BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ hóa học đại CƯƠNG lưu sơn TÙNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI GIẢNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng viên: Ths. LƯU SƠN TÙNG Bộ môn: Công nghệ hóa học Bà Rịa Vũng Tàu 2013 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Công nghệ (Technology), có nguồn gốc là từ technologia, trong tiếng Hy Lạp; techne có nghĩa là “nghệ thuật, thủ công” và logia có nghĩa là “khoa học”. Theo nghĩa rộng rãi Công nghệ được hiểu là môn khoa học về các phương pháp kinh tế và kỹ thuật để xử lý nguồn nguyên liệu thành sản phẩm. Theo phương pháp xử lý thì công nghệ được chia thành 2 loại là: cơ học và hóa học. Công nghệ cơ học là quá trình xử lý làm thay đổi hình dạng và tính chất vật lý của vật chất ban đầu. Công nghệ hóa học là quá trình xử lý không những làm thay đổi hình dạng, tính chất vật lý mà còn làm biến đối cả cấu trúc của vất chất ban đầu. Công nghệ hóa học (CNHH) là môn khoa học tự nhiên nghiên cứu về phương pháp và nguyên lý sản xuất ra sản phẩm bằng các quá trình chuyển hóa.  Đối tượng nghiên cứu của CNHH chính là quá trình sản xuất hóa học.  Mục đích nghiên cứu của CNHH là tạo ra các phương pháp sản xuất các sản phẩm cần thiết cho con người.  Phương pháp nghiên cứu: thực nghiệm, mô phỏng và phân tích hệ thống. Công nghệ hóa học có mối tương quan chặt chẽ với các bộ môn khoa học khác như: Toán học, Hóa học, Vật lý, Cơ học, Kinh tế học…(Xem hình 1.1). Trong công nghệ hóa học quá trình xử lý được phân chia thành các thành phần công nghệ sau:  Nguồn nguyên liệu của công nghệ hóa học chính là các nguồn vật chất tự nhiên sử dụng trong quá trình sản xuất ra sản phẩm.  Sản phẩm trung gian – là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn nguyên liệu sau một hoặc một vài giai đoạn sản xuất và nó sẽ là nguồn nguyên liệu cho giai đoạn tiếp theo.  Sản phẩm phụ - là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn nguyên liệu cùng với sản phẩm chính, nhưng nó không phải là mục đích của quá trình sản xuất này.  Chất thải – có thể là cặn của nguồn nguyên liệu, sản phẩm trung gian, hoặc sản phẩm phụ Sản phẩm phụ, sản phẩm trung gian và chất thải trong công nghệ sẽ được tận dụng làm nguồn nguyện liệu cho quá trình sản xuất khác. Hình 1.1. Mối tương quan giữa công nghệ hóa học và các môn khoa học cơ bản. 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ hóa học 1.2. Hệ thống công nghệ hóa học Hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp tất cả các máy móc thiết bị, nguồn vật chất, nguồn năng lượng và mối liên hệ giữa chúng để xử lý nguồn nguyên liệu thành sản phẩm. Hệ thống công nghệ hóa học bao gồm phân hệ (tiểu hệ thống) có mối quan hệ chức năng với nhau. Khái niệm hệ thống và phân hệ chỉ mang tính chất tương đối, hệ thống có thể là phân hệ của một hệ thống khác ở quy mô lớn hơn. Phân hệ có cấu tạo từ một hoặc một vài thành phần mà trong đó diễn ra các thao tác công nghệ. Số lượng phân hệ trong một hệ thống phụ thuộc vào từng quá trình sản xuất cụ thể, có thể phụ thuộc vào chất lượng và số lượng của thông số đầu vào và đầu ra, thông số về công nghệ và cấu trúc. Cấu trúc của hệ thống công nghệ hóa học được chỉ ra trong hình 1.2. Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống công nghệ hóa học 1- Sơ chế nguồn nguyên liệu; 2 - Xử lý nguồn nguyên liệu; 3 - Tách sản phẩm chính; 4 - Làm sạch và tận thu chất thải; 5 - Phân hệ năng lượng; 6 - Sơ chế vật liệu phụ; 7- Sơ chế nước; 8 - Phân hệ điều khiển. Sơ chế nguồn nguyên liệu là quá trính sử lý sơ bộ bao gồm: nghiền nhỏ, loại tạp chất, khuấy trộn các thành phần, đốt nóng, làm lạnh, sấy khô, hòa tan…Quá trình sơ chế nguyên liệu phụ thuộc vào dạng và chất lượng nguyên liệu, vào quá trình và thiết bị được sử dụng trong sản xuất. Do nguồn nguyên liệu có chứa tạp chất, quá trình chuyển hóa không hoàn toàn từ sản phẩm trung gian thành sản phẩm chính và sự hình thành các sản phẩm phụ cho nên trong công nghệ sản xuất cần thực hiện thao tác tách sản phẩm chính từ hỗn hợp và làm sạch khỏi tạp chất. Chất thải tạo ra trong quá trình sản xuất có thể gây ô nhiễm môi trường nhưng cũng có thể sẽ làm nguồn nguyên liệu tốt cho các quá trình sản xuất khác. Vì vậy quá trình làm sạch và tận thu chất thải là thành phần quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học. Sản xuất hóa học luôn đi kèm với sử dụng năng lượng, nó chiếm tới 15% tổng số năng lượng được sử dụng. Chính vì vậy phân hệ năng lượng cũng là một thành phần quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học. Phân hệ năng lượng không chỉ phân bổ năng lượng cho từng giai đoạn sản xuất mà còn có khả năng thu hồi sau khi sử dụng. Trong sản xuất hóa học thường xuyên sử dụng các chất phụ như: chất hấp thụ, chất xúc tác, chất hoạt hóa, chất ổn định…Sơ chế chất phụ gia cũng là một thành phần quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học. Đa phần các chất phụ gia trong công nghệ không gây phát sinh chi phí cho quá trình sản xuất vì phân hệ xử lý chất phụ thêm sẽ tái sinh tính chất và đưa chất phụ thêm quay lại quá trình sản xuất. Vị trí đặc biệt trong hệ thống công nghệ hóa học là phân hệ xử lý nước. Các nhà máy hóa chất cần đến 1 triệu tấn nước mỗi ngày. Nước được sử dụng làm chất dẫn nhiệt, để sản xuất hơi, hòa tan và pha loãng. Cũng giống như phân hệ xử lý chất phụ gia có khả năng khôi phục tính chất của nước và đưa nó trở lại quá trình sản xuất. Phân hệ điều khiển để kiểm tra, điều chính chất lượng và số lượng của sản phẩm trong quá trình sản xuất. Theo hình 1.2 thì hệ thống công nghệ hóa học là một cấu trúc phức tạp và đa dạng. Nghiên cứu hệ thống công nghệ hóa học cho phép tối ưu hóa quá trình sản xuất. Tổng hợp và phân tích là những giai đoạn phát triển mới và hiện đại hóa hệ thống công nghệ hóa học đang thực hiện. Nhiệm vụ của tổng hợp là tạo ra các hệ thống công nghệ hóa học có tính chất đạt yêu cầu đặt ra, với các nguồn nguyên liệu khác nhau, năng lượng, thiết bị công nghệ, sẽ chuyển hóa vật liệu nguồn thành sản phẩm. Kết quả của tổng hợp rất đa dạng do thông số đầu ra của hệ thống công nghệ có thể thay đổi bằng cách thay đổi cấu trúc và chế độ làm việc của hệ thống. Phát triển hệ thống công nghệ mới cho phép khả năng lựa chọn nhiều thành phần và các mối liên hệ giữa chúng. Cải tiến hệ thống công nghệ cần phải bảo vệ các thành phần có sẵn cũng như mối liên hệ giữa chúng. Phân tích hệ thống công nghệ chia thành phân tích cấu trúc và phân tích chất lượng. Phân tích cấu trúc cần đưa ra các đặc tính cấu trúc và trình tự của các thành phần trong hệ thống. Phân tích chất lượng cho biết các chỉ số về tính chất. Để tạo ra một quá trình sản xuất mới cần nghiên cứu kỹ lưỡng các hệ thống công nghệ hóa học khác nhau. Với mỗi một hệ thống cần thực hiện tổng hợp và phân tích chỉ số kinh tế và công nghệ để lựa chọn một phương án tối ưu. 1.3. Các chỉ số sản xuất hóa học Sự phát triển của sản xuất không thể thiếu đi quá trình hiện đại hóa không ngừng công cụ lao động và công nghệ, tìm hiểu các dạng sản phẩm mới, hoàn thiện hệ thống sản xuất, phát triển công nghệ không chất thải, tiết kiệm và không gây ô nhiễm môi trường. Để xác định tính hữu dụng và hiệu suất của quá trình sản xuất hóa học người ta sử dụng rất nhiều chỉ số khác nhau. Theo phạm vi các chỉ số này phân chia thành: chỉ số kỹ thuật, kinh tế và vận hành. 1.3.1. Chỉ số công nghệ bao gồm: năng suất, hệ số tiêu phí, hiệu xuất sản phẩm, Cường độ làm việc, Độ chuyển hóa, tính lựa chọn.  