BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ hóa học đại CƯƠNG lưu sơn TÙNG

Trong công nghệ hóa học quá trình xử lý được phân chia thành các thành phần công nghệ sau:  Nguồn nguyên liệu của công nghệ hóa học chính là các nguồn vật chất tự nhiên sử dụng trong q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI GIẢNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG

Giảng viên: Ths LƯU SƠN TÙNG

Bộ môn: Công nghệ hóa học

Bà Rịa Vũng Tàu 2013

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Công nghệ (Technology), có nguồn gốc là từ technologia, trong tiếng Hy

Lạp; techne có nghĩa là “nghệ thuật, thủ công” và logia có nghĩa là “khoa học” Theo

nghĩa rộng rãi Công nghệ được hiểu là môn khoa học về các phương pháp kinh tế và

kỹ thuật để xử lý nguồn nguyên liệu thành sản phẩm

Theo phương pháp xử lý thì công nghệ được chia thành 2 loại là: cơ học và hóa học

Công nghệ cơ học là quá trình xử lý làm thay đổi hình dạng và tính chất vật lý của vật

chất ban đầu

Công nghệ hóa học là quá trình xử lý không những làm thay đổi hình dạng, tính chất

vật lý mà còn làm biến đối cả cấu trúc của vất chất ban đầu

Công nghệ hóa học (CNHH) là môn khoa học tự nhiên nghiên cứu về phương pháp và nguyên lý sản xuất ra sản phẩm bằng các quá trình chuyển hóa

 Đối tượng nghiên cứu của CNHH chính là quá trình sản xuất hóa học

 Mục đích nghiên cứu của CNHH là tạo ra các phương pháp sản xuất các sản

phẩm cần thiết cho con người

 Phương pháp nghiên cứu: thực nghiệm, mô phỏng và phân tích hệ thống

Công nghệ hóa học có mối tương quan chặt chẽ với các bộ môn khoa học khác như:

Toán học, Hóa học, Vật lý, Cơ học, Kinh tế học…(Xem hình 1.1)

Trong công nghệ hóa học quá trình xử lý được phân chia thành các thành phần công nghệ sau:

 Nguồn nguyên liệu của công nghệ hóa học chính là các nguồn vật chất tự

nhiên sử dụng trong quá trình sản xuất ra sản phẩm

 Sản phẩm trung gian – là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn

nguyên liệu sau một hoặc một vài giai đoạn sản xuất và nó sẽ là nguồn nguyên liệu cho giai đoạn tiếp theo

 Sản phẩm phụ - là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn nguyên

liệu cùng với sản phẩm chính, nhưng nó không phải là mục đích của quá trình sản xuất này

 Chất thải – có thể là cặn của nguồn nguyên liệu, sản phẩm trung gian, hoặc

sản phẩm phụ

Sản phẩm phụ, sản phẩm trung gian và chất thải trong công nghệ sẽ được tận dụng làm nguồn nguyện liệu cho quá trình sản xuất khác

Hình 1.1 Mối tương quan giữa công nghệ hóa học và các môn khoa học cơ bản

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ hóa học

1.2 Hệ thống công nghệ hóa học

Hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp tất cả các máy móc thiết bị, nguồn vật

chất, nguồn năng lượng và mối liên hệ giữa chúng để xử lý nguồn nguyên liệu thành

sản phẩm

Hệ thống công nghệ hóa học bao gồm phân hệ (tiểu hệ thống) có mối quan hệ chức

năng với nhau Khái niệm hệ thống và phân hệ chỉ mang tính chất tương đối, hệ thống

có thể là phân hệ của một hệ thống khác ở quy mô lớn hơn Phân hệ có cấu tạo từ một

hoặc một vài thành phần mà trong đó diễn ra các thao tác công nghệ Số lượng phân

hệ trong một hệ thống phụ thuộc vào từng quá trình sản xuất cụ thể, có thể phụ thuộc

vào chất lượng và số lượng của thông số đầu vào và đầu ra, thông số về công nghệ và

cấu trúc Cấu trúc của hệ thống công nghệ hóa học được chỉ ra trong hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống công nghệ hóa học

1- Sơ chế nguồn nguyên liệu; 2 - Xử lý nguồn nguyên liệu; 3 - Tách sản phẩm

chính; 4 - Làm sạch và tận thu chất thải; 5 - Phân hệ năng lượng; 6 - Sơ

chế vật liệu phụ; 7- Sơ chế nước; 8 - Phân hệ điều khiển

Sơ chế nguồn nguyên liệu là quá trính sử lý sơ bộ bao gồm: nghiền nhỏ, loại tạp

chất, khuấy trộn các thành phần, đốt nóng, làm lạnh, sấy khô, hòa tan…Quá trình sơ

chế nguyên liệu phụ thuộc vào dạng và chất lượng nguyên liệu, vào quá trình và thiết

bị được sử dụng trong sản xuất Do nguồn nguyên liệu có chứa tạp chất, quá trình

chuyển hóa không hoàn toàn từ sản phẩm trung gian thành sản phẩm chính và sự hình

thành các sản phẩm phụ cho nên trong công nghệ sản xuất cần thực hiện thao tác tách sản phẩm chính từ hỗn hợp và làm sạch khỏi tạp chất Chất thải tạo ra trong quá trình sản xuất có thể gây ô nhiễm môi trường nhưng cũng có thể sẽ làm nguồn nguyên liệu

tốt cho các quá trình sản xuất khác Vì vậy quá trình làm sạch và tận thu chất thải

là thành phần quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học

Sản xuất hóa học luôn đi kèm với sử dụng năng lượng, nó chiếm tới 15% tổng số năng

lượng được sử dụng Chính vì vậy phân hệ năng lượng cũng là một thành phần

quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học Phân hệ năng lượng không chỉ phân bổ

năng lượng cho từng giai đoạn sản xuất mà còn có khả năng thu hồi sau khi sử dụng

Trong sản xuất hóa học thường xuyên sử dụng các chất phụ như: chất hấp thụ, chất

xúc tác, chất hoạt hóa, chất ổn định…Sơ chế chất phụ gia cũng là một thành phần

quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học Đa phần các chất phụ gia trong công nghệ không gây phát sinh chi phí cho quá trình sản xuất vì phân hệ xử lý chất phụ thêm sẽ tái sinh tính chất và đưa chất phụ thêm quay lại quá trình sản xuất

Vị trí đặc biệt trong hệ thống công nghệ hóa học là phân hệ xử lý nước Các nhà máy

hóa chất cần đến 1 triệu tấn nước mỗi ngày Nước được sử dụng làm chất dẫn nhiệt, để sản xuất hơi, hòa tan và pha loãng Cũng giống như phân hệ xử lý chất phụ gia có khả năng khôi phục tính chất của nước và đưa nó trở lại quá trình sản xuất

