intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 2

Chia sẻ: Thị Huyền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST
Báo xấu
155
lượt xem 44
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cùng tìm hiểu công nghệ gang thép, tổng hợp một số hợp chất hữu cơ cơ bản, công nghệ sản xuất một số hợp chất cao phân tử được trình bày cụ thể trong "Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 2". Mời các bạn cùng tìm hiểu để nắm bắt nội dung thông tin tài liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa kỹ thuật: Phần 2

  1. __________________________________________________________________________ Chương VII CÔNG NGHỆ GANG THÉP §3. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG VÀ THÉP Gang thép hay gọi chung là kim loại đen rất thường gặp trong đời sống hàng ngày. Kim loại đen chiếm 95% tổng số lượng kim loại dùng trong chế tạo dụng cụ, máy móc và trong xây dựng. Thành phần chính của gang và thép là sắt (Fe) và các nguyên tố khác như C, Si, Mn, P, S chỉ khác nhau về tỉ lệ giữa Fe và các nguyên tố khác. I. CÁC LOẠI GANG Tùy theo tỉ lệ tạp chất mà gang được chia làm gang xám, gang trắng và gang hợp kim. 1. Gang xám Nếu bẻ ra ta thấy vẩy đen lóng lánh trên mặt nền trắng. Vẩy đen là garaphit (một dạng thù hình của C). Nhìn toàn bộ khối gang ta thấy có màu xám. Gang xám chứa C (3,5 – 6%), Si (1,5 – 4,25%), hàm lượng P thấp ( 0,04%). Nhiệt độ nóng chảy là 12000C – 13000C. Gang xám dễ đúc. 2. Gang trắng Nếu bẻ ra thì chỉ thấy một nền trắng, có thể coi như thép rất già. Hàm lượng cacbon chiếm từ 3 – 4%. Gang trắng khó đúc, thường để luyện thép. 3. Gang hợp kim: Một số gang hợp kim thường dùng là: Gang chứa 5 – 14% Si chịu nhiệt tốt. Gang chứa 2 – 5% Ni chịu được tác dụng của bazơ. Gang chứa 30% Cr chịu nhiệt độ rất cao. Gang chứa 14% Ni, 6% Cu, 2% Cr, 1% Mn chịu được cả tác dụng của axit và bazơ. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 82
  2. __________________________________________________________________________ II. CÁC LOẠI THÉP 1. Thép cacbon chỉ chứa những tạp chất thông thường mà quá trình luyện để lại không quá 2%. Tính chất của loại thép này do hàm lượng C quyết định 2. Thép hợp kim là thép trong khi luyện được pha thêm những nguyên tố khác như Si, Mn, Cr, Ni, Mo, v.v... để nâng cao rõ rệt các tính chất của thép. §2. LUYỆN GANG I – NGUYÊN LIỆU 1. Quặng sắt Bao gồm các quặng sắt Fe2O3 và các quặng sắt từ Fe3O4. Ngoài hai loại oxit sắt trên trong quặng thường chứa các oxit MnO2, Mn2O3 và các oxit khác thường gọi là bẩn quặng : SiO2, Al2O3, CaO. Hai nguyên tố khác P, S thường có lẫn trong quặng sau khi luyện còn lại trong gang giảm chất lượng của gang và thép. Ngoài các quặng sắt còn có sử dụng các phế thải khác như sắt vụn, sắt hạt hay xỉ lò thép, xỉ lò cao luyện gang kính để làm phụ gia. 2. Than ở dạng than cốc hay antraxit. Than có hai nhiệm vụ: cung cấp cacbon oxit CO làm chất khử các oxit kim loại và cháy cung cấp nhiệt cho quá trình luyện gang. 3. Chất trợ dung Chất trợ dung là các chất đưa vào nguyên liệu để trong quá trình luyện chúng tác dụng với các bẩn quặng để tạo thành xỉ và khử được các hợp chất của lưu huỳnh. Chất trợ dung thường dùng là đá vôi. II – CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC XẢY RA TRONG LÒ CAO 1. Sự phân hủy của các muối cabonat - Sự phân hủy của CaCO3 do có lẫn trong quặng hoặc do người ta đưa vào dưới dạng chất trợ dung: __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 83
  3. __________________________________________________________________________ CaCO3 = CaO + CO2 - Sự phân hủy của FeCO3 có trong thành phần của quặng siđêrit: FeCO3 = FeO + CO2 3FeO + CO2 = Fe3O4 + CO Do có phản ứng của FeO với CO2 để tạo thành Fe3O4 làm cho quá trình phân hủy quặng cacbonat diễn ra dễ dàng hơn. 2. Sự khử các oxit sắt thành sắt dưới tác dụng của CO. Quá trình này người ta còn gọi là quá trình hoàn nguyên. Phản ứng khử các oxit sắt xảy ra từng bậc, lúc đầu tạo ra các oxit có hóa trị thấp hơn, sau cùng mới tạo ra kim loại. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2 Thực chất đây là quá trình oxi hóa khử. Ngoài ra còn có thể có các quá trình khử trực tiếp từ oxit Fe3O4 thành Fe: Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2 hoặc khử FeO bằng C rắn: FeO + C (cốc) = Fe + CO 3. Sự oxi hóa của than cốc Dưới tác dụng của oxi không khí, than cốc có thể bị đốt cháy hoàn toàn cung cấp nhiệt cho quá trình luyện gang: C + O2 = CO2 H < 0 để cung cấp chất khử cho quá trình khử các oxit kim loại. 4. Sự tạo xỉ Khi đưa chất trợ dung vào nguyên liệu, ở nhiệt độ cao chúng sẽ tác dụng với các oxit ở trong bẩn quặng hoặc được tạo ra trong quá trình tạo gang thành những hợp chất dễ chảy lỏng có tỉ trọng thấp hơn tỉ trọng của sắt, do đó nổi lên trên mặt của lớp gang và được tách khỏi gang lỏng. Trong luyện kim, lớp xỉ có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của gang. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 84
  4. __________________________________________________________________________ 5. Sự khử lưu huỳnh trong lò cao Một số hợp chất của lưu huỳnh sinh ra trong luyện gang mà dễ bay hơi như SiS, SO2, H2S bốc ra khỏi gang cùng khí lò. Những hợp chất như FeS bị loại bỏ ở nồi lò theo phản ứng: FeS + CaO = CaS (xỉ) + FeO FeO hòa tan trong gang và bị khử tiếp thành Fe, còn CaS chỉ tan trong xỉ và theo xỉ ra ngoài. Nhờ phản ứng này người ta loại bớt được S có trong gang. III - LÒ CAO LUYỆN GANG Hình VII.1. Lò luyện gang Đó là một loại lò đứng, từ trên xuống dưới gồm các phần như sau: Cổ, thân, bụng, phễu và nồi lò (hình VII. 1). Nhờ hệ thống tời trục hoặc một cầu nghiêng người ta chuyển lên và đổ vào miệng lò các nguyên liệu: quặng, than và chất trợ dung. Thân lò hơi rộng về phía dưới để nguyên liệu chuyển động xuống dễ dàng. Gang được tạo thành ở vùng bụng và phễu lò, sau đó chảy xuống nồi lò. Phễu lò hơi hẹp về phía dưới nó giữ cho nguyên liệu khi còn rắn nằm ở trong thân lò và bụng lò. Gang tụ lại trong nồi lò, xỉ nổi trên gang lỏng. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 85
  5. __________________________________________________________________________ Dung tích của lò rất khác nhau. Tại nhà máy gang thép Thái Nguyên có lò với dung tích 101m3. Các lò lớn có thể có dung tích trên 2000m3. Vỏ lò bằng thép dày 25-35mm, tường lò lát gạch chịu lửa, chịu được nhiệt độ 12500C - 14000C. Nồi lò chịu tác dụng của nhiệt độ cao nhất nên phải lát gạch tốt nhất. Để bảo vệ tường lò người ta còn phải có hệ thống không khí vào lò đốt cháy than. Hình VII.2. Sơ đồ của quá trình luyện gang 1. Gầu đựng quặng than; 2. Tời trục; 3. Nạp liệu; 4. Lò cao; 5. Thân lò 7, 6. Bụng lò; 8. Nồi lò; 9. Mắt gió; 10. Lỗ xỉ ra; 11. Lỗ gang ra; 12. Máy lắng bụi; 13. Lò nung gió; 14. Ống khói Gần hông lò người ta có các "mắt gió" để đưa không khí vào lò đốt cháy than. Để giữ nhiệt độ của lò, không khí đưa vào phải đốt nóng sơ bộ, do đó đi với một lò cao thường có hai lò nung gió bằng cách tận dụng nhiệt thừa của lò luyện gang. §3. LUYỆN THÉP I - CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH Nguyên tố chiếm hàm lượng cao nhất trong thép là Fe, ngoài ra trong thép còn có một số các nguyên tố khác như C, Si, Mn, P,S. Hàm lượng của C nhỏ hơn 2%. Nhiệm vụ của quá trình luyện thép là hạ thấp hàm lượng của các nguyên tố này đến __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 86
  6. __________________________________________________________________________ mức cần thiết phù hợp với yêu cầu tiêu dùng bằng cách oxi hóa chúng thành những hợp chất chuyển vào xỉ. Sự oxi hóa của các nguyên tố trong lò luyện thép tuân theo một quy luật chung theo một thứ tự nhất định, nghĩa là tùy thuộc vào điều kiện mà nguyên tố nào bị oxi hóa trước. Muốn thực hiện được nhiệm vụ trên đầu tiên là phải cung cấp cho thép lỏng một lượng oxi cần thiết để oxi hóa sắt thành sắt II oxit (FeO) 2Fe + O2 = 2FeO Tiếp theo đó FeO khuếch tán vào khối gang lỏng tiếp xúc với các nguyên tố khác có trong gang thực hiện quá trình oxi hóa chúng thành xỉ để hạ thấp hàm lượng của chúng và trên cơ sở đó gang chuyển thành thép. Đó là các phản ứng hóa học sau: FeO + Mn = Fe + MnO 2FeO + Si = Fe + SiO2 FeO + C = Fe + CO 5FeO + 2P = 5Fe + P2O5 Các oxit được tạo thành sẽ biến thành xỉ. Điều đáng lưu ý ở đây là S tồn tại trong thép không ở dạng đơn chất mà ở dạng FeS. Do đó muốn khử lưu huỳnh người ta phải đưa thêm CaO vào lò để có phản ứng. FeS + CaO = FeO + CaS CaS không hòa tan trong kim loại và đi vào xỉ. Một vấn đề đặt ra là: Sau khi đã hoàn thành nhiệm vụ oxi hóa các nguyên tố tạp chất có trong thép, FeO dư sẽ đi đâu? Một phần FeO tan trong xỉ, một phần lớn tan trong thép và có ảnh hưởng xấu đến chất lượng thép. Để khử FeO người ta lại đưa vào thép một lượng vừa đủ Mn để hoàn nguyên hết FeO dư trong thép. Như vậy việc duy trì nồng độ oxi trong thép một cách thích hợp là rất quan trọng. Để có được thép dân dụng người ta thường chỉ điều hòa các thành phần sẵn có trong gang trên cơ sở các phản ứng hóa học như đã trình bày ở trên. Muốn có thép đặc biệt đáp ứng cho những mục đích xác định thì phải pha thêm vào thép những nguyên tố khác như Ni, Mo, W, Cr,… __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 87
