Công nghệ Axit sunfuric (Đỗ Bình)

Chia sẻ: Bách Khoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

139
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Axit sunfuric là một axit vô cơ rất quan trọng đối với ngành công nghiệp hóa chất nói riêng, đối với nền kinh tế quốc dân nói chung. Chúng ta có thể bắt gặp axit này trong các ngành sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu, chất giặt rửa tổng hợp, tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu, phẩm nhuộm,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ Axit sunfuric (Đỗ Bình)

Lời nãi đầu Axit sunfuric lµ mét axit v« c¬ rÊt quan träng ®èi víi ngµnh c«ng nghiÖp ho¸ chÊt nãi riªng, ®èi víi nÒn kinh tÕ quèc d©n nãi chung. Chóng ta cã thÓ b¾t gÆp axit nµy trong c¸c ngµnh s¶n xuÊt ph©n bãn, thuèc trõ s©u, chÊt giÆt röa tæng hîp, t¬ sîi ho¸ häc, chÊt dÎo, s¬n mµu, phÈm nhuém, d−îc phÈm, chÕ biÕn dÇu má, chÕ biÕn pin ¾c qui… Hµng n¨m c¸c n−íc trªn thÕ giíi s¶n xuÊt kho¶ng 160 triÖu tÊn H2SO4 (sè liÖu ®−îc lÊy tõ s¸ch gi¸o khoa ho¸ häc líp 10 n¨m 2006). Tuy nhiªn, viÖc s¶n xuÊt mét sè l−îng lín axit nh− vËy còng g©y ra nh÷ng t¸c h¹i to lín ®èi víi m«i tr−êng. Bëi vËy, trong giíi h¹n bµi b¸o c¸o chuyªn ®Ò nµy, chóng t«i sÏ tr×nh bµy mét sè vÊn ®Ò chÝnh nh− sau: + T×nh h×nh s¶n xuÊt axit sunfuaric trªn thÕ giíi. + C«ng nghÖ s¶n xuÊt Axit sunfuric (b»ng hai ph−¬ng ph¸p: ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc vµ ph−¬ng ph¸p th¸p ®Öm.Träng t©m vÉn lµ ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc). + §Æc tr−ng vÒ dßng th¶i vµ c¸c chÊt th¶i quan träng nhÊt. + Mét sè ph−¬ng ph¸p gi¶i quyÕt « nhiÔm theo h−íng: qu¶n lý, gi¶m thiÓu, xö lý. (T−¬ng øng víi mçi vÊn ®Ò sÏ lµ mét phÇn lín ®−îc chóng t«i tr×nh bµy). TÌNH HÌNH SẢN XUẤT AXIT SULFURIC TRÊN THẾ GIỚI --------------- 60% lượng axit sulfuric trên thế giới được sử dụng để sản xuất phân bón. Hiện nay, Mỹ tiêu thụ 25% thị trường axit sulfuric toàn cầu, tiếp theo là các nước CNXH ở Châu Á http://www.ebook.edu.vn 1
chiếm 17%. Châu Phi, Tây Âu, Nga cũng là những nơi tiêu thụ lớn, mỗi nơi tiêu thụ khoảng 10% lượng axit trên toàn thế giới. Năm 2002,có khoảng 170 triệu metric tons axit sulfuric được sản xuất trên toàn thế giới Năm 2001, cả thế giới sản xuất được 165 triệu tấn axit sulfuric tương đương 8 tỉ USD - Năm 1999, Chi Lê sản xuất được 2,5 triệu tấn axit sulfuric trong một năm chiếm khoảng 1,7 tổng lượng sản xuất toàn thế giới.Năm 2005, sản xuất được 6 triệu tấn. - Bởi những đặc tính quan trọng, axit sulfuric được xem như là một chất chỉ thị cho một nền công nghiệo phát triển của một đất nước.Bên dưới là tổng số axit sulfuric đã sản xuất ra ở Mỹ trong suốt 7 thập kỉ đầu tiên của thế kỷ: Note: 1 short ton = 2000 lb. (whereas a metric ton = 2205 lb. and a long ton = 2240 lb.) Figure 1-1, Source: "US Bureau of the Census, Historical Statistics from Colonial Times to 1970." Việc sản xuất axit sulfuric đã yếu đi sau khi nước Mỹ bị cuốn vào cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1917-1919) và sau khi khôi phục lại thị trường thương mại trên http://www.ebook.edu.vn 2
