TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH sản XUẤT AXIT SUNFURIC TRONG CÔNG NGHIỆP

2.2.Tính chất hóa học của axit sunfuric loãng• Có thể phản ứng với hầu hết các kim loại hoạt động mạnh hơn đồng và hầu hết các oxit kim loại để tạo ra muối sunfat và nước tương ứng.. Lịc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP HÓA CHẤT

Giảng viên hướng dẫn: ThS Tống

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Thị Hạnh 20201475 KTHH 010-K65

2 Hoàng Xuân Hiệp 20201483 KTHH 10-K65

3 Trần Trung Hiếu 20201492 KTHH 10-K65

4 Hoàng Xuân Ngọc 20201500 KTHH 08-K65

5 Nguyễn Huy Hoàng 20201502 KTHH 10-K65

6 Nguyễn Công Huân 20201510 KTHH 08-K65

Hà Nội, tháng 2 năm 2021

LỜI MỞ ĐẦU

Axit sunfuric là một axit vô cơ rất quan trọng đối với ngành công nghiệp hóa chất nói riêng, đối với nền kinh tế quốc dân nói chun Chúng ta có thể bắt gặp axit nyaf trong các ngành sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu, chất giặt tổng hợp, tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu, phẩm nhuộm, dược phẩm, chế biến dầu mỏ… Hàng năm các nước trên thế giới sản xuất khoảng 160 triệu tấn H2SO4.

Đồ án trình bày về đề tài: Tìm hiểu quá trình sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp Bên cạnh đó là tổng quan về lý thuyết cũng như một số vấn đề liên quan Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Hoàng Dương đã hướng dẫn giúp

đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án Với sự giúp đỡ tận tình dó kết hợp với cùng với sự nỗ lực cố gắng của cá nhân nhóm, chúng em đã hoàn t hành đồ án này Tuy nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu trong quá trình làm bài không thể không có sai sót, chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ bảo đóng góp của cô để bản báo cáo hoàn thiện tốt hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, tháng 2 năm 2021

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

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

1 Tính chất vật lý 4

2 Tính chất hóa học 4

2.1.Tính chất hóa học của H 2 SO 4 đậm đặc 4

2.2.Tính chất hóa học của axit sunfuric loãng 6

II CÁC ỨNG DỤNG CỦA AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP6 1 Lịch sử phát triển 6

2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ ở Việt Nam 6

2.1 Trên thế giới 7

2.2 Ở Việt Nam 7

3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp 7

- Trong xử lý nước thải 8

III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ H 2 SO 4 TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 8

IV CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG ĐỂ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP 9

1 Nguyên liệu sử dụng để sản xuất axit sunfuric ở quy mô công nghiệp 9

1.1.Nguyên liệu 9

1.2.Đặc điểm sử dụng nguyên liệu: 10

1.3.Chất xúc tác trong sản xuất Axit sunfuric 12

2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric ở quy mô công nghiệp12 2.1 Sơ đồ chung 12

2.2 Sơ đồ ở 1 số nước 18

3 Các thông số công nghệ cơ bản của các công đoạn trong dây chuyền sản xuất 22

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

1 Tính chất vật lý

 Trạng thái vật lý: chất lỏng

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

 Mùi vị: không mùi

 Áp suất hóa hơi: <0,04kPa

 Mật độ hơi: 3.38

 Tốc độ bay hơi: chậm hơn ete

 Độ nhớt: 26,7cP

 Điểm sôi: 335o ở 101.3kPa

 Khả năng hòa tan trong nước: có thể hòa tan theo mọi tỷ lệ

 Trọng lượng phân tử:98,0761

 Trong lượng rieneg1,84 g/cm3

 Nhiệt độ phân hủy:340oC

2 Tính chất hóa học

2.1.Tính chất hóa học của H 2 SO 4 đậm đặc

a,Tính chất khử nước của H2SO4 đậm đặc

Mất nước đề cập đến quá trình axit sunfuric đậm đặc loại bỏ các phân tử nước không tự do hoặc loại bỏ các nguyên tố hydro và oxy trong chất hữu cơ theo tỷ lệ thành phần nguyên tử hydro và oxy của nước

