bài giảng hóa học đại cương

LỜI MỞ ĐẦU Nhiên liệu là những chất hữu cơ cháy được có trong tự nhiên và là nguồn nhiệt năng, là nguyên liệu cho công nghiệp hóa học. Việc sử dụng than cốc làm nhiên liệu ngày càng được áp dụng rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp. Than cốc là sản phẩm tạo thành từ than đá, là loại than chứa ít lưu huỳnh và ít tro nhờ quy trình luyện than đá thành than cốc ở điều kiện yếm khí trên 1000°С. Các thành phần dễ bay hơi như nước, khí than và tro than đã bị loại bỏ gần như hoàn toàn. Cacbon và các phần tro còn lại bị hòa tan lẫn vào nhau. Một phần cacbon bị chuyển sang dạng giống như than chì (hay graphít). Than cốc được sử dụng để nung chảy gang (cốc lò cao) cũng như làm nhiên liệu không khói chất lượng cao, làm chất khử trong các công nghệ luyện kim từ quặng sắt, các chất làm tơi trong phối liệu. Than cốc cũng được sử dụng như là nhiên liệu trong sản xuất gang đúc hay các mục đích sử dụng thông thường, trong các công nghiệp hóa chất và luyện các hợp kim của sắt (các dạng cốc đặc biệt). Dưới đây là bài báo cáo của nhóm 9 về vấn đề than và các phương pháp chế hóa than. Bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, mong được sự đóng góp ý kiến của cô và toàn thể các bạn. Than và các phương pháp chế hóa than CHƯƠNG I TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA THAN Các thuộc tính hóa lý của than cốc được xác định bởi cấu trúc của nó, do cấu trúc của nó rất gần với cấu trúc lớp lục giác của graphít. Cấu trúc của than cốc được đặc trưng bởi sự sắp xếp không hoàn hảo: các phần riêng rẽ (các lớp) được liên kết bởi lực Van de Waals đã chiếm giữ một số các vị trí có khả năng (ví dụ, xếp chồng lên nhau). Bên cạnh các nguyên tử cacbon trong lưới không gian của than cốc (đặc biệt trong các phần ngoại biên của nó) có thể phân bổ các nguyên tử dị thường như lưu huỳnh, nitơ, ôxy. Cấu trúc và tính chất của than cốc phụ thuộc vào thành phần của mẻ than đá cũng như nhiệt độ và tốc độ đốt nóng mẻ than này. Với sự tăng lên của hàm lượng khí than đá và các thành phần khác, được đặc trưng bởi mức độ biến đổi thấp thì nhiệt độ cốc hóa bị giảm xuống và sự giảm đi của các thành phần đó trong nhiệt độ này, khả năng phản ứng và khả năng cháy của than cốc nhận được cuối cùng là tăng lên do khi tăng hàm lượng của khí than đá trong mẻ than thì độ bền và độ tạo cục trung bình của than cốc giảm xuống, độ xốp của nó tăng lên. Sự tăng cao nhiệt độ cốc hóa cũng có khả năng tăng độ xốp của than cốc. Khi tăng thời gian cốc hóa và giảm tốc độ đốt nóng thì độ xốp của than cốc cũng được tăng lên. Cốc lò cao cần phải có kích thước các cục không nhỏ hơn 25-40 mm với số lượng các cục cốc nhỏ hơn 25 mm và lớn hơn 80 mm không vượt quá 3%. Than cốc sử dụng để đúc gang theo kích thước không được nhỏ hơn than cốc lò cao, các cục cốc