thế giới. Giai đoạn chiến tranh (1940-1965) là giai đoạn phát triển mạnh nhất của nền kinh tế Mỹ, kéo theo đó là sự gia tăng mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất axit sulfuric. - Giai đoạn 1990 – 1994 t×nh h×nh xuất nhập khẩu axit sulfuric của Mỹ là: Năm Nhập khẩu (triệu tấn) Xuất khẩu (triệu tấn) 1990 1,7 147 1991 1,8 139 1992 2,0 144 1993 2,4 136 1994 2,1 170 - Công nghiệp sản xuất axit sulfuric ở Australia: Australia sản xuất được 500 tấn axit trong một ngày tương đương với 500.000 tấn axit trong một năm. - Trong những năm 1995- 2005, tiêu thụ axit sulfuric trên thế giới đã tăng 29% bất chấp viêc giảm 20% trong những năm 1988-1993.Theo đánh giá của các nhà chuyên môn thì tiêu thụ axit sulfuric trên thế giới sẽ tăng khoảng 2,6% trong giai đoạn 2005 – 2010 nếu tình hình phát triển kinh tế trên thế giới vẫn ổn định như hiện nay. Các nước XHCN ở Châu Á vẫn là thị trường chính, chiếm khoảng 23% lượng tiêu thụ trên thế giới, tiếp theo là Mỹ tiêu thụ khoảng 20%. Các nước ở Châu Phi, Trung và Nam Mỹ, Tây Âu tiêu thụ khoảng 10%. Trong năm 2005, cả thế giới tiêu thụ hết khoảng 190 triệu tần axit sulfuric tương đương với giá trị là 10 tỉ USD. Đồ thị tiêu thụ axit sulfuric trên thế giới trong năm 2005: http://www.ebook.edu.vn 3
http://www.ebook.edu.vn 4
http://www.ebook.edu.vn 5
World production, Reserves and Reserve Base: Country Production-All forms Reserves Reserve Base 1999 2000 United States 11.300 10.400 140.000 230.000 Canada 10.100 10.300 160.000 330.000 Chile 1.040 1.100 NA NA China 5690 5.200 100.000 250.000 Finland 725 730 NA NA France 1.100 1.100 10.000 20.000 Germany 1.190 1.200 NA NA Iran 910 920 NA NA Italia 678 700 NA NA Japan 3.460 3.500 5.000 15.000 Kazakhstan 1320 1.400 NA NA Kuwait 675 680 NA NA Mexico 1.310 1.300 75.000 120.000 Netherlands 574 580 NA NA Poland 1.510 1.300 130.000 300.000 Russia 5.270 5.500 NA NA Saudi Arabia 2.400 2.400 100.000 130.000 Spain 955 900 50.000 300.000 United Arab Emirates 1.030 1.200 NA NA Other countries 6.700 700 630.000 1.800.000 World total 57.100 57.400 1.400.000 3.500.000 (may be rounded) http://www.ebook.edu.vn 6
- Hiện nay, giá bán axit sulfuric trên thế gới đang có xu hướng sụt giảm, điều này được thể hiện trên đồ thị sau: PhÇn mét C«ng nghÖ s¶n xuÊt Axit sunfuaric -------------------- §Ó t×m hiÓu ®−îc c«ng nghÖ s¶n xuÊt axit sunfuaric, tr−íc hÕt chóng ta ®Ò cËp tíi mét sè tÝnh chÊt ho¸ häc c¬ b¶n nhÊt cña axit sunfuric víi môc ®Ých chän ®−îc vËt liÖu thÝch hîp chÕ t¹o thiÕt bÞ s¶n xuÊt, b¶o qu¶n vµ vËn chuyÓn nã: - Axit sunfuric khan lµ chÊt láng kh«ng mµu, s¸nh ( khèi l−îng riªng ë 200C lµ 1,8305 gam/cm3), kÕt tinh ë 10,37 0C. ë ¸p suÊt th−êng nã s«i ë 296,2 0C. - Trong ho¸ häc axit sunfuric ®−îc xem lµ hîp chÊt cña anhydrit sunfuric víi n−íc. C«ng thøc ho¸ häc: SO3H2O. http://www.ebook.edu.vn 7
- Trong kü thuËt: hçn hîp theo tû lÖ bÊt kú cña SO3 víi H2O ®Òu gäi lµ axit sunfuric. + NÕu tû lÖ SO3/H2O < 1 ng−êi ta gäi lµ dung dÞch axit sunfuric. Tû lÖ SO3/H2O > 1 gäi lµ dung dÞch cña SO3 trong axit sunfuric hay oleum hoÆc axit sunfuric bèc khãi . - MÆc dï cã c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó s¶n xuÊt axit sunfuric tuy nhiªn chóng cã ®iÓm chung lµ ®Òu cã 4 giai ®o¹n chÝnh: + §èt nguyªn liÖu s¶n xuÊt SO2. + Tinh chÕ khÝ SO2. + O xy ho¸ SO2 thµnh SO3. + HÊp thô SO3®Ó t¹o thµnh H2SO4 . Bëi vËy c«ng nghÖ mµ chóng t«i tr×nh bµy ë ®©y còng ®−îc chia thµnh 4 giai ®o¹n chÝnh nh− trªn.Chóng ta cã thÓ tham kh¶o s¬ ®å c«ng nghÖ cña ph©n x−ëng s¶n xuÊt H2SO4 cña nhµ m¸y supe photphat LONG THµNH (H×nh 1) I- Giai ®o¹n I: §èt nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt SO2 . 1- Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt a xit sun fu ric. 1.1- QuÆng pyrit - Cã 3 lo¹i quÆng py rit th−êng dïng ®Ó s¶n xuÊt a xit sun fu ric ®ã lµ : + Py rit th−êng: thµnh phÇn chñ yÕu lµ s¾t sunfua FeS2 chøa kho¶ng 53,44% S vµ 46,56% Fe.Trong quÆng cã lÉn nhiÒu t¹p chÊt cña c¸c hîp chÊt cña ®ång, ch×, kÏm, niken, b¹c, vµng, coban, selen, telu, silic, c¸c muèi cacbonat, sunfat canxi, magie… V× vËy hµm l−îng thùc tÕ cña l−u huúnh trong quÆng dao ®éng trong kho¶ng tõ 30- 52%. ë miÒn b¾c n−íc ta míi chØ ph¸t hiÖn mét sè má pyrit, nh−ng nãi chung hµm l−îng l−u huúnh thÊp (kho¶ng 20- 30 % l−u huúnh), tr÷ l−îng nhá. + Pyrit tuyÓn næi: trong qu¸ tr×nh ®em luyÖn ®ång, th−êng dïng ph−¬ng ph¸p tuyÓn næi ®Ó lµm giµu ®ång cña quÆng lªn kho¶ng 15-20% ®ång ( gäi lµ tinh quÆng ®ång ). PhÇn b· th¶i cña qu¸ tr×nh tuyÓn næi chøa kho¶ng 32-40 % S gäi lµ quÆng pyrit tuyÓn næi. Th«ng th−êng cø tuyÓn 100 tÊn quÆng thu ®−îc 80- 85 pyrit tuyÓn næi . + Py rit lÉn than: than ®¸ ë mét sè má cã lÉn c¶ quÆng pyrit, cã lo¹i chøa tíi 3-5 % S lµm gi¶m chÊt l−îng cña than. V× vËy ph¶i lo¹i bá c¸c côc than cã lÉn pyrit. PhÇn than http://www.ebook.edu.vn 8
côc lo¹i bá nµy chøa tíi 33-42% S vµ 12-18% C gäi lµ pyrit lÉn than. ë miÒn b¾c n−íc ta, má than Na D−¬ng (L¹ng S¬n) than chøa nhiÒu l−u huúnh (cã mÉu tíi 6-8% S). ViÖc nghiªn cøu t¸ch ®−îc S khái than cã ý nghÜa kinh tÕ kü thuËt rÊt lín v× t¨ng ®−îc chÊt l−îng than, ®¶m b¶o an toµn, ®ång thêi tËn dông ®−îc S. 1.2- L−u huúnh nguyªn tè (S). - L−u huúnh ®−îc sö dông chñ yÕu trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp s¶n xuÊt axit sunfuaric (chiÕm kho¶ng 50% tæng l−îng S s¶n xuÊt ra), c«ng nghiÖp giÊy-xen lu lo ( chiÕm kho¶ng 25% tæng l−îng S s¶n xuÊt ra), trong n«ng nghiÖp (10-15%)… - §Ó ®iÒu chÕ S nguyªn tè chóng ta ®i tõ quÆng S thiªn nhiªn chøa kho¶ng 15-20% S hoÆc t¸ch c¸c t¹p chÊt tõ khÝ th¶i cña c¸c ngµnh c«ng nghiÖp luyÖn kim mµu, gia c«ng dÇu má, khÝ thiªn nhiªn, khÝ dÇu má… 1.3- Th¹ch cao: ®©y lµ mét nguån nguyªn liÖu phong phó ®Ó s¶n xuÊt axit sunfuaric v× nhiÒu n−íc trªn thÕ giíi cã má th¹ch cao ( CaSO4.2H2O hoÆc CaSO4). Ngoµi ra qu¸ tr×nh s¶n xuÊt axit photphoric, supe photphat kÐp… còng th¶i ra mét l−îng lín Ca SO4. Th«ng th−êng tõ th¹ch cao ng−êi ta s¶n xuÊt liªn hîp c¶ axit sunfuaric vµ xi m¨ng . 1.4- C¸c chÊt th¶i cã chøa l−u huúnh : - KhÝ lß luyÖn kim mµu: khÝ lß trong qu¸ tr×nh ®èt c¸c kim lo¹i mµu nh− quÆng ®ång, ch×, thiÕc, kÏm… cã chøa nhiÒu SO2. §©y lµ mét nguyªn liÖu rÎ tiÒn ®Ó s¶n xuÊt a xit sunfuric v× cø s¶n xuÊt 1 tÊn ®ång cã thÓ thu ®−îc 7,3 tÊn SO2 mµ kh«ng cÇn lß ®èt. - KhÝ hydrosunfua (H2S): trong qu¸ tr×nh cèc ho¸ than kho¶ng 50% tæng l−îng S cã trong than sÏ ®i theo khÝ cèc, chñ yÕu ë d¹ng H2S ( chiÕm kho¶ng 95%). L−îng H2S trong khÝ cèc hµng n¨m trªn thÕ giíi cã thÓ lªn tíi hµng triÖu tÊn. ViÖc thu håi l−îng H2S nµy kh«ng nh÷ng cã ý nghÜa vÒ kinh tÕ mµ cßn cã ý nghÜa vÒ mÆt vÖ sinh m«i tr−êng. - Khãi lß: Hµng n¨m trªn thÕ giíi ®èt hµng tû tÊn than, trong ®ã khãi lß ®· th¶i vµo khÝ quyÓn hµng chôc triÖu tÊn S. §©y còng lµ nguån nguyªn liÖu ®¸ng kÓ ®Ó s¶n xuÊt axit sunfuric. http://www.ebook.edu.vn 9
