Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
nhiều hơn trên thế giới bằng phương pháp tổng hợp áp suất thấp còn phương pháp chưng
cất từ giấm gỗ chỉ chiếm khoảng 0,003% tổng lượng methanol sản xuất được. Vì vậy đầu
tiên methanol được gọi là rượu gỗ vì người ta thu được methanol trong quá trình chưng
cất khô gỗ, ngày nay methanol thương mại đôi khi được xem như là methanol tổng hợp
bởi vì nó được sản xuất từ tổng hợp khí, một hỗn hợp của hydrogen và carbon oxide (H
2
và CO).
II. Nguyên liệu tổng hợp methanol
2.1 Hidro
Hình 2.
2.1.1 Trạng thái thiên nhiên:
Hiđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường
theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được tìm thấy với
một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Tuy vậy, trên Trái
Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu của nó là nước, bao
gồm hai phần hiđrô và một phần ôxy (H
2
O). Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất
hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên.
Mêtan (CH
4
) là một nguồn quan trọng của hiđrô. Dưới áp suất cực cao, chẳng hạn như tại
trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hiđrô mất đặc tính
của nó và hiđrô trở thành một kim loại (xem hiđrô kim loại). Dưới áp suất cực thấp, như
trong khoảng không vũ trụ, hiđrô có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt,
đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau; các đám mây H
2
tạo thành và
được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao.
Trang: 5
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua
các phản ứng prôton-prôton và chu trình cacbon - nitơ. (Đó là các phản ứng nhiệt hạch
giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hiđrô thành một
nguyên tử hêli.)
2.1.2.Tính chất Vật Lý:
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân
tử H
2
, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 C) và nhiệt
độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương.Hydro có hóa
trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Nguyên tử hydro là
nguyên tử của nguyên tố hydro. Nó bao gồm một electron có điện tích âm quay xung
quanh prôton mang điện tích dương là hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Điện tử và prôton
liên kết với nhau bằng
2.1.3. Tính chất Hóa Học:
Phân tử H
2
với vỏ electron của He,có độ bền lớn nên rất kho phân hủy thành nguyên
tử, nó chỉ phân hủy ở nhiệt độ 2000
o
C. Quá trình phân hủy thu nhiệt
H
2
= 2H ∆H = 436kj/mol
Cho nên ở nhiệt độ thường hidro rất kem hoạt động về mặt hóa học, khi đun nóng nó
kết hợp với nhiều nguên tố khác như:kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ tạo nên các hidrua
kim loại.
2Li + H
2
= 2LiH
Ca +H
2
= CaH
2
Ngoài ra hidro con có thể kết hợp với các nguyên tố như:S,O,N…
2H
2(K)
+O
2
= 2H
2
O H = 241,82kJ/mol∆
Trang: 6
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
Ngoài việc kết hợp trực tiếp với oxi,hidro có thể lấy oxi của nhiêu kim loại như:
Cu,Chì,Fe…
CuO + H
2
= Cu+ H
2
O
2.1.4. Điều Chế và Sản Xuất:
Trong phòng thí nghiệm, hiđrô được điều chế bằng phản ứng của axit với kim
loại, như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó được điều
chế từ khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản
xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phương pháp
điều chế mới như sử dụng tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucôda
hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới.
Hiđrô có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (cacbon) nóng
đỏ, phân hủy hiđrôcacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiềm) trong dung
dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít loãng với một kim loại (có khả năng đẩy
hiđrô từ axít) nào đó.
Việc sản xuất thương mại của hiđrô thông thường là từ khí tự nhiên được xử lý bằng
hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng với mêtan để sinh ra
mônôxít cacbon và hiđrô.
CH
4
+ H
2
O → CO + 3 H
2
Điện phân dung dịch có màng ngăn :
2NaCl + 2H
2
O → 2NaOH + H
2
+ Cl
2
Điện phân nước:
2H
2
O → 2H
2
+ O
2
Lượng hiđrô bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng nước-
khí sau:
CO + H
2
O → CO
2
+ H
2
Trang: 7
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
III.Cacbon Oxit
3.1.1. Lịch Sử:
Mônôxít cácbon đã được nhà hóa học người Pháp là de Lassone điều chế lần đầu
tiên năm 1776 bằng cách đốt nóng ôxít kẽm (ZnO) với than cốc, nhưng ông đã sai lầm
khi cho khí thu được là hiđrô do nó cũng cháy với ngọn lửa màu xanh lam. Sau này, nó
được nhà hóa học người Anh là William Cruikshank xác định là một hợp chất chứa
cacbon và ôxy năm 1800.