  7. __________________________________________________________________________ II - CÁC PHƯƠNG PHÁP LUYỆN THÉP 1. Phương pháp lò chuyển Theo phương pháp này nguyên liệu ban đầu đem luyện thép là gang lỏng. Nhiệt cung cấp cho quá trình luyện thép là nhiệt của các phản ứng hóa học cùng với nhiệt của gang lỏng ban đầu. Oxi hoặc không khí được thổi qua gang lỏng để thực hiện các phản ứng hóa học như đã nêu ở phần đầu. Quá trình luyện thép được thực hiện trong hai loại lò: a. Lò Betxơme Betxơme là một kĩ sư người Anh. Năm 1856 đã sáng chế ra một loại lò nấu thép kiểu chuyển động ngược, người ta gọi là chuyển động Betxơme. Luyện thép bằng loại lò này người ta thường gọi là luyện thép theo phương pháp Betxơme. Cấu tạo của lò Lò là một thùng quay hình quả lê (hình VII.3) gồm 3 bộ phận chính: mũ lò, thân lò và đáy lò. Vỏ ngoài làm bằng thép tấm, phía trong xây bằng gạch chịu lửa silicat có tính axit, thành phần chủ yếu là SiO2 (93-97%). Chất trợ dung đưa vào để tạo xỉ cũng có tính chất axit để tránh phản ứng với vỏ, vì vậy luyện thép theo phương pháp này còn gọi là phương pháp axit. Hình VII.3. Lò Betxơme - Giai đoạn 1: không khí thổi qua gang lỏng xảy ra phản ứng: 2Fe + O2 = 2FeO __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 88
  8. __________________________________________________________________________ Trên miệng lò xuất hiện ngọn lửa sáng và rất ngắn. Đồng thời khi ấy cũng xảy ra các phản ứng FeO oxi hóa các nguyên tố khác, phản ứng tỏa ra nhiều nhiệt, nhiệt độ của gang tăng lên thúc đẩy quá trình luyện thép. - Giai đoạn 2: Chủ yếu xảy ra phản ứng FeO + C = Fe + CO Khí CO bốc cháy 2CO + O2 = 2CO2 trên miệng lò xuất hiện ngọn lửa rất dài và sáng chói mắt. Thời gian kéo dài khoảng 9-16 phút. - Giai đoạn 3: Đó là giai đoạn FeO lại bị oxi hóa tiếp thành Fe2O3 bốc theo khói lò có màu nâu. Dấu hiệu này cho biết các nguyên tố khác còn rất ít hoặc hầu như không còn trong gang. Để tránh tổn thất sắt người ta cho vào lò feromangan để hoàn nguyên các oxit sắt thành sắt kim loại. FeO + Mn = Fe + MnO  xỉ Giai đoạn này kéo dài khoảng 1 phút Thời gian nấu một mẻ thép khoảng nửa giờ Nguyên liệu phải có thành phần như sau: C: 3,8 - 4,2, Si  1,75%, Mn : 1% P: 0,05 - 0,07%, S: 0,025 - 0,04% b. Lò Tomat Năm 1878 Tomat, người Anh đã đưa ra một loại lò mới, về cấu trúc bề ngoài tương tự như lò Betxơme, nhưng lớp gạch phía trong vỏ lò là gạch đôlômit có tính chất bazơ và do đó phương pháp này gọi là phương pháp bazơ. Nhờ phương pháp này mà khắc phục được thiếu sót của phương pháp Betxơme là luyện được các gang chứa nhiều P và S. Luyện thép trong lò Tomat cũng xảy ra các giai đoạn như trong lò Betxơme. Ưu điểm nổi bật của phương pháp lò chuyển là vốn đầu tư xây dựng nhỏ, thời gian nấu thép nhanh. Nhưng nhược điểm là nhiệt độ luyện không cao, không kịp điều chỉnh tỉ lệ các cấu tử có trong thép nên chất lượng thép không cao. 2. Phương pháp luyện thép Mactanh __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 89
  9. __________________________________________________________________________ Năm 1965 hai bố con người Pháp là Emili và Pie Mactanh đã đưa ra phương pháp luyện thép kiểu lò buồng. Nhiệt được cung cấp từ ngoài vào, luyện thép tiến hành trong một buồng lò (người ta còn gọi là lò bể). Có 2 loại lò là lò axit và lò bazơ. Cấu tạo của lò Mactanh xem hình VII.4. Nó chia ra làm 2 phần: phần trên và phần dưới. Phần trên gồm thân lò và 2 đầu lò ở hai bên. Thân lò có hình dạng một cái buồng, phía dưới là đáy, phía trên là đỉnh. Tường trước có các cửa nạp nguyên liệu rắn, tường sau có lỗ đổ gang lỏng vào lò. Đáy lò có đường tháo thép dốc ra sau lò. Nếu dẫn khí đốt vào đầu lò bên này, thì đầu lò bên kia là lối khí