BÁO CÁO VÔ CƠ Chủ đề: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC Nhóm 4: Lê Thị Đẩu Phạm Ngọc Anh Thy Nguyễn Thị Sơn Tuyền I Tổng quan axit sunfuric: Tính chất vật lý: H2SO4 khan chất lỏng nhớt, không màu, sôi nhiệt độ 296,2°C ,ở áp suất thường, H2SO4 hỗn hợp với nước tỉ lệ tạo thành loại hydrat: H2SO4.H2O, H2SO4.2H2O H2SO4.4H2O H2SO4 tạo với SO3 thành hợp chất: H2SO4.SO3, H2SO4.2SO3 Dung dịch SO3 H2SO4 gọi oleum Tính chất hóa học: a) Tính háo nước: Axit sunfuric đặc lấy nước nhiều hợp chất hữu xenlulozơ, đường biến chúng thành cacbon Vd: C12H22O11 12C + 11H2O b) Tính axit: Axit sunfuric axit mạnh hai nấc: H2SO4 + H2O → H3O+ + HSO-4 (xảy hoàn toàn) HSO-4 + H2O ↔ H3O+ + SO42- k = 10-2 Trong dung dịch loãng, trình phân li nấc thứ thực tế xảy hoàn toàn số phân li nấc thứ ~10-2.Axit sunfuric loãng thể tính chất chung axit: - Làm đổi màu quì tím - Tác dụng với kim loại đứng trước hidro dãy diện cực - Tác dụng với oxit bazơ - Tác dụng với bazơ - Tác dụng với muối c) Tính oxi hóa: Ở nồng độ đậm đặc: - Axit sunfuric đặc tác dụng hầu hết với kim loại (trừ Au, Pt) M + H2SO4 đ → M2(SO4)n + SO2 (S, H2S) + 2H2O - Axit sunfuric đặc hóa HI thành I2, H2S thành S, phần HBr thành Br2, số phi kim C, S, P: C + 2H2SO4 → SO2 + CO2 + 2H2O Ở nồng độ loãng: axit sunfuric loãng hoàn toàn khả oxi hóa mà giống với axit bình thường khác, hòa tan kim loại hoạt động nhờ khả oxi hóa ion H3O+ thành hidro bay lên Vd: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 II Ứng dụng H2SO4: H2SO4 axit vô có vai trò quan trọng ngành công nghiệp hóa chất kinh tế quốc dân H2SO4 dùng để sản xuất phân Superphotphat, (NH4)2SO4, phân phức hợp điều chế HCl, HF, H3PO4, CH3COOH Ngoài để tinh chế hợp chất hữu cơ, sản xuất thuốc nhuộm, sơn Axít sulfuric hóa chất thương mại quan trọng, sản lượng axít sulfuric quốc gia số tốt sức mạnh công nghiệp quốc gia Sử dụng chủ yếu axit sunfuric (60% sản lượng toàn giới) "phương pháp ướt" việc sản xuất axit photphoric, chất sử dụng để sản xuất loại phân hóa học photphat natri triphotphat để làm bột giặt Trong phương pháp đá photphat sử dụng, 100 triệu sản xuất hàng năm Nguyên liệu thô floro-apatit, thành phần xác dao động nhiều Nó xử lý axit sulfuric 93% để tạo sunfat canxi, hiđro florua (HF) axit photphoric HF loại dạng axit florosilicic Quy trình tổng quan biểu diễn sau: Ca5F(PO4)3 + H2SO4 + 10 H2O → CaSO4.2 H2O + HF + H3PO4 Các loại phân bón sunfat amoni sunfat sản xuất từ axit sunfuric, với sản lượng so với photphat Một ứng dụng quan trọng khác axit sunfuric để sản xuất nhôm sunfat, biết phèn làm giấy Nó phản ứng với lượng nhỏ xà phòng sợi bột giấy nhão để tạo cacboxylat nhôm dạng giêlatin, giúp làm đông lại sợi bột giấy thành bề mặt cứng giấy Nó sử dụng để sản xuất nhôm hidroxit, chất sử dụng nhà máy xử lý nước để lọc tạp chất, để cải thiện mùi vị nước Sunfat nhôm tạo từ phản ứng bôxít với axit sunfuric: Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2O Axit sunfuric sử dụng cho mục đích khác công nghiệp hóa chất Ví dụ, chất xúc tác axit thông thường để chuyển hóa xiclohexanoneoxim thành caprolactam, sử dụng để sản xuất nylon (nilông) Nó sử dụng để sản xuất axit clohiđric từ muối ăn công nghệ Mannheim Phần nhiều H2SO4 sử dụng công nghiệp hóa dầu để tinh luyện dầu mỏ, ví dụ làm chất xúc tác cho phản ứng isobutan với isobutylen để tạo isooctan, hợp chất làm tăng số octan xăng Axit sulfuric quan trọng cho sản xuất loại thuốc nhuộm Tóm lại, ứng dụng rộng rãi, đa dạng hầu hết ngành sử dụng nên gọi máu ngành công nghiệp III Sản xuất axit sunfuric: Axit sunfuric sản xuất công nghiệp phương pháp tiếp xúc Phương pháp gồm ba công đoạn chính: • Sản xuất SO2 • Sản xuất SO3 • Sản xuất H2SO4 Sản xuất Sunfurơ ( SO2): Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu có sẵn mà phương pháp sản xuất SO có khác nhau: a)Thiêu quặng pirit sắt(thành phần chủ yếu FeS2): Khi đốt quặng không khí, xảy phản ứng tạo thành SO2: ` 4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3 Ðốt nhiệt độ cao dư oxi không nhiều nên 3FeS2 + 8O2 = 6SO2 + Fe3O4 Ngày chủ yếu sử dụng lò đốt pirit kiểu tầng sôi 1 Lớp lót vật liệu chịu lửa Ghi lò Tầng sôi Quặng nghiền nhỏ đường kính mm đưa vào phía lưới, không khí thổi từ lên đủ để lớp quặng trạng thái lơ lủng gọi tầng sôi (3).Khí SO2 lấy phía tháp, nhiệt độ tầng sôi 750°C.Lò tầng sôi đốt lưu huỳnh b) Đốt cháy lưu huỳnh: S + O2 = SO2 Sơ đồ nguyên lý lò tầng sôi 1: nồi nấu; 2,4: bơm; 3,7: thiết bị lọc; vòi phun; 6: lò đốt; 8: tháp sấy; 9: nồi hơi-thu hồi Lưu huỳnh đưa vào ngăn thứ nồi nấu (1) Lưu huỳnh chảy lỏng bơm (2) đưa qua thiết bị lọc (3) tách tạp chất, vào ngăn nồi nấu (1), lưu huỳnh chảy lỏng với không khí bơm (4) đưa qua vòi phun (5) vào lò đốt (6), không khí vào lò đốt phải lọc qua thiết bị lọc (7) trước lọc chất bẩn vào qua tháp sấy (8) để tách nước H2SO4 Khử SO2 khỏi lò đốt lưu huỳnh có nhiệt độ 850 - 900°C đưa qua nồi - thu hồi (9) để tận dụng nhiệt thừa - Lưu ý: Khí SO2 lò chứa bụi tạp chất cần phải làm bụi để chúng không phủ lên - xúc tác thiết bị oxi hóa SO2 khỏi làm bẩn H2SO4 tạo thành Người ta dùng xyclon để làm bụi sơ dùng thiết bị lọc điện để khử hoàn toàn bụi tạp chất Hỗn hợp khí SO2 khô có hàm lượng SO2 khoảng 7- 7,5%, nhiệt độ 4550°C, đưa sang công đoạn sản xuất SO3 Sản xuất SO3 (oxi hóa SO2): Phản ứng oxi hóa SO2 xảy tốt nhiệt độ 440°C, chất xúc tác có thành phần chủ yếu V2O5 2SO2 + O2 2SO3 Sơ đồ lưu trình oxi hóa khử khí Sunfuarơ 1: máy nén; 2:thiết bị lọc khí; 3: thiết bị truyền nhiệt kiểu ống chùm; 4: tháp tiếp xúc; 5: thiết bị làm nước; 6,7: thiết bị hấp thụ khí; 8: thùng tách bọt; 9: tháp hấp thụ khí SO2 Hỗn hợp khí nén (1) qua thiết bị lọc (2) vào thiết bị truyền nhiệt kiểu ống chùm (3) nhiệt độ 230- 240°C, thiết bị tiếp xúc (4) nhiệt độ tăng lên 415 - 418°C Khí vào lớp xúc tác chuyển hóa SO2 thành SO3 đạt 98% 3 Sản xuất H2SO4( giai đoạn hấp thụ SO3): Hỗn hợp khí SO3 thiết bị tiếp xúc (4) vào thiết bị làm (5) nhiệt độ hạ xuống 60°C, vào hệ thống hấp thụ SO3 ( tháp (6), (7)) điều chế oleum nồng độ 18,5 - 20% Sau khỏi tháp, nồng độ acid lên tới 98,7 - 99% Khí khỏi hệ thống hấp thụ chứa SO2 bọt H2SO4 nên cần phải đưa qua thùng tách bọt (8) để giữ acid lại, vào tháp đệm (9), dùng dung dịch NH 4OH để hấp thụ SO2 sản phẩm trình muối (NH4)2SO3, NH4HSO3 (NH4)2SO4 V Xu hướng cải tiến công nghệ sản xuất H2SO4: Có thể nói, công nghệ sản xuất axit sunfuric giới phát triển ổn định mức tương đối cao.Xu hướng phát triển công nghệ giới tập trung chủ yếu vào nâng cao hiệu sử dụng lượng, nguyên liệu giảm phát tán khí thải độc hại vào môi trường Các tiêu chuẩn nhà máy sản xuất axit sunfuric hệ giảm chi phí lượng xuống mức tối thiểu, đồng thời đảm bảo tuân thủ yêu cầu ngày nghiêm ngặt bảo vệ môi trường Các dây chuyền sản xuất đại phải có khả thu hồi tối đa lưu huỳnh lượng, xử lý tốt khí đuôi, xử lý sản phẩm phụ tái xử lý, đồng thời phải cho phép thao tác dễ dàng, an toàn đáp ứng tiêu chuẩn cao môi trường Vấn đề thu hồi nhiệt thải Trong sản xuất H2SO4 theo phương pháp đốt lưu huỳnh, khoảng 98% lượng đưa vào lượng hóa học tự có chất tham gia phản ứng Phần nhiệt lại đưa vào qua hệ thống quạt, dạng lượng nén Trong chu trình sản xuất thông thường, khoảng 57,5% tổng lượng thu hồi dạng cao áp, khoảng 3% khí đuôi qua ống khói, 0,5% dạng nhiệt lượng axit thành phẩm, 39% bị dạng nhiệt thải hệ thống làm lạnh axit Các tỷ lệ nói thay đổi theo hàm lượng SO khí đầu lò đốt lưu huỳnh, nói chung chúng có xu hướng giữ nguyên Thách thức quan trọng việc cải tiến công nghệ sản xuất axit sunfuric thu hồi sử dụng cách thích hợp 39% lượng tích lũy dạng nhiệt thải Nhiệt sử dụng cho mục đích sau: - Sản xuất nước nóng cho hệ thống cung cấp nước nóng sinh hoạt địa phương - Sản xuất nước nóng để cô đặc H2SO4 nhà máy - Sản xuất nước nóng cung cấp cho sở sản xuất liền kề Nếu thu hồi sử dụng nguồn nhiệt thải tận dụng toàn nhiệt phản ứng dây chuyền sản xuất axit sunfuric Tuy nhiên, vấn đề phải tìm vật liệu thích hợp để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu cao có khả vận hành lâu dài môi trường ăn mòn mạnh Điều kiện vật liệu mặt tiếp xúc với axit phải chịu axit sunfuric 160 - 190 oC có nồng độ 94 - 99%, mặt tiếp xúc với nước phải chịu áp suất nước nồi đến 0,5-1 MPa Các thiết bị trao đổi nhiệt có chi tiết ống xoắn ruột gà teflon, bình trao đổi nhiệt thủy tinh, thép không gỉ, có anot bảo vệ Trên thực tế, số công ty chế tạo thiết bị sản xuất hóa chất giới tìm vật liệu có khả chống ăn mòn đặc biệt, với tốc độ ăn mòn chấp nhận (ví dụ 0,1 mm/năm điều kiện không bảo vệ anot hy sinh) phạm vi nồng độ H 2SO4 95 - 100% Giá vật liệu mức hợp lý Cải tiến công đoạn hấp thụ làm lạnh Khi nhiệt độ tăng, tháp hấp thụ thông thường dây chuyền sản xuất axit sunfuric đạt đến giới hạn hoạt động chúng.Để sử dụng axit nhiệt độ cao mà không làm giảm hiệu suất hấp thụ cần phải cải tiến, nâng cao hiệu hai công đoạn làm lạnh hấp thụ.Ở nhà máy xây dựng nay, người ta áp dụng tháp hấp thụ venturi cho phép đồng thời nâng cao hiệu hấp thụ làm lạnh Có thể miêu tả sơ qua công nghệ sau: khí chứa SO vào tháp rửa khí venturi với nhiệt độ khoảng 300oC, nhiệt độ axit vào từ đầu tháp khoảng 170 oC Do hấp thụ phản ứng với SO3 nên nhiệt độ axit tăng lên đến 195oC Khoảng 95% SO3 chứa khí hấp thụ phần venturi, nồng độ H2SO4 quan sát kiểm tra hệ tuần hoàn tháp venturi.Axit nóng chảy xuống bơm qua lò để trao đổi nhiệt lại đưa tháp venturi Lò sản xuất bão hoà 0,5 MPa, sử dụng trực tiếp nhà máy Hệ thống làm lạnh axit thiết kế cho lấy 60% nhiệt hấp thụ ban đầu trường hợp hệ thống thu hồi lượng gặp trục trặc Bộ phận sản xuất nước thiết bị bốc kiểu lò đặc biệt, nối mặt bích với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm Axit sunfuric nóng làm lạnh phun vào đỉnh tháp venturi qua nhiều vòi phun Nồng độ axit khống chế cách bổ sung nước vào phận thu gom axit tháp venturi Axit nóng dư, tạo hệ tuần hoàn tháp venturi, chảy vào thùng chứa, sau sử dụng để gia nhiệt sơ nước nạp nồi Với nước cấp cho nồi 105 oC hệ hấp thụ kép có dòng chảy tuần hoàn, thu hồi đến 0,5 nước áp suất thấp axit Hơi nước cao áp thấp áp nạp phối hợp vào tuabin phát điện Công suất điện thu đạt xấp xỉ 430 kW/tấn H2SO4 Ví dụ, với công nghệ nhà máy H2SO4 công suất 2000 tấn/ngày tạo công suất điện 36 MW mà không phát tán khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2), góp phần đáng kể cho bảo vệ môi trường Cải tiến hệ thống an toàn: Để đảm bảo yêu cầu vận hành an toàn ngày cao, nhà máy ngày thường kết hợp hệ thống an toàn sau: - Hệ thống đo liên tục tốc độ ăn mòn - Hệ thống quan sát rò rỉ, có còi đèn báo hiệu - Hệ thống đo độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ pH nước nồi hơi, kết hợp với hệ thống khóa liên động tương ứng