TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC TRONG CÔNG NGHIỆP

Các ứng dụng của axit sunfuric ở quy mô công nghiệp 3.1 Lịch sử phát triển 3.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ 3.3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp II... Axit sunfuric hay còn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỀ TÀI:TÌM HIỂU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC TRONG CÔNG NGHIỆP

Môn học : Nhập môn kĩ thuật hóa học CH2000

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Tiến Thành

NHÓM 4 Sinh viên thực hiện MSSV

Lê Thị Ngọc

Đỗ Minh Ngọc

Nguyễn Lê Hoàng Nguyên

Tạ Tiến Nguyên

Vũ Đình Hải Nam

Đặng Hải Nam

Trịnh Nhật Nam

Hà Nội , ngày , tháng, năm MỤC LỤC

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ……… LỜI MỞ ĐẦU………

I TỔNG QUAN VỀ AXIT SUNFURIC

1 Tính chất vật lý, tính chất hóa lý

2 Tính chất hóa học

2.1 Tính chất hóa học chung của axit sunfuric

2.2 Tính chất hóa học của axit sunfuric đậm đặc

2.3 Tính chất hóa học của aixt sunfuric loãng

3 Các ứng dụng của axit sunfuric ở quy mô công nghiệp 3.1 Lịch sử phát triển

3.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ

3.3 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp

II

III

IV

V

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Nội dung Phụ trách

LỜI MỞ ĐẦU

Axit sunfuric hay còn goi là H2SO4 là một hóa chất quan trọng nhất hiện nay, được mệnh danh là vua của các hóa chất, đóng vai trò chủ chốt cho sự tồn tại

và phát triển của các ngành công nghiệp cũng như là chỉ số tốt thể hiện sức mạnh công nghiệp của mỗi quốc gia Với những đặc điểm tính chất đặc trưng, ứng dụng đặc biệt nên axit sunfuric được sử dụng phổ biến, rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt: để trung hòa pH trong xử lí nước thải,

sử dụng trong sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học cũng như tinh chế dầu mỏ Dựa trên các cơ sở kiến thức đã được học trong bộ môn

“Nhập môn Kỹ thuật Hóa học”, nhóm chúng em đã hoàn thành tiểu luận trình bày về đề tài: “Tìm hiểu quá trình sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp”, bên cạnh đó là các kiến thức tổng quát về lý thuyết cũng như một số vấn đề liên quan Chúng em đã rất nỗ lực tìm hiểu và đóng góp ý kiến nhưng do trình

độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của cô hướng dẫn cùng các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Tiến Thành đã hướng dẫn nhóm em hoàn thành bản đồ án này!

Hà Nội, tháng 1 năm

I.TỔNG QUAN VỀ AXIT SUNFURIC

1 Tính chất vật lý, hóa lý

− Trạng thái vật lý: chất lỏng sánh

− 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: khó bay hơi (chậm hơn ete)

− Điểm sôi: 338o ở 101.3kPa

− Khả năng hòa tan trong nước: tan vô hạn trong nước

− Trọng lượng phân tử: 98,0761

− Trong lượng riêng: 1,84 g/ cm3

− Nhiệt độ phân hủy: 340oC

−Có thể làm than hóa các chất hữu cơ

Hình 1.1. Mô hình dạng khối của axit sunfuric Hình 1.2. CTCT của axit sunfuric (https : //vietchem.com.vn ) (Nguồn: Internet)

2 Tính chất hóa học

2 1 Tính chất hóa học chung của axit sunfuric

 Axit sunfuric H2SO4 làm chuyển màu quỳ tím thành đỏ

 Tác dụng với kim loại đứng trước H (trừ Pb) tạo thành muối sunfat:

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2

 Tác dụng với oxit bazơ tạo thành muối mới (trong đó kim loại giữ nguyên hóa trị)

và nước

FeO + H2SO4 → FeSO4 + H2O

 Axit sunfuric tác dụng với bazơ tạo thành muối mới và nước

H2SO4 + NaOH → NaHSO4 + H2O H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O

