1. Przegląd kwasu akrylowego

Kwas akrylowy (AA) to ważny nienasycony kwas organiczny oraz podstawowy monomer chemiczny. Jego struktura cząsteczkowa zawiera zarówno grupę karboksylową, jak i wiązanie podwójne węgiel–węgiel, co nadaje mu wysoką reaktywność chemiczną.

Jest szeroko stosowany w produkcji polimerów nadchłonnym, estrów akrylowych, klejów, powłok, emulsji oraz różnych funkcjonalnych materiałów polimerowych.

Kwas akrylowy przemysłowy wytwarza się głównie poprzez katalityczne utlenianie propylenu lub akroleiny. Surowy kwas akrylowy zawiera zwykle wodę, kwas octowy, kwas mrówkowy, acetaldehyd, akroleinę oraz inne zanieczyszczenia o niskiej temperaturze wrzenia, a także kwas maleinowy/maleinian bezwodnikowy, benzaldehyd, dimery kwasu akrylowego oraz inne produkty uboczne o wysokiej temperaturze wrzenia. W zależności od procesu produkcyjnego mogą również wymagać kontroli śladowe ilości takich zanieczyszczeń jak kwas propionowy i furfural.

Kwas akrylowy ma temperaturę wrzenia w warunkach atmosferycznych wynoszącą około 141 °C i jest również monomerem o bardzo wysokiej zdolności polimeryzacji. Podwyższone temperatury, niewystarczająca kontrola inhibitorów, lokalne przegrzanie lub zanieczyszczenie przez domieszki mogą zwiększać ryzyko niepożądanej polimeryzacji.

Dlatego oczyszczanie kwasu akrylowego nie sprowadza się jedynie do zwiększania czystości produktu. Niezawodny proces musi równocześnie rozwiązywać problemy usuwania zanieczyszczeń o niskiej temperaturze wrzenia, odzyskiwania kwasu akrylowego z ciężkich pozostałości oraz kontroli polimeryzacji w całym systemie oczyszczania.

W przypadku wysokoczystego lodowatego kwasu akrylowego (GAA) docelowa czystość produktu wynosi zazwyczaj powyżej 99,5 %, przy surowych wymogach dotyczących zawartości wilgoci, barwy oraz inhibitora.

2. Kluczowe wyzwania w oczyszczaniu kwasu akrylowego

Wyzwanie 1: Wysoka zawartość wilgoci oraz złożone zanieczyszczenia o niskiej temperaturze wrzenia

Surowy kwas akrylowy może zawierać wodę, kwas octowy, kwas mrówkowy oraz różne zanieczyszczenia w postaci aldehydów o różnej lotności. Proste odparowanie pozwala usunąć część lekkich składników, jednak trudno jest uzyskać stałą kontrolę nad pozostałościowymi kwasami, aldehydami oraz wilgocią w końcowym produkcie.

To staje się szczególnie istotne, gdy kwas akrylowy jest wykorzystywany w dalszej polimeryzacji. Nawet śladowe zanieczyszczenia mogą wpływać na czystość produktu, jego barwę, zachowanie podczas polimeryzacji oraz jakość końcowego polimeru.

ROZWIĄZANIE YHCHEM

YHCHEM stosuje wielostopniową destylację próżniową w celu oddzielenia wody i zanieczyszczeń o niskiej temperaturze wrzenia na podstawie różnic w lotności. Łącząc wypełnienia o niskim spadku ciśnienia, zoptymalizowaną kontrolę zwrotu i niską ilość cieczy pozostającej w kolumnie, system poprawia skuteczność separacji, jednocześnie skracając czas przebywania kwasu akrylowego w strefach wysokiej temperatury.

 

W przypadku surowców o stosunkowo wysokiej zawartości wilgoci lub bardziej złożonym profilu zanieczyszczeń można również włączyć do procesu dodatkowe jednostki odwadniające lub jednostki wstępnego oczyszczania.

Wyzwanie 2: Polimeryzacja kwasu akrylowego, odkładanie się osadów i zatykanie kolumny

W konwencjonalnych procesach destylacji okresowej kwas akrylowy może pozostawać w odbieraku i na dnie kolumny przez dłuższy czas. Gdy lokalne temperatury stają się zbyt wysokie lub warunki inhibitora stają się niestabilne, kwas akrylowy może ulec dimeryzacji lub polimeryzacji. Powstające w ten sposób polimery mogą osadzać się na wymiennikach ciepła, wypełnieniu kolumny oraz rurociągach, powodując obniżenie wydajności wymiany ciepła, wzrost spadku ciśnienia, zabrudzenie a nawet zatory.

