Đồ án nhập môn KTHH ĐHBKHN tổng quan axit sunfuric

MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ AXIT SUNFURRIC 1) Một số tính chất hóa lý 2) Ứng dụng PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 1) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất axit sunfuric phương pháp đơn 2) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất kép axit sunfuric 3) Các phương pháp sản xuất axit sunfuric 4) Phương pháp nitroz 5) Phương pháp tiếp xúc sản xuất axit sunfuric 6) Vấn đề môi trường giải pháp giải ô nhiễm công nghệ sản xuất axit sunfuric 12 PHẦN III: KẾT LUẬN 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ AXIT SUNFURRIC 1) Một số tính chất hóa lý Axit sunfuric khan (monohydrat) chất lỏng nhớt nặng, có khả trộn lẫn với nước tỉ lệ tỏa nhiệt lượng lớn Khối lượng riêng axit sunfuric 0°C 1,85g/cm3 Axit H2SO4 sôi 336,5°C kết tinh -10°C Axit sunfuric tên gọi chung monohydrate dung dịch (H2SO4 + nH2O) dung dịch trioxit lưu huỳnh hòa tan monohydrate (H2SO4 + nSO3) gọi oleum Axit sunfuric khơng màu, axit kỹ thuật có màu sẫm chứa nhiều tạp chất Nếu có đặc axit sunfuric đạt nồng độ 98,3% Axit sunfuric đẩy tất axit khác từ muối tang nhiệt độ Axit sunfuric kết hợp với nước mạnh nhờ khả tạo thành hydrat Nó thu nước axit khác, tinh thể hydrat chí thu nước dẫn xuất hydro cacbon chứa oxy Axit sunfuric đặc làm bỏng da tiếp xúc da người 2) Ứng dụng Axit sunfuric có tính hoạt động mạnh, giá thành rẻ nên ứng dụng rộng rãi Trong công nghiệp sản xuất phân bón: supephotphat, sunfat amon, … Trong lĩnh vực gia cơng kim loại: làm bề mặt kim loại trước sơn, mạ crom, niken, … Axit H2SO4 dùng để sản xuất loại thuốc nhuộm vải, thuốc chữa bệnh, lụa nhân tạo, số chất dẻo khác; điều chế hồ tinh bột PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 1) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất axit sunfuric phương pháp đơn 2) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất kép axit sunfuric 3) Các phương pháp sản xuất axit sunfuric Sản xuất axit H2SO4 gồm giai đoạn sau: - Đốt cháy nguyên liệu chứa S thu SO2 - Oxy hóa SO2 thành SO3 - Cho SO3 hấp thụ nước thành H2SO4 Trong giai đoạn này, q trình oxy hóa SO2 thành SO3 điều kiện bình thường xảy chậm Vì để tăng tốc trình lên cần phải sử dụng chất xúc tác Căn vào cách sử dụng chất xúc tác, người ta chia phương pháp sản xuất axit H2SO4: - Phương pháp nitroz - Phương pháp tiếp xúc 4) Phương pháp nitroz Phương pháp sử dụng chất xúc tác oxit nitơ Q trình oxy hóa SO2 tiến hành pha lỏng thực tháp đệm, phương pháp gọi phương pháp tháp Phương trình tổng quát phương pháp tháp: SO2 + NO2 + H2O => H2SO4 + NO Trong tháp xảy loạt trình hấp thụ nhả hấp thụ: 2NOHSO4 + 2H2O  SO2 + H2SO4 H2 O  + H2SO3 N2O3 - + Q Q H2SO3 + SO2 + N2O3  N2O3  SO3 + 2NO + H2SO4 + SO3 H2 O  O2  NO + + 2NO + H2SO4 2NO2 NO2  2NO +Q + + Q Q Q N2O3 Bằng phương pháp nitroz người ta nhận axit có lần nhiều tạp chất nồng độ đạt 75-77% Axit với nồng độ thường sử dụng công nghiệp sản xuất phân bón 5) Phương pháp tiếp xúc sản xuất axit sunfuric Phương pháp tiếp xúc chia làm giai đoạn: - Làm khí khỏi tạp chất độc có hại cho chất xúc tác - Oxy hóa tiếp xúc SO2 thành SO3 - Hấp thụ SO3 thành axit H2SO4 Quan trọng giai đoạn qua người đánh giá tồn phương pháp 5.1) Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric Người ta dùng nguyên liệu có chứa lưu huỳnh (S) để sản xuất axit sunfuric Trong tự nhiên lưu huỳnh thường gặp dạng: - Lưu huỳnh nguyên tố trộn lẫn học với khoáng khác - Các sunfua kim loại ví dụ pirit sắt FeS2, pirit đồng FeCuS2, Cu2S, ZnS, PbS, CoS, NiS, … - Các loại sunfat: thạch cao CaSO4.2H2O, thạch cao anhydric CaSO4, Na2SO4, MgSO4, … Trong pirit lượng S thường dao động khoảnh 35-50%, sắt từ 3040%, lại sunfar kim loại màu, muối cacbonat, cát, đất sét Nguyên liệu tốt để sản xuất axit sunfuric lưu huỳnh thu nấu chảy đá thiên nhiên có chứa lưu huỳnh Lưu huỳnh nóng chảy 113°C, dễ dàng bốc cháy Khi đốt lưu huỳnh khơng khí ta thu khí SO2 có nồng độ đậm đặc đốt pirit tạp chấy lúc nhiều 5.2) Sản xuất dioxit lưu huỳnh SO2 5.2.1) Đốt pirit Đốt pirit dòng khơng tiến hành thiết bị có cấu tạo khác áp suất khí Phương trình tổng quát trình đốt pirit: 4FeS2 + 11O2 -> Lò đốt pirit kiểu tầng sơi: 2Fe2O3 + 8SO2 + 3400J 1 Lớp lót vật liệu chịu lửa Ghi lò Tầng sơi Trên thực tế trình chiều bao gồm dãy phản ứng hóa học xảy song song nối tiếp nhau, giai đoạn khuếch tán hạn chế tốc độ chung trình nhiệt độ cao Khi đốt cháy pirit cao 500°C, xảy phân ly pirit: 2FeS2 -> 2FeS + S2 Lưu huỳnh cháy nhanh pha khí: S2 + 2O2 -> 2SO2 Sunfua sắt lại oxy hóa theo phương trình: 4FeS + 7O2 -> 2Fe2O3 + 4SO2 Khi xỉ khỏi lò có nhiệt độ cao độ dư oxy nhỏ phương trình tổng qt đốt quặng pirit lò tầng sôi thể hiện: 3FeS2 + 8O2 -> Fe3O4 + 6SO2 + Q Khi trình đốt cảy sunfat kim loại khác có thành phần pirit oxy hóa, cacbonat bị phân hủy Trong thành phần khí có As2O3, SeO2 tạp chất quặng ẩm pirit Oxit sắt, muối sunfat, oxit kim loại khác, thạch cao, aluminosilicat FeS2 khơng oxy hóa hết vào xỉ xỉ có chứa từ 0,5 đến 2% S Động lực trình tăng lên tăng hàm lượng FeS2 quặng pirit tang nồng độ oxy hỗn hợp khơng khí vào Q trình khuếch tán ngồi cường hóa cách khuấy trộn pirit dòng khơng khí Tuy nhiên q trình cháy chung bị hạn chế khuếch tán O2 SO2 pirit sắt (quá trình khuếch tán trong) Vì trình khuếch tán dễ dàng hơn, người ta thường đem nghiền mịn quặng pirit 5.2.2) Đốt cháy lưu huỳnh Quá trình xảy dễ dàng, đơn giản đốt pirit tiến hành theo phản ứng sau: S + O2 -> SO2 + 296kJ Thực tế lưu huỳnh trước cháy chảy lỏng (tnc = 113°C), bay (tS = 444°C) cháy pha khí Như thân trình cháy trình đồng thể Trước cho vào thiết bị người ta nấu chảy lưu huỳnh lò nấu, đem lọc khỏi tạp chất dùng khí nén để phun qua vòi phun vào thiết bị đốt Khi lưu huỳnh bay bốc cháy 5.3) Oxy hóa tiếp xúc SO2 thành SO3 5.3.1) Các chất xúc tác Khi dùng chất xúc tác lượng hoạt hóa phản ứng giảm xuống, bậc phản ứng giảm xuống tốc độ trình tăng lên loại tốt ứng dụng sản xuất: Pt kim loại, oxit sắt, oxit vanadi Trong loại oxit vanadi loại sử dụng thông dụng sản xuất axit sunfuric 5.3.2) Q trình oxy hóa xúc tác Q trình oxy hóa xúc tác chia làm giai đoạn: Khuếch tán cấu tử phản ứng từ trung tâm dòng khí đến bề mặt hạt xúc tác; sau khuếch tán mao quản khối tiếp xúc Hấp phụ oxy chất xúc tác (Chuyển điện tử từ chất xúc tác đến nguyên tử oxy) Hấp phụ phân tử SO2 để tạo thành phức [SO2.O.Xt] Chuyển nhóm điện tử để tạo thành phức [SO3.Xt] Giải hấp phụ SO3 (quá trình nhả) Khuếch tán SO3 từ mao quản khối tiếp xúc từ bề mặt hạt Để tăng mức độ oxy hóa SO2 cần phải tăng nồng độ O2 khơng khí Nhưng pha lỗng khí khơng khí làm giảm nồng độ SO2 suất thiết bị Vì cần tìm nồng độ tối ưu SO2 khơng khí: đốt lưu huỳnh khơng khí SO2 có 9%; đốt quặng pirit khí chứa 7% SO2 11% O2 Thời gian trình: Thời gian tiếp xúc thiết bị nhỏ nhiệt độ tối ưu lớn Để đạt tốc độ tối đa cần phải bắt đầu trình nhiệt độ cao (gần 600°C) kết thúc 400°C Để cần phải đốt nóng sơ khí không ngừng dẫn nhiệt khỏi thiết bị Vấn đề thực nhờ thiết bị đại nhiên khơng thể hồn chỉnh tuyệt đối Thiết bị tiếp xúc: Khí chứa SO2 sấy nóng lên nhờ nhiệt khí sản phẩm phản ứng (nhiệt phản ứng) đến nhiệt độ phản ứng 440 - 450°C, sau q trình tiếp xúc nhiệt độ tăng gần đến 600°C, sau nhiệt giảm dần Giữa tầng xúc tác người ta đặt phận trao đổi nhiệt Trong loại thiết bị này, tầng xúc tác cao tầng nó, nghĩa xúc tác dày thêm theo đường khí Còn chiều cao tầng trao đổi nhiệt lại giảm theo độ tăng mức độ chuyển hóa chung, tốc độ phản ứng giảm tương ứng lượng nhiệt tỏa giảm Trong không gian ống, khí đầu từ lên, làm lạnh sản phẩm phản ứng sấy nóng đến nhiệt độ đầu phản ứng Do hậu phá vỡ hạt xúc tác, làm nhiễm độc lớp xúc tác, làm bẩn học lớp xúc tác bụi, hay nhiệt độ bất ngờ làm hỏng xúc tác chế độ làm việc dao động khỏi chế độ tối ưu, khối tiếp xúc vanadi phải thay trung bình năm lần Nếu q trình làm khí sau cơng đoạn đốt pirit khơng tốt chế độ làm việc thiết bị tiếp xúc bị phá hỏng sau vài ngày 5.4) Hấp thụ SO3 nước nhận H2SO4 SO3 tạo thành thiết bị tiếp xúc hấp thụ nước tháp đệm tưới sunfuric 98,3% SO3 + H2O -> H2SO4 + 9200J Nước nước tự axit H2SO4 Dùng axit H2SO4 98,3% để giảm đến mức tối đa lượng SO3 H2SO4 ngồi Dùng axit độ hấp thụ SO3 lớn lớn nhiệt độ tiến hành hấp thụ thấp Sau hấp thụ, axit xuống thùng chứa, pha thêm nước để đưa nồng độ 98,3%, bơm qua dàn lạnh, sau phần hồi lưu để tưới tháp phần đưa kho 6) Vấn đề môi trường giải pháp giải ô nhiễm công nghệ sản xuất axit sunfuric 6.1) Vấn đề môi trường cơng nghệ sản xuất axit sunfuric Q trình sản xuất axit sunfuric tạo nhiều dạng chất thải khác nhau, chia thành dòng là: - Khí thải - Chất thải rắn - Chất thải lỏng Mỗi dòng thải có đặc trưng riêng khác nhau, tựu chung lại ảnh hưởng lớn tới sức khỏe người môi trường sống 6.1.1) Khí thải Thành phần bao gồm: khí axit khói bụi Khí axit: - Thành phần: chủ yếu khí SO2, ngồi có SO3 mù H2SO4 (CO CO2 chất thải đặc trưng công nghệ sản xuất axit sunfuric nên không đề cập tới) - Nguyên nhân: phát sinh phần lớn cơng đoạn: tạo khí SO2, tinh chế khí SO2, cơng đoạn tiếp xúc q trình hấp thụ tạo axit sunfuric; ngồi q trình đốt nhiên liệu (than) tạo SO2 - SO2 chất khí khơng màu, khơng mùi, kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan nước với nồng độ thấp Ở điều kiện bình thường: thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2 - SO2 thuộc loại chất nhiễm độc hại phổ biến sản xuất công nghiệp sống sinh hoạt người - SO2 có hại cho sức khỏe, tác nhân gây mưa axit SO2 + 1/2O2 + H2O = H2SO4 Khói bụi: - Nguyên nhân: phát sinh từ trình chuẩn bị nguyên liệu (gia cơng kích thước nhỏ), vận chuyển ngun liệu Ngồi q trình đốt nhiên liệu, khói lò đem theo hạt bụi xỉ - Lượng bụi khơng khí phụ thuộc vào loại quặng, kích thước hạt xỉ, cấu tạo lò đốt - Phân loại bụi: dựa vào kích thước hạt bụi người ta chia thành: + Bụi tồn phần + Bụi PM10 (có đường kính khí động học 10 micron) + Bụi hơ hấp hạt bụi có đường kính khí động học micron, xâm nhập sâu đến tận phế nang vùng trao đổi khí hệ thống hô hấp - Tác hại: + Do đặc điểm trên, bụi ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người, đặc biệt người dân sống xung quanh nhà máy, sở sản xuất phát sinh nhiều bụi Và trước mắt người công nhân trực tiếp làm việc dây chuyền + Ngoài ra, bụi khơng khí bám lên cây, ngăn cản dẫn đến làm giảm hoạt động quang hợp, làm bị còi cọc, chết 6.1.2) Chất thải rắn - Thành phần chủ yếu là: + Các loại xỉ quặng từ lò đốt quặng, chứa loại oxit oxit sắt oxit tạp chất khác + Quặng rơi vãi trình vận chuyển nguyên liệu (nếu không che chắn kĩ) + Trong q trình sản xuất có sử dụng số loại chất xúc tác Những chất sử dụng thời gian, sau chúng trở nên trơ, giảm khơng khả xúc tác Vì chúng bị thải loại chất thải rắn + Do ăn mòn thiết bị kim loại trình sản xuất axit - Tác hại: chất thải rắn thường bị đổ chôn lấp, với đặc điểm chứa kim loại nặng xỉ, chúng vào mơi trường, gây ảnh hưởng tới loài sinh vật người qua trao đổi dinh dưỡng Thêm vào đó, chất thải rắn lượng quặng rơi vãi, quặng chứa lượng lưu huỳnh chất khác, gây bệnh tật cho người Ngoài ra, sản xuất liên tục, lượng chất thải rắn ngày nhiều thêm, làm tốn diện tích đất để chơn lấp, diện tích đất an tồn cho việc sử dụng vào mục đích sau 6.1.3) Chất thải lỏng Thành phần gồm: - Nước thải: + Do rò rỉ khí axit số cơng đoạn nói trên, người ta thường sử dụng nước để hấp thụ, tạo thành nước thải chứa lượng axit định + Ngồi ra, lượng khí bị rò rỉ bám vào bụi ẩm, tạo thành hạt axit, rơi xuống sàn, bám vào bề mặt dụng cụ, đồ đạc Dùng nước để lau rửa sàn nhà hay đồ đạc nói tạo nước thải có tính axit + Nước làm mát axit công đoạn hấp thụ tạo axit sunfuric dạng nước thải + Nước mưa rơi xuống khu vực sản xuất mang theo hạt bụi, xỉ, quặng, axit, … tham gia vào lượng nước thải trình sản xuất - Chất thải lỏng khác như: dầu mỡ bảo trì, sửa chữa máy móc, … Tác hại: có tính axit, tùy nồng độ khác nhau, nước thải không xử lý xử lý không đủ tốt, bị thải môi trường trực tiếp ảnh hưởng tới hệ thủy sinh vật 6.2) Giải pháp giải ô nhiễm công nghệ sản xuất axit sunfuric 6.2.1) Về khí thải - SO2: + Đánh giá lựa chọn loại lò đốt + Sử dụng nguyên liệu khác S nguyên chất (giảm lượng chất thải) + Sử dụng than có hàm lượng sulfua + Thay đổi xúc tác: xúc tác độc có khả chuyển hóa phản ứng cao + Lựa chọn phương pháp làm lạnh khí + Lựa chọn sơ đồ tiếp xúc kép (hiệu suất cao tiếp xúc đơn) Để xử lý triệt để lượng SO2 dạng khí thải, sử dụng phương pháp như: Phương pháp hấp thụ (bằng nước huyền phù CaCO3), phương pháp hấp phụ (bằng đá vôi, dolomit vôi), … Sơ đồ hệ thống xử lí SO2 nước: - Mù H2SO4 SO3 khí thải: + Lựa chọn tháp hấp thụ kiểu đệm + Lựa chọn loại đệm phù hợp + Có phương pháp khử mù + Xử lý khí thải: chủ yếu hấp thụ hấp phụ - Khói bụi: biện pháp xử lý chủ yếu thu hồi bụi khí thải Có phương pháp xử lý là: + Phương pháp học + Phương pháp lọc điện 6.2.2) Về chất thải rắn Đối với chất thải rắn, biện pháp chủ yếu thu gom, tận thu, tái sử dụng cho nâng cao suất sử dụng, hạn chế tối đa phát thải Phần lại, chất thải rắn bắt buộc bị thải ra, xử lý số phương pháp sau (q trình xử lý thường khơng phải nhà máy sản xuất axit sunfuric) - Phương pháp học, gồm: + Phương pháp ép + Phương pháp cắt + Phương pháp nghiền + Phương pháp sàng + Phương pháp tuyển - Phương pháp hóa-lý: dùng để xử lý, thu hồi chất hóa học độc hại cho thể người cho mơi trường, cụ thể có: + Hấp thụ + Hấp phụ + Kết tủa + Oxi hóa + Cố định hóa rắn - Phương pháp nhiệt-cơ: + Tạo khối: sử dụng nhiệt độ cao nhằm chuyển chất thải rắn thành dạng sử dụng vật liệu xây dựng - Phương pháp sinh học: dùng để xử lý chất thải rắn hữu 6.2.3) Về nước thải - Nước làm mát axit giải sau (với mục đích giảm thiểu lượng nước thải, tái sử dụng nước thải): + Tuần hoàn nước làm mát + Thay đổi sơ đồ làm mát (để nâng cao hiệu sử dụng) - Toàn lượng nước thải từ nhà máy thải cần xử lý phương pháp khác để đạt tiêu chuẩn thải môi trường Một số phương pháp xử lý nước thải là: + Phương pháp học: dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng nước thải Đây giai đoạn xử lý sơ Phương pháp chủ yếu là: lọc qua lưới, lắng, lọc qua vật liệu cát quay li tâm, … Lượng chất lắng thu trở thành dạng chất thải rắn + Phương pháp hóa-lý: sử dụng tượng phản ứng lý hóa để thu hồi khử loại độc chất nguy hiểm Phương pháp thường sử dụng là: oxi hóa, trung hòa (dùng kiềm), keo tụ, tuyển nổi, màng bán thấm, … + Phương pháp sinh học: thường để loại bỏ hợp chất hữu nước nhờ dựa vào đặc tính sống loại thực vật, vi sinh vật, chúng sử dụng chấtv hữu làm nguồn dinh dưỡng Phương pháp thường công đoạn xử lý cuối PHẦN III: KẾT LUẬN Axit sunfuric chất lỏng nhớt nặng, có khả trộn lẫn với nước tỉ lệ Axit sunfuric axit mạnh, có tính oxy hóa tính háo nước Axit sunfuric đặc gây bỏng da tiếp xúc da người Axit sunfuric có nhiều ứng dụng thực tế: Sản xuất phân bón, gia công kim loại, sản xuất loại thuốc nhuộm vải, thuốc chữa bệnh, lụa nhân tạo, số chất dẻo khác; điều chế hồ tinh bột Sản xuất axit H2SO4 gồm giai đoạn sau: - Đốt cháy nguyên liệu chứa S thu SO2 - Oxy hóa SO2 thành SO3 - Cho SO3 hấp thụ nước thành H2SO4 Căn vào cách sử dụng chất xúc tác, người ta chia phương pháp sản xuất axit H2SO4: - Phương pháp nitroz - Phương pháp tiếp xúc Quá trình sản xuất axit sunfuric sinh nhiều loại chất thải gây nguy hại cho sức khỏe người mơi trường, từ cần có biện pháp xử lý thích hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO Thơng tin mạng internet Kỹ thuật hóa học đại cương, TS Nguyễn Thị Diệu Vân, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2007 Chun đề: “Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất axit sunfuric dòng thải đặc trưng”, nhóm sinh viên Cơng nghệ mơi trường K51, Viện KH – CN Môi trường, Trường đại học Bách khoa Hà Nội  ... KẾT LUẬN Axit sunfuric chất lỏng nhớt nặng, có khả trộn lẫn với nước tỉ lệ Axit sunfuric axit mạnh, có tính oxy hóa tính háo nước Axit sunfuric đặc gây bỏng da tiếp xúc da người Axit sunfuric. .. SUNFURIC 1) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất axit sunfuric phương pháp đơn 2) Sơ đồ nguyên tắc sản xuất kép axit sunfuric 3) Các phương pháp sản xuất axit sunfuric Sản xuất axit H2SO4 gồm giai đoạn sau: -... Axit sunfuric khơng màu, axit kỹ thuật có màu sẫm chứa nhiều tạp chất Nếu có đặc axit sunfuric đạt nồng độ 98,3% Axit sunfuric đẩy tất axit khác từ muối tang nhiệt độ Axit sunfuric kết hợp với nước