zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 1

Chia sẻ: Thị Huyền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Báo xấu

335
lượt xem 58
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 1 nhằm trang bị cho sinh viên về các quá trình sản xuất những vật liệu quan trọng trong đời sống và công nghệ hóa học điển hình là các vấn đề về: Nguyên tắc của nền sản xuất hóa học, sản xuất Axit Sunfuric,... Cùng tìm hiểu để nắm bắt nội dung thông tin vấn đề.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 1

__________________________________________________________________________ TÊN HỌC PHẦN: CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG 1 (HÓA CÔNG) MỤC ĐÍCH YÊU CẦU Học phần này nhằm trang bị cho sinh viên về các quá trình sản xuất những vật liệu quan trọng trong đời sống và công nghệ hóa học. Trên cơ sở các kiến thức cơ bản về công nghệ hóa học, các sinh viên sau khi tốt nghiệp có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ trong truyền đạt các kiến thức về giáo dục kỹ thuật tổng hợp trong các nhà trường phổ thông. Nội dung của học phần này có thể giúp cho sinh viên chuyển đổi nghề khi họ có nguyện vọng làm việc ở các cơ sở nghiên cứu khoa học và sản xuất hóa học. Đối với sinh viên khi học học phần này cần nắm vững các cơ sở hóa lý của mỗi quá trình sản xuất như: sự ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ, chất xúc tác... đến các quá trình sản xuất. Đồng thời sinh viên phải nắm vững được cấu tạo và hoạt động của những thiết bị chính trong một dây chuyền sản xuất. Cuối cùng là phải nắm được dây chuyền sản xuất của một số sản phẩm chủ yếu. Sau phần thực hành sinh viên phải biết tiến hành những thí nghiệm tương tự như đã được học. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 1
__________________________________________________________________________ Chương I NGUYÊN TẮC CỦA NỀN SẢN XUẤT HÓA HỌC Mở đầu: Đối tượng của kỹ thuật công nghiệp hoá học Hoá kỹ thuật công nghiệp nghiên cứu quá trình sản xuất và các sản phẩm sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Thực tế sản phẩm của công nghệ hoá học đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của một quốc gia. Từ những sản phẩm sử dụng trong sinh hoạt đến các sản phẩm công nghệ cao đều được sản xuất từ những nhà máy hoá học. Quá trình sản xuất hoá học ở qui mô công nghiệp phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Ngoài việc nghiên cứu động học các chuyển hoá hoá học cơ bản để chọn lựa cấu tạo thiết bị, xác định các tính chất như độ bền hoá, bền nhiệt, bền cơ học của thiết bị, nó còn giúp lựa chọn nguyên liệu và tổ chức lực lượng lao động phù hợp. Tổ chức một quá trình sản xuất phải tính đến: * Yếu tố kinh tế: Tính kinh tế phụ thuộc vào - Chất lượng và giá thành của nguyên liệu, - Năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị sản phẩm - Trình độ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất. Hiện náy các ngành khoa học tự nhiên phát triển rất mạnh như toán học, vật lý, hoá học, sinh học... có tác động rất hiệu quả vào các quá trình sản xuất hoá học. Đặc biệt trong các quá trình tự động hoá người ta còn ứng dụng tin học để kiểm tra các thông số trong quá trình sản xuất. Một số nền công nghiệp đạt đến trình độ cao phải kể đến công nghệ các hợp chất cao phân tử và chế biến dầu mỏ. Một cách tổng quát nhiệm vụ chủ yếu của công nghiệp hoá học là: - Từ nguyên liệu đầu điều chế, tổng hợp thành các chất có giá trị khác - Nghiên cứu quá trình sản xuất hoàn chỉnh để đạt hiệu quả tốt nhất mà không gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đời sống của dân cư. Không ngừng cải tiến thiết bị để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của sản phẩm. - Xác định các chế độ kỹ thuật để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm ổn định. - Xác định hiệu quả kinh tế và giải quyết hàng loạt các vấn đề kinh tế, kỹ thuật. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 2
__________________________________________________________________________ Những chỉ tiêu quan trọng nhất đặc trưng cho hiệu quả kinh tế của một quá trình công nghệ hoá học: - Tiêu hao nguyên liệu, nhiên liệu cho một đơn vị sản phẩm thấp nhất. - Hiệu suất và chất lượng sản phẩm cao nhất. - Giá thành hạ. Phương hướng hiện nay của ngành hoá học thế giới là giải quyết, phát triển các mối liên quan: - Đạt tối đa năng suất với một thiết bị sản xuất. - Cơ khí hoá các quá trình lao động. - Tự động hoá và điều khiển từ xa, thay các quá trình gián đoàn thành các quá trình liên tục - Sử dụng tổng hợp nguyên liệu. - Liên hiệp các xí nghiệp sản xuất hoá học liên quan Để đáp ứng các nhu cầu đặt ra ở trên, thực tế sản xuất hoá học phải tuân theo một số các nguyên tắc cơ bản sau §1. TĂNG TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Một đặc trưng rất quan trọng của sản xuất hóa học là làm biến đổi thành phần hóa học của nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm thông qua các phản ứng giữa các chất. Tốc độ của quá trình sản xuất phụ thuộc vào tốc độ của các phản ứng hóa học. Do vậy làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ ảnh hưởng lớn đến giá thành của sản phẩm. Để làm tăng tốc độ của phản ứng, chúng ta cần biết tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố nào? Giả sử trong một hệ xảy ra phản ứng hóa học giữa hai chất A và B ta có phương trình: mA + nB = qD Tốc độ phản ứng được biểu thị bằng phương trình tổng quát: dC v= dt __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 3
__________________________________________________________________________ Đó là sự biến thiên nồng độ của các chất tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian. Trong trường hợp phản ứng một chiều diễn ra trong hệ đồng thể thì: v = k. C am . C bn Ca - Nồng độ chất A Cb - Nồng độ chất B k - Hằng số tốc độ phản ứng m, n - Hệ số tỉ lượng của các chất tương ứng Trong trường hợp phản ứng là thuận nghịch và diễn ra trong hệ đồng thể với tốc độ của phản ứng thuận là V1, tốc độ phản ứng nghịch là V2, thì tốc độ chung của quá trình hóa học: V = V1 - V2 = k1 C am . C bn - k2 C dq (k1, k2 là hằng số tốc độ) Nếu phản ứng hóa học xảy ra trong hệ dị thể (giữa khí - lỏng, khí - rắn, lỏng - rắn) thì ngoài yếu tố nồng độ, tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào diện tiếp xúc của các pha (còn gọi là diện tiếp xúc giữa các chất). V = k.  C.F  C - Các yếu tố nồng độ F - Diện tiếp xúc Ngoài các yêu tố có mặt trong phương trình tốc độ còn có các yếu tố khác như chiều chuyển động của các chất tham gia phản ứng trong thiết bị là ngược chiều, cùng chiều hay chéo chiều. Từ phương trình tổng quát ở trên để làm tăng tốc độ của phản ứng hóa học phải tăng hệ số tốc độ k. Hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác của phản ứng. E - k = k0.e RT E - Năng lượng hoạt động hóa học của phản ứng T - Nhiệt độ tuyệt đối R - Hằng số khí. Khi dùng xúc tác thì năng lượng hoạt động hóa học của phản ứng sẽ giảm và do đó làm tăng hằng số tốc độ của phản ứng. Nhiệt độ tăng cũng làm tăng hệ số tốc độ của phản ứng. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 4
__________________________________________________________________________ Từ những điều phân tích trên đây ta thấy muốn tăng tốc độ của phản ứng phải tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng, tăng diện tiếp xúc giữa chúng và dùng chất xúc tác thích hợp, tiến hành phản ứng ở những điều kiện thích hợp về nhiệt độ, áp suất và môi trường. I - TĂNG NỒNG ĐỘ CỦA CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG Muốn vậy các chất nguyên liệu ban đầu cần làm giàu, tức là loại bỏ bớt tạp chất. Ví dụ: làm giàu quặng apatit trước khi cho phản ứng với axit sunfuric để sản xuất phân lân supephotphat, tăng áp suất chất khí; lấy sản phẩm ra khỏi khu vực phản ứng; cho các chất ban đầu tiếp xúc nhau theo chiều thích hợp. II - DÙNG CHẤT XÚC TÁC THÍCH HỢP Hầu hết các quá trình sản xuất hóa học đều sử dụng các chất xúc tác để làm tăng tốc độ của quá trình. Rất nhiều quá trình thiếu chất xúc tác, trong điều kiện bình thường phản ứng hóa học xảy ra rất chậm, thậm chí hầu như không xảy ra. Ví dụ: phản ứng giữa nitơ và oxi, SO2 và oxi nhưng khi có mặt chất xúc tác thích hợp ở các nhiệt độ thích hợp thì phản ứng xảy ra nhanh gấp hàng triệu lần. Việc nghiên cứu chế tạo xúc tác cho các quá trình sản xuất hóa học là một nhiệm vụ rất quan trọng của hóa học lý thuyết. Công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ càng cần có xúc tác. Ngoài các xúc tác hóa học còn có các xúc tác vi sinh, nét đặc biệt của xúc tác vi sinh là hoạt động ở nhiệt độ thấp và có độ chọn lọc rất cao tức là chỉ cho phản ứng diễn ra theo một chiều xác định, hạn chế tạo ra sản phẩm phụ. Những ngành sử dụng một lượng lớn xúc tác: sản xuất phân bón, hóa dầu và sản xuất các hợp chất cao phân tử. III - TĂNG NHIỆT ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Như trên đã giải thích khi tăng nhiệt độ sẽ tăng hằng số tốc độ của phản ứng. Trong sản xuất hóa học hầu hết các phản ứng đều diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường, có khi rất cao. Ví dụ: Phản ứng đốt cháy pirit sắt ở nhiệt độ khoảng 800oC, phản ứng tổng hợp NH3 ở 450oC, chế tạo dầu mỏ khoảng 500oC… Về mặt lí thuyết nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, nhưng ở nhiệt độ cao nhiều chất bị phân hủy, sự ăn mòn thiết bị rất nhanh, tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình sản xuất nên sự tăng nhiệt độ cần phù hợp với tình hình thực tế sản xuất. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 5
__________________________________________________________________________ Người ta đang tìm các chất xúc tác có hoạt độ cao để hạ nhiệt độ thích hợp của phản ứng, giảm giá thành sản phẩm. Xúc tác và nhiệt độ của phản ứng hóa học có liên quan với nhau. IV - TĂNG TIẾP XÚC CỦA CÁC CHẤT PHẢN ỨNG Có nhiều quá trình hóa học diễn ra trong hệ dị thể hoặc giữa chất rắn với chất lỏng, hoặc giữa chất lỏng với chất khí. Trong những trường hợp như vậy phản ứng hóa học diễn ra trên ranh giới tiếp xúc giữa hai pha, do đó tăng diện tiếp xúc giữa chúng sẽ làm tăng mạnh tốc độ của quá trình sản xuất. Để làm việc đó các chất rắn thường được đập, nghiền đến một kích thước nhỏ thích hợp, các chất lỏng được đưa vào thiết bị dưới dạng nhỏ hoặc dòng chảy hoặc tưới chất lỏng chảy trên các vật đệm rồi cho chất khí đi ngược chiều với dòng chất lỏng (hấp thụ SO3 để chế tạo H2SO4). Khuấy trộn là một biện pháp làm tăng diện tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng. §2. THỰC HIỆN CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN TỤC TUẦN HOÀN KÍN Trong sản xuất có thể thực hiện theo quá trình gián đoạn, liên tục, tuần hoàn Quá trình gián đoạn là quá trình diễn ra mang tính chất chu kì: nạp nguyên liệu vào thiết bị, cho phản ứng diễn ra, khi kết thúc phản ứng lấy sản phẩm ra khỏi thiết bị. Như vậy trong quá trình gián đoạn, điều kiện phản ứng hóa học trong một thiết bị luôn luôn thay đổi về nồng độ các chất, về nhiệt độ, do đó thiết bị có năng suất thấp và chóng bị hỏng. Quá trình gián đoạn đang được thay thế dần bằng các quá trình liên tục. Quá trình gián đoạn chỉ thích hợp với sản xuất nhỏ. Quá trình liên tục là quá trình được thực hiện không mang tính chu kì: nguyên liệu đưa vào thiết bị một cách liên tục đồng thời sản phẩm được lấy ra một cách liên tục, các điều kiện phản ứng luôn luôn ổn định tại các khu vực khác nhau của thiết bị Quá trình liên tục so với quá trình gián đoạn có các ưu điểm sau: - Năng suất làm việc của thiết bị cao, giảm được giá thành sản phẩm. - Do giữ ổn định điều kiện làm việc của thiết bị nên tạo điều kiện điều khiển tự động và cơ khí hóa sản xuất. - Giảm được chi phí xây dựng trên một đơn vị sản phẩm. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 6
__________________________________________________________________________ Đối với những quá trình hiệu suất chuyển hóa thấp, người ta cần đưa các chất ban đầu chưa phản ứng quay trở lại điều kiện phản ứng ban đầu để tận dụng triệt để nguyên liệu, tăng hiệu suất chuyển hóa. Quá trình như vậy gọi là quá trình liên tục tuần hoàn kín, ví dụ quá trình tổng hợp amoniac, sản xuất rượu etylic từ khí etilen. §3. LIÊN HIỆP GIỮA CÁC XÍ NGHIỆP VÀ NHÀ MÁY Trong sản xuất hóa học các nhà máy hoặc các xí nghiệp của cùng một nhà máy có mối liên quan hữu cơ với nhau, sản phẩm của nhà máy này là nguyên liệu của nhà máy khác, giữa các xí nghiệp cũng như vậy; sự phát triển của ngành sản xuất này đòi hỏi những sản xuất khác cùng phát triển. Sự liên hiệp sẽ làm giảm bớt chi phí vận chuyển, bảo đảm an toàn sản xuất, góp phần chống ô nhiễm môi trường, từ đó làm giảm giá thành sản phẩm. Do vậy các nhà máy hóa chất thường xây dựng cạnh nhau tạo ra một khu công nghiệp hóa học rộng lớn gồm nhiều ngành sản xuất. Ở nước ta, tuy công nghiệp chưa phát triển nhưng cũng đã có những khu liên hiệp hóa chất: liên hiệp hóa chất Việt Trì, liên hiệp hóa chất phân đạm Bắc Giang, liên hiệp các nhà máy ở Biên Hòa, khu công nghiệp khí - điện - đạm Phú Mỹ. Một ví dụ về sự liên hiệp giữa các xí nghiệp: Điện phân NaCl H2 Cl2 NaOH khí HCl giấy PVC axit HCl Thuốc trừ sâu Mì chính §4. CƠ KHÍ HÓA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 7
__________________________________________________________________________ Muốn tăng năng suất lao động, tăng hiệu quả sử dụng các nguồn nguyên liệu thiên nhiên cũng như nhân tạo, người ta không những áp dụng các quá trình liên tục, tuần hoàn kín mà còn phải cơ khí hóa, tự động hóa các quá trình sản xuất. Một đặc trưng nổi bật của công nghiệp hóa học là các phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị thường ở nhiệt độ cao, áp suất cao, các điều kiện ấy lại đòi hỏi ổn định và nghiêm ngặt, con người rất khó hoặc không thể điều khiển trực tiếp một cách thủ công được. Trong sản xuất hóa học các nguyên liệu cũng như các sản phẩm đều là những chất có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe có khi còn gây cháy, nổ làm thiệt hại đến của cải và tính mạng con người. Có những khu vực phản ứng con người không thể tiếp cận được. Cho nên cơ khí hóa, tự động hóa các quá trình sản xuất là một yêu cầu khách quan không phải chỉ vì mục đích kinh tế mà còn vì an toàn lao động đối với con người. Có thể tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất, hoặc tự động hóa từng khâu sản xuất. Ngày nay với sự tiến bộ của "người máy" tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa điều khiển từ xa các quá trình sản xuất. Người ta đã chế tạo được các hệ thống tự động kiểm tra nguyên liệu vào và chất lượng sản phẩm xuất xưởng, tự động điều khiển các điều kiện phản ứng theo những chương trình lập sẵn nhờ các hệ thống máy vi tính hiện đại. Một nền sản xuất hóa học được cơ khí hóa và tự động hóa cao sẽ làm nhẹ và tiết kiệm lao động, tăng năng suất lao động, tạo điều kiện làm tăng chất lượng, giảm giá thành của sản phẩm. Ví dụ việc tự động hóa và cơ giới hóa sản xuất xô đa làm tiêu thụ hơi và điện giảm xuống 50%. Tự động hóa các thiết bị phản ứng trong sản xuất NH3 làm giảm tiêu tốn nguyên liệu 1%, tăng năng suất lao động 5%. §5. TẬN DỤNG CÁC PHẾ THẢI CN CHỐNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Trong một nền sản xuất hóa học bất kì, ngoài sản phẩm chính còn có các sản phẩm phụ và các chất phế thải. Những chất thải này sẽ làm ô nhiễm môi trường, phá hoại các điều kiện sinh sống bình thường của động vật trên Trái Đất, khí quyển, thủy quyển và cả điều kiện sống của con người. Sự ô nhiễm môi trường do các ngành sản __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 8
__________________________________________________________________________ xuất hóa học đã đến mức báo động không chỉ giới hạn ở một vùng, một nước. Vì vậy cả thế giới đang hợp sức lại để tiến hành các biện pháp bảo vệ môi trường. Bên cạnh việc xử lý các chất độc hại có hại cho sức khỏe, người ta phải tìm cách biến các chất phế thải thành sản phẩm có ích cho con người. Trong sản xuất axit sunfuric giai đoạn đốt pirit sắt để tạo khí SO2 đã sinh ra một khối lượng rất lớn Fe2O3, quá trình làm sạch khí SO2 cũng thu được bụi xỉ, oxit kim loại asen và selen. Việc sử dụng các phế thải đó sao cho lợi về mặt kinh tế là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá một dây chuyền sản xuất có hiệu quả trong thực tiễn. Công nghệ càng kém hoàn thiện, kĩ thuật sản xuất lạc hậu thì phế thải bỏ đi càng nhiều. Sử dụng phế thải sẽ làm giảm giá thành của sản phẩm chính, chống ô nhiễm cho các vùng xung quanh xí nghiệp. Trong luyện kim màu thường thải ra một lượng khí có hàm lượng SO2 thấp, trước đây người ta không sử dụng được cho thải vào không khí làm ô nhiễm môi trường gây ra các trận "mưa axit" gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. Ngày nay người ta đã tìm cách sử dụng các khí thải của ngành luyện kim để sản xuất H2SO4. Xỉ của các lò cao, lò hơi trước đây bỏ đi, nay cũng được sử dụng làm bê tông xỉ trong xây dựng. Xỉ lò luyện thép và xỉ lò của sản xuất mangan sau khi nghiền nhỏ được dùng làm phân bón rất tốt vì chứa lân và nguyên tố vi lượng. Xỉ lò cao đốt bằng than gỗ dùng chế tạo các vật liệu cách điện có chất lượng cao. Từ bụi của quá trình đốt pirit sắt và tinh chế SO2 người ta chế tạo được selen, telu. Từ bụi của sản xuất kẽm đã chế tạo được cađimi. Trong sản xuất hóa học hiện đại dùng rất nhiều chất xúc tác quý, sau một thời gian làm việc các chất này mất hoạt tính, người ta đã tìm cách tái sinh lại để phục hồi hoạt tính của chúng và tiếp tục dùng lại trong quá trình sản xuất. Nhiệt thừa của một số quá trình sản xuất, ví dụ khí hóa nhiên liệu rắn thành nhiên liệu khí cũng là một dạng phế thải. Người ta sử dụng nó vào việc sản xuất hơi nước, sưởi ấm hoặc gia