cơ thì đƣợc chƣng cất. Cuối cùng, khi có hợp chất lƣu huỳnh trong sản phẩm (hoặc những chất ức chế khác), ngƣời ta thực hiện làm sạch lƣu huỳnh bằng hyđro. Xử lý khí thoát ra: trƣớc tiên là thu hơi chất phản ứng hữu cơ ban đầu từ chúng, ngƣời ta dùng cách làm lạnh bằng dung dịch muối hoặc dùng hấp thụ bằng dung môi ( tốt hơn hết là dùng sản phẩm phụ có nhiệt độ sôi cao từ chính quá trình sản xuất này). Khi clo hóa những chất không bay hơi, ví dụ parafin cứng và mềm, ngƣời ta làm lạnh khí bằng nƣớc là đủ. Sau đó tách HCl từ khí. Khi clo hóa cộng hợp, lƣợng HCl rất ít, trong trƣờng hợp này ngƣời ta rửa khí bằng nƣớc, và thải nó vào hệ thống thải, khi clo hóa thế, ngƣời ta thu đƣợc lƣợng HCl lớn, và tận dụng nó, sau khi đã hấp thụ bằng nƣớc sẽ thu đƣợc HCl 20-30%. Khí còn lại cho ra ngoài không khí. Xử lý phần đã phản ứng: gồm làm sạch sản phẩm khỏi dung dịch HCl và tách sản phẩm. Để làm sạch khỏi HCl, ngƣời ta dùng nhiều phƣơng pháp (hình 4.2). Khi thu chất ít bay hơi, (cloparafin, benzenclorua,hexacloran, cloxilen) tiến hành thổi HCl vào trong tháp bằng N2 hoặc không khí (sơ đồ 4.2a). Trong trƣờng hợp khác, thƣờng rửa dung dịch trong tháp chiết tách bằng nƣớc, dung dịch kiềm và nƣớc một lần nữa khi chuyển động ngƣợc dòng (sơ đồ b). Điều này dẫn đến sự tạo thành một lƣợng lớn nƣớc thải. Trong những thiết bị hiện đại hơn, ngƣời ta chƣng cất HCl cùng với lƣợng dƣ chất phản ứng ban đầu trong tháp chƣng cất (sơ đồ 4.2c), cùng với quá trình ngƣng tụ chất lỏng liên tục, chất lỏng này đƣợc cho quay lại phản ứng và tách HCl vào đƣờng thoát khí. Những sơ đồ loại trừ phần rửa, là những sơ đồ tiến bộ nhất. Sau khi làm sạch khỏi HCl, sản phẩm chính thu đƣợc ở dạng hoàn tất (polycloparafin); chỉ yêu cầu kết tinh hóa (hexacloxylen) hoặc chƣng cất dung môi với hơi nƣớc, lọc hay kết tinh (polyme đã clo hóa hexacloxyclohexan). Trong những trƣờng hợp khác, ngƣời ta thực hiện chƣng cất để tách chất phản ứng hữu cơ chƣa chuyển hóa, sản phẩm chính và phụ (tổng hợp cloetan, benzen clorua). 100 HCl + HCl Cl2. + HCl + HCl Na OH H 2 O RH + HCl RCl RH + RCl RH + RCl RH + RCl RH + RCl (b)(a) (c) Hình 4.2. Sơ đồ công nghệ làm sạch sản phẩm của quá trình clo hóa. a - Thổi HCl bằng không khí hoặc nitơ. b - Rửa sản phẩm bằng nƣớc hoặc dung dịch kiềm c - Đuổi HCl cùng với lƣợng dƣ chất phản ứng ban đầu. Sơ đồ công nghệ clo hóa chuỗi gốc pha lỏng điển hình là quá trình tổng hợp metylcloroform từ 1,1- dicloetan đƣợc biểu diễn trên hình 4.3. 15 12 13 9 86 7 15 10 3 14 5 4 1 2 Cl2 , 1 - dicloetan HCl Axit HCl H2O Hình 4.3. Sơ đồ công nghệ điều chế 1, 1, 1 - tricloetan. 