Kỹ thuật hóa học đại cương chương 4 sản xuất HCl

CHƢƠNG 4: SẢN XUẤT AXIT HCl

4.1. Tính chất hóa lí
Khí HCl là khí không màu có t
cn
= -114,2
o
C, t
s
= -85
o
C.
Khí hydro clorua hòa tan rất tốt trong nước tạo thành dung dịch axit.
Độ tan của khí HCl trogn nước phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch, ở áp suất 1 atm
và t = 0
o
C 1 lít nước hòa tan 525,2 lit HCl, ở 18
o
C hòa tan 451,2 lit HCl.
Hệ HCl – H
2
O có điểm đẳng khí ở nồng độ 20.24% HCl và sôi ở 110
o
C.
Do phân ly hoàn toàn trong nước nên axít clohiđric được xếp vào nhóm axít mạnh
Như các loại axít khác, HCl có khả năng tác dụng với:
+ Kim loại: Giải phóng khí hyđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loại đứng
sau hyđro trong dải hoạt động hóa học như Cu, Hg, Ag, Pt, Au).
Fe + 2HCl → FeCl
2
+ H

2

+ Ôxít bazơ: Tạo muối clorua và nước.
ZnO + 2HCl → ZnCl
2
+ H
2
O
+ Bazơ: Tạo muối clorua và nước.
NaOH + HCl → NaCl + H
2
O
+Muối: tác dụng với các muối có gốc anion hoạt động yếu hơn tạo muối mới
và axít mới.
CaCO
3
+ 2HCl → CaCl
2
+ CO
2
+ H
2
O
+ Ngoài ra, trong một số phản ứng HCl còn thể hiện tính khử bằng
cách khử một số hợp chất như KMnO
4
(đặc), MnO
2
, KClO
3

giải phóng khí clo.
2KMnO
4
(đặc) + 16HCl → 2KCl + 2MnCl
2
+ 5Cl
2
+ 8 H
2
O
MnO
2
+ 4HCl → MnCl
2
+ Cl
2
+ 2H
2
O

Trong số các axít vô cơ mạnh phổ biến, axít clohiđric là một axít monoproton ít có
khả năng tạo phản ứng giảm số oxy hóa. Nó là một trong những axít mạnh ít độc hại nhất
khi tiếp xúc bằng tay; ngoài tính axít, nó còn bao gồm các ion clo không phản ứng và
không độc hại. Các dung dịch axít clohiđric trung bình-mạnh thì khá ổn định khi lưu trữ.
4.2. Ứng dụng chính
Axít HCl được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm
Axít clohiđric là một axít mạnh được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Ứng dụng
thường để xác định chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Tẩy gỉ thép
Một trong những ứng dụng quan trọng của axít clohiđric là dùng để loại bỏ gỉ trên

thép, đó là các oxit sắt, trước khi thép được đưa vào sử dụng với những mục đích khác
như cán, mạ điện và những kỹ thuật khác. HCl dùng trong kỹ thuật có nồng độ 18% là
phổ biến, được dùng làm chất tẩy gỉ của các loại thép cacbon.
Fe
2
O
3
+ Fe + 6 HCl → 3 FeCl
2
+ 3 H
2
O
Sản xuất các hợp chất hữu cơ
Một ứng dụng quan trọng khác của axít clohiđric là được dùng để sản xuất các hợp
chất hữu cơ như vinyl clorua và dicloroetan để sản xuất PVC. Quá trình này sử dụng các
axít do doanh nghiệp sản xuất chứ không từ thị trường tự do. Các hợp chất hữu cơ khác
được sản xuất từ HCl như bisphenol A sản xuất polycacbonat, than hoạt tính, và axít
ascobic, cũng như trong một số sản phẩm của ngành dược
2 CH
2
=CH
2
+ 4 HCl + O
2
→ 2 ClCH
2
CH
2
Cl + 2 H
2

O
gỗ + HCl + nhiệt → than hoạt tính
Sản xuất các hợp chất vô cơ
Nhiều sản phẩm có thể được sản xuất từ axít clohiđric theo phản ứng axít-bazơ tạo
ra các hợp chất vô cơ. Chúng bao gồm các hóa chất xử lý nước như sắt (III) clorua và
polyaluminium clorua (PAC).
Fe
2
O
3
+ 6 HCl → 2 FeCl
3
+ 3 H
2
O (sắt (III) clorua từ magnetit)
Cả sắt (III) clorua và PAC đều được sử dụng làm chất keo tụ và chất đông tụ để làm
lắng các thành phần trong quá trình xử lý nước thải, sản xuất nước uống, và sản xuất
giấy.
Các hợp chất vô cơ khác được sản xuất dùng HCl như muối canxi clorua, niken (II)
clorua dùng cho việc mạ điện và kẽm clorua cho công nghiệp mạ và sản xuất pin.
CaCO
3
+ 2 HCl → CaCl
2
+ CO
2
+ H
2
O (canxi clorua từ đá vôi)
Phân tích

Axít clohiđric thường được dùng phổ biến trong việc chuẩn độ dung dịch bazơ.
Axít clohiđric thường được dùng trong việc chuẩn bị mẫu trong hóa phân tích. Axít
clohiđric đặc có thể hòa tan một số kim loại, tạo ra các khí hydro và clo. Nó phản ứng với
các hợp chất bazơ như canxi cacbonat hoặc đồng(II) ôxit, tạo thành các dung dịch hòa tan
có thể dùng để phân tích.
Kiểm soát và trung hòa pH
Axít clohiđric có thể được dùng để điều chỉnh tính bazơ của dung dịch.
OH
−
+ HCl → H
2
O + Cl
−

Trong công nghiệp yêu cầu độ tinh khiết (thực phẩm, dược phẩm, nước uống), axít
clohiđric chất lượng cao được dùng để điều chỉnh pH của nước cần xử lý. Trong ngành
công nghiệp không yêu cầu độ tinh khiết cao, axít clohiđric chất lượng công nghiệp chỉ
cần đủ để trung hòa nước thải và xử lý nước hồ bơi.Trong phòng phân tích, axít clohiđric
thường được dùng phổ biến trong việc chuẩn độ dung dịch bazơ.
Khác
Axít HCl được sử dụng nhiều ứng dụng ở quy mô nhỏ như: xử lý da, vệ sinh nhà
cửa, và xây dựng nhà. Trong khai thác dầu, axít HCl có thể được dùng để bơm vào trong
tầng đá của giếng dầu nhằm hòa tan một phần đá hay còn gọi là "rửa giếng", và tạo các lỗ
rỗng lớn hơn. Axít hóa giếng khoan là một quá trình phổ biến được sử dụng trong công
nghiệp khai thác dầu biển Bắc. Khi trộn dung dịch axít clohiđric đậm đặc và dung
dịch axít nitric đậm đặc theo tỉ lệ mol 1:3 thì nó có khả năng hòa tan vàng và bạch kim,
(xem nước cường toan).
Một số phản ứng hóa học liên quan đến axít HCl được ứng dung trong sản xuất thực
phẩm, các thành phần thực phẩm và phụ gia thực phẩm.
4.3. Phương pháp sản xuất

