Đồ Án nhập môn kỹ thuật hóa học tìm hiểu quá trình sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp

Khi bị nung nóng, các hợp chất này bị phân hủy tương ứng thành sắt II oxit và đồng oxit, giải phóng nước và lưu huỳnh trioxide, chúng kết hợp với nhau tạo thành một dung dịch loãng của a

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà N i, tháng 2 năm 202 ộ 3

LỜI MỞ ĐẦU

Axit sunfuric là m t lo i hóa ch t đ ộ ạ ấ ượ c bi t đ n t r t lâu trong l ch s loài ng ế ế ừ ấ ị ử ườ i (t ừ

th k th 9 ng ế ỷ ứ ườ ượ i đ c coi là đã tìm ra ch t này là nhà gi kim thu t H i giáo ấ ả ậ ồ

Rhases) Axit Sunfuric đ ượ ử ụ c s d ng r ng rãi trong các ngành khác nhau c a n n kinh ộ ủ ề

t qu c dân Đây là s n ph m quan tr ng nh t c a ngành công nghi p Kỹ thu t Hóa ế ố ả ầ ọ ấ ủ ệ ậ

H c, công nghi p s n xu t Axit ọ ệ ả ấ Sunfuric Hàng năm các n ướ c trên th gi i s n xu t ế ớ ả ấ kho ng 160 tri u t n H2SO4 Vì v y mà v n đ s n xu t axit ả ệ ấ ậ ấ ề ả ấ sunfuric trong công nghi p cũng đ ệ ượ ấ c r t nhi u ng ề ườ i quan tâm.

Chính vì th , chúng em đã tìm hi u và làm ra b n đ án tìm hi u v quá trình s n xu t ế ể ả ồ ể ề ả ấ axit sunfuric trong công nghi p, bên canh đó là t ng quan lý thuy t và m t s v n đ ệ ổ ế ộ ố ấ ề liên quan đ n axit ế sunfuric.

Đây là m t đ tài tìm hi u r t th c t và h u d ng đ i v i vi c đào t o đ i ngũ kĩ s ộ ề ể ấ ự ế ữ ụ ố ớ ệ ạ ộ ư

t ươ ng lai c a ngành kĩ thu t hóa h c V i s tìm hi u ch t l c kĩ l ủ ậ ọ ớ ự ể ắ ọ ưỡ ng cùng v i thái ớ

đ làm vi c nghiêm túc, chúng em đã hoàn thành đ án này ộ ệ ồ

Chúng em xin chân thành c m n cô T ng Th Hoàng D ả ơ ố ị ươ ng đã h ướ ng d n giúp đ ẫ ỡ chúng em trong quá trình làm đ án V i s giúp đ t n tình đó cùng v i s n l c c ồ ớ ự ỡ ậ ớ ự ỗ ự ố

g ng c a các cá nhân trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đ án này Tuy nhiên, do ắ ủ ồ

h n ch v chuyên môn, ki n th c ch a sâu trong quá trình làm bài không th không ạ ế ề ế ứ ư ể

có sai sót, chúng em xin chân thành ti p thu nh ng ý ki n ch b o đóng góp c a cô đ ế ữ ế ỉ ả ủ ể

b n báo cáo hoàn thi n t t h n ả ệ ố ơ

Chúng em xin chân thành c m n! ả ơ

Hà Nội, tháng 2 năm 2023

2

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

I TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA AXIT SUNFURIC 4

1 Tính chất vật lý 4

2 Tính chất hóa học 4

II CÁC ỨNG DỤNG CỦA AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP4 1 Lịch sử phát triển 5

2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ ở Việt Nam 8

2.1 Trên thế giới 8

2.2 Ở Việt Nam 9

3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp 10

III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ H2SO4 TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 10

IV CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG ĐỂ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP………11

1 Nguyên liệu sử dụng để sản xuất axit sunfuric ở quy mô công nghiệp 11

1.1.Nguyên liệu 11

1.2.Đặc điểm sử dụng nguyên liệu 13

1.3.Chất xúc tác trong sản xuất Axit sunfuric 14

2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric ở quy mô công nghiệp15 2.1 Sơ đồ chung 15

2.2 Sơ đồ ở 1 số nước 21

3 Các thông số công nghệ cơ bản của các công đoạn trong dây chuyền sản xuất 23

* Tài liệu tham khảo………

24

I TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA AXIT SUNFURIC

1 Tính chất vật lý

 Trạng thái vật lý: chất lỏng

 Hình thức: trong, không màu (tinh khiết) hoặc vẩn đục ( lẫn tạp chất)