- Axit sunfuric th¶i: Sau khi dïng axit sunfuric lµm t¸c nh©n hót n−íc, tinh chÕ dÇu má, sunfo ho¸ c¸c hîp chÊt h÷u c¬… sÏ thu ®−îc chÊt th¶i chøa nhiÒu H2SO4 (20-50%). ViÖc thu håi axit sunfuric nµy còng cã ý nghÜa rÊt lín vÒ mÆt kinh tÕ vµ b¶o vÖ m«i tr−êng. 2- ChuÈn bÞ nguyªn liÖu tr−íc khi ®èt. Tr−íc khi ®èt ph¶i tr¶i qua giai ®o¹n gia c«ng c¬, nhiÖt tuú theo d¹ng nguyªn liÖu. VÝ dô: + QuÆng pyrit th«ng th−êng cã kÝch th−íc 50-200 mm v× vËy ph¶i qua c¸c c«ng ®o¹n ®Ëp, nghiÒn, sµng ®Ó cã kÝch th−íc nhÊt ®Þnh (tuú thuéc vµo lo¹i lß) ch¼ng h¹n trong lß ®èt tÇng s«i ng−êi ta cÇn lo¹i bá nh÷ng h¹t quÆng cã kÝch th−íc > 3 mm, h¹n chÕ c¸c h¹t quÆng cã kÝch th−íc < 44x1O-3 mm. Bëi v× nh÷ng h¹t qu¸ to hay qu¸ nhá ®Òu ¶nh h−ëng tíi bôi xØ pyrit cuèn theo khÝ lß vµ qu¸ tr×nh ®èt nguyªn liÖu do tÊt c¶ c¸c h¹t r¾n cã tèc ®é tíi h¹n nhá h¬n hoÆc b»ng tèc ®é lµm viÖc cña khÝ ®Òu bÞ cuèn theo khÝ lß vµo hÖ thèng s¶n xuÊt phÝa sau khiÕn chóng ta ph¶i ®i xö lý khÝ SO2 thu ®−îc. + QuÆng tuyÓn næi ph¶i sÊy s¬ bé ®Ó gi¶m hµm Èm, S ®èt trong lß phun ph¶i nÊu ch¶y l¾ng, t¸ch cÆn… 3- §èt nguyªn liÖu. 3.1- C¸c ph¶n øng ho¸ häc trong qu¸ tr×nh ®èt nguyªn liÖu. - §èi víi quÆng py rit: 4 FeS2 + 11 02 --------> Fe2O3 + 8 SO2 + Q 2 FeS2 --------> 2 FeS + S2.(nhiÖt ®é vµo kho¶ng 5000C). S2+ 2 O2-----> 2 SO2 4 FeS + 7 O2 --------> 2 Fe2O3 + 4 SO2 HoÆc 3 FeS +5 O2 ----------> Fe3O4 + 3 SO2 - Qóa tr×nh ch¸y cña quÆng kh«ng nh÷ng chØ x¶y ra gi÷a pyrit vµ Oxy mµ cßn x¶y ra gi÷a c¸c pha r¾n: FeS2 + 16 Fe2O3 = 11 Fe3O4 + 2 SO2 FeS + 10 Fe2O3 = 7 Fe3O4 + SO2 FeS2 + 5 Fe3O4 = 16 FeO + 2 SO2 FeS + 3 Fe3O4 = 10 FeO + SO2 http://www.ebook.edu.vn 10
- §èi víi Pyrit lÉn than cã thªm ph¶n øng : C + O2 = CO2 Ph¶n øng trªn sÏ cung cÊp thªm mét phÇn nhiÖt l−îng cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh ®èt nguyªn liÖu. - §èi víi th¹ch cao : CaSO4 = CaO + SO2 (Ph¶n øng diÔn ra ë 1400 – 1500 0C). Khi cã C, SiO2, Al2O3, Fe2O3 … nhiÖt ®é cña ph¶n øng trªn gi¶m xuèng 2 CaSO4 + C = 2 CaO + 2 SO2 + CO2 - §èi víi khÝ th¶i S + O2 = SO2 2 H2S + 3 O2 = 2 SO2 + 2H2O Th«ng th−êng thµnh phÇn cña khÝ lß bao gåm SO2, O2 ,N2,, h¬i n−íc vµ mét sè t¹p chÊt kh¸c nh−: bôi, SO3, AS2O3, SeO2; HF; S F4… 3.2- C¸c lo¹i lß ®èt th−êng dïng . Ngµy nay c«ng nghÖ s¶n xuÊt axit sunfuric cã nhiÒu lo¹i lß dïng ®èt nguyªn liÖu nh−: lß nhiÒu tÇng, lß ®èt quÆng bét, lß líp s«i, lß xyclon; lß dèt l−u huúnh (lo¹i n»m ngang, lo¹i ®øng), lß ®èt hy®rosunfua H2S… Do giíi h¹n bµi viÕt chóng t«i tr×nh bµy lo¹i lß líp s«i ®Ó ®èt nguyªn liÖu. Bëi v× thiÕt bÞ líp s«i cã nhiÒu −u ®iÓm næi bËt vµ ngµy cµng ®−îc sö dông réng r·i kh«ng chØ trong c«ng nghÖ s¶n xuÊt axit sunfuric mµ cßn trong c¸c ngµnh kh¸c nh−: luyÖn kim, gia c«ng dÇu má, thùc phÈm, y häc, n¨ng l−îng h¹t nh©n … + Theo b¸o c¸o ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ cÊp nhµ n−íc KC- 06-06 chóng ta cã b¶ng c©n b»ng vËt liÖu cho 1 tÊn quÆng py rit hµm l−îng 33% l−u huúnh ®èi víi lß líp s«i (dùa trªn tÝnh to¸n lÝ thuyÕt) nh− sau: B¶ng 1 http://www.ebook.edu.vn 11
L−îng vµo L−îng ra Träng ThÓ tÝch Träng ThÓ tÝch Th«ng sè Th«ng sè l−îng(kg) m3/tÊn l−îng(kg) m3/ tÊn QuÆng 1000 XØ 750,8 QuÆng kh« 940 khÝ lß 2821,35 1999 QuÆng Èm 60 KhÝ SO2 638,4 223,4 kh«ng khÝ 2571,5 2010,27 KhÝ SO3 6,8 1,9 Kh«ng khÝ kh« 2526 1953,67 O2 141,4 99 H¬i n−íc 45,5 56,6 N2 1929,25 1543,4 H¬i n−íc 105,5 131,3 Tæng 3571,5 3572,15 NhiÖt l−îng cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh ®èt B¶ng 2 L−u huúnh L−u huúnh 33% 35% NhiÖt vËt lý cña quÆng (kcal /h ) 12729,2 12729,2 NhiÖt cña Èm trong quÆng (kcal /h ) 6250 6250 NhiÖt cña kh«ng khÝ kh« (kcal /h ) 6285,4 66887 NhiÖt cña Èm trong kh«ng khÝ (kcal /h ) 2114,2 2249,7 NhiÖt to¶ ra khÝ ®èt (kcal /h ) 4266670 4533337 Tæng l−îng nhiÖt cÇn cung cÊp (kcal /h ) 4350620,8 4621453 CÊu t¹o lß líp s«i (h×nh 2) gåm 1 h×nh trô b»ng thÐp, bªn trong lãt vËt liÖu chÞu löa. ë phÇn d−íi cña lß ®Æt 1 b¶ng ®Ó ph©n phèi kh«ng khÝ ®Òu trªn toµn tiÕt diÖn cña nã. QuÆng ®−îc ®−a vµo buång n¹p. Kh«ng khÝ qua c¸c lç ë ghi èng thæi quÆng vµo lß. Kh«ng khÝ chÝnh qua c¸c mò giã trªn b¶ng ph©n phèi khÝ gi÷ cho líp quÆng ë tr¹ng th¸i s«i. §Ó quÆng ch¸y triÖt ®Ó, ng−êi ta bæ xung kh«ng khÝ vµo trªn líp s«i (kho¶ng 20% tæng l−îng kh«ng khÝ). èng th¸o sØ ®Æt ë ngang møc líp s«i. Tèc ®é kh«ng khÝ qua lç mò giã kho¶ng http://www.ebook.edu.vn 12
8- 10 m/s. Tæng diÖn tÝch lç cña tÊt c¶ c¸c mòi giã chØ chiÕm chõng 2% diÖn tÝch b¶ng ph©n phèi khÝ. Khi ®èt quÆng tuyÓn næi, tèc ®é khÝ trong lß 1-1,1 m/s, c−êng ®é lß 8-10 tÊn quÆng 45% l−u huúnh/m2/ ngµy. NÕu ®èt quÆng pyrit th× tèc ®é khÝ lín h¬n (1,9-2 m/s) vµ do ®ã c−êng ®é lß còng cao h¬n (16- 20 tÊn quÆng/m2/ngµy). Lß líp s«i cã −u ®iÓm : + §èt ®−îc c¸c quÆng nghÌo l−u huúnh nh−ng hiÖu suÊt t¹o ra SO2 vÉn cao . + CÊu t¹o thiÕt bÞ t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n dÔ c¬ khÝ ho¸ vµ tù ®éng ho¸ . + HÖ sè truyÒn nhiÖt, dÉn nhiÖt tõ líp s«i ®Õn bÒ mÆt trao nhiÖt rÊt lín. + Trë lùc cña líp s«i kh«ng lín l¾m vµ trong giíi h¹n tån t¹i líp s«i th× kh«ng phô thuéc vµo tèc khÝ. Tuy nhiªn nã cã mét sè nh−îc ®iÓm: + Hµm l−îng bôi trong khÝ ra rÊt lín cho nªn ph¶i cã thiÕt bÞ ®Ó xö lý bôi trong SO2 t¹o ra. D−íi ®©y lµ b¶ng l−îng bôi cuèn theo khÝ lß ®èi víi l−u huúnh 33% B¶ng 3 Uop(m/s) 0,85 0,9 1,02 1,08 1,14 Rt(kg/s) 0,2124 0,26 0,392 0,434 0,506 Cp(%) 18,5 22,4 33,82 37,41 43,6 Trong ®ã: L−îng quÆng vµo lß : FO =1,16kg/s. KÝch th−íc trung b×nh cña h¹t: Dp = 84x 10-3 mm Uop: tèc ®é lµm viÖc cña khÝ Rt: khèi l−îng bôi . Cp: phÇn tr¨m bôi cuèn theo khÝ lß + Thµnh lß vïng líp s«i bÞ bµo mßn rÊt m¹nh cho nªn ph¶i th−êng xuyªn kiÓm tra vµ b¶o d−ìng. Do cã nhiÒu −u ®iÓm næi bËt nªn lß líp s«i ®ang dÇn thay thÕ lo¹i c¬ khÝ vµ tiÕp tôc ®−îc nghiªn cøu ®Ó cã n¨ng suÊt cao h¬n vµ nhiÒu tÝnh −u viÖt h¬n. D−íi ®©y lµ chØ tiªu http://www.ebook.edu.vn 13
lµm viÖc cña mét lß líp s«i ®èi víi c¸c h¹t cã kÝch th−íc kh¸c nhau (®−îc tÝnh to¸n dùa trªn lý thuyÕt). B¶ng 4 Dp (10-6 m) 69 84 155 274 382 474- 500 Umf (m/s) 0,002 0,0044 0,015 0,047 0,08 0,143 Ut (m/s) 0,84 1,02 1,91 4,14 4,65 6,09 Uop (m/s) 0,9 0,9 0,9 0,95 1,14 1,3 dT (m) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,11 0,13 Ub (m/s) 1,6 1,6 1,6 1,5 1,8 1,96 H(m) 1,14 1,14 1,13 1,14 1,24 1,22 Trong ®ã : Dp: kÝch th−íc trung b×nh cña tËp hîp h¹t. Umf: tèc ®é s«i tèi thiÓu . Ut: tèc ®é tíi h¹n cña h¹t r¾n. Uop: tèc ®é lµm viÖc cña khÝ. dT : §−êng kÝnh trung b×nh cua bät khÝ trong líp s«i. Ub: tèc ®é n©ng cña bät khÝ . H: chiÒu cao líp s«i cho c¸c mÉu nguyªn liÖu 3.3 Sö dông xØ vµ nhiÖt: - Khi ®èt quÆng pi rit th¶i ra mét l−îng xØ kh¸ lín (kho¶ng 70% l−îng quÆng kh«) víi thµnh phÇn chñ yÕu lµ s¾t oxit, ngoµi ra cßn cã mét sè kim lo¹i mµu vµ quÝ nh−: Cu, Co , Zn , Au , Ag , Ta ….§©y lµ nguån nguyªn liÖu quÝ cho ngµnh c«ng nghiÖp luyÖn kim . http://www.ebook.edu.vn 14
