Tiểu luận ăn mòn kim loại trong sản xuất

ĂN MÒN KIM LOẠI TRONG SẢN XUẤT
ACID PHOTPHORIC
I . Tính Chất Của acid photphoric :

1 . tính chất vật lý :
Acid photphoric là chất rắn tinh thể không màu, khối lượng riêng
1,87 g/cm3; nhiệt độ nóng chảy bằng 42,35
0
C (dạng H
3
PO
4
.H
2
O có
nhiệt độ nóng chảy 29,32
0
C) , phân huỷ ở 213
0
C. Tan trong etanol ,
nước (với bất kì tỉ lệ nào). Trong cấu trúc tinh thể của nó gồm có
những nhóm tứ diện PO
4
, liên kết với nhau bằng liên kết hidro. Cấu
trúc đó vẫn còn được giữ lại trong dung dịch đậm đặc của axit ở
trong nước và làm cho dung dịch đó sánh giống như nước đường.
2 . tính chất hóa học :
Trong phân tử axit photphoric P ở mức oxi hóa +5 bền nên axit
photphoric khó bị khử, không có tính oxi hóa như axit nitric. Khi
đun nóng dần đến 260
o

C, axit orthophotphoric mất bớt nước, biến
thành axitdiphotphoric(H
4
P
2
O
7
); ở 300
0
C, biến thành axit
metaphotphoric (HPO
3
). Axit photphoric là axit ba nấc có độ mạnh
trung bình, hằng số axit ở 25
0
C có các giá trị :

K1 = 7.10
–3
, K2 = 8.10
–6
, K3 = 4.10
–13
.

Dung dịch axit photphoric có những tính chất chung của axit như
đổi mà quỳ tím thành đỏ, tác dụng với oxit bazo, bazo, muối, kim
loại. Khi tác dụng với oxit bazo hoặc bazo, tùy theo lượng chất tác
dụng mà sản phẩm là muối trung hòa, muối axit hoặc hỗn hợp
muối .

Ứng dụng của acid photphoric là bán thành phẩm trong quá trình
sản xuất phân bón dược phẩm , thức ăn gia súc , làm chất xúc tác
trong tổng hợp hữu cơ, chất tẩm gỗ chống cháy .
Điều chế acid trông công nghiệp bằng :
-phương pháp trích li .
-phương pháp nhiệt luyện .
II . ĐIỀU CHẾ ACID PHOTPHORIC TRONG CÔNG NGHIỆP :
1 . phương pháp nhiệt luyện :

Ðiều chế H3PO4 bằng cách Oxi hóa Photpho trong không khí :
4P + 5O2 = 2P2O5
2P2O5 + H2O = 2HPO3 Acid metaPhotphoric
HPO3 + H2O = H3PO4 Acid octoPhotphoric

Photpho rắn đưa vào thùng để nấu chảy bằng hơi nước , Photpho
đưa lên thùng cung ứng rồi đưa qua thùng hoãn xung để vào vòi
phun của buồng đốt làm bằng gạch chịu acid ,Photpho cháy trong
không khí tạo thành P2O5 và HPO3 qua ống dẫn khí vào tháp
hydrat hóa (Nước hoặc acid loãng được phun trong ống vào
tháp ) .Trong tháp P2O5 chuyển hóa hoàn toàn thành HPO3 .
Tùy theo điều kiện nhiệt độ hơi nước , chúng được hydrat hoá thành
H3PO4 hoặc các acid polyPhotphoric (H4P2O7 hoặc H5P3O10 ,
H6P4O13 ) H3PO4 lấy ra khỏi tháp với nồng độ 45 - 60%.
Một phần tồn tại dưới dạng mùn theo đường ống vào tháp lọc điện
có điện cực ngưng tụ bằng than và điện cực phóng điện bằng bạc
làm việc ở nhiệt độ 150oC và ngưng tụ tới 90 - 99% acid có trong
thùng.
2 . phương pháp trích ly :
Phương pháp này thực hiện bằng cách xừ lý Photphat thiên nhiên

(thường là Apatit) bằng H2SO4 .
Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF
Trong quặng còn ít quặng Cacbonat cũng phản ứng với H2SO4
CaCO3 + H2SO4 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2
CaCO3.MgCO3 + H2SO4 = CaSO4.2H2O + MgSO4 + CO2
HF tạo thành sẽ tác dụng với SiO2 :
6HF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O
Quá trình phải được thực hiện ở nhiệt độ 70 ( 80oC.


