Bài giảng Hóa công nghệ - Chương 2: Sản xuất Axit Sunfuric - Ngô Xuân Lương

Nội dung text: Bài giảng Hóa công nghệ - Chương 2: Sản xuất Axit Sunfuric - Ngô Xuân Lương

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TH.S NGÔ XUÂN LƯƠNG Thanh Hóa, năm 2008
2. PHẦN GIỚI THIỆU: HOÁ CÔNG NGHỆ BAO GỒM: + Hoá công nghệ I: 45t (Hoá công nghệ và môi ttrường) + Hoá công nghệ II: 45t (Hoá nông nghiệp) Tài liệu tham khảo 1, Trần Thị Bích. Phùng Tiến Đạt. Hoá học công nghệ và môi ttrường. NXB giáo dục 1999. 2, Phùng Tiến Đạt. Trần Thị Bích Kỹ thuật hoá học. NXb giáo dục 1996. 3, Trần Thị Bích, Phùng Tiến Đạt. Hoá kỹ thuật đại cương T1. Nhà xuất bản giáo dục.
3. PHẦN I: HÓA CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG
4. CHƯƠNG II. SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC (4T)
5. I. VAI TRÒ CỦA AXIT H2S04. + H2S04 đã biết từ lâu, vào TK X nhà giả kim thuật Gobe điều chế H2S04 trong PTN từ 2 Fs2(S04) giữa thế kỷ XVIII người ta đ/c = PP nitroza hoá đốt lưu huỳnh vớ mối nitơ rát -> h khí S02, N03, 02 S + NaN03 -> N02S + N02 + 02 + S02 hấp thụ khí = H20 -> H2S04 S02 + 02 + h20 N02 H2S04 Nồng độ H2S04 thu được 67% -> 75% phù hợp SX phân bón (còn nhiều tạp chất) Ngày nay dùng PP tiếp xúc. S02 + 02 S03 + H2S04 nồng độ đ H2S04 thu được V205 là 98% cao hơn và sạch hơn PP nitroza hoá và thu được cả oleum xS03yH20.
6. + Là hoá chất quan trọng nhất của CNHH, ứng dụng rộng rãi nhất trong nền KTQD vì thế SX H2S04 ngày càng gia tăng H2S04 - SX phân bón: sufe phốt phat đơn. G(H2P04)2CaS04 amoni phốt phát (NH4)S04 - Chế các nhiên liệu lỏng để làm sạch xăng dầu, faraffis, Hidrocac bon. - Dùng trong tổng hợp hữu cơ: xúc tác - (CnH2n + H20 este hoá) phẩm nhuộn - Dùng trong ngành luyện kim mạ điện Nhà máy supehốt phát Lâm Thao H2S04 SX theo PPTX: XT V205 II. Nguyên liệu sản xuất H2S04 1. Nguyên liệu phong phú: - Lưu huỳnh - Hợp chất của S: Sun phua, kim loại, sunphát, quặng Firitsắt.
7. - Các phế thải chứa S và hợp chất của nó (VD: luyện kim màu phế thải chứa S02). 1. Lưu huỳnh Trong tự nhiên có nhiều mỏ lưu huỳnh nó là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất H2S04 vì dây 0 chuyền SX đơn giản hơn đi từ nguyên liệu khác (T đốt cháy thấp, tinh chế S02 đơn giản). Các nước có nhiều S: Mỹ, LX, Ba Lan, Canađa (Việt Nam chứa ít S) trước 1835 S là nguyên liệu để sản xuất H2S04. 2. Quặng Firit Thành phần chính FeS2: Firít sắt nguyên chất chứa 53,44%S, 46,56% Fe có màu vàng xám. Thành phần phụ: - Các kim loại màu Co, Ni, Cu - Các hợp chất của Cu, Ni, AS, Si, Selen.
8. - Các oxit Al, Au, Ag, CaC03, Supat-> hàm lượng S trong Firit sắt = 50% ở nước ta quặng Firis sắt chứa nhiều tạp chất -> % S= 15% nên không sử dụng trực tiếp mà phải nhập khẩu (CT sufe phốt phát Lâm Thao) Muốn sử dụng quặng nghèo để SX thì phải làm giàu quặng (loại bớt tạp chất ) 3. Thạch cao: CaC04.2H20 - Thành phần chính: CaS04.2H20 hoặc CaS04 khan nung thạch cao: CsS04 -> Ca0 + S02 + 02-> SP là Ca0, S02 -> dùng thạch cao vừa SX xi măng vừa SX H2S04, PP này ít sử dụng chỉ phù hợp với H20 chứa ít S, Firit sắt.
