luận văn công nghệ hóa học THIẾT KẾ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 130.000 TẤN NĂM TỪ KHÍ THẢI LÒ LUYỆN ĐỒNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn 3
Lời nói đầu 4

PHẦN THỨ NHẤT
LÝ THUYẾT
PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM, CÁC NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT 5
I. Tính chất axit sunfuric và ôleum 5
1. Khái niệm chung 5
2. Vài tính chất của axit và ôleum 5
II. Tính chất của SO
2
và SO
3
9
1. Anhydrit Sunfurơ: SO
2
9
2. Anhydrit Sunfuric: SO
3
10
III. Các nguyên liệu sản xuất axit Sunfuric 10
1. Quặng Pirit 10
2. Lưu huỳnh nguyên tố 11
3. Thạch cao 12
4. Các chất thải có chứa S 12
IV.Ứng dụng, tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại Việ Nam và trên thế giới 13
1.Ứng dụng của axit sunfuric 13
2.Tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại việt Nam và trên thế giới 14

PHẦN II: CƠ SỞ HÓA LÝ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H
2
SO
4
17
I. Sản xuất khí SO
2
17
1. Nguyên liệu 17
2. Sấy khí 22
II. Quá trình oxy hóa SO
2
trên xúc tác V
2
O
5
24
1. Phản ứng 24
2. Chất xúc tác dựng để ôxy hóa SO
2
26
3. Cơ chế của phản ứng giữa O
2
và SO
2
trên bề mặt xúc tác rắn 26
4. Động học quá trình oxy hóa SO
2
trên xúc tác Vanađi 27
5. Điều kiện ôxy hóa trên xúc tác Vanađi 27

III. Quá trình hấp thụ 29
PHẦN III: CHỌN VÀ BIỆN LUẬN DÂY CHUYỀN - THIẾT BỊ 31
1. Dây chuyền công nghệ 31
2. Chọn các thiết bị trong dây chuyền sản xuất 31
3. Thuyết minh dây chuyền sản xuất 34

PHẦN THỨ HAI
TÍNH CÂN BẰNG CHẤT- CÂN BẰNG NHIỆT
CÔNG ĐOẠN TINH CHẾ KHÍ LÒ
A. Lò đốt 36
B. Nồi hơi nhiệt thừa 38
C. Xyclon 41
D. Lọc điện khô 44
SVTH: Cù Thái Sơn Page 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
E. Tháp rửa I 46
F. Tháp rửa II 51
G. Lọc điện ướt I 55
H. Tháp ăng ẩm 57
I. Lọc điện ướt II 62
J. Tháp sấy khí 64
BỘ PHẬN CHUYỂN HÓA
A. Tháp chuyển hóa 68
I. Cân bằng chất 68
1. Lớp xúc tác I 68
2. Lớp xúc tác II 70
3. Lớp xúc tác III 71
4. Lớp xúc tác IV 72
II. Cân bằng nhiệt 74
B. Bộ phận trao đổi nhiệt III 78

C. Bộ phận trao đổi nhiệt II 79
D. Bộ phận trao đổi nhiệt I 81
E. Bộ phận trao đổi nhiệt bằng nước V 82
G. Tháp hấp thụ trung gian I 84
H. Bộ phận trao đổi nhiệt IV 87
I. Bộ phận trao đổi nhiệt bằng nước VI 88
K. Tháp hấp thụ cuối II 90
PHẦN THỨ BA
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
A. Các thiết bị chính 93
I. Tháp oxy hóa 93
1. Xây dựng đường cân bằng và đường nhiệt độ thích hợp 93
2. Tính thời gian tiếp xúc cho các lớp xúc tác 101
3. Thể tích xúc tác 111
4. Kích thước tháp tiếp xúc 112
5. Trở lực của tháp 113
II. Các trao đổi nhiệt 115
III. Tháp hấp thụ trung gian 119
B. Các thiết bị khác 125
I. Nồi hơi nhiệt thừa 125
II. Xyclon 125
III. Lọc điện khô 125
IV. Tháp rửa I 126
V. Tháp rủa II 126
VI. Tháp tăng ẩm 127
VII. Lọc điện ướt I, II 127
VIII. Tháp sấy 127
Kết luận 129
Tài liệu tham khảo 130

SVTH: Cù Thái Sơn Page 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Trong những năm học qua, quớ thầy cô giáo đã từng bước dẫn dắt em có được
những kĩ năng tính toán lí luận của một người kĩ sư để làm đồ án. Nội dung đề tài chắc
chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong muốn được quớ thầy cô góp ý xây dựng để đạt
đến sự hoàn thiện nhất. Nhờ sự giảng dạy tận tình của quớ thầy cô trong bộ môn công
nghệ vô cơ mà nhất là lòng đầy nhiệt tình, tận tâm của cơ QUÁCH THỊ PHƯỢNG
kính mến, đồng thời được sự giúp đỡ của bạn bè và nỗ lực của bản thân em đã hoàn
thành tốt nghiệp.
Em xin trân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô của bộ môn công nghệ vô cơ trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Và em cũng xin trân thành cảm ơn cơ QUÁCH THỊ
PHƯỢNG đã định hướng cho phương pháp thiết kế, suy luận, tính toán. Xin cảm ơn
các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành đồ án này.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI MỞ ĐẦU
Từ lâu loài người đã biết đến axit sunfuric. Đầu tiên người ta chế tạo bằng cách
chưng sắt sunfat, đến nửa thế kỉ XV, họ đốt diêm tiêu trong các bình chứa lớn và thêm
nước để sản xuất axit sunfuric dùng trong y học. Đến năm 1770, nhà máy sản xuất axit
sunfuric đầu tiên được xây dựng ở nước Anh. Nguyên tắc là đốt lưu huỳnh và muối
nitrat trong các bình kim loại sau đó dựng nước hấp thụ khí bay ra trong bình thủy
tinh, và đầu thế kỉ XIX họ bắt đầu đốt lưu huỳnh trong lò đốt.
Cuối năm 2007, nhân dịp kỷ niệm 100 năm thành lập tỉnh Lào Cai (01/12/1907 -
01/12/2007) toàn bộ dự án tổ hợp Đồng Sin Quyền Lào Cai đó đi vào hoạt động sản
xuất đồng bộ. Tổng công ty Khoáng Sản - Vinacomin ngày càng đầu tư chiều sâu, mở
rộng nâng cao công suất khai tuyển và công suất nhà máy Luyện Đồng đáp ứng nhu
cầu của nền kinh tế Quốc dân, giảm nhập khẩu, tạo sức bật tăng trưởng và phát triển
của của Tổng Công ty khoáng sản và Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng Sản –
Vinacomin.