1 - Bình chứa; 2 - Bơm; 3 - Thiết bị clo hóa; 4, 5 - Thiết bị ngƣng tụ ngƣợc; 6, 8 - Thiết bị rửa hấp thụ; 7, 9 – Thiết bị sinh hàn; 10, 12 – Tháp chƣng cất phân đoạn; 11, 13 - Thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu; 14 - Thiết bị tách; 15 - Nồi đun. Dung dịch thu đƣợc, đƣợc bơm liên tục bằng bơm (2) vào phía trên của 101 thiết bị clo hóa (3), còn phía dƣới cho clo dạng khí. Quá trình thoát nhiệt phản ứng nhờ sự hóa hơi 1,1–diclo etan trong dòng HCl dƣới áp suất 0,2 – 0,3MPa. Hơi của nó, đƣợc ngƣng tụ trong thiết bị làm lạnh ngƣợc (4), (5) và phần ngƣng quay trở lại thiết bị phản ứng. Metycloroform có nhiệt độ sôi cao, nhiệt độ chất lỏng trên các đĩa cũng tăng từ trên xuống dƣới, từ 70 đến 1000C, nhƣ gần với tính chất tối ƣu của nhiệt độ trong thiết bị phản ứng. Khí kéo theo hơi 1,1 - diclo etan và để giảm quá trình hao hụt nó, ngƣời ta làm lạnh khí bằng dung dịch nƣớc muối trong thiết bị ngƣng tụ ngƣợc (5), từ đây, phần ngƣng chảy ngƣợc vào thiết bị clo hóa. Khí đã làm sạch khỏi hơi chất hữu cơ, đƣợc cho vào hấp thụ HCl trong thiết bị lọc khí (6), dòng tƣới là axit HCl loãng. Vì quá trình tỏa nhiệt nhiều khi hấp thụ HCl và với mục đích thu đƣợc HCl đậm đặc (30 – 33%), phần dƣới của bộ lọc khí, lắp một hệ thống lƣu axit này qua ống sinh hàn grafit (7). Phần HCl còn lại đƣợc hấp thụ bằng nƣớc trong bộ lọc khí (8), còn khí thoát ra đƣợc thải vào không khí; axit HCl 5 – 7% thu đƣợc trong (8) chuyển vào ống sinh hàn (9) làm lạnh và chuyển đi ”làm đặc” trong bộ lọc khí (6). Phần phản ứng lỏng từ dƣới thiết bị clo hóa (3), chuyển đến tháp chƣng cất (10) có kèm thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu đun sôi và ngƣng tụ (11). Tại đây, ngƣời ta chƣng cất HCl và 1,1–dicloetan. Ngƣời ta tách phần HCl ra khỏi phần ngƣng và cho đến ống dẫn khí thoát ra từ thiết bị clo hóa. Phần ngƣng tụ, một phần để làm dòng tƣới cho tháp, phần còn lại (hoàn lƣu) cho quay lại phía trên thiết bị clo hóa. Chất lỏng dƣới tháp (10) đƣợc chuyển đến tháp (12) để thu metylcloroform ở dạng hóa hơi. Phần còn lại từ chƣng cất có chứa một khối lƣợng lớn 1,1,2 - tricloetan và tetracloetan. Từ chúng có thể tách tricloetan (để chế biến vinylidenclorua), còn tetracloetan dùng để chế biến tricloetylen hoặc những sản phẩm hữu cơ khác. b. Công nghệ clo hóa chuỗi gốc pha khí Sản phẩm thu đƣợc Khi clo hóa ở pha khí, số sản phẩm thu đƣợc không nhiều, đó là những dẫn xuất clo của metan, allyl và metalyl clorua, diclobuten. Dẫn xuất clo của metan: clometan CH3Cl (ở áp suất không khí – khí