Kỹ thuật hóa học đại cương chương 4 sản xuất HCl

CHƢƠNG 4: SẢN XUẤT AXIT HCl 4.1. Tính chất hóa lí Khí HCl là khí không màu có t cn = -114,2 o C, t s = -85 o C. Khí hydro clorua hòa tan rất tốt trong nước tạo thành dung dịch axit. Độ tan của khí HCl trogn nước phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch, ở áp suất 1 atm và t = 0 o C 1 lít nước hòa tan 525,2 lit HCl, ở 18 o C hòa tan 451,2 lit HCl. Hệ HCl – H 2 O có điểm đẳng khí ở nồng độ 20.24% HCl và sôi ở 110 o C. Do phân ly hoàn toàn trong nước nên axít clohiđric được xếp vào nhóm axít mạnh Như các loại axít khác, HCl có khả năng tác dụng với: + Kim loại: Giải phóng khí hyđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loại đứng sau hyđro trong dải hoạt động hóa học như Cu, Hg, Ag, Pt, Au). Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 + Ôxít bazơ: Tạo muối clorua và nước. ZnO + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 O + Bazơ: Tạo muối clorua và nước. NaOH + HCl → NaCl + H 2 O +Muối: tác dụng với các muối có gốc anion hoạt động yếu hơn tạo muối mới và axít mới. CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O + Ngoài ra, trong một số phản ứng HCl còn thể hiện tính khử bằng cách khử một số hợp chất như KMnO 4 (đặc), MnO 2 , KClO 3 giải phóng khí clo. 2KMnO 4 (đặc) + 16HCl → 2KCl + 2MnCl 2 + 5Cl 2 + 8 H 2 O MnO 2 + 4HCl → MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O Trong số các axít vô cơ mạnh phổ biến, axít clohiđric là một axít monoproton ít có khả năng tạo phản ứng giảm số oxy hóa. Nó là một trong những axít mạnh ít độc hại nhất khi tiếp xúc bằng tay; ngoài tính axít, nó còn bao gồm các ion clo không phản ứng và không độc hại. Các dung dịch axít clohiđric trung bình-mạnh thì khá ổn định khi lưu trữ. 4.2. Ứng dụng chính Axít HCl được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm Axít clohiđric là một axít mạnh được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Ứng dụng thường để xác định chất lượng sản phẩm theo yêu cầu. Tẩy gỉ thép Một trong những ứng dụng quan trọng của axít clohiđric là dùng để loại bỏ gỉ trên thép, đó là các oxit sắt, trước khi thép được đưa vào sử dụng với những mục đích khác như cán, mạ điện và những kỹ thuật khác. HCl dùng trong kỹ thuật có nồng độ 18% là phổ biến, được dùng làm chất tẩy gỉ của các loại thép cacbon. Fe 2 O 3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl 2 + 3 H 2 O Sản xuất các hợp chất hữu cơ Một ứng dụng quan trọng khác của axít clohiđric là được dùng để sản xuất các hợp chất hữu cơ như vinyl clorua và dicloroetan để sản xuất PVC. Quá trình này sử dụng các axít do doanh nghiệp sản xuất chứ không từ thị trường tự do. Các hợp chất hữu cơ khác được sản xuất từ HCl như bisphenol A sản xuất polycacbonat, than hoạt tính, và axít ascobic, cũng như trong một số sản phẩm của ngành dược 2 CH 2 =CH 2 + 4 HCl + O 2 → 2 ClCH 2 CH 2 Cl + 2 H 2 O gỗ + HCl + nhiệt → than hoạt tính Sản xuất các hợp chất vô cơ Nhiều sản phẩm có thể được sản xuất từ axít clohiđric theo phản ứng axít-bazơ tạo ra các hợp chất vô cơ. Chúng bao gồm các hóa chất