Công ty Luyện Đồng Lào Cai có quy mô sản xuất lớn, lần đầu tiên xây dựng ở Việt
Nam với dây chuyền công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại, quy mô sản xuất khép kín từ
khâu nguyên liệu đầu vào đến khi ra thành phẩm. Ngoài luyện Đồng, nhà máy còn sản
xuất axit sunfuric, ôxy
Đề tài “Thiết kế dây chuyền sản xuất axit sunfuric 130.000 tấn/năm đi từ khí
thải lò luyện đồng ” là công việc tập sự làm kĩ sư của một sinh viên. Phạm vi đề tài
không thể đưa ra hết các lí luận lí thuyết cũng như tính toán chi tiết cho từng công
đoạn sản xuất trong công nghệ sản xuất axit sunfuric. Ở phạm vi đề tài chỉ đề cập tới
sản xuất axit sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc kép là phương pháp phổ biến nhất
hiện nay ở trong nước và trên toàn thế giới.
Nội dung đồ án của em gồm có:
-Giới thiệu về sản phẩm, các nguyên liệu sản xuất.
-Cơ sở hóa lý quá trình sản xuất axit sunfuric
-Chọn và biện luận dây chuyền, thiết bị
-Tính kỹ thuật: + Tính cân bằng chất và cân bằng nhiệt toàn phân xưởng
+Tính kích thước chủ yếu của thiết bị chính
SVTH: Cù Thái Sơn Page 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ph n th nh tầ ứ ấ
lý thuy tế
PHẦN I
GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM, NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT
I. Tính chất axit sunfuric và oleum
1. Khái niệm chung
Trong kỹ thuật, hỗn hợp theo tỷ lệ bất kỳ của SO
3
với H
2
O đều gọi là axít sunfuric.
Nếu tỷ lệ SO

3
: H
2
O < 1 gọi là dung dịch axít sunfuric
SO
3
: H
2
O > 1 gọi là dung dịch của SO
3
trong axít sunfuric hay ôleum hoặc axít bốc
khói.
Thành phần của dung dịch axít sunfuric được dặc trưng bằng % khối lượng H
2
SO
4
hoặc
SO
3
.
2. V ài tính chất của axít sunfuric và ôleum
Axít sunfuric khan là chất lỏng không màu, sánh kết tinh ở 10,37
o
C ở áp suất thường
(760mmHg), đến t
o
= 296,2
o
C axít sunfuric bắt đầu sôi và bị phân huỷ cho tới khi tạo thành
hỗn hợp đẳng phí chiếm 98,3 % H

2
SO
4
và 1,7 % H
2
O. Hỗn hợp đẳng phí này sôi ở 336,5
o
C.
Axít sunfuric có thể kết hợp với nước và SO
3
theo tỷ lệ bất kỳ khi đó tạo thành một số
hợp chất có tính chất khác nhau.
a. Nhiệt độ kết tinh
Dung dịch có nồng độ bất kỳ của H
2
SO
4
và ôleum có thể xem là hỗn hợp của hai trong số
các hợp chất khác sau:
H
2
O; H
2
SO
4
.3H
2
O; H
2
SO

4
.2H
2
O; H
2
SO
4
.H
2
O;H
2
SO
4
; H
2
SO
4
.SO
3
; H
2
SO
4
.2SO
3
; SO
3
.
ứng với nhiệt độ kết tinh là : 0
o

C ; - 22,4; -39,6; 8,48; 10,37; 35,85; 1,2; 16,8
o
C
Từ đồ thị biểu diễn quan hệ giứa nhiệt độ kết tinh và nồng độ axít H
2
SO
4

SVTH: Cù Thái Sơn Page 5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
% H
2
SO
4
% SO
3
tự do
Hình 1: Đồ thị kết tinh của hệ
OH
2
-
3
SO
Ta thấy rằng: nhiệt độ kết tinh của dung dịch axít sunfuric và ôleum tương đối cao, thậm
chí ngay cả ở nhiệt độ vài chục độ.
Vì vậy người ta qui định rất nghiêm ngặt nồng độ axít sunfuric và ôleum sao cho chúng
không bị kết tinh trong quá trình vận chuyển và bảo quản.
Từ tính chất này giúp cho ta lựa chọn thành phần axít sản xuất ra phải gần với điểm cực
tiẻu trên đồ thị kết tinh.
b. Nhiệt độ sôi và áp suất hơi

Quan hệ giữa nhiệt độ sôi và nồng độ axít biểu diễn trên đồ thị sau:

% H
2
SO
4
% SO
3
tự do
Hình 2: Đồ thị nhiệt độ sôi – nồng độ axit
Qua đồ thị ta thấy rằng :
SVTH: Cù Thái Sơn Page 6
Nhiệt độ,
o
C
Nhi t đ , ệ ộ
o
C
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
+ Khi tăng nồng độ: nhiệt độ sôi của dung dịch axít sunfuric tăng đạt cực đại (336,5
o
C) ở 98,3 % H
2
SO
4
sau đó lại giảm.
+ Khi tăng hàm lượng SO
3
tự do: nhiệt độ sôi của ôleum giảm từ 296,2
o

C (ở 0% SO
3
tự do) xuống 44,7
o
C (ở 100%SO
3
).
+ Khi tăng nồng độ áp suất hơi trên dung dịch axít giảm đạt cực tiểu ở 98,3 % H
2
SO
4
sau đó lại tăng, áp suất hơi trên ôleum tăng khi tăng hàm lượng SO
3
tự do.
Có thể tính áp suất hơi trên dung dịch axít sunfuric và ôleum theo công thức sau:
lgP = A -
T
B

Trong đó : P : áp suất hơi mmHg
A, B : hệ số phụ thuộc vào nồng độ axít và ôleum
Áp suất hơi riêng phần của H
2
SO
4
trên dung dịch axít sunfuric ở t
o
khác nhau có thể tính
theo công thức trên nhưng giá trị A,B có khác đi.
Nói chung hơi trên dung dịch axít sunfuric và ôleum có thành phần khác với thành phần

pha lỏng. Chỉ trên dung dịch 98,3 % H
2
SO
4
thì thành phần pha hơi nước mới bằng thành phần
pha lỏng.
c. Tỷ trọng
Khi tăng nồng độ, tỷ trọng của dung dịch axít sunfuric tăng, đạt cực đại ở 98,3% H
2
SO
4
sau đó giảm.
Khi tăng hàm lượng SO
3
tự do tỷ trọng của ôleum cũng tăng đạt cực đại ở 62% SO
3
tự do
sau đó lại giảm.
Hình 3: Tỷ trọng của axit sunfuric và oleum
Khi tăng nhiệt độ, tỷ trọng của axít sunfuric và ôleum giảm. áp dụng tính chất này trong
SVTH: Cù Thái Sơn Page 7
T tr ng, g/cmỷ ọ
3
% H
2
SO
4
% SO
3
t doự

