đồ án thiết kế quy trình công nghệ sản xuất silicagel từ tro trấu

Silicagel (SiO2.nH2O) hay gel axit silic là một loại hóa chất phổ biến trong đời sống. Hiện nay silicagel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hóa học từ đơn giản đến phức tạp. Silicagel được dùng rất nhiều làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ hóa dầu, lọc nước. Ngoài ra Silicagel còn là một chất hút ẩm rẻ tiền và an toàn nên được sử dụng rất rộng rãi trong việc bảo quản các sản phẩm có độ nhạy cảm cao với độ ẩm không khí như máy quay, máy ảnh ống kính…Với ưu thế khí hậu nhiệt đới gió mùa thích hợp cho cây lúa nước, trong những năm gần đây Việt Nam luôn là một quốc gia xuất khẩu gạo ra nước ngoài. Tuy nhiên, vỏ trấu còn sót lại trong quá trình sản xuất gạo chỉ được dùng để làm nhiên liệu đốt cho một số nhà máy, như vậy thật lãng phí. Do vậy, một số nhà khoa học đã nghiên cứu và phát hiện ra trong trấu ngoài thành phần chính là xenlulô và lignin thì nó chứa một hàm lượng đáng kể các oxit kim loại. Đặc biệt là tro sau khi đốt vỏ trấu thu được có hàm lượng Silic điôxit rất cao (85,2 %) lớn hơn rất nhiều so với trong vỏ trấu, do vậy chúng tôi quyết định nghiên cứu quy trình sản xuất Silicagel từ tro trấu.

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng tàu

Khoa Hoá học Và Công nghệ Thực phẩm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ

Họ và tên sinh viên: 1 Đỗ Đại Định

2 Nguyễn Quốc Duy

3 Lê Thị Hằng

Lớp: DH10H1

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học (Chuyên ngành hóa dầu)

1 Đề tài: “Thiết kế quy trình công nghệ sản xuất Silicagel từ tro trấu”

 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Chương 3: Tính toán thiết kế quy trình công nghệ

 Cân bằng vật chất và năng lượng

 Lựa chọn các thiết bị chính

3 BẢN VẼ

 Bản vẽ quy trình công nghệ :A1 (1 bản vẽ Autocad)

 Bản vẽ thiết bị chính :A1 (1 bản vẽ tay)

4 Ngày giao đồ án: 16/09/2013

5 Ngày hoàn thành đồ án: 02/12/2013

6 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Quốc Hải

Ngành hóa dầu 1 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

7 Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:

8 Xác nhận của khoa:

Vũng Tàu, ngày 02tháng 12 năm 2013

LỜI MỞ ĐẦU

Silicagel (SiO2.nH2O) hay gel axit silic là một loại hóa chất phổ biến trongđời sống Hiện nay silicagel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hóa học từđơn giản đến phức tạp Silicagel được dùng rất nhiều làm xúc tác trong tổng hợphữu cơ hóa dầu, lọc nước

Ngoài ra Silicagel còn là một chất hút ẩm rẻ tiền và an toàn nên được sửdụng rất rộng rãi trong việc bảo quản các sản phẩm có độ nhạy cảm cao với độ ẩmkhông khí như máy quay, máy ảnh ống kính…

Với ưu thế khí hậu nhiệt đới gió mùa thích hợp cho cây lúa nước, trongnhững năm gần đây Việt Nam luôn là một quốc gia xuất khẩu gạo ra nước ngoài.Tuy nhiên, vỏ trấu còn sót lại trong quá trình sản xuất gạo chỉ được dùng để làmnhiên liệu đốt cho một số nhà máy, như vậy thật lãng phí Do vậy, một số nhàkhoa học đã nghiên cứu và phát hiện ra trong trấu ngoài thành phần chính làxenlulô và lignin thì nó chứa một hàm lượng đáng kể các oxit kim loại Đặc biệt làtro sau khi đốt vỏ trấu thu được có hàm lượng Silic điôxit rất cao (85,2 %) lớn hơnrất nhiều so với trong vỏ trấu, do vậy chúng tôi quyết định nghiên cứu quy trìnhsản xuất Silicagel từ tro trấu