xử lý nước như sắt (III) clorua và polyaluminium clorua (PAC). Fe 2 O 3 + 6 HCl → 2 FeCl 3 + 3 H 2 O (sắt (III) clorua từ magnetit) Cả sắt (III) clorua và PAC đều được sử dụng làm chất keo tụ và chất đông tụ để làm lắng các thành phần trong quá trình xử lý nước thải, sản xuất nước uống, và sản xuất giấy. Các hợp chất vô cơ khác được sản xuất dùng HCl như muối canxi clorua, niken (II) clorua dùng cho việc mạ điện và kẽm clorua cho công nghiệp mạ và sản xuất pin. CaCO 3 + 2 HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O (canxi clorua từ đá vôi) Phân tích Axít clohiđric thường được dùng phổ biến trong việc chuẩn độ dung dịch bazơ. Axít clohiđric thường được dùng trong việc chuẩn bị mẫu trong hóa phân tích. Axít clohiđric đặc có thể hòa tan một số kim loại, tạo ra các khí hydro và clo. Nó phản ứng với các hợp chất bazơ như canxi cacbonat hoặc đồng(II) ôxit, tạo thành các dung dịch hòa tan có thể dùng để phân tích. Kiểm soát và trung hòa pH Axít clohiđric có thể được dùng để điều chỉnh tính bazơ của dung dịch. OH − + HCl → H 2 O + Cl − Trong công nghiệp yêu cầu độ tinh khiết (thực phẩm, dược phẩm, nước uống), axít clohiđric chất lượng cao được dùng để điều chỉnh pH của nước cần xử lý. Trong ngành công nghiệp không yêu cầu độ tinh khiết cao, axít clohiđric chất lượng công nghiệp chỉ cần đủ để trung hòa nước thải và xử lý nước hồ bơi.Trong phòng phân tích, axít clohiđric thường được dùng phổ biến trong việc chuẩn độ dung dịch bazơ. Khác Axít HCl được sử dụng nhiều ứng dụng ở quy mô nhỏ như: xử lý da, vệ sinh nhà cửa, và xây dựng nhà. Trong khai thác dầu, axít HCl có thể được dùng để bơm vào trong tầng đá của giếng dầu nhằm hòa tan một phần đá hay còn gọi là "rửa giếng", và tạo các lỗ rỗng lớn hơn. Axít hóa giếng khoan là một quá trình phổ biến được sử dụng trong công nghiệp khai thác dầu biển Bắc. Khi trộn dung dịch axít clohiđric đậm đặc và dung dịch axít nitric đậm đặc theo tỉ lệ mol 1:3 thì nó có khả năng hòa tan vàng và bạch kim, (xem nước cường toan). Một số phản ứng hóa học liên quan đến axít HCl được ứng dung trong sản xuất thực phẩm, các thành phần thực phẩm và phụ gia thực phẩm. 4.3. Phương pháp sản xuất Có nhiều phương pháp sản xuất khí HCl đến nay còn được sử dụng trong phòng thí nghiệm cũng như trong công nghiệp. Có 3 phương pháp chính là: (1) chưng cất từ clorua kim loại kiềm với axit sulfuric, (2) nhiệt phân clorua kim loại và (3) tổng hợp trực tiếp từ clo và hydro nguyên tố. 1 Phương pháp sunfat: Đây là một trong những phương pháp lâu đời trong công nghiệp. Nó dựa trên sự tác dụng của clorua natri với dầu kuporos theo phản ứng: NaCl + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + HCl - Q Phản ứng được tiến hành ở 500 – 550 o C trong các lò ống, lúc đó sẽ nhận được sunfat natri rắn và khí có chứa 30-40% HCl. Ngày nay phương pháp này hầu như không được sử dụng. 2. Phương pháp phân hủy nhiệt các muối clorua Phương pháp phân hủy nhiệt rất tốn kém về nhiên liệu cũng như nguyên liệu đầu. Đây chỉ mang tính về nguyên lý. Trong thực tế phương pháp này hầu như không được ứng dụng trừ khi