Hóa công nghệ tài liệu giảng dạy

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 n

Contents

PHẦN A HOÁ CÔNG NGHIỆP XIII

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC- SẢN XUẤT ACID 1

1 KHÁI NIỆM - VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN. 1

1.1 Một số khái niệm .1

1.2 Vai trò của công nghiệp hóa chất trong nền kinh tế quốc dân .1

2 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT HOÁ HỌC. 1

2.1 Tăng tốc độ phản ứng hóa học 2

2.2 Thực hiện các quá trình liên tục tuần hoàn kín 3

2.3 Liên hiệp giữa các xí nghiệp và nhà máy 3

2.4 Cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất 3

2.5 Tận dụng các phế thải công nghiệp chống ô nhiễm môi trường 4

3 NGUYÊN LIỆU, NƯỚC VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT. 4

3.1 Nguyên liệu: 4

3.2 Nước 4

3.3 Năng lượng trong công nghiệp hóa chất 5

4 MỘT SỐ KỸ THUẬT MỚI TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 5

4.1 Các quá trình quang hóa 5

4.2 Siêu âm: .5

4.3 Các quá trình hóa bức xạ 6

4.4 Các quá trình hóa plasma 6

4.5 Các quá trình hóa sinh 7

5 SẢN XUẤT ACID SUFURIC 8

5.1 Tính chất và vai trò của acid sulfuric .8

5.2 Qui trình sản xuất acid sunfuric 9

5.3 Nguyên liệu để sản xuất acid sulfuric 9

5.4 Chế tạo hỗn hợp khí SO 2 10

5.5 Tinh chế hỗn hợp khí SO 2 12

5.6 Oxy hóa SO 2 thành SO 3 bằng xúc tác rắn (V 2 O 5 ). 12

5.7 Hấp thụ SO 3 14

6 TỔNG HỢP AMONIAC VÀ SẢN XUẤT ACID NITRIC 14

6.1 Tầm quan trọng của các hợp chất chứa nitơ 14

6.2 Tổng hợp NH 3 15

6.3 Sản xuất acid nitric (HNO 3 ) 18

7 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC 20

7.1 Tính chất và ứng dụng 20

7.2 Công nghệ sản xuất acid phosphoric .21

7.3 Cô đặc acid Phosphoric 21

8 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2: ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NACL 23

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ỨNG DỤNG. 23

1.1 Một số khái niệm 23

1.2 Ứng dụng 23

2 TINH CHẾ NƯỚC MUỐI. 23

3 CÔNG NGHÊ ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ XÖT – CLOR 24

4 CHẾ BIẾN THÀNH PHẨM. 29

4.1 Chế biến kiềm thành phẩm (cô đặc dung dịch NaOH) 29

4.2 Sản xuất Cl 2 và H 2 thành phẩm 29

4.3 Tổng hợp HCl từ H 2 và Cl 2 - Sản xuất acid HCl. 29

5 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 2 29

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ SILICAT 30

1 SẢN XUẤT THUỶ TINH. 30

1.1 Nguyên liệu 30

1.2 Quá trình nấu thủy tinh: 32

1.3. Lò nấu thủy tinh: (phụ lục 2) 33

2 SẢN XUẤT PORLAND CIMENT (XIMĂNG POOCLĂNG) 33

2.1 Một số khái niệm 33

2.2 Nguyên liệu sản xuất ximăng 34

2.3 Nung luyện Clinker 34

2.4 Xử lý Clinker và tạo ximăng 35

3 SẢN XUẤT VÔI XÂY DỰNG 36

3.1 Đặc điểm chung về vôi 36

3.2 Sản xuất vôi 37

4 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 3 39

CHƯƠNG 4: SẢN XUẤT GANG THÉP 40

1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG THÉP. 40

1.1 Tính chất, vai trò của gang thép trong công nghiệp 40

1.2 Các loại gang 40

1.3 Các loại thép 41

2 LUYỆN GANG 42

2.1 Nguyên liệu dùng để luyện gang: 42

2.2 Lò cao luyện gang: 43

2.3 Nguyên lý của quá trình lò cao 44

2.4 Quá trình tạo xỉ 45

2.5 Quá trình khử lưu huỳnh 45

2.6 Quá trình cháy ở nồi lò và tạo khí 45

3 LUYỆN THÉP. 46

3.1 Cơ sở hoá lí của quá trình luyện thép 46

3.2 Các phương pháp luyện thép 47

4 MỘT SỐ QUI TRÌNH SẢN XUẤT THÉP 48

4.1 Qui trình sản xuất thép truyền thống (Phụ lục 4) 48

4.2 Quy trình sản xuất thép từ thượng nguồn của công ty Hòa Phát (Phụ lục 5) 49

4.3 Qui trình sản xuất thép hiện đại (dây chuyền ngắn) (Phụ lục 6) 49

CHƯƠNG 5: KĨ THUẬT NHIÊN LIỆU 50

1 KĨ THUẬT SẢN XUẤT KHÍ THAN 50

1.1 Ý nghĩa của khí than 50

1.2 Cơ sở hóa lý của quá trình sản xuất khí than: 50

1.4 Các kiểu công nghệ khí hóa than 52

2 KĨ THUẬT LUYỆN THAN CỐC 57

2.1 Ý nghĩa kinh tế của kĩ thuật cốc hóa 57

2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình cốc hóa than: 57

2.3 Kỹ thuật luyện cốc 59

3 KĨ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU MỎ 59

3.1 Tính chất, thành phần hóa học và ý nghĩa của quá trình chế biến dầu mỏ: 59

3.2 Xử lý dầu thô 60

3.3 Chế biến dầu mỏ 61

3.4 Chế biến các sản phẩm dầu mỏ 63

4 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 5 65

CHƯƠNG 6: KĨ THUẬT SẢN XUẤT MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ 66

1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT – CHẤT TẨY RỬA 66

1.1 Khái niệm 66

1.2 Phân loại 66

1.3 Nguyên liệu 67

1.4 Nguyên tắc sản xuất xà phòng 67

1.5 Các phương pháp nấu xà bông 68

1.6 Một số qui trình sản xuất xà phòng 68

2 TỔNG HỢP CHẤT MÀU. 69

2.1 Cấu tạo và màu sắc của các chất 70

2.2 Màu phẩm nhuộm: 71

2.3 Màu thực phẩm 72

2.4 Tổng hợp một số chất màu: 72

3 CÔNG NGHỆ ENZYME 74

3.1 Khái miệm, phân loại enzyme 74

3.2 Phương pháp nghiên cứu enzyme 75

3.3 Công nghệ sản xuất enzyme: 84

4 SẢN XUẤT ETHANOL 85

4.1 Các phương pháp sản xuất: 85

5 CHẤT DẺO 88

5.1 Một số polime dùng làm chất dẻo 88

5.2 Một số công nghệ tạo sản phẩm nhựa: 89

6 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 6 90

CHƯƠNG 7: KĨ THUẬT SẢN XUẤT MỘT SỐ HỢP CHẤT HÓA DƯỢC LIỆU 91

1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA DƯỢC LIỆU 91

1.1 Khái niệm 91

1.2 Phân loại 91

2 MỘT SỐ ĐỘNG VẬT DÙNG TRONG DƯỢC LIỆU. 94

2.1 Mật động vật 94

2.2 Các bài thuốc từ sừng động vật 95

2.3 Cao động vật 95

3 CÁC CHẤT VÔ CƠ DÙNG TRONG DƯỢC LIỆU: 96

3.1 Các nguyên tố đa lượng: 96

3.2 Các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng: 97

3.3 Các kim loại nặng 97

3.4 Một số tác dụng của hợp chất kim loại khác 98

4 MỘT SỐ THẢO MỘC D NG TRONG DƯỢC LIỆU. 99

4.1 Một số thảo mộc có thành phần các acid hữu cơ: 99

4.2 Carbohydrat: 99

4.3 Glycosid tim 100

4.4 Saponin 101

4.5 Anthraquinon 102

4.6 Tanin 103

4.7 Flavonoid 104

4.8 Tinh dầu 106

4.9 Nhựa 107

4.1 Chất b o 108

4.11.Alkaloid 109

4.12.Kháng sinh thực vật 110

5 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 7 110

PHẦN B HOÁ NÔNG NGHIỆP 111

CHƯƠNG 8 PHẦN MỞ ĐẦU 111

1 ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NHIỆM VỤ CỦA HÓA NÔNG NGHIỆP 111

2 QUI TRÌNH - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 111

3 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 8 111

CHƯƠNG 9 HÓA HỌC VỀ DINH DƯỠNG CỦA CÂY TRỒNG 112

1 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CÂY TRỒNG 112

1.1 Thành phần nguyên tố hóa học trong cây trồng 112

1.2 Vai trò của các nguyên tố dinh dưỡng đối với cây trồng 113

2 DINH DƯỠNG CỦA CÂY XANH TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ: 117

2.1 Quá trình quang hợp 117

3 DINH DƯỠNG CỦA CÂY TRỒNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT: 118

3.1 Đặc tính hấp thụ chất dinh dưỡng: 118

4 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 9 119

CHƯƠNG 10: THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA ĐẤT 120

1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐẤT VÀ KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT: 120

1.1 Quá trình hình thành đất: 120

1.2 Các yếu tố tác động đến quá trình hình thành đất 122

2 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA ĐẤT: 123

2.1 Khái niệm về đất 123

2.2 Thành phần khí, dung dịch đất và thành phần rắn của đất: 124

2.3 Hàm lượng chất dinh dưỡng tổng số và hàm lượng chất dinh dưỡng dễ tiêu trong đất: 128

3 TÍNH CHẤT NÔNG HÓA CỦA ĐẤT 129

3.1 Keo đất: 129

3.2 Phân loại keo đất 130

3.3 Khả năng hấp phụ của đất 132

3.4 Ảnh hưởng của keo đất, khả năng hấp phụ đến tính chất đất và chế độ bón phân và cải tạo đất 136

4 ĐẤT CHUA VÀ BIỆN PHÁP NÔNG HÓA CẢI TẠO ĐẤT CHUA 137

4.1 Khái quát về đất chua 137

4.2 Độ chua hiện tại 138

4.3 Độ chua tiềm tàng: 138

4.4 Biện pháp nông hoá cải tạo đất chua: 139

5 ĐỘ KIỀM CỦA ĐẤT (ĐẤT MẶN): 140

5.1 Khái niệm và nguyên nhân 140

5.2 Cải tạo đất kiềm 140

5.3 Cải tạo đất mặn … 141

6 CẢI TẠO ĐẤT PHÈN - ĐẤT BẠC MÀU: 142

6.1 Cải tạo đất phèn 142

6.2 Đất bạc màu 143

7 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 1 143

CHƯƠNG 11 HÓA HỌC VỀ PHÂN BÓN 144

1 PHÂN BÓN VÀ VAI TRÒ CỦA PHÂN BÓN: 144

1.1 Định nghĩa phân bón 144

1.2 Các loại phân 144

1.3 Tình hình sử dụng phân hóa học trên thế giới và ở việt nam 144

2 PHÂN ĐẠM VÀ VAI TRÒ CỦA PHÂN ĐẠM 144

2.1 Khái niệm phân đạm 144

2.2 Vai trò của phân đạm 145

2.3 Nitơ và những phản ứng hóa học của các hợp chất chứa nitơ trong đất 145

2.4 Chu trình biến đổi của nitơ trong tự nhiên 146

2.5 Các dạng phân đạm 146

3 PHÂN LÂN VÀ VAI TRÒ CỦA PHOSPHOR TRONG DINH DƯỠNG THỰC VẬT: 150

3.1 Định nghĩa 150

3.2 Một số vai trò chính của phosphor: 150

3.3 Phosphor trong đất 151

3.4 Các dạng phân lân 152

4 PHÂN KALI 154

4.1 Vai trò của kali trong cây 154

4.2 Các loại phân kali 155

5 PHÂN HỖN HỢP – PHÂN PHỨC HỢP 156

5.1 Phân hỗn hợp 156

5.2 Phân phức hợp 156

5.3 Lợi ích của việc sử dụng phân hỗn hợp và phân phức hợp 157

6 PHÂN VI LƯỢNG – VI SINH 157

6.1 Phân vi lượng 157

6.2 Phân vi sinh 159

7 PHÂN HỮU CƠ VÀ PHÂN XANH 160

7.1 Phân chuồng: 160

7.2 Phân xanh 162

8 CHẾ ĐỘ BÓN PHÂN, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG PHÂN CẦN BÓN. 162

8.1 Chế độ bón phân 163

8.2 Các phương pháp xác định lượng phân cần bón 163

9 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 11 164

CHƯƠNG 12: HÓA HỌC BẢO VỆ THỰC VẬT 165

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM, THÀNH PHẦN VÀ CẤU TẠO CHẤT ĐỘC. 165

1.1 Một số khái niệm 165

1.2 Quan hệ giữa thành phần, cấu tạo hóa học và tính độc 166

1.3 Tác động của chất độc: 167

2 PHÂN LOẠI NHÓM VÀ CÁC DẠNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT. 168

2.1 Các nhóm thuốc bảo vệ thực vật 168

2.2 Các dạng thuốc bảo vệ thực vật 168

3 TÁC DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP PHUN THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT. 169

3.1 Tác dụng của thuốc bảo vệ thực vật 169

3.2 Phương pháp sử dụng 170

4 CÁC QUY TẮC TUÂN THỦ KHI SỬ DỤNG THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT 170

4.1 Quy tắc an toàn trong sử dụng thuốc 170

4.2 Hướng dẫn pha thuốc bảo vệ thực vật 172

4.3 Triệu chứng nhiễm độc thuốc bảo vệ thực vật và hướng dẫn cách sơ cứu: 172

5 THÔNG TIN CẦN BIẾT NHẬN DIỆN THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT 173

5.1 Cách đọc tên và ký hiệu trên nhãn thuốc: 173

5.2 Thông tin về các nhóm thuốc 174

6 TIẾP CẬN CÁC MÔ HÌNH NÔNG NGHIỆP SẠCH. 176

6.1 Mô hình công nghệ sinh thái trên đồng ruộng 176

6.2 Quy trình trồng rau an toàn 178

6.4 Trồng rau theo tiêu chuẩn Vietgap 180

7 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 12. 180

PHẦN C PHẦN THỰC HÀNH 181

BÀI 1: QUY TẮC VÀ KỸ NĂNG LÀM VIỆC TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM 181