Ngành hóa dầu 3 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 5

1.1 Hấp phụ và phân loại hấp phụ 5

1.2 Đặc điểm về hấp phụ 6

1.3 Các chất hấp phụ và ứng dụng 7

1.4 Sơ lược về silicagel và silic dioxit 9

1.5 Sản xuất silicagel từ tro trấu 13

1.6 Quy trình sản xuất SiO 2 từ trong phòng thí nghiệm 15

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT SILICAGEL 17

2.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất silicagel từ tro trấu 17

2.2 thuyết minh sơ đồ công nghệ 17

CHƯƠNG 3:CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18

3.1.Cân bằng vật chất 18

3.2.Cân bằng năng lượng 20

CHƯƠNG 4:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 23

4.1 Tính toán kích thước thiết bị 23

4.2 Bề dày thân thiết bị 26

4.3 Tích bích 28

4.Tính toán chân đỡ và tai treo 29

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 32

5.1 Tính bơm 32

5.2 Tính quạt 36

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Hấp phụ và phân loại hấp phụ:

1.1.1 Định nghĩa: Hấp phụ là quá trình

tụ tập(chất chứa, thu hút…) các phân tử khí, hơi

hoặc các phân tử, ion của chất tan lên bề mặt

phân chia pha Bề mặt phân chia pha có thể là

lỏng – rắn, khí – rắn Chất mà trên bề mặt của nó

có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ, còn

chất mà được tụ tập trên bề mặt phân chia pha

được gọi là chất bị hấp phụ

Phân loại hấp phụ

1.1.2 Phân loại hấp phụ:

Hấp phụ vật lý: Các nguyên tử bị Hấp phụ liên kết với những tiểu

phân(nguyên tử, phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kếtvander walls yếu

Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ vàchất Hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học(không hình thành các liên kết hóahọc) mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằnglực liên kết phân tử yếu(lực vander walls) và liên kết hiđro sự hấp phụ vật lý luônluôn thuận nghịch Nhiệt hấp phụ không lớn Thường thấy nhiều trong hấp phụ đalớp

Hình: 1.2 Qúa trình hấp phụ

Hấp phụ hóa học: Có những lực hóa trị mạnh(do các liên kết bền của liên

kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) liên kết những phân tử hấp phụ và những phân tử bị hấp phụ tạo thành những hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha

Ngành hóa dầu 5 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

Nói một cách khác hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo hợpchất hóa học với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chiapha(bề mặt pha hấp phụ)

Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường(liên kếtion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) sự hấp phụ hóa học luôn luôn bấtthuận nghịch Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol

1.2 Đặc điểm của hấp phụ:

1.2.1 Năng lượng hoạt hóa hấp phụ:

Hấp phụ hóa học tiến hành chậm và có năng lượng hoạt hóa khá lớn gầnbằng năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học, phụ thuộc bởi khoảng cách giữacác nguyên tử trong chất bị hấp phụ và các trung tâm trên bề mặt chất rắn

Hấp phụ lý học tiến hành rất nhanh và năng lượng hoạt hóa bằng không

1.2.3 Cấu trúc bề mặt chất hấp phụ:

Do đặc thù cấu trúc xốp, tỉ lệ giữa bề mặt và thể tích phần rắn trong chấtxốp rất lớn Tại bề mặt các liên kết hóa học của chất rắn trở nên mất liên tục Ởcác vị trí mà liên kết hóa học bị “đứt gãy” có năng lượng lớn hơn so với các vùngkhác, để tồn tại được ở đó sẽ hình thành các liên kết hóa học mới có thành phầnkhác với mạng chất rắn Môi trường chế tạo chất hấp phụ luôn gắn liền với oxykhí quyển và hơi nước nên các liên kết hóa học hình thành trên bề mặt thườngchứa oxy, các nhóm này được gọi là nhóm chức bề mặt và tạo nên cấu trúc bề mặtcủa chất hấp phụ Ngay một nhóm chức có cùng thành phần trên bề mặt thường cótính axit và bazơ yếu tùy thuộc vào vị trí và các nhóm xung quanh Loại nhómchức và mật độ của chúng trên bề mặt chất hấp phụ có thể được đánh giá qua phổhồng ngoại hoặc chuẩn độ hóa học trực tiếp