đi ra, hai đầu lò luân phiên nhau làm việc. Các đầu lò thông với 4 buồng trao đổi nhiệt. Không khí và khí đốt được dẫn vào lò và đốt cháy trên mặt nguyên liệu, tỏa nhiệt cho nguyên liệu làm toàn bộ vật liệu chảy lỏng. Trong điều kiện như vậy xảy ra các phản ứng như nêu ở phần trên. Một lớp xỉ được tạo thành trên mặt thép. Thành phần và tính chất của lớp xỉ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng thép. Oxi thông qua lớp xỉ có tác dụng oxi hóa các tạp chất có trong gang. Cuäün thæï cáúp biãún thãú loì Hình VII.4. Lò luyện thép Mactanh Âiãûn cæûc Nàõp loì Thời gian nấu một mẻ thép kéo dài nhiều giờ nên có đủ thời gian để phân tích, điều chỉnh thành phần của thép theo ý muốn. Lò Mactanh có công suất __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. Theïp Âãú loì 90 Hình VII.5. Lò hồ quang
  10. __________________________________________________________________________ lớn và nhiệt độ luyện thép cao nên tạo ra thép có chất lượng cao hơn so với các lò chuyền. Luyện thép theo phương pháp này đòi hỏi vốn đầu tư lớn. 3. Phương pháp hồ quang Phương pháp này dựa trên cơ sở nhiệt tỏa ra của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy gang hoặc các thép cũ. Nguyên liệu để luyện thép trong các lò hồ quang là các thép cũ, gang rắn. Cấu tạo của lò hồ quang điện gồm 3 bộ phận chính: lò, thiết bị điện và thiết bị nghiêng lò (hình VII.5). Lò có hình dạng như một cái nồi, xây bằng những loại gạch chịu lửa tương tự như lò Mactanh. Đỉnh lò có 3 lỗ để cắm điện vào lò. Đáy lò đặt trên vòng sắt (hay đặt trên bệ, phía dưới có bi) để có thể nghiêng được. Phía trước lò có một cửa nạp nguyên liệu, phía sau có một cửa tháo thép. Dung lượng của lò trong công nghiệp thường từ 3 -80 tấn. Một số nước có lò dung lượng tới 186 tấn. Thiết bị nghiêng lò có tác dụng nghiêng lò đổ thép ra. Quá trình luyện thép: nguyên vật liệu được nạp vào lò theo một tỉ lệ tính toán trước và theo một trình tự thích hợp. Hạ điện cực xuống gần kim loại và đóng mạch điện hồ quang được tạo thành. Dưới tác dụng của nhiệt độ hồ quang phát ra, nguyên liệu bị nấu chảy. FeO có trong kim loại oxi hóa các tạp chất C, Si, Mn, P, v.v… như trong lò Mactanh. Để khử S được triệt để gần cuối thời gian nấu thép người ta cho vôi, huỳnh thạch (CaF2) và bột than cốc vào lò. Ở nhiệt độ cao nhờ có CaO mà C,S bị khử triệt để hơn theo phương trình: FeS + CaO +C = Fe + CaS + CO Cũng ở nhiệt độ cao C trong than cốc tác dụng với CaO thành CaC2. Cao + 3C = CaC2 + CO Nhờ có nhiệt độ cao, ở giai đoạn cuối người ta có thể cho thêm các kim loại khác vào để tạo ra thép hợp kim. Lò điện hồ quang rất thuận tiện trong việc chế tạo ra các loại thép có chất lượng cao và nấu lại các thép cũ để chế tạo các công cụ mới. Nhược điểm của loại lò này là năng suất không cao và giá thành thép cao, nếu điện năng đắt. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 91
  11. __________________________________________________________________________ Ở nước ta trong các nhà máy cơ khí đều có các lò điện hồ quang nhỏ từ 0,5 -1 tấn thép trong một mẻ. CÂU HỎI VII.1. Nguyên tắc luyện gang, giải thích sự khử lưu huỳnh trong quá trình luyện gang. VII.2. Phân biệt gang, thép, các loại gang và thép. VII.3. Cơ sở hóa học của quá trình luyện gang thành thép. Các phương pháp luyện thép. Chương VIII TỔNG HỢP MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ CƠ BẢN §1. SẢN XUẤT ETANOL (RƯỢU ETYLIC C2H5OH) I - TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG Rượu etylic là một trong những sản phẩm hoá học đầu tiên mà loài người biết đến, nhưng các phương pháp sản xuất rượu với quy mô công nghiệp chỉ bắt đầu từ năm 1930. Rượu etylic được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống như dùng làm dung môi, dùng trong ngành y học và công nghiệp thực phẩm. Từ rượu etylic điều chế ra este, clorofom, cloral, đietylete axetic, axit axetic. Rượu etylic còn dùng để điều chế cao su tổng hợp butađien -1.3. Rượu etylic là chất lỏng sôi ở nhiệt độ 780C, tạo với không khí thành hỗn hợp đẳng phí có 95,6% rượu, sôi ở 78,10C. II - CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT 1. Phương pháp lên men __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 92