trong trường hợp này có kích thước không nhỏ hơn 60-80 mm. Sự khác biệt chính giữa cốc lò cao và cốc đúc là hàm lượng lưu huỳnh nhỏ hơn, nó không được vượt quá 1% (trong cốc lò cao có thể tới 2%). Trong công nghiệp luyện các hợp kim của sắt người ta sử dụng các cục than cốc nhỏ (ví dụ, các cục kích thước 10-25 mm), trong trường hợp này thì người ta cần tốc độ phản ứng nhanh chứ không phải hàm lượng các tạp chất có trong than cốc. Các yêu cầu đối với độ bền vững của than cốc thông thường là không quá nghiêm ngặt so với cốc lò cao hay cốc đúc. Trong mọi loại hình sản xuất than cốc thì loại nguyên liệu được ưa chuộng là các loại than có độ xốp cao, ít tro và chứa ít lưu huỳnh và chứa không nhiều GVHD: Lê Thanh Thanh -0 2- Than và các phương pháp chế hóa than các thành phần tạo cốc cục nhỏ. Sản lượng than cốc sản xuất trên thế giới khoảng 400 triệu tấn/năm. GVHD: Lê Thanh Thanh -0 3- Than và các phương pháp chế hóa than CHƯƠNG II QUÁ TRÌNH HÓA LÝ VÀ NGUYÊN LIỆU 2.1 Nguyên liệu Yêu cầu kỹ thuật - Độ tro càng nhỏ càng tốt. Độ tro lớn thì thành phần cháy giảm, tiêu hao cốc trong lò lớn, nhiệt trị giảm. - Hàm lượng S phải <2% , nếu S có hàm lượng lớn thì cốc sản phẩm cũng có S nhiều và chất lượng thép, gang giảm. - Độ ẩm than 6-8%. - Chất bốc nhiều thì than mới xốp, nhưng quá nhiều thì độ rắn giảm. Lấy tối ưu 25%. - Độ KD vừa phải. Nếu ít CKD thì cốc vỡ vụn, nếu nhiều thì độ bền cơ học kém. Thường trên phối liệu than khí cộng than mỡ + Than khí: Chất bốc nhiều, CKD ít, tháo cốc dễ dàng + Than mỡ: Nhiều chất bốc, độ kết dính cao 2.2 Quá trình hóa lý Khi đốt nóng dần dần than sẽ trải qua những chuyển hóa lý học và hóa học sâu sắc: - Đến 250 0 C xảy ra sự bay hơi ẩm, tách oxyt và dioxyt cacbon - Gần 300 0 C: quá trình nhiệt phân rõ rệt, cùng với nước và CO 2 còn có S và H 2 S tách ra. Than bắt đầu thay đổi tính chất Vật lý - Trên 350 0 C: than chuyển thành trạng thái dẻo - 500-550 0 C quan sát thấy sự phân hủy mãnh liệt khó dẻo với sự tạo thành những sản phẩm đầu tiên (khí và nhựa) và đóng rắn dần để tạo thành bán cốc. Bắt đầu có hình dạng và tính chất của cốc. - Đến 700 0 C sẽ tiếp tục xảy ra sự phân hủy bán cốc và tạo ra sản phẩm khí - Trên 700 0 C giai đoạn tạo cốc. - 1000 0 C cặn rắn trở thành cốc rắn GVHD: Lê Thanh Thanh -0 4- Than và các phương pháp chế hóa than Các sản phẩm bay hơi tiếp xúc với cốc, với thành tường nóng cũng bị nhiệt phân và chuyển thành hỗn hợp hơi phức tạp có chứa hidro, metan và… Phần lớn S của than đầu và các chất khoáng đều ở lại trong cốc Như vậy, cốc hóa là quá trình hai pha phức tạp bao gồm các quá trình trao đổi nhiệt, khuếch tán và một lượng lớn các phản ứng khác nhau. Khi cốc hóa than đá người ta nhận được những sản phẩm khác: cốc, khí cốc, nhựa than đá, benzene thô, nước trên nhựa và muối amin ( phần lớn là sunphat amon). GVHD: Lê Thanh Thanh -0 5- Than và các phương pháp chế hóa than CHƯƠNG III CƠ CẤU CỦA CÁC LÒ CỐC HÓA VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC Cốc hóa than đá là quá trình hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao. Phản ứng lúc đầu chỉ xảy ra ở pha rắn. Khi tăng nhiệt độ sẽ tạo ra các sản phẩm khí và hơi, khi đó sẽ xảy ra những phản ứng phức tạp bên trong pha rắn và khí, đồng thời xảy ra sự tác dụng giữa chúng. Do đó rất khó sử dụng những quy luật của quá trình dị thể để xác định những điều kiện tối ưu của quá trình cốc hóa. Yếu tố cơ bản của quyết định của quá trình cốc hóa là nâng cao nhiệt độ đến nhiệt độ cần thiết để sấy nóng mẻ liệu đến nhiệt độ chưng cất khô và phản ứng cốc hóa là quá trình thu nhiệt. 3.1 Lò cốc hóa Nguyên tắc làm việc: Khí nóng từ buồng đốt truyền nhiệt cho than chứa trong buồng đốt trong buồng qua tường ngăn. Nhiệt thừa được tích lại trong buồng tích nhiệt và có thể tận dụng nó để đốt nóng không khí trước khi vào phòng đốt. Sau 13-14h cốc “chin” hoàn toàn. Dùng máy tống cốc để đẩy cốc ra, làm nguội, đem đập và phân loại kích thước. Lò cốc hóa gồm 61-69 buồng được xếp song song. Những buồng này xây bằng gạch chịu lửa. Mỗi buồng đều có cửa nạp than. Trong thời gian tiến hành cốc hóa những cửa này đóng lại. Chiều dài của mỗi buồng ~ 14m; bề rộng 40 cm. Chiều cao của buồng ~ 4,3m; độ dày của tường lò 10 cm. GVHD: Lê Thanh Thanh -0 6- Than và các phương pháp chế hóa than Quá trình cốc hóa trong từng buồng là gián đoạn. Tuy nhiên vì dùng một dãy buồng song song nên toàn bộ lò có thể coi là quá trình liên tục. Khí cốc lấy ở cửa phía trên từng buồng rồi dẫn vào thùng chứa khí chung cho tất cả các buồng. Tất cả các buồng của lò cốc hóa đều dùng chung thiết bị phụ như: vagong nạp, thiết bị mở cửa, bộ phận đẩy cốc, vagong làm nguội, tháp tưới để tưới nước vào các vagong làm nguội, phễu để nạp than vào các buồng. 3.2 Phương pháp cốc hoá Ở các nước phát triển , người ta sản xuất cốc cho lò cao bằng cách nhiệt phân than ở nhiệt độ cao (>1100 0 C).Tuỳ theo chất lượng của than người ta chia chúng thành ba loại: - Loại lignite - Loại than thường - Loại antraxit Mỗi một loại trên còn được chia thành nhiều loại nhỏ và than được đặc trưng bằng cấp của chúng.Một thông số để phân loại than là chỉ số vật chất dễ bay hơi. Chỉ số này được xác định bằng cách đo lượng mất đi trong quá trình cacbon hoá được thực hiện ở các điều kiện chuẩn.Than dùng để nhiệt phân lấy cốc cho luyện kim phải có chỉ số vật chất dễ bay hơi từ 20 đến 35% và thông thường từ 25 đến 30%. Cốc hoá than hay nhiệt phân than ở nhiệt độ cao là đốt cháy than trong những lò lớn hình hộp có các thành song song nhau ở nhiệt độ từ1100 đến 1200 0 C. Lò có chiều dài từ 12 đến 14m và chiều cao từ 4 đến 6m, chiều rộng từ 0,4 đến 0,5m. Các lò này được đốt ở bên thành lò và