Phân hệ điều khiển để kiểm tra, điều chính chất lượng và số lượng của sản phẩm

trong quá trình sản xuất

Theo hình 1.2 thì hệ thống công nghệ hóa học là một cấu trúc phức tạp và đa dạng Nghiên cứu hệ thống công nghệ hóa học cho phép tối ưu hóa quá trình sản xuất Tổng hợp và phân tích là những giai đoạn phát triển mới và hiện đại hóa hệ thống công nghệ hóa học đang thực hiện

Nhiệm vụ của tổng hợp là tạo ra các hệ thống công nghệ hóa học có tính chất đạt yêu cầu đặt ra, với các nguồn nguyên liệu khác nhau, năng lượng, thiết bị công nghệ, sẽ chuyển hóa vật liệu nguồn thành sản phẩm Kết quả của tổng hợp rất đa dạng do thông

số đầu ra của hệ thống công nghệ có thể thay đổi bằng cách thay đổi cấu trúc và chế độ làm việc của hệ thống Phát triển hệ thống công nghệ mới cho phép khả năng lựa chọn

nhiều thành phần và các mối liên hệ giữa chúng Cải tiến hệ thống công nghệ cần phải bảo vệ các thành phần có sẵn cũng như mối liên hệ giữa chúng

Phân tích hệ thống công nghệ chia thành phân tích cấu trúc và phân tích chất lượng

Phân tích cấu trúc cần đưa ra các đặc tính cấu trúc và trình tự của các thành phần trong

hệ thống Phân tích chất lượng cho biết các chỉ số về tính chất

Để tạo ra một quá trình sản xuất mới cần nghiên cứu kỹ lưỡng các hệ thống công nghệ hóa học khác nhau Với mỗi một hệ thống cần thực hiện tổng hợp và phân tích chỉ số kinh tế và công nghệ để lựa chọn một phương án tối ưu

1.3 Các chỉ số sản xuất hóa học

Sự phát triển của sản xuất không thể thiếu đi quá trình hiện đại hóa không ngừng công cụ lao động và công nghệ, tìm hiểu các dạng sản phẩm mới, hoàn thiện hệ thống sản xuất, phát triển công nghệ không chất thải, tiết kiệm và không gây ô nhiễm môi trường Để xác định tính hữu dụng và hiệu suất của quá trình sản xuất hóa học người ta

sử dụng rất nhiều chỉ số khác nhau Theo phạm vi các chỉ số này phân chia thành: chỉ

số kỹ thuật, kinh tế và vận hành

1.3.1 Chỉ số công nghệ bao gồm: năng suất, hệ số tiêu phí, hiệu xuất sản phẩm,

Cường độ làm việc, Độ chuyển hóa, tính lựa chọn

 Năng xuất (P) – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến

trong một đơn vị thời gian



G

P 

Trong đó: G – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến (kg, tấn, m3);

τ – thời gian (giờ, ngày, năm)

 Hệ số tiêu phí là số lượng nguyên liệu, vật chất, năng lượng cần để sản xuất ra

một đơn vị sản phẩm

spG

G

spG A

TP 

Trong đó Gsp – là lượng sản phẩm (kg, tấn, m3); A – là năng lượng (kW.h, kJ)

 Hiệu xuất sản phẩm (η) – là tỉ lệ lượng sản phẩm thực tế nhận được (Gsp) trên lượng sản phẩm tối đa thu được Gmax theo tính toán lý thuyết

 Độ chuyển hóa (x) – là tỉ lệ số lượng vật chất được chuyển hóa thành sản phẩm

trên số lượng ban đầu

0

0

G

G G

Trong đó G0 – là lượng vật chật ban đầu (kg, tấn, m3)

 Tính lựa chọn (s) – là tỉ lệ lượng sản phẩm chính trên tổng lượng sản phẩm thu

được Tính lựa chọn đặc trưng cho các quá trình sản xuất tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau





i

iG

G S

Trong đó Gi – là lượng sản phẩm chính thu được (kg, tấn, m3); ∑ Gi – tổng lượng sản phẩm thu được bao gồm cả sản phẩm chính và phụ (kg, tấn, m3)

 Cường độ làm việc (I) của thiết bị là năng suất của thiết bị tính theo một đại

lượng đặc trưng (thể tích, diện tích bền mặt…)

Trong đó V – là thể tích thiết bị (m3); S – là diện tích bề mặt (m2)

1.3.2 Chỉ số kinh tế bao gồm giá trị sản phẩm, năng suất lao động, chất lượng sản

phẩm, chi phí vốn

 Giá trị sản phẩm là tổng chi phí để tạo ra một sản phẩm, chi phí này bao gồm:

chi phí cho nguồn nguyên liệu, chất phụ thêm, năng lượng, vốn đầu tư, chi phí cho nhân công

 Năng suất lao động là là năng lực sản xuất của lao động Nó được đo bằng số

lượng sản phẩm sản xuất ra trong một đơn vị thời gian hoặc lượng thời gian lao động hao phí để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm

 Chi phí cơ bản cho đơn vị công suất: Nếu K là chi phí cơ bản cho tất cả thiết bị

(hay phân xưởng), ví dụ tính bằng đồng và Q là công suất của thiết bị tính bằng Tấn/năm thì chi phí cơ bản cho đơn vị công suất là:

4 , 0 1

1 4

, 0 2

4 , 0 1 1

.

.

R R

Q

Q Q

2 , 0 1

1 2

, 0 2

2 , 0 1 1

.

.

S S

Q

Q Q

 Chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất hóa học xác định bởi hàm lượng

sản phẩm chính hoặc tạp chất

1.3.3 Chỉ số vận hành bao gồm: độ tin cậy, độ an toàn, độ tự động hóa và cơ khí

hóa

 Độ tin cậy được đặc trưng bởi thời gian làm việc an toàn của thiết bị Chỉ số

này phụ thuộc và thiết bị được sử dụng và tính chính xác khi vận hành

 Độ an toàn là xác suất có thể xảy ra sự cố nguy hại đến người lao động, máy móc và môi trường xung quanh

 Độ tự động hóa và cơ khí hóa là phần trăm lao động chân tay trong quá trình vận hành sản xuất

Ngoài ra còn có độ an toàn sinh thái, xác định mức độ ảnh hưởng của quá trình sản

xuất lên con người và môi trường sinh thái Xác định chỉ số này cho phép đánh giá mức độ rủi ro công nghệ và hậu quả với con người và môi trường xung quanh

1.4 Đặc tính chung của quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học

Quá trình công nghệ hóa học trong sự phụ thuộc vào quy luật động lực học được chia thành 5 nhóm:

1) Quá trình cơ khí

2) Quá trình thủy cơ theo định luật thủy động lực học

3) Quá trình nhiệt theo định luật truyền nhiệt

4) Quá trình truyền khối theo định luật truyền khối

5) Quá trình hóa học theo định luật động lực học hóa học

Quá trình cơ học trong công nghệ hóa học bao gồm: nghiền vật chất rắn, trộn, phân

loại và vận chuyển vật chất rời và hạt

Quá trình truyền khối: là quá trình đặc trưng cho sự di chuyển vật chất giữa các pha