ROZWIĄZANIE YHCHEM

Do obniżenia temperatury parowania kwasu akrylowego stosuje się pracę pod próżnią, natomiast ciągłe dozowanie i odprowadzanie produktu w połączeniu z konstrukcją systemu o niskim pojemnościowym czasie przebywania pomaga skrócić jego czas przebywania w obszarach o wysokiej temperaturze.

System może również integrować dozowanie inhibitora, monitorowanie temperatury, kontrolę próżni oraz blokady bezpieczeństwa przy nieprawidłowych temperaturach. Dzięki koordynacji temperatury, poziomu próżni, czasu przebywania oraz warunków inhibitora proces zmniejsza ryzyko polimeryzacji zarówno z punktu widzenia technologii, jak i projektowania urządzeń.

Wyzwanie 3: Nagromadzanie się ciężkich składników i utrata kwasu akrylowego

W miarę postępu destylacji związki maleinowe, dimery kwasu akrylowego, oligomery oraz inne zanieczyszczenia o wysokiej temperaturze wrzenia stopniowo nagromadzają się w dnie kolumny. Ciągłe ogrzewanie tego ciężkiego pozostałościowego materiału nie tylko zwiększa zużycie energii, ale może również przyspieszać procesy dimeryzacji i polimeryzacji. Jednak bezpośrednie odprowadzanie tej pozostałości może prowadzić do znacznej utraty odzyskiwalnego kwasu akrylowego.

ROZWIĄZANIE YHCHEM

W układzie destylacyjnym zainstalowano parowniczę z wycieraczką w celu głębokiego odzysku kwasu akrylowego z ciężkiej pozostałości. Wirująca wycieraczka rozprowadza materiał w cienką i jednolitą warstwę na powierzchni grzejnej. Pozostały kwas akrylowy może więc szybko odparować w krótkim czasie przebywania, podczas gdy dimery, oligomery oraz inne pozostałości o wysokiej temperaturze wrzenia są ciągle odprowadzane przez wyjście dla fazy ciężkiej.

Destylacja do głównego oczyszczania + parowanie z wycieraczką do odzysku pozostałości

Zamiast zmuszać kolumnę destylacyjną do ciągłego parowania coraz bardziej stężonego pozostałościowego osadu, wypierany filmowy parownik zapewnia bardziej odpowiednią metodę odzysku wartościowej kwasu akrylowego przy jednoczesnym minimalizowaniu długotrwałego oddziaływania ciepła.

 

3. Zintegrowany proces oczyszczania kwasu akrylowego firmy YHCHEM

Biorąc pod uwagę cechy kwasu akrylowego – w tym jego skłonność do polimeryzacji, złożony skład zanieczyszczeń oraz trudność w usuwaniu pozostałości o wysokiej temperaturze wrzenia – firma YHCHEM proponuje zintegrowany, ciągły proces oczyszczania:

Wstępne przygotowanie surowca → Usunięcie lekkich frakcji w warunkach próżni / Odwodnienie → Destylacja kwasu akrylowego → Odzysk pozostałości w wypieranym filmowym parowniku → Skraplanie i stabilizacja produktu końcowego

Połączenie destylacji próżniowej i wypieranego filmowego parowania umożliwia przetwarzanie różnych zanieczyszczeń na dedykowanych etapach procesu.

3.1 Wstępne przygotowanie surowca i hamowanie polimeryzacji

Przed oczyszczaniem analizuje się skład surowca, zawartość wilgoci, zanieczyszczenia o niskiej temperaturze wrzenia, składniki o wysokiej temperaturze wrzenia oraz stan inhibitora. W zależności od właściwości rzeczywistego materiału można skonfigurować systemy filtracji, podgrzewania wstępnego oraz dozowania inhibitora, aby zapewnić stabilne warunki dopływu dla kolejnych etapów destylacji.

3.2 Usuwanie lekkich frakcji i odwadnianie w warunkach próżni

Praca w warunkach próżni obniża temperaturę separacji w układzie. Dzięki wielostopniowemu przepływowi masy faz gazowej i ciekłej w kolumnie destylacyjnej woda, kwas octowy oraz inne składniki o niskiej temperaturze wrzenia mogą zostać skutecznie usunięte.

Stosunek odbierania cieczy zwrotnej, położenie wprowadzenia surowca oraz obciążenie wewnętrzne kolumny są zoptymalizowane w celu osiągnięcia wydajnej separacji składników lekkich przy jednoczesnym minimalizowaniu czasu przebywania kwasu akrylowego w strefach o wysokiej temperaturze.

3.3 Oczyszczanie kwasu akrylowego metodą destylacji

Po usunięciu lekkich składników materiał wchodzi do głównej kolumny oczyszczającej. Czystość kwasu akrylowego jest dalej poprawiana poprzez skoordynowaną kontrolę poziomu próżni, stosunku zwrotu, ilości cieczy w kolumnie oraz obciążenia cieplnego reboilera.

