Bài giảng Kỹ thuật hoá học đại cương

BÀI GiẢNG: KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2021 Học: LÝ THUYẾT 30 TIẾT (GiẢNG 24T + TỰ HỌC 6T) Tài liêu: GIÁO TRÌNH HỌC TẬP VỞ GHI, GiẤY NHÁP MÁY TÍNH CÁ NHÂN Đánh giá: Kiểm tra kỳ: Thuyết trình (10%) Bài tập lớn nhà: 01 (10%) Chuyên cần, thái độ : Thi: Quá trình học (10%) Vấn Đáp Trọng số điểm thi: 70% GIÁO TRÌNH SỬ DỤNG, TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: Nguyễn Thị Diệu Vân Kỹ thuật Hóa học Đại cương Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2016 Các tài liệu tham khảo: NỘI DUNG HỌC PHẦN Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Chương 2: CNSX CÁC CHẤT VƠ CƠ Chương 3: SẢN XUẤT ĐIỆN HĨA Nội dung Chương 4: CƠNG NGHỆ SILICAT Chương 5: CHẾ BIẾN HÓA HỌC NHIÊN LIỆU Chương 6: CNSX CÁC HỢP CHẤT CAO PHÂN TỬ CHUẨN ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN Kiến thức: + Nắm vững kiến thức công nghệ sản xuất chất vô cơ, cơng nghệ điện hóa, cơng nghệ sản xuất vật liệu silicat, cơng nghệ chế biến hóa học nhiên liệu, cơng nghệ sản xuất hợp chất cao phân tử + Vận dụng kiến thức môn học để áp dụng vào đời sống kỹ thuật Kỹ năng: + Tự đọc giáo trình, tài liệu + Năng lực tính tốn kỹ làm việc nhóm Năng lực tự chủ trách nhiệm: Có khả tự định hướng, thích nghi với môi trường làm việc khác nhau; tự học tập, tích lũy kiến thức Phẩm chất đạo đức cá nhân, nghề nghiệp, xã hội: Có ý thức bảo vệ môi trường ý thức bảo vệ sức khỏe người Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 1.1 MỞ ĐẦU 1.2 NGUYÊN LIỆU, NƯỚC VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG CƠNG NGHIỆP HĨA HỌC 1.3 CÁC QUY LUẬT CƠ BẢN CỦA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC 1.1 MỞ ĐẦU 1.1.1 Giới thiệu môn học 1.1.2 Phương hướng phát triển CNHH 1.1.3 Một số khái niệm định nghĩa 1.1.1 Giới thiệu môn học ❑Trang bị cho sinh viên kiến thức ngành Cơng nghệ Hóa học ❑ Nhắc lại kiến thức sở, quy luật, đặt vào điều kiện sản xuất, gắn chặt với thành khối thống &hệ thống hoàn chỉnh ❑ Trình bày cho sinh viên có nhìn chung, toàn diện KTHH 1.1.2 Phương hướng phát triển CNHH Nâng cao cường độ hiệu suất làm việc thiết bị - Tăng kích thước thiết bị => ↓ kim loại, vật liệu (tính cho đơn vị thể tích pư đơn vị sp làm ra) => ↓ chi phí xây dựng tòa nhà, phân xưởng, thiết bị phụ trợ => ↑ cường độ làm việc thiết bị => ↓ hệ số tiêu phí nguyên liệu - Tăng cường độ làm việc thiết bị: cải tạo cấu trúc thiết bị/ hồn thiện quy trình thiết bị => thiết lập cấu trúc thiết bị, chế độ làm việc để đạt tốc độ trình max (cường độ qt hóa học ↑ (do ↑ khuấy trộn cấu tử, ↑ bề mặt tiếp xúc chất tham gia pư dạng rắn, lỏng, khí) Cơ khí hóa qt nặng nhọc: Thay sức lao động người máy móc Tự động hóa điểu khiển từ xa: giới hóa mức độ cao → ↑ hiệu suất lao động, nâng cao chất lượng sp Thay qt gián đoạn = qt liên tục: nâng cao chất lượng sp, tận dụng nhiệt pư chất thải qt, tự động hóa, nâng cao hiệu suất, suất thiết bị Sử dụng nguyên liệu rẻ tiền phức hợp Tiết kiệm lượng: Ưu tiên chọn nguyên liệu giá rẻ, chế biến rẻ, vận chuyển rẻ Thay nguyên liệu thực phẩm nguyên liệu phi thực phẩm Sử dụng phức hợp nguyên liệu, tận dụng cấu tử quý, bớt chất thải, bảo