Động lực truyền khối là hiệu nồng độ vật chất giữa các pha

Các quá trình truyền khối gồm có: Hấp thụ, hấp phụ, nhả hấp phụ, sấy, chưng cất, Tách triết, hòa tan, trao đổi ion, kết tinh

 Hấp thụ: là quá trình thu hút khí hoặc hơi từ hỗn hợp bằng chất hấp thụ lỏng Quá trình hấp thụ là quá trình chọn lọc và thuận nghịch Đi kèm với quá trình hấp thụ là quá trình nhả hấp thụ được sử dụng để tách các hỗn hợp khí và hơi thành các cấu tử riêng biệt Quá trình hấp thụ được thực hiện trong các bình hấp

 Hấp phụ: Quá trình thu hút chất khí hoặc hơi bằng chất hấp thụ rắn

 Nhả hấp thụ: là quá trình hấp thụ và hấp phụ nghịch để tách khí và hơi ra khỏi chất hấp thụ rắn hoặc lỏng

 Chưng cất – là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng đồng nhất thành các cấu tử hoặc nhóm cấu tử nhờ vào sự tương tác giữa pha lỏng và khí Qúa trình chưng cất cơ bản dựa trên sự khác biệt thành phần khí - lỏng hoặc lỏng - lỏng trong điều kiện cân bằng giữa các pha khí và lỏng

 Tách triết –

 Sấy – là quá trình loại bỏ thành phần dễ bay hơi từ vật chất rắn bằng cách hóa hơi và loại bỏ hơi hình thành

Quá trình hóa học: là quá trình diễn ra một hoặc một vài phản ứng hóa học, kéo theo

hiện tượng truyền nhiệt và truyền khối

Phản ứng hóa học được chia thành:

1.5 Tính toán trong công nghệ hóa học

1.6 Nguyên liệu cho sản xuất hóa học

Số lượng các vật chất mà con người phát hiện ra và được sử dụng trong đời sống là

vô cùng lớn và không ngừng tăng lên Vật chất mới thường xuyên được phát hiện và tổng hợp Hiện tại có hơn 3 triệu vật chất, trong đó khoảng 400 nghìn vật chất vô cơ và hơn 2,5 triệu vật chất hữu cơ Mỗi một vật chất đều có tính chất riêng biệt, đa phần

chúng được tạo ra trong quá trình xử lý hóa học, tạo nên sự đa dạng của Công nghệ hóa học

Sản xuất hóa học có thể chia thành 2 nhóm chính: sản xuất vô cơ và hữu cơ Ngành công nghiệp sản xuất vật chất vô cơ bao gồm:

1) Sản xuất hóa chất (axit, bazo, muối, phân bón…)

2) Sản xuất sản phẩm vô cơ tính khiết (Hóa chất, kim loại hiếm, chất bán dẫn, dược phẩm …)

3) Sản xuất điện hóa (clo, kiềm, oxi, hidro, và…)

4) Luyện kim (luyện kim đen, màu, luyện kim kim loại quý hiếm…)

5) Sản xuất vật liệu silicat (thủy tinh, ximang, gốm…)

6) Sản xuất thuốc nhuộm và chất màu khoáng

7) Công nghệ hạt nhân

Ngành công nghiệp sản xuất hữu cơ bao gồm:

1) Tổng hợp hữu cơ (rượu, axit hữu cơ, ete, chế biến khí СН4, СО, Н2, С2Н4 …) 2) Sản xuất thuốc nhuộm trung gian

3) Tổng hợp hữu cơ tinh khiết (dược phẩm, film – photochemical)

4) Sản xuất hợp chất cao phân tử (nhựa tổng hợp, sợi tổng hợp, caosu…)

5) Xử lý nhiên liệu (dầu mỏ, than đá, …)

6) Sản xuất thực phẩm (đường, chất béo, )

7) Công nghệ chế biến nguyên liệu động thực vật

Nguồn nguyên liệu cho quá trình sản xuất hóa học là các nguyên liệu tự nhiên,

nguyên liệu thứ cấp, sản phẩm trung gian (semi – product)

Hình 1.3 Nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất

Nguyên liệu tự nhiên bao gồm các nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên – trong

lòng đất, thủy quyển và khí quyển, thế giới động thực vật

Nguồn nguyên liệu tự nhiên được phân loại như sau:

1) Theo nguồn gốc: khoáng vật, không khí và nước, động thực vật

2) Theo trạng thái tồn tại: rắn (quặng…), lỏng (dầu, nước…), khí (không khí, khí

tự nhiên…), plasma

3) Theo thành phần: Vô cơ, hữu cơ

Bán thành phẩm (hay sản phẩm trung gian) là vật chất tạo ra từ một quá trình sản

xuất và được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất khác

Ví dụ, Sản phẩm của quá trình sản xuất ammoniac có thể là nguyên liệu cho quá trình sản xuất phân bón và axit nitric Còn axit nitric là nguyên liệu cho ngành công nghiệp dệt, sản xuất muối nitrat

Nguyên liệu thứ cấp là chất thải công nghiệp và tiêu dùng được dùng làm nguyên liệu

cho quá trình sản xuất hóa học Trong tất cả các trường hợp nguyên liệu thứ cấp đóng

góp vai trò sau:

1) là nguyên liệu thứ cấp một phần hoặc thậm chí thay thế hoàn toàn nguồn nguyên liệu sơ cấp của một quá trình sản xuất nào đó

2) là cơ sở để tạo ra một quá trình công nghệ mới

Chất thải công nghiệp – là cặn của nguyên liệu, sản phẩm phụ…làm ảnh hưởng đến

chất lượng của sản phẩm chính trong quá trình sản xuất

Chất thải tiêu dùng – là sản phẩm và vật liệu đã qua sử dụng, có khả năng tái chế

mang lại hiệu quả kinh tế

Các phương pháp cơ bản để sử dụng chất thải trong sản xuất công nghiệp:

1) Tái sinh nguồn nguyên liệu và vật chất không phải ứng và đưa chúng quay lại quá trình sản xuất

2) Tách lấy các thành phần có giá trị xem như sản phẩm của quá trình sản xuất 3) Tách các thành phần và biến chúng thành hàng hóa có giá trị thương mại; 4) Sử dụng chất thải làm nguồn nguyên liệu thứ cấp cho quá trình sản xuất khác hoặc ngành công nghiệp khác

1.7 Hướng phát triển của công nghệ hóa học

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 quy 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

 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

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 nhau

 Nghiên cứu quá trình sản xuất hoàn chỉnh để đạt hiệu quả tốt nhất mà không gây ô nhiễm môi trường 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, môi trường

Những chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho hiệu quả kinh tế của một quá trình CN 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

 Thân thiệt với môi trường

Phương hướng hiện nay của ngành hoá học thế giới:

 Đạt tối đa năng suất với một thiết bị sản xuất

 Tự động hóa và cơ khí hoá các quá trình lao động

 Thay các quá trình gián đoạn thành quá trình liên tục

 Sử dụng tổng hợp nguyên liệu

 Liên hiệp các xí nghiệp sản xuất hoá học

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 HÓA HỌC

Sản xuất hóa học là làm biến đổi thành phần hóa học của nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm nhờ các phản ứng hóa học Vì vậy, tốc độ của quá trình sản xuất phụ thuộc vào tốc độ của các phản ứng hóa học Tăng tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ tác động đến giá thành sản phẩm

Giả sử trong một hệ xảy ra phản ứng hóa học giữa hai chất A và B ta có phương trình:

Đó là sự biến thiên nồng độ của các chất tham gia phản ứng với đơn vị thời gian

 Với phản ứng một chiều diễn ra trong hệ đồng thể:

n b

m

a C C k

V 

Trong đó: 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

 Với phản ứng thuận nghịch và diễn ra trong hệ đồng thể:

q d

n b

m

C k V V

V  1  2  1  2

 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

-F C k

V  

Trong đó: ∆C Các yếu tố nồng độ; F -Diện tích tiếp xúc

Ngoài các yêu tố trên 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 (ngược chiều, cùng chiều )

Để tăng tốc độ của phản ứng ta phải tăng hệ số tốc độ k Hệ số này phụ thuộc vào nhiệt

độ và chất xúc tác của phản ứng

RT

Ee k

k  0. 

Trong đó

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 (E) sẽ giảm do đó làm tăng hệ số tốc độ của phản ứng (k) Nhiệt độ tăng cũng làm tăng hệ số tốc độ phản ứng

1.1 Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng

 Các nguyên liệu ban đầu cần phải làm giàu, tức là loại bỏ bớt tạp chất

 Khuếch tán sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng

 Làm giảm tốc độ phản ứng nghịch, hoặc hạ thấp nồng độ cân bằng để tăng chênh lệch giữa nồng độ thực và nồng độ cân bằng

Các phương pháp thường được dùng như sau:

 Sản phẩm ở thể khí: Dùng phương pháp ngưng tụ hấp thụ sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng

 Sản phẩm ở thể lỏng: Tuỳ theo tính chất của sản phẩm mà có thể thực hiện tách sản phẩm bằng phương pháp kết tinh, cho bay hơi hoặc hấp thụ vào chất rắn

 Sản phẩm ở thể rắn: Tháo sản phẩm ra liên tục để tăng nồng độ các cấu tử ban đầu

có xúc tác Ngoài các xúc tác hóa học còn có các xúc tác vi sinh Phân tích vai trò của xúc tác trong công nghiệp hóa chất

1.4 Tăng diện tích tiếp xúc

Nhiều quá trình hóa học diễn ra trong hệ dị thể, trong trường hợp đó phản ứng diễn

ra trên ranh giới tiếp xúc giữa hai pha,vì vậy tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng sẽ làm tăng m ạnh tốc độ của quá trình

 Chất rắn thường được đập, nghiền

 Chất lỏng đưa vào thiết bị dưới dạng dòng chảy hoặc tưới chảy tràn trên các vật đệm

 Khuấy trộn

2 THỰC HIỆN CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN TỤC TUẦN HOÀN KÍN

Trong sản xuất có những quá trình gián đoạn, liên tục, tuần hoàn Quá trình liên tục là quá trình được thực hiện không mang tính chu kì: nguyên liệu được đưa vào đồng thời sản phẩm được lấy ra khỏi thiết bị một cách liên tục, các điều kiện phản ứng trong thiết bị luôn luôn ổn định Quá trình liên tục 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 dễ dàngtự động và cơ khí hóa

 Giảm được chi phí xây dựng trên một đơn vị sản phẩm

Đối với những quá trình hiệu suất chuyển hóa thấp, cần đưa các chất ban đầu chưa phản ứng quay trở lại điềukiện phản ứng ban đầu để tận dụng triệt để nguy ên liệu, hiệu suất chuyển hóa Quá trình như vậy gọi là quá trình liên tục tuần hoàn kín

3 LIÊN HIỆP GIỮA CÁC XÍ NGHIỆP VÀ NHÀ MÁY

Trong sản xuất hóa học, có thể sản phẩm của nhà máy này là nguyên liệu của nhà máy khác hoặc nguy ên liệu của nhà máy này là phế phẩm của nhà máy kia, vì vậy, 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 hóachất thường xây dựng cạnh nhau tạo ra một khu công nghiệp hóa học rộng lớn gồm nhiều ngành sản xuất

Ví dụ: liên hiệp hóa chất Việt Trì, liên hiệp hóa chất phân đạm Bắc Giang, liên hiệp các nhà máy ở Biên Hòa, cụm công nghiệp khí điện đạm Phú Mỹ

4 CƠ KHÍ HÓA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Thực hiện cơ khí hóa, tự động hóa quá trình sản xuất ngoài mục đích tăng năng suất lao động, tăng hiệu quả sử dụng các nguồn nguy ên liệu còn bởi nguyên nhân sau:

 Các phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị thường ở điều kiện t0cao, P cao ổn định và nghiêm ngặt, con người rất khó hoặc không điều khiển trực tiếp thủ công được

 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

Vì vậy, Cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất là một y êu cầu tất yếu khách quan không phải chỉ vì mục đích kinh tế mà còn vì an toàn đối với con người

5 TẬN DỤNG CÁC PHẾ THẢI CN CHỐNG Ô NHIỄM 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

Ví dụ: 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

 Sử dụng phế thải làm giảm giá thành của sản phẩm chính, chống ô nhiễm môi tr ường

 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

 Chống ô nhiễm môi trường không chỉ 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

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, nhưng cũng từng ngày, từng giờ đang đưa vào môi trường khối lượng lớn các chất độc, đầu độc chính sự sống của con người Chống ô nhiễm môi trường trở thành một nguyên tắc của công nghiệp hóa học và phải là một tiêu chí đầu tiên được xét duyệt trước khi xây

dựng một nhà máy, xí nghiệp

Lịch sử phát triển của công nghệ xúc tác

Xúc tác chiếm một vị trí rất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất Ở Mỹ, 75%sản phẩm và 90% các quá trình sản suất hóa chất dựa trên xúc tác Về khía cạnh lịch sử của khoa học này, hiện nay chưa có nhiều tài liệu đề cập đến Theo kiểu truyền thống, có thể thấy khoa học xúc tác phát triển qua 6 giai đoạn

Từ thời thượng cổ, giả kim thuật đến hóa học (thời kỳ đầu - 1834)

Lên men rượu từ glucose được biết từ thời thượng cổ, chuyển hóa rượu thành ether bằng xúctác acid (1552), hòn đá triết học biến kim loại thành vàng thời giả kim thuật, định luật bảo toàn vật chất dựa trên ý tưởng của Lavoisier, Cavendish, Priestley, Berthollet, Proust, Gay-Lussac, Dalton phân biệt phản ứng hóa học và phản ứng xúc tác Fulhame (1794), Kirchhoff (1812) cho thấy chất xúc tác không thay đổi trong phản ứng hóahọc Nghiên cứu phản ứng giữa oxygen (O2) và hydrogen (H2) trên xúc tác platin do Humphry Davy (1817), Erman (1818), Doebereiner (1822) Henry (1825) nghiên cứu nhiểm độc xúc tác platin bởi dẫn xuất lưu huỳnh Turner kết hợp khí hydrogen và clo trên platin Phillips phát triển quá trình xúc tác thương mại đầu tiên,

oxy hóa khí SO2 trên xúc tác platin Faraday nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý ban đầu, nhiểm độc và phục hồi xúc tác platin trên phản ứng của oxy và hydro Giai đoạn này kết thúc năm 1835 khi Berzelius phân tích hệ thống các kết quả và đưa ra thuật ngữ Catalysis, mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học xúc tác