Phản ứng tỏa nhiệt của Saccarozo dưới tác dụng của H2SO4

• 3Zn + 4H2SO4 (đậm đặc) = 3ZnSO4 + S + 4H2O

• 4Zn + 5H2SO4 (đậm đặc) = 4ZnSO4 + H2S ↑ + 2H2O

c,Phản ứng với kim loại

Axit sunfuric đậm đặc ở nhiệt độ thường có thể tác dụng với các kim loại mạnh như sắt và nhôm Khi đun nóng, axit sunfuric đậm đặc có thể phản ứng với tất cả các kim loại (bao gồm vàng và bạch kim) ngoại trừ iridium và ruthenium để tạo thành muối kim loại hóa trị cao

• Cu + 2H2SO4 (đậm đặc) -> CuSO4 + SO2 ↑ + 2H2O

Phản ứng phụ:

• 5Cu + 4H2SO4 (cô đặc) -> 3CuSO4 + Cu2S + 4H2O

Tác dụng với sắt III tạo khí CO2, nước và muối sắt

• 2Fe + 6H2SO4 (đậm đặc) -> Fe2(SO4)3 + 3SO2 ↑ + 6H2O

d,Phản ứng với phi kim

Axit sulfuric đậm đặc có thể ôxi hóa phi kim như carbon, lưu huỳnh, phốt pho… Trong loại phản ứng này, axit sunfuric đậm đặc chỉ thể hiện tính chất oxy hóa

2.2.Tính chất hóa học của axit sunfuric loãng

• Có thể phản ứng với hầu hết các kim loại (hoạt động mạnh hơn đồng) và hầu hết

các oxit kim loại để tạo ra muối sunfat và nước tương ứng

• Có thể phản ứng với muối chứa ion axit tương ứng với độ axit yếu hơn ion sunfat

để tạo ra sunfat và axit yếu tương ứng

• Nó có thể phản ứng với kiềm để tạo ra sulfate và nước tương ứng

• Nó có thể phản ứng với kim loại trước hydro trong một số điều kiện nhất định để

tạo ra muối sunfat và hydro tương ứng

• Trong điều kiện đun nóng, nó có thể là chất xúc tác cho quá trình thủy phân

protein, disacarit và polysacarit

• Nó có thể hoạt động với chất chỉ thị để làm cho dung dịch thử quỳ tím có màu đỏ

và dung dịch thử phenolphthalein không màu không bị đổi màu

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

1 Lịch sử phát triển

Việc nghiên cứu vitriol, một loại khoáng chất thủy tinh mà từ đó aixt có thể được tạo ra đãbắt đầu từ thời cổ đại.Một số cuộc thảo luận sớm nhất về nguồn gốc và đặc điểm của vitriol làtrong công trình của bác sĩ Hy Lạp Dioscorides (thế kỉ thứ nhất sau Công nguyên) và nhà tựnhiên học La Mã Pliny the Elder (23-79 sau Công nguyên)

Vào thế kỉ XVII, nhà hóa học người Đức-Hà Lan Johann Glauber đã điều chế axit sunfuricbằng cách đốt cháy lưu huỳnh cùng với chất tạo muối (kali nitrat) trong điều kiện có hơi nước.Khi muối phân hủy, nó oxi hóa lưu huỳnh thành lưu huỳnh trioxit kết hợp với nước rạo ra axitsunfuric

Năm 1736, Joshua Ward một dược sĩ ở LonDon đã sử dụng phương pháp này để sản xuấtaxit sunfuric ở quy mô lớn

Năm 1746 tại Birmingham, John Roebuck đã điều chỉnh phương pháp này để tạo axitsunfuric trong các ngăn có lốt chì ít tốn kém hơn Sau nhiều lần cải tiến phương pháp này đượcgọi là quy trình buồng chì –tiêu chuẩn để sản xuất axit sunfuric trong gần 2 thế kỉ