vệ môi trường 1.1.3 Một số khái niệm định nghĩa * Khái niệm trình KTHH Qt hóa học gồm giai đoạn: - Đưa tác nhân vào vùng pư; - Các PUHH- Đưa sp khỏi vùng pư Đưa tác nhân vào vùng pư: - Khuếch tán phân tử (đối lưu); - Hấp phụ, hấp thụ; - Hòa tan; - Ngưng tụ, nấu chảy; - Hóa hơi… Q trình KTHH PUHH - Nối tiếp; - Song song; - Song song + nối tiếp Dẫn sp khỏi vùng pư Tiến hành khuếch tán đối lưu, chuyển chất từ pha sang pha khác (khí, lỏng, rắn) - PUHH (giai đoạn 2) có tốc độ chậm nhất, định tốc độ chung trình hóa học: PU vùng động học ➢ Muốn tăng tốc độ qt: ↑ yếu tố ảnh hưởng mạnh lên tốc độ pư (nồng độ chất đầu, T, xt…) - Tốc độ giai đoạn thành phần ≈: tác động vào yếu tố tăng nhanh khuếch tán, ➢ Muốn tăng tốc độ: khuấy trộn, tăng nồng độ chuyển hệ từ nhiều pha → pha chất đầu T 10 - Tốc độ chung: định qt dẫn nguyên liệu vào hay dẫn sp ra: PUHH xảy vùng khuếch tán 4.3.1 Sản xuất thủy tinh * + Sơ đồ chi tiết trình sản xuất thủy tinh: + Thuyết minh sơ đồ: Cát làm giàu để tăng lượng SiO2 giảm hàm lượng tạp chất cát, sau đem sấy phân ly điện từ (có tác dụng loại tạp chứa sắt) sau cho vào két chứa, đem cân làm ẩm Xođa nghiền cho vào két chứa đem cân Đá vơi, tràng thạch, đolomit đập, nghiền (để kích thước nguyên liệu đồng đều) sau đem phân ly điện từ cho vào két chứa Mảnh vỡ thủy tinh đập, phân ly điện từ cho vào két chứa Cát, xođa, đá vôi, tràng thạch, đolomit, mảnh vỡ thủy tinh sau xử lý cho vào máy trộn hàn the chuyển xuống két chứa Hỗn hợp cho vào lò thực trình nấu, phụ gia cho thêm để đạt yêu cẩu sản phẩm Cuối gia công thủy tinh 45 4.3.1 Sản xuất thủy tinh * + Hướng quan trọng để phát triển sản xuất thủy tinh, tình hình sản xuất thủy tinh nước ta - Loại bỏ công nghệ lạc hậu (dây chuyền kéo đứng) sản xuất kính xây dựng Lựa chọn cơng nghệ Float nhằm nâng cao khả cạnh tranh kính sản xuất nước - Đa dạng hố sản phẩm như: kính an tồn dán hai nhiều lớp, kính hấp thụ nhiệt, kính hoa văn sản phẩm thuỷ tinh xây dựng khác - Nghiên cứu phát triển loại vật liệu trang trí từ kính màu in lưới, kính tự rửa, kính siêu dày > 20 mm, kính siêu mỏng 2000oC b Tính chất - Độ chịu lửa khả vật liệu chống lại tác dụng nhiệt độ cao mà khơng bị nóng chảy Độ chịu lửa thông số kỹ thuật, khác với độ nóng chảy vật liệu; - Cường độ xây dựng nhiệt độ cao Vật liệu xây lò đồng thời chịu tác dụng nhiệt độ tải trọng học Đây thông số quan trọng chọn vật liệu xây lò Đặc trưng nhiệt độ biến dạng tải trọng kg/cm2, biểu thị khoảng nhiệt độ vật liệu bị biến dạng dẻo; VD: loại gạch samot có độ chịu lửa 1400oC nhiệt độ biến dạng tải trọng kg/cm2 1300oC loại gạch samot dùng để xây lò làm việc 1300oC Nhiệt độ biến dạng số sản phẩm chịu lửa: - Gạch đinat 1650oC; - Cao lanh (42% Al O ) 1450oC; - Gạch samot 1250-1400oC; - Gạch đolomit 1500-1610oC… 47 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * 4.3.2.2 Sản xuất gạch đinat a Khái niệm chung: gạch đinat vật liệu chịu lửa, thành phần chứa nhiều SiO2, thường chứa > 93% SiO2 b Nguyên liệu: nguyên liệu chứa nhiều SiO2 cát quắc, sa thạch, quaczit, quắc có nguồn gốc từ loại đá có chứa SiO2 đá hoa cương,… qua q trình phong hóa tạo nên Nguyên liệu dùng để sản xuất gạch đinat quaczit