Từ kinh nghiệm đến khoa học (1835-1887)

Giai đoạn này được đánh dấu bằng những nghiên cứu hệ thống, phát minh các quá trình xúc tác mới và nhận thức sâu hơn về phản ứng hóa học Năm 1850, Wilhelmy chứng tỏ tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây nhận thấy tính thuận nghịch của phản ứng hóa học.Năm 1862, Berthollet và Pean Gilles cho thấy tốc độ phản ứng ester hóa tỷ lệ với nồng độ acid Năm 1864, Guldberg và Waage thiết lập định luật tác dụng khối lượng (active mass law) Năm 1877, Lemoine cho thấy chất xúc tác giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng, nhưng không làm thay đổi vị trí cân bằng Wilhelm Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc hay kiềm hãm phản ứng mà thôi Rất nhiều nhà nghiên cứu không đồng ý với Ostwald, họ cho rằng chất xúc tác gây ra phản ứng hóa học Ostwald thời đó là một người rất nổi tiếng (không thua gì Einstein), ông đoạt giải Nobel Hóa học năm 1909 về lĩnh vực xúc tác Những nhà khoa học nổi tiếng thời đó hoặc sau này đoạt giải Nobel trên khắp thế giới đều đến nghiên cứu tại PTN của ông một thời gian Ostwald từng viết: "Không có phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng của xúc tác" Giai đoạn này cũng chứng kiến hàng trăm quá trình xúc tác mới ra đời

Xúc tác công nghiệp ra đời (1888-1918)

Sự phát triển của kiến thức hàn lâm chuyển sang những ứng dụng công nghiệp Năm 1888, Knietsch phát triển hỗn hợp xúc tác Platin và Vanadium(V) oxide cho quá trình sản xuất công nghiệp H2SO4

Quá trình tổng hợp ammonia quan trọng nhất trong giai đoạn này, Haber và Nernst phát triển nó từ 1902 đến 1905 dùng xúc tác trên cơ sở Fe cho quá trình sản xuất ở nhiệt độ cao và áp suất cao Năm 1906 Ostwald thực hiện oxy hóa ammoniac (NH3) thành Acid nitric (HNO3) với hỗn hợp xúc tác Platin (Pt) và Rhodium (Rh) NH3 chủ yếu làm phân bón, nhưng nhờ quá trình này có thể dùng làm sản xuất chất nổ phục vụ Chiến Tranh Thế Giới Thứ I.Năm 1909, Mittasch phát triển chất xúc tác công nghiệp

đầu tiên cho sản xuất NH3 từ Khí Nitơ (N2) và khí hydro (H2) Năm 1913, hầu hết ammonia ở Châu Âu được dùng để sản xuất chất nổ Năm 1914, Chiến tranh thế giới thứ I nổ ra Năm 1915 Irving Langmuir đưa ra lý thuyết hấp phụ đơn lớp, cái mà sau này có ứng dụng rất nhiều trong xúc tác Năm 1918, Haber nhận giảiNobel Hóa học và chiến tranh kết thúc Có thể thấy khoa học xúc tác giai đoạn này chủ yếu phục vụ chiến tranh

Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu (1918-1945)

Chiến tranh kết thúc, nhu cầu về chất nổ giảm nhiều Các ngành công nghiệp được hướng sang tổng hợp nhiên liệu và các quá trình tổng hợp mới Đến năm 1920, Standard Oil Company sản xuất isopropanol từ nguyên liệu dầu mỏ Đây là quá trình đầu tiên của ngành công nghiệp hóa dầu

Năm 1922, Fischer và Tropsch tổng hợp hydrocarbon từ CO và H2 và năm 1925 tổng hợp hiệu suất cao ở áp suất cao trên hỗn hợp xúc tác Fe-Co-Ni Năm 1926 DuPont sản xuất methanol tổng hợp dùng cho fuel cell Năm 1927, Hinshelwood dựa trên ý tưởng của Langmuir đề nghị lý thuyết động học Langmuir-Hinshelwood áp dụng để mô hình hóa xúc tác, thiết kế lò phản ứng và các nền tảng khoa học trong công nghệ hóa học

Năm 1921, Thomas Midgley phát minh chì tetraethyl dùng làm tác nhân chống kích nổ trong xăng Năm 1930, Standard Oil Company dùng chất xúc tác tái cấu trúc (steam reforming) để sản xuất khí hydro; Igor Tamm và John Barden nghiên cứu cấu trúc, trạng thái electron trên bề mặt kim loại

1932 Langmuir đoạt giải Nobel Hóa học 1936 Eugene Houdry phát triển quá trình xúc tác cắt mạch bằng nhiệt (cracking petroleum) Đây là một trong những quá trình hóa học quan trọng nhất để tạo ra các chất phụ gia thay thế chì tetraethyl (chất độc) trong xăng

CHƯƠNG II SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

1 VAI TRÒ CỦA AXIT SUNFURIC

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

 Là một chất lỏng không màu Nó chuyển sang màu vàng đen khi có lẫn tạp chất Tan trong nước theo một tỷ lệ bất kỳ và toả nhiệt mạnh tạo ra các hyđrat

Tỷ trọng 1,84g/cm3 Chất hoạt động mạnh, hoà tan phần lớn các kim loại và oxit kim loại Hút nước mạnh tạo các hyđrat

 Người ta thường oxi hóa SO2 trên xúc tác rắn thành SO3, nên được gọi là phương pháp tiếp xúc Sản xuất được H2SO4 nồng độ trên 98%

 Được sử dụng nhiều để sản xuất phân bón, chế biến 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

Lưu huỳnh và các hợp chất chứa lưu huỳnh đều có thể làm nguyên liệu sản xuất H2SO4

2.1 Lưu huỳnh

S 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 S thường được khai thác từ các mỏ

2.2 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, đồng, silic, cacbonat, canxi, các oxit nhôm, bạc và vàng Hàm lượng lưu huỳnh trong quặng dao động từ 40 -50%

2.3 Thạch cao

CaSO4 ngậm nước hoặc CaSO4 khan Ngày nay ít sử dụng

2.4 Các hợp chất chứa lưu huỳnh khác

Sản phẩm phế thải và khí thải mà trong thành phần có chứa SO2đều được sử dụng

để sản xuất axit sunfuric vừa kinh tế vừa giúp giải quyết các vấn đề về môi trương