9. 4. Các phế thải công nghiệp chứa hợp chất của S. +S04: phế thải lô cao luyện gang, thép, kim loại màu. + H2S phế thải khí lô cốc, khói lô đốt than chứa nhiều S + dd thải của kỷ nghệ gia công KL chứa H2S04 (pp thu hồi) III. CHẾ TẠO HỖN HỢP KHÍ S02. 1. Nguyên tắc: + ở nước có nhiều S: Phun S ở trạng thái lỏng vào lò đốt, S1 + 02 -> H 2Fe + S2 (hơi) H > 0 (thu) 0 0 t > 600 CS2 + 2002 -> 2S02 H < 0 (toả)
10. 0 Sau khi lưu huỳnh tách ra thì nguyên liệu trở nên xốp, thì FeS2 + 02 850 FS203 + S02= (3) 2 Kết quả h khí gồm: 7 - 9% S02; 10-11% 02 còn lại là N2 và một số tạp chất cần loại bỏ khí tích chế H20, S03, S203, Sr02 HF và bụi (trong không khí C0S03 do một số sunphat phân huỷ hoặc 1 phần S02 Fe203 S03. - Tp xi: chuyển Fe203, Fe203 dùng cho kỷ nghệ luyện gang hay SX xi măng. + Ngoài ra, đốt H2S trong không khí H2S + 02 -> H20 + S02 H < 0
11. 2. Các điều kiện ảnh hưởng tới quá trình đốt quặng nhiệt độ. 0 - Vì FeS2 là nguyên liệu vắn -> T càng cao QT cháy càng nhanh, vì QT toả nhiệt -> chỉ cung cấp nhiệt cho phản ứng lúc đầu sau đó tự xảy ra phản ứng càng mạnh liệt nhiệt toả ra càng nhiều (> 8500) ở T0 quá cao nguyên liệu nóng chảy kết khối -> V thấm -> tắc lò, ngừng SX vậy không thể tăng T0 1 cách tuỳ ý mà thực tế SX t0 = 600 - 8500C. - Khi nhiệt độ tăng tốc độ QT phân huỷ FeS2 tăng mạnh hơn QT đốt Fé2 -> QT đốt Fe xảy ra chậm nhất -> nó QĐ tốc độ toàn bộ QT đốt FeS2. - T0 của lò đốt còn phụ thuộc vào cấu tạo lò đốt. Diện tích tiếp xáuc của nguyên liệu và 02 (KK) Diện tích tiếp xúc của nguyên liệu và 02 (KK)
12. - QT đốt là QT xảy ra trong hệ dị thể vắn - khí - tốc đọ quá trình phụ thuộc vào diện tích tiếp xáuc F. F càng lớn - V càng lớn (vì phản ứng xảy ra trên bề mặt quặng) vì vậy - Nghiền quặng tới 1 kích thước phù hợp cho từng loại lò đốt tốc độ thổi 02 càng lớn -> C02 càng lớn - QT đốt cháy càng nhanh -> toả nhiều nhiệt -T0 trong lò vượt quá nhiệt độ cho phép không có lợi
13. - Tốc độ thổi càng lớn - sẽ mang theo nhiều N2 và 02 dư -> giảm hàm lượng S02 (< 700C%), đồng thời giảm T0 của lò do tiêu tốn vào việc đốt nóng không khí. - Thực tế SX khống chế 02 vào lò để cho hh khí có 71, S02 11% 02 (lượng 02 dư đủ để dùng oxi hoá S02, C03) ngoài ra tốc độ cháy, Firít sắt còn phụ thuộc vào tích thể của nó và các tạp chất trong quặng. 3. Lò đốt. - Trong SX H2S04 người ta dùng các lò đốt khác nhau để đốt FeS2 ở kích thước khác nhau và tp thích hợp,
14. a. Lò "bơi chèo" hay lò nhiều tầng + Cấu tạo: hình trụ cao 8m, đường kính 6m, vỏ bằng thép, phía trong xay bằng gạch chịu lửa, có 7 tầng để đốt quặng, tầng trên cùng để sấy quặng và có cửa dẫn hh khí đi ra, tầng cuối cùng có các cửa cho kk đi vào lò. Các tầng đánh số theo thứ tự từ trên xuống, các tầng giữa có các cửa để sửa chữa và bổ sung kk. Giữa lò có 1 trục quay bằng gang đường kính 0,9m và kéo cho nó chuyển động từng T1 - T7. KHi trục quay nó là 1 máy khuấy, phía dưới tầng T7 có lỗ tháo xỉ ra. + Hoạt động: Quặng từ bể quặng đổ vào tầng sấy các năng vào đảo quặng và cào nó vào gần trục lò rồi rơi xuống các tầng đốt.