Bằng các biện pháp biến tính người ta có thể tăng them hoặc loại bỏ bớt cácnhóm chức bề mặt của chất hấp phụ Oxy hoá than hoạt tính với hydroperoxithoặc axit nitric tạo thêm các nhóm axit trên bề mặt tăng cường tính ưa nước của

bề mặt Xử lý nhiệt làm giảm mật độ của nhóm chức, đưa năng lượng bề mặt chấthấp phụ về dạng đồng nhất hơn

1.3 Các chất hấp phụ và ứng dụng

1.3.1 Chất hấp phụ

Ứng dụng hấp phụ để xử lí NO phương pháp đạt hiệu quả thấp do tính trơ

NO ( NO có tính axít yếu) Vì vậy trong nhiều trường hợp người ta chuyển cấu tử

có tính axít yếu thành oxit có mức oxi hóa lớn hơn

NOx được hấp phụ mạnh bởi than hoạt tính Tuy nhiên khi tiếp xúc với cácoxít nitơ than có thể cháy và nổ Ngoài ra, than có độ bền cơ học thấp và khi phụchồi có thể chuyển NOx thành NO

Khả năng hấp phụ NOx trên silicagen hơi thấp hơn so với than hoạt tínhnhưng nó bền cơ học, không cháy, cũng giống như thanh hoạt tính khi tái sinh cóthể từ NOx thành NO Hiệu quả hấp phụ NOx bởi silicagen lớn, nồng độ còn lạitrong khí chỉ còn 0,005% Tuy nhiên do nguyên nhân kinh tế quá trình này trongcông nghiệp không được thực hiện

Khả năng hấp thụ NOx của keo nhôm không cao, độ bền không cao

NOx có thể được hấp phụ bằng than bùn có tính kiềm trong thiết bị tầng sôi.Khi ứng dụng hỗn hợp than bùn với hiệu quả xử lý khí, chứa 0,1 – 2,0% NOx, khithời gian tiếp xúc pha 1,6-3s , đạt 96 – 99%, bảo đảm nồng độ còn của NOx trongkhí ở mức 0,01- 0,04% Hiệu quả lớn hơn có thể đạt được khi dùng than bùn cảitạo bởi amoniac

Than bùn có khả năng oxi nitric thành nitrat

Khi xử lý 60 ngàn m3/h khí thải của xưởng axít sunfuric, chứa 0,3 -0,4%

NOx , 0,3 % SO2 và 0,3g/m3 sương mù và giọt H2SO4 thu được kết quả sau

Lưu lượng than bùn 50% độ ẩm – 3 tấn/h , thiết bị hoạt động mỗi năm thuhồi 2520 tấn NOx, 3200 tấn SO2, 95 tấn H2SO4, ngoài ra còn thu được phân bùnnitơ chứa 15- 25% nitrat và sunfat amoni Chi phí đầu tư và hoạt động theo thanbùn thấp nhưng nhược điểm cơ bản là có khả năng than bùn tự bốt cháy

Ngành hóa dầu 7 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

cơ trong nướcvà không khí

Tách các chất

ô nhiễm cógốc hữu cơ

Giá rẻ, dùngtrong xử lýmôi trường

Khó tái sinhnếu bị đóngcặn, có thể bắtcháy khi táisinh

Silicalite

Bề mặt lị

trưng hấp phụtương tự thanhoạt tính

Tách các chấthữu cơ từdòng khí

Có thể đốt bỏ

dể hơn thanhoạt tính

Giá thành caohơn than hoạttính

Chất hấp phụ

cao phân tử

Thường là

copolymercủa styren/

divinyl benzen

Tách các chấthữu cơ từdòng khí

Không gặpvấn đề đóngcặn như thanhoạt tính

Mắc hơn thanhoạt tính

Chất hấp phụ

sinh học

Bùn hoạt hóatrên chất mangxốp

Tách các chấthữu khỏi dòng

Không cần táisinh

Tỉ lệ tách thấphơn các chấthấp

1.3.2 Ứng dụng

 Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố sau

khi bị ngộ độc thức ăn,

 Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và chất tải cho các chất xúctác khác,