Sr  

Sau đó nó bị ôxi hóa thành triôxít lưu hu ỳnh bởi ôxy với sự có mặt của chất xúc tác ôxít vanadi (V)

3 2

3 H O H SO

SO  

Bên cạnh đó, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra ôleum (H2S2O7), chất này sau

đó bị làm loãng để tạo thành axít sulfuric

7 2 2 3

7 2

 Phản ứng giữa SO2và O2 ở điều kiện thường và ở nhiệt độ cao hầu như không xảy ra

 Mặt khác SO3 lại không bền ở nhiệt độ cao, 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

3 2

Thời kỳ đầu người ta dùng Pt làm chất xúc tác, Pt có hoạt tính cao, nhưng không kinh

tế Những năm gần đây người ta dùng vanadi oxit V2O5 vì có hoạt tính cao hơn, trộn thêm Al2O3, SiO2, K2O, CaO và V2O5

Nồng độ của các chất tham gia phản ứng: Nồng độ của O2 trong hỗn hợp khí tăng tốc

độ của phản ứng tăng cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành SO3, đồng thời hiệu suất chuyển hóa SO2 thành SO3 cũng tăng

Trong sản xuất, oxy hóa SO2 trên xúc tác vanađioxit ở t0 4500C, hàm lượng của oxy trong hỗn hợp khí 11% còn SO2 là 7% thì độ chuyển hóa của SO2 có thể đạt được 98%

3.3.2 Thiết bị oxi hóa

Tại công ty supephotphat Lâm Thao có thiết bị kiểu này

3 H O H SO

 Để khắc phục hiện tượng SO3 hấp thụ nước tạo thành “mù” axit sunfuric, người

ta dùng oleum để hấp thụ (dung dịch SO3 trong H2SO4đậm đặc) Oleum hòa tan

SO3 tự do tạo thành dung dịch axit sunfuric

 Thường dùng hai tháp hấp thụ đặt liền nhau để hấp thụ hoàn toàn SO3 trong hỗn hợp khí (99%) Làm nguội khí SO3 đến 300C, giữ nhiệt độ trong tháp không quá

600C, bằng cách làm nguội dung dịch tưới

Hình 2.2 Quy trình sản xuất axit sunfuric từ lưu huỳnh

CHƯƠNG III TỔNG HỢP AMONIAC VÀ SẢN XUẤT AXIT NITRIC

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nitơ có trong thành phần của các chất protit

 Có thể nói nitơ là nguyên tố của sự sống

 Hợp chất chủ yếu để tổng hợp protit trong thực vật là NH3 và các muối của HNO3

 Ứng dụng quan trọng nhất của hợp chất chứa nitơ: phân bónvà thức ăn gia súc

 NH3 và HNO3 còn được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất các sản phẩm trung gian, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, chất dẻo, dược phẩm, sợi hóa học Trong tự nhiên không có nhiều mỏ chứa hợp chất của nitơ nên phải tìm những phương pháp để tổng hợp

Phương pháp hồ quang

Ở nhiệt độ cao của ngọn lửa hồ quang, N2 kết hợp trực tiếp với O2 tạo thành NO

NO O

3 2

2 NO  H O  HNO

Khi trời có sấm sét, dưới tác dụng của hiện tượng phóng điện trong không gian đã xảy

ra quá trình tác dụng trực tiếp giữa N2và O2 vì vậy, sau những trận mưa lớn có nhiều sấm sét thì lúa lại mau phát triển hơn

Phương pháp xianamit

Phương pháp amoniac

Là phương pháp phổ biến nhất chuyển N2 đơn chất trong không khí thành các hợp chất của N2

3 2

2 3 H 2 NH

= 4500C) Trong chương này sẽ trình bày chi tiết hơn quá trình chuy ển N2 đơn chất trong không khí thành các hợp chất của N2 qua con đường NH3

2 SẢN XUẤT AMONIAC

Nguyên liệu đầu để tổng hợp amoniac là H2 và N2, không có sẵn trong tự nhiên vì vậy cần:

 Điều chế từ nước và không khí, sau đó hỗn hợp với nhau theo tỉ lệ thích hợp

 Tạo đồng thời hỗn hợp khí chứa cả H2 và N2 theo tỉ lệ thích hợp

2.1 Điều chế nitơ

Không khí là nguồn nguyên liệu vô tận để cung cấp N2, không khí chứa 78% N2, 21%

O2, còn lại là một ít các khí trơ và C Thực hiện bằng cách: hóa lỏng không khí ở t0 thấp và P cao, sau đó cho không khí lỏng bay hơi Vì N2 có nhiệt độ sôi thấp hơn nên bay hơi trước, còn O2 bay hơi sau Bằng cách bốc hơi phân đoạn, có thể lấy riêng được

N2 ở dạng nguyên chất còn O2 dùng cho công nghệ hàn cắt và trong các bệnh viện

2.2 Sản xuất khí hiđro: trong công nghiệp

 Điện phân nước :

2 2

 Chuyển hóa khí metan hoặc đồng đẳng của nó: chuy ển hóa metan thành hyđrô bằng các tác nhân và xúc tác thích h ợp ở nhiệt độ từ 8000C -9000C

2 2

2

4 2 H O CO 4 H

2 2

4 CO 2 CO 2 H

2 2

 Tách H2 từ khí sinh ra trong quá trình chế tạo than cốc Hóa lỏng các sản phẩm nhựa và chất hữu cơ có trong khí than cốc, hấp thụ NH3có trong khí, ph ần khí còn lại chứa chủ yếu là H2

Sau khi đã có H2 và N2 người ta hỗn hợp chúng với nhau theo tỷ lệ phản ứng và đưa vào tháp tổng hợp NH3

2.3 Điều chế đồng thời H 2 và N 2

 Phương pháp khí than ướt

Tạo đồng thời hỗn hợp H2và N2 đi từ các chất đầu là không khí, nước và than bằng cách cho hỗn hợp không khí -hơi nước đi qua than nóng đỏ sẽ thu được một hỗn hợp:

H2 : 40%; O2 : 0,2% N2 : 18 -20% CH4 : 0,5% CO : 31,7% H2S : 0,1%

CO2 : 8 %

Loại bỏ các khí CO, CO2, H2S, bụi … để có hỗn hợp khí H2 và N2 là chủ yếu

2.3.1 Tách bụi

Hỗn hợp khí ra khỏi các lò khí hóa chứa nhiều bụi, tro và cả dầu máy Dùng thiết bị

lắng bụi li tâm, rửa qua nước, qua lọc điện để giữ tạp chất cơ học trên lại

2.3.2 Tách H 2 S

H2S có trong hỗn hợp khí sẽ làm ngộ độc chất xúc tác của giai đoạn chuyển hóa CO

và tổng hợp amoniac cần phải loại bỏ thật triệt để

2.3.3 Chuyển hóa CO thành CO 2

Trong khí chứa rất nhiều CO, người ta dùng hơi nước để chuyển hóa CO thành CO2

đồng thời thêm H2 cho hỗn hợp khí

2 2

2.4 Tổng hợp amoniac

2.4.1 Cơ sở lý thuyết:

Quá trình tổng hợp NH3 diễn ra theo phương trình :