quá trình cốc hoá xảy ra rất chậm từ 16 đến 20h. GVHD: Lê Thanh Thanh -0 7- Than và các phương pháp chế hóa than Quá trình chuyển hoá than gồm các bước : - Làm khô than, - Làm nóng chảy than, - Rắn hoá than và thoát vật chất dễ bay hơi. Các sản phẩm khí được tập trung lại dể xử lí tách thành các sản phẩm khác nhau.Vậy sản phẩm chính của quá trình là cốc với hiệu suất từ 70 đến 80% tuỳ thuộc vào bản chất của than.Thông thường khi cốc hoá 1 tấn than sẽ thu được 30 đến 60kg các sản phẩn lỏng,300 đến 350m 3 sản phẩm khí .Một mẻ sản xuất cốc thường gồm khoảng 100 lò giống nhau chia thành dãy để sản xuất liên tục.Một ngày sản xuất được tù 2000 đến 5000 tấn cốc. Cốc sản xuất theo kiểu này thường chứa từ 87 dến 90% cacbon, từ 9 đến 12% tro sinh ra từ vật chất dễ bay hơi; 0,4 đến 0,5 % hydro; 0,8 đến 1% nito; 0,7 đến 0,9 % lưu huỳnh. 3.3 Chế độ làm việc của lò 3.3.1 Nhiệt độ Giới hạn nâng nhiệt độ được hạn chế bởi một loạt những yếu tố, trong đó có việc giảm năng suất nhựa và benzen thô, sự thay đổi thành phần sản phẩm cốc hóa, phá hủy độ bền của vật liệu chịu lửa dùng để lót lò cốc hóa. Lò cốc hóa là loại thiết bị đốt nóng gián tiếp – trong đó nhiệt từ khí nóng được truyền cho than qua tường. Lò cốc hóa gồm có 61-69 buồng xếp song song – đó là những rãnh dài, hẹp, tiết diện chữ nhật được xây từ gạch chịu lửa. Mỗi buồng đều có cửa trước và cửa sau, các cửa này trong thời gian cốc hóa thì đóng lại. GVHD: Lê Thanh Thanh -0 8- Than và các phương pháp chế hóa than Than trong buồng được đốt nóng qua tường bằng khí nóng đi trong những buồng sấy nằm giữa các buồng các buồng cốc hóa. Những khí khói nóng tạo thành khi đốt khí lò, khí cốc ngược hoặc khí tái sinh. Nhiệt của khí khói nóng đi ra khỏi buồng đốt được dùng trong buồng đốt được dùng trong các buồng tái sinh để đốt nóng không khí và nhiên liệu để tăng hệ số sử dụng có ích nhiệt của lò. Khi buồng cốc hóa làm việc cần phải chú việc sấy nóng đều than nạp vào. Muốn vậy cần phải phân bố khí nóng trong buồng sấy và phải lựa chọn đúng kích thước buồng. Sự phân bố đều khí nóng được thực hiện nhờ các tường sấy bằng những tấm ngăn thẳng đứng thành một loạt rãnh gọi là những ống đứng. Khí nóng chuyển động theo những ống này, truyền nhiệt cho các tường lò rồi đi vào buồng tái sinh. Trong các lò đốt nóng gián tiếp lượng nhiệt Q được truyền qua sau một đơn vị thời gian tính theo phương trình: Q = k T .F.∆t Ở đây : k T – hệ số truyền nhiệt, kJ/m 2 .độ.h ; F – bề mặt truyền nhiệt, m 2 ; ∆t – sự chênh lệch nhiệt độ giữa t 0 của khí nóng trong rãnh sấy t K với nhiệt độ của mẻ liệu than nạp vào t t , 0 C ; Hệ số truyền nhiệt bằng: 1 2 1 1 2 2 1 1 1 x δ δ α λ λ α = + + + Ở đây: GVHD: Lê Thanh Thanh -0 9- Than và các phương pháp chế hóa than α1 và α2 – hệ số truyền nhiệt tương ứng ới từ khí nóng đến tường lò và từ tường lò đến mẻ liệu than, kJ/m 2 .