ngƣng tụ ở -23,70C) dùng làm tác nhân metyl hóa khi sản xuất dimetycloxilan (CH3)2SiCl2 và những metylxilan khác, metylenmercaptan CH3SH. Metylenclorua (diclometan) CH2Cl2 (chất lỏng, sôi ở 39,8 0C) dùng làm dung môi. Cloroform (triclometan) CHCl3 (chất lỏng, sôi ở 61,2 0C) dùng để điều chế chất làm lạnh – freon CHClF2 và monome quan trọng – tetrafloetylen CF2 = 102 CF2. Tetra clometan CCl4 (chất lỏng, sôi ở 76,5 0C) dùng làm dung môi, là cấu tử trong một số thuốc trừ sâu và nguyên liệu để chế biến freon (CCl2F2 và CCl3F). Tất cả dẫn xuất này có thể thu đƣợc bằng cách clo hóa metan ở dạng hỗn hợp có thành phần khác nhau. Nhƣng để tổng hợp clometan, ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp khác, đó là hyđroclo hóa metanol. CH3OH + HCl CH3Cl + H2O Sản phẩm thu đƣợc tinh khiết hơn. Hơn nữa, nó cho phép thu đƣợc dẫn xuất clo khác từ metanol qua chất trung gian clometan, bằng cách clo hóa tiếp tục trong pha khí. Trong trƣờng hợp này, không yêu cầu làm sạch sâu để tách metan khỏi dẫn xuất clo. Để sản xuất tetraclometan, hiện nay ngƣời ta dùng những phƣơng pháp rất kinh tế, dựa trên quá trình clo hóa những chất clo hữu cơ ban đầu. Allyl clorua CH2=CHCH2Cl và metalyl clorua CH2=C(CH3)CH2Cl là chất lỏng sôi ở 450C và 72,20C. Chất đầu đƣợc dùng để đƣa nhóm allyl vào những chất khác nhau (tổng hợp ete có nhóm allyl, allylamino, allylsacaro và đặc biệt để sản xuất epiclohyđrin CH2ClCH-CHO, là nguyên liệu chính trong tổng hợp nhựa epoxy và glixerin. Diclorua tạo thành khi clo hóa propylen đƣợc dùng nhƣ nƣớc trừ sâu dƣới tên gọi ”chế phẩm DD”. Metalylclorua là thuốc trừ sâu cũng đƣợc dùng để đƣa nhóm metalyl khi chế biến metalyl sulfonat CH2=C(CH3)CH2SO2ONa. Allyl và metalyl clorua thu đƣợc bằng cách clo hóa những propylen và izo-buten tƣơng ứng trong pha khí. Diclobuten có ý nghĩa quan trọng, là sản phẩm trung gian của tổng hợp hữu cơ, 1,4 đồng phân là cơ sở của một trong những phƣơng pháp điều chế adipodinitril CN(CH2)4CN, hexametylen diamin NH2(CH2)6NH2 và axit adipic HOOC(CH2)6COOH, chúng dùng để sản xuất sợi poliamit. 1,2 đồng phân dễ dàng chuyển hóa thành cloropren CH2=CClCH=CH2, đây là phƣơng pháp hiện đại nhất để tổng hợp monome quan trọng này. Khi clo hóa còn xảy ra sự đồng phân hóa, có thể thu đƣợc bất cứ đồng phân nào nếu xem nó là sản phẩm chính. Điều kiện của quá trình và các loại thiết bị phản ứng Điều quan trọng là phải chọn nhiệt độ và tỉ lệ chất phản ứng. Khi tổng hợp allyl và metalylclorua, là sản phẩm chính có chứa một nguyên tử clo, do đó quá trình thực hiện với dƣ hyđrocabon, nhƣng