Luận án tiến sĩ về công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan tại Việt Nam

• Người hướng dẫn: Phan Đình Tuấn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Clo Hóa Sản Xuất TiCl4 Từ Xỉ Titan Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CLO HÓA NGUYÊN LIỆU TITAN
• 1.1. Ứng dụng của titan và hợp chất titan
• 1.2. Công nghệ chế biến nguyên liệu titan
• 1.3. Phương pháp cacbon-clo hóa nguyên liệu titan
• 1.4. Cơ sở khoa học phản ứng cacbon-clo hóa TiO2
• 1.5. Cơ chế phản ứng cacbon-clo hóa TiO2
• 1.6. Động học phản ứng cacbon-clo hóa TiO2
• 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cacbon-clo hóa nguyên liệu titan
• 1.8. Kỹ thuật tinh chế TiCl4
• 1.9. Yêu cầu chất lượng nguyên liệu titan cho quá trình cacbon-clo hóa
• 1.10. Tiền xử lý nguyên liệu nghèo titan
• 1.11. Các phương pháp tinh chế TiCl4
• 1.12. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.13. Những đóng góp từ nghiên cứu của Luận án
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC HIỆN
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
• 2.2. Các thiết bị quy mô phòng thí nghiệm
• 2.3. Hệ thống thiết bị quy mô pilot
• 2.4. Chuẩn bị viên nguyên liệu
• 2.5. Các phương pháp phân tích
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC MÔ TẢ TOÁN HỌC
• 3.1. Mô hình hóa phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu
• 3.2. Các giả thuyết về tính chất hóa lý
• 3.3. Giả thuyết về cơ chế phản ứng cacbon-clo viên nguyên liệu
• 3.4. Xây dựng mô hình phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu
• 3.5. Phương pháp giải
• 3.6. Mô hình hóa thiết bị chưng cất TiCl4 quy mô pilot
• 3.6.1. Mục tiêu xây dựng mô hình
• 3.6.2. Các giả thuyết đặt ra để xây dựng mô tả toán học cho thiết bị chưng cất
• 3.6.3. Thiết lập mô hình
• 3.6.4. Giải mô hình theo phương pháp số
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Nghiên cứu chế tạo viên nguyên liệu
• 4.1.1. Đánh giá tính chất nguyên liệu và viên nguyên liệu
• 4.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng than cốc : xỉ titan và đường kính viên nguyên liệu đến độ chuyển hóa TiO2
• 4.1.3. Tính chất phần rắn sau phản ứng
• 4.2. Nghiên cứu động học phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu
• 4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 4.2.2. Ảnh hưởng của áp suất riêng phần Cl2 đầu vào
• 4.2.3. Thiết lập mô hình độ chuyển hóa TiO2
• 4.2.4. Cacbon-clo hóa các viên nguyên liệu trên thiết bị quy mô pilot
• 4.3. Nghiên cứu kỹ thuật tinh chế TiCl4
• 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành tháp chưng
• 4.3.2. Nghiên cứu cải tiến phương pháp chưng cất để tinh chế TiCl4
• 4.3.3. Tinh chế TiCl4 trên quy mô pilot
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng quan về công nghệ clo hóa nguyên liệu titan

Công nghệ clo hóa là một trong những phương pháp chính để chế biến nguyên liệu titan, đặc biệt là xỉ titan. Công nghệ clo hóa cho phép chuyển hóa TiO2 trong xỉ titan thành TiCl4, một hợp chất trung gian có khả năng tinh chế cao. Quá trình này không chỉ giúp nâng cao giá trị kinh tế của xỉ titan mà còn tạo ra sản phẩm có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Theo nghiên cứu, quá trình clo hóa diễn ra hiệu quả nhất ở nhiệt độ 950 °C và áp suất riêng phần Cl2 là 0,3 at. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt được hiệu suất cao nhất trong việc sản xuất TiCl4 từ xỉ titan.

1.1 Ứng dụng của TiCl4 trong công nghiệp

TiCl4 là một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt trong sản xuất TiO2. Ứng dụng TiCl4 không chỉ giới hạn trong việc sản xuất bột màu mà còn mở rộng ra các lĩnh vực như sản xuất vật liệu chịu nhiệt, chất xúc tác và trong ngành điện tử. Việc sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam không chỉ giúp giảm thiểu lãng phí tài nguyên mà còn tạo ra giá trị gia tăng cho sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng TiCl4 có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm cuối cùng, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm titan trên thị trường quốc tế.

II. Phân tích quá trình cacbon clo hóa xỉ titan

Quá trình cacbon-clo hóa là một bước quan trọng trong việc chuyển hóa xỉ titan thành TiCl4. Quá trình cacbon-clo hóa diễn ra thông qua phản ứng giữa TiO2 và cacbon trong môi trường có Cl2. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như nhiệt độ và áp suất riêng phần Cl2 có ảnh hưởng lớn đến độ chuyển hóa của TiO2. Kết quả cho thấy rằng độ chuyển hóa đạt cao nhất khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ 950 °C. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát các điều kiện phản ứng để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất TiCl4 từ xỉ titan.

2.1 Động học phản ứng cacbon clo hóa

Động học của phản ứng cacbon-clo hóa được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế và tốc độ phản ứng. Các mô hình động học đã được xây dựng để mô tả quá trình này, cho thấy rằng tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước hạt, nhiệt độ và áp suất. Việc hiểu rõ động học phản ứng không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế thiết bị quy mô lớn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến việc sản xuất TiCl4 với độ tinh sạch cao hơn, từ đó nâng cao giá trị của xỉ titan Việt Nam.

III. Kỹ thuật tinh chế TiCl4

Sau khi sản xuất TiCl4, việc tinh chế sản phẩm này là rất quan trọng để đạt được độ tinh sạch cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp. Kỹ thuật tinh chế TiCl4 thường bao gồm các phương pháp như chưng cất đơn giản và chưng cất kết hợp với tiền xử lý hóa học. Nghiên cứu đã phát triển quy trình tinh chế hai bước, cho phép thu được TiCl4 với độ tinh sạch cao, đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp. Việc áp dụng các thông số công nghệ từ thí nghiệm vào quy trình sản xuất quy mô pilot đã chứng minh tính khả thi của quy trình này.

3.1 Quy trình chưng cất TiCl4

Quy trình chưng cất TiCl4 được thiết kế để tối ưu hóa việc thu hồi sản phẩm và giảm thiểu lãng phí. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thông số vận hành chính xác có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chưng cất. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc kết hợp giữa chưng cất đơn giản và chưng cất có tiền xử lý hóa học có thể tạo ra sản phẩm TiCl4 với độ tinh sạch cao hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao giá trị của sản phẩm mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong ngành công nghiệp hóa chất.