nhiệt cho các chất đầu trước khi đi vào vùng phản ứng chính. Chống ô nhiễm môi trường không chỉ bằng biện pháp sử dụng các phế thải để chế biến thành các sản phẩm có ích mà còn phải chuyển hóa các chất thải của nhà máy thành những chất không hoặc ít làm hại môi trường trước khi thải. Ví dụ khí thải của các nhà sản xuất HNO3 còn chứa một lượng khí NO gây ảnh hưởng đến bầu khí quyển cho nên phải nguyên cứu các chất xúc tác để khử NO triệt để. Các lò cao sản xuất phân lân thuỷ tinh đưa vào khí quyển khí HF hoặc SiF4 rất độc đối với cây __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 9
__________________________________________________________________________ trồng cùng xung quanh, người ta phải dùng các dung dịch kiềm để xử lí khí lò trước khi thải vào môi trường. Nhiều nhà máy thải nước vào các dòng sông đã gây ô nhiễm nước làm ảnh hưởng xấu đến các thủy sinh vật và sức khỏe con người sống ven các sông và sự phát triển của nông nghiệp. Do vậy phải kiểm tra thành phần của nước thải để có phương pháp xử lý thích hợp. Đối với các chất thải của các nhà máy điện nguyên tử người ta phải bao gói cẩn thận rồi tìm cách "chôn cất" chúng xuống đáy đại dương. Chống ô nhiễm môi trường giờ đây đang trở thành nghĩa vụ của mỗi con người để bảo vệ môi trường sống của chính mình. Công nghiệp hóa học hàng ngày, hàng giờ đang cung cấp cho con người những chất mới, những sản phẩm tiêu dùng phục vụ nhu cầu cuộc sống ngày càng cao của con người, nhưng công nghiệp hóa học cũng từng ngày, từng giờ đang đưa vào môi trường khối lượng lớn các chất độc, ngày càng đầu độc chính sự sống của con người. Chống ô nhiễm môi trường trở thành một nguyên tắc của công nghiệp hóa học. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 10
__________________________________________________________________________ Chương II SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC §1.VAI TRÒ CỦA AXIT SUNFURIC Axit sunfuric đã được biết từ lâu, người đầu tiên chế nó từ sắt sunfat-(FeSO4) trong phòng thí nghiệm là nhà giả kim thuật ai cập Gôbe (Geber) vào thế kỷ thứ 10. Giữa thế kỷ 15 người ta tổng hợp H2SO4 từ lưu huỳnh bằng cách đốt lưu huỳnh cùng với muối Nitrat sinh ra bằng nước sẽ thu được dung dịch H2SO4. Vì có mặt của oxit nitơ đóng vai trò như chất xúc tác cho quá trình oxi hóa SO2 thành SO3 nên phương pháp này có tên gọi là phương pháp Nitroza. Ngày nay người ta oxi hóa SO2 trên xúc tác rắn thành SO3, nên phương pháp này có tên gọi là phương pháp tiếp xúc sản xuất axit sunfuric. Phương pháp tiếp xúc đang dần dần thay thế phương pháp nitroza. Theo phương pháp tiếp xúc sản xuất được axit sunfuric có nồng độ trên 98%, sạch hơn trong khi phương pháp nitroza chỉ sản xuất được axit sunfuric nồng độ dưới 75% và còn lẫn nhiều tạp chất chỉ thích hợp cho việc sản xuất phân bón. Axit sunfuric là một hóa chất được sử dụng rộng rãi nhất trong nền kinh tế quốc dân và cũng là một sản phẩm có khối lượng lớn của công nghiệp hóa học. Sản xuất axit sunfuric trên thế giới ngày càng tăng. 1900 : 4,2 triệu tấn 1937: 18,8 triệu tấn 1960: 47 triệu tấn 1980: Trên 100 triệu tấn Phần lớn axit sunfuric được sử dụng để sản xuất phân bón, chế biến các nhiên liệu lỏng, tổng hợp hữu cơ, sản xuất thuốc nhuộm, dùng trong ngành luyện kim, mạ điện v.v…. §2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 11
__________________________________________________________________________ Có thể nói lưu huỳnh và các hợp chất của nó đều có thể làm nguyên liệu sản xuất axit sunfuric. I. LƯU HUỲNH Trong tự nhiên có các mỏ lưu huỳnh, nó là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất ra khí SO2. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric đi từ lưu huỳnh đơn giản hơn đi từ các nguồn nguyên liệu khác vì nhiệt độ đốt cháy lưu huỳnh thấp và quá trình tinh chế khí SO2 đơn giản hơn. Liên xô cũ, Mĩ, Canada, Balan là những nước có nhiều mỏ lưu huỳnh. II. QUẶNG PIRIT Thành phần chủ yếu của quặng pirit là pirit sắt FeS2, ngoài ra còn có pirit của kim loại màu, các hợp chất của niken, asen, đồng, silic, cacbonat, canxi, các oxit nhôm, bạc và vàng. Thành phần trung bình của lưu huỳnh trong quặng dao động từ 40 đến 50%. Pirit sắt nguyên chất chứa 53,44% lưu huỳnh. Ở nước ta có quặng pirit, nhưng hàm lượng lưu huỳnh thấp dưới 15% nên chưa sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu sản xuất H2SO4. Công ty Supephotphat Lâm Thao ở nước ta phải nhập pirit sắt từ nước ngoài để sản xuất H2SO4. Muốn sử dụng quặng nghèo làm nguyên liệu sản xuất axit sunfuric phải làm giàu quặng bằng các phương pháp tuyển nổi để loại bỏ bớt các tạp chất nâng hàm lượng pirit kim loại cao hơn. III. THẠCH CAO Thành phần chính của thạch cao là CaSO4 ngậm nước hoặc CaSO4 khan. Khi nung thạch cao người ta thu được SO2 và CaO nên dùng thạch cao vừa để sản xuất axit sunfuric vừa để sản xuất xi măng. Nguồn nguyên liệu này chỉ phù hợp với những nước thiếu nguồn lưu huỳnh và các quặng pirit, ngày nay ít được sử dụng. IV. CÁC HỢP CHẤT CHỨA LƯU HUỲNH KHÁC Các lò luyện gang thép, lò luyện kim màu, các khí thải của chế biến dầu, khí than, … có chứa khí SO2 với hàm lượng tương đối lớn, nếu thải vào khí quyển sẽ làm ô nhiễm môi trường nên người ta đã sử dụng nó để sản xuất axit sunfuric. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 12
__________________________________________________________________________ Khí sunfuahidro (H2S) sinh ra trong khí các lò cốc hoặc tách ra từ quá trình chế biến dầu mỏ cũng được dùng làm nguồn nguyên liệu chế tạo khí SO2 để sản xuất axít sunfuric. Một số ngành gia công kim loại có nước thải chứa nhiều axit H2SO4 cũng được sử dụng thu hồi H2SO4. §3. CHẾ TẠO HỖN HỢP KHÍ SO2 I. NGUYÊN TẮC Nếu đi từ lưu huỳnh, người ta phun lưu huỳnh ở trạng thái lỏng vào lò đốt, ở đó xảy ra phản ứng. Shơi + O2 = SO2 H < 0 Phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt độ của lò có thể đạt tới gần 12000C. Tại nhiệt độ này phản ứng xảy ra rất nhanh và hoàn toàn. Nếu đi từ H2S người ta cũng đốt cháy nó trong không khí. 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O H < 0 Phản ứng cũng tỏa nhiều nhiệt, hầu như không thuận nghịch. Chế tạo khí SO2 từ H2S là kinh tế nhất, nhưng trong hỗn hợp khí có lẫn nhiều hơi nước nên gặp khó khăn hơn trong việc tinh chế. Quặng pirit sắt là nguyên liệu thường dùng, khi đốt quặng pirit trong không khí xảy ra các phản ứng sau: Ở nhiệt độ khoảng 6000C và thiếu oxi xảy ra sự phân hủy quặng pirit sắt thành hơi lưu huỳnh và FeS. 2FeS2 = 2FeS + S2 H > 0 Phản ứng thu nhiệt. Ở nhiệt độ cao hơn lưu huỳnh cháy tạo ra SO2 S2 + 2O2 = 2SO2 H < 0 Sau đó FeS tiếp tục cháy. 4FeS + 7O2 = 4SO2 + 2Fe2O3 H < 0 __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 13
__________________________________________________________________________ II. CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ĐỐT PIRIT 1. Nhiệt độ. Đây là quá trình đốt cháy nguyên liệu rắn cho nên nhiệt độ càng cao quá trình cháy của pirit sắt trong không khí thành SO2 càng nhanh. Do quá trình tỏa nhiệt nên chỉ phải cung cấp nhiệt cho phản ứng lúc đầu, sau đó quá trình tự diễn ra. Phản ứng càng mãnh liệt nhiệt tỏa ra càng nhiều và càng làm cho nhiệt độ phản ứng có thể vượt quá 8500C. Ở những nhiệt độ quá cao đó sẽ làm cho nguyên liệu nóng chảy kết khối lại dẫn đến tốc độ phản ứng giảm nhanh và nguyên liệu trong lò phản ứng chuyển động khó khăn. Cho nên trong thực tế sản xuất, nhiệt độ của lò phản ứng dao động từ 600 đến 8500C, nhiệt độ thích hợp này còn phụ thuộc vào cấu tạo của lò đốt. Nhiệt độ cao nhất cũng không vượt quá 10000C. 2. Diện tiếp xúc giữa nguyên liệu và không khí. Quá trình đốt cháy pirit trong không khí là một quá trình xảy ra trong hệ dị thể (giữa chất rắn và chất khí) cho nên phản ứng của oxi với quặng diễn ra trên bề mặt của quặng. Cùng một khối lượng, bề mặt của quặng càng lớn tốc độ phản ứng càng nhanh. Kích thước của quặng pirit trước khi đưa vào lò đốt còn phụ thuộc vào cấu trúc của lò, nếu dùng lò "bơi chèo" thì kích thước quặng từ 6-8mm, dùng lò "tầng sôi" kích thước quặng từ 2-5mm, còn dùng lò phun quặng có kích thước nhỏ hơn. 3. Tốc độ thổi oxy vào lò Tốc độ thổi oxy vào lò càng lớn thì quặng pirit cháy càng nhanh vì khi ấy nồng độ oxy trong lò càng tăng. Phản ứng mạnh, nhiệt tỏa ra nhiều sẽ làm cho nhiệt độ của vùng phản ứng vượt quá mức quy định. Mặt khác tốc độ thổi không khí nhanh sẽ mang theo nhiều nitơ của không khí vào hỗn hợp khí sau phản ứng làm giảm nồng độ SO2 của hỗn hợp khí sau phản ứng và kéo nhiều bụi theo SO2. Người ta phải điều chỉnh cho không khí vào lò đốt sao cho hỗn hợp khí thu được chứa khoảng 7% SO2, 11% oxy. 4. Tốc độ cháy của pirit sắt Tốc độ cháy của pirit sắt còn phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể của nó và các tạp chất chứa trong nó. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 14
__________________________________________________________________________ III- LÒ ĐỐT PIRIT Hiện nay người ta thường dùng 3 loại lò đốt để đốt các quặng có kích thước và thành phần khác nhau. 1. Lò "bơi chèo" Fe2S Khäng khê ra 3 0 SO2 2 I 4 II III 5 IV 6 V 1 VI Khäng khê XI VII vaìo loì âäút Khäng khê vaìo laìm nguäüi truûc loì Hình II.1. Lò đốt "bơi chèo" để đốt pirit 1. Cửa thải xỉ 4. Thành lò 2. Chiều rơi của quặng 5. Trục lò (*) 3. Bun ke chứa quặng 6. Đòn cào Là một loại lò đốt có nhiều tầng, thông thường có cấu trúc hình trụ cao khoảng 8m kể cả giá đỡ, đường kính 6m, vỏ bằng thép, phía trong xây gạch chịu lữa. Lò có 7 tầng để đốt quặng và phần trên cùng của lò dùng để sấy khô quặng trước khi cho vào các tầng đốt. Thứ tự của các tầng lò được đánh số từ trên xuống. Tầng trên cùng có cửa dẫn hỗn hợp khí SO2 thu được sau phản ứng sang giai đoạn tinh chế. Tầng dưới cùng có các cửa cho không khí vào lò, các tầng còn lại có các cửa để sửa chữa lò và bổ sung thêm không khí. Giữa lò có một trục quay bằng gang đường kính khoảng 0,9m gắn với các đòn cào có răng cào để đảo trộn và kéo quặng chuyển động từ tầng I xuống tầng VII. Khi trục lò quay nó đóng vai trò một máy khuấy. Trong __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 15
__________________________________________________________________________ trục lò có hệ thống dẫn không khí lạnh làm nguội trục lò và hệ thống đòn cào. Phía dưới của tầng lò cuối cùng là lỗ tháo xỉ. Khi lò bắt đầu hoạt động, quặng được đổ tự động từ bể chứa quặng vào tầng khuấy trên đỉnh lò, các răng cào trên tầng sấy đảo quặng và cào nó từ phía thành lò vào gần trục lò, qua các khe hở sát trục lò quặng rơi xuống tầng thứ I. Nhiệt độ ở đây khoảng 6500C quặng bắt đầu phân hủy thành hơi lưu huỳnh và FeS. Một phần lưu huỳnh bị đốt cháy ngay ở tầng này. Tiếp đó hệ thống răng cào ở tầng I lại đảo và cào quặng từ trục lò ra phía thành lò qua khe hở rơi xuống tầng II… cứ như vậy quặng được chuyển qua các tầng xuống tới tầng VII thì bị cháy hoàn toàn tạo thành xỉ (các oxit sắt) theo ống tháo xỉ ra khỏi lò. Hỗn hợp khí SO2 được lấy ra ở đỉnh lò Không khí để đốt quặng đi theo các cửa ở tầng VII theo chiều ngược lại với chiều đi của quặng. Áp suất trong lò đốt bao giờ cũng giữ thấp hơn áp suất ngoài khí quyển để hỗn hợp khí SO2 không bay ra làm ô nhiễm môi trường. Kích thước quặng cho vào lò đốt từ 6 - 8mm. 2. Lò "tầng sôi" Trong những năm gần đây người ta thay thế dần lò "bơi chèo" bằng lò "tầng sôi" để đốt quặng. Trong lò này quặng luôn ở trạng thái chuyển động giống như hiện tượng sôi của chất lỏng. Để tạo nên hiện tượng "sôi" của quặng, phía dưới của lò đốt có một lưới thép, không khí thổi từ phía dưới lò qua lưới thép làm cho quặng trên lưới thép chuyển động liên tục giống như "sôi". Ở trạng thái lơ lửng như vậy quặng tiếp xúc tốt với không khí và bị đốt cháy rất nhanh để tạo SO2. Xỉ quặng có kích thước nhỏ nên bị thổi lên phía trên và theo lỗ tháo xỉ ra ngoài. Khí SO2 lấy ra ở phía trên của lò. Năng suất loại lò này cao hơn lò "bơi chèo", đốt pirit ở nhiệt độ cao hơn nên tốc độ phản ứng cũng cao hơn. Kích thước quặng nhỏ hơn 6mm, nhưng không quá nhỏ. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 16
__________________________________________________________________________ 1 SO2 3 Fe2S Xi 2 KK Hình II.2. Lò đốt pirit ở "tầng sôi" 1 - Phòng đốt 2- Lưới phân phối không khí 3 - Quặng ở trạng thái "sôi" 3. Lò phun (hình II.3) __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 17
__________________________________________________________________________ 2 SO2 1 Qu?ng Xè 3 Hình II.3. Lò phun đốt pirit 1. Vỏ 2. Lớp lát vỏ lò bằng vật liệu chịu lửa 3. Vòi phun quặng bụi và không khí Loại lò này cho phép đốt quặng pirit ở dạng bụi có hàm lượng lưu huỳnh thấp không thể đốt trong các loại lò khác. Lò cao khoảng 10m, đường kính 4m. Lò có cấu tạo rỗng. Quặng được không khí phun vào lò từ phía đáy. Ở trạng thái như vậy quặng bị đốt cháy. Quá trình phản ứng xảy ra trong toàn bộ thể tích của lò. Từ đỉnh lò người ta có thể bổ sung không khí vào lò. Xỉ lò rơi xuống đáy. Hàm lượng SO2 trong sản phẩm khí có thể đạt tới 12% Loại lò này có công suất lớn hơn lò "bơi chèo", có thể đốt cháy khoảng 100 tấn quặng trong một ngày đêm. Nhược điểm của nó là hỗn hợp khí SO2 chứa rất nhiều bụi gây khó khăn cho quá trình tinh chế. §4. TINH CHẾ HỖN HỢP KHÍ SO2 __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 18