Dla specjalnych surowców zawierających stosunkowo wysokie stężenia zanieczyszczeń o temperaturach wrzenia zbliżonych do temperatury wrzenia kwasu akrylowego, np. kwasu propionowego, trasę oczyszczania należy zaprojektować indywidualnie na podstawie składu chromatograficznego (GC) surowca oraz wymagań dotyczących produktu końcowego, a nie jedynie zwiększać temperaturę lub stosunek zwrotu.

3.4 Odzysk ciężkich pozostałości za pomocą parownika z wycieraczką.

Ciężka pozostałość o wysokiej temperaturze wrzenia odprowadzana z dna kolumny destylacyjnej wpływa w sposób ciągły do parownika z wycieraczką. Wycieracz tworzy z materiału jednolitą cienką warstwę, co znacznie poprawia wymianę ciepła i masy.

Kwas akrylowy możliwy do odzyskania w pozostałości jest szybko parowany i skraplany, podczas gdy dimery, oligomery, polimery oraz inne zanieczyszczenia o wysokiej temperaturze wrzenia są odprowadzane przez wyjście dla fazy ciężkiej.

Głównym celem tego etapu jest odzyskanie wartościowego kwasu akrylowego z pozostałości po destylacji na dnie kolumny, ograniczenie strat surowców oraz minimalizacja ryzyka polimeryzacji wynikającego z długotrwałego nagrzewania w rektyfikatorze.

3.5 Stabilizacja produktu i kontrola bezpieczeństwa

Oczyszczony kwas akrylowy jest skraplany i przesyłany do zbiornika magazynowego na gotowy produkt. Stężenie inhibitora oraz warunki przechowywania można dostosować zgodnie z wymaganymi specyfikacjami produktu.

Cały system może być wyposażony w funkcje monitoringu i blokad dla temperatury, ciśnienia, próżni, chłodzenia oraz podawania inhibitora. W przypadku nietypowego wzrostu temperatury, fluktuacji próżni lub awarii systemu chłodzenia mogą zostać automatycznie uruchomione odpowiednie środki ochronne, co zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność pracy ciągłej.

4. Trasy technologiczne dla różnych gatunków kwasu akrylowego

Gatunek przemysłowy / surowiec do estryfikacji

Wstępne przygotowanie → usuwanie lekkich frakcji w warunkach próżniowych / odwadnianie → destylacja

Głównym celem jest kontrola wilgoci, kwasu octowego oraz innych zanieczyszczeń o niskiej temperaturze wrzenia, aby kwas akrylowy spełniał wymagania procesów estrifikacji w dalszej części linii produkcyjnej lub konwencjonalnych procesów polimeryzacji.

Wysokoczysty bezwodny kwas akrylowy (GAA)

Precyzyjne usuwanie lekkich frakcji → destylacja próżniowa do oczyszczania → odzysk resztek w układzie z wycieraniem warstwy cienkiej → stabilizacja produktu

Proces można zaprojektować tak, aby osiągnąć zawartość kwasu akrylowego na poziomie 99,5 % lub wyższym, zapewniając przy tym ścisłą kontrolę nad wilgotnością, zanieczyszczeniami o niskiej temperaturze wrzenia oraz kolorem produktu.

Kwas akrylowy specjalnego stopnia polimerowego

Dla zastosowań wymagających surowszych ograniczeń dotyczących zanieczyszczeń śladowych, takich jak kwas propionowy, aldehydy i związki maleinowe, proces oczyszczania można dostosować indywidualnie na podstawie składu chromatograficznego (GC) surowca, docelowej czystości oraz wymaganej zdolności przetwarzania.

5. Kluczowe zalety systemu oczyszczania kwasu akrylowego YHCHEM

Niższa temperatura i krótszy czas przebywania. Destylacja próżniowa obniża temperaturę pracy, a parowanie w cienkiej warstwie zmniejsza narażenie ciężkich pozostałości na działanie temperatury. Dzięki temu ogranicza się dimeryzację, polimeryzację oraz zanieczyszczenie urządzeń.

Stopniowe rozdzielanie lekkich i ciężkich zanieczyszczeń. Przedni sektor destylacji usuwa wodę oraz zanieczyszczenia o niskiej temperaturze wrzenia, podczas gdy dolny parownik w cienkiej warstwie odzyskuje kwas akrylowy z pozostałości o wysokiej temperaturze wrzenia. Każda jednostka rozdzielająca wykonuje zadanie, do którego jest najbardziej odpowiednia.

Wyższy odzysk kwasu akrylowego. Cenny kwas akrylowy pozostający w pozostałościach ze spodu kolumny może zostać dodatkowo odzyskany, co zmniejsza straty surowców związane z odprowadzaniem ciężkich składników.