không quá lớn, bởi vì diclorua cũng có thể dùng đƣợc. Nếu tỉ lệ mol hyđrocacbon với clo là 5:1 khi tổng hợp allylclorua và 2:1 khi điều chế metalylclorua, hiệu suất những dẫn 103 suất clo này đạt tới 80%, khi đó lƣợng hyđrocacbon đƣợc tách ra và cho quay ra trở lại phản ứng. Khi sản xuất allylclorua, việc chọn nhiệt độ đƣợc quy định bằng độ chọn lọc cao của quá trình thay thế so với phản ứng cộng và phản ứng xảy ra không nhiều, quá trình thực hiện ở 150 – 2000C. Cuối cùng, tổng hợp diclobuten thực hiện ở nhiệt độ gần 3000C và dƣ butađien -1,3. Khi clo hóa metan thì sản phẩm chính thƣờng là metalenclorua, cloruaform, tetraclometan hoặc hỗn hợp của chúng. Khi metylenclorua là sản phẩm chính, tỷ lệ mol của metan với clo là ~ 4:1. Clo hóa nhiệt metan thực hiện ở 500 – 5500C, còn bằng nhiệt cùng với sự có mặt xúc tác thì ở 350 – 4000C. Clo hóa trong pha khí luôn đƣợc thực hiện ở áp suất khí quyển và liên tục cho hỗn hợp chất phản ứng qua thiết bị clo hóa. Công đoạn quan trọng là trộn những chất ban đầu, phải đảm bảo có đƣợc hỗn hợp đồng nhất ngay tức khắc. Do đó, phải có thiết bị trộn đặc biệt ví dụ nhƣ loại tiếp tuyến, nó có dòng xoáy mạnh và khuấy đều hỗn hợp. Các thiết bị phản ứng cho clo hóa ở pha khí có 3 loại chính (hình 4.4). Đặc điểm chung của chúng là lớp bảo vệ vỏ thép, (khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và ăn mòn) bằng lớp lót lò bằng sứ. Tác dụng cuối cùng của nó là dùng nhiệt của phản ứng để đốt nóng hỗn hợp đến nhiệt độ cần thiết và tỏa nhiệt vào môi trƣờng xung quanh. Khi đó, tùy vào cân bằng nhiệt của quá trình mà cho lƣợng chất phản ứng làm lạnh vào thiết bị clo hóa, (khi tổng hợp polyclorua metan, hiệu ứng nhiệt của phản ứng rất lớn) hoặc gia nhiệt sơ bộ (để thu đƣợc alylclorua). Trong trƣờng hợp đầu của clo hóa nhiệt, ngƣời ta dùng thiết bị clo hóa loại 4.4a, trong đó chất phản ứng lạnh đƣợc gia nhiệt nhanh nhờ vòi phun nóng đóng vai trò bình trữ nhiệt. Khi clo hóa nhiệt xúc tác cũng tiến hành nhƣ vậy nhờ những cấu tử nung nóng của lớp xúc tác giả lỏng hoặc nhờ chất truyền nhiệt (4.4b). Khi đó, để tổng hợp các quá trình tỏa nhiệt mạnh nhƣ policlorua metan, quá trình điều chỉnh nhiệt độ có thể nhờ sự phun CCl4 lỏng. Trong tất cả các trƣờng hợp đều có sự khuấy trộn hỗn hợp theo chiều dọc rất mạnh. Tổng hợp allylclorua, phản ứng có thể bắt đầu xảy ra khi khuấy trộn, và ngƣời ta dùng thiết bị clo hóa dạng ống rỗng với chiều cao so với đƣờng kính rất lớn (4.4c). Thời gian lƣu trong những quá trình clo hóa khác nhau thay đổi trong khoảng 0,1 – 2 giây. 104 RH + HCl Saûn phaåm RH + HCl Saûn phaåm RH + Cl2 Saûn phaåm (a) (b) (c) …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ….. Hình 4.4. Thiết bị phản ứng clo hóa trong pha khí. a - Thiết bị phản ứng với tác nhân nhiệt rắn b - Thiết bị phản ứng với lớp tải nhiệt giả lỏng c - Thiết bị phản ứng với sự đun nóng sơ bộ hỗn hợp. Công nghệ của quá trình Sơ đồ công nghệ clo hóa ở pha khí gồm những giai đoạn nhƣ ở clo hóa pha lỏng. Chuẩn bị chất phản ứng gồm hóa hơi clo lỏng, đốt nóng sơ bộ clo dạng khí, sấy chất phản ứng với nhau và với lƣợng hoàn lƣu. Trong trƣờng hợp allylclorua và metalylclorua, ngƣời ta hóa hơi và đốt nóng hyđrocacbon ban đầu đến nhiệt độ cần thiết. Sau phản ứng, làm sạch hỗn hợp khỏi HCl, tách những chất hồi lƣu và sản phẩm chính. Để thực hiện nguyên công đoạn này, ngƣời ta dùng 2 sơ đồ cơ bản. 1. Khi khó ngƣng tụ sản phẩm (nhƣ khi tổng hợp metylenclorua trong lƣợng dƣ CH4 lớn). Đầu tiên, ngƣời ta làm sạch tất cả hỗn hợp khỏi HCl và thu đƣợc HCl – 30%, sau đó nén lại, sấy, tách phần khí hồi lƣu và chƣng cất sản phẩm lỏng. 2. Khi có khả năng dễ dàng ngƣng tụ sản phẩm, Đầu tiên, ngƣời ta tách chúng khỏi phần hồi lƣu và HCl, sau đó chƣng cất. Hỗn hợp khí đƣợc làm sạch khỏi HCl, còn phần hồi lƣu cho sấy và cho quay lại phản ứng. 105 Cl2 (h) 3 1 2 4 5 7 8 8 9 10 11 12 19 13 14 15 16 17 18Clorit HCl NaOH (l) Muội than C3H6 + HCl C3H6 H2O H2OH2O 6 Hình 4.5. Sơ đồ công nghệ sản xuất allylclorua. 1 - Thiết bị hóa hơi; 2 - Thiết bị gia nhiệt; 3 -Lò ống; 4 - Thiết bị clo hóa; 5 - cyclon; 6, 17 - Sinh hàn làm lạnh; 7 - Tháp tách hơi ngƣng tụ; 8, 9, 12, 16 - Thiết bị tách; 14 - Thiết bị ngƣng tụ; 15 - Thiết bị sấy hấp phụ; 18 - Máy nén khí; 19 - Van tiết lƣu. Sơ đồ công nghệ sản xuất allylclorua đƣợc mô tả trên hình 4.5. Clo lỏng hóa hơi trong thiết bị (1) và đƣợc gia nhiệt sơ bộ trong thiết bị gia nhiệt (2), sau đó chúng qua lƣu lƣợng kế và vào thiết bị clo hóa (4). Đốt nóng propylen đến 3500C trong lò ống (3) và nó đi đến phía trên của thiết bị clo hóa, để đóng vai trò tác nhân trộn. Hỗn hợp phản ứng nóng cho qua xyclon (5) để tách cốc và muội than, qua thiết bị làm lạnh (6) để có thể thu hồi năng lƣợng, sau đó vào tháp tách hơi ngƣng tụ (7). Với propylen lỏng, nhờ quá trình hóa hơi của nó, mà khí đƣợc làm lạnh và tất cả dẫn xuất clo đƣợc ngƣng tụ hoàn toàn. Propylen và HCl từ phía trên tháp (7), chuyển đến hấp thụ clorua hyđro để thu đƣợc HCl đậm đặc. Theo hình vẽ, có sơ đồ hấp thụ dạng màng trong thiết bị vỏ ống grafit (8), trong đó nhiệt hấp thu đƣợc lấy nhờ nƣớc và nhƣ thế 106 thu đƣợc HCl có nồng độ cao