Đề cương bài giảng hóa kỹ thuật

Khi nghiên cứu cải tiến cấu trúc các thiết bị, cường độ của quá trình hóa học được tăng lên nhờ khuấy trộn các cấu tử phản ứng và tăng bề mặt tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng nằm

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

BÀI I: GIỚI THIỆU MÔN HỌC

Môn học này có nhiệm vụ trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản của các ngành Công nghệ hóa học nói chung

Trong lịch sử của loài người, sản xuất có tính chất hóa học hình thành đã

từ rất lâu (gốm, luyện kim, thực phẩm…) và dần phát triển cùng xã hội Đầu tiên phát triển theo kinh nghiệm, sau này kinh nghiệm tổng kết được nhiều, đúc kết thành lý luận, thành kiến thức

Các sản phẩm trong công nghiệp hóa chất rất đa dạng, kỹ thuật sản xuất cũng rất đa dạng và khác nhau nhưng về bản chất có nhiều cái chung Nắm được bản chất chung có thể hiểu được từng quá trình, điều khiển chúng theo ý muốn và cải tiến công nghệ

Như vậy, một mặt phải nghiên cứu sâu vào từng sản xuất cụ thể, mặt khác phải khái quát hóa các vấn đề của kỹ thuật thành những quy luật chung Như vậy, chức năng môn Hóa kỹ thuật trong toàn bộ quá trình đào tạo kỹ sư hóa học như thế nào?

Trước khi học môn này, sinh viên đã học các môn cơ bản và cơ sở cần thiết cho việc hiểu và nắm các lý luận, khái niệm của Kỹ thuật hóa học (KTHH) Tuy nhiên, các kiến thức ấy mới được xem xét về mặt lý thuyết và tách rời nhau chưa tạo thành một hệ thống Môn Hóa kỹ thuật có nhiệm vụ nhắc lại những kiến thức ấy, đặt nó trong điều kiện sản xuất, gắn chặt với nhau thành một khối thống nhất, một hệ thống hoàn chỉnh

Môn học này còn có nhiệm vụ thứ hai là có những vấn đề cơ bản, chung cho KTHH nhưng không cần lý thuyết nhiều nên có thể trình bày ngắn gọn cho sinh viên cái nhìn chung, toàn diện về KTHH

BÀI II: PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHÍNH CỦA CNHH

Sự phát triển của CNHH được quyết định phần lớn do mức độ hoàn thiện của KTHH

Mục đích chính của tiến bộ kỹ thuật là nâng cao hiệu suất lao động đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành

Những hướng chính để phát triển kỹ thuật hóa học là:

II.1 Nâng cao cường độ và hiệu suất của thiết bị:

Tăng năng suất làm việc của thiết bị có thể bằng hai cách:

- Tăng kích thước của thiết bị

- Tăng cường độ làm việc của thiết bị

Thông thường kết hợp cả hai cách này:

a Tăng thể tích của thiết bị sẽ tiết kiệm được kim loại cũng như các vật liệu khác tính cho một đơn vị thể tích phản ứng và trên một đơn vị sản phẩm làm ra Như vậy, giảm được chi phí xây dựng tòa nhà, phân xưởng và thiết bị phụ trợ Giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, tăng cường độ làm việc của thiết

bị và giảm các hệ số tiêu phí nguyên liệu

b Tăng cường độ làm việc của thiết bị có hai cách: cải tạo cấu tạo thiết bị hoặc hoàn thiện quy trình thiết bị

Vì vậy, khi nghiên cứu động học quá trình người ta cố gắng thiết lập cấu trúc thiết bị và chế độ làm việc sao cho có thể đạt được tốc độ quá trình lớn nhất

Khi nghiên cứu cải tiến cấu trúc các thiết bị, cường độ của quá trình hóa học được tăng lên nhờ khuấy trộn các cấu tử phản ứng và tăng bề mặt tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng nằm ở những trạng thái khác nhau(rắn, lỏng, khí)

Cải tiến cơ cấu thiết bị thường gắn liền với cơ giới hóa và tự động hóa II.2 Cơ khí hóa các quá trình nặng nhọc:

Thay sức lao động con người bằng máy móc

II.3 Tự động hóa và điều khiển từ xa:

Là cơ giới hóa ở mức độ cao hơn cho phép tăng mạnh mẽ hiệu suất lao động và nâng cao chất lượng sản phẩm

II.4 Thay thế quá trình gián đoạn bằng quá trình liên tục:

Nâng cao chất lượng sản phẩm, dễ dàng tận dụng nhiệt của phản ứng và những chất thải trong quá trình, dễ dàng tự động hóa, nâng cao hiệu suất và năng suất thiết bị

II.5 Sử dụng nguyên liệu rẻ tiền và phức hợp Tiết kiệm năng lượng

Giá nguyên liệu chiếm đến 60-70% giá thành sản phẩm nên vấn đề chọn nguyên liệu rất quan trọng Chủ yếu dựa vào yếu tố kinh tế

Ưu tiên chọn nguyên liệu giá rẻ, chế biến rẻ, vận chuyển rẻ Tốt nhất dùng nguyên liệu địa phương hay xây dựng nhà máy gần nguồn nguyên liệu

Thay nguyên liệu thực phẩm bằng nguyên liệu không thực phẩm (ví dụ, khi chế biến rượu C2H5OH nếu thủy phân gỗ rẻ hơn 40% , tổng hợp stừ dầu khí

rẻ hơn 75% so với dùng lương thực)

Sử dụng nguyên liệu nghèo hơn (phụ thuộc vào cải tiến công nghệ)

Sử dụng phức hợp nguyên liệu, tận dụng các cấu tử quý, bớt chất thải, bảo vệ môi trường

BÀI III: MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA

III.1 Khái niệm về quá trình KTHH:

Một quá trình hóa học gồm có ba giai đoạn:

- Đưa tác nhân vào vùng phản ứng

- Thường xảy ra một loạt phản ứng nối tiếp

- Song song với nhau

- Tạo ra những sản phẩm chính và một loạt sản phẩm phụ (những sản phẩm có giá trị kinh tế) và cả những chất thải

- Nếu tốc độ chung được quyết định bởi quá trình dẫn nguyên liệu hay dẫn sản phẩm ra (giai đoạn 1,3) thì phản ứng hóa học xảy ra trong vùng khuếch tán Như vậy, ở vùng này, muốn tăng tốc độ phải dùng phương pháp khuấy trộn, chuyển hệ từ nhiều pha thành một pha

- Nếu tốc độ của cả ba giai đoạn thành phần xấp xỉ nhau thì trước tiên phải tác động vào các yếu tố tăng nhanh sự khuếch tán, cũng như tăng nồng độ các chất đầu và nhiệt độ

III.2 Một số định nghĩa cơ bản:

a Năng suất P:

Năng suất (thiết bị, phân xưởng, nhà máy) là lượng sản phẩm tạo ra hay lượng nguyên liệu chế biến trong một đơn vị thời gian

Nếu: G – là trọng lượng

Vs – là thể tích sản phẩm (hay nguyên liệu)

τ – là đơn vị thời gian thì năng suất P được tính:

G P

Theo định nghĩa thì:

0 0

.100%

G G X

G





ở đây: G0 – là lượng nguyên liệu ban đầu

G – là lượng nguyên liệu còn lại chưa phản ứng hết

G G

Cũng có thể biểu diễn thông qua lượng tác nhân A:

ФS = lượng A đã tác dụng/ Lượng A ban đầu

Như vậy, ФS = x và hiệu suất sản phẩm là độ chuyển hóa của nguyên liệu

Nếu phản ứng thuận nghịch thì Gs không thể đạt tới Gsmax được mà cao nhất là tại thời điểm cân bằng, đạt tới Gs*, khi đó:

*

* * ax

Dấu (*) là trị số ở trạng thái cân bằng

CHƯƠNG I:

NGUYÊN LIỆU, NƯỚC VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG

CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC

BÀI I: NGUYÊN LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Nguyên liệu là một trong những khâu chính của quá trình công nghệ và quyết định tính kinh tế của quá trình ở mức độ lớn, quyết định kỹ thuật sản xuất

và chất lượng sản phẩm

Nguyên liệu là những vật liệu tự nhiên được sử dụng để sản xuất ra những sản phẩm công nghiệp