- NÕu sö dông tæng hîp ®−îc xØ th× cø 1000 tÊn xØ cã thÓ thu ®−îc 800 tÊn tinh quÆng s¾t (víi hµm l−îng 55- 63 % Fe); 3,3 – 4 tÊn ®ång; 3,3 – 4,3 tÊn kÏm; 0,8-1 kg vµng; 10 kg b¹c; 80 kg coban; 70 tÊn natri sunfat … - L−îng nhiÖt to¶ ra khi ®èt nguyªn liÖu chiÕm tõ 52 – 65 % tæng l−îng nhiÖt. Chóng ta cã thÓ tËn dông l−îng nµy ®Ó s¶n xuÊt ®iÖn tù cung cÊp cho nhµ m¸y (tÝnh ®Õn hiÖu suÊt nhiÖt cña nhµ m¸y ®iÖn) hoÆc nhµ m¸y s¶n xuÊt cã thÓ trë thµnh n¬i cung cÊp n¨ng l−îng. II. Tinh chÕ khÝ SO2 1. S¬ l−îc vÒ qu¸ tr×nh tinh chÕ khÝ: - §èi víi s¬ ®å cæ ®iÓn cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt axit sunfuric theo ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc: + KhÝ lß tõ lß ®èt quÆng ®−îc lµm nguéi trong nåi h¬i, t¸ch bôi trong xyclon, läc ®iÖn kh« cã nhiÖt ®é 300-400o C ®i vµo c«ng ®o¹n lµm s¹ch khÝ ®Ó t¸ch c¸c t¹p chÊt cã h¹i ®èi víi xóc t¸c. KhÝ SO2 thu ®−îc sau khi ®èt nguyªn liÖu chøa nhiÒu t¹p chÊt cã h¹i nh− : - Bôi: lµm t¨ng trë lùc cña thiÕt bÞ vµ ®−êng èng, lµm gi¶m hÖ sè truyÒn nhiÖt, chuyÓn chÊt … - AS2O3: lµm xóc t¸c bÞ ngé ®éc vÜnh viÔn, lµm gi¶m hiÖu suÊt chuyÓn ho¸ SO2. - SeO2, TeO2 , Re2O7 … hoµ tan vµo c¸c axit t−íi lµm bÈn s¶n phÈm. MÆt kh¸c chóng cßn lµ nguån nguyªn liÖu quý cho c¸c ngµnh c«ng nghiÖp b¸n dÉn, thuû tinh mµu…Bëi vËy ph¶i t×m c¸ch thu håi chóng . - FLo( ë d¹ng HF vµ SiF4) : ¨n mßn c¸c vËt liÖu cã chøa Silic trong ®iÒu kiÖn thuËn lîi cã thÓ gi¶m ho¹t tÝnh cña chÊt xóc t¸c. + §Ó lµm s¹ch hçn hîp khÝ,ng−êi ta cho khÝ ®i qua hµng lo¹t c¸c th¸p röa, läc ®iÖn, sÊy… Tuy nhiªn s¬ ®å lµm viÖc cña chóng kh¸ phøc t¹p, vµ cã mét nh−îc ®iÓm lµ c¸c t¹p chÊt chñ yÕu trong khÝ lß chuyÓn thµnh d¹ng mï axit sau ®ã l¹i ph¶i t¸ch chóng trong c¸c läc ®iÖn −ít. HiÖn nay cã 2 h−íng gi¶i quyÕt ®¬n gi¶n h¬n nh− sau: - Ph−¬ng ph¸p hÊp thô: Lµm nguéi khÝ b»ng dung dÞch axit sunfuric cã nång ®é vµ nhiÖt ®é sao cho c¸c t¹p chÊt trong khÝ bÞ hÊp thô trªn bÒ mÆt axit t−íi mµ kh«ng t¹o mï. NÕu trong khÝ lß, ngoµi h¬i H2SO4 cßn cã c¶ h¬i SeO2 vµ As2O3 th× t¨ng nhiÖt ®é axit t−íi, hiÖu suÊt t¸ch 2 chÊt trªn khái khÝ lß còng t¨ng. Së dÜ nh− vËy v× chóng hoµ tan trong c¶ http://www.ebook.edu.vn 15
axit t−íi vµ mï axit. Khi t¨ng nhiÖt ®é l−îng mï sÏ gi¶m, do ®ã l−îng SeO2 vµ As2O3 trong mï theo khÝ còng gi¶m. - Ph−¬ng ph¸p hÊp phô: dïng chÊt r¾n hÊp phô t¹p chÊt ë nhiÖt ®é cao mµ kh«ng cÇn ph¶i lµm nguéi vµ röa hçn hîp khÝ. ChÊt hÊp phô As2O3 t−¬ng ®èi tèt lµ silicagel. Thùc tÕ nã cã thÓ hÊp phô hoµn toµn As2O3 khái khÝ lß. ChÊt hÊp phô cã kh¶ n¨ng hÊp phô cao h¬n vµ rÎ h¬n lµ zeolit nh©n t¹o (thµnh phÇn gÇn ®óng 10SiO2..O,5AL2O3). Nã cã thÓ hÊp phô ®−îc l−îng As2O3 b»ng 5-7% khèi l−îng cña nã. 2- ThiÕt bÞ lµm s¹ch khÝ gåm: + Th¸p röa I: cã nhiÖm vô lµm nguéi hçn hîp khÝ tõ 350-400o C xuèng 80-90oC. T¸ch hÇu hÕt l−îng bôi cßn l¹i trong khÝ sau läc ®iÖn kh«. T¸ch mét phÇn SeO2 vµ As2O3 vµ c¸c t¹p chÊt kh¸c. HÊp thô mét phÇn mï a xit t¹o thµnh trong th¸p. + Th¸p röa II: cã nhiÖm vô lµm nguéi hçn hîp khÝ tõ 80-90oC xuèng 30-40oC. HÊp thô mét phÇn mï a xit trong khÝ sau th¸p röa I. T¸ch mét phÇn c¸c t¹p chÊt ( Asen, telu…) khái hçn hîp khÝ. + Th¸p t¨ng Èm: cã nhiÖm vô t¨ng hµm Èm cña hçn hîp khÝ ®Ó t¨ng kÝch th−íc h¹t mï a xit. TiÕp tôc lµm nguéi hçn hîp khÝ xuèng vµi ®é n÷a (3-5oC). NÕu trong hçn hîp khÝ cã Flo th× ë th¸p t¨ng Èm ng−êi ta cßn cho thªm Na2SO4 vµo a xit t−íi ®Ó t¸ch chóng theo ph¶n øng: 3 SiF 4 + 2 Na2SO4 + 2 H2O = 2 Na2SiF6 + 2 H2 SO4 + SiO2 + Läc ®iÖn −ít: ®Ó läc mï axit ng−êi ta th−êng dïng lo¹i läc c¬ khÝ: läc sîi . Nguyªn t¾c lµm viÖc cña lo¹i nµy lµ cho hçn hîp khÝ cã mï axit ®i qua líp sîi