Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG I
CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỂN HÌNH TRONG KỸ THUẬT SẢN
XUẤT CÁC CHẤT VÔ CƠ
I. NUNG VẬT LIỆU RẮN:
1. Định nghĩa:
Nung là quá trình biến đổi tính chất hóa lý do tận dụng nhiệt.
t0

Vd: CaSO4.2H2O

CaSO4.1/2H2O (hemi hydrate-thạch cao phi) + 3/2H2O

Thạch cao dihydrate
CaSO4 khan
2. Các dạng nung:
a. Nung khô: tách nước, phân hủy CO2 ra khỏi vật liệu mà không làm thay đổi mức
oxi hóa các chất của vật liệu đem nung.
t0
Vd: CaCO3

CaO + CO2

CaHPO4.2H2O

t0

CaHPO4 + 2H2O

b. Nung oxi hóa: là quá trình oxi hóa vật liệu nung thành chất mới bằng các tác
nhân oxy hóa như O2, Cl2, …
Vd: xử lý quặng cromit:
FeO.Cr2O3 + Na2CO3 + O2 = Fe2O3 + Na2CrO4 (tan) + CO2
Chất trợ dung/chất chảy
Na2CO3 làm thay đổi bản chất quá trình nung, quá trình xảy ra nhanh hơn, hạ thấp
nhiệt độ phản ứng. Có thể thay O2 bằng Cl2,…
c. Quá trình nung khử: sử dụng tác nhân có tính khử để khử chất ban đầu.
Vd: Ca3(PO4)2 + C = CaO + CO2 + P2
Phản ứng phụ: C + O2

CO
CO2

3. Bản chất quá trình nung vật liệu rắn:
Chia làm 2 lọai:
+ Nung phân hủy chất
+ Nung có xảy ra phản ứng ở trạng thái rắn
Quá trình nung cung cấp nhiệt thúc đẩy sự dao động mạng tinh thể dẫn đến các
nguyên tử có thể bị thay thế, hóan vị và có trường hợp chúng tách hẳn ra khỏi mạng tinh
thể. Khi đó, nhiệt độ cung cấp phải lớn hơn nhiệt độ giới hạn khuếch tán nội.
1


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Dưới tác dụng nhiệt, mạng lưới tinh thể trở nên xốp hơn, các nguyên tử dao động

mạnh hơn làm tăng số lượng khuyết tật mạng lưới và làm cho vai trò quá trình khuếch tán
tăng. Đó là yếu tố cơ bản giúp cho vật chất thực hiện phản ứng trong trạng thái rắn.
Tuy nhiên, thực tế tốc độ phản ứng trong pha R-R không đáng kể do:
+ Độ tiếp xúc rất nhỏ vì kích thước không đồng đều, trộn lẫn không đều, có nhiều
lỗ xốp hạn chế việc truyền nhiệt và dẫn nhiệt, dẫn đến độ tiếp xúc biểu kiến không đáng
kể.
+ Tốc độ khuếch tán chậm 10-12-10-14 cm/s.
Do đó hiệu suất của quá trình nung nhỏ.
Tuy nhiên hiệu suất quá trình nung thực tế cao hơn tính theo lý thuyết vì:
+ Vật liệu nung không tinh khiết, có lẫn tạp chất mà những tạp chất này làm giảm
nhiệt độ nung do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, tạo hợp chất/hỗn hợp mới có nhiệt độ
nóng chảy thấp hơn,…
+ Các chất không có độ bền nhiệt như nhau và tính chất hóa lý cũng khác nhau.
+ Ứng với nhiệt độ phản ứng có xuất hiện pha khác: lỏng, khí. Tòan bộ bề mặt chất
rắn bị bao phủ bởi chất kia (L, K).
Khi bề mặt tiếp xúc tăng thì hiệu suất phản ứng tăng.
Như vậy muốn tăng hiệu suất phản ứng thì chuyển quá trình nung đồng thể thành
quá trình nung dị thể. Có thể dùng các biện pháp:
+ Dùng chất trợ dung để tạo pha dị thể ở nhiệt độ thấp hơn và kết hợp để tạo hỗn
hợp dễ nóng chảy, trợ giúp cho quá trình chuyển pha.
Còn nhiều biện pháp khác để nâng cao hiệu suất quá trình nung.
4. Động học của quá trình:
Phản ứng trạng thái rắn phức tạp ở chỗ quá trình nung diễn biến liên tục theo nhiều
giai đọan. Những giai đọan này ít nhiều (ảnh hưởng) hạn chế tốc độ bình thường xảy ra
quá trình phản ứng. Vì thế không cho phép ta nêu lên phương trình động học tổng quát
cho mọi phản ứng.
Thông thường các phản ứng pha rắn bị hạn chế do bị giới hạn bởi giai đọan khuếch
tán tác nhân phản ứng qua lớp sản phẩm phản ứng vào bề mặt vật chất được khuếch tán.
Các quá trình nung:
a. Quá trình nung và phản ứng xảy ra chỉ có sự thay đổi bề mặt rắn, còn nồng độ