  12. __________________________________________________________________________ Trước đây etanol được điều chế bằng cách lên men đường hay tinh bột. Phương pháp này cho đến nay vẫn còn được sử dụng phổ biến. Trải qua các công đoạn sau: a/ Quá trình dịch hóa Tinh bột của các loại hạt ngũ cốc: gạo, ngô, khoai, sắn… có lớp màng bền vững bảo vệ khỏi bị men amilaza tác dụng. Mặt khác ở trạng thái bình thường tinh bộ không ở trạng thái hòa tan nên sự tác dụng của men amilaza lên nó rất yếu. Muốn tăng cường quá trình đường hóa cần phải phá vỡ cấu trúc tế bào và chuyển tinh bột về trạng thái hòa tan. Khi nấu nguyên liệu ở nhiệt độ 1200C tuy tinh bột được chuyển thành trạng thái hòa tan nhưng cấu trúc màng tế bào vẫn chưa bị phá vỡ nên tinh bột vẫn chưa hòa tan vào nước. Để đảm bảo tinh bột hòa tan đều người ta thường nấu ở nhiệt độ 145-1550C (với nguyên liệu chưa nghiền kỹ) hoặc 130-1400C (với nguyên liệu đã nghiền kỹ) Để tiến hành dịch hóa có thể áp dụng 3 phương pháp nấu: Nấu gián đoạn, nấu bán liên tục và liên tục. Những biến đổi xảy ra trong quá trình dịch hóa: Khi đun tinh bột với nước lên tới 400C, hạt tinh bột bắt đầu trương nở. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thể tích của hạt tinh bột tiếp tục tăng, mối liên kết giữa các phần tử của hạt tinh bột yếu dần và tới một lúc nào đó thì các phần tử tinh bột được tan ra dung dịch, hiện tượng này gọi là hồ hóa. Trong quá trình, do tiến hành ở nhiệt độ cao và môi trường axit yếu nên xảy ra một số biến đổi phụ sau: Protit bị phân hủy thành axit amin Tinh bột chuyển một phần thành đường. Đường bị caramen hóa một phần và tạo thành melanoidin. Độ axit của dung dịch tăng trong quá trình nấu do photpho trong mối liên kết tinh bột bị đứt ra ở dạng tự do và tạo thành axit photphoric. b/ Quá trình đường hóa: Trong quá trình sản xuất rượu, nấm men không có khả năng chuyển hóa tinh bột thành rượu. Chúng chỉ có khả năng sử dụng đường và chuyển đường thành rượu. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 93
  13. __________________________________________________________________________ Vì vậy sau khi dịch hóa tinh bột cần được chuyển thành đường trước khi lên men. Về lý thuyết sự chuyển tinh bột thành đường có thể xảy ra nhờ sự xúc tác của các chất hóa học (axit, bazơ) hoặc men amilaza (của thóc mầm hoặc nấm mốc). Trong sản xuất rượu người ta chỉ dùng men amilaza để đường hóa. Men amilaza để thủy phân tinh bộ có 2 loại α và β amilaza. - Chuẩn bị dịch amilaza Dịch amilaza dùng để đường hóa có thể lấy từ thóc mầm và nấm mốc, quá trình chuẩn bị dịch amilaza qua các công đoạn chủ yếu sau: + Chuẩn bị dịch amilaza từ thóc mầm: Quá trình này tiến hành như sau: nguyên liệu thóc phân loại làm sạch ngâm nảy mầm sấy nghiền phối chế dịch men Sự chuẩn bị amilaza từ thóc mầm trong sản xuất rượu giống như sự chuẩn bị amilaza từ thóc mầm trong sản xuất bia. Trong điều kiện hiện nay ngành vi sinh vật học phát triển mạnh và ngày càng ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau, vì vậy ngành sản xuất rượu đã áp dụng rộng rãi quá trình đường hóa nhờ dịch amilaza từ nấm mốc vào thực tế sản xuất. Để tiến hành đường hóa khối cháo được tốt ta tiến hành theo thứ tự sau: - Làm lạnh khối cháo đến nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của men amilaza. - Trộn dịch men với khối cháo để làm loãng và đường hóa - Làm nguội dịch đường hóa đến nhiệt độ lên men và bơm sang bộ phận lên men. d/ Quá trình lên men rượu Là quá trình biến đường thành rượu etylic dưới tác dụng của nấm men. Nhiệt độ ủ men 25 - 300C. Hai phản ứng (1) và (2) xảy ra trong khoảng 50 giờ. Từ 1 tấn ngũ cốc cho khoảng 280 kg etanol và 260 kg CO2. Hỗn hợp phản ứng chứa 8-12% etanol. Để đảm bảo quá trình lên men rượu tốt các chủng nấm men dùng trong lên men rượu phải đảm bảo một số yêu cầu sau: + Riết ra nhiều men để lên men nhanh chóng và hoàn toàn dịch lên men. + Có sức lên men mạnh ở nhiệt độ cao. + Có sức kháng cồn và kháng axit cao. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 94
