Kỹ thuật sản xuất Nhôm, HCl, kỹ thuật hóa học đại cương

Một số nhà máy sản xuất nhôm ở nước ta Hình 2.1 Cấu trúc không gian của hidro clorua Hình 2.2.. Trong 20 năm tới, lượng nhôm sẽ thiếu hụt.Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

1 Điên phân dịch nóng lỏng sản xuất Al 6

1.1 Tính chất lý hóa và ứng dụng của Al 6

1.2 Quy trình sản xuất nhôm 8

1.3 Phương hướng phát triển công nghiệp sản xuất Al 13

2 Kỹ thuật sản xuất HCl 17

2.1 Tính chất hóa lý và ứng dụng của HCl 17

2.2 Phương pháp sản xuất 20

2.2.3 Hấp thụ HCl bằng nước 21

2.3 Phương hướng phát triển axit clohidric ở nước ta 22

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của Bauxite

Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite của thế giới theo từng nước (năm 2012)

Bảng 2.1 Các thông số hóa lý phụ thuộc vào nồng độ mol HCl trong dung dịch

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ô nguyên tố Al

Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể của nhôm a) và thanh nhôm b)

Hình.1.3 Những ứng dụng quan trọng của nhôm

Hình 1.4 Các quặng nhôm

Hình 1.5 Sơ đồ chế biến Al2O3 99%

Hình 1.6 Giản đồ trạng thái hệ Al2O3 – Na3AlF6

Hình 1.7 Sơ đồ bể điện phân với anot tự cháy

Hình 1.8 Biểu đồ phân phố trữ lượng bauxite theo từng khu vực trên thế giới

Hình.1.9 Một số nhà máy sản xuất nhôm trên thế giới

Hình1.10 Sơ đồ giá nhôm thế giới trong 1 năm (10/2020 – 10/2021)

Hình 1.11 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite Việt Nam theo từng vùng

Hình 1.12 Một số nhà máy sản xuất nhôm ở nước ta

Hình 2.1 Cấu trúc không gian của hidro clorua

Hình 2.2 Trạng thái vật chất của HCl

Hình 2.3 Một số ứng dụng của axit clohydic

Hình 2.4 Điều chế HCl bằng phương pháp sunfat

Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị sản xuất axit clohidric trong công nghiệp

Hình 2.6 Biểu đồ sản xuất HCl ở một số công ty ở Việt Nam

Hình 2.7 Biểu đồ tổng giá trị nhập khẩu axit HCl của Việt Nam từ một số nước (năm 2018)(đơn vị: tấn)

Hình 2.8 Một số công ty sản xuất HCl

MỞ ĐẦU

Dân số thế giới tăng nhanh nhu cầu của con người ngày càng, để đáp ứng được điều

đó công nghiệp cũng phải phát triển Nhất là hiện nay, đại dịch covid 19 đang bùng nổ thìnhiều ngành công nghiệp đang bị thiệt hại nặng nề Và ngành sản xuất nhôm và hydro cloruacũng không ngoại lệ

Được biết, nhôm đã là một yếu tố quan trọng của nền văn minh nhân loại kể từ khiđược phát hiện ra Nó là một vật liệu có thể được tìm thấy trong nhiều ngành công nghiệpkhác nhau, với thị trường toàn cầu là 70 tỷ đô la Trong 20 năm tới, lượng nhôm sẽ thiếu hụt.Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, từ chiếc điện thoại đến chiếu cầudài nhất

Còn hydro clorua có thể được sử dụng để sản xuất axit clohydric, chất tẩy trắng, chấttẩy rửa, dược phẩm, v.v Hydro clorua có trong trong dạ dày, trong phổi và thậm chí dướimưa HCl là một phần không thể thiếu của nhiều phản ứng hóa học, bao gồm thủy phâncarbohydrate và protein, mang lại sự sống cho thực phẩm của chúng ta

Vậy nên, HCl và nhôm rất quan trong trong đời sống của con người Và để sản xuấtchúng có hiệu quả, an toàn và tiết kiệm trong bài báo cáo này tập trung làm rõ vấn đề:

1 Sản xuất nhôm

2 Sản xuất HCl

1 Điên phân dịch nóng lỏng sản xuất Al

1.1 Tính chất lý hóa và ứng dụng của Al [1]

1.1.1 Tính chất lý hóa của nhôm

Nhôm (Al) ở ô 13, thuộc nhóm , chu kỳ 3 của bảngⅢ, chu kỳ 3 của bảng

hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Cấu hình electron

nguyên tử: 1s22s22p63s23p1

Nhôm là kim loại màu xám bạc ánh kim mờ, mềm,

nhẹ, dẻo có thể dát mỏng, ở 20 có tỉ trọng 2,7 g/cm℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm 3, Tnc =

660,32 , T℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm s = 2500 ℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm Trong môi trường oxy hóa và trong

môi trường không khí trên bề mặt Al tạo ra màng bọc oxit

giúp Al chống ăn mòn và bền vững

4Al + 3O2 →Al2O3

Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm diện, mật độ electron tự do tương đối lớn dovậy nó có độ dẫn điện tốt (gấp 3 lần sắt, bằng 2/3 lần đồng) và dẫn nhiệt cao (gấp 3 lần sắt),không nhiễm từ và không cháy khi để ngoài không khí ở điều kiện thường

Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể của nhôm a) và thanh nhôm b)

Al là một trong những kim loại có tính khử mạnh chỉ sau các kim loại kiềm và kimloại kiềm thổ Nhôm dễ nhường đi 3 electron để trở thành ion dương (cation):

Al →Al3+ + 3eTác dụng với phi kim: 2Al + 3Cl2 →AlCl3

Tác dụng với axit (nhôm không thể phản ứng trong H2SO4 (đặc, nguội) và HNO3 (đặc nguội)

do bị thụ động hóa bởi lớp oxit bao bọc bên ngoài Vì vậy, có thể dùng thùng nhôm để chuyênchở những axit đặc, nguội

2Al + 6HCl →2AlCl3 + 3H2

2Al + 6H2SO4 (đặc, nóng) → Al2(SO4)3 + 3SO2 +6H2O

Hình 1.1 Ô nguyên tố Al

2Al + 4HNO3 (loãng) →Al(NO3)3 + NO + 2H2O

Al + 6HNO3 (đặc, nóng) →Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2OTác dụng với oxit kim loại (phản ứng nhiệt nhôm): ở nhiệt độ cao, nhôm khử được các ion

kim loại hoạt động yếu hơn trở thành đơn chất kim loại 2Al + 3CuO →3Cu + Al2O3

Tác dụng với nước và dung dịch kiềm Ở điều kiện thường, nhôm không phản ứng với nước

vì có oxit Al2O3 bên ngoài bảo vệ Nhưng khi phá bỏ lớp oxit (hoặc tạo hỗn hống Al-Hg ngăncho nhôm hông tác dụng với oxy tạo oxit) nhôm phản ứng ngay với nước giảiphóng hydro và năng lượng

2Al + 6H2O →2Al(OH)3 + 3H2Al(OH)3 + NaOH →NaAlO2 + 2H2O

1.1.2 Ứng dụng [2]

Bất kể số lượng hay giá trị, nhôm được sử dụng nhiều hơn tất cả kim loại khác ngoạitrừ sắt và nó đóng vai trò quan trong trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có độ bềnkéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magie, manga vàsilic Khi được gia công cơ nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lênđáng kể

Hợp kim Al-Cu-Mg (dura) là thành phần quan trọng trong kết cấu máy bay, tàu vũ trụ, giaothông vận tải hoặc làm dụng cụ thể thao,

Khi Al được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ có sáng và bức xạ nhiệt.Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của Al2O3 bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớpbạc bao phủ Trên thực tế, gần như toàn bộ có gương hiện đại được sử dụng lớp phản xạ bằng A1trên mặt sau của thủy tinh Các gương của kính thiên văn cũng được tráng một lớp mỏng A1,nhưng là mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơnvới các tổn thương

Các loại vỏ phụ Al đôi khi cũng được dùng thay vỏ phủ Au nhờ đặc tính hấp thụ bức điện từ củaMặt trời, để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng

Trong y học, nhôm oxit có tính chất trơn nhẵn, bền được chế tác che chắn các bề mặt tiếp xúccủa bộ phận giả trên cơ thể Ngoài ra, nhôm oxit còn được các hãng mỹ phảm sản xuất kemche khuyết điểm, son, phấn má, nhờ đặc tính làm bóng và mịn da

Vật liệu nhôm được ứng dụng trong xây dựng (khung cửa, khung Al, )

Nhôm có mặt trong mọi ngóc ngách trong nhà (tủ quần áo, tủ bếp, đồ nấu bếp,gường nhôm,bàn ghế, tủ kệ, )

Trong công nghiêp, nhôm sử dụng chế tạp máy móc Al siêu tinh chứa 99,98%; 99,99% đượclàm các thiết bị điện tử và sản xuất đĩa CD Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU máy tính hiệnđại được sản xuất từ Al vì dễ chế tạo và độ dẫn nhiệt cao

Với độ dẫn điện tốt chỉ đứng sau Cu nhưng Al nhẹ hơn về khối lượng lần giá thành nên đượcdừng làm dân dẫn điện

Al dạng bột thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn

Bột nhôm trộn bột với oxit (gọi là hỗn hợp tecmit) để thực hiện phản ứng nhiệt nhôm dùnghàn đường ray.

Hình.1.3 Những ứng dụng quan trọng của nhôm 1.2 Quy trình sản xuất nhôm

Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau oxy vàsilic) nhưng nó lại hiếm trong trạng thái tự do và đã từng là kim loại có giá trị hơn vàng Toàn

bộ Al của Trái đất tồn tại dưới dạng các hợp chất nên nó là kim loại khó điều chế

Năm 1886, nhà khoa học người Pháp Paul Louis-Toussaint Helroult cùng CharlesMartin là 2 người đầu đã phát minh ra kỹ thuật điện phân

Trong các cuộc chiến tranh thế giới thế giới І và , nhôm là một nguồn lực chiến lượcⅡ, nhôm là một nguồn lực chiến lượcquan trọng cho hàng không Ở thế kỉ 19, nhôm đã được đánh dấu sự phát triển và tầm quantrọng khi sử dụng cho ngành đường sắt, đóng tàu, điêu khắc,

1.2.1 Nguyên liệu [3], [4]

Nguyên liệu để sản xuất nhôm là Al2O3 Al2O3 được nhận từ các khoáng khác nhaunhư bauxite, nefelin, alunit Nguyên liệu chính là bauxit có chứa Al(OH)3 hoặc AlOOH cùngvới các tạp chất SiO2, Fe2O3, CaO, TiO2, MgO

a) Quặng Bauxite b) Quặng nefelin c) Quặng alunit

Hình 1.4 Các quặng nhôm Bảng 1.1 Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của Bauxite [4]

Thành phần hóa học Thành phần khoáng vật

Al2O3 (40 - 65%) Gibbsit: Al(OH)3

Boehmit: γ-AlOOHDiaspore: α-AlOOHSiO2 (0,5 - 1%) Kaolinite: Al2O3.2SiO2.2H2O

Thạch anh: SiO2Fe2O3 (3 - 30%) Hematite: Fe2O3

Aluminian Goethite: Al2O3 Fe2O3 2H2OTiO2 (0,5 - 8%) Anatase, rutile

H2O (10 - 34%) Trong diaspope, boehmite, gibbsite, kaolimite, goethiteCác nguyên tố đi kèm Mn, P, V, Cr, Ni, Ga, Ca, Mg, C, và các tạp chất

Nguyên liệu để sản xuất Al2O3, đòi hỏi phải có độ sạch cao bởi vì các tạp chất có thể pháhủy quá trình điện phân

Quá trình làm sạch nguyên liệu gồm các chuyển hóa kèm theo các quá trình lý học:nghiền mịn, đun nóng và làm lạnh, để lắng kết tủa, lọc, Quá trình sản xuất Al bản chất làtách Al(OH)3 khỏi các khoáng khác

Quặng bauxite Al(OH)3 có tạp chất khi tác dụng với xada (nung) hay với NaOH (hòatách) thì sẽ chuyển thành NaAlO2 NaOH + Al(OH)3 →NaAlO2 + 2H2O

Hòa tan trong nước tách được Fe2O3 không hoàn tan trong điều kiện này Nhưng SiO2cùng hòa tan phần nào ở dạng Na2SiO2 Có thể kết tủa nó từ dung dịch theo dạngCaO.Al2O3.2SiO2 hay là Na2O.Al2O3.2SiO2 rồi lọc bỏ

2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O

Từ dung dịch sạch NaAlO2 tiến hành cacbon hóa- sủi bọt CO2 qua dung dịch NaAlO2,khi đó CO2 sẽ liên kết với ion Na+ ở dạng xoda

NaAlO2 + CO2 + 2H2O →NaHCO3 + Al(OH)3

NaOH + CO2 →NaHCO3Al(OH)3 sau khi tách khỏi dung dịch đem nung, nhận được sản phẩm chứ 99% Al2O3.Năng suất Al2O3 thành sản phẩm không quá 60% 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

Hình 1.5 Sơ đồ chế biến Al 2 O 3 99%

1.2.2 Sản xuất Al [1], [3]

Sản xuất Al được tiến hành từ nguyên liệu Al2O3 hòa tan trong cryolite Na3AlF6.Cryolite thuận tiện bởi vì nó hòa tan đủ tốt Al2O3, không chứa những ion dương điện hơn Al,tăng độ dẫn điện, đồng thời tăng sự tỏa nhiệt cần thiết để nấu chảy dung dịch điện ly, tạo thànhvới Al2O3 hợp kim có nhiệt độ nóng chảy xuống 900℃ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của Al2O3nguyên chất (2052 )℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm Mặt khác, khi điện phân tạo ra lớp bảo vệ không cho O2 phản ứng với Al

nóng chảy Khi nhiệt độ điện phân 1000℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm tỷ trọng của Al là 2,35 g/cm3 còn tỷ trọng củacryolite có chứa 10% Al2O3 là 2,03 g/cm3 Như vậy Al nặng hơn sẽ tập trung xuống phía dướiđáy thùng và sẽ lấy ra định kỳ

Hình 1.6 Giản đồ trạng thái hệ Al 2 O 3 – Na 3 AlF 6

Quá trình điện phân : Al2O3 → Al3+ + 2O

2-Ở catot (-) xảy ra quá trình khử ion Al3+ thành Al: Al3+ + 3e → Al

Ở anot (+) xảy ra quá trình oxi hóa ion O2- thành khí O2: 2O2- → O2 + 4e

Phương trình điện phân: 2Al2O3 → 4Al + 3O2

Trong lò điện phân Al, anot graphit bị oxy hóa bởi oxy Cực dương bị hao mòn dần vàđược thay thế thường xuyên Nó bị tiêu hao do phản ứng: O2 + C → CO2

Ngược lại với anot, các catot gần như không tiêu hao trong quá trình điện phân dokhông có O2 ở gần nó Catot được bảo vệ bởi Al lỏng trong lò Các catot bị ăn mòn chủ yếu là

do các phản ứng điện hóa

Do anot bị ăn mòn và phá hủy trong quá trình điện phân nên để cho bể có thể làm việcliên tục thì phải có cơ cấu đặc biệt của anot Dưới đây là bể điện phân với anot tự cháy có thểlàm việc liên tục không cần thay anot

Hình 1.7 Sơ đồ bể điện phân với anot tự cháy

1 Tấm lát bằng chì 5 Dây dẫn điện 9 Khối bột anot

2 Gạch chịu lửa 6 Thùng Al 10 Bệ bằng cacbon

3 Vỏ lò 7 Anot 11 Thanh dẫn catot

4 Chân cắm bằng thép 8 Khung đỡ

Vỏ của thành bể được bọc bằng gạch chịu lửa và những tấm than graphit Đáy bể làcatot Phía trên bể có treo khung anot tự cháy, được chế tạo từ thùng Al có chứa hỗn hợp anot(hỗn hơn antraxit, cốc, nhựa than đá và khối thiêu) Phân trên của anot, khối vật chất ở trạngthái dẻo, phần dưới ở trạng thái rắn do tác dụng nhiệt độ cao

Tiến hành điện phân dung dịch điện ly chứa 10% Al2O3 ở nhiệt độ 950 ÷ 1000℃ Quátrình điện phân tiến hành với sự tách Al lỏng trên catot và cháy anot graphit do O2 tách trênđó

Khi anot cháy, khung anot bằng Al sẽ được hạ xuống, khối bột nhão trong đó sẽ đượcnung và chuyển thành khối điện cực than Thùng Al sẽ với dẫn và định kì sẽ nạp thêm khốibột anot

Dòng điện đi vào anot được dẫn nhờ những thanh dẫn điện qua những phích cắm điệnđóng sâu vào giữa khối bột anot

Khi anot cháy thì khối bột bị roi xuống phía dưới và bột nhão phía trên sẽ tự đẩyxuống Như vậy anot tự cháy làm việc liên tục Quá trình điện phân tiến dành khi điện thế 4,2

÷ 4,5 V, tải trọng 80.000 ÷ 150.000 A, hiệu suất theo dòng 88 ÷ 90% Tiêu tốn năng lượng là16.100 ÷ 16.200 kWh/1 tấn Al Al sạch nhận được bằng cách điện phân Al2O3 loại bỏ tạp chất

cơ bản là Fe và Si Sản xuất được 1 tấn Al thì tiêu tốn 16 kg muối cryolite Na2AlF6

1.3 Phương hướng phát triển công nghiệp sản xuất Al

1.3.1 Thế giới

Công nghệ sản xuất Al bằng bất kỳ phương pháp nào cùng tiêu tốn nhiều điện năng.Phụ thuộc vào vị trí đặt lò Al mà năng lượng điện chiếm khoảng 20 ÷ 40% giá thành sản xuất

Tiêu chuẩn tiêu hào năng lượng khoảng 12,8 kWh/kg Dòng điện để thực điện phân đối vớicác công nghệ cũ là 100.000 ÷ 200.000 A Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điệnkhoảng 350.000 A Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 A [3].

Theo Cơ quan Địa chất Mỹ năm 2009, tài nguyên bauxite ở trên thế giới [5] là 55-75

tỷ tấn phân bố ở các Châu lục như sau:

Hình 1.8 Biểu đồ phân phố trữ lượng bauxite theo từng khu vực trên thế giới

Do tiêu tốn nhiều năng lượng nên các lò luyện Al có xu hướng đặt tại các khu vực mànguồn cung cấp điện dồi dào với giá tiền rẻ như: Nam Phi, Oxtraylia, Trung Quốc, Trungđông, Nga, Quêbec ở Canada, đảo miền Nam New Zealand

Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite của thế giới theo từng nước (năm 2012)

chắn (tr T)

Tài nguyên dự báo (tr T)

Năm 2007 Năm 2008

Australia 62.000 63.000 (67.000) 5.800 (6.200) 7.900

Brazil 24.000 25.000 (31.000) 1.900 (3.600) 2.500 (không có

số liệu)Trung Quốc 30.000 32.000 (46.000) 700 (830) 23.000

cung cấp Trong lĩnh vực này Alcoa (Mỹ-Úc) là tổ chức lớn nhất, năm 2003 sản xuất 14,0tr.TAl2O3 và 4,02 tr.T Al Năm 2014, Trung Quốc là nhà sản xuất Al lớn nhất thế giới.

Theo Fitch Solutions dự báo mức tăng sản lượng bauxit của Australia sẽ đạt mức trungbình 4% trong năm 2021, sau khi đạt mức 4,8% trong năm 2020 do các công ty khai thác mởphục hồi sau đại dịch covid – 19 Ngành khai khác bauxite của Guinea đạt 82 triệu tấn vàonăm 2020, theo ước tính của cơ quan kảo sát địa chất Mỹ USGS, vượt qua vị trí của TrungQuốc hiện là đang đứng thứ hai thế giới [6]

Hình.1.9 Một số nhà máy sản xuất nhôm trên thế giới

Hiện nay giá nhôm [7] đang tăng cao +44,75 USD/mt, tương đương +1,56% so với giá trước

đó do Liên minh Châu Âu (Eu) ngày 30/3/2021 đã chính thức công bố áp thế đối với các sảnphẩm nhôm nhập khẩu từ Trung Quốc

Hình1.10 Sơ đồ giá nhôm thế giới trong 1 năm (10/2020 – 10/2021)

1.3.2 Việt Nam [8], [9]

Trữ lượng quặng bauxite của nước ta được đánh giá tới 8 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ởphía Nam, khu vực Tây Nguyên, tại địa phân các tỉnh Lâm Đồng, Đắc Nông, Gia Lai