Tiểu luận ăn mòn kim loại trong sản xuất

Ứng dụng của acid photphoric là bán thành phẩm trong quá trình sản xuất phân bón dược phẩm , thức ăn gia súc , làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, chất tẩm gỗ chống cháy.. Photpho rắ

ĂN MÒN KIM LOẠI TRONG SẢN XUẤT

ACID PHOTPHORIC

I Tính Chất Của acid photphoric :

1 tính chất vật lý :

Acid photphoric là chất rắn tinh thể không màu, khối lượng riêng 1,87 g/cm3; nhiệt độ nóng chảy bằng 42,350C (dạng H3PO4.H2O có nhiệt độ nóng chảy 29,320C) , phân huỷ ở 2130C Tan trong etanol , nước (với bất kì tỉ lệ nào) Trong cấu trúc tinh thể của nó gồm có những nhóm tứ diện PO4, liên kết với nhau bằng liên kết hidro Cấu trúc đó vẫn còn được giữ lại trong dung dịch đậm đặc của axit ở trong nước và làm cho dung dịch đó sánh giống như nước đường

2 tính chất hóa học :

Trong phân tử axit photphoric P ở mức oxi hóa +5 bền nên axit photphoric khó bị khử, không có tính oxi hóa như axit nitric Khi đun nóng dần đến 260oC, axit orthophotphoric mất bớt nước, biến thành axitdiphotphoric(H4P2O7); ở 3000C, biến thành axit

metaphotphoric (HPO3) Axit photphoric là axit ba nấc có độ mạnh trung bình, hằng số axit ở 250C có các giá trị :

K1 = 7.10–3, K2 = 8.10–6, K3 = 4.10–13

Dung dịch axit photphoric có những tính chất chung của axit như đổi mà quỳ tím thành đỏ, tác dụng với oxit bazo, bazo, muối, kim loại Khi tác dụng với oxit bazo hoặc bazo, tùy theo lượng chất tác dụng mà sản phẩm là muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp

muối

Ứng dụng của acid photphoric là bán thành phẩm trong quá trình sản xuất phân bón dược phẩm , thức ăn gia súc , làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, chất tẩm gỗ chống cháy

Điều chế acid trông công nghiệp bằng :

-phương pháp trích li

-phương pháp nhiệt luyện

II ĐIỀU CHẾ ACID PHOTPHORIC TRONG CÔNG NGHIỆP :

1 phương pháp nhiệt luyện :

Ðiều chế H3PO4 bằng cách Oxi hóa Photpho trong không khí : 4P + 5O2 = 2P2O5

2P2O5 + H2O = 2HPO3 Acid metaPhotphoric

HPO3 + H2O = H3PO4 Acid octoPhotphoric

Photpho rắn đưa vào thùng để nấu chảy bằng hơi nước , Photpho đưa lên thùng cung ứng rồi đưa qua thùng hoãn xung để vào vòi phun của buồng đốt làm bằng gạch chịu acid ,Photpho cháy trong không khí tạo thành P2O5 và HPO3 qua ống dẫn khí vào tháp

hydrat hóa (Nước hoặc acid loãng được phun trong ống vào

tháp ) Trong tháp P2O5 chuyển hóa hoàn toàn thành HPO3

Tùy theo điều kiện nhiệt độ hơi nước , chúng được hydrat hoá thành H3PO4 hoặc các acid polyPhotphoric (H4P2O7 hoặc H5P3O10 , H6P4O13 ) H3PO4 lấy ra khỏi tháp với nồng độ 45 - 60%

Một phần tồn tại dưới dạng mùn theo đường ống vào tháp lọc điện

có điện cực ngưng tụ bằng than và điện cực phóng điện bằng bạc làm việc ở nhiệt độ 150oC và ngưng tụ tới 90 - 99% acid có trong thùng

2 phương pháp trích ly :

Phương pháp này thực hiện bằng cách xừ lý Photphat thiên nhiên (thường là Apatit) bằng H2SO4

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF

Trong quặng còn ít quặng Cacbonat cũng phản ứng với H2SO4

CaCO3 + H2SO4 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2

CaCO3.MgCO3 + H2SO4 = CaSO4.2H2O + MgSO4 + CO2

HF tạo thành sẽ tác dụng với SiO2 :

6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O

Quá trình phải được thực hiện ở nhiệt độ 70 ( 80oC

3 Cô đặc acid Photphoric:

Acid Photphoric Ðiều chế bằng phương pháp trích ly có nồng độ khoảng 18 (23% nên thường được cô đặc đến nồng độ 38 ( 40% H3PO4