 Trong kỹ thuật thì làm một thành phần của cái lọc khí (trong đầu lọc thuốc

lá, cũng như trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ)

 Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vilượng.Phòng tránh tác hại của tia đất

 * Hiệu suất lọc sẽ tùy thuộc chủ yếu vào những yếu tố:

1) Tính chất vật lý của chất hấp phụ, như kết cấu, kích thước, mật độ lỗ,diện tích tiếp xúc

2) Tính chất lý hóa của các loại tạp chất cần loại bỏ

3) Thời gian tiếp xúc của nước với than hoạt

1.4 Sơ lược về silicagel và silic đioxit.

1.4.1 Sơ lược về silicagel

Silica gel hay gel axit silixic là một chất rất sẵn có trong tự nhiên, cộng thêmvới tính năng ưu việt của nó trong các quá trình hóa học tạo nên cho silica gel mộtvị thế đáng được trân trọng Silica gel thực chất là điôxit silic, ở dạng hạt cứng vàxốp (có vô số khoang rỗng li ti trong hạt) Công thức hóa học đơn giản của nó làSiO2.nH2O (n<2), nó được sản xuất từ natri othosilicat (Na2SiO4) hoặc SilicTetraClorua (SiCl4)

Hiện nay silica gel có vai trò rất quan trọng trong công nghệ hóa học từ đơngiản đến phức tạp Silica gel được dùng rất nhiều làm xúc tác trong tổng hợp hữu

cơ hóa dầu, lọc nước,

Trong đời sống hàng ngày, người ta thường gặp silica gel trong những góinhỏ đặt trong lọ thuốc tây, trong gói thực phẩm, trong sản phẩm điện tử Ở đó,silica gel đóng vai trò hút ẩm để giữ các sản phẩm trên không bị hơi ẩm làm hỏng.Silica gel hút ẩm nhờ hiện tượng mao dẫn ở hàng triệu khoang rỗng li ti của nó,hơi nước bị hút vào và bám vào chỗ rỗng bên trong các hạt

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silic đioxit

Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nốivới nhau qua những nguyên tử O chung Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ởtrung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứdiện Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khácnhau và tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thứckinh nghiệm của silic đioxit là SiO2

Ngành hóa dầu 9 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

Ba dạng đa hình của silic đioxit có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diệnSiO4 ở trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện được sắp xếp sao chocác nguyên tử Si nằm trên đường xoắn ốc Tùy theo chiều của đường xoắn ốc mà

ta có thạch anh quay trái hay quay phải Trong triđimit, các nguyên tử Si chiếm vịtrí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit Trong cristobalit, cácnguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới sphelarit.Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của silicđioxit có cấu trúc vi tinh thể Mã não là chất rắn, trong suốt, gồm có những vùng

có màu sắc khác nhau và rất cứng Opan là một loại đá quý không có cấu trúc tinhthể Nó gồm những hạt cầu SiO2 liên kết với nhau tạo nên những lỗ trống chứakhông khí, nước hay hơi nước Opan có các màu sắc khác nhau như vàng, nâu, đỏ,lục và đen do có chứa các tạp chất

Gần đây người ta chế tạo được hai dạng tinh thể mới của silic đioxit nặng

hơn thạch anh là coesit (được tạo nên ở áp suất 35000 atm và nhiệt độ 2500C) và

stishovit (được tạo nên ở áp suất 120.000 atm và nhiệt độ 13000C) [6]

Silic đioxit đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào khi để nguộichậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu được một vật liệu vô định hình giống nhưthủy tinh Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng hướng vàkhông nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp hơn nhiều sovới khi nóng chảy ra Bằng phương pháp Rơnghen người ta xác định được rằngtrong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn được bao quanh bởi những nguyên

tử khác giống như trong trạng thái tinh thể nhưng những nguyên tử đó sắp xếpmột cách hỗn loạn hơn

SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2OSiO2 + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2