Nhà sinh lý học người Pháp là Claude Bernard vào khoảng năm 1846 đã lần đầu
tiên nghiên cứu kỹ lưỡng các thuộc tính độc hại của mônôxít cácbon. Ông cho các con
chó hít thở khí này và nhận ra rằng máu của chúng tại tất cả các mạch máu là đỏ hơn.
3. 1.2.Tính Chất Vật Lí:
Mônôxít cácbon, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không mùi,
bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn của
cácbon và các hợp chất chứa cácbon.
Có nhiều nguồn sinh ra mônôxít cácbon. Khí thải của động cơ đốt trong tạo ra sau
khi đốt các nhiên liệu gốc cácbon (gần như là bất kỳ nguồn nhiên liệu nào, ngoại trừ
hiđrô nguyên chất) có chứa mônôxít cácbon, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ quá
thấp để có thể thực hiện việc ôxi hóa trọn vẹn các hyđrô cácbon trong nhiên liệu thành
nước (dạng hơi) và điôxít cácbon, do thời gian có thể tồn tại trong buồng đốt là quá ngắn
và cũng có thể là do không đủ lượng ôxy cần thiết. Thông thường, việc thiết kế và vận
hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng CO là khó khăn hơn rất nhiều so với việc thiết
kế để làm giảm lượng hyđrô cácbon chưa cháy hết. Mônôxít cácbon cũng tồn tại với một
lượng nhỏ nhưng tính về nồng độ là đáng kể trong khói thuốc lá. Trong gia đình, khí CO
được tạo ra khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết trong
các thiết bị dùng chúng làm nhiên liệu như xe máy, ô tô, lò sưởi và bếp lò v.v. Khí
mônôxít cácbon có thể thấm qua bê tông hàng giờ sau khi xe cộ đã rời khỏi ga ra.
Trang: 8
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
Trong quá khứ, ở một số quốc gia người ta sử dụng cái gọi là town gas để thắp sáng
và cung cấp nhiệt vào thế kỷ 19. Town gas được tạo ra bằng cách cho một luồng hơi
nước đi ngang qua than cốc nóng đỏ; chất tạo thành sau phản ứng của nước và cácbon là
hỗn hợp của hiđrô và mônôxít cácbon. Phản ứng như sau:
H
2
O + C = CO + H
2
Khí này ngày nay đã được thay thế bằng hơi đốt tự nhiên (mêtan) nhằm tránh các tác
động độc hại tiềm ẩn của nó. Khí gỗ, sản phẩm của sự cháy không hoàn toàn của gỗ cũng
chứa mônôxít cácbon như là một thành phần chính.
3.1.3.Tính Chất Hóa Học
Cấu trúc của phân tử CO được mô tả tốt nhất dựa theo thuyết quỹ đạo phân tử. Độ
dài của liên kết hóa học (0,111 nm) chỉ ra rằng nó có đặc trưng liên kết ba một phần.
Phân tử có mômen lưỡng cực nhỏ (0,112 Debye hay 3,74x10
-31
C.m) và thông thường
được biểu diễn bằng 3 cấu trúc cộng hưởng:
Lưu ý rằng quy tắc octet (quy tắc bộ tám) bị vi phạm đối với nguyên tử cacbon trong
hai cấu trúc thể hiện bên phải.
Nó thể hiện tính khử trong một số phản ứng với các ôxít kim loại có độ hoạt động
hóa học yếu ở nhiệt độ cao, chẳng hạn ôxít đồng (II), theo phản ứng sau:
CO + CuO = CO
2
+ Cu
Kim loại niken tạo ra hợp chất dễ bay hơi với CO, được biết đến với tên gọi niken
cacbonyl. Cacbonyl bị phân hủy rất nhanh ngược trở lại thành kim loại và khí CO, và nó
được sử dụng làm nền tảng cho việc làm tinh khiết niken.
