Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp sản xuất axit sulfuric Axit sulfuric là một loại hóa chất đã được biết đến từ lâu trong lịch sử loài người (từ thế kỉ thứ 9 bởi người được coi là đã phát hiện ra chất này- nhà giả kim thuật Hồi giáo Ibn Zakariya al-Razi (Rhases)). Axit sulfuric được sử dụng rộng rãi trong các ngành khác nhau của nền kinh tế quốc dân. Nó là sản phẩm quan trọng nhất của ngành công nghiệp hóa học. Được ví như “máu” của các ngành công nghiệp hóa chất.
Axit sulfuric là chất cơ bản được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới. Sản lượng của ngành sản xuất axit sulfuric có thể được coi như một chỉ số kinh tế quan trọng của một quốc gia. Ở các nước có nền kinh tế phát triển, mức độ sản lượng axit sulfuric thường diễn biến song song với xu hướng lên xuống của nền kinh tế. Vì tầm quan trọng của nó đối với nền kinh tế quốc dân, sản lượng axit sulfuric thường được coi như dấu hiệu về tình trạng của toàn bộ ngành công nghiệp sản xuất nói chung ở những nước này.
So với các hóa chất cơ bản như amoniac, sôđa, sản lượng axit sulfuric thường cao gấp 2-3 lần. Các cơ sở sản xuất axit Sunfuaric lớn của nước ta hiện nay hầu hết đều là các đơn vị thành viên của Tập đoàn Hóa chất Việt Nam, có thể kể đến như: Công ty CP Supe Phốtphat và Hóa chất Lâm Thao, Nhà máy Supe Phosphate Long Thành (trực thuộc Công ty CP Phân bón Miền Nam), Nhà máy Hoá chất Tân Bình 2 (trực thuộc Công ty CP Hóa chất cơ bản Miền Nam), Công ty CP DAP-VINACHEM, Công ty CP DAP số 2 VINACHEM. Ngoài ra còn một số đơn vị khác ngoài VINACHEM như: Công ty CP hóa chất phân bón Lào Cai, Công ty CP hóa chất Phúc Lâm và một số công ty khác thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (VINACOMIN; Công ty CP Hóa chất phân bón Lào Cai, hai đơn vị này đều nằm trong khu công nghiệp Tằng Loỏng tỉnh Lào Cai. Tính chất của Axit Sulfuric H2SO4 Axit sulfuric khan là chất lỏng không màu, sánh, khó bay hơi, kết tinh ở 10, 37oC ở áp suất thường, có nhiệt độ sôi ở 336,5oC và kết tinh ở -10oC , khối lượng riêng của axit sulfuric ở 0oC là 1,85 g/cm3.
Nó có khả năng trộn lẫn với nước ở bất kì tỉ lệ nào và khi đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt lớn. SVTH: Nguyễn Hữu Hào – Máy và Thiết bị trong CNHC – K62 8 Đồ án tốt GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Mai nghiệp Axit sulfuric là tên gọi chung của monohydrate và của các dung dịch của nó (H2SO4 + nH2O) cũng như dung dịch trioxit lưu huỳnh hòa tan trong mono hydrat (H2SO4 + nSO3) còn gọi là oleum Ở ngoài không khí oleum bị “bốc khói”, thức ra đó là hiện tượng giải hấp thụ SO3. Axit sulfuric sạch không màu còn axit sulfuric kỹ thuật vì còn nhiều tạp chất nên có màu sẫm.
Axit sulfuric có điểm đẳng phí ứng với 98,3% H2SO4 và nhiệt độ 336,5oC. Ở nồng độ axit 98,3% thì thành phần hơi giống như thành phần dung dịch. Giản đồ sôi hệ H2O – SO3 ở áp suất khí quyển Từ giản đồ sôi hệ H2O – SO3 chỉ ra rằng khi đun nóng axit có nồng độ 80% H 2SO4, nhiệt độ sôi dưới 200oC thì trong pha hơi chứa chứa gần như toàn hơi nước. Khi nồng độ axit lớn hơn 93% trong pha hơi hàm lượng H2SO4 tăng lên.