  14. __________________________________________________________________________ + Có khả năng chịu được áp suất thẩm thấu cao và phát triển mạnh trong dịch đường lên men. Lên men rượu là giai đoạn cuối cùng và chủ yếu nhất của quá trình sản xuất rượu. Trong quá trình lên men, các chất men của nấm men thực hiện quá trình thủy phân đường phức tạp thành đường đơn giản, còn các chất đường đơn giản: glucoza, fructoza có thể lên men trực tiếp và nhanh. Quá trình lên men do xúc tác của các tế bào nấm men như sau: đường và các chất dinh dưỡng của môi trường lên men đuợc hấp phụ và khuếch tán vào trong tế bào men. Nhờ các chất men có sẵn trong tế bào men tác dụng, các chất dinh dưỡng được chuyển hóa qua các hợp chất trung gian và cuối cùng tạo thành rượu và CO2, rượu etylic và CO2 tạo thành được khuếch tán qua màng tế bào ra môi trường bên ngoài. Rượu etylic hòa tan trong nước bất kỳ tỷ lệ nào nên tan nhanh ra dung dịch lên men, còn CO2 hòa tan kém hơn trong nước nên nhanh chóng bị bảo hòa trong dung dịch. Khi dung dịch đã bảo hòa CO2 thì CO2 tạo thành được bám quanh tế bào nấm men và lớn dần lên. Lượng CO2 tích tụ lớn đến mức nào đó thắng trọng lượng của tế bào nấm men thì tế bào nấm men được bọt khí CO2 kéo dần lên bề mặt dịch. Khi lên đến mặt thoáng, CO2 được thoát ra và tế bào nấm men có trọng lượng lớn hơn dịch lên men được lắng xuống. Nhờ sự chuyển động lên xuống này mà quá trình lên men được tăng cường. Trong quá trình lên men ngoài rượu etylic còn tạo thành một số sản phẩm phụ như glixerin, axit succinic, axetaldehyt, metylic và một hỗn hợp amilic, butilic…gọi chung là dầu fulzen. Khi lên men thường 95% đường chuyển thành rượu etylic và CO2 còn 5% đường biến thành các sản phẩm phụ khác. Quá trình sản xuất rượu hiện nay ở nước ta và các nước trên thế giới tùy theo điều kiện kỹ thuật mà có thể áp dụng các phương pháp lên men khác nhau: lên men gián đoạn, lên men liên tục và lên men bán liên tục. - Phương pháp lên men gián đoạn: Trong phương pháp này toàn bộ quá trình len men được tiến hành ở một thiết bị và theo từng mẻ. Dịch đường đưa vào lên men được trộn lẫn với 10% men giống và tiến hành lên men. Quá trình lên men được chia làm 2 giai đoạn: Giai đoạn lên men chính và giai đoạn lên men phụ. + Giai đoạn lên men chính: Tốc độ lên men tăng nhanh, lượng rượu được tạo thành chủ yếu ở giai đoạn này, (90-95%) tổng lượng rượu tạo thành. __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 95
  15. __________________________________________________________________________ + Giai đoạn lên men phụ: Tốc độ lên men giảm dần, tiếp tục chuyển hóa phần đường còn lại thành rượu, tạo hương thơm cho sản phẩm. Phương pháp này có nhược điểm là thời gian lên men dài, hiệu suất tương đối thấp, hệ số sử dụng thiết bị không cao. Để khắc phục nhược điểm này người ta áp dụng một số phưưong pháp lên men gián đoạn sau: - Phương pháp lên men chìm - Phương pháp lên men pha dần. - Phương pháp lên men bán liên tục. - Phương pháp lên men liên tục. Dịch đường lên men xong gọi là dấm chín, các chỉ tiêu kỹ thuật của nó được đánh giá bằng các chỉ số sau: + Độ lên men: Là độ đường sau khi lên men. Được tính theo % độ saccaromet. Chỉ tiêu này phụ thuộc vào hàm lượng chất khô hòa tan trong dấm chín và hàm lượng rượu trong đó. Hàm lượng chất khô càng nhỏ, hàm lượng rượu càng lớn thì độ saccaromet càng nhỏ. Độ lên men đo trực tiếp như vậy gọi là độ lên men biểu kiến, còn độ lên men thực là đo bằng dịch lên men đã qua lọc và điều chỉnh đúng thể tích ban đầu.. + Độ axit của dấm chín: Đây là chỉ tiêu đánh giá độ tinh khiết của quá trình lên men. Trong quá trình lên men độ axit tăng lên 0,2% do sự hoạt động sống của nấm men. Nếu độ axit tănglên quá mức cho phép chứng tỏ có sự hoạt động của vi khuẩn (vi khuẩn lactic, axetic…). Độ axit tăng lên có liên quan đến sự giảm hàm lượng đường và ức chế sự hoạt động của nấm men. + Độ rượu của dấm chín là % rượu thu được trong quá trình lên men. Trong quá trình lên men sự chuyển hóa tinh bột thành rượu có thể được biểu diễn bằng hai phương trình sau: (C6H10O5)x + xH2O men xC6H12O6 (1) C6H12O6 Nấm men 2 C2H5OH + 2CO2 (2) e/ Chưng cất và tinh chế rượu etylic: Toàn bộ quá trình chưng cất và tinh chế chia làm 2 giai đoạn, có mục đích khác nhau: __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 96