Bảng 1.18 Các đại lượng đặc trưng của chất hấp phụ

hoạt tính

Zeolit 4A và 5A

- Khối lượng riêng,g/cm3

- Khối lượng riêng thực

- Khối lượng riêng đổ

- Khối lượng riêng biểu

kiến

Nhiệt dung, kcal/kg.độ

Hàm lượng nước, % trọng

lượng

Nhiệt độ tái sinh, oC

Khả năng hấp phụ hơi nước,

kg nước/100 kg chất hấp phụ

2.1-2.20.61-0.721.2

0.224.5-7121-2327-9

3.250.8-0.861.60.247.0177-3154-7

0.69-0.721.1

0.2Thay đổi150-3509-12

Điểm sương của khí sau khi

Ban đầu các alkoxide bị thủy phân tạo thành liên kết Si – OH:

Si(OR)4 + H2O HO-Si(OR)3 + R-OH

Theo thời gian, phản ứng sẽ liên tục diễn ra, độ nhớt của dung dịch sẽ tăng lên dophản ứng polymer hóa và đông đặc, cho tới khi hình thành gel rắn, ở ngay nhiệt độthường Chất lượng và dạng của sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào loại alkoxide

được dùng, pH của dung dịch phản ứng, điều kiện xúc tác là axit hoặc bazơ, nhiệt

độ, tỷ lệ alkoxide/H2O sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sản phẩmcuối cùng Sau khi gel được hình thành, nó thường ở dạng xốp và còn chứa cácchất lỏng trong các lỗ xốp Các chất lỏng này phải được loại bỏ qua các quá trìnhsấy và xử lý nhiệt về sau

 Ưu điểm của phương pháp:

Tạo ra gel có chất lượng tốt, hàm lượng Sio2 cao, độ xốp lớn và có thể đượcđiều chỉnh tùy thuộc vào tỷ lệ của nước với các hóa chất ban đầu sử dụng, nhiệt độvà môi trường khi nung mẫu

 Nhược điểm của phương pháp:

Yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện tiến hành, sử dụng các loại hóa chất mắctiền, nên chỉ được thực hiện với quy mô phòng thí nghi

1.4.3.2 Tổng hợp Silicagel từ thủy tinh lỏng.

Đây là phương pháp được sử dụng để tổng hợp silicagel cả trong phòng thínghiệm và trong sản xuất công nghiệp từ nguồn nguyên liệu thủy tinh lỏng cà axit

H2SO4 theo phương pháp Sol-gel Quá trình hình thành gel silica gồm 2 giai đoạn:

- Giai đoạn tạo Sol

Thêm từ từ dung dịch H2SO4 vào dung dịch thủy tinh lỏng tới pH xác định

Na2SiO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2SiO3

Axit silisic ban đầu được tạo ra dưới dạng các hạt keo SiO.nH2O

- Giai đoạn ngưng tụ:

Khi nồng độ các hạt keo tăng lên thì từ trạng thái sol, dung dịch keo sẽ

chuyển sang trạng thái gel

Sau quá trình tổng hợp ta thu được khối gel silica ướt, đem rửa và sấy ởnhiệt độ thích hợp sẽ thu được silicagel khô

 Ưu điểm của phương pháp:

Quá trình tồng hợp được tiến hành dễ dàng trong điều kiện thường, hóa chấtđơn giản và rẻ tiền.

 Nhược điểm của phương pháp:

Khó loại bỏ lượng muối và hóa chất còn dư trong gel silica nên phải rửa nhiều lần

1.4.3.3 Tổng hợp Silicagel từ tro trấu.

Trong vỏ trấu chứa hàm lượng SiO2 rất lớn (khoảng 85%) Nước talại nà nơi sản xuất lúa gạo lớn trên thế giới nên lượng vỏ trấu dư thừa rất nhiều

Do đó nước ta rất phù hợp để phát triển công nghệ sản xuất silicagel từ tro trấu

 Ưu điểm của phương pháp:

Thích hợp với điều kiện tự nhiên và ngành lúa nước của nước ta

1.4.4 Ứng dụng

Trong xây dựng: dùng làm chất phụ gia xi măng, gạch chịu lửa và ngói, Trong đời sống: dùng làm chất hút ẩm, chế tạo thiết bị lọc nước, đồ dùngbằng thủy tinh, chất bán dẫn,