1 QUY TẮC LÀM VIỆC VỚI CHẤT ĐỘC, CHẤT DỄ CHÁY, DỄ NỔ 181

1.1 Các chất độc 181

1.2 Các chất dễ cháy, dễ bắt lửa 181

1.3 Các chất dễ nổ 182

2 RỬA VÀ LÀM KHÔ DỤNG CỤ 182

3 ĐUN NÓNG 183

4 ĐO VÀ ĐIỀU HOÀ NHIỆT ĐỘ 183

5 KHUẤY, TRỘN, LẮC 183

6 LÀM KHÔ VÀ CHẤT LÀM KHÔ 184

6.1 Làm khô 184

6.2 Các chất làm khô 185

7 ĐUN NÓNG VÀ LÀM LẠNH 185

7.1 Đun nóng 185

7.2 Làm lạnh 185

8 LỌC, GẠN, ÉP, LI TÂM 186

8.1 Lọc dưới áp suất thường 186

8.2 Lọc dưới áp suất thấp 186

9 PHƯƠNG PHÁP LÀM HAY HƠI DUNG MÔI 187

10 CÁCH XỬ LÝ HÓA CHẤT DƯ HAY PHẾ THẢI 187

11 CÁCH SƠ CỨU 187

12 PHẦN THỰC HÀNH 188

BÀI 2: TỔNG HỢP XÀ PHÒNG 189

1 Ý NGHĨA 189

2 NGUYÊN TẮC 189

3 NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT XÀ PHÒNG 189

3.1 Hữu cơ 189

3.2 Vô cơ … 189

4 THỰC NGHIỆM: 190

4.1 Hóa chất và dụng cụ 190

4.2 Tiến hành 190

5 CÂU HỎI: 190

BÀI 3: CARBON – PHẨM MÀU 191

1 Ý NGHĨA: 191

1.1 Than hoạt tính 191

1.2 Thuốc nhuộm 191

2 NGUYÊN TẮC – NGUYÊN LIỆU: 191

2.1 Than hoạt tính … 191

2.2 Tổng hợp parared 191

3 THỰC NGHIỆM: 192

3.1 Dụng cụ hóa chất: 192

3.2 Cách tiến hành: 193

BÀI 4: XÁC ĐỊNH CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT (PHƯƠNG PHÁP WALKLEY – BLACK) 194 1 MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA: 194

2 NGUYÊN TẮC: 194

3 THỰC NGHIỆM: 194

3.1 Hóa chất và dụng cụ 194

3.2 Cách pha: 194

3.3 Tiến hành thí nghiệm 195

3.4 Tính kết quả: 195

4 CÂU HỎI: 196

BÀI 5: XÁC ĐỊNH DUNG TÍCH HẤP PHỤ CỦA ĐẤT (PHƯƠNG PHÁP ALÔSIN) 197

1 MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA: 197

2 NGUYÊN TẮC. 197

3 THỰC NGHIỆM: 197

3.1. Hóa chất và dụng cụ: dùng cho 1 tiểu nhóm từ 2 – 4 sinh viên 197

3.2 Tiến hành thí nghiệm: 197

4 CÂU HỎI: 198

BÀI 6: NHẬN DIỆN MỘT SỐ LOẠI PHÂN HÓA HỌC – 199

NHÓM PHÂN ĐẠM VÀ KALI 199

1 MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA: 199

2 NGUYÊN TẮC: 199

2.1 Nhận diện phân đạm có gốc amoni (NH 4 + ) bằng dung dịch kiềm: 199

2.2 Nhận diện phân kali 199

2.3 Nhận diện gốc Cl trong phân cloride 199

2.4 Nhận diện gốc SO 4 trong phân sulfat 199

2.5 Nhận diện gốc NO 3 trong phân nitrat 199

2.6 Nhận diện phân urê 199

3 THỰC NGHIỆM: 199

3.1 Hóa chất và dụng cụ 199

3.2 Tiến hành thí nghiệm phần định tính: 200

3.3 Dùng các phản ứng hóa học đặc trưng để nhận biết các ion 200

4 CÂU HỎI: 201

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 Độ tinh khiết của sản phẩm xút và hàm lƣợng tạp chất 27

Bảng 3 Hàm lƣợng tạp chất trong sản phẩm xút theo công nghệ màng trao đổi ion 28

Bảng 4 Thành phần khí than khô đi từ than cốc và than nâu 51

Bảng 7 Mối liên hệ giữa bức sóng hấp thụ vào màu sắc của vật hấp thụ 70

Bảng 9 Trọng lƣợng phân tử đƣợc lọc qua các sephadex có ký hiệu từ G10 đến G200 81

Bảng 10 Khối lƣợng các nguyên tố dinh dƣỡng trong đất 128

Bảng 12 Hàm lƣợng chất dinh dƣỡng trong bộ phận của cây 162

Bảng 18 Một số ý nghĩa của kí hiệu đối với các hóa chất nguy hiểm 181

Bảng 19 Giá trị nhiệt độ tùy thuộc vào bản chất của các muối 185

Hình 6 Sơ đồ một nhà máy sản xuất acid sulfuric - với công nghệ đốt lưu huỳnh và tiếp

Hình 18 Cấu tạo lò hóa khí tầng cố định kiểu ngược chiều 53

Hình 21 Sơ đồ lưu trình công nghệ chưng cất dầu mỏ ở áp suất thường 60 Hình 22 Sơ đồ tinh chế các sản phẩm dầu mỏ bằng kiềm 62 Hình 23 Sơ đồ lưu trình cracking nhiệt dầu mazut ở áp suất cao 63

Hình 25 Thẩm tích để loại muối (NH4)2SO4 trong kết tủa protein 79

Hình 27 Sơ đồ sản xuất ethanol bằng hydrat hóa trực tiếp ethylen 87

Hình 30 Sơ đồ mối quan hệ giữa cây trồng, đất, phân bón và thuốc bảo vệ thực vật 111

Hình 36 Dây chuyền sản xuất Urê của nhà bản quyền Snam Proggeti (Italia) 149

Hình 40 Bộ phễu lọc buchner; phễu lọc xốp; phễu lọc sứ … 186

PHẦN A HOÁ CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC- SẢN XUẤT ACID

1 KHÁI NIỆM - VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN

1.1 Một số khái niệm

Công nghệ hóa học là một quá trình mà điểm khởi nguồn là sự suy nghĩ của nhà hóa học đến bàn tay, khối óc của các kỹ sư, công nhân chuyên nghiệp, các kỹ thuật máy móc hiện đại và điểm cuối cùng là người tiêu dùng với chi phí thấp nhất

Nhà hóa học nghiên cứu quy trình công nghệ, tính toán và viết ra quy trình này trên giấy Từ những nghiên cứu về lý thuyết đó, người ta kiểm nghiệm lại chúng trong phòng thí nghiệm Sau quá trình kiểm nghiệm, quy trình được hoàn thiện, bổ sung, sửa chữa những điểm cần thiết và thể hiện lại trên giấy Nhà kỹ thuật dựa trên quy trình ấy, thiết kế ra máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất Những máy móc này được chuyển tới nhà máy, xí nghiệp và được vận hành bởi các kỹ sư, công nhân kỹ thuật Từ đó, biết bao nhiêu sản phẩm cần thiết cho cuộc sống đã ra đời

Chính quá trình đó đã biến những nguyên liệu có sẵn trên hành tinh chúng ta như các khoáng chất, không khí, nước và động thực vật, thậm chí cả rác thải thành các sản phẩm hữu ích, phục vụ và

nâng cao cuộc sống cho con người, thông qua một chuỗi các thao tác trên các thiết bị khác nhau Điều này cũng có nghĩa là trong công nghệ sản xuất của bất kỳ một sản phẩm hiện đại nào đều chứa

đựng rất nhiều công đoạn Mỗi công đoạn ấy lại sử dụng một hay nhiều kỹ thuật đặc thù nhằm đạt hiệu quả cao nhất

Công nghệ hóa học hiện nay không chỉ bó gọn trong lĩnh vực hóa học mà một nhà công nghệ hay

kỹ sư hóa học phải là một chuyên gia đa năng Tức là muốn sản xuất một sản phẩm hóa học nào đó,

họ không những phải hiểu sâu sắc về hóa học, hóa - lý mà còn phải biết tính toán, thiết kế, lựa chọn nguyên liệu, năng lượng rồi triển khai sản xuất sao cho đạt hiệu quả cao nhất với chi phí thấp nhất

1.2 Vai trò của công nghiệp hóa chất trong nền kinh tế quốc dân

1.2.1 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

1.2.2 Phương hướng hiện nay của ngành hoá học thế giới là giải quyết và phát triển các mối quan hệ liên quan:

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

- Cơ khí hoá các quá trình lao động

- Tự động hoá và điều khiển từ xa, thay các quá trình gián đoàn thành quá trình liên tục

- Sử dụng tổng hợp nguyên liệu

- Liên hiệp các xí nghiệp sản xuất hoá học liên quan

2 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT HOÁ 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 qui mô công nghiệp phụ thuộc rất nhiều

yếu tố Ngoài việc nghiên cứu động học các chuyển hoá hoá học cơ bản để chọn lựa cấu tạo thiết bị, xác định các tính chất như độ bền hoá, bền nhiệt, bền cơ học của thiết bị, nó còn giúp lựa chọn nguyên liệu và tổ chức lực lượng lao động phù hợp Tổ chức một quá trình sản xuất phải tính đến yếu tố kinh tế, tính kinh tế phụ thuộc

- 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

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

hóa học Nếu 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:

mA + nB = qD

Phương trình tổng quát biểu thị tốc độ phản ứng: v = dC

dt

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

- Với phản ứng một chiều diễn ra trong hệ đồng thể: V = k.C Cma nb

- 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

V = k ∆C.F ; với: ∆C - Các yếu tố nồng độ; F - Diện tích tiếp xúc

2.1.1 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

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

2.1.2 Sử dụng xúc tác thích hợp: Dùng xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa E nên tăng

hằng số tốc độ k vì vậy làm tăng vận tốc phản ứng Trong thực tế, hầu hết các quá trình sản xuất hóa học đều sử dụng các chất xúc tác để làm tăng tốc độ Rất nhiều quá trình nếu thiếu chất xúc tác,

trong điều kiện bình thường phản ứng hóa học xảy ra rất chậm, thậm chí hầu như không xảy ra, nhưng khi có mặt xúc tác thích hợp, ở nhiệt độ thích hợp thì phản ứng xảy ra nhanh gấp hàng triệu lần Công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ càng cần có xúc tác Ngoài các xúc tác hóa học còn

có các xúc tác vi sinh

2.1.3 Tăng nhiệt độ phản ứng: Khi tăng nhiệt độ sẽ tăng hằng số tốc độ của phản ứng

Trong sản xuất hóa học hầu hết các phản ứng đều diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường, có khi rất cao.Về mặt lí thuyết nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, nhưng ở nhiệt độ cao nhiều chất bị phân hủy, sự ăn mòn thiết bị rất nhanh, tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình sản xuất nên sự tăng nhiệt

độ cần phù hợp với tình hình thực tế sản xuất

2.1.4 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 mạnh 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

2.2 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 dàng tự 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 điều kiện phản ứng ban đầu để tận dụng triệt để nguyên liệu, hiệu suất chuyển hóa Quá trình như vậy gọi là quá trình liên tục tuần hoàn kín

2.3 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 nguyên 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 hóa chất

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 (sinh viên phân tích cụ thể)

2.4 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 nguyên liệu còn bởi nguyên nhân sau:

- Các phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị thường ở điều kiện nhiệt độ cao, áp suất 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

Vậy Cơ khí hóa, tự động hóa quá trình sản xuất là một yêu cầu tất yếu khách quan không phải

chỉ vì mục đích kinh tế mà còn vì an toàn đối với con người

2.5 Tận dụng các phế thải công nghiệp 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 acid sulfuric 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, oxide kim loại asen và selen

- Sử dụng phế thải làm giảm giá thành của sản phẩm chính, chống ô nhiễm môi trường

- 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

3 NGUYÊN LIỆU, NƯỚC VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT 3.1 Nguyên liệu:

Nguyên liệu là tất cả những vật liệu thiên nhiên dùng trong công nghiệp để sản xuất ra sản phẩm

Ví dụ: khí cốc là nguyên liệu chủ yếu trong tổng hợp hữu cơ

Theo trạng thái tập hợp, nguyên liệu chia thành ba loại: rắn (than…), lỏng (dầu mỏ), khí (khí thiên nhiên) Theo thành phần, nguyên liệu gồm hai loại: vô cơ và hữu cơ

Nguyên liệu theo nguồn gốc: thiên nhiên (than) và nhân tạo (khí công nghiệp)

Nguyên liệu đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp hóa chất Nó không những ảnh hưởng lớn đến chất lượng và giá thành sản phẩm mà còn quyết định công nghệ sản xuất sản phẩm và tính kinh tế của công nghệ Chi phí về nguyên liệu chiếm tới 60% giá thành sản phẩm Cùng một sản phẩm có thể sản xuất từ nguyên liệu khác nhau Từ một nguyên liệu, có thể điều chế nhiều sản phẩm

Ví dụ: Điều chế rượu etylic có thể đi từ tinh bột hoặc etylen Benzen dùng làm dung môi, là nguyên liệu quan trọng để điều chế phenol, clorbenzen…

Trong công nghiệp hóa chất, ngoài nguyên liệu ra còn có các vật liệu phụ khác như: chất xúc tác, dung môi, nhiên liệu, chất trợ dung, chất tẩy rửa, tinh chế

3.2 Nước

Có ba loại: Nước khí quyển như nước mưa; Nước mặt đất bao gồm nước hồ, ao, sông ngòi, nước

biển; Nước ngầm là nước giếng, nước mạch, giếng phun

Nước có vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa chất Vì nước là một trong những nguyên liệu thiên nhiên được dùng trong công nghiệp hóa chất Trong công nghiệp hóa chất nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau:

- Dùng như một chất phản ứng, tham gia trực tiếp vào phản ứng tạo ra sản phẩm

Ví dụ: nước tham gia vào các phản ứng tạo H2SO4, HNO3, CH3CH2OH

- Dùng làm dung môi

- Dùng làm môi trường, tạo bọt trong quá trình tuyển nổi hoặc tuyển bằng các phương pháp ướt, làm môi trường tạo huyền phù và nhũ tương Nước với số lượng lớn là chất tải nhiệt

Các yêu cầu về chất lượng của nước:

Chất lượng của nước được quyết định bởi các đặc trưng hóa học và vật lí như màu, mùi, độ trong, nhiệt độ, tổng hàm lượng muối, độ cứng, tính oxy hóa và độ PH Độ cứng của nước tạo bởi muối canxi và magnesium Có ba loại độ cứng:

- Độ cứng tạm thời, khi nước sôi các muối chuyển thành muối carbonat không hòa tan và bị kết tủa Phương trình: Ca(HCO3)2 t o CaCO3 + H2O + CO2

- Độ cứng vĩnh viễn, muối trong nước sôi ở trạng thái tan

- Độ cứng toàn phần là tổng hai độ cứng trên

3.3 Năng lượng trong công nghiệp hóa chất: Năng lượng được sử dụng không những để tiến

hành các quá trình công nghệ mà còn dùng để thực hiện các mục đích khác như vận chuyển nguyên vật liệu, đập, nghiền… Các dạng năng lượng chủ yếu dùng trong công nghiệp hóa chất:

- Điện năng: dùng trực tiếp để thực hiện phản ứng hóa học, làm sạch nguyên vật liệu và được chuyển hóa thành cơ năng để chạy các máy móc và thiết bị

- Nhiệt năng: dùng để làm nóng các chất phản ứng, thực hiện các quá trình biến đổi vật lí: tăng nhiệt độ, cô đặc, sấy khô, nấu chảy, chưng cất…

- Quang năng: năng lượng ánh sáng dùng để thực hiện các phản ứng quang hóa

Trong các dạng năng lượng, nhiệt năng là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp hóa học