Trong công nghiệp ,người ta dùng 2loại thiết bị cô đặc H3PO4:

- Sục bọt

- Hút chân không

Nguyên lý cô đặc kiểu suc bọt là cho khí cho khí lò sục qua lớp acid, thiết bị cô đặc kiểu sục bọt gồm có :1 buồng bằng thép , bên trong

có gạch chịu acid Phương pháp cô đặc kiểu sục bọt có ưu điểm là nhanh , nhưng có nhược điểm là tạo nhiều mùn acid

Quá trình cô đặc chân không được thực hiện trong thiết bị bay hơi chân không kiểu ống chùm ngang Hơi đi trong ống , còn acid đi trong không gian ngoài ống ,thiết bị được hút chân không bằng hệ thống phun tia - ngưng tụ

Thiết bị cô đặc kiểu hút chân không có nhược điểm là cấu tạo phức tạp tốn nhiều chì và kim loại chịu acid, điều kiện làm việc phức tạp, thiết bị dễ đọng kết tủa

III Đặc Điểm Môi Trường :

Việc sản xuất acid photphoric là công việc quan trọng cho sản xuất phân bón và các thành phẩm khác Môi trường axit photphoric

là môi trường có độ mạnh trung bình Sự ăn mòn trong môi trường phụ thuộc nhiều vào thành phần cấu tạo chất đầu vào , nhiệt độ , tốc

độ chảy của acid , khuấy trộn và cô đặc acid Trong quá trình sản xuất tạo ra nhiều chất có tác dụng ăn mòn cao như Flo , Clo , HF , tạo nhiều chất rắn như SiO2 , tinh thể thạch cao …

IV Cơ Chế Ăn Mòn Trong Môi Trường Acid :

Trong môi trường acid H3PO4 cơ chế ăn mòn chính sảy ra như sau:

Phản ứng anot : Mne -> Mn+ + ne

Phản ứng catot : 2nH+ + 2ne -> nH2

O2 + 2H+ + 4e -> 2H2O

-ngoài ra còn phản ứng : 2H2O + 2e -> H2 +

Sự khuếch tán ion H+ và sự hòa tan O2 vào trong dung dịch như sau:

- ion H+ đi từ trong dung dịch lại sát gần bề mặt kim loại tại đó nó nhận điện tử và trở thành phân tử H2 Còn O2 khuếch tán từ môi trường ngoài vào trong dung dịch và trao đổi e để trở thành ion

IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ ĂN MÒN

TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACID :

Ngoài 2 yếu tố là H+ và O2 trong quá trình sản xuất acid H3PO4 sự

ăn mòn còn chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng Do sự lựa chọn nguyên liệu , do phương pháp sản xuất Hiện nay phương pháp trích ly được thực hiện nhiều nhất vì nó có giá thành rẻ và tiện lợi khi dùng quặng Sau đây ta nghiên cứu quá trình ăn mòn trong sản xuất axit bằng phương pháp trích ly :

1 khí flo :

Trong quặng photphat đều chứa hàm lượng Flo khi nung quặng flo

sẽ phát tán ra trong quá trình sản xuất Flo là chất khử mạnh nhất

trong các chất nên nó dễ dàng tác dụng với kim loại làm hư hỏng thiết bị :

Phản ứng anot : F + 1e -> F-

Phản ứng catot : Mne -> Mn+ + ne

2 axit HF :

được tạo ra do phản ứng :

Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF

HF là acid có tính oxh mạnh làm nên là môi trường sảy ra ăn mòn lớn :

2nHF + 2M -> nH2 + 2MFn

3 khí clo :

Tạo ra do clo chứa trong quặng thiên nhiên Tuy hàm lượng không cao nhưng Clo là chất ăn mòn mạnh Nó có thể ăn mòn cả hợp kim không gỉ như austenit , đặc biệt trong thiết bị có nhiệt độ cao và nồng độ clo cao

Phản ứng anot : Cl + e ->

Phản ứng catot : M -> Mn+ + ne

4 lượng chất rắn không tan như thạch cao , oxit silic , tạp chất trong axit làm mài mòn kim loại khi chuyển động trong các thành ống và khuấy trộn Các chất không tan phá vỡ các màng thụ động của kim loại tạo điều kiện cho ăn mòn sảy ra nhanh chóng hơn