Có nhiều phương pháp sản xuất khí HCl đến nay còn được sử dụng trong phòng thí
nghiệm cũng như trong công nghiệp. Có 3 phương pháp chính là: (1) chưng cất từ clorua
kim loại kiềm với axit sulfuric, (2) nhiệt phân clorua kim loại và (3) tổng hợp trực tiếp từ
clo và hydro nguyên tố.
1 Phương pháp sunfat:
Đây là một trong những phương pháp lâu đời trong công nghiệp. Nó dựa trên sự tác
dụng của clorua natri với dầu kuporos theo phản ứng:
NaCl + H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ HCl - Q
Phản ứng được tiến hành ở 500 – 550
o
C trong các lò ống, lúc đó sẽ nhận được
sunfat natri rắn và khí có chứa 30-40% HCl. Ngày nay phương pháp này hầu như không
được sử dụng.
2. Phương pháp phân hủy nhiệt các muối clorua
Phương pháp phân hủy nhiệt rất tốn kém về nhiên liệu cũng như nguyên liệu đầu.
Đây chỉ mang tính về nguyên lý. Trong thực tế phương pháp này hầu như không được
ứng dụng trừ khi khí HCl được sinh ra như là sản phẩm của một quá trình phân hủy trong
các sản xuất khác.
3 Phương pháp tổng hợp trực tiếp từ clo và hydro nguyên tố
Hiện nay phương pháp tổng hợp được ứng dụng như là phương pháp chủ yếu để sản
xuất khí hydroclorua cũng như axit clohydric. HCl được hình thành sau phản ứng đốt
hydro trong dòng clo nguyên tố.

H
2
+ Cl
2
= 2HCl + Q
4.3.2. Sản xuất axit clohydric

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất axit clohydric
1. Tháp đốt sản xuất khí HCl; 2. Tháp trao đổi nhiệt; 3. Téc chứa khí nén HCl;
4. Tháp hấp thụ chính; 5. Tháp hấp thụ phụ; 6. Bơm cấp nước sạch
Quá trình đốt hydro và clo được tiến hành trong lò thạch anh kiểu đứng và được làm
lạnh bằng nước để sao cho nhiệt độ trong lò phản ứng chỉ nằm trong khỏang 600 – 700
o
C.
Đây là phản ứng oxy hóa mãnh liệt; nếu trộn hydro và clo theo tỷ lệ trong một thể
tích đủ lớn sẽ gây nổ. Chính vì vậy mà H
2
và Cl
2
được dẫn bằng hai đường riêng biệt vào
một buồng trộn nhỏ ngay trước vòi đốt và luôn luôn giữ lượng dư hydro khỏang 2%.
Ngọn lửa H
2
và Cl
2
cháy trong lò tạo ra khí HCl và một lượng nhiệt rất lớn. Hệ thống làm
lạnh bằng nước được bố trí xung quanh thành bên trong của lò để giữ không cho nhiệt độ
vượt quá 700
o
C

Khí HCl khô từ cửa lò đốt được làm nguội bằng cách cho trao đổi nhiệt trong tháp
(2) và nén hóa lỏng dưới áp suất cao trong các téc bằng thép để đưa đi sử dụng vào việc
khác hoặc cho hấp thụ vào trong nước để thu axit HCl.
Hấp thụ Clorua hydro bằng nƣớc
Hấp thụ clorua hydro bằng nước sẽ kèm theo sự tạo thành các hydrat và tỏa nhiệt.
Nếu không dẫn nhiệt ra thì không thể nhận được axit có nồng độ đậm đặc hơn hỗn hợp
đồng sôi. Để nhận được axit có nồng độ đặc hơn thì phải dùng những biện pháp để dẫn
nhiệt ra ngòai môi trường xung quanh một cách mạnh mẽ, như vật đòi hỏi thiết bị phức
tạp.
Quá trình hấp thụ tạo axit có thể tóm tắt như sau: khí HCl từ bom/téc (3) qua van
chiết lựu được đưa theo hướng từ dưới lên vào tháp hấp thụ đệm (4) có trang bị hệ thống
làm lạnh bằng nước; sau đó khí dư được đưa theo hướng từ dưới lên vào tháp hấp thụ
đệm (4) có trang bị hệ thống làm lạnh bằng nước; sau đó khí dư được dẫn tiếp sang tháp
hấp thụ (5) để hấp thụ triệt để. Tại tháp (5) nước sạch được phun từ trên xuống. Dung
dịch axit loãng từ tháp (5) đi ra có thể quay vòng trở lại hoặc dẫn sang tháp (4) cũng phun
tứ trên xuống để bão hòa HCl. Sản phẩm axit được lấy ra từ cuối tháp (4) thường có nồng
độ 30 – 35%.