Năng xuất (P) – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến trong một đơn vị thời gian.  G P  Trong đó: G – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến (kg, tấn, m 3 ); τ – thời gian (giờ, ngày, năm).  Hệ số tiêu phí là số lượng nguyên liệu, vật chất, năng lượng cần để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm. sp G G TP  hoặc sp G A TP  Trong đó G sp – là lượng sản phẩm (kg, tấn, m 3 ); A – là năng lượng (kW.h, kJ).  Hiệu xuất sản phẩm (η) – là tỉ lệ lượng sản phẩm thực tế nhận được (G sp ) trên lượng sản phẩm tối đa thu được G max theo tính toán lý thuyết. max G G sp    Độ chuyển hóa (x) – là tỉ lệ số lượng vật chất được chuyển hóa thành sản phẩm trên số lượng ban đầu. 0 0 G GG x sp   hoặc %100 0 0    G GG x sp Trong đó G 0 – là lượng vật chật ban đầu (kg, tấn, m 3 )  Tính lựa chọn (s) – là tỉ lệ lượng sản phẩm chính trên tổng lượng sản phẩm thu được. Tính lựa chọn đặc trưng cho các quá trình sản xuất tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau.   i i G G S Trong đó G i – là lượng sản phẩm chính thu được (kg, tấn, m 3 ); ∑ G i – tổng lượng sản phẩm thu được bao gồm cả sản phẩm chính và phụ (kg, tấn, m 3 ).  Cường độ làm việc (I) của thiết bị là năng suất của thiết bị tính theo một đại lượng đặc trưng (thể tích, diện tích bền mặt…). V P I  hoặc S P I  Trong đó V – là thể tích thiết bị (m 3 ); S – là diện tích bề mặt (m 2 ) 1.3.2. Chỉ số kinh tế bao gồm giá trị sản phẩm, năng suất lao động, chất lượng sản phẩm, chi phí vốn.  Giá trị sản phẩm là tổng chi phí để tạo ra một sản phẩm, chi phí này bao gồm: chi phí cho nguồn nguyên liệu, chất phụ thêm, năng lượng, vốn đầu tư, chi phí cho nhân công.  Năng suất lao động là là năng lực sản xuất của lao động. Nó được đo bằng số lượng sản phẩm sản xuất ra trong một đơn vị thời gian hoặc lượng thời gian lao động hao phí để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm.  Chi phí cơ bản cho đơn vị công suất: Nếu K là chi phí cơ bản cho tất cả thiết bị (hay phân xưởng), ví dụ tính bằng đồng và Q là công suất của thiết bị tính bằng Tấn/năm thì chi phí cơ bản cho đơn vị công suất là: Q K R  Nếu công suất thay đổi, thực tế cho thấy 4,0 .   QaR ; trong đó a là: hệ số phụ thuộc vào tính chất của quá trình sản xuất. Nếu so sánh 2 hệ thống với công suất Q 1 = 2Q 2 thì: 12 4,0 1 1 4,0 2 4,0 1 1 2 76,076,0) 2 ( . . RR Q Q Qa Qa R R     Nghĩa là công suất tăng 2 lần chi phí cơ bản cho 1 đơn vị công suất chỉ còn 76% hay giảm đi 24%. Nếu S là giá thành sản phẩm tính theo đơn vị Đồng/Tấn thì: n QmS . ; trong đó m,n: là hệ số và 3,02,0 n So sánh công suất Q 1 và Q 2 với Q 2 =2Q 1 và lấy 2,0n ta có: 12 2,0 1 1 2,0 2 2,0 1 1 2 87,087,0) 2 ( . . SS Q Q Qm Qm S S     Nghĩa là nếu công suất tăng lên 2 lần thì giá thành sản phẩm giảm đi 13%.  Chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất hóa học xác định bởi hàm lượng sản phẩm chính hoặc tạp chất. 1.3.3. Chỉ số vận hành bao gồm: độ tin cậy, độ an toàn, độ tự động hóa và cơ khí hóa.  Độ tin cậy được đặc trưng bởi thời gian làm việc an toàn của thiết bị. Chỉ số này phụ thuộc và thiết bị được sử dụng và tính chính xác khi vận hành.  Độ an toàn là xác suất có thể xảy ra sự cố nguy hại đến người lao động, máy móc và môi trường xung quanh.  