có hàm lượng SiO2 > 95% Các tạp chất quaczit gồm Al2O3, CaO, MgO, R2O Ngoài quaczit ngun liệu cịn dùng phụ gia sữa vơi, quặng sắt Vơi tăng tính kết dính phối liệu để dễ đóng khn đẩy mạnh q trình chuyển hóa quắc q trình nung Quặng sắt (FeO) có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nung, thúc đẩy q trình hình thành khống cần thiết Lượng phụ gia cho vào phối liệu: vôi 0,5-1%; sắt < 1% Để dễ tạo hình cịn dùng lượng keo từ nước thải sản xuất giấy khoảng 0,5-1% (theo trọng lượng khô) 48 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * c Quá trình sản xuất đinat Sơ đồ sản xuất gạch đinat 49 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * c Quá trình sản xuất đinat * Điều kiện tiến hành - Đá quăczit dạng cục có kích thước đến 300 mm khai thác có lẫn nhiều tạp chất đất sét, cần rửa sau đập nghiền đến cỡ hạt < mm (loại mm không q 3%); - Để tạo hình dùng phối liệu có độ ẩm 5-7%; - Sấy t = 100-250oC Độ ẩm sau sấy đạt 1-1,5% Dùng khói lị sấy nhờ có CO2 khói lị tác dụng với CaO nên mép gạch mộc cứng lại; - Nung nhiệt độ 1450oC d Q trình hố lý xảy nung: - Khi t = 100-200oC nước lý học; - Khi t = 200-250oC tính chất kết dính; - Khi t = 250-560oC hydroxyt canxi phân huỷ; Ca(OH)2 → CaO + H2O - Khi t = 573oC biến đổi thù hình 𝛽 quắc → 𝛼 quắc - Khi t = 600-1200oC kết hợp với oxit khác: CaO + SiO2 → CS; SiO2 + FeO → SF 50 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa - Khi t = 1200oC tạo thành khoáng đinat Quan trọng khống tridimit có hàm lượng 50-60%, sau khống cristobalit 20-30% cịn lại quắc - Khi t = 1300-1450oC dung dịch rắn nóng chảy, khống tạo nhiều, cịn lại thủy tinh, quắc hết Thủy tinh SiO2 kết tinh thành tinh thể tridimit, làm nguội thành thủy tinh Khống tridimit có ý nghĩa quan trọng thành phần gạch đinat chúng biến đổi thể tích nhỏ nhiệt độ thay đổi, sản phẩm nứt vỡ sử dụng Vì sản xuất mong muốn tăng hàm lượng khoáng - Khi t = 1450oC giai đoạn làm nguội bình thường nên tránh số khoảng nhiệt độ chuyển dạng thù hình khống 51 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * Kỹ thuật sản xuất gạch samot a Khái niệm chung: Samot vật liệu chịu lửa nằm họ Al2O3 có thành phần Al2O3 từ 15-100% Đây loại vật liệu phổ biến nhất, chiếm đến 70% tổng số loại vật liệu chịu lửa Samot sản xuất từ nguyên liệu cao lanh đất sét nung 1450oC Samot ứng dụng rộng rãi làm vật liệu loại lò nung, lò cao, lò thủy tinh Chủ yếu để xây thành lò b Quá trình sản xuất * Ngun liệu - Ngun liệu đất sét, cao lanh có hàm lượng Al2O3 khoảng 2550%; - Nguyên liệu phụ: thêm chất kết dính đất sét nghiền mịn * Quá trình sản xuất: 52 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * Quá trình sản xuất: 53 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * - Giai đoạn I: Chuẩn bị nguyên liệu + Nung đất sét cao lanh đến nhiệt độ kết khối để thu samot (vật liệu gầy); + Vật liệu gầy có tác dụng ổn định thể tích sản phẩm (giảm độ co) tăng cường tính chất vật liệu chịu lửa Lượng samot gầy phối liệu từ 50-85%; + Cỡ hạt thích hợp phối liệu gồm loại: Hạt nhỏ từ 0,05-0,15 mm chiếm 15-30%; Trung bình 0,15-1 mm chiếm 10-30%; Hạt lớn từ 1-5 mm chiếm 55-65% Việc phân chia nhiều cỡ hạt nhằm mục đích để