 Mùi vị: không mùi

 Không bay hơi trong không khí

 Nhiệt độ nóng chảy là: 10°C, nhiệt độ sôi là 338: °C

 Khả năng hòa tan trong nước: tan vô hạn trong nước

 Trọng lượng phân tử: 98,0761 g/mol

 Trong lượng riêng: 1,84 g/cm3

- Axit sunfuric còn có khả năng làm than hóa các hợp chất hữu

II CÁC ỨNG DỤNG CỦA AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

1 Lịch sử phát triển

4

- Axit Sunfuric được nhà hóa học và là nhà giả

kim Hồi Giáo phát hiện ra vào thế kỉ VIII Abu

Mūsā Jābir ibn Hayyān

Abu Mūsā Jābir ibn Hayyān (khoảng 721 – 815)

cũng có tên khác là Geber, là một nhà bác học nổi

bật: một nhà hóa học và nhà giả kim, nhà thiên

văn học và chiêm tinh học, kỹ sư, nhà địa lý học,

nhà triết học, nhà vật lý, dược sĩ và bác sĩ Sinh ra

và lớn lên tại Tus, sau đó ông đã di chuyển đến

Kufa Đôi khi ông được coi là cha đẻ của hóa học

thời kỳ đầu.

- Trong thế kỷ thứ IX, bác sĩ và nhà giả kim thuật

người Ba Tư Ibn Zakariya al-Razi là người đã thu

được Axit Sunfuric bằng cách nhiệt phân các loại

khoáng chất FeSO4.7H2O (Sắt (II) Sulfat ngậm 7

phân tử nước) và CuSO4.5H2O (Đồng (II) Sulfat 

ngậm 5 phân tử nước) Khi bị nung nóng, các hợp

chất này bị phân hủy tương ứng thành sắt (II)

oxit và đồng oxit, giải phóng nước và lưu huỳnh

trioxide, chúng kết hợp với nhau tạo thành một

dung dịch loãng của acid sulfuric

- Phương pháp này đã được phổ biến tới châu Âu

thông qua việc dịch các luận thuyết và sách Hồi

giáo bởi các nhà giả kim thuật châu Âu, chẳng

hạn như người Đức Albertus Magnus (thế kỷ

XIII)

- Vào thời trung cổ Axit Sunfuric được biết tới

như dầu sulfat Tầm quan trọng của sulfat đối với

giả kim thuật được nhấn mạnh trong phương

châm của giả kim thuật Visita Interiora Terrae

Rectificando Invenies Occultum Lapidem nghĩa là

"Đi sâu vào lòng đất, bạn sẽ tìm ra viên đá bí mật/

được cất giấu", trong L'Azoth des Philosophes

XV Basilius Valentinus.

Trong thế kỷ XVII, nhà hóa học người Đức gốc

Hà Lan Johann Glauber đã điều chế acid

sulfuric bằng cách đốt lưu huỳnh cùng với kali

nitrat (KNO3), với sự có mặt của hơi nước Khi

KNO3 bị phân hủy, nó oxy hóa lưu huỳnh thành

SO3, là chất kết hợp với nước để tạo ra acid

Trong năm 1736, Joshua Ward, một dược sĩ người

Anh đã sử dụng phương pháp này để bắt đầu việc

sản xuất hàng loạt acid sulfuric lần đầu tiên 

 Năm 1746 ở Birmingham, John Roebuck bắt đầu

sản xuất acid sulfuric theo cách này trong các bể c

hì, là những thiết bị khỏe hơn và ít đắt tiền hơn

cũng như có thể chế tạo lớn hơn so với các loại đồ

chứa bằng thủy tinh đã sử dụng trước đây. Công

nghệ bể chì này cho phép công nghiệp hóa việc

sản xuất acid sulfuric hiệu quả hơn và cùng với

một số cách làm tinh khiết thì nó đã là phương

pháp chuẩn để sản xuất trong gần như hai thế

kỷ. 