độ.h δ1 – độ dày của tường, m 2 δ2 – một nữa độ dày của mẻ liệu than, m 2 λ1 , λ2 – tương ứng hệ số dẫn nhiệt của tường và của mẻ liệu than ,kJ.độ.h Để tăng hệ số truyền nhiệt, thong thường tăng α1 và α2, giảm bề dày của tường và lớp than. Thông thường chiều dày tường gạch đinas gần 0,1m , còn chiều rộng cùa buồng là 407-410 mm. Bề mặt truyền nhiệt F phụ thuộc vào kích thước của buồng. Chiều dài của buồng được giới hạn bởi độ bền tĩnh của tường, bởi trở ngại khi rút bỏ bộ phận dẩy liệu và thanh gạt (dùng để san phẳng liệu), bởi sự phức tạp của việc phân bố đều khi trong tường sấy. Chiều dài buồng gần 14m; bề rộng 40 cm. Chiều cao buồng được quyết định bởi điều kiện sấy nóng đều toàn bộ hệ thống. Theo qua điểm này thì chiều cao hợp lý của buồng gần 4,3m. Buồng cốc hóa là thiết bị hoạt động gián đoạn vì vậy nhiệt độ của mẻ liệu thay đổi theo thời gian. Do đó sự chêch lệch nhiệt độ giữa khí trong buồng sấy t k và mẻ liệu t t : ∆t = t k -t t cũng thay đổi theo thời gian. Ngay sau khi nạp buồng thì t t nhỏ, ∆t sẽ lớn vì vậy trong một đơn vị thời gian một lượng nhiệt lớn sẽ chuyển cho mẻ liệu lạnh và than ở sát tường sẽ bắt đầu bị cốc hóa. Tuy nhiên lúc đó phần giữa của liệu vẫn lạnh. Theo độ tăng dần của t t thì sẽ giảm lượng nhiệt truyền vào trong một đơn vị thời gian nhưng theo mặt cắt của buồng nhiệt độ sẽ tăng dần. Cùng với thời gian nhiệt độ theo tiết diện ngang sẽ san bằng, các lớp sẻ chuyển dần về tâm buồng và dần dần sẽ cốc hóa hết. GVHD: Lê Thanh Thanh -0 10- [...]... trong buồng đốt phài nhỏ hơn áp suất buồng cốc hóa độ 2÷3 mm Cột H 2O để tránh hiện tượng thấm khí sang buồng cốc hóa Ngoài ra khi cốc hóa phải tính đến các thông số: độ ẩm của than, kích thước hạt, cấu tạo lò… Mục đích là lò làm việc tốt, sản phẩm có chất lượng cao GVHD: Lê Thanh Thanh -0 12- Than và các phương pháp chế hóa than CHƯƠNG IV SẢN PHẨM CỐC HÓA 4.1 Khí cốc Đó là hỗn hợp phức tạp của các... ra khỏi buồng qua ống rót Khi quá trình cốc hóa kết thúc thì cửa trước và cửa sau của buồng sẽ được tháo ra nhờ cơ cấu cơ học đặc biệt và cốc tạo thành trong buồng lấy ra nhờ bộ phận đẩy cốc, rót vào vagong làm nguội có tưới nước Sau đó cốc để khô và phân loại theo kích thước Như vậy quá trình cốc hóa trong từng buồng là chu kỳ Tuy nhiên trong thực tế cốc hóa sử dụng một dãy buồng song song nên sẽ tăng... pháp chế hóa than Nếu coi sự truyền nhiệt như truyền nhiệt qua tấm thì quá trình được biểu diễn ở dạng đơn giản theo phương trình: τ= b 2tt 4atk Ở đây: τ - thời gian cốc hóa (chu kỳ) , h b – chiều dày của buồng , m a – hệ số giãn nhiệt, m2/h Thời gian cốc hóa phụ thuộc vào nhiệt độ τ t = 935÷950 0C  = 22÷24 h 1000 0C  18÷19 h 0 1050 C  15÷15 h Hỗn hợp hơi và khí tạo ra trong quá trình cốc hóa được... năng hoạt động liên tục của toàn bộ thiết bị Khí cốc hóa trực tiếp lấy