Kết quả nếu cô đặc axit sunfunric sẽ chỉ thu được axit nồng độ 98,3%. Axit sulfuric có thể đẩy tất cả các axit khác từ muối khi tăng nhiệt độ. Axit sulfuric kết hợp với nước rất mạnh nhờ khả năng tạo thành các hydrat. Nó thu nước của các axit khác, của các tinh thể hydrat và thậm chí thu nước của cả những dẫn xuất hydro cacbon chứa oxy.
Gỗ và các tế bào động thực vật có chứa xenluloja (C6H10O5)n, tinh bột và đường đều bị phân hủy trong axit sulfuric đặc vì nước sẽ liên kết với axit và tế bào chỉ còn lại những hạt cacbon mịn. Khi rơi vào da người axit H2SO4 đặc làm bỏng da. SVTH: Nguyễn Hữu Hào – Máy và Thiết bị trong CNHC – K62 9 Đồ án tốt GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Mai nghiệp 1.
Ứng dụng Trong hóa học, Axit Sulfuric là hóa chất được sử dụng phổ biến hiện nay với những đặc điểm, tính chất hóa học và ứng dụng đặc biệt. Axit sulfuric là hóa chất hàng đầu, được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất với vai trò là nguyên liệu chính hoặc chất xúc tác. Hóa chất H2SO4 được sử dụng rất nhiều trong sản xuất phân bón chất tẩy rửa tổng hợp, sản xuất tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu, … Sử dụng chủ yếu của axít sulfuric (60% sản lượng toàn thế giới) là trong "phương pháp ướt" của việc sản xuất axít phốtphoric, là chất được sử dụng để sản xuất các loại phân hóa học phốtphat cũng như natri triphốtphat để làm bột giặt. Ứng dụng của Axit Sulfuric trong công nghiệp Trong sản xuất công nghiệp: Với những đặc tính hóa học tiêu biểu, axit sulfuric đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp.
Ứng dụng của H2SO4 trong các ngành sản xuất hao tốn khoảng 160 triệu tấn mỗi năm. Cụ thể mức sử dụng trong mỗi ngành như sau: ngành luyện kim chiếm 2%, ngành nhuộm chiếm 2%, chất dẻo chiếm 5%, chất tẩy rửa chiếm 14%, giấy sợi chiếm 8%,. Ứng dụng của axit sulfuric trong quá trình sản xuất kim loại rất rộng, được dùng nhiều nhất trong sản xuất đồng, kẽm. H2SO4 cũng là thành phần chính để làm sạch bề mặt thép và dung dịch tẩy gỉ.
SVTH: Nguyễn Hữu Hào – Máy và Thiết bị trong CNHC – K62 10 Đồ án tốt GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Mai nghiệp Trong sản xuất phân bón: Ứng dụng H2SO4 là rất cần thiết trong ngành sản xuất phân bón. Loại axit này là thành phần quan trọng để sản xuất axit photphoric. Chất này có hầu hết trong các loại phân bón hiện có trên thị trường.
Bao gồm các loại phân sau: Photphat, canxi dihydrogen photphat, amoni photphat. Đồng thời axit photphoric cũng được dùng để tạo ra Amoni sunfat. Trong phương pháp này quặng Apatit được sử dụng hơn 100 triệu tấn hàng năm. Quặng Apatit được xử lý bằng axít sulfuric 93% để tạo ra sulfat canxi (CaSO4), hiđrô florua (HF) và axít phốtphoric (H3PO4).
HF được loại ra trong dạng axít florosilicic (H2SiF6). Một số loại phân bón sulfat như amoni sulfat được sản xuất từ axít sulfuric, mặc dù với sản lượng ít hơn so với các phốtphat. Trong xử lý nước thải: Ứng dụng của H2SO4 trong sản xuất nhôm hidroxit - kết quả của phản ứng giữa axit sulfuric và boxit. Đây là chất quan trọng được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải.
Công dụng của nhôm hidroxit là lọc các loại tạp chất, cân bằng độ pH, đồng thời cải thiện mùi vị cho nước. Hơn thế nữa, chất này còn dùng để loại bỏ các kim loại nặng Mg, Ca để nước không bị phèn. Trong phòng thí nghiệm: Ứng dụng của axit sulfuric trong phòng thí nghiệm chính là điều chế các loại axit yếu hơn như HNO3, HCl. Ngoài ra, các nhà khoa học sẽ thực hiện nhiều loại phản ứng hóa học giữa H2SO4 với các chất khác.