15. 0 Tầng đốt 1: 650 C 2Fé2 -> 2Fé + S2 1 phần S2 + 202 -> 2S02 0 Tầng đốt 2: 650 - 750 C, S2 + 02 -> S02 (đại bộ phận) 1 phần: FeS + 02 -> Fe203 + S02 0 Tầng 3, 4: phản ứng chảy mạnh nhất FeS + 02 -> Fe203 + S02 (800 - 850 ) T5 - T7: QT cháy dần HH khí lấy ra ở đỉnh lò, kk đi lên tử cửa tầng T7 ngược với chiều c/đ của FeS2 Nhờ quạt hút mà Plô S02 không hay ra ngoài làm ô nhiễm môi trường. NL: Quặng Firit sắt chứa 50% S. 6 - 8mm
16. b. Lò tần sôi Trong lò tần sôi quặng luôn luôn c/đ giống hiện tượng sôi của chát lỏng. Để tạo ht "sôi" phía dưới lò đốt quặng có 1 lưới thép, kk thổi từ phía dưới lò qua lưới thép - quặng trên lưới thép luôn c/đ giống như sôi - ở trạng thái lư lửng quặng tiếp xúc tốt với kk, bị đốt cháy nhanh -> S02. Xí có kích thước nhỏ bị thổi lên phía trên, và tháo ra ngoài (d bé) hh khí lấy ra phía trên lò. H cao hơn lò "bơi chèo" t0 phản ứng cao hơn -> cao hơn kích thước quặng 2-5mm
17. c. Lò phun: Đốt quặng ở dạng bụi (kt bé) có % S bé không thể đốt trong các lò khác. Cao 10m, đường kính 4m cấu tạo rỗng. Quặng được kk phun vào lò từ dưới đáy lò ở trạng thái đó quặng bị đốt cháy (phản ứng xăng ra toàn bộ lò) từ đích lò bổ sung không khí vào lò xí rơi xuống đáy lò. hh khí S02 = 12% Công suất lớn -> hh khí nhiều bụi, khs tích chế do bé. IV. TÍNH CHẾ HH KHÍ S02. HH khí ra khỏi lò đốt chứa 7% S02 và nhiều tạp 11% 02 N2 Chất: bụi, hơi H20, oxit asen, selen và các hợp chất của F (GF). Các tạp chất làm mất tác dụng xúc, tác (HĐ) oxi hoá S02 -> S03, làm cho a x H2S04 bị nhiễm bẩn - phải loại bỏ - PP tinh chế.
18. + Tách bụi: Cho h khi đi qua hệ thống lắng lcọ bụi nhờ lực li tâm, khi đó các hạt bụi lớn va đập vào các xiclon và rơi xuống đáy - Sau đó đi qua thiết bị máy lọc điện tạo ra điện trường mạnh còn hoá chất khí, các ion c/đ về cực traid dấu gặp các hạt bụi nhỏ, tích điện và cùng d/đ về điện cực bị giữ lại + Tách asen oxit - se len oxit. Cho hh khi đi qua tháp rữa các oxit của asen, selen bị giữ lại do t0 V các hơi của oxit đóng vắn, rơi xuống.
19. + Tách "mù" axit H2S04. Do trong dòng khí có S03, hơi H20 - chúng kết hợp với nhau tạo các hạt H2S04 ở dạng sương mù - > ăn mòn thiết bị và hỏn xt. Tách mù nhờ hệ thống lọc điện vớt. + Tách hơi H20 (làm khô) H20 làm xúc tác bị ẩm, vở vụn -> tách H20 bằng cách cho đi qua chất háo H20 ( dd H2S04 98%). Tưới H2S04 đ từ trên đỉnh tháp xuống, H2 khi đi từ dưới lên.
20. V. Oxi hoá S02 thành S03 bằng xúc tác V205 1. Cơ sở lý thuyết - Phản ứng oxh S02 bằng 02 là 1 phản ứng thuận nghịch, toả nhiệt S02 + 1/2 02 S03 + Q ở nhiệt độ thường hoặc cao nếu không có xúc tác phản ứng không xảy ra - Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi tăng P va giảm T0 độ
21. 0 ở T thấp cân bằng chuyển dịch về phía tạo S03 nhưng nhiệt độ thấp quá chất xúc tác chưa phát huy tác dụng, ở 4000C phản ứng bắt đầu xảy ra rõ rệt, còn ở t0 cao quá CBCD theo chiều nghịch và chất xúc tác bị phá vỡ cấu trúc -> mất hoạt tích. 0 0 - Trong thực tế SX dùng xúc tác V205 t thích hợp là 450 C - Có 2 nhóm xúc tác: + PT được mang trên chất mang là amiăng, + Nhóm 2: bao gồm các oxits KL: V205 Thực tế dùng xt phổ biến nhất là V205 cùng với 1 số chất phụ gia khác H20, Si02, K20, Ca0 phụ gia tăng đọ bền cơ học, tăng hoặc tính ít ngộ độc bởi tạp chất.
