Tách và tinh chế Aromatics (BTX): Trích ly lõi vòng thơm

Hỗn hợp BTX (Benzene, Toluene, Xylene) tạo nên khối huyết mạch vòng thơm (Aromatics) của ngành hóa dầu hiện đại (làm nền tảng cho sợi dệt, nhựa PET, bọt xốp EPS). Nhưng chúng không sinh ra một cách độc lập tinh khiết. Nguồn gốc chính của chúng đến từ các luồng phân đoạn lọc dầu cực kỳ lộn xộn: luồng Reformate (sản phẩm từ Reforming xúc tác) và luồng Pygas (Xăng nhiệt phân phụ phẩm từ lò Steam Cracking hầm hập). Trong đó, khối Aromatics (vòng) hòa quyện chặt chẽ với hàng ngàn cấu trúc phân tử Paraffin (mạch thẳng) và Naphthene (mạch vòng đơn).

1. Sự Vô Vọng Của Chưng Cất Truyền Thống

Khi nhìn vào một hỗn hợp hydrocarbon, phương pháp tách chia cơ bản nhất luôn là chưng cất (đun sôi ở nhiệt độ khác nhau). Tuy nhiên, đối với Benzene (Nhiệt độ sôi 80.1°C), có vô số cấu trúc Cyclohexane (80.7°C), Heptane mạch thẳng (98.4°C) hay vô vàn cấu trúc phân nhánh khác bám chặt nhiệt độ bay hơi loanh quanh điểm đó. Việc hình thành hiện tượng điểm sôi chung (Azeotropes - hỗn hợp đẳng phí) khiến sự phân ly ranh giới trong tháp chưng cất cao ngất ngưởng cũng chịu thua, không bao giờ lấy được giọt Benzene tinh khiết >99.9% cho hóa dầu tinh tế.

2. Giải pháp ma thuật: Trích ly Dung môi chọn lọc (Liquid-Liquid Extraction)

Công nghiệp đã tìm ra lối thoát thông qua công nghệ siêu Trích ly bằng dung môi lỏng-lỏng (Extraction) hoặc tân tiến hơn là Chưng cất chiết (Extractive Distillation). Chìa khóa vàng ở đây là sự lựa chọn Dung môi phân cực siêu năng.

Đại diện lừng lẫy nhất toàn cầu là dung môi Sulfolane (C4H8SO2) (được phát minh bởi Shell) hoặc họ NMP, DMF. Bản chất của vòng thơm (Aromatics) là sự tồn tại mây điện tử Pi ($pi$) cực lớn lơ lửng trên vòng sáu cạnh, mang tính phân cực điện tử mạnh mẽ. Dung môi Sulfolane lỏng là một hợp chất có cực, do đó theo nguyên lý "đồng thanh tương ứng", Sulfolane chỉ ôm dính lấy hút chặt các phân tử vòng thơm Aromatics, trong khi hoàn toàn đẩy lùi (không hòa tan) khối lượng vĩ đại các phân tử Paraffin hay Naphthene không phân cực (gọi là luồng Raffinate, thải ra ngoài nhẹ hều để pha trộn xăng động cơ).

Hỗn hợp sau khi đi qua mâm trích ly sẽ chỉ còn dính một khối đặc quánh Dung môi + vòng BTX. Khối này chảy sang Tháp giải hấp (Stripper Column/Recovery Tower) được đun sôi chênh lệch áp suất. Aromatics lỏng bốc hơi bứt ra sạch sẽ, dung môi nặng trĩu rơi xuống quay ngược trở lại vòng lặp vô tận.

3. Chẻ Nhỏ Phân Đoạn (Fractionation) và Xử Lý Phụ Phẩm Pygas

Cần lưu ý luồng nguyên liệu Xăng Nhiệt Phân (Pygas) đi ra từ lò Steam Cracker cực kỳ nguy hiểm. Nó chứa dầy đặc các hợp chất Diolefin (có 2 liên kết đôi kề nhau) và Styrene tự do. Bọn chúng rất dễ bắt tay dính lẹo nhau tạo thành kẹo gôm polymer (gum) làm bít tắc đặc cứng toàn bộ mâm lỗ tháp chưng cất. Vì vậy, trước khi được đưa vào cụm Trích ly, Pygas bắt buộc phải chạy qua một tháp phản ứng đặc chủng Hydrotreating chọn lọc (Selective Hydrogenation Unit - SHU) bão hòa các rãnh liên kết dễ vỡ này.

Sau khi lọc sạch bằng dung môi, khối tinh khiết lúc này chứa toàn bộ B-T-X. Giờ đây hiện tượng đẳng phí đã biến mất, tháp chưng cất thông thường phô diễn sức mạnh tách lớp chính xác như chia tầng xếp lớp. Tháp Benzene lấy phần nhẹ nhất, Tháp Toluene ở giữa, Tháp Xylenes (hỗn hợp ortho, meta, para) tụ tập ở đáy nặng hơn mang sang nhà máy Polyeste. Đặc biệt, vì nhu cầu thị trường cần Toluene rất ít, các tổ hợp quy mô lớn sẽ ráp thêm lò Toluene Disproportionation (TDP / Transalkylation) để ép hai phân tử Toluene nứt vỡ ghép lại đẻ ngược ra một phân tử Benzene và một phân tử Xylene đắt giá hơn.