3 2

+ Nếu tăng nhiệt độ quá, hiệu suất chuyển N2 thành NH3 giảm do ở nhiệt độ cao

NH3 bị phân hủy trở lại H2 và N2 Cân bằng chuyển dịch về phía trái

+ Ở nhiệt độ thấp dưới 4000C tốc độ phản ứng nhỏ, nên không có lợi cho sản xuất

 Áp suất: Trong sản xuất, thực hiện phản ứng này ở áp suất thấp 100 -150at, hoặc trung bình 250 -600at hoặc áp suất cao 600 -1000at Phản ứng theo chiều

thuận là quá trình làm giảm P của hệ, nên khi tăng P phản ứng sẽ chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành NH3, H chuyển hoá cũng cao hơn Sau khi tạo thành

NH3 cần được tách ra để cân bằng luôn chuyển theo chiều thuận.Vì H2 chuy ển hóa nitơ thành NH3 thấp, H2 và N2 chưa tham gia phản ứng phải quay trở lại tháp tổng hợp nhiều lần nên tỉ lệ giữa H2 và N2 được giữ đúng tỷ lệ 3:1

 Chất xúc tác

Phản ứng này nếu không có xúc tác thích hợp thì dù ở t0 cao và P cao phản ứng cũng hầu như không xảy ra Xúc tác có thể là Fe, Pt, Mn v.v Trong công nghiệp thường dùng chất xúc tác là sắt Dạng ban đầu của xúc tác là hỗn hợp oxit FeO và

Fe2O3 có thêm các chất phụ khác như Al2O3, CaO, SiO2, K2O Trước khi cho hỗn hợp khí H2 và N2 đi qua xúc tác, xúc tác phải trải qua một quá trình g ọi là "hoàn nguyên" bằng cách cho một dòng khí H2 đi qua xúc tác ở nhiệt độ cao, cácoxit sắt

sẽ bị khử oxi tạo thành các nguyên tử kim loại phân bố trên bề mặt các oxit khác Chính những tập hợp nguyên tử như vậy đóng vai trò xúc tác cho phản ứng

O H Fe H

O

Fe3 4  4 2   4 2

2.4.2 Tháp tổng hợp amoniac

Hỗn hợp nitơ -hiđro đưa vào tháp tổng hợp từ trên xuống dưới qua không gian giữa hộp đựng xúc tác và vỏ tháp rồi vào bộ phận trao đổi nhiệt đi ngoài các ống dẫn

NH3 ra kh ỏi tháp, tiếp tục đi theo ống trung tâm lên phía trên hộp đựng xúc tác để đi vào các ống đặt trong khối xúc tác, tại đây hỗn hợp khí N2 và H2 được đốt nóng tới

4500C nhờ nhiệt tỏa ra trong phản ứng Tác động này còn có tác dụng điều chỉnh nhiệt

độ của khối xúc tác không bị đốt nóng quá cao Sau khi đạt được nhiệt độ như trên hỗn hợp khí H2 và N2 đi qua các lớp xúc tác để tạo thành NH3 Sản phẩm thu được qua các

hệ thống ống dẫn xuống đáy tháp và ra ngoài để hóa lỏng NH3

2.5 SẢN XUẤT AXIT NITRIC (HNO 3 )

HNO3 được dùng rất nhiều để sản xuất phân đạm, thuốc nổ HNO3 đậm đặc dùng để điều chế các hợp chất nitro dùng trong công nghiệp sản xuất các chất màu và nhiều hợp chất khác Vì vậy HNO3 Là một axit vô cơ cực kỳ quan trọng trong đời sống Khi dùng phương pháp hồ quang điện để cho nitơ tác dụng trực tiếp với oxi tạo thành NO tốn nhiều điện năng nên phương pháp này không phát triển rộng rãi Từ khi tổng hợp được NH3 từ N2và H2 thì người ta đều sản xuất HNO3 từ amoniac Quá trình này bao gồm các giai đoạn: oxi hóa NH3 thành NO, oxi hóa NO thành NO2, hấp thụ NO2 để thu được dung dịch HNO3 nồng độ khoảng 50% Muốn có HNO3 đặc ta phải

cô đặc

2.5.1 Oxi hoá amoniac

Quá trình oxi NH3 bằng oxi có thể diễn ra theo các phản ứng sau:

O H NO O

NH3 5 2 6 2

O H O N O

NH3 4 2 2 6 2

O H N

tháp oxi hóa Tùy theo quá trình oxi hóa ở áp suất cao hay áp suất thường thì có 3 -4 lưới, ở áp suất 10at dùng 16 -19 lưới platin.Hỗn hợp khí NH3 phải sạch để không làm bẩn xúc tác Pt Phản ứng oxi hóa NH3 trên xúc tác cũng chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao Người ta duy trì nhiệt độ từ 800 -9000C, vượt quá nhiệt độ này sẽ gây mất mát khối lượng của platin.Để hiệu suất chuy ển hóa của NH3 thành NO cao người ta thường dùng dư oxi so với phương trình, c ụ thể là oxi lớn hơn 1,7 lần so với NH3

2.5.2 Oxi hoá NO

2

2 2

2 NO  O  NO ; ∆H < 0, ở nhiệt độ thường, không cần xúc tác

Dưới 1500C phản ứng xảy ra hoàn toàn theo chiều thuận tạo thành NO2 Trên 1500C hầu hết NO2 bị phân hủy, cân bằng chuyển sang trái Nhiệt độ cao hơn (8000C) sự oxi hóa NO thành NO2 không xảy ra (là phản ứng thuận nghịch)

Tăng áp suất, phản ứng oxi hóa NO thành NO2 sẽ chuyển dịch theo chiều thuận Điều kiện thích hợp cho quá trình oxi hóa này là nó xảy ra khắp không gian của dây chuy ền sản xuất: trong các tháp hấp thụ, trên đường ống dẫn

2.5.3 Hấp thụ NO2

NO2 và N2O4 tác dụng với nước

2 3

2 2

2 NO  H O  HNO  HNO

2 3

2 4

2O H O HNO HNO

Axit nitrơ HNO2 không bền và bị phân hủy:

O H NO HNO

Phản ứng tổng quát của quá trình hấp thụ sẽ là:

NO HNO

O H

NO2  2  2 3  3

Để tăng tốc độ của quá trình hấp thụ NO2 ta phải:

 Ttăng diện tiếp xúc của khí với chất lỏng do đây là quá trình dị thể L-K Bằng cách tạo ra các tháp có các đĩa nằm ngang, khí sẽ chui qua các đĩa từ đáy tháp

đi lên còn chất lỏng sẽ chảy từ đỉnh tháp xuống các đĩa

 Làm lạnh chất lỏng trong tháp hấp thụ đến t0 khoảng 750C để hấp thụ tốt

Hấp thu NO2 ở điều kiện thường chỉ thu được axit nitric loãng khoảng 50% Khi tăng