 H2SO4 tác dụng với muối tạo thành muối mới (trong đó kim loại vẫn giữ nguyên hóa trị) và axit mới

Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 H2SO4 + 2KHCO3 → K2SO4 + 2H2O + 2CO2

2 2 Tính chất hóa học của axit sunfuric 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

5 C12H22O11 + H2SO4 → 12C + 11H2O

− Phản ứng với cacbon tạo thành khí CO2, lưu huỳnh điôxít và nước

C + H2SO4 → CO2↑ + 2SO2 ↑ + 2H2O b) Phản ứng oxi hóa mạnh

− Vì là axit mạnh nên H2SO4 có khả năng phản ứng oxi hóa khử với nhiều chất, hợp chất khác nhau Tùy vào chất khử, axit sunfuric đậm đặc có thể bị khử thành SO2, S hoặc H2S:

2HBr + H2SO4 (đậm đặc) → Br2 + SO2 + 2H2O

3H2S + H2SO4 (đậm đặc) → 4S + 4H2O

8HI + H2SO4 (đậm đặc) → 4I2 + H2S + 4H2O

− Khi nồng độ H2SO4 thay đổi thì chất tạo thành có thể khác nhau như:

Zn + 2H2SO4 (đậm đặc) → ZnSO4 + SO2 ↑ + 2H2O 3Zn + 4H2SO4 (đậm đặc) → 3ZnSO4 + S + 4H2O 4

Zn + 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

C + 2H2SO4 (đậm đặc) → CO2 + 2SO2 ↑ + 2H2O

S + H2SO4 (đậm đặc) → 3SO2 ↑ + 2H2O

2P + 5H2SO4 (đậm đặc) → 2H3PO4 + 5SO2 ↑ + 2H2O e) Phản ứng với các chất khử khác

− Ngoài khả năng phản ứng với kim loại, phi kim thì nó còn có thể tác dụng với hydro sunfua, hydro bromua, hydro iodua

H2S + H2SO4 (đậm đặc) → S ↓ + SO2 + 2H2O

2HBr + H2SO4 (đậm đặc) → Br2 + SO2 + 2H2O

8HI + H2SO4 (đậm đặc) → 4I2 + H2S + 4H2O

CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF

2.3 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:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

H2SO4+MgO →MgSO4+H2O

− 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:

H2SO4 + Na2CO3→ Na2SO4 + CO2 + H2O

− Nó có thể phản ứng với kiềm để tạo ra muối sunfat và nước tương ứng:

H2SO4 + Fe(OH)2→ FeSO4 + 2H2O

− 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:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

− 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

3.Các ứng dụng của axit sunfuric ở quy mô công nghiệp.

3.1.Lịch sử phát triển

− Quy trình sản xuất H2SO4 đã dược phát hiện từ rất

lâu khoảng 1000 năm trước, bắt nguồn từ việc nghiên cứu vitriol - một loại khoáng chất thủy tinh mà từ đó axit 7

sunfuric đã có thể được tạo ra từ thời cổ đại Một số cuộc thảo luận sớm nhất đề cập về nguồn gốc và đặc điểm của vitriol là trong công trình nghiên cứu của một bác sĩ người Hy Lạp Dioscorides (thế kỉ thứ nhất sau Công nguyên) và nhà tự nhiên 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 sunfuric bằng 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 tạo ra axit sunfuric Năm

1737, Joshua Ward – bác sĩ và cũng là nhà hóa học người Anh

đã mở rộng phương pháp này và sản xuất axit sunfuric với quy mô lớn hơn

− Năm 1746, John Joebuck đã cải tiến, điều chỉnh phương pháp này để tạo axit sunfuric trong các ngăn có lốt chì

ít tốn kém hơn (quy trình buồng chì) và quy trình này được dùng để làm tiêu chuẩn sản xuất axit sunfuric trong gần 2 thế kỉ