22. - Khi tăng C02 khi V tăng và CBCD theo chiều tạo S03 -> H tăng. 0 0 Vậy oxi hoá S02 -> S03 với xúc tắc V205 ở T 450 C hàm lượng 02 kk là: 11% còn S02 7% thì H = 98% (p = 1atm) Mặt khác H còn phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc của chất phản ngs với xúc tác tăng V chuyển hoả. 2. Thiết bị oxi hoá: Tháp tiếp xúc + Cấu tạo; Hình trụ, cao 8 - 10m đường kính 3-4m vỏ bọc thép phía trong xây = gạch chịu lửa chống ăn mòn. Chất xúc tác chia thành 4 - 5 lớp đặt nằm ngang trong thiết bị giãư các lớp xúc tác là các óng hình trụ đặt song song để thực hiện trao đổi nhiệt S02 - S03.
23. + Hoạt động: Khí S02 đốt nóng sơ bộ đi vào đáy tháp tiếp xúc qua thiết bị trao đổi nhiệt độ song song 0 xen giữa các lớp xúc tác (đi ngoài ống )để nâng T0 tới 450 C (do S03 truyền cho) sau đó 0 0 đi qua lớp xúc tác thứ nhất tại đây S02 + 02 -> S03 + Q -> dòng khí có T > 450 C đi vào trong ống được làm lạnh nhờ S02 đi ngoài ống, khi đó nhờ QT trao đổi nhiệt dòng khi qua lớp tiếp xúc thứ 2 QT diễn ra ở lớp XT thứ nhất. Sau đó qua lớp 3,4 -> H = 98%. Đây là 1 kiểu tháp thường áp dụng (CT sufepot phát Lâm Thao)> VI. Hấp thụ S03: S)3 + H2)( -> H2S04 + Q
24. Trong thực tế không dùng H20 để hấp thụ S03 vì khi đó tạo mù axit H2S04 là các hạt H204 nhỏ không ngưng tụ thành giọt lớn để tạo dd H2S04 lỏng theo khi bay ra ngoài -> thất thoát SP, ăn mòn thiết bị ONMT. Vì vậy người ta dùng H2S04 đặc (có P hơi thấp) để hấp thụ S03 tạo oleum XS03yH20 (yH2S04) (S03 tan trong H2S04 dd) khi pha oleum = H20 -> dd H2S04 có C tuỳ ý. (hoặc dùng oleum). - QT hấp thụ xảy ra trong hệ di thể (kk) GĐ1: Vận chyuển khí S03 tới bề mặt chất lỏng gđ2: Hấp thụ xảy ra trên bề mặt và trong lòng chất lỏng, đồng thời ở pha khí S03 + H204 - > H2S04 hơi H2S04 bảo hoà ngưng tụ thành hạt nhỏ như sương mù C bị axit hấp thụ -> hấp thụ S03 không dùng H20, H2S04 L mà người ta dùng kk đẳng phí.
25. H2S04 98,3% H20 1,7% để hấp thụ S03 vì khi đó pha khí gần S03, hơi H20 trong kk này mịn ở pha khí phản ứng xảy ra nhanh, còn hấp thụ S03 = chất lỏng xảy ra chậm hơn, tốc độ ấy phụ thuộc tốc độ khuyếch tắn S03 tới bề mặt chất lỏng, phụ thuộc vào C%, H2S04. Khi C% H2S04max -> Vmax (98,3%) 0 áp suất hơi eleum và hàm lượng S03 trong pha phí tăng khi T tăng -> khi T0 tăng thì P hơi H2S04 tăng -> tốc độ QT giảm. (phản ứng toả nhiệt) - T0 thích hợp 600C. ĐK thích hợp: mục đích QT hấp thụ là: S03 hấp thụ hoàn toàn, giảm hàm lượng S03 theo khí thải và SX oleum đạt tiêu chuẩn 18,5
26. 0 - 20% lạnh khí S03 tới 30 C dd H2S04 98,3% làm lạnh sau đó cho đi ngược chiều trong tháp hấp thụ. + Tháp hấp thụ trụ, cao 10m phía trong lát gạch chịu axits, phần không gian tháp xếp đầy các đệm rồng hình trụ bằng sứ hoặc chất dẻo để tăng F cỷa S03 với chất lỏng. Phun H2S04 98,3% từ đỉnh tháp xuống chảy qua tấm đệm, S03 làm lạnh và đi ngược từ đấy lên. Đầu trụ S03 làm nguội sau đó đi qua T1 tưới oleum, S02 dư đi qua T2 tưới H2S04 đ H = 99%.