4 MỘT SỐ KỸ THUẬT MỚI TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

4.1 Các quá trình quang hóa

Quang hóa học là một bộ phận của động hóa học nghiên cứu những phản ứng diễn ra do tác dụng của ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại có bước sóng xấp xỉ từ 8000 đến 200 Ao Các phản ứng có thể thực hiện trong pha khí, lỏng và rắn Chúng có thể là phản ứng phân hủy hay tổng hợp, hoặc phản ứng oxy hóa – khử, phản ứng cộng, dime hóa, đồng phân hóa… Phản ứng quang hóa sử dụng trong quang hợp của thực vật; chụp ảnh; sự phát huỳnh quang, lân quang; một số phản ứng quang xúc tác cần chất bán dẫn như oxide của Zn, Cd, Sn

4.2 Siêu âm: Sóng siêu âm có chiều dài sóng khoảng 10cm – 10-3 cm, với chiều dài sóng này thì không tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làm đứt liên kết hóa học) Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do

nó gây nên một hiện tượng vật lý đó là cavitation, quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng

(môi trường đồng thể lỏng rất khác so với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng)

Siêu âm thường sử dụng trong lĩnh vực polymer và nguyên liệu tổng hợp sinh học - nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như phẩm màu, mùi vị, hương thơm, … Một ứng dụng khác của siêu âm là điều chế kim loại dạng vô định hình Siêu âm có thể làm lạnh nhanh kim loại nóng chảy, làm kim loại chuyển từ lỏng sang rắn trước khi nó chuyển sang dạng kết tinh, ứng dụng mới của siêu

âm là tổng hợp những pha đặc biệt ở nhiệt độ thấp Ví dụ, pentacarbonyl sắt phân hủy với siêu âm cho ra sắt vô định hình gần như tinh chất

Sử dụng siêu âm trong xúc tác, phản ứng có xúc tác rất quan trọng trong cả phòng thí nghiệm và ứng dụng trong công nghiệp Xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà không cần phải tăng nồng độ tác chất Siêu âm là một ứng dụng rất quan trọng trong cả hai xúc tác đồng thể và dị thể Xúc tác dị thể thường được ứng dụng trong công nghiệp nhiều hơn xúc tác đồng thể - trong công nghiệp khai thác dầu mỏ, một loạt những sự chuyển hóa xúc tác dị thể được thực hiện liên tục Xúc tác cũng được sử dụng trong xe hơi để chuyển hóa khí thải làm hạn chế ô nhiễm Hơn nữa, siêu âm có một loạt các ứng dụng trong công nghiệp như tạo hệ nhũ tương, loại khí bằng dung môi, tạo hệ phân tán rắn, tạo

hệ keo Đặc biệt được ứng dụng trong các quá trình xử lý chất rắn như cắt, hàn, làm sạch kết tủa Trong tương lai, việc sử dụng siêu âm để điều khiển phản ứng hóa học sẽ rất đa dạng Nó sẽ trở thành công cụ phổ biến gần như trong bất cứ phản ứng nào có sự hiện diện của một chất rắn và một chất lỏng Trong lĩnh vực phát triển xúc tác, siêu âm tạo ra được bề mặt có diện tích lớn, làm tăng hoạt tính của chất xúc tác

4.3 Các quá trình hóa bức xạ

Các bức xạ năng lượng cao có khả năng ion hóa các chất tham gia phản ứng, làm xảy ra các chuyển hóa hóa học Các bức xạ ấy là các dao động điện từ tần số cao (tia X, tia γ) và các phân tử có năng lượng cao (các hạt α và β, electron¸ các mảnh vỡ hạt nhân)

Tia bức xạ truyền năng lượng cho các chất tham gia phản ứng, kèm theo ion hóa và kích động electron các phân tử Ngoài ra, bức xạ còn làm tách electron các lớp trong và truyền năng lượng cho chúng Các electron thứ cấp lại ion hóa và hoạt hóa các phân tử khác Dùng bức xạ có thể thay đổi hoạt độ và độ chọn lọc của xúc tác, nhất là các chất xúc tác bán dẫn, nhờ bố trí lại mạng lưới tinh thể, thay đổi cấu trúc electron của xúc tác

Bức xạ được dùng trong công nghiệp hóa học theo nhiều hướng Phản ứng tổng hợp hữu cơ theo

cơ chế chuỗi (hoặc gần với chuỗi) được bức xạ khởi động (clor hóa, sulfonic hóa, sulfoclor hóa, oxy hóa…) Trong điều chế các hợp chất polime, trùng hợp ethylen, tổng hợp một số monome Quá trình hóa bức xạ cũng có vai trò quan trọng trong sản xuất chất dẻo cốt thủy tinh, sơn phủ các vật kim loại, trộn các monome để phủ hay tẩm các vật liệu Hóa bức xạ còn làm biến tính các polime, tức đính mạch các phân tử polime riêng lẽ lại với nhau, nên người ta có thể tăng được độ bền cơ học và

độ chịu nhiệt của poliethylen cũng như làm rắn cao su, từ đó có thể sản xuất các loại màng, ống và cáp điện bền, chịu nhiệt, hóa rắn các vật bằng cao su

Hiện nay, ngành kĩ thuật bức xạ nghiên cứu các thiết bị hỗn hợp hóa năng lượng, vừa sản xuất điện năng, vừa sản xuất hóa chất dựa vào bức xạ

4.4 Các quá trình hóa plasma

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (trái đất tồn tại 03 trạng thái của vật chất như rắn, lỏng và khí) trong đó bằng cách thêm nhiều năng lượng hơn để hơi nước của các loại khí trở thành ion hóa quá trình ion hóa này làm cho khí trở nên dẫn điện, khí bị ion hóa này được gọi là plasma Plasma không phổ biến trên trái đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ

Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma Theo tính chất nhiệt động lực học, có plasma nóng (thermal plasma) được tạo thành ở nhiệt độ, áp suất và năng lượng cao, và plasma lạnh (non-thermal plasma, cold plasma) được tạo thành ở áp suất thường hoặc chân không, cần ít năng lượng hơn Tuy nhiên, cả hai loại này có chung đặc điểm là các tia plasma đều chứa một phần hay

toàn bộ phần khí bị ion hóa, bao gồm photon, ion hay điện tử tự do Công nghệ plasma sử dụng

năng lượng điện để tạo ra môi trường ion hóa, làm tăng động năng các hạt electron, ion và các nguyên tử, hướng chúng vào các đối tượng cần xử lý với thời gian nhanh và hiệu quả nên rất an toàn, tiết kiệm Để đơn giản hóa trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên Các ví dụ về plasma dễ thấy nhất là mặt trời, các ngôi sao và bóng đèn huỳnh quang

Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên Tạp chí The American Chemical Society Các kỹ sư tại Đại học Case Western Reserve, Hoa Kỳ, đã chế tạo pin điện hóa sử dụng plasma làm điện cực thay vì kim loại Công nghệ mới này đã mở ra hướng mới cho việc thiết kế và sản xuất pin và pin nhiên liệu từ nhiên liệu hydro, vật liệu nano tổng hợp và các loại polyme Ngoài

ra, plasma còn được ứng dụng trong việc cắt kim loại – đây là quy trình sử dụng miệng đầu phun thích hợp để làm thắt lại luồng khí ion hóa có nhiệt độ rất cao, sao cho có thể sử dụng để làm nóng chảy và cắt đứt các kim loại (Nguyễn Lý Tỉnh, 2006, tr 27)

Ngày nay công nghệ plasma còn được nghiên cứu triển khai trong khởi động lò hơi, không phải dùng dầu mazut để ổn định quá trình cháy trong buồng lửa Việc áp dụng những công nghệ này cho phép giảm thiểu sử dụng dầu mazut và than trong ngành nhiệt điện Điều quan trọng nữa là áp dụng công nghệ plasma sẽ giảm được tốc độ ăn mòn nhiệt độ cao đối với bề mặt đốt của lò hơi (tăng tuổi thọ lò hơi) đồng thời hoàn thiện được các chỉ tiêu sinh thái

Plasma lạnh còn được sử dụng trong việc xử lý nấm mốc, vi khuẩn trong các sản phẩm thô và

khô hoặc xử lý nước uống công cộng, nước thải y tế, khử mùi, diệt khuẩn làm sạch không khí, khử

khuẩn dụng cụ y tế, các bao bì thực phẩm như chai nhựa, nắp đậy mà không gây biến tính vật liệu và không để lại dư lượng trên sản phẩm Công nghệ plasma lạnh có thể xử lý việc hình thành màng sinh học trên bề mặt sản phẩm bằng cách làm sạch và khử trùng các bề mặt thực phẩm, giúp tăng khả năng chống bám vi khuẩn, như khử trùng bề mặt khô (thịt, gia cầm, cá và các sản phẩm rau quả tươi sau thu hoạch), thực phẩm dạng hạt (sữa bột, các loại thảo mộc và gia vị) và hạt giống

Nhân loại hướng về điện tổng hợp nhiệt hạch hạt nhân, xem đó như một nguồn năng lượng cứu cánh Ngược với phản ứng phân hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân Tham gia phản ứng tổng hợp nhiệt hạch thường là hạt nhân hydro nhẹ (H1, ký hiệu H) hoặc các hydro nặng deuterium (H2, ký hiệu D) và tritium (H3, ký hiệu T) Các nhiên liệu này có thể tách dễ dàng từ nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém trong quy mô công nghiệp từ các nguyên tử hydrogen (H.M, STINFO, SỐ

4, 2015)

4.5 Các quá trình hóa sinh

Hóa sinh là môn khoa học nghiên cứu đến những cấu trúc và quá trình hóa học diễn ra trong cơ thể sinh vật Nhờ các phản ứng mà các vi sinh vật tác động rất lớn đến môi trường xung quanh, làm tăng sự phức tạp của cuộc sống Từ xa xưa, người ta biết sử dụng các vi sinh vật trong việc sản xuất thực phẩm như rượu, bia, dấm, nước mắm, tương… Thời gian gần đây, người ta phát hiện rằng nhờ enzyme mà các vi sinh vật thực hiện được các phản ứng chuyển hóa

Các enzyme có tính chất xúc tác cho các phản ứng hóa sinh Hoạt tính xúc tác của enzyme rất lớn, độ chọn lọc rất cao, hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thường Phản ứng của enzyme không yêu cầu nhiều năng lượng Tuy nhiên, enzyme không chịu được nhiệt độ cao (>40 – 50 oC), môi trường acid, kiềm mạnh hay muối kim loại nặng trong thời gian dài

Ở các mỏ, lưu huỳnh tồn tại các vi khuẩn Thiobacillus ferrooxydeans và Thiobacillus thioparus; với mỏ quặng hoá antimonit có Stibiobacter, Thiobacillus "Y"; với pyrit yếm khí trong than và những khoáng sản khác có Thiobacillus neapolitanus, Leptospirillium Phổ biến ở nhiều mỏ quặng sulfur là khuẩn Thiobacillus ferrooxydeans Ngoài ra còn có một số vi khuẩn thực hiện chức năng

khử để tách kim loại hoặc khoáng vật trong hầm mỏ hay mỏ dầu, có tên chung là khuẩn khử sulfat

Vi khuẩn sinh tồn trong điều kiện của sự phong hoá các khoáng vật quặng (các sulfur và arsenur) do chúng bị kích thích phát triển với tốc độ tăng trưởng nhanh (từ một cá thể phân ra thành 60 -70 cá thể trong một ngày đêm), cho nên hoạt động sống của vi khuẩn đã làm cho năng lượng và cơ cấu của đối tượng chuyển hoá mạnh

Ngoài ra, người ta dùng mẫu nguyên các vi sinh vật hay mô của các sinh vật cao cấp làm xúc tác trong các sản xuất (gọi là lên men), các men này được sử dụng thực hiện các phản ứng sinh hóa Tuy nhiên, phương pháp trên làm giảm độ chọn lọc của quá trình hóa học nên người ta tách enzyme ra để dùng trực tiếp Hầu hết các enzyme trong cơ thể đều ở dạng liên kết với màng còn cơ chất đi qua màng để enzyme chuyển hóa nó thành sản phẩm Trong công nghiệp thường sử dụng enzyme ở dạng hòa tan, thường chỉ sử dụng được một lần và đó là lí do để người ta tạo ra enzyme không tan

Một trong những ứng dụng chế phẩm enzyme đáng được chú ý nhất trong thời gian gần đây là dùng chất mang để gắn phức enzyme xúc tác cho phản ứng nhiều bước Ví dụ tổng hợp glutathion,

acid béo, alcaloid, sản xuất hormone…Cũng bằng cách tạo phức, người ta gắn vi sinh vật để sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải, sản xuất alcohol, amino acid…

Việc nghiên cứu ứng dụng các chế phẩm enzyme ngày càng được chú trọng ở các lĩnh vực khác nhau Trong 20 năm cuối thế kỷ XX và các năm dầu của thế kỷ XXI các enzyme khác nhau đã được ứng dụng Ở Việt Nam bước đầu đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng các enzyme trong chế biến nông sản, thực phẩm, nhất là trong lĩnh vực sản xuất bia, rượu, chế biến tinh bột Việc nghiên cứu các enzyme phục vụ nông nghiệp, công nghiệp cũng được quan tâm và có các kết quả đáng khích lệ Ví

dụ, chế phẩm enzyme mới ra đời phục vụ nông nghiệp E2001 có tác dụng tăng độ phì nhiêu đất, tăng năng suất cây trồng Đã có các nghiên cứu ứng dụng protease trong sản xuất rượu bia, rút ngắn thời

kỳ lên men cũng như sản xuất nước mắm ngắn ngày bằng công nghệ enzyme protease Enzyme amylase cũng được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đường bột, maltodextrin, mạch nha

- glucose, siro, glucose – fructose ở quy mô công nghiệp (Hóa học ngày nay, 2013)

5 SẢN XUẤT ACID SUFURIC

5.1 Tính chất và vai trò của acid sulfuric

5.1.1 Tính chất của acid sulfuric.

- Là một chất lỏng sánh như dầu, không màu, không mùi, không bay hơi, nặng gần gấp 2 lần nước (H2SO4 98% có D = 1,84 g/cm3

), 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 Acid sulfuric đặc rất háo nước nên có thể tạo hỗn hợp với nước ở bất kì tỉ lệ nào, tạo thành các loại hiđrat: H2SO4.H2O, H2SO4.2H2O, và

H2SO4.4H2O Hỗn hợp này ở nồng độ 98,3% có tỉ trọng là 1,86 tấn/cm3, nhiệt độ sôi là 338 0C Nó

có thể hút nước của các tế bào thực vật, động vật, gỗ, tinh bột làm chúng bị cháy thành than và hòa tan các oxide kim loại và đa số các kim loại

- Thuộc nhóm chất hoạt động mạnh, đặc biệt có tính oxy hóa mạnh khi đun nóng Người ta thường oxy hóa SO2 trên xúc tác rắn thành SO3, nên được gọi là phương pháp tiếp xúc Sản xuất được H2SO4 nồng độ trên 98% H2SO4 cũng tạo với SO3 thành các hợp chất: H2SO4.SO3, H2SO4.2SO3 Dung dịch của SO3 trong H2SO4 gọi là oleum

5.1.2 Vai trò của acid sulfuric

Acid sulfuric là một hóa chất thương mại rất quan trọng 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 Hàng năm, các nước trên thế giới sản xuất khoảng 160 triệu tấn H2SO4, sử dụng để sản xuất phân bón (superphosphat,amoniphosphat), thuốc trừ sâu, chất giặt tẩy rửa tổng hợp, tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu, nhôm sulfat, phẩm nhuộm, dược phẩm, chế biến dầu mỏ, ngành luyện kim, mạ điện v.v…