  16. __________________________________________________________________________ - Giai đoạn chưng cất: Mục đích chủ yếu của giai đoạn này là tách rượu etylic cùng các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi dấm chín, sau khi chưng cất ta thu được cồn thô. Chỉ tiêu chất lượng của cồn thô sau khi chưng cất: Tên tạp chất Trong cồn thô Từ ngũ cốc Từ rỉ đường Aldehyt (tính theo rượu trong ≤ 0,03 ≤ 0,05 nước). Theo % thể tích Este (tính theo axetatetyl) trong ≤ 500 ≤ 700 rượu không nước), mg/l Rượu metylic (tính theo rượu ≤ 0,13 không nước). Theo % thể tích - Giai đoạn tinh chế: Mục đích là tách rượu etylic trong cồn thô ra khỏi các tạp chất dễ bay hơi khác và cuối cùng ta thu được rượu etylic tinh khiết. CO2 là một sản phẩm phụ của quá trình len men dùng để sản xuất nước đá khô và nén vào chai, dùng trong đời sống và sản xuất. Loại rượu vang (do lên men từ nước quả, chứa 10 - 12% rượu), rượu cần (đồng bào dân tộc thường dùng trong ngày lễ hội) là loại rượu không chưng cất. Bia, chứa 3,5 - 5% rượu, được lên men từ mầm đại mạch (một số nước thay bằng ngô, gạo, kê hoặc đường), hoa hublông, nước và men bia. 2. Phương pháp thuỷ phân gỗ Gỗ được thủy phân bằng dung dịch H2SO4 loãng (0,3-1%) ở nhiệt độ 160- 1800C và áp suất 12 atm. Trong quá trình thủy phân các polisaccarit chuyển thành monosaccarit theo phản ứng: (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 xenlulozơ glucozơ Trong gỗ có khoảng 50% xenlulozơ, sau khi thuỷ phân tạo thành glucôzơ theo phản ứng trên tiến hành lên men để tạo thành rượu. 3. Phương pháp tổng hợp __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 97
  17. __________________________________________________________________________ Ngày nay các phương pháp tổng hợp được phát triển, đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp. a) Từ anđehit axetic CH3CHO + H2  CH3CH2OH H = -134,6 kJ/mol Xúc tác cho phản ứng là Ni/chất mang đồng (hoặc đồng- coban, vonfram cromit). Nhiệt độ từ 180 - 2200C, hiệu suất chuyển hoá gần 100%. Phương pháp này cho rượu có nồng độ cao, nhưng giá thành đắt, vì vậy không được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. b) Từ etan 2C2H6 + O2  2C2H5OH Phương pháp này phát triển ở nhiều nước vì etan là nguyên liệu rẻ tiền. Phản ứng tiến hành ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển và nhiệt độ khoảng 2700C. Hiệu suất chuyển hoá đạt 37%. Ngoài ra còn có một số sản phẩm phụ như metanol, anđehit fomic, anđehit axetic, axit fomic, v.v… c) từ etilen CH2 = CH2 + H2O  CH3 - CH3 - OH Bằng hiđrat hoá gián tiếp hoặc trực tiếp etilen người ta thu được rượu etylic. - Nguyên liệu Nhu cầu etilen trong những năm qua tăng rất mạnh. Năm 1970 sản xuất 17 triệu tấn, năm 1980 - 45 triệu tấn, năm 1990 - 56 triệu tấn và năm 1993 - 62 triệu tấn. Etilen là sản phẩm của quá trình cracking và nhiệt phân dầu mỏ. Người ta dùng các phần cất dầu mỏ (xăng, dầu hoả), hoặc khí thiên nhiên và khí chế biến dầu mỏ chứa etan, propan, butan, nhiệt phân trên 7000C (nhiệt độ có thể lên tới 11000C), sau đó chưng phân đoạn ở áp suất thấp để tách riêng các olefin (Kp etilen = -1030C, propilen = -450C, metan = -1600C,….): R1 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -R2  R1 - CH2 - CH2 - CH2. + .CH2 -R2 R1 - CH2 - CH2 - CH2.  R1 - CH2. + CH2 = CH2 R1 - CH2 - CH(CH3) - CH2.  R1 - CH2. + CH3 -CH - CH2 v.v. Hiệu suất tạo thành etilen từ etan có thể lên tới 80%, từ propan và phần cất chứa hiđrocacbon từ C4 ít hơn. Nguyên liệu dạng khí được đưa vào lò ống, dài 35 - 160m, đưòng kính 50 - 120 mm. Sản phẩm nhanh chóng tách ra, để tránh phản ứng __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 98
  18. __________________________________________________________________________ tiếp theo của sản phẩm không no, làm lạnh hỗn hợp khí bằng nước đến 280 -6500C. Sau đó làm lạnh nhiều giai đoạn đến 350C. Qua các giai đoạn làm sạch (H2S, CO2) và làm khô, hoá lỏng để chưng phân đoạn, tách riêng etilen, propilen, phân đoạn C4 và C5, và các sản phẩm có nhiệt độ sôi cao hơn, cũng như CH4 và H2. - Phương pháp hidrat hoá gián tiếp có axit sunfuric tham gia + Cơ chế và các điều kiện phản ứng. Quá trình tiến hành qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Etilen tác dụng với axit sunfuric tạo thành etyl sunfat axit và este đietyl sunfat. C2H4 + H2SO4  C2H5OSO2OH 2C2H4 + H2SO4  (C2H5O)2SO2 Phản ứng thực hiện tốt nhất khi áp suất riêng phần của etilen là 15at nhiệt độ 70-850C và nồng độ axit sunfuric 97 -98%. Nếu nồng độ axit thấp hơn thì tốc độ phản ứng nhỏ. Nếu nồng độ axit cao hơn thì tốc độ phản ứng phụ sẽ lớn. Bằng phương pháp hiđrat hoá olefin có mặt H2SO4 người ta điều chế được các loại rượu