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
kỹ thuật sản xuất người ta xác định nồng độ của dung dịch axít sunfuric có nồng độ thấp dưới
95% bằng tỷ trọng của trọng kế.
d. Nhiệt dung
Khi tăng nồng độ, nhiệt dung của dung dịch axít sunfuric giảm. Ngược lại, khi tăng hàm
lượng SO
3
nhiệt dung của ôleum lại tăng. Khi tăng nhiệt độ, nhiệt dung của axít và ôleum
tăng
% H
2
SO
4
% SO
3
tự do
Hình 4: Nhiệt dung của axit sunfuric và ôleum ở 20
o
C
e. Độ nhớt
Độ nhớt của axít sunfuric và ôleum có ảnh hưởng rất lớn đến trở lực của axít khi chảy
trong đường ống, máng dẫn, đến tốc độ truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm lạnh axít, tốc độ
hoà tan của các muối. Vì vậy giá trị độ nhớt được sử dụng nhiều trong tính toán kỹ thuật.
Độ nhớt của axít sunfuric và ôleum có giá trị cực đại ở nồng độ 84,5% H
2
SO
4
; 100%
H
2

SO
4
; 50-55% SO
3
tự do.
Hình 5: Độ nhớt của axit sunfuric và oleum ở 20
o
C
SVTH: Cù Thái Sơn Page 8
Nhi t dung, cal/g.ệ
o
C
% H
2
SO
4
% SO
3
t doự
nh t (cp)Độ ớ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt của axít giảm khá nhanh
g. Nhiệt tạo thành
Nhiệt tạo thành axít sunfuric ở nồng độ khác nhau (tức là lượng nhiệt toả ra khi thêm nước
vào 1 kg SO
3
đêt tạo thành dung dịch axít đó).
Có thể tính gần đúng theo công thức thực nghiệm sau:

062,0

)15(99,2
2013,0
2113
+
−
+
+
=
M
tM
M
M
H
Trong đó:
H: Nhiệt tạo thành axit sunfuric, kJ/kg SO
3

M: Lượng nước trong axit, kg/kg SO
3


M
C
C
=
−
100
C: Hàm lượng SO
3
trong axit, %

(Muốn chuyển nhiêt tạo thành từ kJ/kg SO
3
sang kJ/kg H
2
SO
4
thì chia kết quả cho 1,225)
h. Nhiệt pha loãng và nhiệt hỗn hợp
• Nhiệt pha loãng là lượng nhiệt toả ra khi thêm nước vào axít.
Nhiệt pha loãng dung dịch axít sunfuric từ nồg độ ban đầu C
1
xuống nồng độ C
2
có thể tính
như hiệu của nhiệt tạo thành các axít đó:
Q
f
= ∆Η = H
2
- H
1
• Nhiệt hỗn hợp: là nhiệt lượng toả ra khi hỗn hợp các axít có nồng độ khác nhau.
Nhiệt hỗn hợp được xác định theo công thức:
Q
h
= H
3
+ 2113 - H
1
- H

2
( KJ/ kgSO
3
)
Trong đó: H
1
, H
2
, H
3
: nhiệt tạo thành các axít ban đầu có nồng độ C
1
, C
2
và axít cuối nồng
độ C
3
.
II. Tính chất của SO
2
và SO
3
1. Anhydrit Sunfurơ ( SO
2
)
- SO
2
ở nhiệt độ thường là chất khí không màu, có mùi xốc đặc trưng, kích thích mạnh
mắt và cơ quan hô hấp.
- SO

2
dễ hoá lỏng (ở áp suất thường t
o
hoá lỏng SO
2
là - 10,1
o
C)
- SO
2
hoà tan nhiều trong nước: ở 20
o
C: 1 thể tích nước hoà tan 40 thê tích SO
2
. Độ hoà
tan của SO
2
trong axít nhỏ hơn trong nước. Khi tăng nồng độ axít đầu tiên độ hoà tan SO
2
giảm; đạt cực tiểu ở 85% H
2
SO
4
sau đó lại tăng.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Khi tác dụng với nước, SO
2
tạo thành axít sunfurơ:
SO

2
+ H
2
O ⇔ H
2
SO
3

Axít sunfurơ chỉ tồn tại trong dung dịch.
2. Anhydrit Sun furic (SO
3
)
- SO
3
ở điều kiện thường là chất khí không màu, trong không khí nó phản ứng mạnh với
hơi nước và tạo nên những giọt axít nhỏ bay lơ lửng gọi là mù.
SO
3k
+ H
2
O
l
= H
2
SO
4l
+ 131,1 KJ
- SO
3
lỏng hỗn hợp với SO

2
theo tỷ lệ bất kỳ.
- SO
3
rắn hoà tan trong SO
2
lỏng nhưng không tạo thành hợp chất hoá học.
- SO
3
khí tác dụng với HCl tạo thành axít Closunfonic SO
2
(OH)Cl
- Ở nhiệt độ t
o
= - 44,75
0
C thì khí SO
3
biến thành chất lỏng không màu.
III. Các nguyên liệu sản xuất axit Sunfuric
Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric rất phong phú, phổ biến nhất là pirit, lưu huỳnh,
khí của ngành luyện kim màu thu được khi hỏa luyện quặng sunfu, khí H
2
S thoát ra khi
làm sạch lưu huỳnh khỏi các khí thiên nhiên và công nghiệp, anhydrit, CaSO
4
và chất làm
sạch khí Tổng hàm lượng lưu huỳnh trong vỏ quả đất khoảng chừng 0,1%. Bán sản
phẩm chủ yếu để sản xuất axit sunfuric là lưu huỳnh dioxit.
1. Quặng pirit

1.1. Pirit thường
Thành phần chủ yếu của quặng pirit là sắt sunfua FeS
2
chứa 53,44% S và 46,56% Fe.
FeS
2
thường ở dạng tinh thể pirit hình lập phương (khối lượng riêng 4,95–5,0 g/cm
3
), cũng
có khi ở dạng tinh thể macazit hình thoi (khối lượng riêng 4,55 g/cm
3
). Ở 450
0
C, macazit
chuyển thành pirit có tỏa nhiệt.
Quặng pirit thường gặp là một loại khoáng màu vàng xám, khối lượng đổ đống
khoảng 2200 đến 2400 kg/cm
3
tùy theo kích thước hạt quặng. Trong quặng có lẫn nhiều
tạp chất như các hợp chất của đồng (chủ yếu là FeCuS
2
, Cu
2
S, CuS), chì, kẽm, niken, bạc,
vàng, coban, selen, telu, silic; các muối cacbonat, sunfat canxi, magiê … Vì vậy, hàm
lượng thực tế của lưu huỳnh trong quặng dao động trong khoảng 30-52%. Ngoài ra còn
thấy loại hợp chất của lưu huỳnh và sắt có thành phần phức tạp hơn như Fe
n
S
n+1