 Acid sulfuric của John Roebuck chỉ chứa khoảng

35–40% acid Các phương thức làm tinh khiết sau

này trong công nghệ bể chì của nhà hóa học người

Pháp Joseph-Louis Gay-Lussac và nhà hóa học

người Anh John Glover đã cải thiện nó tới 78% 

Năm 1831, nhà buôn dấm người Anh Peregrine

Phillips đã lấy bằng sáng chế cho công nghệ kinh

tế hơn để sản xuất lưu huỳnh trioxide và acid

sulfuric đậm đặc, ngày nay được biết đến như

là công nghệ tiếp xúc Cuối cùng thì tất cả các

nguồn cung cấp acid sulfuric trên thế giới ngày

nay đều sản xuất theo phương pháp này 

( H2.2.1 Biểu đồ thể hiện sự gia tăng sản lượng axit sunfuric trên thế giới)

- Theo thống kê, Mỹ là quốc gia sản xuất lượng H2SO4 lớn nhất trên thế giới, tăng hàng triệu tấn mỗinăm Theo VN.Express, hiện nay Trung Quốc cũng được coi là quốc gia sản xuất H2SO4 lớn trên thếgiới với phương pháp sản xuất đi từ quặng Pirit là chủ yếu Các nước XHCN ở Châu Á vẫn là thị trường chính, chiếm khoảng 23% lượng tiêu thụ thế giới; Mỹ vào khoảng 20%; các nước ở Châu Phi, Trung và Nam Mỹ, Tây Âu tiêu thụ khoảng 10%

8

- Tổng nhu cầu tiêu thụ Axit sunfuric trên thế giới năm 2019 là 276 triệu tâns và năm 2020 là 274 triệu tấn Do tác động của đại dịch Covid-19 trên toàn cầu mà lượng tiêu thụ axit sunfuric có sụt giảm nhưng không đáng kể

- Đến năm 2025 sản lượng axit sunfuric tiêu thụ của thế giới dự báo tăng trở lại và đạt ngưỡng 290 triệu tấn

- Tại Đông Nam Á, các nước trong khu vực đều đang nhập khẩu H2 SO4 Dự kiến lượng nhập khẩutrung bình trong giai đoạn 2020 - 2034 đạt khoảng 3,3 triệu tấn/ năm

2.2 Ở Việt Nam

- H2SO4 là hóa chất cơ bản, có tốc độ tăng trưởng và lượng tiêu thụ cao tại khu vực châu Á - Thái Bình Dương, trong đó các quốc gia khu vực Đông Nam Á chủ yếu nhập khẩu H2SO4 Tại Việt Nam H2SO4 ở thị trường Việt Nam được cung cấp bởi sản xuất trong nước và nhập khẩu Các nhà máy H2SO4 trong nước chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất các sản phẩm nội bộ như H3PO4, phân bón,… và cung ứng ra thị trường Công suất sản xuất H2SO4 của một số công ty lớn trong nước khoảng 3300 nghìn tấn Trong đó, Tập đoàn Hóa chất Việt Nam (Vinachem) đang có sản lượng sảnxuất H2SO4 cao nhất cả nước với 2 nhà máy tại Hải Phòng và Lào Cai, sản lượng đạt khoảng 834 nghìn tấn/năm, sử dụng cho sản xuất phân bón Tổng sản lượng sản xuất H2SO4 hàng năm của các nhà máy trong nước đạt khoảng 1,6 triệu tấn Trong đó, hơn 90% sản lượng này để phục vụ tiêu thụnội bộ và chỉ khoảng 8% được bán ra thị trường Nhu cầu tiêu thụ H2SO4 trong thời gian qua không ngừng gia tăng, trong khi sản xuất trong nước cung ứng ra thị trường còn hạn chế Do đó, sản lượng nhập khẩu H2SO4 đã tăng lên nhanh chóng từ 37 nghìn tấn vào năm 2005 và đạt gần

308 nghìn tấn vào năm 2018 để đáp ứng lượng thiếu hụt tại thị trường nội địa H2SO4 nhập khẩu vào thị trường Việt Nam được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực chính gồm: Sản xuất H3PO4, sản xuất phân bón và các lĩnh vực khác (công nghiệp mạ, công nghiệp điện tử, xử lý nước thải, chấttẩy rửa công nghiệp, sản xuất pin, ắc quy )

- Nhu cầu tiêu thụ H2SO4 tại Việt Nam có xu hướng tăng trong thời gian tới Nếu không tính sản lượng H2SO4 được sản xuất và tiêu thụ nội bộ tại các nhà máy, Việt Nam tiêu thụ khoảng 469 nghìn tấn H2SO4 trong năm 2020 và dự báo sẽ đạt hơn 1,3 triệu tấn vào năm 2040 Nếu tính cả sảnlượng tiêu thụ nội bộ tại các nhà máy sản xuất phân bón, nhu cầu tiêu thụ H2SO4 đạt gần 2 triệu tấn vào năm 2020 và tăng lên hơn 2,7 triệu tấn vào năm 2040 Trong khi đó, khả năng cung ứng trong nước còn hạn chế Dựa trên tốc độ tăng trưởng trong quá khứ và tốc độ tăng trưởng GDP, dự báo đến năm 2025, lượng H2SO4 thiếu hụt tại thị trường nội địa khoảng 464 nghìn tấn và tăng lên 1,2 triệu tấn vào năm 2040