Từ đó, tìm ra được những sản phẩm phục vụ để phát triển kinh tế, quân sự,. Nhờ đó, ứng dụng của axit sulfuric trong đời sống sẽ đa dạng hơn nữa trong tương lai. Tình hình tiêu thụ và sản xuất axit trong và ngoài nước Canada là quốc gia xuất khẩu axit sunfuric hàng đầu thế giới. Năm 2020, quốc gia Bắc Mỹ này đã xuất khẩu gần hai triệu tấn axit, với giá trị xấp xỉ 153 triệu đô la Mỹ.
Xếp thứ hai là Qatar, quốc gia xuất khẩu hơn 141 triệu đô la Mỹ axit sulfuric. SVTH: Nguyễn Hữu Hào – Máy và Thiết bị trong CNHC – K62 11 Đồ án tốt GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Mai nghiệp Hình 1.3 Giá trị xuất khẩu axit sulfuric trên thế giới năm 2020 Hằng năm, trên thế giới sản xuất 160 triệu tấn H2SO4. Axit sulfuric là hóa chất hàng đầu trong nhiều ngành sản xuất: + Phẩm nhuộm 2% + Luyện kim 2% + Chất dẻo 5% + Chất tẩy rửa 14% + Giấy, sợi 8% + Sợi visco + Sợi axetat + Sơn 11 % + Phân bón 30% + Phân lân + Amoni sunfat + Phân NPK Những ứng dụng khác 28%: Dầu mỏ, thuốc nổ, Acquy, dược phẩm, thuốc trừ sâu.
SVTH: Nguyễn Hữu Hào – Máy và Thiết bị trong CNHC – K62 12 Đồ án tốt GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Mai nghiệp Chương 2: Công nghệ sản xuất Axit Sulfuric theo phương pháp tiếp xúc 2.1 Sơ lược công nghệ sản xuất H2SO4 Công nghệ sản xuất axit sulfuric có ba công nghệ là công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx và công nghệ CaSO4. Tất cả ba công nghệ này đều có nguyên lý chung là thu SO2 từ các nguyên liệu đầu vào khác nhau như lưu huỳnh, pyrit, CaSO4, khí thải có lưu huỳnh oxit, .Sau đó, khí SO2 được oxi hóa thành SO3 qua các tháp tiếp xúc (có sử dụng các chất xúc tác). Cuối cùng thì qua quá trình hấp thụ trong axit loãng SO3 sẽ thành H2SO4.
Công nghệ tiếp xúc hiện nay là công nghệ sản xuất axit sulfuric hiện đại nhất được sử dụng trên thế giới để sản xuất axit sulfuric trong công nghiệp. Theo công nghệ sản xuất H2SO4 này thì ta có 2 loại dây chuyền sau: Tiếp xúc đơn (dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 1 lần): Dây chuyền tiếp xúc đơn hay còn gọi là dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ một lần. Đây là dây chuyền đã từng được sử dụng rất rộng rãi vào trước những năm 1970. Hiệu suất của quy trình đạt đến 98% trong việc chuyển hóa SO2 thành SO3.
Tuy nhiên phần SO2 còn lại không chuyển hóa sẽ gây ô nhiễm môi trường vì nó bị thải vào bầu khí quyển. Tiếp xúc kép (dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 2 lần): Do những quy định nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường mà từ sau 1970 dây chuyền tiếp xúc đơn đã dần bị loại bỏ. Dây chuyền tiếp xúc kép hay còn còn là dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ hai lần. Dây chuyền này đã khắc phục được yếu điểm của dây chuyển tiếp xúc đơn.
Lượng chuyển hóa của SO2 khi ứng dụng dây chuyền này lên đến 99,9%. Dây chuyền này đảm bảo lượng khí thải SO2 trong không khí nằm trong giới hạn cho phép là 500 mg/m3. Một số quy trình sản xuất axit sulfuric sử dụng công nghệ tiếp xúc kép điển hình như MONSANTO, NORAM - CECEBE. Công đoạn sản xuất axit sulfuric trải qua nhiều bước và các phản ứng hóa học khác nhau.