ra ngoài qua ống rót của từng buồng sẽ liên tục đưa vào thùng chứa khí chung cho tất cả các buồng Tất cả các buồng cốc hóa có chung thiết bị phục vụ như: vagong nạp, thiết bị mở cửa, bộ phận đẩy cốc, vagong làm nguội, tháp tưới GVHD: Lê Thanh Thanh -0 11- Than và các phương pháp chế hóa than (dùng để tưới nước vào vagong làm nguội)... phẩm 4 Thiết kế những sơ đồ có hiệu quả kinh tế hơn để thu những sản phẩm có trong benzen thô, nhựa than đá và khí cốc Nhận những chất riêng biệt có độ sạch hoá học lấy ra từ benzen thô và nhựa than 5 đá CHƯƠNG V SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH CỐC HÓA 5.1 Xử lí phần lỏng Các sản phẩm phụ dễ bay hơi hình thành khi cốc hoá đi ra khỏi lò ở nhiệt dộ 750 đến 8500C.Khí được làm lạnh ở 100 đến 150 0C bằng cách... Trong các phương pháp hiện đại ,giai đoạn này được thực hiện bằng hydrô hoá chọn lọc dưới áp suất trong sự có mặt của xúc tác Benzol đã được tinh chế sau đó được chưng cất để tách lấy benzel,toluen và xilen(BTX) 5.2 Chưng cất và xử lí cặn cốc Cặn cốc (goudron) là hỗn hợp cực kì phức tạp các hợp chất thơm, dị vòng và dưới 5% các hydrocacbon không thơm.Trong quá trình nhiệt phân, đại đa số các nhóm thế... pháp chưng cất 4.4 Nhựa than đá Nhựa than đá có chứa gần 300 chất hàm lượng của những chất quan trọng nhất là (%) - Naftalin 5-10 - Fenantren 4-6 GVHD: Lê Thanh Thanh -0 15- Than và các phương pháp chế hóa than - Kresol 0,6-1,2 - Gốc pyridin 0,5-1,5 Ngoài ra trong nhựa còn chứa lượng nhỏ hydrocacbon: benzen, toluen, kcilen gần 5060% khối lượng nhựa là sản phẩm có nhiệt độ sôi cao và khối lượng nguyên... và đường kính ống cũng sẽ giảm đi Nhựa và nước trên nhựa từ thiết bị làm lạnh chảy vào thùng chứa, ở đó chúng được tách ra nhờ tỷ trọng khác nhau GVHD: Lê Thanh Thanh -0 13- Than và các phương pháp chế hóa than Trong các thiết bị làm lanh không thể ngưng tụ hoàn toàn bởi một phần nhựa sẽ biến thành sương mù Sương mù nhựa sẽ tách ra khỏi khí cốc bằng phương pháp kết tủa tĩnh điện trong thiết bị lọc điện... lại và được làm bay hơi hết để lấy NH 3.Amoniac khí được hấp thụ vào dung dịch H2SO4 thành (NH4)2SO4.Thường thu được từ 2 đến 3 kg amoniac từ một tấn than ban đầu Hình 1: Xử lí các phần lỏng từ lò cốc hóa Tiếp theo người ta rửa phần dàu nặng thu được từ chưng cất cặn cốc.Sản phẩm chủ yếu thu được từ quá trình này là BTX và các hydrocacbon thơm nhẹ khác Chúng được gộp lại gọi là benzol Công đoạn cuối... cốc được làm sạch khỏi benzene thô gọi là khí cốc ngược và đã đươc làm sạch sunfua hidro và những hợp chất chứa lưu huỳnh, sau đó đưa đi tiêu thụ GVHD: Lê Thanh Thanh -0 14- Than và các phương pháp chế hóa than Dung dịch benzene thô trong dầu hấp thụ được dẫn đến tháp chưng cất, tại đó sẽ tách benzene thô, còn dầu sau khi làm lạnh dùng để tưới các thiết bị lọc khí benzen 4.2 Nước trên nhựa Nước nhựa