etanol, propanol, butanol, iso-butanol. Tùy từng loại olefin mà duy trì các điều kiện kĩ thuật khác nhau. Giai đoạn 2: Thủy phân este bằng nước. C2H5 - O - SO2 -OH + H2O  C2H5 OH + H2SO4 (C2H5O)2SO2 + 2 H2O  2C2H5 OH + H2SO4 Trong quá trình còn có sản phẩm phụ là đietyl ete. Để giảm sản phẩm phụ người ta tách nhanh rượu ra khỏi vùng phản ứng, hay cho dư nước để tiến hành phản ứng thuỷ phân ete. C2H5OC2H5 + H2O  2C2H5OH Nhiệt độ phản ứng thủy phân là 90-1000. Không nên cho dư nhiều nước vì H2SO4 thu được sẽ loãng. Cần tính toán tỉ lệ H2O/H2SO4 sao cho sau khi thủy phân nồng độ H2SO4 không nhỏ hơn 50-60%. Hình VIII.1 là sơ đồ kĩ thuật hiđrat hoá etilen có H2SO4. Nguyên liệu là hỗn hợp có 47-50% thể tích etilen, 50 - 52% etan và 1% chất khác. Dùng máy nén, nén đến áp suất riêng phần của etilen là 30at đưa vào thiết bị hấp thụ (1), H2SO4 96 -98% tưới từ trên xuống, nhiệt độ trong tháp 800C. Để tăng khả năng phản ứng, dùng bơm __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 99
  19. __________________________________________________________________________ (2), bơm một phần dung dịch từ giữa tháp lên đỉnh tháp. Khí từ tháp hấp thụ (1) có hơi axit sunfuric, rượu, ete, sau khi qua van tiết lưu (3), đưa sang tháp (4), dùng nước để rửa. Nước đã rửa đem dùng cho phản ứng thủy phân. Khối phản ứng ở đáy tháp (1) và qua van giảm áp (3), giảm đến áp suất 1,5at, được đưa vào tháp hỗn hợp thuỷ phân (5), trộn lẫn với nước ở thiết bị (4) đưa sang. Sau đó đi vào thiết bị thuỷ phân (6), tiếp tục thủy phân etyl sunfat, bốc hơi rượu và ete. + Dây chuyền hiđrat hóa etilen có H2SO4: 3 8 1 H2SO4 7 5 2 6 9 10 C2H4 11 Hình VIII.1. Sơ đồ sản xuất etanol theo phương pháp Hiđrat hoá etilen có axit sunfuric 1, 4. Tháp hấp thụ : 2. Bơm tuần hoàn ; 3. Van tiết lưu ; 5. Tháp hỗn hợp ; 6. Bốc hơi ; 7. Trung hòa ; 8. Làm lạnh ngưng tụ ; 9. Rửa ; 10. Phân li ; 11. Thùng trung gian. Các cấu tử này được đưa sang thiết bị trung hòa (7), dùng dung dịch NaOH 5% để trung hòa. Sau đó ngưng tụ trong thiết bị (8). Phần ngưng tụ là dung dịch rượu, ete đưa vào thiết bị phân riêng (10), cho thêm nước từ tháp (9) để lắng cặn và tách riêng. Dung dịch rượu - ete có khoảng 25% rượu, 3-5% ete đưa vào thùng chứa (11) và đem đi tinh luyện. - Phương pháp hiđrat hóa trực tiếp etilen Quá trình hiđrat hóa trực tiếp tiến hành một giai đoạn, ở nhiệt độ 280-3000C, áp suất 70at, xúc tác H3PO4/silicagen hoặc alumino silicat. Trong xúc tác chứa 35% H3PO4 tự do. Xúc tác có khả năng làm việc trong 400-500 giờ. Sau đó xúc tác giảm __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 100
  20. __________________________________________________________________________ hoạt tính, phải thay xúc tác mới. Phương pháp hiđrat hóa trực tiếp đơn giản và được phát triển nhanh. Phản ứng hiđrat hóa trực tiếp etilen là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt: CH2= CH2 + H2O  C2H5OH H = - 46,2 Kj/mol. Phản ứng tiến hành trong pha hơi. Do H3PO4 dễ bay hơi và ăn mòn mạnh thiết bị, gần đây người ta nghiên cứu sử dụng xúc tác vonfram oxit WO3. 11 8 10 2 4 12 3 8 8 13 E tilen 6 14 16 15 5 7 1 N aO H R æåüu âem tinh luyãûn Hình VIII.2. Sơ đồ sản xuất etanol bằng phương pháp Hiđrat hóa trực tiếp etilen. 1. Máy nén ; 2. Làm lạnh ; 3. Phân riêng dầu ; 4. Hỗn hợp ; 5. Bơm ; 6,7. Truyền nhiệt ; 8. Van giảm áp ; 9. Phân li áp suất thấp ; 14. Trung hòa ; 15. Phân riêng ; 16. Lò ống. Tỉ lệ hơi nước/olefin là 0,6/1 đến 0,7/1. Mức độ chuyển hóa sau mỗi quá trình 4 - 4,5% theo etilen hoặc 7% theo nước. Hiệu suất xúc tác theo rượu 200 kg/m3h. Sản phẩm thu được là dung dịch rượu 15%. Tuy mức độ chuyển hóa sau mỗi lần nhỏ nhưng do tuần hoàn etilen nên hiệu suất chung của rượu đạt 95%. Lượng olefin còn lại có 2% tạo thành ete, 2% tạo thành polime theo phản ứng: +H2 CH3 - +CH2 +CH2 =CH2 CH2 = CH2   CH3 - CH2 -CH2 CH2  Polime Và một lượng nhỏ tạo thành anđehit theo phản ứng khử hiđro của rượu C2H5OH +H 2 CH3CHO Hình VIII.2. là sơ đồ kĩ thuật sản xuất etanol bằng phương pháp hiđrat hóa trực tiếp etilen. Máy nén (1) nén etilen mới và etilen tuần hoàn đến áp suất 70 - 80at __________________________________________________________________________ Trần Thị Ngọc Bích - Khoa Hoá Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng. 101
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2