hạt nhỏ chen vào khoảng trống hạt to làm tăng độ sít đặc sản phẩm + CKD phối liệu có tác dụng liên kết hạt với Mật độ cao sản phẩm nung đạt lượng đất sét kết dính chiếm 15-20% Nếu CKD tăng, q trình tạo hình dễ dàng tính chất khác vật liệu chịu lửa giảm 54 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * - Giai đoạn II: Tạo hình Có phương pháp + Bán khơ: phối liệu có độ ẩm 8-10% Hay dùng + Dẻo: phối liệu có độ ẩm 20% - Giai đoạn III: Sấy Có thể sấy tự nhiên sấy phòng sấy Độ ẩm cuối cần bảo đảm 1-3% tùy vào thiết bị nung giai đoạn sau - Giai đoạn IV: Nung Nhiệt độ tối đa 1430-1450oC Nhiên liệu rắn khí Thời gian nung dao động 40-150h tùy thuộc vào loại lò 55 4.3.2 Sản xuất vật liệu chịu lửa * c Q trình hóa lý nung - 100-200oC: nước lý học; - 400-600oC: nước hóa học; - 900-950oC: khống mulit xuất hiện; - 1000-1250oC: khống mulit kết tinh Sự hình thành pha lỏng; - 1300-1450oC: hồn thành tạo khống Quá trình nung kết thúc - Giai đoạn làm nguội: khoáng mulit chiếm 50-60% 3(Al2O3.2SiO2) → 3𝐴𝑙2 𝑂3 2𝑆𝑖𝑂2 + 𝑚𝑢𝑙𝑖𝑡 4𝑆𝑖𝑂 (4.35) 𝑡ℎủ𝑦 𝑡𝑖𝑛 ℎ 𝑘ℎó 𝑛ó𝑛𝑔 𝑐ℎả𝑦 Khi làm nguội nên hạ nhiệt độ từ từ, tốc độ tốt 70oC/1h, tránh rạn nứt 56 Sơ đồ mặt cắt ngang cắt dọc lò nung tuynen * Mặt cắt dọc (a) cắt ngang (b) lò tuynen 1- Rãnh để thổi khơng khí vào vùng cháy; 2- Ngọn lửa; 3- Các vagon chở vật liệu nung; 4Đệm cát; 5- Ống tháo khói 57 Câu hỏi ơn tập Trình bày kỹ thuật sản xuất xi măng Pooc lăng: a) Thành phần xi măng, sơ đồ khối trình sản xuất xi măng, phương pháp sản xuất xi măng, nguyên lí sản xuất xi măng? b) Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng Pooc lăng theo phương pháp ướt lò quay, thuyết minh? Sơ đồ chi tiết sản xuất xi măng Pooclang theo phương pháp ướt lò quay, sơ đồ chi tiết sản xuất xi măng Pooclang theo phương pháp khơ lị quay, thuyết minh, so sánh hai sơ đồ Nguyên liệu, nhiên liệu, q trình hóa lí nung clanke, yếu tố ảnh hưởng đến trình nung luyện chất lượng clanke xi măng, q trình gia cơng clanke thành xi măng - Hướng quan trọng để phát triển sản xuất xi măng, tình hình sản xuất xi măng nước ta Trình bày kỹ thuật sản xuất thủy tinh: a) Nguyên liệu, sơ đồ khối trình sản xuất thủy tinh điều kiện tiến hành, q trình hóa lí nấu thủy tinh? b) Sơ đồ chi tiết trình sản xuất thủy tinh, thuyết minh Hướng quan trọng để phát triển sản xuất thủy tinh tình hình sản xuất thủy tinh nước ta? 58 Kỹ thuật sản xuất gạch đinat: Nguyên liệu, sơ đồ chi tiết trình sản xuất gạch đinat, thuyết minh, điều kiện tiến hành, q trình hóa xảy nung - Hướng quan trọng để phát triển sản xuất gạch đinat, tình hình sản xuất gạch đinat nước ta Kỹ thuật sản xuất gạch samot: a) Nguyên liệu, sơ đồ chi tiết trình sản xuất gạch samot, thuyết minh, điều kiện tiến hành, q trình hóa lí xảy nung b) Sơ đồ mặt cắt dọc mặt cắt ngang lò tuynen Trình bày kỹ thuật sản xuất vật liệu chịu lửa: a) Trình bày kỹ thuật sản xuất gạch đinat: nguyên liệu, sơ đồ khối trình sản xuất điều kiện tiến hành, q trình hóa lí xảy nung, sơ đồ chi tiết trình sản xuất gạch đinat? b) Trình bày kỹ thuật sản xuất gạch samot: nguyên liệu, sơ đồ khối trình sản xuất điều kiện tiến hành, trình hóa lí xảy nung, sơ đồ mặt cắt dọc mặt cắt ngang lò tuynen? 59