m¶nh chÞu axit, khi va ch¹m víi c¸c sîi, do lùc ú c¸c h¹t mï axit sÏ bÞ gi÷ l¹i trªn ®ã. §−êng kÝnh h¹t mï cµng lín, tèc ®é dßng khÝ cµng cao th× hiÖu suÊt t¸ch mï cµng lín. + Th¸p sÊy: NhiÖm vô t¸ch hoµn toµn l−îng h¬i n−íc trong hçn hîp khÝ th«ng th−êng bao gåm 2 th¸p víi môc ®Ých ®Ó ®Ò phßng 1 trong 2 th¸p cã h− háng vµ t¨ng l−îng Oleum s¶n xuÊt ®−îc vµ nhÊt lµ ®Ó gi¶m l−îng mï a xit khi sÊy. C«ng ®o¹n lµm s¹ch khÝ ph¶i ®¶m b¶o mét sè chØ tiªu sau: Hµm l−îng bôi trong khÝ sau läc ®iÖn kh«,g/m3 8,5 Nång ®é a xit t−íi ,% H2SO4 http://www.ebook.edu.vn 16
Th¸p röa I 55-70 Th¸p sÊy 93-95 Hµm l−îng t¹p chÊt trong khÝ vµo th¸p tiÕp xóc,mg/m3 Asen O Flo
- Cã 2 ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc lµ: tiÕp xóc ®¬n vµ tiÕp xóc kÐp. - Chóng ta cã thÓ so s¸nh hai ph−¬ng ph¸p nµy qua h×nh vÏ sè 3. + §èi víi ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc ®¬n: hçn hîp khÝ SO2 qua gia nhiÖt ®−îc oxy ho¸ lÇn l−ît qua 4-5 líp tiÕp xóc. Gi÷a líp 1-2 dïng thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt gi¸n tiÕp ®Ó h¹ nhiÖt ®é hçn hîp khÝ, gi÷a líp 1-2, 3-4 bæ sung kh«ng khÝ ®Ó lµm l¹nh trùc tiÕp, cuèi cïng hiÖu suÊt chuyÓn ho¸ ®¹t 98,2 %. Sau ®ã hçn hîp khÝ ®−a ®i hÊp thô chÕ t¹o axit (møc ®é chuyÓn ho¸ cã thÓ lªn tíi 99,9 %) . + §èi víi ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc kÐp: chuyÓn khÝ s¶n phÈm tõ sau líp tiÕp xóc 3 (hiÖu suÊt 90%) ®−a ®i hÊp thô chÕ t¹o axit sau ®ã gia nhiÖt ph¶n øng ë 2 líp sau n©ng hiÖu suÊt chuyÓn ho¸ luü tiÕn lªn 99,5 %, ®−a ®i hÊp thô lÇn 2 sau ®ã phãng kh«ng. Trong ph−¬ng ph¸p nµy nång ®é CO2 trong khÝ th¶i gi¶m tõ 0,21 % (ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc ®¬n) xuèng cßn 0,05% (ph−¬ng ph¸p tiÕp xóc kÐp). 3. Xóc t¸c: Cã nhiÒu lo¹i xóc t¸c cã thÓ xóc t¸c cho qu¸ tr×nh oxy ho¸ SO2 thµnh SO3 tuy nhiªn xóc t¸c th«ng dông nhÊt lµ vanadi . - Thµnh phÇn xóc t¸c vanadi : + V2O5 lµ thµnh phÇn chÝnh hµm l−îng cña nã kho¶ng 5-12 % + Muèi cña kim lo¹i kiÒm lµ chÊt kÝch ®éng lµm t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c lªn hµng tr¨m lÇn. TØ lÖ kim lo¹i kiÒm vµ vanadi dao ®éng tõ 1:1 ®Õn 6:1. + SiO2 ë d¹ng xèp ®ãng vai trß chÊt mang . + Ngoµi ra cßn mét sè chÊt kh¸c ®−îc ®−a vµo nh»m t¨ng ho¹t tÝnh ,t¨ng ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt… cña chÊt xóc t¸c. VÝ dô ®−a P2O5 vµo xóc t¸c th× nhiÖt ®é ho¹t tÝnh cña xóc t¸c gi¶m ®i 20 -25 0C C¬ chÕ lµm viÖc cña xóc t¸c nµy lµ: + O2, SO2 bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt xóc t¸c vµ hoµ tan hoµn toµn vµo xóc t¸c nãng ch¶y sÏ t¸c dông víi V2O5 theo ph−¬ng tr×nh: V2O5 + SO2 = V2O4 + SO3 V2O4 + 0,5 O2 = V2O5 http://www.ebook.edu.vn 18
- Cßn SiO2 lµm nhiÖm vô chÊt mang ,cã t¸c dông t¨ng bÒ mÆt tiÕp xóc pha cña chÊt xóc t¸c vµ æn ®Þnh chÊt ho¹t tÝnh trªn bÒ mÆt xóc t¸c.ë giai ®o¹n ®Çu cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khi nång ®é SO2 trong hçn hîp khÝ cßn cao sÏ t¹o thµnh hîp chÊt vanadyl sunfat: V2O5 + SO3 + SO2 = 2 VOSO4 . ë giai ®o¹n cuèi cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ l−îng SO2 cßn l¹i Ýt nªn xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao, h»ng sè tèc ®é k lín. - Tuy nhiªn, chóng ta ph¶i l−u ý tíi mét sè t¹p chÊt g©y ra sù ngé ®éc cña xóc t¸c nh− : + ChÊt ®éc nguy hiÓm nhÊt lµ As. ChØ vµi miligam asen oxit trong 1m3 hçn hîp khÝ còng ®ñ cho xóc t¸c bÞ ngé ®éc. Asen bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt xóc t¸c t¹o thµnh mét líp máng che phñ bÒ mÆt h¹t xóc t¸c hoÆc t¹o thµnh víi xóc t¸c hîp chÊt bay h¬i As2O5.V2O5 t¸ch khái xóc t¸c. + C¸c hîp chÊt cña flo còng g©y t¸c h¹i ®¸ng kÓ cho xóc t¸c :nh− SiF4 ph¶n øng víi h¬i n−íc theo ph−¬ng tr×nh: SiF4 + 2 H2O -------> SiO2 + 4 HF . SiO2 t¹o thµnh líp vá bao bäc h¹t xóc t¸c. L−îng SiF4 cµng nhiÒu th× ho¹t tÝnh xóc t¸c cµng gi¶m nhanh. D−íi ®©y lµ mét sè thiÕt bÞ dïng trong c«ng ®o¹n oxi ho¸ SO2 . - Th¸p oxi ho¸: th−êng dïng lo¹i th¸p oxi ho¸ cã tõ 4-5 líp xóc t¸c cã truyÒn nhiÖt trung gian sau mçi líp xóc t¸c. Hçn hîp khÝ SO2 tõ qu¹t khÝ ®i vµo kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c èng cña th¸p truyÒn nhiÖt ngoµi. Nã ®−îc ®èt nãng s¬ bé nhê khÝ nãng tõ th¸p tiÕp xóc ®i ra. Sau mçi líp xóc t¸c nhiÖt ®é cña hçn hîp khÝ t¨ng. V× vËy ph¶i cho qua c¸c bé phËn truyÒn nhiÖt ®Ó h¹ nhiÖt ®é xuèng. Sau líp xóc t¸c cuèi, hçn hîp khÝ ra khái th¸p tiÕp xóc vµ vµo thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt ngoµi ®Ó ®èt nãng hçn hîp khÝ míi, ®ång th¬× h¹ nhiÖt ®é xuèng tr−íc khi sang c«ng ®o¹n hÊp thô. - ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt ngoµi + ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt ngoµi: môc ®Ých ®èt nãng s¬ bé khÝ nguyªn liÖu vµ lµm nguéi hçn hîp khÝ chøa SO3 sau chuyÓn ho¸ .KhÝ nãng chøa SO3 ®i trong èng tõ trªn xuèng cßn khÝ nguéi chøa SO2 ®i ë kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c èng tõ d−íi lªn. http://www.ebook.edu.vn 19
+ ThiÕt bÞ lµm nguéi SO3: vÒ nguyªn t¾c gièng thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt ngoµi: SO3 ®i tõ trªn xuèng cßn kh«ng khÝ hoÆc n−íc lµm nguéi ®i tõ d−íi lªn. + ThiÕt bÞ ®èt nãng khëi ®éng: khi nhµ m¸y míi ho¹t ®éng hoÆc ch¹y l¹i sau khi dõng l©u ng−êi ta ph¶i sÊy xóc t¸c vµ n©ng dÇn nhiÖt ®é cña th¸p tiÕp xóc ®Õn nhiÖt ®é ho¹t tÝnh cña xóc t¸c. Muèn vËy ph¶i thæi kh«ng khÝ nãng cã nhiÖt ®é 450 -5000C qua th¸p tiÕp xóc cho ®Õn khi hÖ thèng lµm viÖc b×nh th−êng. §Ó ®èt nãng cã thÓ sö dông khÝ lß cã nhiÖt ®é 650 -7000C, ®èt khÝ thiªn nhiªn, hoÆc sö dông thiÕt bÞ ®èt nãng kh«ng khÝ b»ng ®iÖn. IV. HÊp thô anhydrit sunfuaric SO3 IV.1 C¬ së lÝ thuyÕt cña qu¸ tr×nh hÊp thô - Ph¶n øng: n SO3 + H2O = H2 SO4 + (n-1) SO3 . + Tuú theo tØ lÖ gi÷a l−îng SO3 vµ H2O mµ nång ®é axit thu ®−îc sÏ kh¸c nhau: n > 1 lµ s¶n phÈm lµ oleum. n = 1 s¶n phÈm lµ monohydrat (axit sunfuaric 100%). n < 1 s¶n phÈm lµ axit lo·ng. Th«ng th−êng, ng−êi ta cã xu h−íng s¶n xuÊt toµn bé s¶n phÈm ë d−íi d¹ng oleum ®Ó b¶o qu¶n vËn chuyÓn vµ sö dông thuËn lîi h¬n. Muèn vËy cho hçn hîp khÝ chøa SO3 qua th¸p cã t−íi oleum. Th¸p oleum chØ hÊp thô ®−îc mét phÇn SO3 trong hçn hîp khÝ. Hµm l−îng SO3 cßn l¹i trong khÝ ra khái th¸p oleum kh¸ lín. Do ®ã ®Ó hÊp thô hÕt SO3 l¹i ph¶i ®−a hçn hîp tiÕp tôc qua th¸p hÊp thô thø hai t−íi monohydrat (th¸p monohydrat). §Õn ®©y míi kÕt thóc qu¸ tr×nh hÊp thô SO3. IV .2 ThiÕt bÞ trong qu¸ tr×nh hÊp thô: KhÝ SO3 sau khi lµm nguéi s¬ bé ë thiÕt bÞ truyÒn nhiÖt ngoµi ®−îc ®−a sang c«ng ®o¹n hÊp thô. ë ®©y khÝ SO3 tiÕp tôc ®−îc lµm nguéi t¹o ®iÒu kiÖn tèt cho qu¸ tr×nh hÊp thô. §Çu tiªn SO3 ®−îc hÊp thô trong th¸p oleum sau ®ã sang th¸p monohydrat, cuèi cïng qua th¸p t¸ch giät råi phãng kh«ng hoÆc ®−a ®i thu håi SO2 + Th¸p hÊp thô: cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i th¸p hÊp thô kh¸c nhau: http://www.ebook.edu.vn 20