chất kia không thay đổi, và tốc độ nung bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng hóa học.
Như vậy chất phản ứng ở dạng nóng chảy hoặc khí, chỉ thay đổi về lượng chứ
không thay đổi về nồng độ.
Vd: nung oxit nhôm rắn nóng chảy
dx
= k (1 − x) 2 / 3 → kτ = 1 − (1 − x) 1 / 3
dτ

x: mức độ chuyển chất ban đầu thành sản phẩm (%)
τ : thời gian chuyển hóa, s

k: hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tính chất của vật chất điều kiện quá trình
2


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

(k được tính theo phản ứng bậc 1, bậc 2,…và nồng độ,…)
b. Ngòai quá trình trên, còn xảy ra quá trình nồng độ thay đổi
dx
= k (1 − x) 5 / 3 → kτ = (1 − x) − 2 / 3 − 1
dτ

Áp dụng: Na2SO4.10H2O, lẫn tạp chất nóng chảy, hóa hơi.
c. Quá trình bị giới hạn bởi tốc độ thăng hoa hay hóa hơi
dx
= k (1 − x) 1 / 3 → kτ = 1 − (1 − x) 2 / 3
dτ

Vd: CuO + C

500-6000C

Cu + CO2 (rất chậm)

CuO + CO = Cu + CO2 (nhanh)

(1)
(2)

Tốc độ quá trình khử CuO thành Cu phụ thuộc phản ứng (1).
d. Quá trình bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán của các cấu tử phản ứng, trong đó
cấu tử này khuếch tán qua lớp sản phẩm phản ứng ngày càng tăng trên bề mặt của cấu tử
kia (nhưng tốc độ ngày càng chậm)
(1 − x) 1 / 3
dx
2
=k
→ kτ = 1 − x(1 − x) 2 / 3
1/ 3
dτ
3
1 − (1 − x)

Vd: điều chế kim lọai từ oxit kim lọai bằng phản ứng xảy ra ở áp suất thấp.
Fe3O4 (r) + 4H2 (k)

3Fe (r) + 4H2O (k)

5. Các biện pháp đẩy mạnh quá trình nung:
a. Tăng nhiệt độ:
Nhiệt độ nung ≥ nhiệt độ phản ứng
Tăng nhiệt độ:

+ Tốc độ khuếch tán các cấu tử tăng
+ Tốc độ phản ứng tăng

Quá trình nung là quá trình xảy ra phản ứng dị thể, khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt
giảm, quá trình chuyển pha L
K, R
L nhanh do tăng bề mặt tiếp xúc.
Vậy: khi tăng nhiệt độ, thời gian nung giảm do tốc độ quá trình tăng.
b. Thay đổi kích thước hạt:
Thay đổi kích thước hạt dẫn đến thay đổi bề mặt tiếp xúc.
Khi kích thước hạt càng nhỏ, bề mặt riêng càng lớn thì diện tích tiếp xúc giữa các
pha tăng nên vận tốc phản ứng tăng.
Sự không đồng đều giữa các kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến quá trình. Biện
pháp: sàng phân lọai để đồng đều.
Hiện tượng kết khối: các hạt nhỏ có xu hướng kết khối thành hạt lớn hơn. Hạt có
kích thước càng nhỏ thì càng dễ kết khối làm giảm bề mặt riêng nên tốc độ giảm.
c. Chuyển pha một hay nhiều cấu tử phản ứng:
Cho vào hệ 1 tạp chất có khả năng tạo hỗn hợp eutecti (hỗn hợp cơ học) với 1 trong
những chất có sẵn trong hệ, điều này làm giảm nhiệt độ nóng chảy:
3