Ngày nay, Silic đioxit còn được dùng làm nguyên liệu để sản xuất vật liệuxúc tác mao quản trung bình như: MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16

1.5 Sản xuất silicagel từ tro trấu

1.5.1 Phân tích thành phần tro trấu

Trong vỏ trấu, bên cạnh thành phần chính là xenlulô và lignin thì nó chứamột hàm lượng đáng kể các oxit kim loại Bảng 1 dưới đây trình bày thành phầnhoá học của vỏ trấu gạo dùng trong khóa luận này Có thể thấy rằng thành phầncủa các oxit chỉ chiếm khoảng 9,92%, trong khi đó một lượng lớn chất hữu cơchiếm đến 90,08 % Trong thành phần các oxit kim loại thì SiO2 chiếm 99,17% vềkhối lượng

Như vậy, theo kết quả phân tích nguyên tố thì hàm lượng SiO2 trong vỏ trấugạo đang nghiên cứu tương đối thấp, chỉ chiếm 9,838% Trong khi đó, hàm lượngSiO2 ở các nơi khác, cụ thể như ở Ai Cập, hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu đến 20% Điều này có thể được giải thích là ở các điều kiện thổ nhưỡng khác nhau, cácgiống lúa khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng các nguyên tố chứatrong vỏ trấu

Ngành hóa dầu 13 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

Bảng 1: Thành phần các oxit trong vỏ trấu

Vỏ trấu sau khi rửa sạch và phơi thật khô, đem đốt cho cháy hết các chất hữu

cơ, đem phân tích ta thu được thành phần hóa học của tro trấu như sau:

Bảng 2: Thành phần hóa học của tro trấu

Chất hữu cơ cháy (%) Tro (%)

Từ bảng 2 ta thấy rằng, trấu sau khi bị đốt kĩ thành tro thì thành phần của chất hữu

cơ bị cháy chiếm 88 %, SiO2 và các chất khác chiếm 12 % còn lại, đặc biệt làtrong tro, SiO2 chiếm đến 85,2 %, tức là lớn hơn rất nhiều so với trong vỏ trấu, dovậy tôi mới quyết định chọn phương pháp thu hồi SiO2 từ tro trấu

1.5.2 Cơ sở lý thuyết sản xuất silicagel từ tro trấu

Mặc dù oxit silic chiếm một lượng khá lớn trong vỏ trấu nhưng chúng tôichưa tìm được tài liệu nào công bố về dạng tồn tại của oxit silic trong vỏ trấu.Theo sự hiểu biết của chúng tôi, rất có thể oxit silic tồn tại một dạng cơ kim nào

đó như một dạng “alkoxit tự nhiên” Khi được chiết trong dung dịch kiềm nó bịthuỷ phân và tạo thành muối natri silicat Khi axit hóa dung dịch thu được bằngHCl thì xảy ra phản ứng:

Na2SiO3 + 2HCl 2NaCl + H2SiO3

Hoặc Na2SiO3 + CO2 + H2O H2SiO3 + Na2CO3

H2SiO3 trong dung dịch tự trùng hợp theo phản ứng sau:

nH2SiO3 (SiO2)n + nH2O

Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên và phát triển thành các hạtsol liên kết với nhau tạo thành gel Gel thu được đem rửa sạch để loại bỏ các chấtbẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2 Rõ ràng hiệu suất chiết SiO2 từ trotrấu phụ thuộc chủ yếu vào giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thuỷ phân trongmôi trường kiềm

1.6 Quy trình thu hồi SiO 2 trong phòng thí nghiệm.

Vỏ trấu sau khi lấy từ nhà máy xay xát về, đem rửa sạch hết các tạp chất, sau

đó đem phơi nắng cho thật khô

Đốt trong lò trấu ở địa phương thường dùng để đun nấu (lò được làm sạch

kỹ tránh tạp chất trước khi đốt) Trấu cháy hoàn toàn thành tro Bảo quản tro tránhtiếp xúc với hơi nước

Cho 20 gam tro trấu vào cốc thủy tinh 500 ml, sau đó cho vào đó 250 mldung dịch NaOH (nồng độ 5,0M)

Đặt cốc thủy tinh gồm tro trấu với dung dịch NaOH này vào bể điều nhiệtđun ở nhiệt độ là 90oC và thời gian đun là 4h

Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn ta tiến hành lọc dung dịch này (ta gọilà dung dịch 1) để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư, thu được dung dịch 2 Nếudung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng ta cho than hoạt tính vào dung dịch 2 để hấp thụcác chất bẩn chảy qua giấy lọc, thu được dung dịch 3 Giai đoạn này quyết định sựtinh sạch của SiO2 thu được

Lọc dung dịch 3 ta thu được dung dịch 4 Ta cho khí CO2 với lượng phù hợpvào dung dịch 4 cho đến khi dung dịch quánh lại Hỗn hợp bây giờ ở dạng Gel,Gel thu được đem rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi trường trung tính (thửbằng giấy pH) để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl

Ngành hóa dầu 15 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

Rữa sạch, phơi khô, đun kĩ

Tiến hành đun cách thủy và lọc

Lọc

Hình 1: Sơ đồ quy trình thu hồi SiO 2 từ tro trấu

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT SILICAGEL

2.1 Sơ đồ công nghệ

Rửa sạch bằng nước cất, lọcHỗn hợp dạng Gel

SiO2.nH2O

Than hoạt tính

Bản vẽ trang sau

2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Đầu tiên vỏ trấu sau khi được rửa sạch và sấy khô để loại bỏ tạp chất, sẽđược tiến hành xử lý làm giảm thành phần kim loại sau đó cho vào lò đốt (1) ở

5000C

Trong tro trấu ta có được SiO2, tro trấu được đưa qua máy quạt (13) thổi vàothiết bị phản ứng có cánh khuấy (4), đồng thời cho dung dịch xút NaOH 5M đãđược gia nhiệt sơ bộ bằng nước và để điều chế dung dịch Natri silicat Sau khi tạothành Na2SiO3 thì cho sản phẩm này đi vào thiết bị khuấy (12) nhằm tăng hiệu suấtphản ứng, sau đó được bơm (14) đưa vào thiết bị lọc (6) Tại đây phần cặn và tạpchất được rửa bằng nước và được đưa vào thiết bị sấy(7), phần natri silicat chuẩnđược đưa thẳng vào thùng chứa(9) còn phần natri silicat Có lẫn nước được đưaqua thiết bị cô đặc (8) để bốc hơi phần nước lẫn trong Na2SiO3 rồi được đưa vàothùng chứa Natri silicat từ thùng chứa được bơm đưa tới thiết bị phản ứng cócánh khuấy sau khi được gia nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt, đồng thời sục phần

CO2 được tận dụng từ lò đốt vào, tại đây hình thành nên gel sol silica và Na2CO3 Sau đó sản phẩm được đưa qua thiết bị khuấy trộn nhằm tăng hiệu suất choquá trình Silica sol dần dần hình thành gel lỏng và được ủ ở nhiệt độ 600C trong24h giúp ổn định cấu trúc gel Gel lỏng sau khi được ủ, được rửa bằng nước nhiềulần tại thiết bị lọc nhằm loại bỏ Na2CO3 có trong gel trước khi cho Coban Clorua(CoCl2) vào Gel sau khi biến tính được để bay hơi tự nhiên ở nhiệt độ thường, sau

đó xử lý nhiệt ở 2000C để tạo silicagel Phần muối Na2CO3 được đưa vào thùngchứa Na2CO3, tại đây ta đưa CaO vào để thu hồi lại lượng NaOH và được đưa vàothùng chứa NaOH

Gọi n là số mol nhập vào

Ở thiết bị lò phản ứng có cánh khuấy 1 xảy ra phản ứng :

SiO2 +2 NaOH =Na2SiO3 +H2OHiệu suất phản ứng này là 80%.suy rat a có 0,8n mol tro trấu phản ứng.Theo phản ứng này thì có cứ 1 mol tro trấu thì thu được 1 mol Na2SiO3 Khi qua thiết bị khuấy trộn thứ 1 thì có hiệu suất la 95%.Từ đó cho ta thấyhiệu suất tăng lên 15%.Suy ra số mol tro trấu là 0,95n