Năm 1831, nhà buôn giấm người Anh Peregrine Phillips đã cấp bằng sang chế cho quy trìnhtiếp cúc, một quy trình kinh tế hơn nhiều để sản cuất lưu huỳnh trioxit và axit sunfuric đậm đặc.Ngày nay trên thế giới cũng sử dụng chủ yếu là phương pháp này

2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ ở Việt Nam

2.1 Trên thế giới

Bởi những đặc tính quan trọng của axit sunfuric và nhu cầu lớn của nền sản xuất công nghiệphóa học mà sản lượng axit này trên thế giới ngày càng tăng Dưới đây là biểu đồ thể hiện sự gia

- Nhà máy Supe lân Long Thành- Bến Tre: nguyên liệu là quặng sulfua sắt sản xuất theophương pháp tiếp xúc (Chất xúc tác là V2O5) Sản lượn đạt 80.000 tấn/năm

- Nhà máy hóa chất Tân Bình: Nguyên liệu lưu huỳnh và theo phương pháp tiếp xúc

3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp

- Trong sản xuất phân bón

Axit sunfuric chủ yếu được sử dụng trong sản xuất axit photphoric, là chất được sử dụng đểsản xuất các loại phân photphat, và cũng dùng để sản xuất Amoni sunfat.

- Trong sản xuất công nghiệp

Axit sunfuric được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất kim loại như sản xuất đồng,kẽm và dùng trong làm sạch bề mặt thép và dung dịch tẩy gỉ

Ngoài ra, axit sunfuric còn được sử dụng để sản xuất nhôm sunfat (ví dụ như phèn làmgiấy) Sản xuất các loại muối sunfat, tẩy rửa kim loại trước khi mạ, chế tạo thuốc nổ, chất dẻo,thuốc nhuộm, sản xuất dược phẩm

Hỗn hợp axit với nước được dùng để làm chất điện giải trong hàng loạt các dạng ắc quy,axit chì

Mỗi năm có khoảng 160 triệu tấn H2SO4, trong đó nổi bật khi được sử dụng trong cácngành sản xuất như phân bón 30%, luyện kim 2%, phẩm nhuộm 2%, chất dẻo 5%, chất tẩy rửa14%, giấy, sợi 8%

- Trong xử lý nước thải

Sản xuất nhôm hidroxit là chất được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước để lọc các tạpchất, cũng như cải thiện mùi vị của nước, trung hòa pH trong nước, và sử dụng để loại bỏ cácion Mg2+, Ca2+ có trong nước thải

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

- Hầu như H2SO4 không được điều chế trong PTN Tuy nhiên vẫn có thế điều chế 1 lượngnhỏ H2SO4 trong PTN bằng cách sử dụng các chất OXH mạnh như thuốc tím, HNO3 hoặc cáchalogen (Cl2 ,Br2) tác dụng với các chất như SO2, H2S, S,…

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

AXIT SUNFURIC Ở QUY MÔ CÔNG NGHIỆP

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

1.1.Nguyên liệu

Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric rất phong phú bao gồm lưu huỳnh và các hợp chất của

nó Theo thống kê, sản lượng axit sunfuric trên thế giới được sản xuất từ các nguồn nguyên liệunhư sau:

-Lưu huỳnh nguyên chất

-Quặng pirit FeS2, chứa 30-50% S, lẫn nhiều tạp chất và thành phần khác

-Các nguồn chất thải chứa S (các nguồn khí thải như H2S, SO2, axit sunfuric

thải)

-Thạch cao

a) Lưu huỳnh nguyên chất:

- S là một trong những nguyên tố có nhiều trong tự nhiên S chiếm 0,1% khối lượng vỏ tráiđất S được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric (chiếm khoảng50% tổng lượng S sản xuất ra), trong nông nghiệp chiếm khoảng 10-15% tổng lượng S sản xuấtra)

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

- Các mỏ đáng kể của lưu huỳnh cũng tồn tại trong các mỏ muối dọc theo bờ biển thuộc vịnhMêxicô và trong các evaporit ở Đông Âu và Tây á Lưu huỳnh trong các mỏ này được cho là

có được nhờ hoạt động của các vi khuẩn kỵ đối với các khoáng chất sunfat đặc biệt là thạchcao Các mỏ này là nền tảng của sản xuất lưu huỳnh công nghiệp tại Hoa Kỳ, Ba Lan,Nga, Turkmenistan

