HÓA KỸ THUẬT

TÀI LIỆU HÓA KỸ THUẬT

http://www.ebook.edu.vn I- Giới thiệu môn học Chng 1 Giới thiệu chung Môn hoá k thut i cng có nhiệm v trang b cho sinh viên nhng kiến thc c bn, sát vi iu kin thc t sn xut Vit Nam ca ngnh công ngh hoá hc nói chung. Trong công nghip hoá cht sn phm rt a dng, việc mô t c nhiu công ngh c th l rt khó. Mt khác trong k thut sn xut li có nhiu im chung. Nm c bn cht chung có th hiu c nhiu công ngh sn xut c th v có phng hng ci tiến công ngh. Nh vy mt mt va phi nghiên cu sâu vo tng quá trình sn xut c th, mt khác va phi khái quát hoá các vn . Trc khi hc môn hóa k thut i cng sinh viên ã c hc các môn c bn v c s cn thit, tuy nhiên các ki n thc y li tách ri nhau ch cha to thnh mt h thng. Môn hoá k thut i cng có nhim v nhc li các kin thc y v ã t trong iu kin sn xut thc t. Nhim v th hai ca môn hc l giúp sinh viên có cái nhìn tng quát v k thut hoá hc khi i vo các quá trình c th sẽ không b b ng v có th t nghiên cu sâu v quá trình ó. II. Nguyên liệu trong công nghệ hoá học 2.1 Khái niệm Nguyên liệu l những vật liệu tự nhiên hoặc một số quá trình gia công khác đợc sử dụng để sản xuất ra các sản phẩm sử dụng trong đời sống v kỹ thuật. Nguyên liu nh hng rt ln n kinh t, quy trình công ngh v cht lng sn phm. Nớc v không khí cũng l những nguyên liệu phổ biến v không thể thiếu trong các ngnh công nghiệp. 2.2 Những phơng hớng phát triển nguồn nguyên liệu http://www.ebook.edu.vn Trong công nghiệp ngời ta luôn mong muốn sản xuất ra những sản phẩm có chất lợng tốt, giá thnh thấp. Để thực hiện đợc điều ny khi tìm kiếm nguôn nguyên liệu cần phải xét đến các vấn đề sau: - Sử dụng loại gnuyên liệu có hm lợng cao. - Tìm kiếm v sử dụng loại nguyên liệu rẻ tiền hơn. - Sử dụng phức hợp nguồn nguyên liệu v liên hợp các nh máy. - Thay thế nguồn nguyên liệu thực phẩm bằng nguyên liệu không thực phẩm. 2.3 Một số phơng pháp làm giàu nguyên liệu Khi khai thác không phải lúc no nguyên liệu cũng thoả mãn các yêu cầu của sản xuất m nguyên liệu cần phải đợc lm tăng hm lợng chất có ích trong nguyên liệu. Trong công nghiệp ngời ta thờng lm giu nguyên liệu ngay tại nơi khai thác nh vậy sẽ giảm đợc nhiều chi phí vận chuyển. 2.3.1 Phơng pháp tán nhỏ Nội dung của phơng pháp ny l dựa vo sự khác nhau về độ cứng của các thnh phần trong nguyên liệu. Từ đó ngời ta sử dụng các quá trình sấy, đập nghiền, sng để phân loại các thnh phần quặng. 2.3.2 Phơng pháp trọng lực Nội dung của phơng pháp ny l dựa vo sự khác nhau về khối l ợng riêng của các thnh phần. Từ đó ngời ta sử dụng sử dụng các dòng lỏng hoặc dòng khí để phân loại các thnh phần trong nguyên liệu. 2.3.3 Phơng pháp dùng nhiệt Nội dung của phơng pháp ny l dựa vo sự khác nhau về nhiệt độ sôi v nhiệt độ nóng chảy của các thnh phần. Từ đó ngời ta sử dụng phơng pháp chng luyện v phơng pháp lắng gạn để tách các thnh phần trong nguyên liệu. 2.3.4 Phơng pháp hoá học Nội dung của phơng pháp ny l dựa vo những tính chất hoá học khác nhau của các thnh phần (sử dụng sự ho tan có chọn lọc hoặc các phản ứng có sản phẩm hoá hơi, kết tủa). 2.3.5 Phơng pháp tuyển nổi http://www.ebook.edu.vn Đây l phơng pháp hiện nay đợc sử dụng rất rộng rãi. Cơ sở của phơng pháp l dựa vo độ thấm ớt khác nhau của các thnh phần. Từ đó ngời ta sử dụng dung dịch tuyển dung dịch ny có khả năng thấm ớt có chọn lọc. Những hạt kị nớc sẽ nổi lên trên theo dòng dịch ra ngoi, những hạt a nớc dần dần sẽ lắng xuống dới. Tuy nhiên trong thực tế sự chênh lệch về độ thấm ớt của các thnh phần l không nhiều do đó ngời ta thờng phải sử dụng thêm các chất góp hoắc chất tạo bọt để kích thích quá trình tuyển nổi. III. Năng lợng trong công nghệ hoá học 3.1 Khái niệm Năng lợng l đại lợng đặc trng cho khả năng sinh công. Năng lợng đợc sử dụng với nhiều mục đích: Vận chuyển, thực hiện phản ứng, đập nghiền, nén khí, lọc, bơm, quạt Việc sử dụng hợp lý năng lợng l một trong những yếu tố lm giảm giá thnh sản phẩm. Dạng năng lợng dùng phổ biến nhất l năng lợng điện v nhiệt năng. 3.2 Phân loại Năng lợng có thể đợc phân thnh hai loại cơ bản: - Loại năng l ợng có khả năng phục hồi: Thuỷ điện, gió, mặt trời, địa nhiệt. - Loại năng lợng không có khả năng phục hồi: Than, dầu mỏ, hạt nhân 3.3 Những hớng phát triển năng lợng Trên thế giới trong những năm gần đây đi sâu vo các lĩnh vực: Năng lợng mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, hạt nhân. Định hớng phát triển nguồn năng lợng ở Việt Nam l thuỷ điện v các nguồn năng lợng khác trong đó có năng lợng hạt nhân. Năm 2002 thông qua dự án xây dựng nh máy điện hạt nhân, dự kiến năm 2020 tổ máy điện hạt nhân đầu tiên bắt đầu hoạt động. IV. Nớc trong công nghệ hoá học 4.1 Vai trò http://www.ebook.edu.vn Nớc đợc ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt cũng nh trong sản xuất nh: Dùng lm dung môi, chất tải nhiệt, chất phản ứng, lọc rửa, sinh hoạt 4.2 Phân loại 4.2.1 Nớc trong khí quyển (Tuyết, nớc ma) Tạp chất l các khí ho tan nh: O 2 , CO 2 , CO, H 2 S, SO 2 Thnh phần v hm lợng tạp chất tuỳ vo từng vùng. 4.2.2 Nớc trên bề mặt (sông hồ, ao, biển) Ngoi các tạp chất nh nớc trong khí quyển nớc trên bề mặt còn có chứa các tạp chất l các muối khoáng ho tan. Nớc trên bề mặt đợc chia thnh 2 loại: Nớc ngọt (<1g NaCl/1 lít nớc) v nớc mặn (>1g NaCl/1 lít nớc). Nớc ngọt có thể đợc phân loại theo hm lợng Ion Ca 2+ , Mg 2+ : mg đlg Ca 2+ , Mg 2+ /lít Độ cứng 0-1,5 Rất mềm 1,5 3 Nớc mềm 3 6 Trung bình 6 10 Cứng > 10 Rất cứng 4.2.3 Nớc ngầm (giếng, giếng khoan, suối ngầm) Loại nớc ny chứa ít tạp chất hơn hai loại nớc trên, tuy nhiên trong nó vẫn chứa các muối khoáng ho tan. * Nh vậy các loại nớc trên dù ít hay nhiều đều có chứa các tạp chất trong nó vì vậy trớc khi sử dụng trong công nghiệp và trong sinh hoạt nớc cần phải đợc xử lý trớc khi sử dụng. 4.3 Kỹ thuật xử lý nớc cấp Các công đoạn chính của quá trình xử lý: http://www.ebook.edu.vn - Lắng lọc các tạp chất cơ học - Lm mềm nớc - Giải khí độc v sát trùng nớc 4.3.1 Lắng, lọc các tạp chất cơ học Dới tác dụng của trọng lực các tạp chất cơ học sẽ đợc lắng xuống dới rồi đợc lọc sạch. Quá trình lắng nớc đợc thực hiện liên tục trong các bể chứa bê tông. Để kích thích quá trình lắng ngời ta thờng cho vo nớc một lợng nhỏ dung dịch điện ly Al 2 (SO 4 ) 3 .FeSO 4 (phèn chua) v một số chất đông tụ khác. Các chất ny sẽ hấp phụ các hạt keo đất sét mang điện tích âm để trung ho về điện lm tăng tốc độ lắng đồng thời lm mất mu của nớc lm nớc trong hơn. Sau khi lắng huyền phù đợc lọc khỏi nớc bằng phơng pháp lọc, ngời ta thờng sử dụng vật liệ lọc dạng hạt trơ nh cát. 4.3.2 Làm mềm nớc * Phơng pháp sữa vôi (Ca(OH) 2 ) : phơng pháp ny chỉ sử lý độ cứng tạm thời của nớc v tách đợc muối sắt, CO 2 lm mềm đến 0,7 mgđlg/1 lít nớc Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3 ) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + Mg(HCO 3 ) 2 = CaCO 3 + MgCO 3 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + Fe 2+ = Fe(OH) 2 + Ca 2+ Ca(OH) 2 + CO 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O * Phơng pháp dùng xô đa: Phơng pháp ny có hiệu quả tơng đối cao lm mềm đến 0.3 mgđlg/l Na 2 CO 3 2Na + + CO 3 2- Ca 2+ + CO 3 2- = CaCO 3 Mg 2+ + CO 3 2- = MgCO 3 Để lm mềm triệt để hơn ngời ta cho thêm một lợng nhỏ Na 3 PO 4 có thể lm mềm đến < 0,1 mg/ 1 lít nớc. Na 3 (PO 4 ) 3Na + + PO 4 3- http://www.ebook.edu.vn 2Ca 2+ + 3PO 4 3- = Ca 3 (PO 4 ) 2 2Mg 2+ + 3PO 4 3- = Mg 3 (PO 4 ) 2 Phơng pháp ny có khả năng lm mềm rất cao do muối phốt phát của Canxi v Magie rất ít tan. * Phơng pháp trao đổi ion: Phơng pháp ny tách ion Ca 2+ v Mg 2+ bằng cách dùng các ionit có khả năng trao đổi với ion Ca 2+ v Mg 2+ Na 2 [K] + Ca 2+ [K]Ca + 2Na + Na 2 [K] + Mg 2+ [K]Mg + 2Na + H 2 [K] + Ca 2+ [K]Ca + 2H + H 2 [K] + Mg 2+ [K]Mg + 2H + [K] l gốc cationit có thể l nhựa cao phân tử có chứa nhóm hoạt tính nh H + , Na + . [An]OH + HCl = [An]Cl + H 2 O 2[An]OH + H 2 SO 4 = [An] 2 SO 4 + 2H 2 O [An] l gốc ationit có thể l nhựa cao phân tử có chứa nhóm hoạt tính nh OH - , HCO 3 - Đặc tính của phơng pháp ny l sau khi trao đổi nhựa cao phân tử sau khi sử dụng có thể tái sinh lại khôi phục khả năng trao đổi ion. Để tái sinh Na- kationit ngời ta ding dung dịch muối ăn. Các anionit thì tái sinh bằng kiềm hoặc bicacbonat. Sơ đồ V. Các quy luật cơ bản của công nghệ hoá học 5.1 Phân loại các quá trình hoá học 5.1.1 Hệ đồng thể L hệ trong đó tất cả các chất phản ứng nằm trong cùng một pha(pha khí, pha lỏng). Trong hệ đồng thể phản ứng hoá học xảy ra nhanh hơn, cơ chế phản ứng đơn giản hơn, điều khiển dễ dng hơn. Vì vậy trong thực tế ngời ta cố gắng tiến đến hệ đồng thể. http://www.ebook.edu.vn 5.1.2 Hệ dị thể L hệ chứa 2 hay nhiều pha. Hệ 2 pha: L R, K R, L - R, L L, R R Trong công nghiệp thờng gặp hệ dị thể hơn hệ đồng thể. 5.1.3 Quá trình xúc tác * Định nghĩa: Chất xúc tác l những chất có tác dụng lm thay đổi tốc đọ của phản ứng m không lm thay đổi tính chất hoá học, không có trong thnh phần sản phẩm phản ứng. * Vai trò của chất xúc tác l biến quá trình hoá học một giai đoạn cần năng lợng hoạt hoá E lớn thnh nhiều giai đoạn có năng lợng hoạt hoá e 1 , e 2 nhỏ hơn. Vì vậy nhiều phản ứng khi không có xúc tác không xảy ra đợc nhng khi có chất xúc tác lại xảy ra với tốc độ lớn. Cơ chế: A + B = D cần năng lợng E A + Xt = A[Xt] cần năng lợng e 1 A[Xt] + B = D + Xt cần năng lợng e 2 e 1 , e 2 < E http://www.ebook.edu.vn 5.2 Cân bằng trong quá trình hoá học Có 2 loại quá trình hoá học: - Quá trình một chiều - Quá trình thuận nghịch Tất cả các quá trình hoá học thuận nghịch đều tiến tới cân bằng, tại đó tốc độ quá trình thuận bằng tốc độ quá trình nghịch. Khi các điều kiện ngoi biến đổi thì cân bằng sẽ thay đổi. 5.2.1 Quy tắc Leshatelia Trong một hệ nếu do tác động bên ngoi m hệ lệch khỏi trạng thái cân bằng thì cân bằng sẽ chuyển dịch về chiều lm giảm những tác động khiến cho hệ lệch khỏi cân bằng. Tuỳ vo đặc điểm của tong phản ứng m ta có sự tác động để phản ứng chuyển dịch theo chiều chúng ta mong muốn. 5.2.2 Hằng số cân bằng K Xét phản ứng: mA + nB pC + qD Tốc độ phản ứng thuận: E e 1 e 2 Năng lợng hoạt hoá Hớng của phản ứng E Năng lợng hoạt hoá của phản ứng có dùng chất xúc tác http://www.ebook.edu.vn r 1 = k 1 .[A] m .[B] n Tốc độ phản ứng nghịch: r 2 = k 2 .[C] p .[D] q k 1 , k 2 l hằng số tốc độ của phản ứng thuận v phản ứng nghịch. [A], [B], [C], [D] l nồng độ mol các cấu tử tại thời điểm xét. Khi cân bằng (tại thời điểm cân bằng) tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. r 1 = r 2 k 1 .[A] m .[B] n = k 2 .[C] p .[D] q hay K = nm qp BA DC k k ][][ ][][ 2 1 = ở đây [A], [B], [C], [D] l nồng độ mol các cấu tử tại thời điểm cân bằng. Hằng số cân bằng phản ứng đặc chng cho hiệu suất phản ứng, hằng số cân bằng thuận cng cao thì hiệu suất phản ứng thuận cng lớn. 5.2.3 Hiệu suất quá trình Hiệu suet sản phẩm l tỷ số giữa lợng sản phẩm thực tế thu G tt trên lợng sản phẩm ban đầu G đ . d tt G G x = Đối với các quá trình hiệu suet thờng đợc tính theo chất đầu chính. Chất đầu chính l cấu tử quan trọng nhất trong hỗn hợp phản ứng. Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì lúc đó hiệu suet đạt đợc l hiệu suet cân bằng x cb . Với phản ứng 1 chiều phản ứng xảy ra hon ton thì x cb =1 Với phản ứng thuận nghịch thì x cb < 1 5.3 Tốc độ của các quá trình hoá học Trong công nghệ hoá học kích thớc, năng suất thiết bị, lợng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vo tốc độ phản ứng. Vì vậy sự hiểu biết về tốc độ phản ứng l rất cần thiết. http://www.ebook.edu.vn Tốc độ phản ứng đồng thể l lợng chất tham gia phản ứng hoặc tạo thnh khi phản ứng sau một đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích. Tốc độ phản ứng dị thể l lợng chất tham gia hoặc tạo thnh khi phản ứng sau một đơn vị thời gian trên một đơn vị bề mặt pha. Công thức cơ bản của tốc độ phản ứng với hệ đồng thể: Ck d dG r == Với hệ dị thể: CFk d dG r == Trong đó : k: L hằng số tốc độ phản ứng v: L thể tích phản ứng C : L động lực quá trình F: l diện tích bề mặt tiếp xuác pha. Nh vậy tốc độ phản ứng sẽ phụ thuộc vo các yếu tố sau: 5.3.1 Hằng số tốc độ phản ứng k Hằng số tốc độ k l đại lợng phức tạp phụ thuộc vo nhiều yếu tố: - Hoá lý tính của các chất tham gia phản ứng - Cơ cấu của thiết bị - Tốc độ của các dòng phản ứng Đối với hệ động học k phụ thuộc vo tốc độ phản ứng thuận k 1 , tốc độ phản ứng nghịch k 2 , các phản ứng phụ k n , phụ thuộc vo hệ số khuếch tán của các chất đầu D 1 , D 2 v hệ số khuếch tán của sản phẩm D 1 , D 2 Nh vậy ta có , .),, .,,, .,,,( ' 2 ' 12121 DDDDkkkk n = Khi tính toán cần xác định xem yếu tố no ảnh hởng yếu tố no không. * Đối với quá trình đồng thể khi khuấy trộn mạnh sự khuếch tán xảy ra nhanh nên hệ số khuếch tán không ảnh hởng đến quá trình: ),,( 21 n kkkk =