5 sự tạo thành khí H2S :

Trong quặng chứa S , khi sản xuất tạo ra khí H2S H2S là chất có tính khử lớn , nó có tác dụng làm môi trường cho các phản ứng với các hợp chất khác ví dụ :

H2S + Cl2 + H2O = H2SO4 + HCl

Tăng nồng độ axit làm cho quá trình ăn mòn nhanh hơn

6 khi vận chuyển axit sự chảy của dòng acid , tốc độ chảy ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn Đặc biệt trong quá trình cô đặc , quá trình khuấy trộn acid Tốc độ càng cao sự mài mòn , và nồng độ ion càng tăng nên làm tăng tốc độ ăn mòn

V Phương Pháp Bảo Vệ Kim Loại Khỏi Bị Ăn Mòn :

Các nghiên cứu chỉ ra rằng , phương pháp chống ăn mòn tốt nhất trong môi trường acid là tạo ra lớp màng bảo vệ hay là lớp oxit hoặc lớp thụ động trên bề mặt vật liệu Lớp bảo vệ cần phải đồng nhất để bảo vệ toàn bộ bề mặt vật liệu Để làm được điều này , nguyên tố Crôm là thích hợp nhất Các nguyên tố khác như môlipđen và nitơ cũng giúp ổn định và tái lập những lớp thụ động như vậy Nếu axit

H3PO4 có hàm lượng clorua cao, hợp kim cần phải có thành phần crôm và molypđen với hàm lượng cao để tránh nguy cơ ăn mòn.Hiện nay người ta dùng thép không gỉ austenit chứa 4% Mo

Đối với bình phản ứng chứa H3PO4 và H2SO4 các hệ thống rửa khí , vận chuyển acid thì sử dụng chất dẻo gia cường bằng sợi thủy tinh (fibreglas reinforced plastic) (FPR) FPR có tác dụng tăng độ cứng và độ bền cho vật liệu Ở một số FPR mới thành phần chống ăn mòn có thể là nhựa dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn

Đối với các thành phần có tính chất mài mòn phụ thuộc vào chất phản ứng đầu ( quặng ) thì phải nghiền nhỏ quặng trước khi đưa vào sản xuất

Để giảm thành phần clo , flo thì tìm nguồn quặng có lượng clo , flo thấp

Đối với Flo , nó có tính ăn mòn mạnh , nhưng lại là chất được có giá trị trên thị trường , nên người ta dùng nhiều phương pháp để tách Flo ra trong qúa trình sản xuất Ở đây chỉ nói về vấn đề ăn mòn nên quá trình tách Flo không đề cập đến

Ở thiết bị cô axit phốtphoric, việc dừng máy sẽ làm chi phí vận hành tăng cao, vì vậy các chi tiết thiết bị cần liên tục được cải tiến để kéo dài thời gian hoạt động của toàn bộ thiết bị Ví dụ, người ta thường

sử dụng ống graphit trong bộ phận trao đổi nhiệt vì loại ống này có khả năng truyền nhiệt lớn và chịu được ăn mòn Tuy nhiên ống graphit dễ

bị gẫy, vỡ khi đang hoạt động và trong lúc duy tu bảo dưỡng, do đó xu hướng hiện nay là dùng ống kim loại (hợp kim) thay cho ống graphit Các loại hợp kim dùng để chế tạo ống trao đổi nhiệt là G-3, Sanicro 28, G-30 và Alloy 31 Tuy nhiên, việc sử dụng những hợp kim nói trên cho thiết bị cô H3PO4 có hàm lượng tạp chất cao chỉ nên giới hạn ở nhiệt

độ cô dưới 120oC

Bên cạnh các hợp kim, các vật liệu thay thế khác như thép lót cao

su, thép cacbon lót gạch chịu axit, thép cacbon lót nhựa, cũng được

sử dụng trong môi trường axit H3PO4

Kết Luận

Sản xuất acid H3PO4 rất quan trong trong nghành sản xuất phân bón , bên cạnh đó việc chống ăn mòn trong quá trình sản xuất là vấn

đề hàng đầu trong quá trình sản xuất Trên đây là nhưng vấn đề ăn mòn mà nhóm em tìm hiểu để hiểu hơn về hiện tượng ăn mòn trong sản xuất axit

Bài tiểu luận của nhóm em chỉ tập trung vào vài vấn đề chính của môi trường sản xuất acid và còn hạn chế về cơ chế ăn mòn nên không tránh khỏi thiếu sót