Nhiều kim loại khác cũng có thể tạo ra các phức chất cacbonyl chứa các liên kết
cộng hóa trị với mônôxít cácbon, các chất này có thể tạo ra bằng một loạt các phương
pháp khác nhau, ví dụ đun sôi rutheni triclorua với triphênyl phốtphin trong
Trang: 9
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
mêthôxyêtanol (hay DMF) thì có thể thu được phức chất [RuHCl(CO)(PPh
3
)
3
]. Niken
cacbonyl là đặc biệt do nó có thể được tạo ra bằng tổ hợp trực tiếp mônôxít cácbon và
niken kim loại ở nhiệt độ phòng.
Trong niken cacbonyl và các cacbonyl khác, cặp điện tử trên nguyên tử cacbon được
liên kết với kim loại. Trong trường hợp này mônôxít cácbon được nói đến như là nhóm
cacbonyl.
Mônôxít cácbon và mêtanol có phản ứng với nhau có chất xúc tác gốc rôđi để tạo ra
axít axêtic trong quy trình Monsanto, nó là phương pháp được sử dụng nhiều nhất để sản
xuất axít axêtic công nghiệp.
3.1.4.Độc Tính:
Mônôxít cácbon là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ
dẫn tới thương tổn do giảm ôxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể
gây tử vong. Nồng độ chỉ khoảng 0,1% mônôxít cácbon trong không khí cũng có thể là
nguy hiểm đến tính mạng.
CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì
người ta không cảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí. CO có ái lực với
hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với ôxy nên khi được hít vào
phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở ôxy đến tế
bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim.
Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn
nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê. Nếu ngộ độc CO xảy ra khi đang ngủ say hoặc
uống rượu say thì người bị ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng thở và tử vong.
Ngộ độc CO có thể xảy ra ở những trường hợp chạy máy nổ phát điện trong nhà kín,
sản phụ nằm lò than trong phòng kín, ngủ trong xe hơi đang nổ máy trong nhà hoặc
gara
Trang: 10
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
IV.Khí MeTan:(CH
4
)
Hình 3.
4.1.Tính Chất Vật Lí:
Mêtan, với công thức hóa học là CH
4
, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng
ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí
không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C, và rất dễ cháy. Một
mét khối mêten ở áp suất thường có khối lượng 717 g.
Mêtan nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệp, nó thường
được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etyl
mecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.
Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy. Nó
được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Mêtan có nhiều ứng
dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol mêtan có mặt ôxy sinh ra 1 mol CO
2
(cacbon dioxit) và 2 mol H
2
O (nước):
CH
4
+ 2 O
2
→ CO
2
+ 2 H
2
O
Mêtan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi kg mêtan làm
ấm Trái Đất gấp 23 lần 1 kg CO2.
4.2.Tính Chất Hóa Học:
a) Phản ứng cháy
Trong phản ứng cháy của mêtan có một số bước. Trước tiên, mêtan tạo ra gốc metyl
(CH
3
), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc H
2
CO) cho gốc
Trang: 11
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit. Quá trình này được gọi là sự nhiệt phân ôxi
hoá
CH
4
+ O
2
→ CO
2
+ H
2
O
Sau đó, hydro bị ôxi hóa tạo ra H
2
O và giải phóng nhiệt. Quá trình này diễn ra rất
nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.
H
2
+ ½ O
2
→ H
2
O
Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO
2
, và giải phóng thêm nhiệt. Quá trình này
chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.
CO + ½ O
2
→ CO
2
b) Hoạt hóa Hydro
Liên kết cộng hóa trị giữa C-H trong metan thuộc loại bền nhất trong hydrocacbon.