nhất. Trong mỗi ngăn của thiết bị hấp thụ (8), khí và nƣớc (hoặc HCl) chuyển động thẳng từ trên xuống, nhƣng đồng thời nó có dòng ngƣợc – do quá trình cho nƣớc vào thiết bị hấp thụ cuối (theo đƣờng khí) và cho axit loãng vào thiết bị đầu. Sau khi qua thiết bị phân táchthứ 2, ngƣời ta làm lạnh thêm để tách khỏi HCl trong thiết bị lọc khí kiềm (11), còn propylen chƣa phản ứng đƣợc nén trong thiết bị nén khí (18) đến áp suất 1,5 – 2,0MPa. Làm lạnh propylen trong ống sinh hàn (17) và tách nƣớc ngƣng tụ trong bộ phân tách(16). Sau đó, khí cho qua sấy và vào bộ hấp phụ (15) chứa Al2O3 (hiệu lực của chất sấy là 2 ÷ 3 chu kỳ làm việc, trong đó thực hiện liên tục quá trình hấp phụ, thổi, giải hấp phụ bằng khí nóng và lại thổi). Phần propylen khô trong trạng thái khí đƣợc tiết lƣu, nó đến lò ống (3) và từ đây đi đến phản ứng. Khối lƣợng còn lại đƣợc ngƣng tụ trong thiết bị (14) và đƣợc thu hồi trong bể (13). Sự tiết lƣu propylen lỏng xảy ra, trong đó nó đƣợc làm lạnh và một phần đƣợc hóa hơi. Những hơi này cùng khí từ bể (13), hợp với propylen đi đến phản ứng, và propylen lỏng tƣới cho tháp (7). Phân đoạn propylen sạch, tùy thuộc vào áp suất của nó, trạng thái kết tụ và mức độ sấy, có thể cho vào những điểm khác nhau của sơ đồ công nghệ. Cho phân đoạn lỏng khô vào bể (13) dƣới áp suất. Khi hoàn lƣu, trong khí tích tụ những tạp chất trơ và để tránh quá trình hòa loãng nhiều lần, ngƣời ta cho thoát ra một lƣợng khí vào ống khí nhiên liệu. Hỗn hợp dẫn xuất clo từ dƣới tháp (7) chuyển đến chƣng cất (trong sơ đồ không có). Khi đó allylclorua đƣợc tách khỏi clopropylen và diclorua có nhiệt độ sôi cao hơn, chúng thu đƣợc ở dạng sản phẩm kỹ thuật tinh khiết. 1.3. Clo hóa xúc tác theo cơ chế ion Quá trình này là cộng halogen theo nối đôi và nối ba, clohyđro hóa olefin, phản ứng hyđroclo hóa thay thế vào nhân thơm và clo hóa một số hợp chất chứa O2 và N2. 1.3.1. Các phản ứng hóa học a. Halogen hóa cộng hợp bằng halogen tự do Cộng halogen theo nối đôi C=C Trƣớc đây đã gặp quá trình cộng clo vào olefin trong pha khí theo cơ chế gốc chuỗi. Nếu khi đó là pha lỏng thì sự tăng vận tốc ít và xảy ra trong dung dịch. Cơ chế phản ứng thay đổi đƣợc chứng minh, nhờ quá trình vắng mặt của ánh sáng và ảnh hƣởng của những chất kích hoạt hóa học. Khi cho chất phản ứng ban đầu qua pha lỏng (chất lỏng này thƣờng là 107 sản phẩm phản ứng), dễ dàng xảy ra quá trình cộng clo hoặc brom theo nối đôi: RCH2 = CH2 + X2 RCHX - CH2X Phản ứng này xảy ra rất nhanh, thậm chí khi ở nhiệt độ thấp, nhƣng những xúc tác loại axit không proton làm tăng tốc phản