P của tháp hấp thụ đến 6 -8 atm thì có thể thu được HNO3 nồng độ khoảng 62%

CHƯƠNG IV CÔNG NGHỆ ĐIỆN HOÁ

1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Quá trình điện hoá: những quá trình hoá học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều

 Dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly tạo nên hiện tượng điện phân; đó

là quá trình phân huỷ các chất điện ly và tạo nên ở các điện cực những chất mới

 Thiết bị thực hiện quá trình điện phân được gọi là thùng điện phân

Qui ước:

 Anốt là cực dẫn dòng điện từ mạch ngoài vào thùng điện phân

 Catốt là cực mà dòng điện từ thùng điện phân đi ra

Khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly, các anion chạy đến anốt, còn các cation chạy đến catốt, và phóng điện trên các điện cực này.Quá trình điện phân chỉ xảy ra khi điện áp cung cấp cho thùng điện phân lớn hơn một trị số gọi là điện áp phân huỷ Mỗi chất điện ly có một trị số điện áp phân huỷ nhất định Điện áp phân huỷ bằng hiệu đại số các thế anốt và catốt Thế anốt và thế catốt gọi chung là thế điện cực, chính là hiệuđiện thế giữa điện cực tương ứng và dung dịch.Thế điện cực cần để ion phóng điện tính theo lý thuyết, thường thấp hơn thực tế

1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỆN HÓA

 Dùng để điều chế hyđrô và ôxi, xút clo, các hợp chất chứa ôxi của clo; tổng hợp các hợp chất vô cơ như axit peroxidisunfuaric và muối của nó là các pesunfat dùng để điều chế nước oxi già, các hợp chất peroxit, pemanganat; đi oxit mangan

 Thủy luyện các kim loại như đồng, niken, kẽm, coban, cađimi và cả các kim loại bột; nó cũng được dùng để điện phân môi trường nóng chảy nhằm điều chế các kim loại kiềm và kiềm thổ, các kim loại hiếm và đất hiếm

 Sản xuất các nguồn điện hoá (pin, acquy) và mạ điện

Ưu điểm:

 Công nghệ đơn giản;

 Sử dụng nguyên liệu và năng lượng toàn diện hơn;

 Tạo được nhiều sản phẩm có giá trị, có độ sạch cao;

Nhược điểm: tiêu hao nhiều năng lượng do đó chi phí năng lượng chiếm một tỷ lệ

tương đối cao trong giá thành sản phẩm Chính vì vậy mà mức độ sử dụng các phương pháp điện hoá phụ thuộc nhiềuvào trình độ điện khí hoá và giá điện năng ở từng nước

1.3 CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ XUT – CLO

Dùng phổ biến hai phương pháp

 Phương pháp catốt rắn hay màng ngăn

 Phương pháp catốt thuỷ ngân (catot lỏng)

1.3.1 Phương pháp catốt rắn

Muối và điều chế nước muối

Muối là nguyên liệu chính để điều chế xút -clo bằng phương pháp điện phân và phải đảm bảo một số các tiêu chuẩn

 Ion SO42- làm tăng quá trình ăn mòn anot

 Ion Ca+2, Mg+2 là những ion có hại cho quá trình điện phân do Ca+2, Mg+2 tác dụng với kiềm, tạo thành các hyđroxit khó tan, kết tủa trên màng ngăn, bịt kín các lỗ màng, cản trở quá trình điện phân, vì vậy cần phải loại bỏ chúng (theo 3 phương pháp phổ biến)

Phương pháp xôđa –xút

Dùng Na2CO3, NaOH và BaCl2 để kết tủa các tạp chất

NaCl CaCO

CO Na

Thực hiện ở t0 cao để CaCO3 kết tủa tinh thể lớn, độ hoà tan giảm dễ dàng cho quá trình lọc

NaCl OH

Mg NaOH

MgCl2  2  ( )2  2

4 2 2

4 2 NaOH Mg ( OH ) 2 Na SO

Kết tủa các ion Mg+2 bằng cách trộn nước muối mới điều chế với nước muối hồi lưu từ công đoạn điện phân sang, lượng xút trong nước muối hồi lưu thừa kết tủa các ion này

 Phương pháp sữa vôi –xút

 Phương pháp sữa vôi –sunfat

Để kết tủa hoàn toàn các ion Mg+2 và Ca+2, xút và xôđa cần phải cho dư và nhiệt độ của nước muối được tăng đến 40-50oC Sau đó, trung hoà xút dư bằng HCl Hàm lượng xút sau khi trung hoà phải khoảng 0,05 -0,1g/l; còn xôđa là 0,2 -0,3g/l

Điện phân

 Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân

Anốt graphit và catốt sắt có dạng lưới chia thùng điện phân làm hai phần:

Không gian anốt và không gian catốt Màng ngăn amiăng phủ trên catốt phía đối diện với anốt

 Anot cần có độ bền cơ học, bền hoá học trong môi trường axit và độ dẫn điện

lớn Điều quan trọng là có quá thế Clo nhỏ, quá thế oxy lớn Thường dùng graphit bởi quá thế clo không lớn và khá bền Tuy nhiên anot graphit bị phá huỷ

do sự oxy hoá của oxy thoát ra trên anôt khi đó anôt bị chảy từng phần còn một

số bị rơi rụng thành những mẫu nhỏ vì vậy thay thế bằng anot mạ platin cho phép giảm điện thế, giảm tiêu tốn năng lượng

 Catôt: Vật liệu làm catôt phải có quá thế hyđro thấp có độ dẫn điện cao, độ bền

cơ hoá cao, dễ gia công Thép được sử dụng để thoả mãn các yêu cầu trên

 Màng ngăn: Dùng vải amiăng hoặc sợi amiăng.Khi dòng điện một chiều đi qua

thùng điện phân các anion chủ yếu là OH-, Cl-, chạy về anốt, còn các cation, chủ yếu là H+ và Na+ chạy về catốt để phóng điện Những ion nào có thế phóng điện thấp hơn thì phóng điện trước Trên catốt điện thế phóng điện của Na+ lớn hơn của H+ nhiều; do đó, chỉ có ion H+ phóng điện theo phản ứng điện cực

H

= e +

H+

Catolit dư Na+ và OH- trở thành dung dịch xút Trên anốt graphit, mặc dù OH- có thế thuận nghịch thấp hơn Cl-, nhưng quá thế của oxi cao làm cho thế phóng điện của Cl-trở nên thấp hơn của OH- chút ít, do đó, Cl- phóng điện

2 -

Cl

= 2e - 2Cl

Ngoài ra, trong quá trình điện phân còn xảy ra các quá trình phụ:

 Trên Catôt chỉ có H2 thoát ra, không có phản ứng phụ

 Trên anôt có phản ứng phụ ở điện cực và oxy thoát ra

2 2

2

1 2

2 OH  e  H O  O

 Cl2 tạo ra trên anốt sẽ hoà tan trong anolit và bị thuỷ phân theo phản ứng:

HCl + HOCl

O H +