Với những đặc tính quan trọng của acid sulfuric và nhu cầu lớn của nền sản xuất công nghiệp hoá học mà hầu như mọi ngành sản xuất hóa học trên thế giới đều trực tiếp hoặc gián tiếp sử dụng acid sulfuric Vai trò quan trọng đó được thể hiện rất cụ thể thông qua tình hình sản xuất acid sulfuric trên thế giới và trong nước

Tình hình xản suất acid sulfuric trên thế giới: Theo Global acid sulfuric thống kê của năm nước đứng đầu thế giới về sản xuất acid sulfuric là Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Nga và Morocco trong năm

2012 tốc độ sản xuất của acid này khoảng 230,7 triệu tấn; năm 2014 khoảng 284,3 triệu tấn và sẽ vượt quá 267 triệu tấn trong năm 2016 Các nước XHCN ở Châu Á vẫn là thị trường chính, chiếm khoảng 23% lượng tiêu thụ trên thế giới, tiếp theo là Mỹ tiêu thụ khoảng 20% Các nước Ở Châu Phi, Trung và Nam Mỹ, Tây âu tiêu thụ khoảng 10% Các công ty hóa chất trong nước đang sản xuất acid tại khu vực Miền Bắc có Nhà máy Nhà máy Supe phosphat Lâm Thao- Phú Thọ, Phân đạm Hà Bắc, Phân lân Nung chảy Văn Điển và các nhà máy sản xuất pin điện… Khu vực miền Nam có Công ty Hóa chất Cơ bản miền Nam gồm 04 đơn vị trực thuộc là Nhà máy Hóa Chất Biên Hòa

(VICACO), Nhà máy Hóa Chất Tân Bình (COPHATA), Nhà máy Hóa Chất Đồng Nai và Nhà máy Hóa Chất Thủ Đức (Merchant Research & Consulting, 2014)

5.2 Qui trình sản xuất acid sunfuric

Có ba công nghệ thông dụng để sản xuất acid sulfuric là công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx và công nghệ CaSO4 Nhưng phổ biến nhất là công nghệ tiếp xúc Nguyên lý chung của các công nghệ tiến hành qua 3 giai đoạn:

5.2.1 Ðiều chế SO 2 :

Khí SO2 được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau, có thể từ lưu huỳnh và quặng pyrit,

chalkopyrit, sphalerit, galenit, CaSO4, các loại khí rửa, khí thải chứa lưu huỳnh oxyde,

5.2.2 Oxy hóa SO 2 thành SO 3 : SO2 được oxy hóa thành SO3 trong các thiết bị tiếp xúc

hiệu quả kinh tế cao hơn

5.3.1 Lưu huỳnh (S): Lưu huỳnh là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất H2SO4 Trong tự nhiên có các mỏ lưu huỳnh Quá trình sản xuất H2SO4 từ lưu huỳnh đơn giản hơn các nguồn nguyên liệu khác bởi vì nhiệt độ đốt cháy lưu huỳnh thấp và quá trình tinh chế SO2 đơn giản Các nước có

nhiều lưu huỳnh là Mỹ, Nga, Canada…

5.3.2 Quặng pirit (FeS 2 ): Thành phần chủ yếu của quặng pirit là FeS2, ngoài ra còn có pirit của kim loại màu, các hợp chất của niken, asen, Selen, đồng silic, nhôm, canxi, bạc, vàng Vì vậy hàm lượng S trong quặng chỉ khoảng 50% Ở Việt Nam, hàm lượng S trong quặng chỉ khoảng 15% nên chưa dùng trực tiếp làm nguyên liệu sản xuất acid sulfuric, phần lớn các công ty hóa chất phải nhập nguyên liệu từ nước ngoài Pirit sắt nguyên chất chứa 53,44% S và 46,56% Fe, có màu

CaSO4 + C → SO2 + CaO + CO 5.3.4 Các chất phế thải công nghiệp chứa hợp chất của lưu huỳnh

Khí thải của lò luyện gang thép, lò luyện kim màu…có chứa SO2 với hàm lượng tương đối lớn có thể dùng để sản xuất H2SO4 Khí hydro sulfur H2S sinh ra trong lò cốc hoặc tách ra từ quá trình chế biến dầu mỏ cũng được dùng làm nguồn nguyên liệu điều chế khí SO2 để sản xuất H2SO4

Một số ngành gia công kim loại có nước thải chứa nhiều acid H2SO4 cũng được sử dụng để thu hồi cung cấp H2SO4 cho các ngành không cần H2SO4 độ tinh khiết

Phản ứng từ khí sulfua hydro: 2 H2S + 3O2 to 2SO2+ 2H2O

5.4 Chế tạo hỗn hợp khí SO 2

5.4.1 Nguyên liệu ban đầu là S

Theo thống kê, sản lượng acid sulfuric trên thế giới được sản xuất từ lưu huỳnh, oxy và nước

là 65% theo công nghệ tiếp xúc Trong giai đoạn đầu quặng bị nấu chảy trong một lò làm việc bán liên tục, có nhiều ngăn Dùng không khí để nóng để đốt quặng chứa lưu huỳnh làm tan chảy, hóa hơi lưu huỳnh, một phần có thể bị cháy thành khí SO2 - khí này được thu hồi để sản xuất acid sulfuric Quặng chứa trên 18% lưu huỳnh mới dùng làm nguyên liệu Hiệu suất tách lưu huỳnh bằng phương pháp này có thể đạt tới 98% Sau khi thu được lưu huỳnh từ quặng, qua các giai đoạn tinh chế, lưu huỳnh được hóa lỏng và phun vào lò đốt cùng với không khí

S (rắn) + O2 (khí)  to SO2 (khí) + Q (20,7kJ) Phản ứng không thuận

nghịch Tốc độ phản ứng tăng khi

nhiệt độ và nồng độ các chất oxy

hóa trong hỗn hợp khí tăng Nhiệt

độ phản ứng tăng nhờ nhiệt tỏa ra

trong quá trình phản ứng Tùy theo

cấu tạo của lò nhiệt độ có thể trong

khoảng 1200 0C thì phản ứng diễn

ra rất nhanh và lưu huỳnh cháy

hoàn toàn Người ta có thể điều

chỉnh nhiệt độ bằng cách dùng không khí bổ sung vào lò đốt, lưu huỳnh phải đập nhỏ, nấu chảy, lọc

để loại bỏ tạp chất, lưu huỳnh dạng lỏng được nén đưa vào lò đốt sẽ hóa hơi và cháy thành khí SO2đạt giá trị khoảng 16%

Cấu tạo lò: lò đốt lưu huỳnh có cấu trúc hình ống chia làm nhiều ngăn, lưu huỳnh bị đốt cháy hoàn toàn ở ngăn cuối cùng, vỏ lò bằng thép, phía trong lát gạch chịu lửa (Phùng Tiến Đạt và Trần Thị Bính, 2004, tr.84)

5.4.2 Nguyên liệu ban đầu là quặng pirit:

 Các phản ứng xảy ra trong lò đốt pirit

+ Khi đốt ở nhiệt độ khoảng 600 0C và thiếu oxy quặng pirit phân hủy thành hơi S2 và FeS

2FeS2 600 C o

2FeS + S2(h) ∆H > 0 + Ở nhiệt độ cao S2 cháy S2 + 2O2 t C caoo

2SO2 ∆H < 0 + Sau đó FeS tiếp tục cháy: 4FeS + 7O2 t C cao o

4SO2 + 2Fe2O3 ∆H < 0

 Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình đốt pirit:

 Nhiệt độ: Đây là quá trình đốt cháy nguyên liệu rắn nên nhiệt độ cao, quá trình đốt pirit

càng nhanh Do quá trình tỏa nhiệt nên chỉ cung cấp nhiệt cho phản ứng lúc đầu, sau đó quá trình tự diễn ra Phản ứng càng mảnh liệt nhiệt tỏa ra càng nhiều làm cho nhiệt phản ứng tăng nhanh có thể vượt 850 0

C

Nhiệt quá cao khiến cho nguyên liệu nóng chảy kết khối làm giảm bề mặt tiếp xúc giữa quặng và oxy không khí nên tốc độ phản ứng giảm và quặng trong lò chuyển động khó khăn Trong thực tế sản xuất, nhiệt độ lò từ 600 – 800 0C, nhiệt độ này còn phụ thuộc vào cấu tạo lò đốt

Hình 1 Lò đốt lưu huỳnh

1 Cửa; 2 Vỏ thép; 3 Lớp gạch chịu lửa

 Diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và không khí: Cùng một khối lượng, bề mặt của

quặng càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh Kích thước quặng trước khi đưa vào lò còn phụ

thuộc vào cấu trúc của lò:

- Lò mái chèo thì kích thước từ 6-8 mm

- Lò tầng sôi kích thước từ 2-5 mm

- Lò phun quặng có kích thước nhỏ hơn

 Tốc độ thổi oxy vào lò: Tốc độ thổi oxy vào lò càng lớn thì quặng pirit cháy càng nhanh vì

nồng độ oxy trong lò tăng Tốc độ thổi không khí càng nhanh sẽ mang theo nhiều nitơ của không khí vào hỗn hợp khí làm giảm nồng độ SO2 của hổn hợp khí sau phản ứng và kéo nhiều bụi theo khí

SO2 Điều chỉnh không khí vào lò đốt sao cho hỗn hợp khí thu được chứa khoảng 7% SO2, 11% O2

 Cấu trúc tinh thể và thành phần của quặng: Tốc độ cháy của pirit sắt còn phụ thuộc vào

cấu tạo tinh thể của nó và các tạp chất chứa trong đó Nếu quặng có cấu trúc tinh thể đặc khít thì tốc

độ phản ứng cháy chậm hơn, trong quặng có lẫn quặng carbonat sẽ tốn nhiệt

 Các loại lò đốt pirit:

 Lò mái chèo:

- Cấu tạo: Có nhiều tầng, hình trụ cao khoảng 8m kể cả giá

đỡ, đường kính 6m,vỏ bằng thép, phía trong xây gạch chịu lửa Lò có

7 tầng để đốt quặng và phần trên cùng của lò dùng để sấy khô quặng

trước khi đưa vào tầng đốt Thứ tự của lò đánh từ trên xuống Tầng

trên cùng có cửa dùng để dẫn hỗn hợp khí SO2 thu được sau phản

ứng sang giai đoạn tinh chế Tầng cuối cùng có các cửa cho không

khí vào lò Các tầng còn lại có các cửa để sữa chữa lò và bổ sung

thêm không khí Giữa lò có 1 trục quay bằng gang đường kính khoảng 0,9 m gắng với các đòn cào

có răng cào để đảo trộn và cào quặng chuyển động từ tầng 1 xuống tầng 7 Khi quay trục lò đóng vai

trò 1 máy khuấy Trong lò có hệ thống dẫn khí lạnh làm nguội trục lò và hệ thống đòn cào Phía dưới

của tầng lò cuối cùng là lổ tháo xỉ

- Quá trình hoạt động: Quặng được đổ từ bể chứa vào tầng sấy trên đỉnh lò, các răng cào đảo quặng và cào nó từ phía thành lò vào gần trục lò, qua các khe hở sát trục lò, quặng rơi xuống tầng 1 Nhiệt độ khoảng 850-900 0C, quặng bắt đầu phân hủy thành hơi S2 và FeS Một phần S2 bị đốt cháy

ở phần này Tiếp đó hệ thống răng cào ở tầng 1 lại đảo và cào quặng từ trục lò ra phía thành lò qua khe hở rơi xuống tầng 2, cứ thế quặng được chuyển thành xỉ theo ống tháo xỉ (Fe2O3 và Fe3O4) ở phía dưới ra khỏi lò Hỗn hợp khí SO2 được lấy ra ở đỉnh lò Không khí để đốt quặng đi theo các cửa

ở tầng 7 theo chiều ngược lại với chiều đi của quặng Áp suất trong lò đốt thấp hơn áp suất ngoài khí quyển để hổn hợp khí SO2 không bay ra làm ô nhiểm môi trường Kích thước

quặng cho vào lò 6-8 mm

- Ưu khuyết điểm: Cấu tạo phức tạp, năng suất thấp, tốn nhiều chi

phí, lưu huỳnh cháy không hoàn toàn Cường độ làm việc khoảng 185

kg/m3, hàm lượng SO2 thu được9%, hàm lượng S trong xỉ 2%, độ bụi 10

kg/m3

 Lò tầng sôi: dùng để đốt quặng tuyển nổi, quặng nguyên

khai hoặc quặng sulfur khác Quặng luôn ở trạng thái chuyển động giống

như hiện tượng sôi của chất lỏng

- Cấu tạo của lò: phía dưới lò đốt có 1 lưới thép, trên lưới thép là quặng pyrit, không khí thổi

từ phía dưới lò qua lưới thép làm cho quặng trên lưới thép chuyển động liên tục giống như sôi Ở

Hình 2 Lò mái chèo

Hình 3 Lò tầng sôi

trạng thái lơ lửng, quặng tiếp xúc tốt với không khí và bị đốt cháy rất nhanh tạo SO2 Xỉ quặng theo

lổ tháo xỉ ở phần dưới, khí SO2 lấy ra ở phía trên

- Ưu khuyết điểm: Năng suất cao hơn lò bơi chèo, đốt pirit ở nhiệt độ cao hơn, cường độ làm việc lớn từ 1000 – 1800 kg/m3, hàm lượng SO2 thu được 15%, hàm lượng S trong xỉ 0,5%, nhiệt độ khoảng 800 oC, độ bụi 300 kg/m3, kích thước quặng là 6 mm Quặng được đốt cháy tốt nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất H2SO4 và luyện kim Lò tầng sôi được sử dụng rộng rãi

 Lò phun: Dùng để đốt quặng tuyển nổi hoặc tuyển khô

- Cấu tạo: Lò cao khoảng 10 m, đường kính 4 m, cấu tạo

rỗng Đốt quặng pirit ở dạng bụi có hàm lượng lưu huỳnh thấp

Công suất lớn hơn lò mái chèo

- Quá trình hoạt động: Quặng được không khí phun vào

từ phía đáy lò Ở trạng thái như vậy quặng bị đốt cháy Quá trình

phản ứng xảy ra trong toàn bộ thể tích của lò Bổ sung không

khí vào lò từ đỉnh lỏ, xỉ lò rơi xuống đáy lò

- Ưu khuyết điểm: Công suất cao nhưng hỗn hợp khí

SO2 có rất nhiều bụi, gây khó khăn cho quá trình tinh chế

Cường độ làm việc từ 700-1000 kg/m3

, nên tốc độ phản ứng cao hơn, hàm lượng SO2 trong sản phẩm khí có thể đạt 13%, hàm lượng S trong xỉ 1-1,5%; nhiệt độ khoảng 1100 oC, khí ra khỏi lò có nhiệt độ 1000 oC, vì vậy có khả năng tận dụng nhiệt, độ bụi > 100 kg/m3

5.5 Tinh chế hỗn hợp khí SO 2

Do hỗn hợp khí SO2 ra khỏi lò đốt ngoài SO2 (khoảng 70%) còn có nhiều tạp chất như: bụi, các oxide của asen và selen, mù H2SO4, hơi nước, các hợp chất của flo… Nên phải loại tạp chất ra khỏi hỗn hợp khí, nếu không chúng làm mất tác dụng của chất xúc tác hoặc làm H2SO4 nhiễm bẩn