3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp

- Axit sunfuric được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất hữu cơ như axit hữu cơ, axit nitric

và axit clohydric cũng như một số muối chứa lưu huỳnh và các hợp chất khác

- Axit sunfuric là một trong những thành phần cần thiết để điều chế thuốc nổ Hoặc sử dụng trong sản xuất chất tẩy rửa tổng hợp

- Tinh chế hydrocacbon thô chiết xuất cũng như các sản phẩm tinh chế: xăng, nhiên liệu máy bay

và dầu diesel để loại bỏ tất cả các tạp chất hữu cơ có trong chúng

- Axit sunfuric cũng được sử dụng trong sản xuất một số tác nhân alkyl hóa rất mạnh như dimetylsulphat và nhiều loại este và diesters khác có nguồn gốc từ axit sunfuric Các tác nhân alkyl hóa này tiếp tục được sử dụng cho nhiều loại phản ứng tổng hợp hóa học và trong việc gây đột biến hóa học

- Điều chế nhiều loại và phẩm màu Một trong những chất tạo màu nổi tiếng nhất được sử dụng trong công nghiệp

- Chất chuyển hóa cyclohexanone oxime thành caprolactam – được sử dụng để sản xuất nilon

- Sản xuất sunphat, làm sạch kim loại trước khi mạ điện, chất dẻo, thuốc nhuộm, sản xuất thuốc Hỗn hợp axit và nước được sử dụng làm chất điện phân trong các loại pin khác nhau, axit chì

- Ngoài ra, axit sunfuric được sử dụng rộng rãi để khai thác lưu huỳnh từ khí tự nhiên và dầu vì các chất hữu cơ thô chứa một lượng lớn lưu huỳnh hiện diện ở dạng hydro sunfua

- Người ta ứng dụng axit sunfuric vào sản xuất nhôm sunfat, như phèn để làm giấy Dung dịch H2SO4 có thể phản ứng với xà phòng trên các sợi bột giấy tạo ra cacbon nhôm dạng gelatin Có tác dụng làm đông các sợi bột giấy thành bề mặt cứng của giấy

III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ H 2 SO 4 TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

- Axit sunfuric có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng cách đốt cháy lưu huỳnh trongkhông khí, sau đó hòa tan SO2 thu được trong dung dịch H2O2

SO2 + H2O2 → H2SO4

Ta cũng có thể hòa tan SO2 trong dung dịch nước của các muối có tính oxi hóa

như đồng (II) hoặc sắt (III):

2FeCl3 + 2H2O + SO2 → 2FeCl2 + H2SO4 + 2HCl

2CuCl2 + 2H2O + SO 2 → 2CuCl + H2SO4 + 2HCl Ngoài ra có hai phương pháp sản xuất axit sunfuric trong phòng thí nghiệm ít được biết đến hơn là:

10

- Điện phân dung dịch đồng (II) sunfat với cực âm bằng đồng và cực dương bằng Platin/thanchì để tạo ra đồng ở cực âm và sự biến đổi khí oxi ở cực dương, dung dịch axit sunfuric loãng cho biết phản ứng hoàn thành khi dung dịch trong bình chuyển từ xanh lam đến trong hoặc ta

có thể nhận biết bằng sự tạo ra hidro ở cực âm

- Phương pháp electrobromine: Sử dụng hỗn hợp lưu huỳnh, nước và axit hydrobromic (HBr) làm dung dịch điện phân Lưu huỳnh được đấy xuống đáy bình chứa trong dung dịch axit, sau đó dùng cực âm bằng đồng đặt ở gần bề mặt và cực dương ở dưới đáy bình điện phân để tác dụng dòngđiện Các phương trình trong quá trình tổng hợp:

2HBr → H2 + Br2(điện phân dung dịch nước bromua)

Br2 + Br - ↔ Br3(tạo ra tribomit ban đầu, cuối cùng đảo ngược khi Br - cạn dần)

-2S + Br2 → S2Br2(brom phản ứng với lưu huỳnh tạo thành đisunfua dibromua)

S2Br2 + 8H2O + 5Br2 → 2H2SO4 + 12HBr(quá trình oxy hóa và hydrat hóa disulfur dibromide)

- Ưu điểm của phương pháp này là axit phản ứng có thể tái chế

IV CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG ĐỂ SẢN XUẤT

AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

1 Nguyên liệu sử dụng để sản xuất axit sunfuric ở quy mô công nghiệp

1.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric rất phong phú bao gồm lưu huỳnh và các hợp chất của nó.Theo thống kê, sản lượng axit sunfuric trên thế giới được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu như sau:-Lưu huỳnh nguyên tố (S) : 65%

- S là một trong những nguyên tố có nhiều trong tự nhiên S chiếm 0,1% khối lượng vỏ trái đất.