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

A+B

BM Công Nghệ Hóa Học

AB

+
C

eutecti

Nếu sự có mặt chất C làm sản phẩm xấu hơn thì không sử dụng C mà cho vào hỗn
hợp A và B một ít sản phẩmAB cũng làm giảm nhiệt độ nóng chảy vì TncAB < TncA, TncB
Chất C được gọi là chất trợ dung. Hỗn hợp eutecti là hỗn hợp có nhiệt độ thấp nhất.
Vd: Na2CO3, tràng thạch,…
Lưa chọn chất trợ dung: dựa trên giản đồ pha và có ảnh hưởng khá quan trọng đến
quá trình nung.
d. Nâng cao nồng độ cấu tử:
- Trước khi nung cần làm giàu để loại tạp chất.
+ Nếu lượng tạp chất lớn → tiêu tốn nhiệt nâng nhiệt độ
+ Tạp chất làm ngăn cản (che phủ) và giảm bề mặt tiếp xúc pha giữa hai
chất phản ứng → giảm vận tốc nung, tăng thời gian nung, tiêu tốn nhiều nhiệt.
Như vậy, sự có mặt tạp chất đa phần làm xấu sản phẩm.
Vấn đề: có cần loại tạp chất hay không? → Tùy trường hợp.
e. Đảo trộn phối liệu
- Đảo trộn hóa học : cho vào hệ một số chất có khả năng tạo khí CO2, H2O thoát
khỏi hỗn hợp và có tác dụng đảo trộn.
Cho ví dụ:
- Đảo trộn cơ học: dùng tay, con lăn, môtơ giúp quay đều…
f. Độ ẩm của vật liệu

Xu hướng nung loại bớt nước vì dễ bị vón cục nếu độ ẩm lớn, kích thước hạt tăng,
dễ kết khối.
Nếu sản phẩm không kết khối → có thể nung không cần sấy.
Nếu sản phẩm hydrat → sấy trước rồi mới nung để tránh hiện tượng kết khối.
- Tăng nhiệt độ quá nhanh → không tốt.
- Hạ nhiệt đột ngột : làm cứng điện trở.
II. HOÀ TAN VÀ TÁCH TAN
1. Định nghĩa:
Hoà tan: chuyển từ Rắn, Lỏng Rắn → Lỏng
+ Hoà tan lý học: chuyển pha + solvat hoá.
+ Hoà tan hoá học: có phản ứng hoá học.
a. Hoà tan lý học:
Chỉ xảy ra quá trình chuyển pha R/K → L và solvat hoá giữa chất tan và
dung môi.
4


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Khả năng hoà tan phụ thuộc sự tương tác giữa dung môi và chất tan. “Chất
tan tương tự tan trong dung môi tương tự”.
* Mô tả quá trình solvat hoá:
Ví dụ: NaCl +H2O
H2O

Ion solvat/hydrat
Đường + H2O : đường hoà tan dạng phân tử không điện ly.
* Đặc điểm: - Hoà tan thuận nghịch

- Pha chế dung dịch, tinh chế làm sạch dung dịch hỗn hợp.
b. Hoà tan hoá học:
Hoà tan bất kỳ có xảy ra phản ứng giữa chất tan và dung môi.
Ví dụ: Điều chế H3PO4 từ apatit
Ca5F(PO4)3 +

5H 2 SO 4 ⎫
⎬ → 5CaSO4 + 3H3PO4 + HF
H 2O ⎭

* Đặc điểm: quá trình không thuận nghịch
- H2SO4 được gọi là dung môi hoạt tính vì chỉ có H2SO4 phản ứng với apatit,
nước không phản ứng. Biểu thị bằng nồng độ dung môi hoạt tính. Khi thay đổi nồng độ,
tốc độ hòa tan của hỗn hợp sẽ thay đổi theo.
- Do xảy ra tương tác nên quá trình không thuận nghịch.
2. Bản chất quá trình :
Chất tan tiếp xúc với dung môi lỏng theo cơ chế
+ Lý học: phân tử chất tan khuếch tán từ bề mặt chất tan ra ngoài dung môi theo cơ
chế khuếch tán
+ Hoá học:
• Khuếch tán từ bề mặt chất tan → dung môi và khuếch tán dung môi hoạt tính
tới bề mặt chất tan và phản ứng xảy ra.
• Khuếch tán sản phẩm tạo thành từ bề mặt chất tan ra ngoài dung dịch. Có hiện
tượng thụ động hoá do sản phẩm nằm lại trên bề mặt chất tan, có độ bền lớn hơn
bề mặt ban đầu.
Xem lại bản chất quá trình hoà tan trong sách hoá đại cương.
Ví dụ : Ca5F(PO4)3 + 5H2SO4 → 5CaSO4↓ + 3H3PO4 + HF
Khi thay đổi nồng độ H2SO4 thì lượng CaSO4 tạo thành thay đổi.