5.5.1 Tách bụi ra khỏi hỗn hợp khí: Nhờ hệ thống lắng cơ học (máy lắng bụi ly tâm) gọi

là xyclon và máy lọc điện khô, tách hạt bụi có kích thước lớn ra, do có sự va đập vào thành máy nhờ vào điện trường mạnh có khả năng ion hóa các chất khí, các ion dương và electron sẽ chuyển động

về các cực trái dấu; các electron gặp hạt bụi làm cho hạt bụi cùng tích điện âm, cùng di chuyển về

cực dương bị giữ lại và tách ra khỏi dòng khí, các hạt bụi nhỏ sẽ dòng khí trong tháp

5.5.2 Tách asen oxide va selen oxyde: Cho hỗn hợp khí qua các tháp rửa từ phía đáy lên,

tưới dung dịch H2SO4 trên đỉnh tháp xuống Nhiệt độ của hỗn hợp khí giảm, hơi asen oxyde và selen oxyde bị đóng rắn rơi xuống đáy tháp Thu hồi asen oxide và selen oxide ở dạng sạch làm nguyên liệu cho sản xuất khác Asen và selen oxyde sẽ làm ngộ độc xúc tác oxy hóa SO2, nên cần phải tách

5.5.3 Tách mù H 2 SO 4 : Do trong dòng khí có hơi nước nên 1 lượng nhỏ SO3 kết hợp với chúng tạo ra những giọt rất nhỏ H2SO4, như sương mù đi theo dòng khí ăn mòn các đường ống và làm hỏng xúc tác Tách mù H2SO4 nhờ các máy lọc điện ướt Nguyên lí tương tự như tách bụi bằng

lọc điện khô

5.5.4 Tách hơi nước (làm khô hỗn hợp SO 2 ): Sau giai đoạn rửa khí, khí mang theo nhiều

hơi nước nếu qua xúc tác sẽ làm cho xúc tác bị ẩm và vỡ vụn, nên phải làm khô khí bằng cách cho khí đi qua các tháp tưới H2SO4(đđ) 98% Sau khi tinh chế, hổn hợp khí có độ ẩm 0,01% và nhiệt độ 50 o

C tiếp tục đi vào hệ thống oxy hoá SO2 thành SO3

5.6 Oxy hóa SO 2 thành SO 3 bằng xúc tác rắn (V 2 O 5 )

5.6.1 Phương pháp Nitro:Bản chất là thực hiện quá trình oxy hóa SO2 thành SO3 nhờ sự có mặt của các oxide N2O3, NO2, đây là chất chuyển tiếp oxy của không khí theo phản ứng:

SO2 + NO2 + H2O  H2SO4 + NO; SO2 + N2O3 + H2O  H2SO4 + 2NO

NO hình thành phản ứng trực tiếp với oxy của không khí:

Hình 4: Lò phun

NO + O2  2NO2 hoặc NO + NO2  N2O3

Quá trình oxy hóa SO2 thành H2SO4 trong pha lỏng bao gồm nhiều quá trình nối tiếp nhau xảy ra trên ranh giới pha lỏng – khí Vì thế, tốc độ của quá trình không chỉ phụ thuộc vào sự khuếch tán mà còn phụ thuộc vào tốc độ của phản ứng hóa học Tuy nhiên, phương pháp này gây ô nhiễm môi trường rất mạnh do các oxide nitơ khi bị thảy ra ngoài Vì vậy, phương pháp này ngày nay không được sử dụng nữa

5.6.2 Phương pháp tiếp xúc: Oxy hoá SO2 bằng xúc tác V2O5 bằng phản ứng:

2SO2 + O2 V O2 5o

t C 2SO3 △H < 0

 Cơ sở lý thuyết: Phản ứng giữa SO2 và 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 oxy hóa SO2 bằng O2 là một quá trình thuận nghịch và tỏa nhiệt Trong thực tế sản xuất người ta duy trì nhiệt độ khoảng 450 o

C, dùng xúc tác là vanadi oxide (V2O5) Theo nguyên lý

chuyên dịch cân bằng thì ta có các yếu tố

- Xúc tác: 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 oxide V2O5 vì có hoạt tính cao hơn, có thể 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, nên tốc

độ của phản ứng tăng, vì vậy 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 vanadi oxide ở nhiệt

độ gần bằng 450 oC, hàm lượng của oxy trong hỗn hợp khí 11% còn SO2 là 7% thì độ chuyển hóa của SO2 có thể đạt được 98%

- Áp suất: Khi tăng áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí Đối với

phản ứng trên, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tạo SO3 Nhưng do thực hiện trong bình kín nếu ta tăng áp suất thì có thể nguy hiểm gây nổ bình Nên ít được thực hiện

- Diện tích bề mặt tiếp xúc: Để phản ứng xảy ra, các chất phản ứng phải tiếp xúc với chất

xúc tác Để tăng diện tích tiếp xúc, xúc tác phải được chế tạo ở dạng viên có cấu trúc xốp

- Thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc giữa chất xúc tác và chất phản ứng tăng thì độ

chuyển hóa tăng

 Thiết bị oxy hóa: Thiết bị tại công ty superphosphat Lâm Thao đã biến một công nghệ cũ

của Liên Xô thành dây chuyền sản xuất H2SO4chưa từng có, tận dụng được nguyên liệu pyrit trong nước và giảm triệt để chất thải gây ô nhiễm (như khói bụi, SO2

và acid) chỉ bằng việc thay đổi tỷ lệ nguyên liệu, kết hợp với cải tiến các công nghệ đốt lò

Nguồn nguyên liệu là quặng pyrit (của công ty Giáp Lai, Việt Nam) phối trộn lưu huỳnh hóa lỏng nhập khẩu Đây là một giải pháp công nghệ chưa từng có (trên thế giới hiện thịnh hành hai loại công nghệ sản xuất acid sulfuric: đốt pyrit hoặc đốt lưu huỳnh trong lò tiêu chuẩn), trong khi dây chuyền sản xuất của nhà máy sử dụng lò phi tiêu chuẩn và nguyên liệu hỗn hợp Để thực hiện giải pháp này, nhà máy đã nghiên cứu, lắp đặt hệ thống thiết bị trộn pyrit với lưu huỳnh theo những tỷ lệ khác nhau, nhằm tìm ra tỷ lệ ưu việt nhất; tính toán các thông số kỹ thuật như lưu lượng khí thổi vào

lò, chiều cao lớp sôi hợp lý, nhiệt độ lớp sôi, nồng độ khí SO2ra khỏi lò, thay thế xúc tác… Nhà máy hoá chất Tân Bình acid sulfuric kỹ thuật: được sản xuất từ nguyên liệu lưu huỳnh theo phương pháp tiếp xúc Sơ đồ một nhà máy sản xuất acid sulfuric thông thường hiện nay trên thế giới, với công nghệ đốt lưu huỳnh và tiếp xúc kép như sau:

5.7 Hấp thụ SO 3 : Đây là giai đoạn cuối cùng trong quá trình sản xuất H2SO4, được thực hiện trong các tháp hấp thụ thông qua phản ứng: SO3 (khí) + H2O (lỏng) → H2SO4 (lỏng) ∆H <0

Trong sản xuất không dùng trực tiếp H2O hấp thụ SO3, tức là không dùng nước tưới lên tháp hấp thụ SO3 vì khi đó tạo thành “mù” acid, là những hạt nhỏ H2SO4 không ngưng tụ thành những giọt lớn để tạo thành H2SO4 lỏng mà theo dòng khí bay ra ngoài trời theo ống thải khói Làm tổn thất một phần H2SO4 và ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra oleum (H2SO4.SO3), chất này sau đó bị làm loãng để tạo thành acid

sulfuric Để khắc phục hiện tượng trên, SO3 hấp thụ nước tạo

thành “mù” acid sulfuric, người ta dùng oleum để hấp thụ (dung

dịch SO3 trong H2SO4 đậm đặc) Oleum hòa tan SO3 tự do tạo

thành dung dịch acid sulfuric Oleum sau đó phản ứng với nước

để tạo H2SO4 đậm đặc Người ta 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 30 oC, giữ nhiệt độ trong tháp

không quá 60 oC, bằng cách làm nguội dung dịch tưới

Dây chuyền và thiết bị của quá trình hấp thụ SO 3 : Trước khi

SO3 đi vào tháp hấp thụ được làm lạnh nhờ thiết bị làm lạnh

bằng nước trong các hệ thống ống chùm (1) đến nhiệt độ dưới 60oC, sau đó liên tiếp đi qua tháp (2)

và (3) Từ đỉnh tháp (2) người ta tưới oleum có hàm lượng SO3 tự do nhỏ hơn 1% so với oleum thành phẩm, còn từ đỉnh tháp (3) người ta tưới dung dịch H2SO4 98% ± 0,5% Chất lỏng thu được từ các tháp lại được làm lạnh nhờ các dàn làm lạnh (6) và tưới tuần hoàn lên đỉnh tháp Hiệu suất của quá trình hấp thụ đạt trên 99% (Phùng Tiến Đạt, Trần Thị Bính, 2004)

6 TỔNG HỢP AMONIAC VÀ SẢN XUẤT ACID NITRIC

6.1 Tầm quan trọng của các hợp chất chứa nitơ: Các hợp chất của nitơ có vai trò rất quan

trọng trong đời sống động, thực vật và con người Nitơ có trong thành phần của các chất protid nên

có người nói nitơ là nguyên tố của sự sống Trong công nghiệp: tạo môi trường trung tính khi hàn

kim loại, bảo vệ chất dễ oxy hóa, sử dụng trong các bóng đèn, bơm các chất lỏng dễ cháy Hợp chất

5 Bơm; 6 Làm lạnh

chủ yếu để tổng hợp protit trong thực vật là NH3 và các muối của acid nitric Một ứng dụng quan

trọng nhất của các hợp chất chứa nitơ là làm phân bón và làm thức ăn cho 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 và nhiều hàng hóa quan trọng cho nền kinh

tế quốc dân Trong tự nhiên không có nhiều mỏ chứa hợp chất của nitơ, vì vậy phải tìm những phương pháp để tổng hợp

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 N2 và O2 đây là lí do sau những trận mưa lớn có nhiều sấm sét thì lúa lại mau phát triển hơn

6.2.Tổng hợp NH 3

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

- 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

6.2.1 Điều chế hydro và nitơ riêng

 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 to = -140 oC thấp và P = 50 atm, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các khí, sau đó cho không khí hóa 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

 Sản xuất khí hydro: trong công nghiệp

- Điện phân nước: Có thể thu hồi H2 ở những cơ sở sản xuất bằng phương pháp điện phân

dung dịch H2O-NaCl H2 thu được từ phương pháp này tương đối tinh khiết Tuy nhiên, phương pháp này rất tốn điện năng, chỉ thích hợp cho những nước có ngành thủy điện phát triển

H2O H2 + O2

- Chuyển hóa khí metan hoặc đồng đẳng của metan trong khí thiên nhiên: chuyển hóa metan

thành hydro bằng các tác nhân và xúc tác thích hợp ở nhiệt độ từ 800 – 900 oC

Có thể từ CH4 tạo thành H2 theo một trong các phản ứng sau:

CH4 + 2H2O  CO2 + 4H2; CH4 + CO2  2CO + 2H2

2CH4 + O2  2CO + 4H2; CO + H2O Fe O 2 3

CO2 + H2 + Q

CO sinh ra lại bị chuyển hóa tiếp thành CO2 bằng hơi nước nhờ xúc tác Fe2O3, nhiệt độ

470-520 oC Trong phản ứng này không có sự thay đổi về thể tích nên khi tăng áp suất tốc độ phản ứng tăng mà không ảnh hưởng đến cân bằng

- Tách H2 từ khí sinh ra trong quá trình chế tạo than cốc theo phương pháp làm lạnh: Thành phần khí cốc: H2: 35 - 61%; CO: 2 - 4%; CH4: 24 - 28%; olefin: 1,5 - 3%; O2: 0,2 - 2,5% Ngoài ra, trong khí cốc còn có các hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh, benzen, naptalen, N2O, axethylen

Hóa lỏng các sản phẩm nhựa và chất hữu cơ có trong khí than cốc, hấp thụ NH3 có trong khí, phần khí còn lại chứa chủ yếu là H2 Các phân đoạn trong khí cốc được tách ngưng tụ phân đoạn ở

áp suất cao, trong quá trình làm sạch các phân đoạn lần lượt ngưng tụ Đây là phương pháp tách có giá trị thực tế nhất Vì nguồn H2 phong phú, rẽ tiền, người ta có thể dùng rộng rãi phương pháp làm lạnh thâm độ, ngưng tụ từng phần để tách riêng H2, cung cấp nguyên liệu cho tổng hợp

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

6.2.2 Điều chế đồng thời H 2 và N 2

- Bằng phương pháp khí than ướt: Tạo đồng thời hỗn hợp H2 và 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

+ Tách bụi, tro, dầu: 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 Khử sạch

dầu bằng lọc hoặc li tâm quán tính

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

CO và tổng hợp amoniac nên phải loại bỏ thật triệt để

Trong phương pháp khô, người ta làm sạch khí bằng chất rắn có chứa sắt hydroxide, một ít canxioxide và mạt cưa Bản chất của quá trình là H2S tác dụng với sắt hydroxide tạo thành sắt sulfua Sắt sulfua được tái sinh bằng không khí hoặc oxy

Phương trình phản ứng:

Hấp thụ H2S: FeO3.xH2O + 3H2S  FeS3.xH2O + 3H2O

Tái sinh chất hấp thụ: FeS3.xH2O + 3/2O2  FeO3.xH2O + 3S

Tổng quát: 3H2S + 3/2O2  3H2O + 3S

Trong phương pháp ướt, người ta dùng dung dịch muối asenic trong môi trường kiềm để hấp thụ H2S Sau đó dùng không khí tái sinh dung dịch hấp thụ và tách lưu huỳnh

Để làm sạch H2S có thể dùng cả hỗn hợp mono, di hoặc triethanolamine với sulfolan C4H8S2 Phản ứng với monoethanolamine xảy ra:

2RNH2 + H2S  (RNH3)2S, (RNH3)2S + H2S 2RNH3HS

Quá trình hấp thụ tiến hành ở 20-40 0C Tái sinh dung dịch hấp thụ ở 100 0C, khí H2S thoát

ra, dung dịch quay lại thiết bị làm sạch H2S thoát ra khỏi dung dịch có thể dùng để sản xuất H2SO4

+ Chuyển hóa CO thành CO2: 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

CO + H2O  CO2 + H2 ∆H < 0 (Xúc tác là Fe2O3 ở nhiệt độ 450 oC – 500 oC)

+ Tách CO2: CO2 hòa tan nhiều trong nước, dễ bị hấp thụ bằng kiềm Đầu tiên người ta rửa khí bằng nước lạnh ở áp suất 16-25 atm, tưới trong các tháp đệm, CO2 được hấp thụ một lượng lớn Sau đó cho nước tuocbin để giảm áp suất xuống 1atm, do đó khí sẽ thoát ra khỏi nước Khí này chứa 80% CO2, 11% H2 và một ít N2, H2S được đưa vào thiết bị tách khí Nước ra khỏi thiết bị tách khí được đưa trở lại tháp làm sạch khí, Còn khí thoát ra chứa khoảng 80- 95% CO2 dùng sản xuất soda, ure và các sản phẩm khác Khí CO2 còn được lọc sạch bằng dung dịch kiềm hoặc chất hấp thụ có độ

hấp thụ CO2 lớn hơn nước Chất dùng rộng rãi là ethanolamine trong nước (R-NH2), hấp thụ các khí trên ở nhiệt độ 25- 35 0C, tạo thành muối carbonat và bicarbonatamine