- Ở Việt Nam, để điều chế lưu huỳnh, người ta đi từ quặng S thiên nhiên chứa khoảng 20% S hoặc tách các hợp chất từ khí thải của các ngành công nghiệp luyện kim màu, gia côngdầu mỏ, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ

15-b) Quặng pirit:

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

+ Pirit tuyển nổi: Trong quá trình đem luyện đồng thường dùng phương pháp tuyển nổi đểlàm giàu đồng của quặng lên khoảng 15-20% đồng của quặng (gọi là tinh quặng đồng) Phần bãthải ra của quá trình tuyển nổi chứa khoảng 32-40% S gọi là quặng pirit tuyển nổi

+ Pirit lẫn than: Than đá ở 1 số mỏ có lẫn cả quặng pirit, có loại chứa tới 3-5% S làm giảmchất lượng của than.Vì vậy, phải loại bỏ cục than có lẫn pirit Phần than cục loại bỏ này chứa tới

33-42% S và 12-18% C gọi là pirit lẫn than ở miền bắc nước ta, mỏ than Na Dương (Lạng Sơn)than chứa nhiều S (có mẫu tới 6-8% S).

+ Pirit thường: thành phần chủ yếu là FeS2 chứa khoảng 53,44% S và 46,56% Fe Trongquặng có lẫn nhiều tạp chất của các hợp chất của đồng, chì, kẽm, niken, bạc, vàng, coban, selen,telu, silic, các muối cacbonat, sanfat canxi, magie Vì vậy hàm lượng thực tế của S dao độngtrong khoảng từ 30-52% ở miền bắc nước ta mới chỉ phát hiện một số mỏ pirit nhưng nóichung hàm lượng S thấp (khoảng 20-30% S), trữ lượng nhỏ

c) Các nguồn chất thải chứa S:

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

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

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

- Axit sunfuric thải: Sau khi dùng axit sunfuric làm tác nhân hút nước,tinh chế dầu mỏ, sunfuahoá các hợp chất hữu cơ sẽ thu được chất thải chứa nhiều H2SO4 ( 20 – 50%) Việc thu hồi axitsunfuric này cũng có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và bảo vệ môi trường

d) Thạch cao:

Đây là một nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất axit sunfuric vì nhiều nước trên thế giới

có mỏ thạch cao ( CaSO4.2H2O hoặc CaSO4)

1.2.Đặc điểm sử dụng nguyên liệu:

1.2.1 Mặc dù đi từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau để sản xuất axit sunfuric nhưng chúng đều

có điểm chung là đốt nguyên liệu để tạo ra SO2 Trước khi đốt phải trải qua giai đoạn gia công

cơ, nhiệt tuỳ theo dạng nguyên liệu

-S trước khi đua vào lò đốt phải đập nhỏ, nấu chảy, lọc đẻ loại bỏ tạp chất S ở dạng lỏngđược không khí nén đua vào lò đốt sẽ hoá hơi và cháy ở đây thu được SO2 đạt tới 16%

- Quặng pirit thông thường có kích thước 50 – 200 mm vì vậy phải trải qua các công đoạnđập, nghiền, sàng để có kích thước nhất định ( tuỳ thuộc vào loại lò ) Ví dụ trong lò đốt tầngsôi người ta cần loại bỏ các hạt quặng có kích thước lớn hơn 3mm, hạn chế các hạt quặng cókích thước nhỏ hơn 44x1O-3 mm Bởi vì những hạt quá to hay quá nhỏ đều ảnh hưởng đến bụi

xỉ pirit cuốn theo khí lò trong quá trình đốt nguyên liệu do tất cả các hạt rắn có tốc độ tới hạnnhỏ hơn hoặc bằng tốc độ làm việc của khí đều bị cuốn theo khí lò vào hệ thống sản xuất phía

sau khiến chúng ta phải xử lý khí SO2 thu được Mặt khác, quặng có kích thước quá nhỏquá dễ bị kết khối ở nhiệt độ cao.