Ta thừa nhận mất mát sản phẩm qua mỗi thiết bị lọc ,tách là 5%.Như vậysau khi qua thiết bị lọc thứ nhất thì ta thu được:

100

0,95n.5 -

Sản phẩm tiếp tục đi qua thiết bị lò phản ứng có cánh khuấy thứ 2 Tại đâyxảy ra phản ứng :

CO2 +Na2SiO3 + H2O =Na2CO3 +SiO2.nH2O ( với n <2).Hiêu suất phản ứng lò phản ứng thứ 2 là 80%

Sau đó sản phẩm lại được đưa vào thiết bị khuấy trộn thứ 2 Khi sản phẩmđược đưa qua thiết bị trộn này thì hiệu suất sản phẩm được ổn định là 95%

0 , 857

100

0,9025n.95

Sau dó sản phẩm được đưa qua thiết bị lọc 2 Tại đây thì sẽ bị mất mátkhoảng 5% ,tức là:

100

0,857n.5 -

Theo đồ án ta có hiệu suất sản phẩm là :100kg/h =0,139m3/h

Khối lượng riêng của SiO2 là : =480-720 kg/m3

Khối lượng riêng của dd NaOH là : =1356 kg/m3

Ta chọn : =720 kg/m3

Khối lượng riêng của khí CO2 là : =19768 kg/m3

 Khối lượng SiO2 thu được là :

0,139 ×720 = 100,08.103 g

 Số mol SiO2 thu được là :

60,9

10

× 100,08 3

 mol (2)

Từ (1) và (2) ta được số mol nguyên liệu nhập vào ban đầu là:

814 , 0

4 , 1643

 Khối lượng NaOH dư: 32302,72 g

 Khối lượng tro trấu đưa vào: 2018,92 × 60,9 = 122952,23 g

Vậy tổng lưu lượng đưa vào thiết bị lò phản ứng có cánh khuấy 1 là:

170,77 + 119,11 + 4,49 = 294,37 l/h

2 Cân bằng năng lượng

Tính lượng nhiệt mang vào thiết bị phản ứng

Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào là Qi được tính theo công thức sau:

Qi = T.Gi.Ci (*)

Ngành hóa dầu 19 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm

Trong đó:

 T: nhiệt độ phản ứng trong thiết bị, T = 1000C = 3730 K

 Gi: Thành phần các cấu tưt trong nguyên lieu, Kg/h

 Ci: nhiệt dung riêng đẳng áp của cấu tử, J/kg.độ

Từ phần tính cân bằng vật chất, ta có thành phần các cấu tử nguyên liệunhư sau:

 CCO2 ở 1000C là 0,2197 kcal/kg.độ

CCO2 = 0,2197 kcal/kg.độ = 0,2197 4,1868.103 J/kg.độ = 919,84J/kg.độ

Tra bảng I.160 - [1], ta có nhiệt dung riêng đẳng áp của NaOH ở nhiệt độ

1000C và áp suất 1at là:

Vậy, tổng lượng nhiệt mà nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng là:

∑Qvào = QSiO2 + QCO2 + QNaOH = 114,648 103 kJ/h

Tính nhiệt lượng ra khỏi thiết bị phản ứng

Tính nhiệt lượng do sản phẩm mang ra

Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra cũng được tính theo công thức (*) Dothiết bị hoạt động gần như đẳng nhiệt, nên ta có thể coi nhiệt độ tại đầu ra củathiết bị phản ứng là T = 1000C

Thành phần các cấu tử trong sản phẩm đầu ra:

Vậy, tổng lượng nhiệt mà nguyên liệu mang vào thiết bị phản ứng là:

∑Qra = QNaOH dư + QCO2 dư + QSiO2 dư + QNa2CO3 + QSiO2.nH2O = 106,041.103 kJ/h

Tính lượng nhiệt mất mát do môi trường xung quanh

Ngành hóa dầu 21 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm