4. Phương pháp nghiên cứu
1.3.3.So sánh kết quả sử dụng chất khử là Cacbon (C) với các kết quả sử
dụng chất khử là lun huỳnh (S2) để phân hủy gyps
a) So sánh kết quả theo lý thuyết
Quá trình phân hủy gyps theo phương pháp truyền thống được diễn ra như sau:
s2 + 4CaSƠ4 = 4CaO + 6SO2 (g) (1-27) Phản ứng (1-27) có thể được thể hiện qua 2 giai đoạn sau:
s2 + CaSƠ4 = CaO + 2SO2 (1-28) CaS + 3CaSƠ4 = 4CaO + 4SƠ2 (g) (1-29)
Đe so sánh hiệu quả của việc sử dụng chất khử lưu huỳnh và cacbon, ta khảo sát nhiệt động học của các phản ứng (1-27) và (1-28). Ta có các thông số nhiệt động của các chất S2 được liệt kê ở bảng 1.3.
Bảng 1.3: Các thông số nhiệt động của S2. [9,10]
Cấu tử ^ ^ĩ?298.15 (J/rnol) A^ư98.i5 (J/mol) Cp,J/mol.K
s2 128658 80955,776 36,484+0,669.10-3.T-3,766.T2
Tương tự tính toán giống mục 1.3.1. ta tính được các phương trình phụ thuộc vào nhiệt độ của entapy và năng lượng tự do.
0,669.10- 3 7’2 3,766.105
AHs2 j = 116487,438+36,484.T+---Y ---+— Y --- J (1 -30)
116487,438 0,669.10_3.7’ 3,766.10s
AGj2,r = T.(8 6,68+---- j r--- - 36,484.LnT --- + 2 " 2 J
Từ phương trình (1-30), (1-7), (1-9), (1-11), (1-21). Ta tính toán được phương trình quan hệ A Gt (1-27) và (1-28) theo nhiệt độ T tương ứng với phương trình (1-27) và (1-28).
Xét quan hệ AGt của phản ứng 1-27 vào nhiệt độ ta được:
A G t ( 1 - 2 7 ) = 4.AG C a 0 T + 6Ấ ( * s o 2 T —4^ ^ c a s o ^ . T -A GS2 ,T
AGT(l-27) = -1696,98.T + 1333050,577 + 40,992.LnT.T + 38,0855.10‘3.T2 -
2 0 ,374.10s 0,001.10~6T 3
Xét quan hệ AGt của phản ứng 1 -28 vào nhiệt độ ta được: AGt(1-28) = 2AGSq2iT + AGCaS T - AGS^ J - &GcaS0itT
AGr(l-28) = -472,657.T + 251447,2486 + 20,331.LnT.T + 5,505.10'3.T2 -
8,493.105 0,001.10_6T 3
---J (1-33)
Và dưới đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của AGt vào nhiệt độ của phản ứng (1-27) và (1-28).
Hình 1.7: Sự phụ thuộc AGt của phản ứng (1-28) theo nhiệt độ.
Khi đem so sánh hình 1.6 với hình 1.5 tương ứng là phản ứng 1 -27, 1 - 15. Và hình 1.7 với hình 1.3 tương ứng là phản ứng 1-28, 1-16. Ta thấy rằng việc sử dụng cacbon là chất khử để phân hủy gyps có lợi thế hơn. Mặc dù, nhiệt độ bắt đầu xảy ra phản ứng 1-15 và 1-16 tương ứng là 1155,055 K và
1088,534 K. Trong khi sử dụng lưu huỳnh là chất khử thì nhiệt độ phân hủy bã thải thấp hơn tương ứng là 965,5099 K và 749,455 K của phản ứng 1-27 và 1-28. Tuy nhiệt bắt đầu xảy ra phản ứng phân hủy của cacbon cao hơn lưu huỳnh, nhung nhiệt phân hủy của lưu huỳnh rất thấp do vậy nó dễ bị bay hơi, phải dùng với lượng lớn lưu huỳnh, hiệu suất khử thấp. VI vậy sử dụng
cacbon làm chất khử việc phân hủy gyps sẽ giảm thiểu được chi phí tốn kém cho vấn đề năng lượng và giảm thải lượng phát sinh khí SƠ2 (gây ra mưa axit, thủng tầng ozon) ra môi trường bên ngoài,
b) So sánh kết quả thực tế
Đe thể hiện rõ hơn ưu điểm của việc sử dụng chất khử là cacbon tiết kiệm năng lượng, chi phí hơn chất khử là lưu huỳnh. Ta có bảng 1.4 thể hiện rõ năng lượng entapy cung cấp cho quá trình phản ứng sau:
Bảng 1.4: So sánh năng lượng entapy phản úng của 2 phương pháp khác nhau (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chú thích: a: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tiêu chuẩn.
b: Nhiệt của phản ứng cho 1 mol SO2 sản phẩm.
T/°K AH ĩ / (kJ/mol)a AHt / (kJ / mol s o 2)b Phản ứng 1- 16 Phản ứng 1-17 và 1-29 Phản ứng 1- 28 Chất khử là c Chât khử là s 298 170,960 1054,020 367,857 306,245 236,979 373 171,238 1053,150 365,366 306,097 236,419 473 170,993 1051,573 354,689 305,642 234,377 573 169,849 1048,582 342,503 304,608 231,848 673 167,751 1043,723 289,070 302,869 222,132 773 164,707 1036,775 266,507 300,371 217,214 873 160,755 1027,621 249,037 297,094 212,776 973 155,945 1016,189 239,879 293,034 209,345 1073 150,335 1002,437 232,665 288,193 205,850 1173 143,883 986,336 225,616 282,555 201,992
Quá trình khử bằng chất khử cacbon ứng với phản ứng 1-16 và 1-17. Dựa vào năng lượng entapy tiêu chuẩn cho 2 phản ứng này ta tính được lượng nhiệt tương ứng cho mỗi mol sản phấm SƠ2 là 306,245 kJ ở nhiệt độ thường. Trong khi đó quá trình khử bằng lưu huỳnh với phản ứng 1-28 và 1-29 tương ứng 236,979 kJ trên 1 mol sản phẩm SO2. Dễ dàng nhận thấy năng lượng tiêu tốn cho quá trình sử dụng chất khử lưu huỳnh thấp hơn cacbon. Các tính toán cho thấy, entanpy của phản ứng giảm dần theo nhiệt độ. Entanpy của quá trình khử bàng cacbon giảm dần 10,98% (873-1173 K), trong khi đó quá trình khử bằng lưu huỳnh giảm dần 10,21%. Tuy nhiên entanpy của phản ứng khử bằng lưu huỳnh vẫn thấp hơn 28,5% so với khử bằng cacbon ở nhiệt độ
1173K.
Từ đó kết luận rằng việc sử dụng chất khử là cacbon có nhiều lợi thế hơn lưu huỳnh về mặt năng lượng, tiết kiệm lượng chất, hiệu suất phản ứng, chi phí cũng như giảm thiếu ô nhiễm môi trường.