khí HCl được sinh ra như là sản phẩm của một quá trình phân hủy trong các sản xuất khác. 3 Phương pháp tổng hợp trực tiếp từ clo và hydro nguyên tố Hiện nay phương pháp tổng hợp được ứng dụng như là phương pháp chủ yếu để sản xuất khí hydroclorua cũng như axit clohydric. HCl được hình thành sau phản ứng đốt hydro trong dòng clo nguyên tố. H 2 + Cl 2 = 2HCl + Q 4.3.2. Sản xuất axit clohydric Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất axit clohydric 1. Tháp đốt sản xuất khí HCl; 2. Tháp trao đổi nhiệt; 3. Téc chứa khí nén HCl; 4. Tháp hấp thụ chính; 5. Tháp hấp thụ phụ; 6. Bơm cấp nước sạch Quá trình đốt hydro và clo được tiến hành trong lò thạch anh kiểu đứng và được làm lạnh bằng nước để sao cho nhiệt độ trong lò phản ứng chỉ nằm trong khỏang 600 – 700 o C. Đây là phản ứng oxy hóa mãnh liệt; nếu trộn hydro và clo theo tỷ lệ trong một thể tích đủ lớn sẽ gây nổ. Chính vì vậy mà H 2 và Cl 2 được dẫn bằng hai đường riêng biệt vào một buồng trộn nhỏ ngay trước vòi đốt và luôn luôn giữ lượng dư hydro khỏang 2%. Ngọn lửa H 2 và Cl 2 cháy trong lò tạo ra khí HCl và một lượng nhiệt rất lớn. Hệ thống làm lạnh bằng nước được bố trí xung quanh thành bên trong của lò để giữ không cho nhiệt độ vượt quá 700 o C Khí HCl khô từ cửa lò đốt được làm nguội bằng cách cho trao đổi nhiệt trong tháp (2) và nén hóa lỏng dưới áp suất cao trong các téc bằng thép để đưa đi sử dụng vào việc khác hoặc cho hấp thụ vào trong nước để thu axit HCl. Hấp thụ Clorua hydro bằng nƣớc Hấp thụ clorua hydro bằng nước sẽ kèm theo sự tạo thành các hydrat và tỏa nhiệt. Nếu không dẫn nhiệt ra thì không thể nhận được axit có nồng độ đậm đặc hơn hỗn hợp đồng sôi. Để nhận được axit có nồng độ đặc hơn thì phải dùng những biện pháp để dẫn nhiệt ra ngòai môi trường xung quanh một cách mạnh mẽ, như vật đòi hỏi thiết bị phức tạp. Quá trình hấp thụ tạo axit có thể tóm tắt như sau: khí HCl từ bom/téc (3) qua van chiết lựu được đưa theo hướng từ dưới lên vào tháp hấp thụ đệm (4) có trang bị hệ thống làm lạnh bằng nước; sau đó khí dư được đưa theo hướng từ dưới lên vào tháp hấp thụ đệm (4) có trang bị hệ thống làm lạnh bằng nước; sau đó khí dư được dẫn tiếp sang tháp hấp thụ (5) để hấp thụ triệt để. Tại tháp (5) nước sạch được phun từ trên xuống. Dung dịch axit loãng từ tháp (5) đi ra có thể quay vòng trở lại hoặc dẫn sang tháp (4) cũng phun tứ trên xuống để bão hòa HCl. Sản phẩm axit được lấy ra từ cuối tháp (4) thường có nồng độ 30 – 35%. . phản ứng hóa học liên quan đến axít HCl được ứng dung trong sản xuất thực phẩm, các thành phần thực phẩm và phụ gia thực phẩm. 4. 3. Phương pháp sản xuất Có nhiều phương pháp sản xuất khí HCl đến. và những kỹ thuật khác. HCl dùng trong kỹ thuật có nồng độ 18% là phổ biến, được dùng làm chất tẩy gỉ của các loại thép cacbon. Fe 2 O 3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl 2 + 3 H 2 O Sản xuất các hợp. hữu cơ khác được sản xuất từ HCl như bisphenol A sản xuất polycacbonat, than hoạt tính, và axít ascobic, cũng như trong một số sản phẩm của ngành dược 2 CH 2 =CH 2 + 4 HCl + O 2 → 2 ClCH 2 CH 2 Cl