Ngày nay, nguồn nguyên liệu trong CNHH không ngừng được phát triển

vì nó có thể là bán thành phẩm hay là chất thải của những nền công nghiệp khác, hoặc có thể là sản phẩm phụ

I.1 Đặc tính và trữ lượng nguyên liệu:

I.1.1 Phân loại và định nghĩa:

Nguyên liệu của CNHH được phân loại theo nhiều dấu hiệu khác nhau:

- Theo nguồn gốc: khoáng vật , thực vật, động vật

- Theo trạng thái tập hợp: rắn, lỏng (dầu nước), khí (khí tự nhiên, không khí)

- Theo thành phần: vô cơ, hữu cơ

- Các khoáng vật lại chia ra: quặng, không quặng và nhiên liệu

+ Các khoáng quặng: là những nham thạch, đất đá hay là một tập hợp khoáng có chứa các kim loại có thể tách ra ở dạng sạch kỹ thuật một cách kinh tế

Ví dụ như Fe chứa trong sắt từ ở dạng Fe3O4, chứa trong quặng sắt đỏ ở dạng Fe2O3, trong quặng sắt nâu Fe(OH)3…

+ Ngoài các khoáng chứa kim loại chính, quặng luôn có tạp chất Tất cả những tạp chất không sử dụng trong sản xuất để thu sản phẩm thì gọi là

+ Những khoáng nhiên liệu: là những chất hữu cơ như than đá, than bùn, dầu mỏ… được sử dụng như nhiên liệu hoặc nguyên liệu hóa học

- Dạng nguyên liệu chung và phổ biến nhất là không khí và nước Không khí khô chứa:

+ 77% thể tích N2+ 21% thể tích O2 + 0,94% thể tích Ar + 0,3% thể tích CO2+ Còn lại là H2, CH4, Ne, Kr, Xe…

Ngoài ra trong không khí còn chứa lượng thay đổi hơi nước, bụi, các tạp chất khí thải khác

Oxy không khí được sử dụng rộng rãi cho các quá trình oxy hóa, còn nitơ không khí được sử dụng để tổng hợp NH3

Không khí còn được sử dụng như chất làm lạnh nước và các chất lỏng khác, làm lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt Không khí lỏng được dùng làm chất tải nhiệt để sấy nóng khí hay là chất lỏng

- Các nguyên liệu thực vật và động vật(gỗ, bông, mỡ, dầu, sữa, da, lông) được chế biến thành thực phẩm hay đồ dùng hàng ngày

Giá trị nguyên liệu phụ thuộc vào sự phát triênẻ của khoa học kỹ thuật

Ví dụ, nhiều nguyên tố hiếm trước đây không có ứng dụng, ngày nay lại là phụ gia đặc biệt quan trọng cho các hợp kim hay là các vật liệu bán dẫn: Uran cách đây 80 năm chỉ là chất thải của quá trình điều chế Ra, nhưng bây giờ uran là nguyên liệu chính cho kỹ thuật nguyên tử

Hàm lượng các nguyên tố chính trong vỏ Trái đất đưa ra ở bảng sau:

Sự thuận tiện cho việc khai thác được xác định bằng vị trí địa lý, hàm lượng cấu tử quý và độ sâu của vỉa quặng Ví dụ, Titan rất phân tán trong vỏ Trái đất nên được liệt vào nhóm kim loại hiếm mặc dù hàm lượng của nó trong

vỏ Trái đất là 0,61%, gần gấp đôi lượng Cacbon Ngược lại, Cácbon tích tụ trong thực vật, động vật và những vỉa than

Ngoài ra, sự phân bố các vỏ trên thế giới không đều nên nhiều quốc gia hầu như không có mỏ quan trọng Ví dụ: Pháp, Đức, Ý không có dầu mỏ, khí tự

nhiên, lưu huỳnh, sắt, crôm, niken, đồng… Ở Liên Bang Nga than đá > 50% trữ lượng thế giới, than bùn khoảng 60%, kali khoảng 60%

Ở Việt Nam, tài nguyên khoáng sản khá phong phú Ví dụ: than, dầu mỏ, khí đốt, cát trắng (Si, Ti, Mo), quặng đất hiếm, quặng uran…

I.1.2 Những hướng phát triển nguyên liệu:

- Tìm kiếm và sử dụng những dạng nguyên liệu rẻ tiền hơn

- Sử dụng những loại nguyên liệu có hàm lượng cao (làm giàu nguyên liệu)

- Sử dụng phức hợp nguồn nguyên liệu

- Thay thế nguyên liệu thực phẩm bằng nguyên liệu không thực phẩm

a Vấn đề tìm kiếm nguồn nguyên liệu rẻ tiền đi theo nhiều hướng:

- Nguyên liệu chất lượng cao nhưng vận chuyển xa và tốn phí nhiều được thay thế bằng những nguyên liệu tại chỗ, chất lượng có thể kém hơn nhưng rẻ tiền hơn

- Nguyên liệu khai thác có thể thay bằng nguyên liệu lấy từ bã thải của những lĩnh vực sản xuất khác

- Nguyên liệu khó khai thác thay bằng nguyên liệu dễ khai thác Ví dụ, dầu hỏa có giá thành dẻ hơn than 3,5 lần, còn khí đốt rẻ hơn 12 lần

b Sử dụng phức hợp nguyên liệu và liên hợp các nhà máy:

Trước kia trong một quặng chỉ thu một cấu tử chính, còn lại thải theo quặng đuôi Ngày nay, người ta tìm mọi cách sử dụng phức hợp, tức là tách từng phần nguyên liệu ra và biến thành sản phẩm có ích Có thể dùng 2 phương pháp:

- Làm giàu nguyên liệu

- Dùng những phương pháp hóa học để chế biến nguyên liệu phức tạp thu nhiều loại sản phẩm

Ví dụ: sử dụng quặng phức hợp chế biến quặng apatit- nefelin

Việc sử dụng phức hợp quặng liên hệ mật thiết với vấn đề xây dựng những liên hợp sản xuất Tổ hợp những nhà máy dùng chung một quặng nguyên liệu là tổ chức tiến bộ nhất và có nhiều ưu việt lớn Ví dụ: kết hợp nhà máy luyện kim với nhà máy sản xuất H2SO4 vì axit này là tác nhân để thủy luyện, nhưng khí thải luyện kim là SO2 là nguyên liệu sản xuất H2SO4

c Thay thế nguyên liệu thực phẩm bằng nguyên liệu không thực phẩm:

Những thành tựu hóa hữu cơ cho phép nhận được nhiều sản phẩm có giá trị từ những dạng nguyên liệu khác nhau

Ví dụ: trong công nghiệp tổng hợp cao su, sợi nhân tạo, chất dẻo… dùng một lượng lớn rượu etylic chế từ lúa, khoai tây, củ cải đường… Ngày nay, người ta sản xuất rượu bằng cách thủy phân gỗ hay hyđrat hóa etylen có thể nhận được khi chế biến hóa học khí tự nhiên, dầu mỏ và các dạng nguyên liệu khác

1 tấn gỗ thủy phân thu được 160kg C2H5OH thay thế 1,6 tấn khoai tây hay 0,6 tấn lúa

Từ gỗ có thể thu được glyxerin, đường, các axit chanh, sữa, dấm thay cho ngũ cốc

Từ dầu mỏ, khí tự nhiên có thể sản xuất thuốc nhuộm, sơn , thuốc chữa bệnh thay cho nguyên liệu động thực vật

Việc thay thế nguyên liệu đầu dẫn tới hiệu quả kinh tế cao, giá thành sản phẩm giảm xuống vì giảm chi phí sản xuất

I.2 Làm giàu nguyên liệu rắn:

Công nghiệp hóa học tiến đến sử dụng những nguyên liệu giàu hàm lượng hơn để dễ dàng cải tiến quá trình và nhận được sản phẩm chất lượng tốt hơn với giá thành rẻ hơn

Sử dụng nguyên liệu giàu trong một quá trình có thể giảm năng lượng để đun nóng khối phản ứng, trong một quá trình khác có thể tận dụng nhiệt của phản ứng

Làm giàu nguyên liệu ngay tại nơi khai thác sẽ giảm được nhiều chi phí vận chuyển Hiện nay có hơn 2500 loại khoáng bao gồm cả hữu cơ và vô cơ