- Thạch cao cũng đập nghiền, sàng để có kích thước nhất định

1.2.2 Nhiên liệu và năng lượng:

a)Than:

- Trên lãnh thổ Việt Nam than được phân bố theo khu vực:

+Bể than atraxit Quảng Ninh nằm về phía Đông Bắc Việt Nam, kéo dài từ Phả Lại qua ĐôngTriều đến Hòn Gai- Cẩm Phả - Mông Dương- Cái Bầu- Vạn Hoa dài khoảng 130 Km, rộng từ

10 đến 30 Km, có tổng trữ lượng khoảng 10,5 tỉ tấn, trong đó: tính đến mức cao -300m là3,5 tỉ tấn đã được tìm kiếm thăm dò tương đối chi tiết, là đối tượng cho thiết kế và khai thác hiệnnay, tính đến mức cao -1000m có trữ lượng dự báo khoảng 7 tỉ tấn đang được đầu tư tìm kiếmthăm dò Than Antraxit Quảng Ninh có chất lượng tốt, phân bố gần các cảng biển, đầu mối giaothông rất thuận lợi cho khai thác và tiêu thụ sản phẩm

+Bể than đồng bằng sông Hồng : nằm trọn trong vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, cóđỉnh là Việt Trì và cạnh đáy là đường bờ biển kéo dài từ Ninh Bình đến Hải Phòng, thuộc cáctỉnh thành phố: Thía Bình, Hải Dương, Hưng Yên, Hải Phòng, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hà Nội,Sơn Tây, Hà Nam, Phủ Lý, Phúc Yên, Vĩnh Yên và dự kiến còn kéo dài ra vùng thềm lụcđịa của biển Đông Việt Nam Với diện tích khoảng 3500 Km2, với tổng trữ lượng dự báokhoảng 210 tỷ tấn Khu vực Khoái Châu với diện tích 80Km2 đã được tìm kiếm thăm dòvới trữ lượng khoảng 1,5 tỷ tấn, trong đó khu vực Binh Minh, với diện tích 25Km2 đã đượcthăm dò sơ bộ với trữ lượng 500 triệu tấn hiện đang được tập trung nghiên cứu công nghệ khaithác để mở mỏ đầu tiên Các vỉa than thường được phân bố ở độ sâu -100

+ Các mỏ than vùng nội địa: Có trữ lượng khoảng 400 triệu tấn, phân bố ở nhiều tỉnh, gồmnhiều chủng loại than: Than nâu-lửa dài (mỏ than Na Dương, mỏ than Đồng Giao); than bánAntraxit ( mỏ than Núi Hồng, mỏ than Khánh Hoà, mỏ than Nông Sơn); than mỡ ( mỏ thanLàng Cẩm, mỏ than Phấn Mễ, mỏ than Khe Bố) , có nhiều mỏ than hiện đang được khai thác.+ Các mỏ than bùn: Phân bố ở hầu khắp 3 miền: Bắc, Trung, Nam của Việt Nam, nhưngchủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam, đây là loại than có độ trơ cao, nhiệt lượng thấp, ở một

số khu vực có thể khai thác làm nhiên liệu, còn lại chủ yếu sẽ được sử dụng làm phân bón phục

vụ nông nghiệp Tổng trữ lượng than bùn trong cả nước dự kiến có khoảng 7 tỉ mét khối

- Than là nguồn nhiên liệu chính cung cấp nhiệt trong suốt quá trình sản xuất axit sunfuricnhất là trong lò đốt nguyên liệu vì có trữ lượng lớn, nhiệt trị cao, giá thành rẻ so với các chất đốtkhác Nhiệt có ảnh hưởng rất lớn trong quá trình đốt quặng pirit Nhiệt độ càng cao quá trìnhcháy xảy ra càng nhanh nhưng không thể tăng nhiệt độ một cách tuỳ ý như vậy sẽ gây nên hiệntượng kết khối của nguyên liệu làm giảm rõ rệt tốc độ của quá trình và dẫn đến tắc lò ngừng sản