Độ tự động hóa và cơ khí hóa là phần trăm lao động chân tay trong quá trình vận hành sản xuất. Ngoài ra còn có độ an toàn sinh thái, xác định mức độ ảnh hưởng của quá trình sản xuất lên con người và môi trường sinh thái. Xác định chỉ số này cho phép đánh giá mức độ rủi ro công nghệ và hậu quả với con người và môi trường xung quanh. 1.4. Đặc tính chung của quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học Quá trình công nghệ hóa học trong sự phụ thuộc vào quy luật động lực học được chia thành 5 nhóm: 1) Quá trình cơ khí 2) Quá trình thủy cơ theo định luật thủy động lực học 3) Quá trình nhiệt theo định luật truyền nhiệt 4) Quá trình truyền khối theo định luật truyền khối 5) Quá trình hóa học theo định luật động lực học hóa học Quá trình cơ học trong công nghệ hóa học bao gồm: nghiền vật chất rắn, trộn, phân loại và vận chuyển vật chất rời và hạt. Quá trình truyền khối: là quá trình đặc trưng cho sự di chuyển vật chất giữa các pha. Động lực truyền khối là hiệu nồng độ vật chất giữa các pha. Các quá trình truyền khối gồm có: Hấp thụ, hấp phụ, nhả hấp phụ, sấy, chưng cất, Tách triết, hòa tan, trao đổi ion, kết tinh.  Hấp thụ: là quá trình thu hút khí hoặc hơi từ hỗn hợp bằng chất hấp thụ lỏng. Quá trình hấp thụ là quá trình chọn lọc và thuận nghịch. Đi kèm với quá trình hấp thụ là quá trình nhả hấp thụ được sử dụng để tách các hỗn hợp khí và hơi thành các cấu tử riêng biệt. Quá trình hấp thụ được thực hiện trong các bình hấp thụ. Bình hấp thụ chia thành 3 loại:  Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa pha lỏng và khí diễn ra trong tầng lỏng trên các đĩa đệm;  Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa các pha tạo ra bởi các dòng khí và lỏng (tháp hấp thụ).  Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa các pha tạo ra bởi sự phun chất lỏng trong pha khí với sự trợ giúp của vòi phun.  Hấp phụ: Quá trình thu hút chất khí hoặc hơi bằng chất hấp thụ rắn.  Nhả hấp thụ: là quá trình hấp thụ và hấp phụ nghịch để tách khí và hơi ra khỏi chất hấp thụ rắn hoặc lỏng.  Chưng cất – là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng đồng nhất thành các cấu tử hoặc nhóm cấu tử nhờ vào sự tương tác giữa pha lỏng và khí. Qúa trình chưng cất cơ bản dựa trên sự khác biệt thành phần khí - lỏng hoặc lỏng - lỏng trong điều kiện cân bằng giữa các pha khí và lỏng.  Tách triết –  Sấy – là quá trình loại bỏ thành phần dễ bay hơi từ vật chất rắn bằng cách hóa hơi và loại bỏ hơi hình thành. Quá trình hóa học: là quá trình diễn ra một hoặc một vài phản ứng hóa học, kéo theo hiện tượng truyền nhiệt và truyền khối. [...]... sản xuất hoá học Để đáp ứng các nhu cầu đặt ra ở trên, thực tế sản xuất hoá học phải tuân theo một số các nguyên tắc cơ bản sau: 1 TĂNG TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC Sản xuất hóa học là làm biến đổi thành phần hóa học của nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm nhờ các phản ứng hóa học Vì vậy, tốc độ của quá trình sản xuất phụ thuộc vào tốc độ của các phản ứng hóa học Tăng tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ tác... thành hàng hóa có giá trị thương mại; 4) Sử dụng chất thải làm nguồn nguyên liệu thứ cấp cho quá trình sản xuất khác hoặc ngành công nghiệp khác 1.7 Hướng phát triển của công nghệ hóa học Sản phẩm của công nghệ hoá học đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của một quốc gia Từ những sản phẩm sử dụng trong sinh hoạt đến các sản phẩm công nghệ cao đều được sản xuất từ những nhà máy hoá học Quá... được tạo ra trong quá trình xử lý hóa học, tạo nên sự đa dạng của Công nghệ hóa học Sản xuất hóa học có thể chia thành 2 nhóm chính: sản xuất vô cơ và hữu cơ Ngành công nghiệp sản xuất vật chất vô cơ bao gồm: 1) Sản xuất hóa chất (axit, bazo, muối, phân bón…) 2) Sản xuất sản phẩm vô cơ tính khiết (Hóa chất, kim loại hiếm, chất bán dẫn, dược phẩm …) 3) Sản xuất điện hóa (clo, kiềm, oxi, hidro, và…) 4)... giá thành sản phẩm Do vậy các nhà máy hóachất thường xây dựng cạnh nhau tạo ra một khu công nghiệp hóa học rộng lớn gồm nhiều ngành sản xuất Ví dụ: liên hiệp hóa chất Việt Trì, liên hiệp hóa chất phân đạm Bắc Giang, liên hiệp các nhà máy ở Biên Hòa, cụm công nghiệp khí điện đạm Phú Mỹ 4 CƠ KHÍ HÓA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT Thực hiện cơ khí hóa, tự động hóa quá trình sản xuất ngoài mục đích... trường trở thành một nguyên tắc của công nghiệp hóa học và phải là một tiêu chí đầu tiên được xét duyệt trước khi xây dựng một nhà máy, xí nghiệp Lịch sử phát triển của công nghệ xúc tác Xúc tác chiếm một vị trí rất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất Ở Mỹ, 75%sản phẩm và 90% các quá trình sản suất hóa chất dựa trên xúc tác Về khía cạnh lịch sử của khoa học này, hiện nay chưa có nhiều tài liệu...Phản ứng hóa học được chia thành: 1.5 Tính toán trong công nghệ hóa học 1.6 Nguyên liệu cho sản xuất hóa học Số lượng các vật chất mà con người phát hiện ra và được sử dụng trong đời sống là vô cùng lớn và không ngừng tăng lên Vật chất mới thường xuyên được... xuất hóa học hiện đại dùng rất nhiều chất xúc tác quý, sau một thời gian làm việc các chất này mất hoạt tính, người ta đã tìm cách tái sinh lại để phục hồi hoạt tính của chúng và tiếp tục dùng  Chống ô nhiễm môi trường không chỉ sử dụng các phế thải để chế biến thành các sản phẩm có ích mà còn phải chuyển hóa các chất thải của nhà máy thành những chất không hoặc ít làm hại môi trường Công nghiệp hóa học. .. thích hợp thì phản ứng xảy ra nhanh gấp hàng triệu lần Công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ càng cần có xúc tác Ngoài các xúc tác hóa học còn có các xúc tác vi sinh Phân tích vai trò của xúc tác trong công nghiệp hóa chất 1.3 Tăng nhiệt độ phản ứng Như trên đã giải thích khi tăng nhiệt độ sẽ tăng hằng số tốc độ của phản ứng Trong sản xuất hóa học hầu hết các phản ứng đều diễn ra ở nhiệt độ cao hơn... bằng những nghiên cứu hệ thống, phát minh các quá trình xúc tác mới và nhận thức sâu hơn về phản ứng hóa học Năm 1850, Wilhelmy chứng tỏ tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây nhận thấy tính thuận nghịch của phản ứng hóa học. Năm 1862, Berthollet và Pean Gilles cho thấy tốc độ phản ứng ester hóa tỷ lệ với nồng độ acid Năm 1864, Guldberg và Waage thiết lập định luật tác dụng khối lượng (active... Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc hay kiềm hãm phản ứng mà thôi Rất nhiều nhà nghiên cứu không đồng ý với Ostwald, họ cho rằng chất xúc tác gây ra phản ứng hóa học Ostwald thời đó là một người rất nổi tiếng (không thua gì Einstein), ông đoạt giải Nobel Hóa học năm 1909 về lĩnh vực xúc tác Những nhà khoa học nổi tiếng thời đó hoặc sau này đoạt giải Nobel trên . TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÀI GIẢNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Giảng viên: Ths. LƯU SƠN TÙNG Bộ môn: Công nghệ hóa học . hệ thống. Công nghệ hóa học có mối tương quan chặt chẽ với các bộ môn khoa học khác như: Toán học, Hóa học, Vật lý, Cơ học, Kinh tế học (Xem hình 1.1). Trong công nghệ hóa học quá trình xử. khoa học cơ bản. 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ hóa học 1.2. Hệ thống công nghệ hóa học Hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp tất cả các máy móc thiết bị, nguồn vật chất,