− Năm 1831, Peregrine Philips đã cấp bằng sáng chế cho quy trình tiếp xúc - một quy trình hoàn thiện, mang tính kinh tế hơn để sản xuất SO3 và H2SO4 đậm đặc Và đây cũng chính là phương pháp được sử dụng chủ yếu để sản xuất axit sunfuric trên thế giới hiện nay ➢ Xu hướng cải tiến công nghệ trong sản xuất H2SO4 là nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm phát tán khí thải độc hại vào môi trường

3.2.Tình hình sản xuất và tiêu thụ

− Axit sunfuric có những đặc tính quan trọng và do nhu cầu lớn của ngành công nghiệp hóa chất nên sản lượng axit ngày một tăng trên thị trường

a) Trên thế giới

− Quy mô thị trường axit sulfuric toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ 309,24 triệu tấn vào năm 2023 lên 372,99 triệu tấn vào năm 2028, với tốc độ CAGR là 3.82% trong giai đoạn dự báo (2023-2028)

− Đại dịch COVID-19 đã ảnh hưởng vừa phải đến thị trường axit sulfuric vào năm2020 Việc áp đặt các biện pháp phong tỏa trên nhiều quốc gia khác nhau và sự gián đoạn nguồn cung đã ảnh hưởng đến lĩnh vực hóa chất Tuy nhiên, vì axit

sulfuric là một trong những hóa chất chính được sử dụng trong lĩnh vực hóa chất, nhu cầu cao được dự đoán trong giai đoạn dự báo

1.3 Biểu đồ thể hiện lượng tiêu thụ axit sunfuric trên thế giới

(nguồn:Internet)

− Thị trường axit sunfuric trên toàn thế giới đã chứng kiến sự tăng trưởng ổn định trong giai đoạn 2009 – 2012 Năm

2012, sản lượng axit vượt hơn 230,7 triệu tấn, Châu Á là khu vực sản xuất axit sunfuric hàng đầu, chiếm khoảng 45% tổng sản lượng

− Trong đó, Châu Á - Thái Bình Dương (APAC) là khu vực tiêu thụ axit lớn nhất với sản lượng tiêu thụ vượt 106 triệu tấn (năm 2012) Trung Quốc là một trong các quốc gia đứng đầu về sản lượng sản xuất cũng như sản lượng tiêu thụ, có ảnh hưởng rất lớn đến sự tăng trưởng sản lượng hóa chất vô cơ toàn cầu Cụ thể là: sản lượng axit sunfuric toàn cầu đã tăng 25% trong thời kỳ 1990 – 2008, phần lớn là nhờ sản lượng tăng đến hơn 400% ở Trung Quốc, trong khi các quốc gia ở Bắc Mỹ, Tây Âu, Trung Âu và Đông Âu, sản lượng axit sunfuric giảm mạnh với mức giảm 15% - 40% trong cùng thời kỳ; năm 2020, thị trường Trung Quốc chiếm hơn 9 35% sản lượng tiêu thụ Nhu cầu toàn cầu về axit sunfuric dự kiến vẫn

sẽ tăng trong 5 năm tới

b) Tại Việt Nam

Axit sunfuric được ứng dụng rộng rãi nên công suất sản xuất của các nhà máy tại Việt Nam hàng năm cũng rất lớn Nổi bật là 3 nhà máy:

b1.Nhà máy Supephotphat và hóa chất Lâm Thao:

− Nguồn nguyên liệu là quặng pirit phối trộn lưu huỳnh hóa lỏng nhập khẩu Axit sunfuric được sản xuất theo phương pháp tiếp xúc kép hấp thụ hai lần, chất xúc tác oxi hóa SO2 thành SO3 là vana đioxit (V2O5) và sản lượng axit nhà máy đạt 280.000 tấn/năm

b2 Nhà máy Supe lân Long Thành - Bến Tre: − Nguyên liệu là quặng sunfua sắt, sản xuất theo phương pháp tiếp xúc, chất xúc tác là vana đioxit (V2O5) − Sản lượng đạt 80.000 tấn/năm

b3 Nhà máy hóa chất Tân Bình (thuộc Công ty cổ phần Hóa chất Cơ bản MiềnNam – CSV):