Tuy nhiên, metan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuất Hydro. Việc tìm kiếm
các xúc tác có tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóa Hydro trong metan và các ankan
bậc thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trong trong công nghiệp.
c) Tác dụng với Halogen
Mêtan phản ứng với Halogen cho ra Mêtylhalogenic và axít Halogenhidric, ví dụ
mêtan phản ứng với Clo trong ánh sáng khuếch tán theo nhiều giai đoạn:
CH
4
+ Cl
2
→ CH
3
Cl + HCl
CH
3
Cl + Cl
2
→ CH
2
Cl
2
+ HCl
CH
2
Cl
2
+ Cl
2
→ CHCl
3
+ HCl
CHCl
3
+ Cl
2
→ CCl
4
+ HCl
d) Phản ứng phân hủy
Metan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000
o
C:
CH
4
→ C + 2H
2
Trang: 12
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
hoặc khi tác dụng với Cl
2
dưới ánh sáng trực tiếp:
CH
4
+ 2Cl
2
→ C + 4HCl
4.3. Điều Chế:
• Từ nhôm cacbua Al
4
C
3
Al
4
C
3
+ 12H
2
O → 4Al(OH)
3
+ 3CH
4
↑
Al
4
C
3
+ 12HCl → 4AlCl
3
+ 3CH
4
↑
• Từ CH
3
-COONa (phản ứng vôi tôi xút)
CH
3
-COONa + NaOH → Na
2
CO
3
+ CH
4
↑
• Phản ứng trực tiếp có xúc tác Niken (hiệu suất rất thấp)
C + 2H
2
→ CH
4
• Từ CO
CO + 3H
2
→ H
2
O + CH
4
↑
• Từ đường glucose (C
6
H
12
O
6
)
C
6
H
12
O
6
→ 3CO
2
+ 3CH
4
4.4. Ứng Dụng:
Nhiên liệu
Mêtan là một nhiên liệu quan trọng. So với than đá, đốt cháy mêtan sinh ra ít CO
2
trên mỗi đơn vị nhiệt giải phóng. Ở nhiều nơi, mêtan được dẫn tới từng nhà nhằm mục
đích sưởi ấm và nấu ăn. Nó thường được biết tới với cái tên khí thiên nhiên.
Trong công nghiệp
Mêtan được dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp và có thể được chuyên chở
dưới dạng khí hóa lỏng. Trong hóa công nghiệp, mêtan là nguyên liệu sản xuất hydro,
methanol, axit axetic và anhydrit axetic.
Mêtan trong khí quyển Trái Đất
Trang: 13
Đề tài: Quy trình sản xuất Methanol GVHD: Nguyễn Thị Hồng Anh
Mêtan trong khí quyển là một khí gây hiệu ứng nhà kính. Mật độ của nó đã tăng
khoảng 150% từ năm 1750 và đến năm 1998, mật độ trung bình của nó trên bề mặt Trái
Đất là 1745 ppb. Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn mêtan hơn (cả
thiên nhiên lẫn nhân tạo). Mật độ của mêtan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa
hè.
Quá trình phân huỷ
Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc hydroxyl
(.OH):
CH
4
+ ·OH → ·CH
3
+ H
2
O
Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lưu làm cho mêtan tồn tại được trong khoảng 9,6
năm.
Sự giải phóng đột ngột của sàng mêtan
Ở áp suất lớn, ví dụ như ở dưới đáy đại dương, mêtan tạo ra một dạng sàng rắn với
nước, được gọi là mêtan hydrat. Một số lượng chưa xác định nhưng có lẽ là rất nhiều
mêtan bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. Sự giải phóng đột ngột của một thể tích lớn
mêtan từ những nơi đó vào khí quyển là một giả thuyết về nguyên nhân dẫn tới những
hiện tượng Trái Đất nóng lên trong quá khứ xa, đỉnh cao là khoảng 55 triệu năm trước.
Một tổ chức đã ước tính trữ lượng quặng mêtan hydrat dưới đáy đại dương vào
khoảng 10 triệu triệu tấn (10 exagram). Giả thuyết rằng nếu Trái Đất nóng lên đến một
nhiệt độ nhất định, toàn bộ lượng mêtan này có thể một lần nữa bị giải phóng đột ngột
vào khí quyển, khuếch đại hiệu ứng nhà kính lên nhiều lần và làm Trái Đất nóng lên đến
mức chưa từng thấy.
4.5. Ảnh Hưởng Đến Sức Khỏe:
Metan hoàn toàn không độc. Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng
nhiệt. Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ. Mêtan rất
hoạt động đối với các chất ôxi hoá, halogen và một vài hợp chất của halogen. Mêtan là
Trang: 14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét