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

1 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần hóa học khống vật Bauxite Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite giới theo nước (năm 2012) Bảng 2.1 Các thơng số hóa lý phụ thuộc vào nồng độ mol HCl dung dịch DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ơ ngun tố Al Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể nhơm a) nhơm b) Hình.1.3 Những ứng dụng quan trọng nhơm Hình 1.4 Các quặng nhơm 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 khu vực giới Hình.1.9 Một số nhà máy sản xuất nhơm giới Hình1.10 Sơ đồ giá nhơm giới năm (10/2020 – 10/2021) Hình 1.11 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite Việt Nam theo vùng Hình 1.12 Một số nhà máy sản xuất nhơm nước ta Hình 2.1 Cấu trúc khơng gian hidro clorua Hình 2.2 Trạng thái vật chất HCl Hình 2.3 Một số ứng dụng axit clohydic Hình 2.4 Điều chế HCl phương pháp sunfat Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị sản xuất axit clohidric công nghiệp Hình 2.6 Biểu đồ sản xuất HCl số cơng ty Việt Nam Hình 2.7 Biểu đồ tổng giá trị nhập axit HCl Việt Nam từ số nước (năm 2018) (đơn vị: tấn) Hình 2.8 Một số công ty sản xuất HCl MỞ ĐẦU Dân số giới tăng nhanh nhu cầu người ngày càng, để đáp ứng điều công nghiệp phải phát triển Nhất nay, đại dịch covid 19 bùng nổ nhiều ngành công nghiệp bị thiệt hại nặng nề Và ngành sản xuất nhôm hydro clorua không ngoại lệ Được biết, nhôm yếu tố quan trọng văn minh nhân loại kể từ phát Nó vật liệu tìm thấy nhiều ngành cơng nghiệp khác nhau, với thị trường tồn cầu 70 tỷ la Trong 20 năm tới, lượng nhôm thiếu hụt Nhôm kim loại sử dụng rộng rãi giới, từ điện thoại đến chiếu cầu dài Cịn hydro clorua sử dụng để sản xuất axit clohydric, chất tẩy trắng, chất tẩy rửa, dược phẩm, v.v Hydro clorua có trong dày, phổi chí mưa HCl phần khơng thể thiếu nhiều phản ứng hóa học, bao gồm thủy phân carbohydrate protein, mang lại sống cho thực phẩm Vậy nên, HCl nhôm quan trong đời sống người Và để sản xuất chúng có hiệu quả, an toàn tiết kiệm báo cáo tập trung làm rõ vấn đề: Sản xuất nhôm Sản xuất HCl Điên phân dịch nóng lỏng sản xuất Al 1.1 Tính chất lý hóa ứng dụng Al [1] 1.1.1 Tính chất lý hóa nhơm Nhơm (Al) 13, thuộc nhóm Ⅲ, chu kỳ bảng hệ thống tuần hoàn nguyên tố hóa học Cấu hình electron ngun tử: 1s22s22p63s23p1 Nhơm kim loại màu xám bạc ánh kim mờ, mềm, nhẹ, dẻo dát mỏng, 20℃ có tỉ trọng 2,7 g/cm 3, Tnc = 660,32℃, Ts = 2500℃ Trong mơi trường oxy hóa mơi trường khơng khí bề mặt Al tạo màng bọc oxit giúp Al chống ăn mịn bền vững Hình 1.1 Ơ ngun tố Al 4Al + 3O2 Al2O3 Nhơm có cấu tạo mạng lập phương tâm diện, mật độ electron tự tương đối lớn có độ dẫn điện tốt (gấp lần sắt, 2/3 lần đồng) dẫn nhiệt cao (gấp lần sắt), không nhiễm từ khơng cháy để ngồi khơng khí điều kiện thường a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Thanh nhơm Hình 1.2 Cấu trúc mạng tinh thể nhôm a) nhôm b) Al kim loại có tính khử mạnh sau kim loại kiềm kim loại kiềm thổ Nhôm dễ nhường electron để trở thành ion dương (cation): Al Al3+ + 3e Tác dụng với phi kim: 2Al + 3Cl2 AlCl3 Tác dụng với axit (nhôm phản ứng H2SO4 (đặc, nguội) HNO3 (đặc nguội) bị thụ động hóa lớp oxit bao bọc bên ngồi Vì vậy, dùng thùng nhơm để chuyên chở axit đặc, nguội 7 2Al + 6HCl 2AlCl3 + 3H2 2Al + 6H2SO4 (đặc, nóng) Al2(SO4)3 + 3SO2 +6H2O 2Al + 4HNO3 (loãng) Al(NO3)3 + NO + 2H2O Al + 6HNO3 (đặc, nóng) Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O Tác dụng với oxit kim loại (phản ứng nhiệt nhôm): nhiệt độ cao, nhôm khử ion kim loại hoạt động yếu trở thành đơn chất kim loại 2Al + 3CuO 3Cu + Al2O3 Tác dụng với nước dung dịch kiềm Ở điều kiện thường, nhơm khơng phản ứng với nước có oxit Al2O3 bên bảo vệ Nhưng phá bỏ lớp oxit (hoặc tạo hỗn hống Al-Hg ngăn cho nhôm hông tác dụng với oxy tạo oxit) nhôm phản ứng với nước giải phóng hydro lượng 2Al + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2 Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O 1.1.2 Ứng dụng [2] Bất kể số lượng hay giá trị, nhôm sử dụng nhiều tất kim loại khác ngoại trừ sắt đóng vai trị quan trong kinh tế giới Nhôm nguyên chất có độ bền kéo thấp, tạo hợp kim với nhiều nguyên tố đồng, kẽm, magie, manga silic Khi gia công nhiệt, hợp kim nhơm có thuộc tính học tăng lên đáng kể Hợp kim Al-Cu-Mg (dura) thành phần quan trọng kết cấu máy bay, tàu vũ trụ, giao thông vận tải làm dụng cụ thể thao, Khi Al bay chân không, tạo lớp bao phủ phản xạ có sáng xạ nhiệt Các lớp bao phủ tạo thành lớp mỏng Al 2O3 bảo vệ, không bị hư hỏng lớp bạc bao phủ Trên thực tế, gần tồn có gương đại sử dụng lớp phản xạ A1 mặt sau thủy tinh Các gương kính thiên văn tráng lớp mỏng A1, mặt trước để tránh phản xạ bên điều làm cho bề mặt nhạy cảm với tổn thương Các loại vỏ phụ Al dùng thay vỏ phủ Au nhờ đặc tính hấp thụ điện từ Mặt trời, để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng Trong y học, nhơm oxit có tính chất trơn nhẵn, bền chế tác che chắn bề mặt tiếp xúc phận giả thể Ngồi ra, nhơm oxit cịn hãng mỹ phảm sản xuất kem che khuyết điểm, son, phấn má, nhờ đặc tính làm bóng mịn da Vật liệu nhôm ứng dụng xây dựng (khung cửa, khung Al, ) Nhơm có mặt ngóc ngách nhà (tủ quần áo, tủ bếp, đồ nấu bếp,gường nhôm, bàn ghế, tủ kệ, ) Trong công nghiêp, nhơm sử dụng chế tạp máy móc Al siêu tinh chứa 99,98%; 99,99% làm thiết bị điện tử sản xuất đĩa CD Phần lớn tản nhiệt cho CPU máy tính đại sản xuất từ Al dễ chế tạo độ dẫn nhiệt cao Với độ dẫn điện tốt đứng sau Cu Al nhẹ khối lượng lần giá thành nên dừng làm dân dẫn điện Al dạng bột thường sử dụng để tạo màu bạc sơn Bột nhôm trộn bột với oxit (gọi hỗn hợp tecmit) để thực phản ứng nhiệt nhôm dùng hàn đường ray Hình.1.3 Những ứng dụng quan trọng nhơm 1.2 Quy trình sản xuất nhơm Nhơm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn Trái Đất, nguyên tố phổ biến thứ (sau oxy silic) lại trạng thái tự kim loại có giá trị vàng Tồn Al Trái đất tồn dạng hợp chất nên kim loại khó điều chế Năm 1886, nhà khoa học người Pháp Paul Louis-Toussaint Helroult Charles Martin người đầu phát minh kỹ thuật điện phân 9 Trong chiến tranh giới giới І Ⅱ, nhôm nguồn lực chiến lược quan trọng cho hàng không Ở kỉ 19, nhôm đánh dấu phát triển tầm quan trọng sử dụng cho ngành đường sắt, đóng tàu, điêu khắc, 1.2.1 Nguyên liệu [3], [4] Nguyên liệu để sản xuất nhôm Al2O3 Al2O3 nhận từ khoáng khác bauxite, nefelin, alunit Ngun liệu bauxit có chứa Al(OH) AlOOH với tạp chất SiO2, Fe2O3, CaO, TiO2, MgO a) Quặng Bauxite b) Quặng nefelin Hình 1.4 Các quặng nhơm c) Quặng alunit Bảng 1.1 Thành phần hóa học khống vật Bauxite [4] Thành phần hóa học Al2O3 (40 - 65%) SiO2 (0,5 - 1%) Fe2O3 (3 - 30%) TiO2 (0,5 - 8%) H2O (10 - 34%) Các nguyên tố kèm Thành phần khoáng vật Gibbsit: Al(OH)3 Boehmit: γ-AlOOH Diaspore: α-AlOOH Kaolinite: Al2O3.2SiO2.2H2O Thạch anh: SiO2 Hematite: Fe2O3 Aluminian Goethite: Al2O3 Fe2O3 2H2O Anatase, rutile Trong diaspope, boehmite, gibbsite, kaolimite, goethite Mn, P, V, Cr, Ni, Ga, Ca, Mg, C, tạp chất Nguyên liệu để sản xuất Al2O3, địi hỏi phải có độ cao tạp chất phá hủy q trình điện phân Quá trình làm nguyên liệu gồm chuyển hóa kèm theo q trình lý học: nghiền mịn, đun nóng làm lạnh, để lắng kết tủa, lọc, Quá trình sản xuất Al chất tách Al(OH)3 khỏi khống khác 10 Quặng bauxite Al(OH)3 có tạp chất tác dụng với xada (nung) hay với NaOH (hịa tách) chuyển thành NaAlO2 NaOH + Al(OH)3 NaAlO2 + 2H2O Hòa tan nước tách Fe 2O3 khơng hồn tan điều kiện Nhưng SiO2 hịa tan phần dạng Na2SiO2 Có thể kết tủa từ dung dịch theo dạng CaO.Al2O3.2SiO2 Na2O.Al2O3.2SiO2 lọc bỏ 2NaOH + SiO2 Na2SiO3 + H2O Từ dung dịch NaAlO2 tiến hành cacbon hóa- sủi bọt CO2 qua dung dịch NaAlO2, CO2 liên kết với ion Na+ dạng xoda NaAlO2 + CO2 + 2H2O NaHCO3 + Al(OH)3 NaOH + CO2 NaHCO3 Al(OH)3 sau tách khỏi dung dịch đem nung, nhận sản phẩm 99% Al 2O3 Năng suất Al2O3 thành sản phẩm không 60% 2Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O 11 Hình 1.5 Sơ đồ chế biến Al2O3 99% 1.2.2 Sản xuất Al [1], [3] Sản xuất Al tiến hành từ nguyên liệu Al2O3 hòa tan cryolite Na3AlF6 Cryolite thuận tiện hịa tan đủ tốt Al2O3, không chứa ion dương điện Al, tăng độ dẫn điện, đồng thời tăng tỏa nhiệt cần thiết để nấu chảy dung dịch điện ly, tạo thành với Al2O3 hợp kim có nhiệt độ nóng chảy xuống 900℃ thấp nhiệt độ nóng chảy Al2O3 nguyên chất (2052℃) Mặt khác, điện phân tạo lớp bảo vệ không cho O2 phản ứng với Al nóng chảy Khi nhiệt độ điện phân 1000℃ tỷ trọng Al 2,35 g/cm tỷ trọng cryolite có chứa 10% Al2O3 2,03 g/cm3 Như Al nặng tập trung xuống phía đáy thùng lấy định kỳ Hình 1.6 Giản đồ trạng thái hệ Al2O3 – Na3AlF6 Quá trình điện phân : Ở catot (-) xảy trình khử ion Al3+ thành Al: Al2O3 Al3+ + 2O2Al3+ + 3e Al Ở anot (+) xảy q trình oxi hóa ion O2- thành khí O2: 2O2- O2 + 4e Phương trình điện phân: 2Al2O3 4Al + 3O2 Trong lị điện phân Al, anot graphit bị oxy hóa oxy Cực dương bị hao mòn dần thay thường xuyên Nó bị tiêu hao phản ứng: O2 + C CO2 Ngược lại với anot, catot gần khơng tiêu hao q trình điện phân khơng có O2 gần Catot bảo vệ Al lỏng lò Các catot bị ăn mòn chủ yếu phản ứng điện hóa 12 Do anot bị ăn mòn phá hủy trình điện phân nên bể làm việc liên tục phải có cấu đặc biệt anot Dưới bể điện phân với anot tự cháy làm việc liên tục khơng cần thay anot Hình 1.7 Sơ đồ bể điện phân với anot tự cháy Tấm lát chì Dây dẫn điện Khối bột anot Gạch chịu lửa Thùng Al 10 Bệ cacbon Vỏ lò Anot 11 Thanh dẫn catot Chân cắm thép Khung đỡ Vỏ thành bể bọc gạch chịu lửa than graphit Đáy bể catot Phía bể có treo khung anot tự cháy, chế tạo từ thùng Al có chứa hỗn hợp anot (hỗn antraxit, cốc, nhựa than đá khối thiêu) Phân anot, khối vật chất trạng thái dẻo, phần trạng thái rắn tác dụng nhiệt độ cao Tiến hành điện phân dung dịch điện ly chứa 10% Al 2O3 nhiệt độ 950 ÷ 1000℃ Q trình điện phân tiến hành với tách Al lỏng catot cháy anot graphit O2 tách Khi anot cháy, khung anot Al hạ xuống, khối bột nhão nung chuyển thành khối điện cực than Thùng Al với dẫn định kì nạp thêm khối bột anot Dòng điện vào anot dẫn nhờ dẫn điện qua phích cắm điện đóng sâu vào khối bột anot Khi anot cháy khối bột bị roi xuống phía bột nhão phía tự đẩy xuống Như anot tự cháy làm việc liên tục Quá trình điện phân tiến dành điện 4,2 ÷ 4,5 V, tải trọng 80.000 ÷ 150.000 A, hiệu suất theo dịng 88 ÷ 90% Tiêu tốn lượng 13 16.100 ÷ 16.200 kWh/1 Al Al nhận cách điện phân Al 2O3 loại bỏ tạp chất Fe Si Sản xuất Al 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 phương pháp tiêu tốn nhiều điện Phụ thuộc vào vị trí đặt lị Al mà lượng điện chiếm khoảng 20 ÷ 40% giá thành sản xuất Tiêu chuẩn tiêu hào lượng khoảng 12,8 kWh/kg Dòng điện để thực điện phân cơng nghệ cũ 100.000 ÷ 200.000 A Các lị làm việc với cường độ dòng điện khoảng 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 giới [5] 55-75 tỷ phân bố Châu lục sau: Hình 1.8 Biểu đồ phân phố trữ lượng bauxite theo khu vực giới Do tiêu tốn nhiều lượng nên lò luyện Al có xu hướng đặt khu vực mà nguồn cung cấp điện dồi với giá tiền rẻ như: Nam Phi, Oxtraylia, Trung Quốc, Trung đông, Nga, Quêbec Canada, đảo miền Nam New Zealand Bảng 1.2 Trữ lượng bauxite giới theo nước (năm 2012) Các nước Sản xuất (ngàn tấn) Trữ lượng chắn (tr T) Tài nguyên dự báo (tr T) Australia Brazil Năm 2007 62.000 24.000 Năm 2008 63.000 (67.000) 25.000 (31.000) 5.800 (6.200) 1.900 (3.600) 32.000 (46.000) 2.200 18.000 1.600 20.000 15.000 4.800 6.400 4.500 5.900 6.800 205.000 700 (830) 600 7.400 700 770 2.000 360 200 580 320 3.200 27.000 (29.000) 7.900 2.500 (khơng có số liệu) 23.000 650 8.600 900 1.400 2.500 450 250 600 350 3.800 38.000 Trung Quốc Hy Lạp Guinea Guyana Ấn Độ Jamaica Kazakhstan Nga Suriname Venezuela Các nước khác Tổng giới 30.000 2.220 18.000 1.600 19.200 14.600 4.800 6.400 4.900 5.900 7.150 202.000 Trước đâu có nước cơng nghiệp phát triển sản xuất Al 2O3 Al, xu hướng sản xuất Al 2O3 chuyển dần nước có quặng bauxite, cịn sản xuất Al chuyển gần nơi có nguồn điện rẻ nhu cầu thiêu thụ Al lớn Australia nước khai thác 14 quặng bauxite lớn giới (năm 2008) Năm 2012 khoảng 75% lượng bauxite 65% lượng Al2O3 giới Tổ hợp Bauxite - Al 2O3 – Al lớn, đa quốc gia khai thác cung cấp Trong lĩnh vực Alcoa (Mỹ-Úc) tổ chức lớn nhất, năm 2003 sản xuất 14,0tr.T Al2O3 4,02 tr.T Al Năm 2014, Trung Quốc nhà sản xuất Al lớn giới Theo Fitch Solutions dự báo mức tăng sản lượng bauxit Australia đạt mức trung bình 4% năm 2021, sau đạt mức 4,8% năm 2020 công ty khai thác mở phục hồi sau đại dịch covid – 19 Ngành khai khác bauxite Guinea đạt 82 triệu vào năm 2020, theo ước tính quan kảo sát địa chất Mỹ USGS, vượt qua vị trí Trung Quốc đứng thứ hai giới [6] Hình.1.9 Một số nhà máy sản xuất nhôm giới Hiện giá nhôm [7] tăng cao +44,75 USD/mt, tương đương +1,56% so với giá trước Liên minh Châu Âu (Eu) ngày 30/3/2021 thức cơng bố áp sản phẩm nhôm nhập từ Trung Quốc Hình1.10 Sơ đồ giá nhơm giới năm (10/2020 – 10/2021) 15 1.3.2 Việt Nam [8], [9] Trữ lượng quặng bauxite nước ta đánh giá tới tỷ tấn, tập trung chủ yếu phía Nam, khu vực Tây Nguyên, địa phân tỉnh Lâm Đồng, Đắc Nơng, Gia Lai Hình 1.11 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite Việt Nam theo vùng [8] *Vùng khai thác, chế biến bauxit quy mô vừa nhỏ Vùng Hà Giang ven biển miền Trung (Phú Yên, Quảng Ngãi) có trữ lượng nhỏ, quy hoạch khai thác thủ công bán giới Vùng Cao Bằng, Lạng Sơn có quy mơ trung bình, có điều kiện khai thác chế biến với quy mô công nghiệp Các mỏ bauxit phân bố rải rác, trữ lượng nhỏ, chất lượng thấp giống quặng bauxit Trung Quốc Khu vực nằm sát Trung Quốc nên có điều kiện thuận lợi để khai thác quặng bauxit xuất sang Trung Quốc (xuất quặng tinh, hàm lượng Al2O3 > 45%), cấp cho nhà máy sản xuất alumin liên doanh với Trung Quốc Dự kiến tìm đối tác liên doanh xây dựng nhà máy alumin Cao Bằng Lạng Sơn, công suất nhà máy 500.000 alumin/năm *Vùng khai thác bauxit sản xuất alumin quy mô lớn Bao gồm tỉnh Tây Nguyên: Đak Nông, Lâm Đồng, Gia Lai Kon Tum Dự kiến quy hoạch xây dựng nhà máy alumin sử dụng quặng bauxit vùng bảng Các nhà máy sau hoạt động ổn định đầu tư nâng công suất lên gấp lần Theo dự kiến quy hoạch trên, nhà máy Hố chất Tân Bình di dời lên huyện Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng để tránh gây ô nhiễm môi trường cho thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đầu tư nâng cơng suất lên 100.000 hyđroxit nhôm/năm Chủ đầu tư nhà máy Tổng Cơng ty Hố chất Việt Nam Tổng Cơng ty Hoá chất Việt Nam liên doanh với đối tác nước (hãng Sojitiz Nippon Light Metal Nhật Bản) đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất hyđroxit nhôm khác, công suất 550.000 hyđroxit nhôm/năm dùng sản xuất ơxit nhơm hố phẩm Nhà máy đặt huyện Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng Các nhà máy alumin Đăk Nơng Lâm Đồng tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt nam (TKV) làm chủ đầu tư Tập đoàn TKV gấp rút triển khai dự án này, cụ thể sau: Nhà máy alumin Bảo Lộc (tỉnh Lâm Đồng): Công suất 600.000 alumin/năm Báo cáo nghiên cứu khả thi dự án (phần công nghệ thuê Công ty nhôm Pechiney Pháp lập) phê duyệt tháng – 2006, với tổng mức đầu tư gần 500 triệu USD Hiện tổ chức đấu thầu quốc tế lựa chọn nhà thầu xây dựng nhà máy theo hình thức EPC (Thiết kế - cung cấp thiết bị - xây dựng) Song song tiến hành đền bù giải phóng mặt bằng, xây dựng cơng trình tạm cơng trình ngồi hàng rào nhà máy Dự kiến khởi cơng xây dựng nhà máy vào cuối năm 2006, thời gian xây dựng khoảng năm 16 Nhà máy alumin Nhân Cơ (tỉnh Đăk Nông): Công suất 300.000 alumin/năm (bằng dây chuyền nhà máy alumin Bảo Lộc theo thiết kế Pechiney) Đang tiến hành lập BCNCKT dự án, dự kiến khởi công vào cuối năm 2006 Nhà máy alumin Đắk Nông công suất 1,9 triệu T alumin/năm: Đây dự án hợp tác phủ Việt Nam Trung Quốc, đạo trực tiếp Chính phủ hai nước Đối tác liên doanh với Tập đoàn TKV để đầu tư dự án Tập đồn Chalco (tập đồn nhơm lớn Trung Quốc) BCNC tiền khả thi dự án khẩn trương hoàn thành (tổng mức đầu tư khoảng 1,4 tỷ USD) để trình Chính phủ hai nước thơng qua vào khoảng tháng – 2006 Nhà máy alumin Đăk Nông công suất 1,5 triệu T alumin/năm: Tháng – 2006 Tập đoàn TKV ký biên ghi nhớ với Tập đồn nhơm Alcoa (Mỹ - Úc) để triển khai dự án Hiện tiến hành thăm dò mỏ Gia Nghĩa để cấp quặng cho dự án Tập đoàn TKV tiếp tục làm việc với đối tác nước (tập đoàn Alcan, Mitsui, Marubeni…) để nghiên cứu việc đầu tư nhà máy alumin công suất (1,0 – 1,5) triệu tấn/năm sử dụng quặng bauxit hai mỏ Kon Hà Nừng Măng Đen Gia Lai Kon Tum Hình 1.12 Một số nhà máy sản xuất nhôm nước ta Kỹ thuật sản xuất HCl 2.1 Tính chất hóa lý ứng dụng HCl [3], [10], [11] Hình 2.1 Cấu trúc khơng gian hidro clorua 17 Hidro clorua (HCl) hợp chất cộng hóa trị, phân tử có cực (hiệu độ âm điệm nguyên tử clo nguyên tử hidro 3,16 – 2,20 = 0,96) Hidro clorua chất khí khơng màu, mùi xốc, độc hại, nặng khơng khí (d = 1,26), T nc = -114,2℃, Ts = -85℃ HCl hoà tan tốt nước độ hồ tan phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Hidro clorua (HCl) tan vào nước tạo thành dung dịch axit clohidric Đó chất lỏng khơng màu vàng nhạt (do lẫn tạp chất), mùi xốc Khi áp suất khí 760 mmHg lít nước 0℃ hồ tan 525,2 lít HCl ; 18℃ hồ 451,2 lít HCl Ở 760 mmHg HCl tạo thành với nước hỗn hợp đăng phí có chứa 20,24 % HCI sôi 110℃ Dung dịch HCl đặc (ở 20℃) đạt tới nồng độ 37% có khối lượng riêng D = 1,19 g/cm Dung dịch HCl đặc 35% “bốc khói” khơng khí ẩm hidro clorua tạo với nước khơng khí thành hạt dung dịch nhỏ sương mù Các tính chất vật lý axit hydrochloric điểm sơi, điểm nóng chảy, mật độ pH phụ thuộc vào nồng độ mol HCl dung dịch Bảng 2.1 Các thơng số hóa lý phụ thuộc vào nồng độ mol HCl dung dịch [11] Nồng độ HCl Mật độ Nồng độ Độ nhớt Nhiệt Áp suất Điểm dung dịch (kg/l) mol (mPa.s) dung riêng (Pa) sôi (kg HCl/kg) (mol/dm3) (kJ/kg.K) (℃ ) 10% 20% 30% 32% 34% 36% 38% 1,048 1,098 1,149 1,159 1,169 1,179 1,189 2,87 6,02 9,45 10,17 10,90 11,64 12,39 1,16 1,37 1,70 1,80 1,90 1,99 2,10 3,47 2,99 2,60 2,55 2,50 2,46 2,43 0,527 27,3 1.410 3.130 6.733 14.100 28.000 103 108 90 84 71 61 48 Điểm nóng chảy (℃ ) -18 -59 -52 -43 -36 -30 -26 Bảng áp dụng cho điều kiện tiêu chuẩn ( T = 25℃, P = 1atm) Axit clohidric axit mạnh làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ, tác dụng với kim loại đứng trước hidro dãy hoạt động hóa học, tác dụng với oxit bazo, bazo muối Fe + 2HCl FeCl2 + H2 CuO + 2HCl CuCl2 + H2O Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + 3H2O CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O Nguyên tố Cl nguyên tử HCl có số oxi hóa -2 nên axit clohidric có tính khử tác dụng với chất oxi hóa mạnh MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O 18 a) HCl dạng khí B) HCl dạng dung dịch Hình 2.2 Trạng thái vật chất HCl Hydro clorua thơng thường chứa bình nén với ký hiệu đỏ nâu/ xám với dải vàng Trong ngành cơng nghiệp bán dẫn, khí HCl sử dụng cho tinh thể bán dẫn etch tinh chế silicon thông qua trichlorosilane (SiHCl 3) Đặc biết sản xuất axit clohydric Ngồi cịn số ứng dụng quan trọng khác, nhiên hydroclorua độc hít phải gây kích ứng, trường hợp quan trọng dẫn đến phù phổi tử vong, nên HCl thường thấy dạng dung dịch độ dậm đặc có nồng độ tối đa 40% [12] Ứng dụng axit clohydric [13] Axit clohydric hóa chất có vai trị quan trọng đời sống ngày, sử dụng làm nguyên liệu chất xúc tác nhiều ngành công nghiệp sản xuất khác Dùng axit clohydric để làm bề mặt kim loại, tẩy gỉ thép (Fe2O3) trình HCl tái chế để tiết kiệm nâng cao hiệu Sản xuất hợp chất vô Ví dụ FeCl3, PAC, chất ứng dụng làm chất keo tụ, dùng nước thải, sản xuất giấy nước uống, ra, CaCl 2, NiCl2 dùng công nghiệp mạ sản xuất pin Sản xuất hợp chất hữu cơ: Axit HCl dùng để sản xuất vinyl clorua, dicloroetan tạo PVC hay bisphenol A để điều chế polycacbonat, than hoạt tính axit ascobic số sản phẩm khác ngành dược Trong ngành công nghiệp yêu cầu độ tinh khiết cao thực phẩm, dược phẩm, nước uống dùng axit HCl chất lượng cao để điều chỉnh pH nước cần xử lý Axit clohydric công nghiệp sử dụng để trung hòa nước thải, xử lý nước hồ bơi Axit clohydic chất lượng cao sử dụng để tái sinh nhựa trao đổi ion Axit gastric dày có thành phần axit clohydric có vai trị kháng lại vi sinh vật hại để ngăn ngừa bệnh nhiễm trùng hỗ trợ trình tiêu hóa thức ăn 19 Hình 2.3 Một số ứng dụng axit clohydic 2.2 Phương pháp sản xuất Sản xuất acid HCl tiến hành theo hai giai đoạn : điều chế HCl hấp thụ HCl nước Có thể sử dụng phương pháp khác để sản xuất acid HCl 2.2.1 Phương pháp sunfat sản xuất HCl [3] Đây phương pháp lâu đời công nghiệp Phương pháp dựa tác dụng NaCl với axit H2SO4 theo phản ứng : 2NaCl + H2SO4 → Na₂SO4 + 2HCI ; - 68,25kJ Phản ứng tiến hành 500 ÷ 550℃ lị ống, lúc nhận sunfat Na rắn có chứa 30 ÷ 40 % HCl Ngày phương pháp không sử dụng Hình 2.4 Điều chế HCl phương pháp sunfat 2.3.2 Tổng hợp HCl [3] Tổng hợp HCl tiến hành từ Cl H2 nhận điện phân muối ăn NaCl có màng ngăn H2 chảy Cl2 toả nhiệt H2 + Cl2 → 2HCl ; 184,2kJ 20 Hằng số vận tốc phản ứng tăng lên với tăng nhiệt độ theo phong trình Arrenius Hằng số cân phản ứng tạo thành HCl: (1) là: (2) Ở P - áp suất riêng phần cấu tử Ảnh hưởng nhiệt độ biểu diễn phương trình: (3) Từ phương trình (2), (3) xác định phụ thuộc xp vào nhiệt độ T℃ xp 17 2,51.10-17 727 1,34.10-5 1727 0,41.10-2 2227 1,30.10-2 Qua bảng cho thấy phân rã HCl thành nguyên tố rõ rệt nhiệt độ lớn 1500 ℃ Trên thực tế tiến hành đốt cháy an tồn khơng nổ H2 Cl2 1900 ÷ 2400℃ Trong hỗn hợp phản ứng có ÷ 10 % lượng dư H2 cho phép sử dụng Cl2 hoàn toàn 2.2.3 Hấp thụ HCl nước [3], [10] Khí HCl lại độc hại dễ gây bệnh viêm dày, viêm phế quản, viêm da, loét đường hô hấp, dị ứng phổi gây tử vong Đối với môi trường, HCl khiến cối chậm phát triển, nồng độ cao bị gây chết Vì sau tổng hợp khí HCl hấp thụ nước Hấp thụ HCI nước kèm theo toả nhiệt Nếu không dẫn nhiệt khơng thể nhận acid có nồng độ đậm đặc hỗn hợp đẳng phí Để nhận axit có nồng độ đặc phải dùng biện pháp để dẫn nhiệt ngồi mơi trường xung quanh cách mạnh mẽ, đòi hỏi phải có thiết bị phức tạp Trên giới đề xuất phương pháp bắp thụ HCl nước mà khơng cần dẫn nhiệt ngồi tức tiến hành điều kiện đoạn nhiệt Tuy nhiên nhiệt hấp thụ điều hoà tổn thất nhiệt nước hóa mãnh liệt Q trình hồi lưu liên tục thực thấp hấp thụ nhận acid 27,5 % đĩa, axit 31 %, đĩa Trong công nghiệp phổ biến thấp đệm hấp thụ chế tạo từ vật liệu không bị axit HCl phá huỷ : gốm, thạch anh, chất dẻo Dưới trình sản xuất HCl công nghiệp [10] ... sống người Và để sản xuất chúng có hiệu quả, an tồn tiết kiệm báo cáo tập trung làm rõ vấn đề: Sản xuất nhôm Sản xuất HCl Điên phân dịch nóng lỏng sản xuất Al 1.1 Tính chất lý hóa ứng dụng Al... số nhà máy sản xuất nhôm nước ta Kỹ thuật sản xuất HCl 2.1 Tính chất hóa lý ứng dụng HCl [3], [10], [11] Hình 2.1 Cấu trúc khơng gian hidro clorua 17 Hidro clorua (HCl) hợp chất cộng hóa trị, phân... nâng cao hiệu Sản xuất hợp chất vơ Ví dụ FeCl3, PAC, chất ứng dụng làm chất keo tụ, dùng nước thải, sản xuất giấy nước uống, ngồi ra, CaCl 2, NiCl2 dùng cơng nghiệp mạ sản xuất pin Sản xuất hợp chất