S được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric (chiếm khoảng 50%tổng lượng S sản xuất ra), trong nông nghiệp chiếm khoảng 10-15% tổng lượng S sản xuất ra)

- Trong tự nhiên lưu huỳnh dạng đơn chất có thể tìm thấy ở gần các suối nước nóng và các khuvực núi lửa tại nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là dọc theo vành đai lửa Thái Bình Dương

- Các mỏ đáng kể của lưu huỳnh cũng tồn tại trong các mỏ muối dọc theo bờ biển thuộc vịnhMêxicô và trong các evaporit ở Đông Âu và Tây á Lưu huỳnh trong các mỏ này được cho là cóđược nhờ hoạt động của các vi khuẩn kỵ đối với các khoáng chất sunfat đặc biệt là thạch cao Các

mỏ này là nền tảng của sản xuất lưu huỳnh công nghiệp tại Hoa Kỳ, Ba Lan, Nga, Turkmenistan

- Ở Việt Nam, để điều chế lưu huỳnh, người ta đi từ quặng S thiên nhiên chứa khoảng 15- 20%

S hoặc tách các hợp chất từ khí thải của các ngành công nghiệp luyện kim màu, gia công dầu mỏ,khí thiên nhiên, khí dầu mỏ

b) Quặng pirit:

Có 3 loại quặng pirit thường dùng để sản xuất axit sunfuric là:

+ Pirit tuyển nổi: Trong quá trình đem luyện đồng thường dùng phương pháp tuyển nổi để làmgiàu đồng của quặng lên khoảng 15-20% đồng của quặng (gọi là tinh quặng đồng) Phần bã thải racủa quá trình tuyển nổi chứa khoảng 32-40% S gọi là quặng pirit tuyển nổi

+ Pirit lẫn than: Than đá ở 1 số mỏ có lẫn cả quặng pirit, có loại chứa tới 3-5% S làm giảm chấtlượng của than.Vì vậy, phải loại bỏ cục than có lẫn pirit Phần than cục loại bỏ này chứa tới33-42% S và 12-18% C gọi là pirit lẫn than ở miền bắc nước ta, mỏ than Na Dương (Lạng Sơn)than chứa nhiều S (có mẫu tới 6-8% S)

+ Pirit thường: thành phần chủ yếu là FeS2 chứa khoảng 53,44% S và 46,56% Fe Trong quặng

có lẫn nhiều tạp chất của các hợp chất của đồng, chì, kẽm, niken, bạc, vàng, coban, selen, telu,silic, các muối cacbonat, sanfat canxi, magie Vì vậy hàm lượng thực tế của S dao động trongkhoảng từ 30-52% ở miền bắc nước ta mới chỉ phát hiện một số mỏ pirit nhưng nói chung hàmlượng S thấp (khoảng 20-30% S), trữ lượng nhỏ

c) Các nguồn chất thải chứa S:

- Khí lò luyện kim màu: Khí lò trong quá trình đốt các kim loại màu như quặng đồng, chì,thiếc,kẽm có chứa nhiều SO2 Đây là một nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất axit sunfuric vì cứ sản xuất 1tấn đồng có thể thu được 7,3 tấn S02 mà không cần lò đốt

- Khí hydrosunfua(H2S): Trong quá trình cốc hoá than khoảng 50% tổng lượng S có trong khíthan sẽ đi theo khí cốc,chủ yếu ở dạng H2S (chiếm khoảng 95%) Lượng H2S trong khí cốc hàngnăm trên thế giới có thể lên tới hang triệu tấn

- Khói lò: Hàng năm trên thế giới đốt hàng tỷ tấn than, trong đó khói lò đã thải vào khí quyểnhàng chục triệu tấn S Đây cũng là nguồn nguyên liệu đáng kể để sản xuất axit sunfuric

- Axit sunfuric thải: Sau khi dùng axit sunfuric làm tác nhân hút nước,tinh chế dầu mỏ, sunfua

12