(n≥5) gọi
là pirotin hay pirit từ.
Quặng pirit có nhiều ở Nga, Tây Ban Nha, Nhật Bản, Canada, Bồ Đào Nha, Na uy,
Italia … Ở miền Bắc nước ta mới chỉ phát hiện một số mỏ pirit, nhưng nói chung hàm
SVTH: Cù Thái Sơn Page 10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
lượng lưu huỳnh thấp (khoảng 20-30% S), trữ lượng không lớn lắm.
1. 2. Pirit tuyển nổi
Trong quặng pirit có rất nhiều tạp chất, một trong số tạp chất có giá trị là đồng. Nếu
hàm lượng đồng trong quặng pirit lớn hơn 1% thì đem quặng này sản xuất đồng có lợi hơn
là đốt trực tiếp để sản xuất axit sunfuric. Trước khi đem luyện đồng, thường dùng phương
pháp tuyển nổi để làm giàu đồng của quặng này lên khoảng 15-20% Cu. Phần bó thải của
quá trình tuyển nổi chứa khoảng 32-40%S gọi là quặng pirit tuyển nổi, dựng để sản xuất
axit sunfuric. Cứ tuyển 100 tấn quặng thu được 15-20 tấn tinh quặng đồng và 80-85% tấn
pirit tuyển nổi. Nếu tiếp tục tuyển lần hai sẽ thu được tinh quặng pirit chứa tới 45-50%S.
Quặng pirit tuyển nổi có kích thước rất nhỏ (khoảng 0,1mm ) và độ ẩm khá lớn (12-15%)
gây khó khăn cho quá trình vận chuyển và đốt. Vì vậy trước khi sử dụng phải sấy để giảm
hàm ẩm xuống.
1.3. Pirit lẫn than
Than đá là một số mỏ có lẫn cả quặng pirit, có loại chứa tới 3-5%S làm giảm chất
lượng của than. Vì vậy phải loại bỏ các cục than có lẫn pirit. Phần than cục loại bỏ này
chứa tới 33-42%S và 12-18%C gọi là pirit lẫn than. Pirit lẫn than tuy có hàm lượng lưu
huỳnh lớn nhưng không thể đốt ngay để sản xuất axit sunfuric vì hàm lượng cacbon trong
đó rất lớn, khi cháy:
- Nhiệt lượng tỏa ra rất lớn, làm nhiệt độ khí tăng cao, có thể làm cho lò đốt mau
chóng bị phá hủy.
- Tiêu tốn nhiều oxi làm giảm nồng độ SO
2
và O
2

trong khí lò, gây khó khăn cho các
giai đoạn tiếp theo của quá trình sản xuất.
Vì vậy phải nghiền và rửa quặng lẫn than để giảm hàm lượng cacbon trong quặng
xuống 3-6% (riêng lò lớp sôi có thể đốt được cả quặng có hàm lượng C cao).
Ở miền Bắc nước ta, mỏ than Na dương (Lạng sơn) cũng chứa nhiều lưu huỳnh (có
mẫu từ 6-8%S). Việc nghiên cứu tách được lưu huỳnh khỏi than có ý nghĩa kinh tế kĩ
thuật rất lớn vì tăng được chất lượng than, đảm bảo an toàn (tránh hiện tượng than bị bốc
cháy) đồng thời tận dụng được nguyên liệu ta phải mua ở nước ngoài.
2. Lưu huỳnh nguyên tố (S)
Lưu huỳnh nguyên tố là một trong những dạng nguyên liệu tốt nhất để sản xuất axit
sunfuric vì:
- Khi đốt S ta thu được hỗn hợp khí có hàm lượng SO
2
và O
2
cao. Điều này rất quan
trọng trong việc sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Lưu huỳnh chứa rất ít tạp chất (đặc biệt là các hợp chất của asen) và khi cháy không
có xỉ nên đơn giản được dây chuyền sản xuất đi rất nhiều.
- Khi sản xuất với qui mô lớn và xa nguồn nguyên liệu thì lưu huỳnh lại là nguyên liệu
rẻ tiền.
Lưu huỳnh được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric
(khoảng 50% tổng lượng S), công nghiệp giấy, xenlulô (khoảng 25%), nông nghiệp (10-
15%)…
3. Thạch cao
Thạch cao cũng là một nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất axit sunfuric vì
nhiều nước trên thế giới có mỏ thạch cao (CaSO
4

.2H
2
O hoặc CaSO
4
). Ngoài ra trong quá
trình sản xuất axit photphoric, supe photphat kép, nitrophot, nitrophotka… cũng thải ra
một lượng lớn CaSO
4
. Thường thường, từ thạch cao, người ta sản xuất liên hợp cả axit
sunfuric và ximăng. Muốn thế, đốt hỗn hợp thạch cao, đất sét và than trong lò quay. Khi
đó, CaSO
4
bị khử, cho SO
2
đem đi sản xuất axit sunfuric; phần xỉ còn lại thêm một số phụ
gia, đem nghiền để sản xuất ximăng.
4. Các chất thải có chứa S
4.1. Khí lò luyện kim màu
Khí lò trong quá trình đốt các quặng kim loại màu như quặng đồng, chì thiếc, kẽm…
có chứa nhiều SO
2
. Đây là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất axit sunfuric vì cứ
sản xuất 1 tấn đồng, có thể thu được 7,3 tấn SO
2
mà không cần lò đốt quặng trong dây
chuyền sản xuất axit sunfuric. Thành phần khí lò phụ thuộc vào nguyên liệu, cấu tạo lò và
điều kiện đốt. Riêng ở lò nung và lò lớp sôi, thành phần khí tương tự như khi đốt quặng
pirit nên có thể dựng trực tiếp để sản xuất axit sunfuric. Còn khí các lò khác, có thể dựng
khí thiên nhiên (metan) để khử SO
2

thành S.
4.2. Khí dihidro sunfua
Khi cốc hóa than, khoảng 50% lượng lưu huỳnh có trong than sẽ đi theo khí cốc, chủ
yếu ở dạng H
2
S (95%). Lượng H
2
S khí cốc hàng năm trên toàn thế giới tới hàng triệu tấn.
Thu hồi lượng H
2
S này không những có ý nghĩa kinh tế mà còn đảm bảo điều kiện vệ sinh
công nghiệp. Từ H
2
S có thể sản xuất axit sunfuric theo phương pháp xúc tác ướt hoặc đem
sản xuất lưu huỳnh nguyên tố.
4.3. Khói lò
Khi đốt than trong lò của các nồi hơi, lưu huỳnh và các hợp chất của nó có trong than
sẽ chuyển thành SO
2
. Hàng năm trên thế giới đốt hàng tỉ tấn than, trong đó khói lò đã thải
SVTH: Cù Thái Sơn Page 12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vào khí quyển hàng chục triệu tấn lưu huỳnh. tất nhiên muốn sử dụng được nó còn phải
giải quyết vấn đề thu hồi và làm giàu khí SO
2
hoặc thiết lập sơ đồ sản xuất axit sunfuric
trực tiếp từ khí SO
2
nghèo.
4.4. Axit sunfuric thải

Sau khi dựng axit sunfuric làm tác nhân hút nước, tinh chế dầu mỏ, sunfo hóa các hợp
chất hữu cơ… sẽ thu được chất thải chức nhiều H
2
SO
4
(20-50%). Trong công nghệ gia
công kim loại và chế tạo máy, sau khi rửa kim loại cũng thu được chất thải chứa 2-4%
H
2
SO
4
và khoảng 25% FeSO
4
. Chất thải khi sản xuất TiO
2
chứa 15-20% H
2
SO
4
và 45-55%
FeSO
4
. Có 3 hướng sử dụng chất thải này:
- Tách các tạp chất rồi cô đặc để thu hồi H
2
SO
4
.
- Phân hủy nhiệt thu hồi SO
2

để sản xuất axit sunfuric.
- Dựng trực tiếp vào các mục đích không cần axit sunfuric sạch.
Tóm lại, nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric rất phong phú. Tỉ lệ giữa các dạng
nguyên liệu dựng sản xuất axit sunfuric không ngừng thay đổi theo thời gian và tùy từng
nước. Hiện nay, tính chung trên toàn thế giới thì tỉ lệ các nguyên liệu chính dựng để sản
xuất axit sunfuric như sau: Lưu huỳnh chiếm khoảng 2/3, pirit 1/6, còn lại là các dạng
nguyên liệu khác.
IV. Ứng dụng , tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại Việt nam và trên thế giới
1. Ứng dụng của axit sunfuric
Hầu như mọi nghành sản xuất hóa học trên thế giới đều trực tiếp hoặc gián tiếp sử
dụng axit sunfuric. Chúng ta có thế bắt gặp axit này trong các nghành sản xuất phân
bón( Supephotphat, amoniphotphat…), thuốc trừ sâu, chất giặt rửa tổng hợp, tơ sợi hóa
học, chất dẻo, sơn màu, phẩm nhuộm, dược phẩm, chế biến dầu mỏ,v,v…Có thể nói axit
sunfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh công nghiệp của quốc gia đó. Vai
trò quan trọng đó được thể hiện rất cụ thể thông qua tình hình sản xuất axit sunfuric trên
thế giới và trong nước.
Axit sunfuric được dựng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Đối
với công nghiệp hóa học, axit sunfuric được dựng sản xuất phân lân, các axit vô cơ (axit
photphoric, hidro floric, boric), muối sunfat của các kim loại khác nhau, trong sản xuất
thuốc nhuộm, các chất màu vô cơ và những hợp chất khác. Một lượng lớn axit sunfuric,
đặc biệt ở dạng oleum, được dựng vào công nghiệp tổng hợp hữu cơ, thuốc nhuộm anilin,
các vật liệu và sợi tổng hợp. Axit sunfuric còn được dùng làm môi trường hút nước như
dung dịch axit nitric, sấy khí, sản xuất chất nổ. Người ta dựng axit sunfuric để làm sạch
SVTH: Cù Thái Sơn Page 13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
các sản phẩm dầu lửa và các sản phẩm thu được từ nhựa than đá. Trong luyện kim màu,
axit sunfuric được dùng trong chế biến thủy luyện, trong công nghiệp gia công kim loại
được dựng để làm sạch màng oxit trên bề mặt kim loại và trong nhiều lĩnh vực công
nghiệp khác.
2.Tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại Việt nam và thế giới

Bới những đặc tính quan trọng của axit sunfuric và nhu cầu lớn của nền sản xuất công
nghiệp hóa học mà sản lượng axit này trên thế giới ngày càng tăng. Dưới đây là biểu đồ
thể hiện sự gia tăng đó:
Trong đó Mỹ được coi là
một trong những nước sản xuất axit sunfuric lớn nhất trên thế giới. Đây là đồ thị về sản
lượng axit sunfuric mà Mỹ đã sản xuất ở những thập niên trước:
Theo Vn Express, hiện nay Trung Quốc cũng được coi là nước sản xuất H2SO4 lớn trên
thế giới, ở nước này phương pháp sản xuất đi từ quặng pyrit là chủ yếu. Theo Hiệp hội axit
Trung Quốc năm 2003 Trung Quốc đã vượt Mỹ trở thành đứng đầu thế giới về sản xuất axit
SVTH: Cù Thái Sơn Page 14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
sunfuric với sản lượng 33,7 triệu tấn. Sau đó đến năm 2004 sản lượng đã tăng lên 35 triệu tấn.
Trong những năm 1995- 2005, tiêu thụ axit sunfuric trên thế giới đã tăng 29% bất chấp
việc giảm 20% trong những năm 1988-1993.Theo đánh giá của các nhà chuyên môn thì tiêu
thụ axit sunfuric 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 sunfuric tương đương với giá trị là 10
tỉ USD. Dưới đây là :
Biểu đồ tiêu thụ axit sunfuric trên thế giới trong năm 2005
Bảng 1.1. Tăng trưởng axit sunfuric của một số nước trên thế giới (triệu tấn/năm)
Tên nước Năm 1960 Năm 1970 Năm 1980
Liên Xô 5,4 12,4 23
Mĩ 16,2 26,4 23
Pháp 2,8 3,7 4,9
Anh 2,8 3,3 3,4
Ý 2,3 3,3 3,0
Đức 3,3 5,5 5,8
Nhật 4,5 6,9 6,8

Bảng 1.2. Tăng trưởng axit sunfuric của nước Việt nam (ngàn tấn/năm)
Năm Miền Nam Miền Bắc
1985 12.000 180.000
SVTH: Cù Thái Sơn Page 15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1992 52.000 240.000
2001 68.571 214.000
SVTH: Cù Thái Sơn Page 16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHẦN II
CƠ SỞ HÓA LÝ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H
2
SO
4
I. Sản xuất khí SO
2
1. Nguyên liệu
a. Thiêu kết tinh quặng đồng tạo SO
2
:
Khí lò trong quá trình đốt các quặng kim loại màu như quặng đồng, chì thiếc, kẽm, có
chứa nhiều SO
2
. Đây là một nguồn nhiên liệu rẻ tiền để sản xuất axit Sunfuric vì cứ sản xuất 1
tấn đồng, có thể thu được 7,3 tấn SO
2
mà không cần lò đốt quăng trong dây chuyền sản xuất
axit sunfuric. Ngoài ra, việc thu hồi SO
2
trong khí lò còn tăng cường bảo vệ sức khoẻ cho

công nhân và nhân dân xung quanh nhà máy.
Để đốt quặng trong lò luyện kim màu có thể dựng các loại lò nung ,lò chuyển, lò bọc
nước, lò phản xạ, lò lớp sôi
Thành phần khí lò phụ thuộc vào nguyên liệu, cấu tạo lò và điều kiện đốt. Vì vậy nồng độ
SO
2
trong khí lò dao động trong phạm vi khá rộng.
Bảng 2.1: Thành phần khí thải của các nhà máy luyện đồng
Loại lò Thành phần khí
SO
2
SO
3
O
2
Lò nung 7-10 0,3-0,5 8-11
Lò bọc nước 4-8 9-15
Lò chuyển 8 0,5 10
Lò phản xạ 1-2,5 0,3-1,2
Lò lớp sôi 8-14 3-10
Quá trình luyện thiêu kết là quá trình oxy hóa đốt cháy các sulfua biến chúng thành oxit. Các
phản ứng chính trong lò đốt thiêu hỏa tinh luyện đồng như sau:
Khi nhiệt độ cao
2CuFeS
2
= Cu
2
S + 2FeS + 1/2S
2
FeAsS = FeS + As

FeS
2
= FeS + 1/2 S
2
2FeS +7/2O
2
= Fe
2
O
3
+ 2SO
2
+ Q
SVTH: Cù Thái Sơn Page 17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Cu
2
S + 2O
2
= 2CuO + SO
2
S + O
2
= SO
2
Ngoài ra có phản ứng của FeS với Cu
2
S
FeS + Cu
2

O = FeO + Cu
2
S
Khi nhiệt độ thấp có thể xảy ra phản ứng tạo đồng và sắt sulfat
CuS + 2O
2
= CuSO
4
FeS + O
2
= FeSO
4
Ngoài ra, một số oxit có tính axit sẽ tác dụng với các oxit mang tính Bazơ tạo thành sản phẩm
phức như 2CaO.SiO
2
; FeO.SiO
2
; MeO.Fe
2
O
3

Các phản ứng này đều là phản ứng tỏa nhiệt nên quá trình là tự nhiệt. Quá trình thiêu thường
tiến hành ở 850
o
C, trường hợp thiêu kết phải tiến hành ở nhiệt độ chảy nhão của nguyên liệu
khoảng 1050-1100
o
C.
Nhiệt độ trong các lò đốt phụ thuộc hàm lượng lưu huỳnh trong tinh quặng, tốc độ chất liệu và

lượng không khí thổi vào lò.
Khi nhiệt độ càng cao tốc độ phản ứng xảy ra càng nhanh. Trong lò đốt, thành phần chủ yếu là
SO
2
, N
2
, O
2
, hơi nước và một số tạp chất khác.
Mối quan hệ giữa nồng độ SO
2
và O
2
như sau
Nồng độ của O
2,
SO
2,
SO
3
có liên quan mật thiết với nhau qua phương trình

322
.
100
)5,0(
5,0.
100
)1(
SOSOO

C
mn
mC
mn
mnC






−
+−






−
−−=
Trong đó: n: Hàm lượng O
2
trong không khí đưa vào lò đốt
m: tỷ lệ giữa số phân tử O
2
tham gia phản ứng và số phân tử SO
2
tạo thành
C

O2
, C
SO2
, C
SO3
: Nồng độ của O
2
, SO
2
, SO
3
trong khí lò, % thể tích.
b. Luyện đồng:
Sau khi tiến hành thiêu đốt để cháy bớt lưu huỳnh, biến một phần sắt sunfua thành sắt oxit
dạng xỉ, khử bớt tạp chất có hại cho quá trình luyện ra kim loại đồng thời còn có tác dụng
trộng đều phối liệu trước khi luyện. Ta đi tiến hành các bước luyện đồng.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sten đồng:
Sten đồng là sản phẩm trung gian trong hỏa luyện tinh quặng đồng. Là sản phẩm của các
sunfua kim loại trong đó 80-90%la Cu
2
S, FeS
2.
Trong quá trình luyện đồng từ tinh quặng sulfua người ta phải tiến hành thông qua sản phẩm
trung gian là Sten đồng rồi mới luyện thành đồng thụ vì các lý do sau:
- Sten đồng là chất tập hợp tớt đồng, hầu hết đồng vào Sten dưới dạng Cu
2
S, chỉ đi ra
theo xỉ với lượng rất hạn chế.

- Sten đồng có khả năng hòa tan rất tốt các kim loại quý như Au, Ag, Pt hầu hết kim
loại quí tan vào sten, chỉ dưới 1% đi vào xỉ theo con đường cơ học.
- Nếu luyện thẳng ra đồng thụ sẽ phải thiêu hết lưu huỳnh trong quặng để chuyển thành
oxit, khi đó rất tốn nhiên liệu và lượng đồng mất mát vào xỉ lớn kéo theo mất mát kim
loại quý vào xỉ không thu hồi được lớn.
Trong quá trình luyện xảy ra các biến đổi hóa lý như sau:
FeS + Cu
2
S = FeS.Cu
2
S (sten)
FeS + 6Fe
2
O
3
+ SiO
2
= 7(2FeO.SiO
2
) + 2SO
2
6(MeO.Fe
2
O
3
) + 2FeS + 7SiO
2
= 6MeO + 7(2Fe
2
O

3
.SiO
2
) + 2SO
2
Các oxit tạp như CaO tác dụng với SiO
2
và FeO tạo thành xỉ dễ chảy, chảy ra và dồ xuống
phía dưới.
Ngoài ra cũng xảy ra phản ứng hoàn nguyên của đồng thành đồng kim loại
2Cu
2
O + Cu
2
S = 6Cu + SO
2
Nhưng nếu có FeS thì đồng ngay lập tức sẽ tác dụng để tạo thành Cu
2
S vào sten còn sắt sắt sẽ
bị oxi ,không khí hoặc SO
2
và SO
3
oxi hóa thành FeO đi vào xỉ.
Luyện sten ra đồng thụ:
Quá trình này được thực hiện ở lò thổi gió, sử dụng oxi không khí hoặc oxi sạch để thực hiện
phản ứng
Quá trình chia thành 2 giai đoạn chính:
Giai đoạn 1: Oxi hóa tạo xỉ
Sử dụng không khí có áp suất cao thổi vào khối sten lỏng vào các phản ứng oxy hóa của các

sulfua xảy ra mãnh liệt 3-4 lần.
2Cu
2
S + 3O
2
= 2Cu
2
O + 2SO
2
+ 185500 cal
SVTH: Cù Thái Sơn Page 19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nhưng sau đó, vì ái lực của đồng với lưu huỳnh lớn hơn của sắt với lưu huỳnh nên xảy ra
phản ứng:
Cu
2
O + FeS = Cu
2
S + FeO
2FeO + SiO
2
= 2FeO.SiO
2
+ 8100 cal
Do đó giai đoạn này chỉ có phản ứng oxy hóa và tạo xỉ của sulfua sắt theo phản ứng tổng
quát:
Vì vậy ở giai đoạn 1 phải không ngừng cung cấp bột thạch anh để tạo xỉ. Kết thúc giai đoạn 1
2FeS + O
2
+ SiO

2
= 2FeO.SiO
2
+ 2SiO
2
+ 233400cal
Lò tháo xỉ ra ngoài, nạp tiếp liệu (sten), SiO
2
và thực hiện quá trình thổi luyện. Mỗi mẻ luyện
nạp sten
2FeS + 3O
2
= 2FeO + 2SO
2
+ 225300 cal
Giai đoạn 2: Oxy hóa hoàn nguyên
Kết thúc giai đoạn 1, tiến hành thổi gió giai đoạn 2.
Phản ứng ở giai đoạn này chủ yếu là phản ứng của oxy hóa của sulfua đồng:
Trong khí lò còn có một lượng nhỏ oxit kẽm, oxit chì và khoảng 1% đồng trong nguyên liệu.
Và phản ứng hoàn nguyên của Cu
2
O và Cu
2
S:
2Cu
2
O + Cu
2
S = 6Cu + SO
2

– 30000 cal
Giai đoạn sẽ kết thúc khi lò không còn khói trắng (SO
2
)
Sản phẩm chính của quá trình là đồng thụ, xỉ và khí lò. Hiệu suất thu hồi đồng có thể đạt đến
98% tùy hàm lượng đồng trong Sten. Đồng thụ thu được có thành phần đồng khoảng 97-99%,
ngoài ra còn Sb; As; Ni; Bi; Au, Ag.
Khí lò có thành phần chủ yếu là SO
2
, nếu áp dụng các biện pháp chống hở thì hàm lượng SO
2

có thể đạt từ 6-10%. (Nồng độ SO
2
>3% có thể sử dụng làm nguyên liệu điều chế axitsulfuric).
Ngoài ra còn có phản ứng
2Cu
2
S + 3O
2
= 2Cu
2
O + SO
2
+ 186000 cal
Tinh luyện đồng đồng sạch:
Cu
2
O + CH
4

= CO
2
+ 2H
2
O + 8[Cu]
Giai đoạn hoàn nguyên sẽ tiến hành đến khi trong đồng lỏng chỉ còn khoảng 0,3-0,5% Cu
2
O.
Sau quá trình hỏa tinh luyện, hầu hết các kim loại quý còn nằm nguyên trong đồng. Đồng sẽ
được đúc thành các tấm anốt để tinh luyện bằng điện phân hoặc đúc thành thỏi để sử dụng.
Trong đồng thụ luyện từ Sten còn chứa rất nhiều chất tạp và một lượng đáng kể các kim loại
SVTH: Cù Thái Sơn Page 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
quí. Do đó cần tiến hành quá trình tinh luyện để khử chất tạp và thu đồng sạch 99,95-99,99%.
Quá trình tinh luyện đồng được diễn ra theo 2 bước: Hỏa tinh luyện và điện phân
Bước 1: Hoả tinh luyện
Đây là phương pháp oxy hóa, dựa vào cơ sở ái lực hóa học của các kim loại tạp với oxy lớn
hơn đối với đồng, các oxit kim loại tạp tạo thành lại không tan vào đồng kim loại nên tách
khỏi đồng thụ dưới dạng xỉ. Sử dụng oxi không khí để oxi hóa một phần đồng thành oxit
Cu
2
O, Cu
2
O tan vào đồng lỏng sẽ oxi hóa các chất tạp trong đồng lỏng theo phản ứng:
[Me] + [Cu
2
O] = (MeO) + 2[Cu]
Thứ tự oxi hóa từ mạnh đến yếu của các kim loại như sau: Al, Si, Mn, Zn, Fe, Ni, As, Sb, Pb,
Bi. Để tăng cường quá trình oxy hóa, người ta thường dùng ống thép shơi nước hay cắm gỗ,
tre tươi vào đồng lỏng. Sự bay hơi của hơi nước và các chất bốc trong gỗ, tre tươi sẽ có tác

dụng khuấy trộn, oxy hóa và đuổi các khí CO
2
, N
2
cũng như các oxit tạp thoát khỏi khới
đồng lỏng.
Sau khi tinh luyện oxi hóa, hàm được oxit đồng đạt đến giá trị bão hòa (10-12% Cu
2
O). Để
khử lượng oxit này, tiến hành giai đoạn hoàn nguyên bằng cách cắm gỗ khô hoặc sục khí thiên
nhiên (CH
4
) hoặc rải than bột lên mặt đồng lỏng.
Bước 2: tinh luyện bằng điện phân
Nguyên lý dựa vào sự khác nhau về thế điện cực của các kim loại, dưới tác dụng của dòng
điện, đồng ở anôt sẽ tan vào dung dịch sau đó tiết ra ở katôt, các chất tạp nằm lại ở bùn anôt
hoặc trong dung dịch điện phân. Thường sử dụng dung dịch điện phân là H
2
SO
4
với lượng
150-200g/l.
Có thể chia các tạp chất trong đồng thành 3 loại
- Loại có thế điện cực dương hơn đồng (Sb, Ag, Au) không phóng điện và tan vào dung
dịch sẽ nằm lại anot tạo thành bùn anôt tách khỏi đồng điện phân.
- Các kim loại có thế điện cực âm hơn so với đồng sẽ phóng điện ở anôt cùng đồng tan
vào dung dịch. Do thế điện cực âm hơn đồng nên khi đến catot làm bằng đồng sạch
(sau điện phân) chúng sẽ không tiết ra mà nằm lại ở dung dịch điện phân (để hạn chế
tối đa các kim loại này không bám vào katôt cần phải khống chế nồng độ của chúng
đủ nhỏ).

- Các kim loại có thế điện cực gần đồng (Bi, As) sẽ tan một phần vào dung dịch và tiếp
ở catốt. Muốn tách chúng cần định kỳ thay dung dịch điện phân bằng dung dịch mới.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Sơ đồ luyện đồng
2. Sấy khí
Hỗn hợp khí từ tháp tăng ẩm ra thực tế là bão hồ hơi nước. Nhiệt độ càng cao thì hàm
lượng hơi nước trong không khí càng lớn.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 22
Thiêu kết
Luyện ra sten đồng
Xỉ
Sten
Thổi luyện
Xỉ
Đồng thụ
Hỏa tinh luyện
Xỉ
Đồng thụ
Điện phân
Muối catot sạch Bùn anốt Xử lý thu hổi Ag, Au,
Cu, kim loại quý khác
Trợ dung
Thu bụi
SX H
2
SO
4
Khí lò
Bụi

Thu bụi
Trợ dung Tinh quặng đồng
Khí lò
Khí lò
Bụi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ở điều kiện làm việc bình thường thì hơi nước không ảnh hưởng gì đến xúc tác vanađi
nhưng nó có thể gây nên ngưng tụ hơi axit ở thiết bị truyền nhiệt (công đoạn tiếp xúc) hoặc ở
thiết bị làm nguội SO
3
và tạo mù axit (công đoạn hấp thụ )… Vì vậy phải sây khô hỗn hợp
khí trước khi đưa sang công đoạn tiếp theo.
Hiện nay, để sấy khô hỗn hợp khí, người ta thường dùng dung dịch axit sunfuric đậm đặc
để hấp thụ hơi nước. Hàm lượng hơi nước trong hỗn hợp khí ra khỏi tháp sấy không được lớn
hơn 0,01% thể tích (0,08g H
2
O/m
3
khí).
Sấy khí bằng dung dịch axit sunfuric nói riêng và hấp thụ khí bằng chất lỏng nói chung là
quá trình chuyển chất từ pha khí vào pha lỏng. Ở bề phân chia giữa hai pha luôn hình thành
hai màng không chuyển động: màng khí và màng lỏng. Các phân tử khí bị hấp thụ sẽ khuếch
tán từ pha khí qua màng khí đến bề mặt phân chia pha, sau đó lại từ bề mặt phân chia pha qua
màng lỏng vào pha lỏng.
Khi sấy khí bằng axit sunfuric thì tốc độ hấp thụ hơi nước do tốc độ khuếch tán nó qua
màng khí quyết định . Lượng hơi nước khuếch tán qua màng khí được xác định bằng công
thức:
Q = k.F. ∆P (kg / h )
Trong đó:
k: Hệ số hấp thụ ( kg/ h.N )

F: Bề mặt tiếp xúc pha ( m
2
)
∆P: động lực quá trình hấp thụ (N/m
2
)
( ) ( )
lk
lk
lklk
PP
PP
pPPP
P
−
−
−−−
=
'
'
''
ln
Δ
Trong đó :
P
k
, P
k
’
: áp suất riêng phần của hơi nước trong pha khí trước và sau khi sấy (N/m

2
).
P
l
, P
l
’
: áp suất bão hồ của hơi nước trên dung dịch axít sunfuric trước và sau khi
hấp thụ (N/m
2
).
Để quá trình sấy nhanh và triệt để có thể áp dụng các biện pháp sau
Tăng bề mặt đệm F nhưng không tăng vô hạn được vì làm tăng kích thước tháp, trở lực
và đầu tư xây dựng.
Tăng hệ số hấp thụ K:
K = K
o
. ω
m
Trong đó:
K
o
: Hằng số.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ω: Tốc độ giả của khí trong tháp rỗng (m/s)
m : Hệ số phụ thuộc chế độ chuyển động của dũng khí.
Có thể tăng k bằng 2 cách:
Tăng tốc độ khí ω:
Khi tăng ω thì năng suất tháp tăng, song trở lực và tia bắn axít cũng tăng. Trở lực tăng

cũng tăng theo.
Tăng hằng số K
o
:
Khi tăng nồng độ axit tưới , hằng số hấp thụ tăng, mặt khác áp suất hơi nước bão hồ trên
axit giảm, do đó động lực hấp thụ tăng. Khi nồng độ axit lớn hơn 93% , nếu tăng nồng độ axit
thì bề mặt đệm giảm rất ít , trong khi đó lượng axit bổ xung từ tháp mônô sang tháp sấy tăng
lên nhiều dẫn đến tăng tổn thất SO
2
và tốn thêm điện năng bơm axit.
II. Quá trình oxy hoá SO
2
trên xúc tác V
2
O
5
1. Phản ứng
a. Cân bằng của phản ứng
SO
2
+ 0,5 O
2
⇔ SO
3
+Q -143,8 kJ (2-1)
Phản ứng là toả nhiệt và giảm thể tích, hằng số cân bằng của phản ứng:

3
0,5
2 2

.
SO
SO O
P
Kp
P P
=
(2-2)
Trong đó: P
SO2 ,
P
SO3 ,
P
O2
: áp suất riêng phần của các cấu tử ở trạng thái cân bằng
Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình VanHof:
dlnKp/ dt = - Qp/ RT
2

Qp : Nhiệt phản ứng ở áp suất không đổi
Nhiệt phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật KiecKhop:
dQp/ dt = - ∆Cp
∆Cp : là hiệu nhiệt dung của sản phẩm và các chất ban đầu:
∆Cp = Cp
SO3
- Cp
SO2
- 0,5 Cp
O2
Trong thực tế để cho đơn giản tính toán trong khoảng t

o
= 400 - 700
o
C thí có thể tính
Kp, Qp theo phương trình thực nghiệm sau:
Qp = 101420 - 9,26T (J/mol) (2-3)
4905,5
lg 4,6455Kp
T
= −
(2-4)
Khi nhiệt độ tăng thì Qp và Kp đều giảm
SVTH: Cù Thái Sơn Page 24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
b . Mức chuyển hoá
Mức chuyển hoá là tỷ lệ giữa lượng SO
2
đã bị oxy hóa thành SO
3
và tổng lượng SO
2
ban
đầu.

23
3
PsoPso
Pso
x
+

=

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì mức chuyển hoá đạt giá trị cực đại, gọi là mức
chuyển hoá cân bằng Xc

và ta có công thức sau :

23
3
PsoPso
Pso
x
C
+
=
(2 – 5)
Gọi P: là áp suất chung của hỗn họp khí
a,b : nồng độ ban đầu của SO
2
vaf O
2
(%V)
Kết hợp (2-2) và (2-5) ta có:
( )
Kp
Xc
100 0,5·
0,5
aXc
Kp

P b aXc
=
−
+
− −
Do phản ứng oxy hoá SO
2
là phản ứng toả nhiệt và giảm thể tích nên khi tăng áp suất và
giảm nhiệt độ thì mức chuyển hoá cân bằng sẽ tăng lên.
Ngoài ra mức chuyển hoá cân bằng còn phụ thuộc vào tỷ lệ SO
2
/ SO
3
trong khí lò tức là
phụ thuộc vào dạng nguyên liệu và lượng không khí vào lò đốt. Nếu nồng độ SO
2
thấp, hàm
lượng O
2
càng cao thì Xc càng lớn.
c. Tốc độ phản ứng
Trong sản xuất, tốc độ oxy hoá SO
2
có ý nghĩa rất lớn, nó quyết định lượng SO
2
oxy hoá
được trong 1 đơn vị thời gian trên 1 đơn vị thể tích xúc tác. Do đó nó quyết định lượng xúc
tác cần dùng, kích thước tháp và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.
Tốc độ phản ứng được đặc trưng bởi hằng số tốc độ k:
k = ko. e

- E/RT
Trong đó:
ko: hệ số thực nghiệm đặc trưng cho chất xúc tác và không phụ thuộc vào nhiệt độ
E : năng lượng hoạt hoá của phản ứng (J/mol)
Khi tăng nhiệt độ và giảm E thì hằng số vận tốc tăng. Khi không có xúc tác thì phản ứng
oxy hoá SO
2
có năng lượng hoạt hoá lớn là vì phải tiêu tốn năng lượng đêt phá vỡ liên kết
giữa các nguyên tố trong phân tử O
2
, do đó tốc độ phảg ứng rất nhỏ. Khi có mặt chất xúc tác
rắn thì năng lượng hoạt hoá giảm nhiều do đó tốc độ phản ứng tăng lên rất nhiều.
SVTH: Cù Thái Sơn Page 25