__________________________________________________________________________ Hỗn hợp khí ra khỏi lò đốt ngoài SO2 (khoảng 7%) còn chứa nhiều tạp chất như bụi, hơi nước, các oxit asen, selen và các hợp chất của flo v.v… Người ta phải loại chúng ra khỏi hỗn hợp khí, nếu không chúng sẽ làm hỏng chất xúc tác oxy hoá SO2 hoặc bao phủ bề mặt chất xúc tác làm cho nó không có tác dụng hoặc làm cho axit H2SO4 bị nhiểm bẩn. 1. Tách bụi nhờ một hệ thống lắng cơ học và máy lọc điện để giữ lại các bụi có kích thước lớn, các bụi nhỏ sẽ sẽ bị tách nốt trong các tháp rửa khí. 2. Tách asen oxit và selen oxit: asen oxit làm ngộ độc chất xúc tác nên phải tách triệt để bằng cách cho hỗn hợp khí SO2 qua các tháp rửa, hơi asen oxit và selen oxit sẽ bị giữ lại. 3. Tách "mù" H2SO4: do trong dòng khí có hơi nước và một lượng nhỏ SO3, nên chúng tạo ra những giọt rất nhỏ H2SO4, ăn mòn các đường ống và làm hỏng xúc tác. Tách mù nhờ các lọc điện ướt. 4. Tách hơi nước hay còn gọi là làm khô hỗn hợp khí SO2: sau các giai đoạn rửa khí, khí mang theo nhiều hơi nước, nếu qua xúc tác sẽ làm xúc tác bị ẩm và vỡ vụn, nên phải làm khô khí bằng cách cho đi qua các tháp tưới H2SO4 đậm đặc 98%. Sau khi tinh chế, hỗn hợp khí có độ ẩm 0,01% và nhiệt độ 500C tiếp tục đi vào hệ thống oxi hoá SO2 thành SO3. §5. OXI HÓA SO2 BẰNG XÚC TÁC V2O5 I - CƠ SỞ LÍ THUYẾT Phản ứng giữa SO2 và O2 trong điều kiện bình thường, ngay cả ở nhiệt độ cao hầu như không xảy ra, mặt khác SO3 là sản phẩm của sự oxi hóa đó lại không bền ở nhiệt độ cao, nó dễ bị phân hủy thành SO2 và O2. Như vậy phản ứng oxi hóa SO2 bằng O2 là một quá trình thuận nghịch và tỏa nhiệt. 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 △H < 0 Ở nhiệt độ thấp phản ứng chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành SO3. Nhiệt độ thấp nhất để phản ứng xảy ra rõ rệt vào khoảng 400 0C. Nếu ở nhiệt độ thấp quá __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 19
__________________________________________________________________________ chất xúc tác chưa thể hiện tác dụng xúc tiến phản ứng, nhưng ở nhiệt độ quá cao chất xúc tác lại bị phá vỡ cấu trúc làm mất tác dụng, mặt khác phản ứng lại dịch chuyển cân bằng về phía phân hủy SO3 thành SO2 và O2. Trong thực tế sản xuất người ta duy trì nhiệt độ khoảng 4500C khi dùng xúc tác là oxit vanadi (V2O5). Có nhiều chất có thể làm chất xúc tác cho phản ứng này. Thời kỳ đầu người ta dùng platin làm chất xúc tác, platin có hoạt tính cao, nhưng rất đắt tiền nên người ta lại dùng sắt (III) oxit Fe2O3. Trong những năm gần đây người ta dùng vanadi oxit V2O5 vì có hoạt tính cao hơn Fe2O3. Trộn thêm Al2O3, SiO2, K2O, CaO và V2O5 người ta đã tạo ra được chất xúc tác thích hợp cho quá trình oxi hóa SO2 thành SO3. Xúc tác này vẫn giữ được hoạt tính cao không kém nhiều so với chất xúc tác Pt mà lại rẻ tiền hơn, bền hơn trong các điều kiện làm việc thích hợp. Về yếu tố nồng độ của các chất tham gia phản ứng, khi tăng nồng độ của O2 trong hỗn hợp khí thì tốc độ của phản ứng tăng và cân bằng sẽ chuyển dịch về phía tạo thành SO3, đồng thời hiệu suất chuyển hóa SO2 thành SO3 cũng tăng. Trong điều kiện sản xuất, oxy hóa SO2 trên xúc tác vanađioxit ở nhiệt độ khoảng 4500C, hàm lượng của oxy trong hỗn hợp khí là 11% còn SO2 là 7% thì độ chuyển hóa của SO2 có thể đạt được 98%. II- THIẾT BỊ OXI HÓA (hình II.4) Tháp oxi hóa SO2 trong công nghiệp gọi là tháp tiếp xúc. Nó có cấu trúc hình trụ cao khoảng 8-10m, đường kính 3-4m, phần dưới đường kính rộng hơn. Xung quanh có vỏ thép bọc lớp giữ nhiệt để giữ nhiệt độ của tháp. Phía trong tháp xây gạch chịu lửa chống ăn mòn. Chất xúc tác trong thiết bị được chia thành 4 hoặc 5 lớp, đặt nằm ngang trong thiết bị. Giữa các lớp xúc tác là các ống hình trụ đặt song song để thực hiện việc trao đổi nhiệt giữa khí SO3 và SO2 trước khi qua xúc tác (khí SO3 đi trong ống, khí SO2 đi ngoài ống). Khí SO2 sau khi đã được đốt nóng sơ bộ đi vào phần trao đổi nhiệt phía dưới cùng của tháp sau đó qua phần trao đổi nhiệt ở giữa, tiếp tục thu thêm nhiệt ở phần trao đổi nhiệt trên cùng để đạt nhiệt độ khoảng 4500C và đi qua lớp xúc tác thứ nhất, tại đây phản ứng oxi hóa SO2 diễn ra, tỏa nhiệt làm cho nhiệt độ của dòng khí tăng lên vượt quá 4500C. Người ta phải làm lạnh khí xuống 4500C nhờ khí SO2 đi ngoài ống, còn SO3 đi trong ống trao đổi nhiệt. Qua trao đổi nhiệt dòng khí tiếp tục qua lớp __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.