Phương trình phản ứng: 2RNH2 + H2O + CO2  (RNH3)2CO3

RNH2 + H2O + CO2  RNH3HCO3

+ Tách CO: Quá trình chuyển hóa CO thành CO2 là quá trình thuận nghịch nên trong hỗn hợp khí vẫn còn một lượng nhỏ CO Dùng dung dịch muối acetat đồng trong dung dịch amoniac để hấp thụ triệt để hơn CO Với dung dịch CH3COOCu phản ứng hấp thụ CO:

[Cu(NH3)n]OOCCH3 + CO  [Cu(NH3)nCO]OOCCH3

Dung dịch sau khi hấp thụ tiến hành tái sinh ở 77-79 0C và áp suất thường, khi đó CO sẽ tách khỏi dung dịch Dung dịch sau khi tái sinh lại quay về hấp thụ CO và được bổ sung thêm NH3 do mất mát trong quá trình tái sinh Hàm lượng CO còn lại trong hỗn hợp là 0,003% Để tách các khí hydrocarbon (CH4, C2H6, C2H4 ) người ta làm lạnh sâu tương tự như làm lạnh khí lò cốc Làm sạch

vi lượng còn lại được tiến hành bằng cách hydro hóa có xúc tác Ni/Cr ở nhiệt độ 150 0

C, áp suất 3 atm Phương trình phản ứng: CO + 3H2  CH4 + H2O

Sau khi qua các giai đoạn tinh chế, hỗn hợp khí còn lại chứa chủ yếu là H2 và N2

- Chế tạo hỗn hợp N2 và H2 từ sản phẩm chế biến dầu mỏ, khí thiên nhiên: Quá trình chế biến dầu mỏ khí thiên nhiên thu được nhiều khí CH4 và các đồng đẳng của nó Chuyển hóa khí trên (bằng tác nhân hơi nước, không khí ở áp suất và nhiệt độ cao, xúc tác thích hợp) sẽ thu được một hỗn hợp khí: N2, H2, CO2, CO, H2S Tách CO2,CO, H2S như phương pháp khí than ướt thu được hỗn hợp gồm khí N2 và H2 Phương pháp này giá nguyên liệu rẻ hiệu suất cao

Chế tạo đồng thời N2 và H2 được sử dụng phổ biến ở Việt Nam do tình hình nguyên liệu ở nước ta có rất ít khí cốc (ngành luyện gang,thép chưa phát triển, nguồn điện năng chưa phong phú)

- Nhiệt độ: Phản ứng tỏa nhiệt nếu giảm nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch về bên phải,

cho nên tốt nhất là phải giữ ở nhiệt độ thấp, nhưng không thể thấp hơn hoạt tính của xúc tác Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng thuận cũng như tốc độ phản ứng nghịch đều tăng, nên trong thời gian đầu tương đối xa trạng thái cân bằng, nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng cũng tăng Trong thời gian cuối tương đối gần cân bằng Nhiệt độ tăng nhanh ảnh hưởng đến phản ứng nghịch, sẽ làm giảm tốc độ phản ứng, nhiệt độ thích hợp ở khoảng 400 0C Do đó trong quá trình chuyển hóa, ở các điều kiện, thành phần khí, áp suất, xúc tác cố định là nhiệt độ mà ứng với mỗi hiệu suất tổng hợp có một nhiệt

độ thích hợp nhất, phản ứng đạt cực đại Do đó trong quá trình tổng hợp, người ta không ngừng rút nhiệt độ của phản ứng ra khỏi hệ bằng các thiết bị truyền nhiệt

- Áp suất: Trong sản xuất, thực hiện phản ứng này ở áp suất thấp 100 – 150 atm, hoặc trung

bình 250 – 600 atm hoặc áp suất cao 600 – 1000 atm Để đạt được hiệu suất chuyển hóa 97% ở nhiệt

độ 400 0

C cần thiết phải tăng áp suất đến 350 atm, nhưng áp suất cao quá không có lợi về mặt kinh

tế Phản ứng theo chiều thuận là quá trình làm giảm áp suất của hệ, nên khi tăng áp suất phản ứng sẽ chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành NH3, hydro chuyển hoá cũng cao hơn Sau khi tạo thành

NH3 cần được tách ra để cân bằng luôn chuyển theo chiều thuận Vì hydro chuyển 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 oxide FeO và Fe2O3 có thêm các chất phụ khác như Al2O3, CaO, SiO2, K2O Trước khi cho hỗn hợp khí N2 và H2 đi qua xúc tác, xúc tác phải trải qua một quá trình gọi là "hoàn nguyên" bằng cách cho một dòng khí H2 đi qua xúc tác ở nhiệt độ cao, các oxide sắt sẽ bị khử oxy tạo thành các nguyên tử kim loại phân bố trên bề mặt các oxide khác Chính những tập hợp nguyên tử như vậy đóng vai trò xúc tác cho phản ứng

Fe3O4 + 4H2  3Fe + 4H2O 6.2.4 Tháp tổng hợp amoniac

- Thiết bị: Tháp tổng hợp NH3 là thiết bị chính và quan trọng nhất của dây chuyền tổng hợp NH3 Tháp có cấu tạo hình trụ bằng thép vững chắc, dày 176-200 mm, cao 12-20 m, đường kính trong của tháp khoảng 1-1,4 m.Tháp được đặt thẳng đứng, phần trên và dưới tháp được nối với nhau bởi ghi bằng thép và thép tấm

- Hoạt động: Hỗn hợp nitơ - hydro đưa vào tháp tổng hợp từ trên xuống dưới qua không gian giữa hộp đựng xúc tác (3) và vỏ tháp (1) rồi vào bộ phận trao đổi nhiệt (7) đi ra ngoài các ống dẫn NH3 ra khỏi tháp, tiếp tục đi theo ống trung tâm (2) lên phía trên hộp đựng xúc tác (3) để đi vào các ống đặt trong khối xúc tác (5), tại đây hỗn hợp khí N2 và H2 được đốt nóng tới 450o

6.3 Sản xuất acid nitric (HNO 3 )

6.3.1 Khái niệm chung: 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 acid vô cơ cực kỳ quan trọng trong

đời sống Khi dùng phương pháp hồ quang điện để cho

nitơ tác dụng trực tiếp với oxy tạo thành NO tốn nhiều

điện năng nên phương pháp này không phát triển rộng

rãi Từ khi tổng hợp được NH3 từ N2 và H2 thì người ta

đều sản xuất HNO3 từ amoniac Quá trình này bao gồm

các giai đoạn: oxy hóa NH3 thành NO, oxy 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 Độ tinh khiết của acid nitric trên thị trường được

chia thành các loại

- Acid công nghiệp: có độ tinh khiết kém nhất, nồng độ thường khoảng 58-60%

- Acid nitric sạch Kí hiệu P

- Acid nitric cao và đặc biệt đều có các bảng quy định về thành phần và hàm lượng các tạp chất

đi kèm các máy như: PA (chỉ độ tinh khiết dùng cho phân tích); PC (tinh khiết hóa học); PS (tinh khiết dùng cho các phép đo quang phổ)

6.3.2 Cở sở lý thuyết của quá trình sản xuất HNO 3

 Oxy hoá amoniac

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

Hình 8 Tháp tổng hợp NH 3

1 Vỏ tháp tổng hợp; 2 Ống dẫn khí trung tâm;

3 Hộp đựng xúc tác và vỏ tháp; 5 Các ống trao đổi nhiệt trong khối xúc tác; 6 Chất xúc tác; 7 Ống trao đổi nhiệt giữa NH 3 và N2, H2 – dẫn

NH3 ra

4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O (1); 4NH3 + 4O2  2N2O + 6H2O (2)

4NH3 + 3O2  2N2 + 6H2O (3)

Để sản xuất acid nitric, người ta tìm cách để tốc độ của phản ứng (1) xảy ra nhanh chóng và hạn chế các phản ứng khác đến mức độ thấp nhất Để đạt được điều đó ta dùng chất xúc tác thích hợp nhất là platin Trong thực tiễn sản xuất người ta sử dụng hợp kim platin với rođi và palađi, (Pt -95%, Rh 3%, Pd 2%) Xúc tác được kéo thành sợi, rồi dệt thành lưới để tăng bề mặt tiếp xúc Căng các lưới xúc tác theo tiết diện của tháp oxy hóa Tùy theo quá trình oxy hóa ở áp suất cao hay áp suất thường thì có 3-4 lưới, ở áp suất 10 atm dùng 16 - 19 lưới platin Hỗn hợp khí NH3 phải sạch để không làm bẩn xúc tác Pt Phản ứng oxy hóa NH3 trên xúc tác cũng chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao Người

ta duy trì nhiệt độ từ 800 - 900 oC, vượt quá nhiệt độ này sẽ gây mất mát khối lượng của platin

Để hiệu suất chuyển hóa của NH3 thành NO cao người ta thường dùng dư oxy so với phương trình, cụ thể là oxy lớn hơn 1,7 lần so với NH3 Áp suất nói chung ít ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, nhưng oxy hóa ở áp suất cao sẽ tăng công suất của thiết bị Ngoài ra, phải duy trì tốc độ thổi khí qua chất xúc tác với một tốc độ thích hợp, để đạt hiệu suất chuyển hóa NH3 thành NO cao

 Oxy hoá NO: Khí NO rất dễ dàng phản ứng O2 ngay ở nhiệt độ thường và không cần xúc

tác 2NO + O2  2NO2 ∆H < O

Phản ứng này thuận nghịch ở nhiệt độ tương đối cao Dưới 150 0C phản ứng xảy ra hoàn toàn theo chiều thuận NO2 Trên 150 0C hầu hết NO2 bị phân hủy, cân bằng dịch chuyển sang trái Nhiệt

độ cao hơn 800 0

C, sự oxy hóa NO thành NO2 không xảy ra

Phản ứng oxy hóa NO thành NO2 sẽ chuyển dịch theo chiều thuận khi áp suất tăng Trong quá trình oxy hóa NO xảy ra khắp không gian của dây chuyền sản xuất Trong các tháp hấp thụ trên đường ống dẫn Điều kiện thích hợp cho quá trình oxy hóa này là nhiệt độ thấp nhất với sự có mặt của oxy

6.3.3 Hấp thụ NO 2 bằng nước: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất acid

nitric; NO2 và N2O4 tác dụng với nước theo phản ứng: 2NO2 + H2O  HNO3 + HNO2

Hoặc N2O4 + H2O  HNO3 + HNO2;

HNO2 không bền và bị thủy phân: 3HNO2  HNO3 + 2NO + H2O Phản ứng tổng quát quá trình hấp thụ: 3NO2 + H2O  NO + 2HNO3

Nếu có N2O3 sẽ phản ứng với nước tạo thành HNO2: N2O3 + H2O  2HNO2 HNO2 cũng bị phân huỷ như trên

Quá trình hấp thụ các oxide của nitơ bằng nước là một quá trình dị thể lỏng - khí, cho nên muốn tăng tốc độ của quá trình hấp thụ NO2, phải tăng diện tích tiếp xúc của khí với chất lỏng bằng cách tạo ra các tháp có các đĩa nằm ngang, khí sẽ lội qua dung dịch chảy trên các đĩa từ đáy tháp đi lên, còn chất lỏng sẽ chảy từ đỉnh tháp xuống các đĩa

Quá trình hấp thụ tỏa nhiệt làm cho nhiệt độ của chất lỏng tăng, quá trình hấp thụ tốt, người

ta làm lạnh chất lỏng trong tháp hấp thụ đến nhiệt độ khoảng 75 0C, nồng độ khoảng 50% Nếu tăng

áp suất của tháp hấp thụ đến 6-8 atm thì có thể thu được HNO3 62%

6.3.4 Sản xuất HNO 3 đặc: Hiện nay trong công nghiệp có 2 phương pháp sản xuất HNO3

đặc; cô đặc HNO3 loãng và hấp thụ N2O4 ở trạng thái lỏng

- Cô cạn HNO3 loãng: không thể cô đặc HNO3 loãng cách làm bay hơi bớt nước của HNO3 loãng, vì nước và HNO3 tạo ra hỗn hợp đẳng khí ở nồng độ HNO3 68,4%; sôi ở 120 0C Muốn làm mất bớt nước của HNO3 loãng phải dùng chất hút nước

- Chế tạo HNO3 đặc từ N2O4 lỏng: Tiến hành quá trình hấp thụ N2O4 lỏng trong thiết bị có

áp suất 50atm ở 75 oC, theo phương trình: 2N2O4(l) + 2H2O(l) + O2(k)  4HNO3

Việc điều chế N2O4 lỏng là một quá trình phức tạp và khó khăn, nên phương pháp này ít được dùng trong công nghiệp

6.3.5 Hệ thống điều chế HNO 3 ở áp suất thường: Mặc dù điều chế HNO3 theo hệ thống này thu nồng độ HNO3 chỉ đạt 50% hiệu suất 92% , nhưng ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi

- Không khí cho qua thiết

bị làm sạch H2O hoặc Na2CO3

(1) rồi qua thiết bị lọc (2) để loại

các tạp chất cơ học Sau đó

không khí qua quạt (3) vào thiết

bị lọc cactong (4) cùng với khí

amoniac dưới dạng hỗn hợp khí

có NH3 12% (10), rồi đi vào thiết

bị tiếp xúc oxy hóa amoniac

thành NO (hỗn hợp nitroza), có

nhiệt độ bằng 75 – 85 0C rồi đưa

qua hồi (6) Sau đó làm lạnh (7)

và (8) giảm nhiệt độ NO bị oxy

Na2CO3 + NO2 + NO  2NaNO2 + CO2; Na2CO3 + 2NO2  NaNO2 + CO2 + NaNO3 Dung dịch nitric - nitrat được dùng để điều chế natrinitrat NaNO3 Sau khi qua tháp hấp thụ, khí được thải vào khí quyển bằng ống khói cao Có thể oxy hóa NH3 bằng không khí giàu oxy hoặc oxy nguyên chất

7 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC

7.1 Tính chất và ứng dụng: Phosphoric được sử dụng thông thường là loại 85%, không màu,

mùi hắc nhẹ, nhớt lỏng, là một acid vô cơ có tính trung bình, hòa tan trong nước do có sự tạo thành liên kết hidro giữa những phân tử H3PO4 và những phân tử H2O

Trong công nghiệp, acid phosphoric được ứng dụng rất phổ biến trong sinh học thực phẩm như sản xuất đường hương vị trong nước ngọt Công nghiệp xử lý bề mặt kim loại là rất rộng, acid phosphoric được xem là chất tẩy rửa, ức chế cáu căn rỉ sét, tẩy sạch dầu mỡ trên bề mặt kim loại, tẩy sạch dầu, sạch gỉ sét, phù hợp với nhiều kim loại, đồng, nhôm, sắt thép và cả inox Thủ công mỹ nghệ, dân dụng Acid phosphoric được ứng dụng trong sản xuất sơn, công nghệ xây dựng mới, là một chất thử trung gian, hoặc ứng dụng trong nha khoa Ứng dụng trong chất dẫn điện (dung dịch điện ly, ăn mòn đánh bóng điện hóa inox), chất ăn mòn inox Ứng dụng trong công nghệ sản xuất phân bón