Dedykowana inhibicja polimeryzacji oraz kontrola bezpieczeństwa. Dozowanie inhibitora, temperatura, próżnia oraz czas przebywania mogą być zarządzane jako zintegrowany system zaprojektowany specjalnie z uwzględnieniem cech polimeryzacji kwasu akrylowego.

Zintegrowane przetwarzanie ciągłe. Destylacja, odparowanie w cienkiej warstwie, skraplanie, próżnia, kontrola temperatury oraz automatyka mogą być zintegrowane w kompletny system przeznaczony do rozwoju procesu, weryfikacji w skali pilotażowej, skalowania i ciągłej produkcji przemysłowej.

6. Typowe przypadki oczyszczania kwasu akrylowego

Przypadek 1: Nowa firma materiałów w Jiangsu

Zmniejszenie polimeryzacji, osadzania się zanieczyszczeń oraz utraty kwasu akrylowego

Nowa firma materiałów w Jiangsu napotykała trudności podczas oczyszczania surowego kwasu akrylowego zawierającego związki maleinowe, dimery kwasu akrylowego, oligomery oraz inne zanieczyszczenia o wysokiej temperaturze wrzenia.

Oryginalny proces wykorzystywał destylację próżniową w trybie partii. Aby poprawić wydajność odzysku kwasu akrylowego, pozostałości na dnie kolumny musiały być nagrzewane w sposób ciągły przez dłuższy czas.

W miarę jak stężenie składników ciężkich rosło, kwas akrylowy pozostawał w warunkach wysokiej temperatury przez coraz dłuższe okresy. Stopniowo prowadziło to do osadzania się polimerów, obniżenia wydajności wymiany ciepła, zabrudzania urządzeń oraz zatorów w rurociągach. Jednocześnie znaczna ilość odzyskiwalnego kwasu akrylowego była odprowadzana razem z pozostałościami ciężkimi, a do czyszczenia urządzeń wymagane były częste postoje.

Aby rozwiązać problemy związane z długim czasem przebywania w warunkach wysokiej temperatury oraz niską skutecznością odzysku z pozostałości ciężkich, YHCHEM zmodernizowała proces do postaci:

Kolumna destylacji próżniowej + parownik z wycieraną warstwą

Kolumna destylacji próżniowej przeprowadza główną separację kwasu akrylowego od wody, kwasu octowego oraz innych zanieczyszczeń o niskiej temperaturze wrzenia. Pozostałości ciężkie z dna kolumny są następnie ciągle przekazywane do parownika z wycieraną warstwą, gdzie pozostały kwas akrylowy szybko odparowuje z cienkiej warstwy i jest odzyskiwany poprzez skroplenie.

Dimery, oligomery i pozostałości polimerów są odprowadzane z wylotu fazy ciężkiej. System zawiera również kontrolę inhibitora, temperatury i próżni w celu dalszego ograniczenia ryzyka polimeryzacji.

 

Wyniki projektu

Po zoptymalizowaniu procesu ryzyko polimeryzacji materiału oraz zabrudzenia sprzętu zostało znacznie zmniejszone. Czystość kwasu akrylowego mogła być utrzymywana w zakresie docelowym wynoszącym 99,5 % lub wyższym. Cenne składniki obecne w pozostałościach faz ciężkich zostały dodatkowo odzyskane, częstotliwość czyszczenia sprzętu została zmniejszona, a stabilność pracy ciągłej została poprawiona.

7. Dlaczego wybrać YHCHEM do oczyszczania kwasu akrylowego?

Kluczem do oczyszczania kwasu akrylowego nie jest jedynie osiągnięcie wyższej czystości produktu. Co ważniejsze, proces musi zapewniać stabilne rozdzielenie zanieczyszczeń o niskiej temperaturze wrzenia, pozostałości o wysokiej temperaturze wrzenia oraz cennego kwasu akrylowego przy jednoczesnym minimalizowaniu ryzyka polimeryzacji.

Łącząc destylację próżniową, odparowanie w cienkiej warstwie i dedykowany system bezpieczeństwa zapobiegający polimeryzacji, YHCHEM oddziela różne grupy zanieczyszczeń w dedykowanych etapach przetwarzania.

To podejście pozwala skrócić czas przebywania przy wysokiej temperaturze, zmniejszyć straty kwasu akrylowego w pozostałościach ze spodu kolumny, poprawić jakość produktu oraz zwiększyć zdolność ciągłej pracy całego systemu.

YHCHEM może dostarczać zintegrowanych rozwiązań procesowych i sprzętowych do oczyszczania kwasu akrylowego, odzysku pozostałości o wysokiej temperaturze wrzenia, produkcji kwasu akrylowego o wysokiej czystości, testów w skali półprzemysłowej oraz skalowania procesów ciągłych.