Phân đoạn được làm giàu chứa cấu tử quý gọi là tinh quặng

Phân đoạn chứa những khoáng không sử dụng được cho sản xuất gọi là quặng đuôi (và thải)

Đối với các khoáng rắn, có 5 phương pháp làm giàu cơ học: tuyển phân tán (sàng rung), tuyển trọng lực, tuyển từ, tuyển tĩnh điện và tuyển nổi

I.2.1 Tuyển phân tán (sàng rung):

Dựa vào kích thước của hạt quặng Dùng phương pháp này khi đá quặng cấu tạo từ các khoáng bền (dẻo) và khoáng không bền (dòn) Khoáng dòn dễ nghiền mịn hơn khoáng bền và khi rung thì lọt qua các lỗ sàng

Có thể dùng một loạt sàng có kích thước khác nhau và như vậy thu được vài phân đoạn Dùng hai loại sàng: mặt phẳng và thùng quay

Sàng mặt phẳng có một độ nghiêng nào đó thuận lợi cho sự trượt những phân đoạn thô Nhờ cơ chế máy, mặt sàng lắc và rung giúp cho những hạt kích thước nhỏ dễ lọt qua lỗ sàng

Sàng thùng quay: vật liệu cần sàng nạp vào một thùng hình trụ quay có

lỗ Thiết bị này dùng để phân chia những vật liệu có hình dáng tinh thể rất khác nhau

I.2.2 Tuyển trọng lực:

Dựa trên sự khác nhau về vận tốc rơi của các hạt có tỉ trọng khác nhau và

độ lớn khác nhau trong chất lỏng hay dòng khí

Bằng phương pháp này có thể phân chia những khoáng có sự khác nhau đáng kể về độ bền hay tỷ trọng

Chia thành hai phương pháp tuyển trọng lực: ướt và khô

- Tuyển trọng lực ướt: tiến hành trong dòng nước Nếu nước có thể hòa tan hay làm hỏng vật liệu thì có thể sử dụng các chất lỏng trơ khác hay dùng phương pháp tuyển khô

- Để tuyển khô cần phải nghiền nhỏ hơn so với tuyển ướt Tuyển khô tiến hành trong dòng không khí và đôi lúc trong dòng khí trơ

Tuyển trọng lực thường ứng dụng để làm giàu nguyên liệu trong sản xuất silicat, muối khoáng, luyện kim

Sơ đồ nguyên tắc tuyển ướt đưa ra trên (hình 2)

Sơ đồ xiclon thủy lực (hình 3) gồm có một hình trụ và hình nón dài Dưới áp suất theo phương tiếp tuyến, bùn được đưa theo ống ở thân hình trụ của thiết bị Trong khi quay, những hạt nặng bị lực ly tâm đẩy sát thành, chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc xuống phía dưới và lấy ra ở phần dưới thiết

bị ở dạng bùn non Còn những hạt nhỏ và nhẹ lơ lửng trong dòng chất lỏng, chuyển động trong dòng xoáy trôn ốc bên trong và chuyển lên trên vào buồng chảy tràn và đi ra duới dạng dòng hạt lơ lửng

Năng suất của thiết bị này cao và được xác định bằng thể tích khối huyền phù đi qua thiết bị

dτ – đường kính ống trung tâm, cm

P – áp suất dư trước ống vào, atm

1 Ống trung tâm

2 Vách ngăn

3 Buồng rót

A Cửa vào cửa bùn

B Cửa ra phân đoạn nhẹ

C Cửa ra phân đoạn nặng

Hình 3 Sơ đồ xiclon thủy lực

Sơ đồ thiết bị phân ly được đưa ra trên hình 4

Làm giàu bằng phương pháp tuyển trọng lực khô trên nguyên tắc như phương pháp ướt

ở lại thân trong và được lấy riêng ra

I.2.3 Tuyển từ:

Dùng để phân chia những vật liệu cảm ứng từ khỏi vật liệu không cảm

ứng từ Ví dụ, phân chia sắt khỏi đá không quặng Xem hình 5

I.2.4 Tuyển tĩnh điện:

Dùng để phân chia những vật liệu có độ dẫn điện khác nhau Tương tự như tuyển từ chỉ khác thay từ tính bằng dòng điện

I.2.5 Tuyển nổi:

Đây là phương pháp tuyển được áp dụng rộng rãi

Cơ sở của phương pháp dựa trên độ thấm ướt khác nhau giữa các khoáng Chỉ số chính của độ thấm ướt khoáng là góc thấm ướt ngoài θ tạo thành trên bề mặt rắn theo chiều phân chia rắn – lỏng - khí

Chất lỏng tạo với vật không thấm ướt (1) góc tù θ, còn tạo với vật thấm ướt (2) góc nhọn

1 Vật liệu kỵ nước

2 Vật liệu ưa nước

Hình 6 Ảnh hưởng của sức căng bề mặt Sức căng bề mặt tiến đến san bằng mực chất lỏng, do đó vật không thấm nước (kị nước) nổi lên, còn vật thấm nước (ưa nước) thì chìm xuống

Hạt càng nhỏ thì tỷ lệ bề mặt/thể tích càng lớn và độ thấm ướt biểu lộ càng mạnh, Vì vậy, tuyển nổi thường cần nghiền khoáng đến độ mịn khoảng 0,1 – 0,3 mm Những hạt kỵ nước nhỏ thì nổi không phụ thuộc vào tỷ trọng Như vậy, trong tuyển nổi không hiếm trường hợp những cấu tử quý, nặng, kỵ nước lại nổi lên, còn những hạt đá không quặng tuy nhẹ hơn nhưng lại chìm vì

dù sao chúng cũng nặng hơn so với nước

Độ thấm nước của hạt được đặc trưng bằng công kết dính W (nước - khoáng):

wL R  L K  R K  L R (1.2) Trong đó:

ra hiện tượng như trên hình vẽ Kết quả là các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước

sẽ đem theo những hạt kỵ nước Độ không thấm ướt càng lớn (càng kỵ nước) thì chu vi dính của bọt khí với hạt càng lớn và như vậy, xác suất nổi của hạt càng lớn Điều này được thấy rõ từ phương trình:

wR K  L R 1  c os  (1.3)

Do sự nổi của các bọt khí trên bề mặt chất lỏng tạo thành một lớp gọi là

“bọt khoáng” có chứa các hạt kỵ nước của khoáng Những hạt khoáng ít kỵ nước hơn sẽ lơ lửng giữa dòng bùn và dần dần lắng xuống

Tuy nhiên trong thực tế, các khoáng khác nhau có độ thấm ướt không chênh lệch nhau mấy Vì vậy, để kích thích quá trình tuyển nổi, người ta dùng nhiều tác nhân khác nhau Ví dụ, để tăng độ bền của các bọt khí và tạo bọt bền vững trên bề mặt bùn người ta thêm những “chất tạo bọt” Những chất tạo bọt thường dùng là nhựa thông, nhựa than đá…

Để tăng độ kỵ nước của các hạt khoáng riêng biệt, người ta thêm vào

“chất góp” Đó là những chất chỉ hấp phụ trên một số khoáng, bao phủ bề mặt của chúng bằng một lớp màng kỵ nước, còn những khoáng khác không tác dụng Kết quả là những hạt kỵ nước tập trung lại trên bề mặt các bọt khí và nổi lên trên

Sử dụng các tác nhân góp cho phép tiến hành tuyển nổi những khoáng phức tạp và chọn lọc, có nghĩa là có thể thu được nhiều phân đoạn khác nhau Những chất góp thường dùng là axit olêic, axit naftenic…

Như vậy, tiến hành tuyển nổi nhiều lần lặp lại, chọn lọc một loại nguyên liệu phức hợp thì sẽ lần lượt nhận được một loạt những tinh quặng nổi lên với bọt Cuối cùng, dưới nước chỉ còn lại đá không quặng gọi là quặng đuôi Trong khi đó, tiêu tốn tất cả các tác nhân tuyển nổi không lớn lắm và thường chỉ 100g/1 tấn đá quặng

Nguyên liệu đem tuyển nổi đầu tiên phải đập, nghiền thô, nghiền mịn Sau đó quặng đã nghiền và nước cùng với các tác nhân tuyển nổi được đưa vào máy tuyển

* Thiết bị tuyển có hai dạng:

- Dạng hộp với cơ cấu khuấy trộn cơ học

- Dạng máng khuấy trộn bằng phương pháp sục khí

Thiết bị tuyển nổi dạng máng với hệ thống khuấy trộn bằng không khí đưa trên

hình 7

Khi tính toán thiết bị tuyển nổi, trước tiên phải xác định thời gian tuyển nổi τ cần thiết để đạt được độ phân tách x cho trước Đại lượng τ xác định bằng thực nghiệm hay bằng đồ thị tích phân của phương trình động học tuyển nổi:

d

N k d

dx

Trong đó: U – vận tốc tuyển nổi;

N – số bọt khí đi qua lớp bùn trong một đơn vị thời gian;

φd - xác suất sự dính của các hạt phấn gắn trên bọt khí;

k – hằng số vận tốc quá trình

Tính toán thiết bị máng có khuấy trộn bằng khí thì đại lượng chính là độ dài của buồng (máng) l:

m S

L l



Ở đây: l - chiều dài của buồng, m;

S – diện tích mặt cắt ngang của máng, m2;

τ - thời gian tuyển nổi, phút;

M – hệ số đặc trưng cho tỉ lệ thể tích bùn không có bọt và bùn có bọt Thiết bị tuyển nổi dạng hộp có cơ cấu khuấy trộn cơ học đưa ra trên hình 8

m v

L n



Ở đây: n – số buồng cần thiết;

v – thể tích một buồng (hộp), m3 Tuyển nổi các khoáng hòa tan được thực hiện trong công nghiệp halogen, dựa trên sự khác nhau về độ hòa tan của các cấu tử trong hệ

Ví dụ: tách KCl từ xivinit (khoáng NaCl - KCl) hay tách KCl từ dung dịch bão hòa chứa 100g KCl/dm3 + 250g NaCl/dm3 Tác nhân diều chỉnh là các amin béo có số nguyên tử cácbon C6 – C20

Đặc điểm chính của phương pháp tuyển nổi các khoáng hòa tan là môi trường để tuyển là dung dịch bão hòa của muối có mặt trong thành phần của nguyên liệu cần làm giàu Sự phân chia các muối tiến hành khi sục khí vào bùn nhão có thêm các tác nhân chọn lọc và chất góp Còn tác nhân tạo bọt đôi khi không cần dùng vì nhiều dung dịch bão hòa của muối tự bản thân nó đã có tính chất tạo bọt

Đặc biệt trong phương pháp này là có thể thay đổi độ pH môi trường bằng các tác nhân điều chỉnh

I.2.6 Làm giàu nhiệt:

Dựa vào độ nóng chảy khác nhau của các khoáng có trong hỗn hợp Khi nung nóng lên, những vật liệu dễ nóng chảy sẽ chảy ra khỏi khối đá quặng ở dạng lỏng

Ví dụ: đốt chảy lưu huỳnh khỏi đá vôi hay khỏi thạch anh khó nóng chảy

Nhược điểm của phương pháp: tiêu tốn nhiều năng lượng nên không được áp dụng rộng rãi

I.2.7 Làm giàu hóa học:

Dựa vào việc ứng dụng những tác nhân có khả năng hòa tan chọn lọc một trong các chất có mặt trong thành phần hỗn hợp, hoặc là tạo thành hợp chất

dễ tách khỏi hỗn hợp khi nung nóng, hóa hơi hay kết tủa từ dung dịch

I.3 Làm giàu nguyên liệu lỏng:

Có nhiều phương pháp được áp dụng để làm giàu nguyên liệu lỏng (tăng nồng độ)

I.3.1 Hóa hơi nước:

Thường được áp dụng trong công nghệ sản xuất muối khoáng, kiềm, trong luyện kim màu và để làm đậm đặc axit khó bay hơi như sunfuric, photphoric và các axit hữu cơ

Trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, trong công nghiệp sản xuất rượu và những sản phẩm hữu cơ khác, người ta dùng phương pháp tinh cất và chưng cất Lúc đó, cấu tử quý sẽ bay lên và ngưng tụ, cấu tử thường sẽ ở lại trong pha nước

I.3.2 Bão hòa các dung dịch đầu và dung dịch tuần hoàn:

Tức là hòa tan những cấu tử rắn hay khí trong các dung dịch Ví dụ, trong công nghiệp xôda, người ta bão hòa nước muối tự nhiên bằng cách hòa tan muối ăn rắn

Tách các tạp chất trong dung dịch bằng cách thêm một chất nào đó vào dung dịch để đồng kết tinh tạp chất, sau đó tách kết tủa ra Đôi khi đồng kết tinh cấu tử chính và tạp chất sẽ còn lại trong dung dịch

I.3.3 Chiết (trích ly):

Cấu tử quý trong hỗn hợp được hòa tan chọn lọc trong dung môi hữu cơ Kết quả thu được hai pha lỏng: một dung dịch chứa cấu tử quý và dung dịch kia chứa phần còn lại

I.4 Làm giàu hỗn hợp khí:

Có thể tách riêng các cấu tử quý trong các hỗn hợp khí bằng những phương pháp sau:

1 Ngưng tụ lần lượt các khí trong khi nén và giảm nhiệt độ

2 Hóa hơi lần lượt từ hỗn hợp hóa lỏng sơ bộ của chúng

3 Hấp phụ và nhả hấp phụ

4 Hấp thụ và nhả hấp thụ

BÀI 2: NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CNHH dùng một lượng lớn nước với nhiều mục đích khác nhau

Các nhà máy hóa chất được xây dựng ở gần nguồn nước Sử dụng nước trong các nhà máy khác nhau Ở một số nhà máy nước là nguyên liệu, ví dụ như trong công nghiệp sản xuất hyđro, trong sản xuất H2SO4 và HNO3, trong sản xuất sôđa, NaOH… ở một số nhà máy khác nước không cần đưa vào mà được tạo thành do các phản ứng chính tạo ra Ví dụ, nước nhựa thải ra trong quá trình cốc hóa than đá

Trong một số nhà máy hóa chất, luyện kim, thực phẩm, nước được dùng như dung môi hòa tan những chất rắn, lỏng, khí Nước được dùng làm chất mang nhiệt, chất làm lạnh

Những xí nghiệp hiện đại tiêu tốn lượng nước lớn đến hàng triệu m3/ngày đêm

Hệ số tiêu tốn nước cho một số ngành sản xuất như sau:

Amoniắc 1500 m3/ tấn

H2SO4 50 m3/ tấn Phần lớn những nước làm lạnh sau khi tiến hành làm sạch đem hồi lưu lại quá trình sản xuất

II.1 Phân loại:

Nước tự nhiên được chia làm 3 loại với thành phần và tính chất rất khác nhau

II.1.1 Nước trời:

Là nước mưa và nước tuyết đặc trưng bởi hàm lượng tạp chất ít, chủ yếu

là các khí hòa tan: oxy, dioxyt cacbon, sunfohydro, các hợp chất của oxyt và lưu huỳnh, các chất hữu cơ và một số tạp chất bẩn trong khí thải ở những vùng công nghiệp

Nước trời hầu như không chứa muối hòa tan

II.1.2 Nước bề mặt:

Nước bề mặt là nước sông, hồ, biển chứa nhiều tạp chất khác nhau

Nước bề mặt hầu như luôn luôn chứa bicacbonat Ca, Mg, Na, K cũng như sunfat và các clorua với hàm lượng từ rất nhỏ đến bão hòa hoàn toàn

Trong nước biển hầu như có tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Nước chứa < 1g muối/ 1dm3 gọi là nước ngọt

Nước chứa > 1g muối/ 1dm3 gọi là nước mặn

(Nước biển Việt Nam trung bình 3g muối/1 dm3; mặn nhất ở Nha Trang

≈ 5g muối/1dm3 )

II.1.3 Nước ngầm:

Nước của các giếng khoan, giếng phun và các mạch nước phun đặc trưng bởi sự đa dạng của thành phần muối hòa tan Thành phần muối phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của đất, của đá mà nước ngầm chảy qua

Khả năng lọc của đất và đá núi đã làm cho nước ngầm có độ trong vắt cao và không chứa những tạp chất hữu cơ

Như vậy, các nước khoáng ngầm là nguồn nguyên liệu tốt cho CNHH, các nước này đã bão hòa bằng các muối khác nhau

Ví dụ, nước ngầm bão hòa NaCl dùng làm nguyên liệu sản xuất xôđa, NaOH và Cl2

II.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước:

Chất lượng nước được xác định bằng các tính chất lý học, hóa học Ví dụ: độ trong suốt, màu sắc, mùi vị, nhiệt độ, hàm lượng muối, độ oxy hóa, phản ứng của nước

II.2.1 Hàm lượng muối chung:

Đặc trưng cho sự có mặt trong nước những tạp chất vô cơ và hữu cơ Lượng muối được xác định theo lượng cặn khô (mg/dm3) khi hóa hơi 1 lít nước

và sấy khô cặn còn lại ở 1100C đến khối lượng không đổi

Đa số với các cơ sở sản xuất hóa chất, chỉ số chất lượng cơ bản được đánh giá theo độ cứng của nước, tức sự có mặt của muối Mg và Ca trong nước

Độ cứng được biểu diễn bằng mđlg Ca2+ hay Mg2+ chứa trong 1 dm3nước, có nghĩa là một đơn vị độ cứng sẽ chứa 20,04 mđlg Ca2+/dm3 và 12,16 mđlg Mg2+/dm3

Có 3 loại độ cứng: tạm thời, vĩnh viễn, chung

Tổng độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu gọi là độ cứng chung Theo

độ cứng, người ta phân loại nước tự nhiên như sau:

Lượng Ca2+ và Mg2+ trong 1dm3

nước, mđlg

Độ cứng

0 – 1,5 1,5 – 3

3 – 6

6 – 10

> 10

Rất mềm Mềm Trung tính Cứng Rất cứng

II.2.2 Độ oxy hóa:

Đặc trưng cho hàm lượng tạp chất hữu cơ có trong nước và được xác định bằng lượng mg KMnO4 tiêu hao khi đun sôi 1 lít nước với lượng dư KMnO4 trong 10 phút

II.2.3 Phản ứng của nước:

Mức độ axit hóa hay kiềm hóa của nước được đặc trưng bằng nồng độ các ion hydro và được xác định bằng các giấy chỉ thị

Phản ứng của nước tự nhiên gần với trung tính, pH = 6,8 – 7,3

Phản ứng của các loại nước hồi lưu phụ thuộc vào tính chất của sản xuất:

pH < 6,8: nước chua

pH > 7,3: nước kiềm II.3 Kỹ thuật xử lý nước cấp:

Đó là một tổ hợp nhiều phương pháp nhằm làm sạch nước – tách các tạp chất độc ra khỏi nước Các tạp chất này nằm ở dạng hòa tan phân tử, ở trạng thái keo và trạng thái lơ lửng

Những giai đoạn chính để chuẩn bị nước:

Đông tụ là quá trình phân chia các hệ dị thể có hiệu quả cao và có thể tách những hạt đất sét mịn ra khỏi nước

Tiến hành quá trình đông tụ bằng cách cho thêm vào nước cần làm sạch một lượng nhỏ dung dịch điện ly Al2(SO4)3.FeSO4 (phèn chua) và một số chất đông tụ khác nữa Bản chất hóa lý của quá trình này là chất ngưng tụ sẽ hấp

phụ lên bề mặt những hạt keo mang điện tích và trung hòa điện của nó Nhờ thế những hạt riêng biệt dính liền nhau và tạo thành kết tủa

Điện tích ion của chất đông tụ càng lớn (Al3+, Fe3+) thì tiêu tốn dung dịch điện ly càng nhỏ để tiến hành quá trình đông tụ

Để đông tụ những hạt keo đất sét có điện tích âm, người ta dùng sunfat nhôm Thực chất đây là quá trình “đánh phèn” Khi cho phèn chua vào nước, sunfat nhôm bị thủy phân tạo hạt điện tích dương của hyđroxyt nhôm (dạng như bông) lơ lửng trong nước Sau đó các hạt đất sét (hạt điện tích âm) sẽ tác dụng tương tác để tạo ra kết tủa dạng keo và đồng thời nước bị mất màu do quá trình hấp phụ trên bề mặt kết tủa Nước trong và mất màu

Al2(SO4)3 + 6H2O ↔ 2Al(OH)3 + 3 H2SO4 (1.9)

H2SO4 + Ca(HCO3)2 → CaSO4 + 2H2O + 2CO2 (1.10) II.3.2 Quá trình lọc:

Lọc nước để làm sạch khỏi huyền phù thường được tiến hành sau khi đã

để lắng Thường lọc bằng lớp vật liệu lọc dạng trơ, ví dụ như dùng cát

Kích thước (đường kính d, mm) của những hạt nhỏ nhất được giữ lại trên lớp lọc xác định theo công thức:

w l m

Dựa vào tác nhân sử dụng, người ta chia ra thành những phương pháp nhỏ

a Chế biến sữa vôi:

Làm mất độ cứng tạm thời, tách các ion sắt và liên kết CO2

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (1.12) Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O(1.13) FeSO4 + Ca(OH)2 → Fe(OH)2 + CaSO4 (1.14) 4Fe(OH)2 + O2 + H2O→ 4 Fe(OH)3 (1.15)

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O (1.16)

b Chế biến bằng xôđa:

Làm mất độ cứng vĩnh cửu

MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3 + Na2SO4 (1.17) MgCl2 + Na2CO3 → MgCO3 + 2NaCl

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 Bằng phương pháp sữa vôi kết hợp với xôđa có thể làm mềm nước đến 0,3 mđlg/m3

c Chế biến bằng trinatri photphát:

Để tách hoàn toàn hơn các ion Ca2+ và Mg2+ đến độ mềm 0,03 mđlg/dm3 3Ca(HCO3)2 + Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 (1.18)

3 MgCl2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6NaCl (1.19)

Độ hòa tan các photphat Ca và Mg nhỏ không đáng kể, điều này chứng minh cho hiệu quả cao của phương pháp này

d Trao đổi ion:

Là một tổ hợp phương pháp hóa học với hóa lý cho hiệu quả cao

Bản chất của phương pháp này là để tách Ca2+ và Mg2+ ra khỏi nước, người ta dùng những ionit có khả năng trao đổi các ion của nó với các ion của nước

Phân chia ra quá trình trao đổi anion và trao đổi Cation, tương ứng có anionit và cationit

Các cationit là than sunpho hay là nhựa cao phân tử có chứa nhóm hoạt động với các ion H+, Na+ hay NH4+

Quá trình trao đổi cation xảy ra:

Na2[Cat] + Ca(HCO3)2 = Ca[Cat] + 2NaHCO3 (1.20)

Na2[Cat] + MgSO4 = Mg[Cat] + Na2SO4 (1.21)

H2[Cat] + MgCl2 = Mg[Cat] + 2HCl (1.22)

H2[Cat] + Na2SO4 = Na2[Cat] + H2SO4 (1.23) Các anionit là những chất cao phân tử chứa nhóm hoạt động với những anion OH-, HCO3- và CO32-

Khi cho nước đi qua lớp anionit, người ta sẽ làm sạch nước khỏi những ion có hại cho công nghệ Ví dụ:

2[An]OH + H2SO4 = [An]2SO4 + 2H2O (1.25) Đặc tính của quá trình trao đổi ion là nhựa trao đổi sau khi đã dùng có thể đem tái sinh lại và khôi phục khả năng trao đổi

Để tái sinh Na-cationit người ta dùng dung dịch muối ăn

Để tái sinh H-cationit thì dùng các axit vô cơ

Các anionit thì tái sinh bằng kiềm, bicacbonat hay cacbonat natri

Sơ đồ ứng dụng trao đổi ion để làm sạch muối đưa ra trên hình 10

Để tính toán thiết bị trao đổi ion phải tính tổng diện tích F của lớp lọc trao đổi ion làm việc và số lớp lọc trong thiết bị

Diện tích chung của lớp lọc F(m2) tính theo công thức:

t

w

L m

Trong đó: m – hệ số tiêu tốn nước mềm cho thiết bị làm việc (tái sinh các nhựa trao đổi anion): m dao động trong khoảng 1,10 – 1,25;

L – năng suất của thiết bị, m3/h;

wt – vận tốc tính toán của nước đi qua lớp nhựa ionit, m/h;

Vận tốc tính toán để lọc nước tính theo công thức:





h

h d E h

H E w

P

P t

0 2

0 0 , 015 lg

.



trong đó: EP – khả năng trao đổi của ionit (dung lượng của ionit), đlg/m3;

H – chiều cao của lớp ionit, m;

τ - chu kỳ làm việc của lớp ionit (giữa những đợt tái sinh), h;

h0 – độ cứng ban đầu của nước, mđlg/dm3;

d – đường kính trung bình của hạt ionit, mm;

hФ – độ cứng còn lại của nước sau khi đã làm mềm, mđlg/dm3;

1 Cột trao đổi kation

2 Cột trao đổi anion

3 Thiết bị giải khí

4 Bể chứa nước đã sử lý

Hình 10 Sơ đồ trao đổi ion

Độ cứng còn lại của nước có thể xác định bằng phương pháp phân tích hay tính toán theo công thức:

800

2

M h

EP = α βNa En – 0,5.q.h0 (1.29)

Ở đây:

βNa – hệ số tính đến sự giảm khả năng trao đổi của cationit khi có mặt ion

Na+trong nước;

En – khả năng trao đổi toàn phần (dung lượng) của cation, đlg/dm3;

q – lượng tiêu tốn riêng của nước để rửa cationit sau khi tái sinh, m3/m3 Thường tính q = 5 m3/m3;

Các giá trị α, βNa và các hệ số khác tìm theo số liệu thực nghiệm

Chu kỳ làm việc của lớp lọc τ = 6,5 – 22,5 giờ

Vận tốc nước đi qua cationit wP phụ thuộc vào h0 và chọn trong khoảng 5 – 20m/h

Số thiết bị lọc làm việc trong hệ thống ký hiệu là n và được xác định theo công thức:

2

.

4



F

với DФ – đường kính của thiết bị lọc

II.3.4 Trung hòa nước:

Áp dụng cơ bản cho nước hồi lưu đã bị bẩn vì các anion trong quá trình sản xuất

Để trung hòa thường dùng vôi và xôda

II.3.5 Giải khí độc cho nước:

Là quá trình nhả những khí có khả năng làm rỉ đường ống, thiết bị như

H2S, SO2, CO2 Người ta thường dùng các tác nhân hóa học, ví dụ tiến hành oxy hóa H2S bằng Cl2 Để tách oxy trong nước người ta thêm các chất khử, ví

dụ như sunfua natri

II.3.6 Sự sát trùng nước:

Dùng phương pháp clo hóa nitơ hóa

Làm sạch hoàn toàn, làm sạch muối, giải khí độc từng phần và sát trùng nước có thể đạt được bằng cách chưng cất Nước cất thường dùng để sản xuất những sản phẩm sạch và dùng trong lĩnh vực thí nghiệm

BÀI 3: NĂNG LƯỢNG TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trong công nghệ hóa học, năng lượng được dùng với nhiều mục đích: tiến hành phản ứng, phục vụ sản xuất như vận chuyển vật liệu, đập nghiền, nén khí, lọc…

Chỉ số tiêu thụ năng lượng được tính cho 1 đơn vị sản phẩm thu được và tính bằng các đơn vị khác nhau như kWh/tấn, kJ/kg, T/T, kg/m3…

Những dạng năng lượng chính dùng trong một công nghệ phụ thuộc vào yêu cầu, đặc điểm của chính công nghệ

Dạng năng lượng dùng phổ biến nhất là năng lượng điện và nhiệt năng III.1 Năng lượng điện:

Trong các nhà máy hóa chất, năng lượng điện dùng để tiến hành quá trình điện hóa (điện phân dung dịch và điện phân dịch nóng lỏng), nhiệt điện (nấu chảy, đun nóng và tổng hợp ở nhiệt độ cao…)

Trong CNHH phổ biến nhất là chuyển điện năng thành cơ năng phục vụ các công đoạn lý học: đập, nghiền, khuấy trộn, ly tâm, thông gió, bơm, nén…

Dưới đây là một số chỉ tiêu tiêu tốn trung bình điện năng cho một vài ngành sản xuất hóa chất:

III.2 Nhiệt năng:

Trong công nghệ hóa học được dùng để:

- Tiến hành những quá trình lý học không kèm theo phản ứng hóa học

Ví dụ: đun nóng, nấu chảy, sấy

- Sấy nóng các tác nhân khi tiến hành phản ứng hóa học Khi đó, các chất mang nhiệt có thể là khí đốt, hơi nước và cả năng lượng hạt nhân

III.3 Quang năng:

Gần đây được sử dụng nhiều trong CNHH để thực hiện những phản ứng quang hóa: tổng hợp HCl (clorua hydro) từ các nguyên tố, halogenua hóa các hợp chất hữu cơ và những quá trình khác

Hiện tượng quang điện là hiện tượng trong đó xảy ra sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện ứng dụng cho việc kiểm tra tự động và điều khiển tự động các quá trình

II.4 Sử dụng hợp lý năng lượng:

Là một trong những yếu tố giảm giá thành sản phẩm

Một chỉ tiêu kinh tế quan trọng là hệ số sử dụng năng lượng ηNL, là tỷ số năng lượng lý thuyết cần để nhận được 1 đơn vị sản phẩm WLT trên lượng tiêu tốn thực tế:

w 100%

w

LT Nl TT

Mức độ sử dụng nhiệt trong quá trình sản xuất được biểu diễn bằng hệ số

sử dụng nhiệt có ích ηT Nó được tính bằng lượng nhiệt cần thiết để tiến hành phản ứng chính trên lượng nhiệt tiêu tốn chung QT:

.100%

C TT

Q Q

Đối với các quá trình thu nhiệt với lượng nhiệt cao thì ηT < 70%, còn lại đến 30% nhiệt bị các sản phẩm mang ra khỏi lò và 15% trong số đó là tổn thất qua thành lò, tỏa ra môi trường xung quanh

Sơ đồ nguyên tắc sử dụng nhiệt của sản phẩm phản ứng đưa ra trên hình 11

1 Thiết bị trao đổi nhiệt

2 Thiết bị phản ứng

Hình 11 Sử dụng nhiệt của sản phẩm phản ứng Nhiệt mà sản phẩm phản ứng mang ra khỏi thiết bị phản ứng có thể dùng

để sấy, hóa hơi, chưng cất…

Đối với những quá trình áp suất cao để giảm tiêu tốn điện năng, người ta

cố gắng sử dụng năng lượng của khí nén hay nước nén Ví dụ: sử dụng tổ hợp môtơ - bơm – tuôcbin Sơ đồ hoạt động đưa ra trên hình 12

Khí chịu nén dưới áp suất đi vào từ phần dưới của tháp và tiếp xúc với chất lỏng tưới tháp Khí ra khỏi tháp ở phía trên, còn chất lỏng ra phía dưới Cạnh tháp người ta đặt tổ hợp môtơ - bơm – tuôcbin có chung một van Bơm đưa chất lỏng vào tưới Chất lỏng ra khỏi tháp đã chịu áp suất làm quay cánh tuôcbin và sẽ bị mất năng lượng Vì bánh xe của tuôcbin và bơm nằm trên cùng một trục nên năng lượng của chất lỏng được sử dụng để bơm làm việc, có nghĩa

để đưa nước vào tháp để tưới Sự tổn thất năng lượng được điều hòa bằng năng lượng của môtơ

Tương tự như vậy để sử dụng khí nén

III.5.2 Việt Nam:

- Đến năm 2010 dự kiến Việt Nam thiếu 60 tỷ kWh điện Đòi hỏi phải nghiên cứu năng lượng hạt nhân mặc dù hiện nay đang dùng thủy điện và các nguồn khác

- Ngày 28/3/2002 thông qua dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân

- Dự kiến năm 2020 tổ máy điện hạt nhân đầu tiên bắt đầu vận hành

- Địa điểm dự kiến: Bình Thuận – Ninh Thuận

Chương II:

CÁC QUY LUẬT CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI I: PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Khi nghiên cứu những quy luật chung của CNHH người ta chia quá trình theo trạng thái pha của các chất tác dụng

Pha là phần của hệ bị phân cách với các phần khác của nó bởi bề mặt phân chia Khi chuyển qua bề mặt này thì tính chất thay đổi nhẩy vọt

Các quá trình công nghệ được chia thành:

- đồng nhất hay đồng thể

- không đồng nhất hay dị thể

I.1 Những hệ đồng thể:

Là hệ trong đó tất cả các chất phản ứng nằm trong cùng một pha Trong

hệ đồng thể, phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn, cơ chế phản ứng đơn giản hơn, điều khiển dễ dàng hơn Vì vậy, trong thực tế người ta cố gắng tiến đến các quá trình đồng thể Ví dụ:

- Hỗn hợp khí bất kỳ (tất cả các chất khí khi áp suất không cao lắm) thì hòa lẫn nhau vô hạn

- Lỏng: dung dịch NaCl, dung dịch MgSO4, hỗn hợp O2 và N2 trong nước

I.2 Hệ dị thể:

Chứa 2 pha hay nhiều hơn nữa

Những hệ 2 pha: K – L, K – R, L – L, L – R, R – R

Trong thực tế thường gặp hơn cả là các hệ: K-R, L-K, L-R

Trong công nghiệp thường gặp hệ dị thể hơn là hệ đồng thể

I.3 Quá trình xúc tác:

I.3.1 Bản chất và các dạng xúc tác:

a Định nghĩa và phân loại:

* Định nghĩa: Chất xúc tác có tác dụng làm thay đổi tốc độ của phản ứng hoặc kích động các chất tham gia phản ứng mà không làm thay đổi tính chất hóa học

và không tham gia vào thành phần sản phẩm phản ứng

Bản chất của chất xúc tác là biến quá trình hóa học một giai đoạn cần năng lượng hoạt hóa E lớn thành nhiều giai đoạn thành phần cần năng lượng e1,

e2 … nhỏ Vì vậy có những phản ứng hóa học trong điều kiện thường không xẩy ra được nhưng khi có chất xúc tác lại xảy ra với tốc độ lớn, cơ chế như sau:

A + Xt = A[Xt] cần năng lượng e1 A[Xt] + B = D + Xt cần năng lượng e2

+ Xúc tác đồng thể: chất xúc tác và tác nhân phản ứng nằm trong cùng một pha

+ Xúc tác dị thể: chất xúc tác và tác nhân phản ứng khác pha nhau

+ Vi dị thể: được tiến hành trong pha lỏng với sự tham gia của các hạt keo đóng vai trò chất xúc tác

Khi có chất xúc tác tham gia thì phản ứng sẽ xảy ra qua những giai đoạn thành phần, những giai đoạn này đòi hỏi năng lượng hoạt hóa ít hơn so với phản ứng không có chất xúc tác

Năng lượng hoạt hóa càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng lớn do sự phụ thuộc hàm số mũ:

E RT E

e

e k

k A

∆E = E – Ext – sự giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng xúc tác

A   = 8 , 3 693 26 , 4 11

268000 420000

10 3

Như vậy, tốc độ phản ứng tăng lên 3.1011 lần

Chất xúc tác càng hoạt động thì càng có khả năng thúc đẩy các phản ứng

ở vùng nhiệt độ nhỏ tương ứng và như vậy càng có nhiều ưu việt về tính kinh tế

và kỹ thuật Ví dụ, tăng hiệu suất cân bằng, tăng hiệu suất thực tế của các phản ứng thuận nghịch, giảm sản lượng sản phẩm phụ, giảm hệ số tiêu tốn nguyên liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm

A1 > A2 > A3 > A4(t, P, C = const )

Hình 14 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu suất sản phẩm phản ứng tỏa nhiệt

đối với các chất xúc tac có hoạt độ khác nhau

 đ

đ sp

sp xt

dG v

v

dG S





(2.5)

Ở đây: + Gsp – lượng sản phẩm;

+ vsp/vđ – tỷ lệ các hệ số lý thuyết khi tạo sản phẩm từ nguyên liệu

đầu chính

+ Gđ – lượng chất đầu

Độ chọn lọc chung chỉ tác dụng của chất xúc tác có thể biểu diễn:

phuj chính

chính chính

xt

G G

G G

G S





Ở đây:` Gchính – lượng chất đầu chính chuyển hóa thành sản phẩm;

Gphụ - lượng chất đầu tham gia phản ứng phụ;

G – lượng chất đầu chính và phụ chung

Sử dụng những chất xúc tác chọn lọc khác nhau thì từ một số nguyên liệu đầu như nhau có thể nhận được các sản phẩm khác nhau Ví dụ: khi tiến hành oxy hóa NH3 thành oxyt Nito sẽ xảy ra 3 phản ứng song song:

3NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 900 kJ (2.7) 4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + 1100 kJ (2.8) 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O - 1300 kJ (2.9) Trong điều kiện bình thường, phản ứng (2.9) có ưu thế nhiệt động hơn, song khi có mặt chất xúc tác Pt thì phản ứng (2.7) sẽ xảy ra hoàn toàn(trong điều kiện chế độ làm việc tối ưu) trong vài chục phần nghìn của giây

Sử dụng chất xúc tác chọn lọc cho phép tiến hành quá trình và nhận được sản phẩm trung gian mà nếu không có xúc tác chúng sẽ biến thành những chất không có giá trị

c Quá trình tự xúc tác:

Những quá trình tự xúc tác là những phản ứng mà chất xúc tác là một trong những sản phẩm trung gian hay là sản phẩm cuối cùng của phản ứng

Ví dụ: trong những phản ứng dây chuyền thì chất xúc tác là những gốc tự

do như trong quá trình hoàn nguyên niken từ oxyt niken và oxyt đồng bằng H2thì Niken tạo thành lại là xúc tác của quá trình phản ứng

Đối với quá trình tự xúc tác thì tốc độ U nhỏ, sau tăng mạnh Xem đồ thị

I.3.2 Xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể:

a Quá trình xúc tác đồng thể:

Có thể xảy ra trong pha lỏng và khí Cơ chế xúc tác đồng thể là sự tạo thành những hợp chất trung gian không bền vững của tác nhân phản ứng và chất xúc tác Các chất trung gian cùng tồn tại trong pha Sau khi phân rã các hợp chất trung gian thì chất xúc tác lại tái sinh

Theo trạng thái pha, quá trình xúc tác đồng thể chia thành:

Ví dụ: sự tác dụng của các hạt đioxyt nitơ khi oxy hóa metan thành focmandehyd:

- Trường hợp phản ứng đơn giản: A → B thì quá trình xúc tác xảy ra theo

Nếu tốc độ chung của quá trình xúc tác giới hạn bởi giai đoạn (2.18) thì phương trình động học có dạng:

xt A

B k C C d

C k

C K

A

Xt A

B k K C C d

độ tỉ lệ thuận với nồng độ tác nhân A và xúc tác cho đến khi nồng độ chất xúc tác trở nên bé hơn nồng độ tỉ lượng theo giai đoạn (1):

Nếu giai đoạn (2) giới hạn tốc độ chung quá trình, tức là e1 < e2 thì tốc

độ tỉ lệ thuận với nồng độ phức hoạt động A*[Xt] với tác nhân B

  Xt B A

Ở đây: k3 – hằng số tốc độ giai đoạn (2)

Đại lượng CA*[Xt] được xác định thông qua hằng số cân bằng giai đoạn (1)

 

xt A

Xt A

C C

C K

.

*

Từ đó suy ra: U = k3.K.CA.CB.Cxt (2.29) Ảnh hưởng của nhiệt độ (thông qua k), của áp suất (thông qua C) và khuấy trộn (thông qua F) lên tốc độ quá trình xúc tác đồng thể tương tự như các định luật động học chung của quá trình đồng thể

Nhược điểm chính của quá trình xúc tác đồng thể là khó khăn khi tách chất xúc tác ra khỏi hỗn hợp sản phẩm Hậu quả là một phần chất xúc tác bị tổn thất, còn sản phẩm bị nhây bẩn

Trong quá trình xúc tác dị thể, các hợp chất trung gian xuất hiện trên bề mặt chất xúc tác và không tạo thành những pha riêng biệt và không thể dùng phương pháp phân tích hóa học để xác định chúng Tính chất của các hợp chất bề mặt khác với các hợp chất thể tích Ví dụ như năng lượng liên kết trong các hợp chất bề mặt nhỏ hơn trong các phần tử thể tích nên những hợp chất này không bền vững

Những kim loại của những chu kỳ lớn trong bảng tuần hoàn có hoạt độ xúc tác lớn hơn Ví dụ như các kim loại chuyển tiếp của nhóm I, VI, VII và VIII:

Cu, Ag, Cr, Mo, W, U, Fe, Co, Ni… Tất cả những kim loại này có những tính chất thuận lợi cho hoạt động xúc tác như: mức độ oxy hóa linh động, nghiêng về phía tạo phức, công thoát điện tử không lớn lắm

Các chất xúc tác rắn được điều chế ở những hạt xốp không lớn lắm, dạng viên, thỏi Khi đó bề mặt bên trong của các mao quản có thể lớn hơn bề mặt bên ngoài của hạt hàng trăm ngàn lần

Hoạt độ xúc tác của chất xúc tác rắn, xốp được xác định bằng thành phần hóa học và cấu trúc xốp của chúng Cấu trúc xốp là tập hợp hình dáng hạt, thể tích và kích thước của các mao quản xốp và bề mặt bên trong của hạt

Hoạt độ của chất xúc tác tỷ lệ thuận với bề mặt nhưng trong những chất xúc tác có độ xốp quá lớn thì bề mặt bên trong sử dụng không được hoàn toàn vì trở lực khuyếch tán lớn (số lượng mao quản nhiều nhưng kích thước quá nhỏ nên trở lực tăng)

* Quá trình trên những chất xúc tác rắn, xốp:

Có thể chia thành những giai đoạn nhỏ sau:

1 Khuếch tán tác nhân từ giữa khối phản ứng đến bề mặt hạt xúc tác

2 Khuếch tán các tác nhân vào trong các mao quản của hạt xúc tác

3 Hấp phụ hóa học trên bề mặt chất xúc tác với sự tạo thành các hợp chất hóa học bề mặt – các phức hoạt động; [tác nhân – xúc tác]

4 Sự chuyển nhóm các nguyên tử để tạo thành các phức bề mặt; [sản phẩm - xúc tác]

5 Nhả sản phẩm từ bề mặt

6 Khuếch tán sản phẩm trong các mao quản của chất xúc tác

7 Khuếch tán sản phẩm từ bề mặt hạt xúc tác ra khối phản ứng

Tốc độ chung của quá trình xúc tác dị thể được quyết định bằng tốc độ của giai đoạn nhỏ và được giới hạn bằng tốc độ chậm nhất

Giai đoạn 3 và 4 có đặc tính hóa học và tăng tốc độ bằng cách tăng nhiệt

độ Cơ chế của những giai đoạn này thay đổi phụ thuộc vào môi trường của các chất tham gia phản ứng và chất xúc tác

Giai đoạn 1 và 7 chậm nhất thì quá trình xảy ra trong vùng khuếch tán ngoài Muốn tăng tốc độ phản ứng phải dùng phương pháp khuấy trộn

Giai đoạn 2 và 6 hạn chế tốc độ chung thì quá trình phản ứng xảy ra trong vùng khuếch tán trong Khi đó, muốn tăng tốc độ quá trình thì phải giảm kích thước hạt và tăng kích thước mao quản Tuy nhiên, khi tăng kích thước mao quản thì lại giảm số lượng của chúng, như vậy giảm bề mặt trong Do đó, phải tìm được kích thước tối ưu mà tại đó các mao quản đủ lớn để có thể sử dụng hoàn toàn bề mặt trong với kích thước những hạt đã chọn sắn

* Ảnh hưởng của các yếu tố lên quá trình xúc tác:

Tăng nồng độ tác nhân C1, C2 hay áp suất P sẽ cường hóa quá trình ở cả hai giai đoạn khuếch tán và động học Thay đổi thành phần hỗn hợp phản ứng đôi khi thay đổi cả thành phần và hoạt độ của chất xúc tác

Đối với các quá trình xảy ra trong vùng động học, tăng nhiệt độ luôn làm tăng tốc độ của trình tiến tới gần cân bằng Do đó, quy luật thay đổi tốc độ đối với phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt hoàn toàn khác nhau:

- Hiệu suât sản phẩm của phản ứng thu nhiệt tăng tỉ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ

- Phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt, khi tăng nhiệt độ, hiệu suất cân bằng giảm liên tục Như vậy, hiệu suất thực tế sẽ tăng ở nhiệt độ thấp và giảm đi ở nhiệt độ cao, đi qua điểm cực đại tương ứng với nhiệt độ tối ưu

Tăng áp suất là một trong những cách tăng hiệu suất trong thực tế công nghiệp dùng cho phản ứng xúc tác thuận nghịch và giảm thể tích

Áp suất sẽ đóng vai trò quyết định nếu hoạt độ xúc tác và hiệu suất cân bằng của sản phẩm không cao Ví dụ như trong quá trình tổng hợp NH3 và rượu metylic

Những quá trình xúc tác tăng thể tích một cách đáng kể thì muốn tăng hiệu suất cân bằng, người ta dùng phương pháp giảm áp suất Ví dụ như trong công nghệ sản xuất sterol, điều chế butadiene: giai đoạn giải hydro, giải hydrat tiến hành trong chân không

Việc tăng nồng độ các chất phản ứng luôn luôn có tác dụng tốt lên quá trình xúc tác Tuy nhiên, đôi khi tăng mạnh nồng độ là không cho phép vì khó đưa nhiệt ra và làm giảm hoạt độ xúc tác hoặc gây nổ nguy hiểm

Thời gian tiếp xúc của các tác nhân phản ứng với chất xúc tác là một yếu

tố quan trọng Nó được xác định:

Vhh – thể tích hỗn hợp phản ứng đi qua chất xúc tác, m3/sec

Khuấy trộn hỗn hợp phản ứng với chất xúc tác Trước tiên là giảm trở lực khuếch tán ngoài Ngoài ra khuấy trộn có thể san bằng nhiệt độ trong các lớp và giảm hiện tượng đốt nóng cục bộ hay hiện tượng dư lạnh dẫn đến việc làm giảm tốc độ quá trình và hoạt độ của chất xúc tác

* Cơ chế nhiễm độc: có 2 loại:

- Nhiễm độc thuận nghịch: hoạt độ của chất xúc tác bị giảm xuống trong thời gian có mặt chất độc trong hỗn hợp phản ứng Khi đưa hỗn hợp sạch vào thì hợp chất giữa chất xúc tác và chất độc bị phân hủy, chất độc đã hấp thụ vào sẽ thăng hoa và được tách ra cùng với sản phẩm phản ứng

- Nhiễm độc không thuận nghịch: chất xúc tác đã bị nhiễm độc phải lấy ra khỏi thiết bị và thay thế bằng chất xúc tác mới hoặc đem tái sinh lại

dG

dk k.

* Phòng tránh nhiễm độc xúc tác:

Để tránh cho các chất xúc tác không bị nhiễm độc thì hỗn hợp nguyên liệu phản ứng phải làm sạch sơ bộ trước khi đưa vào thiết bị phản ứng Có thể dùng các phương pháp:

- Hấp thụ hơi độc từ hỗn hợp khí bằng các dung môi hòa tan chọn lọc

Khối tiếp xúc bao gồm: chất xúc tác, chất hoạt động và chất mang

Chất hoạt động hay là chất kích động là những chất làm tăng hoạt độ của chất xúc tác chính

Chất mang là những chất xốp, trơ, chịu nhiệt và bằng phương pháp nào đó mang chất xúc tác trên mình Bằng cách này nó sẽ làm tăng bề mặt chất xúc tác, truyền cho khối tiếp xúc cơ cấu xốp, tăng độ bền vững, ngăn ngừa cho bề mặt hoạt động khỏi bị nung chảy và kết tinh lại cũng như làm giảm giá thành khối tiếp xúc

Các chất mang cũng có thể có tác dụng như các chất hoạt động

Các chất mang thường dùng là: đá bọt, ami ăng, silicagen, alumogel, aluminosilicat, gốm, cao lanh, than…

Có những phương pháp chính để sản xuất chất xúc tác:

1 Kết tủa hydroxyt hay cacbonat từ dung dịch muối cùng với chất mang (hoặc không cần chất mang), sau đó tạo hình và nung khối tiếp xúc Đây là chất xúc tác kết tủa

2 Nén các bột để nhận chất xúc tác hỗn hợp hay là chất xúc tác với các chất hoạt động và chất mang cũng như chất kết dính

3 Nấu chảy một số chất sau đó hòa tách một trong số chúng hoặc khử kim loại từ các oxyt bằng hydro hay các khí khác

Ví dụ: Xúc tác Ni đã nhận được bằng cách nấu chảy Ni với Al, sau đó hòa tách Al