Hình 9 Sơ đồ dây chuyền sản xuất HNO 3 ở áp suất thường

1,2 Thiết bị lọc; 3 Quạt gió; 4 Lọc qua lớp cactong; 5 Thiết bị oxy hóa NH 3 ; 6 Nồi hơi; 7,8 Thiết bị làm lạnh; 9 Quạt gió; 10 Các tháp hấp thụ NO 2 ; 11 Oxy hóa NO; 12 Tháp hấp thụ NO, NO 2 dư; 13 Làm lạnh acid; 14 Bơm

7.2 Công nghệ sản xuất acid phosphoric:Có 2 phương pháp điều chế acid phosphoric

Phương pháp trích ly và phương pháp nhiệt luyện

7.2.1 Phương pháp nhiệt luyện:

Ðiều chế H3PO4 bằng cách oxy

hóa phosphor trong không khí:

4P + 5O2  2P2O5

2P2O5 + H2O  2HPO3

Acid metaPhosphoric HPO3 + H2O   H3PO4

Acid Phosphoric Qui trình sản xuất: Phosphor rắn

đưa vào thùng (1) để nấu chảy bằng hơi

nước Phosphor đưa lên thùng cung ứng

(2) rồi đưa qua thùng hoãn xung (3) để

vào vòi phun (4) của buồng đốt (5) làm

bằng gạch chịu acid, phosphor cháy trong không khí tạo thành P2O5 và HPO3 qua ống dẫn khí (6) vào tháp hydrat hóa (7) Nước hoặc acid loãng được phun trong ống (8) vào tháp Trong tháp (7) P2O5 chuyển hóa hoàn toàn thành HPO3 Tùy theo điều kiện nhiệt độ hơi nước, chúng được hydrat hoá thành H3PO4 hoặc các acid polyphosphoric (H4P2O7 hoặc H5P3O10, H6P4O13) H3PO4 lấy ra khỏi tháp với nồng độ 45 (60%) Một phần tồn tại dưới dạng mùn theo đường ống (9) vào tháp lọc điện (10) có điện cực ngưng tụ (11) bằng than và điện cực phóng điện (12) bằng bạc làm việc ở nhiệt độ

150 oC và ngưng tụ tới 90 (99% acid có trong thùng)

7.2.2 Phương pháp trích ly: Phương pháp này thực hiện bằng cách sử lý phosphat thiên nhiên (thường là apatit) bằng H2SO4

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O  3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF Trong quặng còn ít quặng carbonat cũng phản ứng với H2SO4

CaCO3 + H2SO4 + H2O  CaSO4.2H2O + CO2 CaCO3.MgCO3 + H2SO4  CaSO4.2H2O + MgSO4 + CO2

HF tạo thành sẽ tác dụng với SiO2: 6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O

Quá trình phải được thực hiện ở nhiệt độ (70 – 80 o

C) Tỷ lệ lỏng /rắn 2-3/1 Dung dịch phải

có lượng SO4

dư nhỏ

7.3 Cô đặc acid Phosphoric: Acid phosphoric điều chế bằng phương pháp trích ly có nồng độ

khoảng 18 (23% nên thường được cô đặc đến nồng độ 38-40% H3PO4 Trong công nghiệp, người ta dùng 2 loại thiết bị cô đặc H3PO4: sục bọt, hút chân không,

Nguyên lý cô đặc kiểu sục bọt là cho khí cho khí lò sục qua lớp acid, thiết bị cô đặc kiểu sục bọt gồm có: 1 buồng bằng thép, bên trong có gạch chịu acid Phương pháp cô đặc kiểu sục bọt có ưu điểm là nhanh, nhưng có nhược điểm là tạo nhiều mùn acid Quá trình cô đặc chân không được thực hiện trong thiết bị bay hơi chân không kiểu ống chùm ngang Hơi đi trong ống, còn acid đi trong không gian ngoài ống, thiết bị được hút chân không bằng hệ thống phun tia - ngưng tụ Thiết bị cô đặc kiểu hút chân không có nhược điểm là cấu tạo phứt tạp tốn nhiều chì và kim loại chịu acid, điều kiện làm việc phức tạp, thiết bị dễ đọng kết tủa

8 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 1

8.1 Phân tích các yếu tố làm tăng tốc độ phản ứng?

Hình 1 Sơ đồ lưu trình công nghệ sản xuất acid

phosphoric nhiệt luyện

1 Thùng nấu chảy Phosphor; 2 Thùng cung ứng; 3 Thùng hoãn xung; 4 Vòi phun; 5 Buồng đốt; 6,9 Ống dẫn khí; 7 Tháp hydrat hóa; 8 Ống phun nước; 10 Tháp lọc điện; 11 Ðiện cực ngưng tụ; 12 Ðiện cực phóng điện

8.2 Phân tích yếu tố thực hiện các quá trình liên tục và tuần hoàn kín? Ví dụ cụ thể?

8.3 Phân tích yếu tố liên hiệp giữa các xí nghiệp nhà máy? Ví dụ cụ thể?

8.4 Đề xuất một quy trình sản xuất acid sulfuric từ nguyên liệu ban đầu là lưu huỳnh?

8.5 Đề xuất một quy trình sản xuất acid sulfuric từ nguyên liệu ban đầu là pyrit?

8.6 Vẽ và ưu khuyết điểm về so sánh cấu tạo của lò tầng sôi và lò phun?

8.7 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình oxy hóa SO2 thành SO3 bằng xúc tác rắn qua phương pháp tiếp xúc?

8.8 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình tổng hợp NH3?

8.9 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất HNO3?

8.10 Vẽ và phân tích lưu trình công nghệ sản xuất acid phosphoric bằng phương pháp nhiệt

luyện?

CHƯƠNG 2: ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NaCl

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ỨNG DỤNG

1.1 Một số khái niệm

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:

- Anot: là cực dẫn dòng điện từ mạch ngoài vào thùng điện phân

- Catot: 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 anot, còn các cation chạy

đến catot, 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 anot và catot Thế anot và thế catot gọi chung là thế điện cực, chính là hiệu điện 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 Ứng dụng

Phương pháp điện phân dung dịch NaCl có vai trò rất quan trọng dùng để sản xuất hydro, oxy, xút clor, các hợp chất chứa oxy của clor; tổng hợp các hợp chất vô cơ như acid clorhydric, điều chế nước oxy già, các hợp chất peroxide, pemanganat; dioxyde mangan Clor dùng để sản xuất các dung môi, các hợp chất dùng cho quá trình tổng hợp các cao phân tử như PVC, thuốc trừ sâu, tẩy trắng vải sợi; acid clorhydric dùng trong công nghiệp điều chế nước chấm mì chính… Xút được dùng trong công nghiệp xà phòng, giấy, sợi, luyện kim màu, sản xuất chất dẻo, chất màu, dược phẩm Dùng để thủy luyện các kim loại như : Cu , Ni , Zn , Co , Cd , Na , K , các kim loại quí và đất hiếm Ngoài ra còn sản xuất các nguồn điện hóa (pin , Acquy ) và mạ điện

Khoảng 94% xút được mua bán trên thế giới là ở dạng lỏng - thường ở hàm lượng 50% chất rắn Mỗi năm, khoảng 2 triệu tấn xút được vận chuyển bằng đường biển, chủ yếu là cho các nhà máy sản xuất các sản phẩm đi từ quặng nhôm, và 5 triệu tấn được vận chuyển bằng đường bộ (Công nghệ sản xuất xút-clo trên thế giới, 2014)

2 TINH CHẾ NƯỚC MUỐI

Nguyện liệu sản xuất xút, clor và các muối ăn, có thể dùng muối biển, muối hồ, muối mỏ, thành phần chủ yếu là NaCl, ngoài ra trong muối biển còn có các muối cloride và sulfat của Ca, Mg cùng các tạp chất cơ học khác

Muối được dùng làm nguyên liệu để sản xuất xút-clor phải đảm bảo các tiêu chuẩn chủ yếu sau:

NaCl ≥ 97,5%; Ca2+ ≤ 0,4%; K+ ≤ 0,02%;

Chất không tan ≤ 0,5%; Mg2+ ≤ 0,05%; S042- ≤ 0,84%;

Nước muối được điều chế với nồng độ 310-315 g NaCl Các ion Ca2+

, Mg2+, S042- là những ion

có hại cho quá trình điện phân Hàm lượng S042- tăng sẽ làm tăng quá trình ăn mòn graphit, các ion

Ca2+ và Mg2+ có tác dụng với kiềm tạo thành các hydroxide khó tan kết tủa trên các màng ngăn che kín có lổ màng, cản trở quá trình điện phân Do đó, cần phải loại bỏ chúng, thông qua các phương pháp: phương pháp soda-xút, sữa vôi-soda, sữa vôi- sulfat Ba phương pháp điều chế dựa trên cơ sở các phản ứng chuyển các tạp chất, Ca2+, Mg2+, S042- thành các chất kết tủa Trong đó phương pháp phương pháp soda-xút được sử dụng phổ biến nhất

 Phương pháp soda-xút: Trong các nhà máy xút-clor, hầu hết người ta chỉ dùng Na2CO3, NaOH và BaCl2 để kết tủa các tạp chất, Mg2+ được kết tủa bằng xút theo phản ứng:

MgCl2 + 2NaOH  Mg(OH)2 + 2NaCl; MgSO4 + 2NaOH  Mg(OH)2 + Na2SO4

Sau đó cho BaCl2 vào: Na2SO4 + BaCl2  BaSO4 + NaCl

Trong công nghiệp, người ta kết tủa các ion Mg2+, bằng cách trộn nước muối mới điều chế với nước muối hồi lưu từ công đoạn điện phân sang Tổng lượng xút trong nước muối hồi lưu thừa

để kết tủa các ion này Ca2+

được kết tủa bằng dung dịch soda

CaCl2 + Na2CO3  CaCO3 + 2NaCl

Để có thể kết tủa hoàn toàn các ion Mg2+

và Ca2+ xút và soda cần phải cho dư và nhiệt độ được tăng đến 40- 50 oC Sau đó phải trung hòa xút dư bằng acid HCl Khi tinh chế tiến hành ở nhiệt

độ cao để CaCO3 kết tủa tinh thể lớn và độ hòa tan giảm để dùng cho quá trình lọc nước muối sau khi xử lí phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn Người ta áp dụng biện pháp carbon hóa nước hồi lưu bằng cách thổi CO2 vào, xút sẽ chuyển thành soda

3 CÔNG NGHÊ ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ XÖT – CLOR

Có ba công nghệ chủ yếu để điện phân muối ăn và sản xuất xút clor trên thế giới là: công nghệ điện phân bằng điện cực thuỷ ngân, công nghệ điện phân bằng màng ngăn và công nghệ điện phân

bằng màng trao đổi ion

3.1 Sản xuất xút và clor theo phương pháp catot rắn: hay công nghệ điện phân bằng màng ngăn Sau khi tinh chế các tạp chất, nước muối được đưa sang công đoạn điện phân

3.1.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân: Phổ biến nhất là thùng Hucke là loại thùng

điện phân hình hộp chữ nhật, màng cứng, có ưu điểm là: diện tích làm việc của điện cực cao Thùng

đi kín để tránh không cho không khí lọt vào làm loãng khí H2 và tạo thành hỗn hợp nổ Ðể tránh mất điện, thùng điện phân được đặt trên một chân cách điện, nước muối được đưa vào thùng cũng như

dung dịch kiềm đưa ra khỏi thùng đều qua các bộ phận ngắt dòng đặt biệt

Anot graphit (1), Catot sắt có dạng lưới (2) Chia thùng điện phân 2 phần:

- Không gian anốt (3)

- Không gian Catot (4) Màng ngăn cách amiăng phủ trên Catot ở phía đối diện với anốt, ngăn không gian Catot và anốt Nước muối đưa vào không gian annốt qua màng cách và Catot, vào

Hình 11 Thùng điện phân. không gian Catot rồi ra ngoài

- Dung dịch ở điện phân không gian anốt gọi là anolit

- Dung dịch ở điện phân không gian gọi là Catolit

- Khi cho dòng điện một chiều qua thùng phân các anion OH-, Cl- về anốt, còn cation H+

, Na+

về catot để phóng điện

+ Sự phóng điện của các anion OH- và Cl- trên anot: Trong dung dịch trung tính, thế điện cực

của ion OH- là 0,83 V, thế điện cực của ion Cl- là 1,33 V Vậy oxy sẽ ưu tiên thoát ra, để cho quá trình phóng điện xảy ra trên anot là clor theo ý muốn thì phải chọn điện cực nào trên đó có quá thế thoát clor rất nhỏ Nên chọn anot là graphit, quá thế thoát clor rất nhỏ 0,25 V và quá thế oxy lớn 1,09V nên thế phóng điện của các ion trên graphit sẽ là: 2Cl-  Cl2 + 2e

+ Sự phóng điện của các cation H+ và Na+ trên catot rắn: Những ion nào có thể phóng điện

thấp hơn thì phóng điện trước Trên catot điện thế của Na+

lớn hơn của H+ nhiều

Cho nên: 2H+ + 2e  H2

Do H2 phóng điện, nên H2O tiếp tục điện ly, tạo thêm ion OH

-: H2O  H+ + OH- Lúc này, trên catot dư Na+ và OH- tạo thành dung dịch xút: Na+ + OH-  NaOH

- Ngoài ra, trong quá trình điện phân còn xảy ra các quá trình phụ để hạn chế các phản ứng cần phải dùng màng cách ngăn không cho các sản phẩm chủ yếu OH- (Catolit) trộn lẫn với anolit

+ Trên anot: do thế phóng điện của OH- chỉ hơi cao hơn của Cl- nên OH- cũng phóng điện tạo

O2 Oxy tạo thành ăn mòn graphit, Cl2 tạo ra trên anot sẽ hòa tan trong dung dịch và bị thủy phân:

OH- - 4e  O2 + 2H2O; C + ½ O2  CO

CO + ½ O2  CO2; Cl2 + H2O HClO + H Cl

Cl2 + OH- HClO + Cl-; HClO + OH- ClO- +H2O

Cl2 + 2OH- ClO- + H2O; 12ClO- + 12OH- - 12e  4ClO3- + 8Cl- + 3O2 + 6H2O 4HClO + 2ClO-  2ClO3- + 4Cl- + 4H+

Nếu tăng nhiệt độ và nồng độ NaCl thì độ hòa tan của Cl2 giảm, hạn chế được hai phản ứng trên Điện thế phóng điện của Cl- trên anot thấp hơn của Cl- rất nhiều, nên dễ dàng phóng điện tạo thành ClO3- theo phản ứng: 12Cl- + 12OH- - 12e  4ClO3- + 8Cl- + 3O2 + 6H2O

Trong trường hợp không có màng ngăn, xút ở catot sẽ tác dụng với acid của anot theo phản ứng:

HClO3 + 2HCl + 3NaOH  NaClO3 + 2NaCl + 3H2O

Do đó để hạn chế các phản ứng phụ, cần phải dùng màng ngăn không cho các sản phẩm catot, chủ yếu là OH- trộn lẫn với anot, dung dịch muối ăn phải chảy liên tục từ không gian anot sang không gian catot, quá trình này cũng có tác dụng ngăn trở OH-

khuếch tán sang anot Ngoài ra, màng ngăn còn có tác dụng giữ cho H2 và Cl2 không kết hợp được với nhau tạo thành một hỗn hợp nổ

3.1.2 Ðiều kiện điện phân:

Ðể thực hiện tốt quá trình điện phân, cần phải bảo đảm các điều kiện dưới đây:

- Duy trì mức độ phân hủy muối ăn khoảng 45 - 55% để muối không bị phân hủy sẽ theo dung dịch xút ra ngoài thùng điện phân

- Nồng độ muối ăn trong dung dịch gần như bão hòa (khoảng 310 - 315 g/l) vì dung dịch càng đậm đặc thì độ tan của clor càng thấp

- Nhiệt độ điện phân tương đối cao, khoảng 85 – 97 C, nhiệt độ cao cũng có tác dụng hạn chế các quá trình điện phân như dung dịch muối đậm đặc

3.1.3 Lưu trình công nghệ điện phân:

Hình 12 Lưu trình công nghệ điện phân NaCl theo phương pháp Catot rắn

1 Thùng chứa nước muối; 6,7 Tháp sấy khô Cl

-; 11 Thùng chứa acid H 2 SO 4 ;

2 Thùng điện phân; 8 Thùng chứa acid H 2 SO 4 ; 12 Thùng lọc; 4,13 Máy nén; 3,5 Tháp làm lạnh; 9 Thiết bị làm lạnh acid; 10 Thùng cao vệ; 14 Thùng chứa xút

Dung dịch NaCl sau khi tinh chế và gia nhiệt 80 C, được đưa vào thùng chứa rồi từ đó phân phối vào các thùng điện phân (2) Từ thùng điện phân ra, khí H2 đưa vào tháp làm lạnh (3) Từ tháp

ra khí H2 được máy nén (4) đưa đến nơi tiêu thụ Còn khí Cl2 được đưa vào tháp đệm làm lạnh (5),

từ (5) ra khí Cl2 có nhiệt độ khoảng 15 – 20 C và độ ẩm 90%

Sau đó được đưa vào 2 tháp sấy khô (6) và (7) để loại nước bằng acid H2SO4 (96%); đưa vào thùng cao về (10); rồi đưa vào tháp chứa (11) Sau đó đưa lên đỉnh tháp sấy khô (7), một phần acid ra khỏi tháp được đưa sang thùng chứa (8), rồi bơm sang thiết bị làm lạnh (9) lên đỉnh tháp (6) Tại đây acid lên đến 74% Khí CO2 sau khi sấy khô ở tháp (7) có độ ẩm không quá 1,5 g/m3, qua thùng lọc (12)

để loại acid H2SO4 Còn dung dịch xút, từ thùng điện phân ra, chảy vào thùng chứa (14), rồi đưa sang bộ phận cô đặc và điều chế xút rắn (Phùng Tiến Đạt, Trần Thị Bính, 2004, tr.157)

3.1.4 Ưu khuyết điểm: Dung dịch xút sản xuất bằng phương pháp màng ngăn có chất lượng kém nhất trong ba phương pháp điện phân muối ăn Hàm lượng tạp chất trong dung dịch xút thường khá cao như sau:

Bảng 1 Hàm lượng tạp chất trong dung dịch xút

Tạp chất Hàm lượng (thông thường) Hàm lượng (tối đa)

NaCl 1% (trọng lượng) 1 - 3% (tùy theo nhà sản xuất)

NaClO3 0,15% (trọng lượng) 0,3% (trọng lượng)

Na2CO3 0,1% (trọng lượng) 0,2% (trọng lượng)

Na2SO4 0,01% (trọng lượng) 0,02% (trọng lượng)

Tổng nhu cầu năng lượng cho 1 tấn xút sản xuất theo phương pháp màng ngăn là khoảng

5000 kWh (tính quy đổi toàn bộ thành điện một chiều)

Xút sản xuất theo phương pháp màng ngăn thường được coi như xút sạch bậc kỹ thuật hoặc bậc thương mại Người ta cũng có thể tiến hành cô bổ sung dung dịch xút sạch bậc kỹ thuật với nồng

độ 50% NaOH này để giảm hàm lượng muối, do khi cô nồng độ xút cao hơn nên muối sẽ kết tủa Dung dịch đặc thu được sẽ lại được pha loãng để thu được dung dịch 50% NaOH bậc tinh khiết cao hơn Xút sản xuất theo phương pháp màng ngăn thường được sử dụng trong xử lý nước thải, sản xuất vải sợi, xà phòng, chất giặt rửa, và trong công nghiệp luyện nhôm

Nếu chỉ tính riêng công đoạn điện phân, thì nhu cầu năng lượng ở phương pháp này thấp hơn phương pháp điện cực thủy ngân, nhưng do phải cô đặc nên tổng tiêu hao năng lượng cao hơn nhiều Công đoạn cô đặc rất tốn kém cả về chi phí đầu tư và nhu cầu năng lượng, và không cho phép sản xuất sản phẩm NaOH có độ tinh khiết đủ cao cho một số ứng dụng nhất định

3.2 Sản xuất xút và clor theo phương pháp catot lỏng (Thuỷ ngân)

Quá trình này gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn điện phân, giai đoạn phân giải hỗn hống thủy ngân NaHgn Trong thùng điện phân: clor được giải phóng tại anot graphit hay anot RuO2, NaHgn được tạo thành trên anot thủy ngân, sau đó hỗn hống này chảy vào thiết bị phân giải và bị phân giải thành xút, hydro thoát ra và thủy ngân được sửa lại làm catot

3.1.1 Cơ sở lí thuyết của quá trình điện phân: Thùng điện phân dùng graphit làm anot và

dòng thủy ngân lưu động làm catot Nước muối được liên tục đưa vào thùng điện phân Natri có khả năng tạo hỗn hống với thủy ngân, tạo nên hiện tượng khử phân cực làm cho điện thế phóng điện của

Na+ trên thủy ngân thấp hơn điện thế tiêu chuẩn (-2,17 V) Trong khi đó trên catot quá thế của hydro rất lớn, làm cho điện thế phóng điện thực cao hơn điện thế thuận nghịch (-0,41 V) nhiều Điện thế thực tế của hydro phóng điện là -2V, còn của natri là -1,2 V;

Thực tế trên catot thủy ngân: Na+ + nHg + e  NaHgn

Trên anot graphit: 2Cl- - 2e  Cl2

Ngoài ra còn có O2, CO2 sinh ra do sự phóng điện của OH

-Quá trình phân hủy hỗn hống: Hỗn hống Na liên tục chảy vào thùng phân hủy hỗn hống, nước nóng liên tục đưa vào đây để phân hủy hỗn hống tạo xút và hydro:

NaHgn + H2O  NaOH + ½H2 + nHg Thực tế quá trình này gồm: NaHgn - e Na+ + nHg

H2O + e  ½H2 + OH- ; Na+ + OH- NaOH

Để đẩy nhanh tốc độ phân hủy hỗn hống, người ta dùng các tấm graphit làm các catot (có tác dụng làm giảm quá thế phóng điện của hydro, do đó làm tăng nhanh tốc độ phân hủy hỗn hống)

3.1.2 Sơ đồ hệ thống điện phân muối ăn bằng catot thuỷ ngân

Hình 13 Sơ đồ hệ thống điện phân muối ăn sử dụng catot thuỷ ngân

A- Thiết bị điện phân B - Thiết bị phân hủy hỗn hống C- TB bổ sung muối

1 Cửa dung dịch muối vào 8 Cửa thu hydrô

2 Cửa dung dịch muối ra 9 Cửa dẫn nước vào

3 Cửa thu clor 10 Bể chứa thủy ngân 1b QT phân hủy hỗn hống

5 Catot thủy ngân 12 Cửa bổ sung muối

6 Cửa dẫn hỗn hống vào 13 Bể hòa tan

7 Cửa tháo dung dịch xút ra 14 Bể điều hòa 15 Bơm dung dịch muối

3.1.3 Ưu khuyết điểm: Phương pháp này cho phép sản xuất dung dịch NaOH 50 - 52%

(trọng lượng) mà không cần công đoạn cô Độ tinh khiết của sản phẩm xút thu được rất cao, hàm lượng tạp chất rất thấp:

Bảng 2 Độ tinh khiết của sản phẩm xút và hàm lượng tạp chất

Tạp chất Hàm lượng (thông thường) Hàm lượng (tối đa)

Tổng nhu cầu năng lượng cho 1 tấn xút sản xuất thep phương pháp điện cực thuỷ ngân là khoảng 3600 kWh (tính quy đổi toàn bộ thành điện một chiều)

Xút sản xuất theo phương pháp điện phân với điện cực thuỷ ngân thường được coi như xút tinh khiết bậc Rayon Sản xuất sợi tơ nhân tạo phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp dung dịch xút tinh khiết cao của bậc này Một ứng dụng quan trọng khác của xút bậc Rayon này là để tái chế các thiết bị trao đổi ion để lọc nước

Việc sử dụng thủy ngân cho sản xuất xút clor phụ thuộc nhiều vào các biện pháp bảo hộ lao động và bảo vệ môi trường Trong 15 năm qua, công nghiệp xút clor châu âu đã giảm hơn 90 % lượng thủy ngân phát thải vào môi trường Ủy ban Oslo và Ủy ban Paris về vấn đề bảo vệ môi trường đã quy định mức phát thải thủy ngân là 2 g trên một tấn công suất clor được lắp đặt

3.3 Công nghệ điện phân với màng trao đổi ion (membrane)

3.3.1 Cơ sở lý thuyết: Công nghệ này được phát triển trong thập niên 1970, hiện nay khoảng

13% sản lượng xút theo phương pháp điện phân ở Mỹ và 25% công suất xút ở châu âu được sản xuất theo công nghệ điện phân với màng trao đổi ion Ở công nghệ này người ta sử dụng màng trao đổi ion để tách các ion clor và natri Bể điện phân được chia thành hai khoang, khoang anot được nạp dung dịch nước muối bão hòa, còn khoang catot được nạp nước khử khoáng Màng trao đổi ion cho phép các ion natri di chuyển về hướng màng, đồng thời giữ khí clor và dung dịch nước muối trong một khoang ở phía bên kia của bể điện phân Ion natri phản ứng với nước tạo thành NaOH Dung dịch xút được sản xuất bằng phương pháp màng trao đổi ion thường có nồng độ NaOH 33 - 35% (trọng lượng) Người ta cũng áp dụng công đoạn cô như ở phương pháp điện phân màng ngăn, để tăng nồng độ xút lên 50% thích hợp cho vận chuyển Mục đích của công đoạn cô không phải là giảm hàm lượng NaCl, vì do bản chất chọn lọc thẩm thấu của màng trao đổi ion nên hàm lượng NaCl không đáng kể, hơn nữa lượng nước cần bay hơi cũng nhỏ hơn so với phương pháp màng ngăn Những lượng nhỏ của muối có thể đi qua màng, làm cho dung dịch xút có nồng độ tối đa 75 ppm NaCl Nhưng sản phẩm xút của một số nhà sản xuất áp dụng công nghệ điện phân màng trao đổi ion

có thể có nồng độ NaCl cao hơn 100 ppm

3.3.2 Sơ đồ một bình điện phân hiện đại:

Với công nghệ màng trao đổi ion như sau (nhà máy

Celanese tại Frankfurt, Cộng Hòa Liên Bang Đức, cải

tạo xây dựng năm 2002, công suất 200.000 tấn /năm, dự

kiến sẽ đi vào sản xuất năm 2004, sử dụng màng

perflosulfonic acid của công ty Aciplex): Bình điện

phân với màng trao đổi ion sử dụng cho các nhà máy

xút - clor hiện đại thường là các loại bình điện phân cỡ

lớn, thiết diện mỗi bình có thể lên đến 5 m2

(kích thước bên ngoài 2 x 4 m) Các bình này sử dụng điện cực làm

từ vật liệu hoàn toàn trơ về mặt hóa học nên rất bền

3.3.3 Ưu điểm chính: Nói chung, hàm lượng tạp chất trong sản phẩm xút theo công nghệ màng trao đổi ion thường rất thấp như sau:

Bảng 3 Hàm lượng tạp chất trong sản phẩm xút theo công nghệ màng trao đổi ion

Tạp chất Hàm lượng (thông thường) Hàm lượng (tối đa)

4 CHẾ BIẾN THÀNH PHẨM

4.1 Chế biến kiềm thành phẩm (cô đặc dung dịch NaOH): Sau khi điện phân, dd NaOH ra

khỏi thùng điện phân theo phương pháp catot sắt chứa NaOH và NaCl Đây chưa phải thành phẩm

do nồng độ xút còn quá thấp, nồng độ muối còn lớn Vì vậy phải cho bốc hơi trong các thiết bị chưng cất cho đến nồng độ 46 – 49% NaOH và nồng độ NaCl không lớn hơn 4% hay được kiềm rắn, hàm lượng NaOH 92-94% Khi tăng nồng độ NaOH thì độ hoà tan của NaCl giảm, nên tách ra dưới dạng muối rắn trở lại quá trình hoà tan Muối sản xuất xút rắn phải bốc hơi tiếp tục trong những chảo lớn, khoảng 500 0C

4.2 Sản xuất Cl 2 và H 2 thành phẩm: Clor ra khỏi thùng điện phân chứa một lượng lớn hơi

nước, do đó cần phải sấy clor ẩm Khi ra khỏi thùng điện phân, clor nóng được làm lạnh sau đó sấy bằng H2SO4 đặc Clor khô được hoá lỏng với áp suất 3 – 6 atm và nhiệt độ 5 – 25 0C, clor lỏng dễ

dàng vận chuyển đến nơi tiêu thụ

Hydro ra khỏi thùng điện phân cũng được làm lạnh, rửa bằng nước, sấy bằng H2SO4 đặc hoặc xút rắn Hydro điều chế từ phương pháp catot thủy ngân chứa 50-80 mgHg/cm3 Khí sau khi làm lạnh và sấy, hàm lượng thuỷ ngân giảm xuống 20 -30 mg/m3 hydro

4.3.2 Hấp thụ hydro cloride bằng nước: Quá trình hấp thụ tạo ra các hydrat và tỏa nhiều

nhiệt Nếu trong quá trình hấp thụ ta không lấy bớt nhiệt do quá trình hoà tan thì nhiệt độ của acid tăng lên và không thể tạo ra acid có nồng độ cao hơn 20,24% Vì vậy, quá trình hấp thụ được thực hiện trong điều kiện đoạn nhiệt, tận dụng nhiệt hoà tan để làm bay hơi nước nhanh, tăng áp suất hơi

bão hoà của acid HCl do đó làm tăng nồng độ acid HCl

5 PHẦN CÂU HỎI CHƯƠNG 2

5.1 Phân tích quá trình tinh chế nước muối?

5.2 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân NaCl bằng phương pháp catot rắn?

5.3 Vẽ và phân tích lưu trình công nghệ điện phân NaCl bằng phương pháp catot rắn?

5.4 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân NaCl bằng phương pháp catot lỏng?

5.5 Phân tích cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân NaCl với màng trao đổi ion?

5.6 Phân tích chế biến thành phẩm của quá trình điện phân NaCl?