ứng (ví dụ FeCl3). Cơ chế của quá trình nằm trong quá trình cộng ái điện tử với sự tạo thành phức và phức trung gian. H2C 2 Cl2 H2C 2 Cl Cl + FeCl3 - e l-4 H2C + + FeCl-4 - l3 H2CCl 2 l2 Cl Vai trò FeCl3 đƣợc giải thích không chỉ bằng quá trình tăng tốc giai đoạn chuyển phức thành phức mà còn bởi sự tạo thành phức Cl Cl: FeCl3. Phản ứng xúc tác theo thứ tự olefin, Cl2 và FeCl3, nhƣng trong đó thƣờng có cả quá trình không xúc tác theo clo ở bậc cao hơn. Khả năng phản ứng của olefin phụ thuộc vào độ ổn định của cation trung gian và thay đổi nhƣ sau: RCH = CH2 > CH2 = CH2 > CH2 = CHCl Axetylen cũng có khả năng cộng clo: HC CH Cl2 CHCl = CHCl Cl2 CHCl2 - CHCl2 Ở đây, dùng xúc tác FeCl3, và do vận tốc giai đoạn 2 cao nên sự tạo thành dicloetylen rất ít. Trong tất cả những quá trình này, phản ứng phụ thế H2 cũng xảy ra; kết quả tạo thành clorua cao phân tử hơn (tricloetan từ etylen, pentacloetan từ axetylen…) phản ứng thế có cơ chế gốc - chuỗi, khi đó sự hình thành chuỗi đƣợc thực hiện khi ở nhiệt độ thấp nhờ tƣơng tác của clo với olefin: RCH2 = CH2 + Cl2 CH2Cl - C .H2 + Cl . Để ngăn quá trình này, có thể giảm nhiệt độ, nhƣng hiệu quả nhất là dùng chất ức chế phản ứng chuỗi và xúc tác loại không proton. Một trong những chất ức chế có thể dùng là oxy đã có trong khí clo, nó đƣợc dùng trong tất cả những quá trình đã nêu trên. Khi cho xúc tác vào, sẽ làm tăng vận tốc phản ứng cộng, và tăng độ chọn lọc của nó. Kết quả kết hợp tác dụng của oxy và xúc tác là lƣợng sản phẩm từ phản ứng phụ thế H2 khi clo hóa etylen đƣợc giảm từ 10 đến 0,5 – 2%. Sản phẩm thu đƣợc Sản phẩm thu đƣợc với số lƣợng lớn nhất là 1,2–dicloetan CH2ClCH2Cl 108 (chất lỏng, sôi ở 83,50C). Ngƣời ta thu đƣợc nó nhờ phản ứng cộng clo vào etylen và đƣợc dùng để sản xuất monome vinyclorua CH2=CCl2, polyclorua etan và etylen (đặc điểm của dung môi tri- và tetracloetylen CHCl=CCl2 và CCl2=CCl2), cũng nhƣ etylendiamin NH2CH2CH2NH2, cao su polisulfua thiocol (-CH2CH2-Sx-)n và loại sản phẩm khác. 1,2 dicloetan có trong thành phần của một số chất hun (diệt côn trùng). 1,2-diclopropan ClCH2CHClCH3 (chất lỏng, sôi 98,6 0C) thu đƣợc nhờ clo hóa propylen. Ngƣời ta dùng nhƣ chất hun khói cho cao su và để tổng hợp cao su polysulfua. 1,2-dibrometan và 1,2–dibrompropan thu đƣợc tƣơng tự nhƣ các dẫn suất clo tƣơng ứng thu từ etylen và propylen. Trƣớc đây, chúng đƣợc dùng để chế biến chất lỏng etyl (dung dịch tetraetyl chì) thêm vào nguyên liệu động cơ để làm tăng chỉ số octan của chúng. 1,1,2–tricloetan và hexacloetan gần đây đƣợc tổng hợp hữu hiệu nhất không phải t