− Axit sunfuric kỹ thuật: Sản xuất từ nguyên liệu lưu huỳnh theo phương pháp tiếp xúc Dùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác: phân bón, chất điện giải trong ắc-quy, thuốc nhuộm, dược phẩm, các sản phẩm gốc sunfat,…

− Axit sunfuric tinh khiết: Sản xuất theo phương pháp chưng cất axit sunfuric kỹ thuật Dùng trong phòng thí nghiệm, công nghệ điện tử và sản xuất các sản phẩm chất lượng cao

− Dây chuyền sản xuất axit sunfuric đạt 60.000 tấn/năm

+ Việt Nam tuy có nhiều nhà máy lớn, nhỏ để sản xuất axit sunfuric quy mô công nghiệp, nhưng trên thực tế (số liệu năm 2018), Việt Nam nhập khẩu một số lượng lớn axit vô cơ và hợp chất vô cơ chứa oxy, lượng nhập khẩu gấp hơn 61 lần lượng xuất khẩu, cho thấy năng lực sản xuất axit sunfuric nói riêng cũng như axit vô cơ và hợp chất chứa oxy nói chung của nước ta còn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng cao ở trong nước Tuy nhiên, dự kiến đến năm 2025, ngành hóa chất trong nước

sẽ đáp ứng được 80 – 90% nhu cầu các sản phẩm hóa chất vô cơ thông dụng như là axit sunfuric

3.4 Ứng dụng của axit sunfuric trong công nghiệp

a) Trong sản xuất phân bón:

− Chủ yếu được sử dụng (60% tổng sản lượng tiêu thụ) để sản xuất axit photphoric– nguyên liệu sản xuất các loại phân photphat, amoni sunfat

b) Trong sản xuất công nghiệp:

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

− Sản xuất nhôm sunfat (phèn làm giấy) Dung dịch H2SO4 có thể phản ứng với xà phòng trên các sợi bột giấy tạo ra

cacbon nhôm dạng gelatin, có tác dụng làm đông các sợi bột giấy thành bề mặt cứng của giấy

− Sản xuất các loại muối sunfat, tẩy rửa kim loại trước khi

mạ, chế tạo thuốc nổ, chất dẻo, thuốc nhuộm

− Hỗn hợp axit sunfuric với nước dùng làm chất điện giải

sử dụng trong các loại ắcquy, axit chì… Nó tham gia vào quá trình thuận nghịch để chì và chì đioxit chuyển hóa thành chì (II) sunfat

− Chất xúc tác chuyển hóa cyclohexanone oxime thành caprolactam - sử dụng sản xuất nilon

− Thành phần quan trọng để sản xuất axit clohidric từ muối ăn bằng công nghệ Manheim

− Dựa theo độ tinh khiết của dung dịch axit để ứng dụng sản xuất phù hợp Ví dụ, tinh khiết như loại US Pharmacopoeia

sẽ được sử dụng trong ngành sản xuất dược phẩm

c) Trong xử lý nước thải:

− Sản xuất nhôm hidroxit là chất được dùng trong các nhà máy xử lý nước để lọc các tạp chất, cải thiện mùi vị, trung hòa

pH trong nước và sử dụng để loại bỏ các ion Mg2+, Ca2+ trong nước thải

d) Một số ứng dụng khác:

− Làm sạch cống: H2SO4 là thành phần của các chất làm sạch cống rãnh, thường dùng để làm sạch các vật cản có chứa giấy, vải và các vật liệu không dễ rửa trôi bằng dung dịch xút

− Trong ngành hóa dầu, tinh luyện dầu mỏ H2SO4 làm chất xúc tác cho phản ứng giữa isobutan và isobutylen tạo ra isooctan-chất làm tăng chỉ số octan cho xăng