3. Cô đặc acid Photphoric:
Acid Photphoric Ðiều chế bằng phương pháp trích ly có nồng độ
khoảng 18 (23% nên thường được cô đặc đến nồng độ 38 ( 40%
H3PO4 .
Trong công nghiệp ,người ta dùng 2loại thiết bị cô đặc H3PO4:
- Sục bọt .
- Hút chân không .
Nguyên lý cô đặc kiểu suc bọt là cho khí cho khí lò sục qua lớp acid,
thiết bị cô đặc kiểu sục bọt gồm có :1 buồng bằng thép , bên trong
có gạch chịu acid. Phương pháp cô đặc kiểu sục bọt có ưu điểm là
nhanh , nhưng có nhược điểm là tạo nhiều mùn acid.
Quá trình cô đặc chân không được thực hiện trong thiết bị bay hơi
chân không kiểu ống chùm ngang .Hơi đi trong ống , còn acid đi
trong không gian ngoài ống ,thiết bị được hút chân không bằng hệ
thống phun tia - ngưng tụ .
Thiết bị cô đặc kiểu hút chân không có nhược điểm là cấu tạo phức
tạp tốn nhiều chì và kim loại chịu acid, điều kiện làm việc phức tạp,
thiết bị dễ đọng kết tủa.
III. Đặc Điểm Môi Trường :

Việc sản xuất acid photphoric là công việc quan trọng cho sản
xuất phân bón và các thành phẩm khác . Môi trường axit photphoric
là môi trường có độ mạnh trung bình . Sự ăn mòn trong môi trường
phụ thuộc nhiều vào thành phần cấu tạo chất đầu vào , nhiệt độ , tốc
độ chảy của acid , khuấy trộn và cô đặc acid . Trong quá trình sản
xuất tạo ra nhiều chất có tác dụng ăn mòn cao như Flo , Clo , HF ,
tạo nhiều chất rắn như SiO2 , tinh thể thạch cao ….
IV . Cơ Chế Ăn Mòn Trong Môi Trường Acid :
Trong môi trường acid H3PO4 cơ chế ăn mòn chính sảy ra như
sau:
Phản ứng anot : Mne -> Mn+ + ne

Phản ứng catot : 2nH+ + 2ne -> nH2
O2 + 2H+ + 4e -> 2H2O
-ngoài ra còn phản ứng : 2H2O + 2e -> H2 + OH-

Sự khuếch tán ion H+ và sự hòa tan O2 vào trong dung dịch như sau:
- ion H+ đi từ trong dung dịch lại sát gần bề mặt kim loại tại đó nó
nhận điện tử và trở thành phân tử H2 . Còn O2 khuếch tán từ môi
trường ngoài vào trong dung dịch và trao đổi e để trở thành ion .
IV . CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ ĂN MÒN
TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ACID :

Ngoài 2 yếu tố là H+ và O2 trong quá trình sản xuất acid H3PO4 sự
ăn mòn còn chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng . Do sự lựa chọn nguyên
liệu , do phương pháp sản xuất Hiện nay phương pháp trích ly
được thực hiện nhiều nhất vì nó có giá thành rẻ và tiện lợi khi dùng
quặng . Sau đây ta nghiên cứu quá trình ăn mòn trong sản xuất axit
bằng phương pháp trích ly :
1. khí flo :

Trong quặng photphat đều chứa hàm lượng Flo . khi nung quặng flo
sẽ phát tán ra trong quá trình sản xuất . Flo là chất khử mạnh nhất
trong các chất nên nó dễ dàng tác dụng với kim loại làm hư hỏng
thiết bị :

Phản ứng anot : F + 1e -> F-
Phản ứng catot : Mne -> Mn+ + ne
2. axit HF :
được tạo ra do phản ứng :
Ca5(PO4)3F + 5H2SO4 + 10H2O = 3H3PO4 + 5(CaSO4.2H2O) + HF
HF là acid có tính oxh mạnh . làm nên là môi trường sảy ra ăn mòn
lớn :
2nHF + 2M -> nH2 + 2MFn
3 . khí clo :

Tạo ra do clo chứa trong quặng thiên nhiên . Tuy hàm lượng
không cao nhưng Clo là chất ăn mòn mạnh . Nó có thể ăn mòn cả
hợp kim không gỉ như austenit , đặc biệt trong thiết bị có nhiệt độ
cao và nồng độ clo cao .

Phản ứng anot : Cl + e -> Cl-
Phản ứng catot : M -> Mn+ + ne
4 . lượng chất rắn không tan như thạch cao , oxit silic , tạp chất
trong axit làm mài mòn kim loại khi chuyển động trong các thành
ống và khuấy trộn .Các chất không tan phá vỡ các màng thụ động
của kim loại tạo điều kiện cho ăn mòn sảy ra nhanh chóng hơn .
5 . sự tạo thành khí H2S :
Trong quặng chứa S , khi sản xuất tạo ra khí H2S . H2S là chất có
tính khử lớn , nó có tác dụng làm môi trường cho các phản ứng với
các hợp chất khác. ví dụ :

H2S + Cl2 + H2O = H2SO4 + HCl
Tăng nồng độ axit làm cho quá trình ăn mòn nhanh hơn .
6 . khi vận chuyển axit sự chảy của dòng acid , tốc độ chảy ảnh
hưởng đến tốc độ ăn mòn . Đặc biệt trong quá trình cô đặc , quá
trình khuấy trộn acid . Tốc độ càng cao sự mài mòn , và nồng độ
ion càng tăng nên làm tăng tốc độ ăn mòn .
V . Phương Pháp Bảo Vệ Kim Loại Khỏi Bị Ăn Mòn :
Các nghiên cứu chỉ ra rằng , phương pháp chống ăn mòn tốt nhất
trong môi trường acid là tạo ra lớp màng bảo vệ hay là lớp oxit hoặc
lớp thụ động trên bề mặt vật liệu . Lớp bảo vệ cần phải đồng nhất để
bảo vệ toàn bộ bề mặt vật liệu . Để làm được điều này , nguyên tố
Crôm là thích hợp nhất . Các nguyên tố khác như môlipđen và nitơ
cũng giúp ổn định và tái lập những lớp thụ động như vậy. Nếu axit
H3PO4 có hàm lượng clorua cao, hợp kim cần phải có thành phần
crôm và molypđen với hàm lượng cao để tránh nguy cơ ăn mòn.Hiện
nay người ta dùng thép không gỉ austenit chứa 4% Mo .
Đối với bình phản ứng chứa H3PO4 và H2SO4 các hệ thống rửa
khí , vận chuyển acid thì sử dụng chất dẻo gia cường bằng sợi thủy
tinh (fibreglas reinforced plastic) (FPR) . FPR có tác dụng tăng độ
cứng và độ bền cho vật liệu . Ở một số FPR mới thành phần chống ăn
mòn có thể là nhựa dẻo hoặc nhựa nhiệt rắn .
Đối với các thành phần có tính chất mài mòn phụ thuộc vào chất
phản ứng đầu ( quặng ) thì phải nghiền nhỏ quặng trước khi đưa vào
sản xuất .
Để giảm thành phần clo , flo thì tìm nguồn quặng có lượng clo ,
flo thấp .
Đối với Flo , nó có tính ăn mòn mạnh , nhưng lại là chất được có
giá trị trên thị trường , nên người ta dùng nhiều phương pháp để tách
Flo ra trong qúa trình sản xuất . Ở đây chỉ nói về vấn đề ăn mòn nên

quá trình tách Flo không đề cập đến .
Ở thiết bị cô axit phốtphoric, việc dừng máy sẽ làm chi phí vận
hành tăng cao, vì vậy các chi tiết thiết bị cần liên tục được cải tiến để
kéo dài thời gian hoạt động của toàn bộ thiết bị. Ví dụ, người ta thường
sử dụng ống graphit trong bộ phận trao đổi nhiệt vì loại ống này có khả
năng truyền nhiệt lớn và chịu được ăn mòn. Tuy nhiên ống graphit dễ
bị gẫy, vỡ khi đang hoạt động và trong lúc duy tu bảo dưỡng, do đó xu
hướng hiện nay là dùng ống kim loại (hợp kim) thay cho ống graphit.
Các loại hợp kim dùng để chế tạo ống trao đổi nhiệt là G-3, Sanicro 28,
G-30 và Alloy 31. Tuy nhiên, việc sử dụng những hợp kim nói trên cho
thiết bị cô H3PO4 có hàm lượng tạp chất cao chỉ nên giới hạn ở nhiệt
độ cô dưới 120oC .
Bên cạnh các hợp kim, các vật liệu thay thế khác như thép lót cao
su, thép cacbon lót gạch chịu axit, thép cacbon lót nhựa, cũng được
sử dụng trong môi trường axit H3PO4

Kết Luận
Sản xuất acid H3PO4 rất quan trong trong nghành sản xuất phân
bón , bên cạnh đó việc chống ăn mòn trong quá trình sản xuất là vấn
đề hàng đầu trong quá trình sản xuất. Trên đây là nhưng vấn đề ăn
mòn mà nhóm em tìm hiểu để hiểu hơn về hiện tượng ăn mòn trong
sản xuất axit .
Bài tiểu luận của nhóm em chỉ tập trung vào vài vấn đề chính của
môi trường sản xuất acid và còn hạn chế về cơ chế ăn mòn nên
không tránh khỏi thiếu sót .