5

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

CaSO4

C

H SO
2

4

Quá trình hoà tan thế nào là thu nhiệt, toả nhiệt
∆Hht = ∆HCp + ∆HS
∆HS luôn toả nhiệt < 0 → phụ thuộc ∆HCp
- Khí hoà tan trong lỏng ∆HCp < 0 → ∆Hht < 0
- Rắn hoà tan trong lỏng ∆HCp > 0 (phá hủy mạng tinh thể đòi hỏi cung cấp năng
lượng) → ∆Hht có thể > 0 hoặc < 0
3. Động học quá trình hòa tan
a. Hoà tan lý học:
* Định luật khuếch tán:

dG
= k(x o − x)
Fdτ
G: lượng chất bị hoá tan
τ: thời gian hoà tan ứng với G

F: diện tích bề mặt pha
k: hệ số tốc độ hòa tan
xo: nồng độ ở trạng thái bão hoà.
x: nồng độ ở thời điểm ứng với τ.
x0 – x : động lực quá trình.
dG
: tốc độ hoà tan ứng với 1 đơn vị bề mặt
Fdτ

Để nâng cao tốc độ khuếch tán (hoà tan) có thể dùng các biện pháp sau:
• Tăng xo tức tăng nồng độ ở thời điểm bão hoà, muốn phải tăng nhiệt độ →
tiêu tốn nhiều nhiệt, không tối ưu.
• Tăng diện tích bề mặt tiếp xúc pha: bằng cách giảm kích thước hạt →
nghiền.
• Giảm x bằng cách tăng dung môi, hoặc lấy bớt sản phẩm ra.
Đối với quá trình hoà tan không cấp nhiệt thì không sử dụng biện pháp tăng nhiệt
độ để tăng xo mà làm giảm x.
b. Hoà tan hoá học

6


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

•

BM Công Nghệ Hóa Học

dG
= kC : đối với phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt chất tan.

Fdτ

C: nồng độ dung môi hoạt tính → quyết định tốc độ quá trình hoà tan.
Ví dụ: Sử dụng dung dịch H2SO4 30% hoà tan Ca3F(PO4)3 → C = 0,3.
- Tăng nồng độ dung môi hoạt tính, tốc độ hoà tan tăng nhưng không đồng biến.
- Nếu nồng độ lớn, sản phẩm tạo thành nhanh nhưng chưa khuếch tan kịp mà bám
trên bề mặt chất tan làm hạn chế tốc độ phản ứng.

Sản phẩm
• Khuếch tán chất tan ra ngoài dung dịch và phản ứng với dung dịch và phản ứng
tại bề mặt.

dG
= k1 + k 2C
Fdτ
Khuếch tán
sản phẩm hoà
tan

: k1 và k2 : tra sổ tay.
Phản ứng trên bề mặt

Khuếch tán chất tan + phản
ứng ngoài dung dịch
Lượng G ảnh hưởng bởi lượng chất phản ứng. Nồng độ tăng G tăng nhưng không

C

H SO
2

đồng biến do ảnh hưởng của tạp chất.

4

4. Các biện pháp nâng cao nồng độ quá trình hoà tan
Dựa vào 3 phương trình trên
• Tăng xo → tăng nhiệt độ
• Tăng F
• Khuấy trộn
-

Lưu ý: khuấy trong trường hợp nào, tốc độ, thiết bị, có cần thiết khuấy không?

III. KẾT TINH
1. Các phương pháp kết tinh
a. Làm lạnh: dùng cho các chất có độ tan thay đổi lớn theo nhiệt độ.
7


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Ví dụ:
T1 - x 1o ⎫⎪
2
1
⎬ Với T1 < T2 thì x o < x o
2

T2 - x o ⎪
⎭
→ Lượng kết tinh x 1o - x o2
b. Cô đặc: các chất có độ tan không thay đổi lớn theo nhiệt độ → đuổi lượng dung

môi.
c. Diêm tích: đối với các chất có độ tan không thay đổi theo nhiệt độ và không bền

nhiệt.
- Dựa vào tích số ion trong dung dịch:
Ví dụ: MA:

TMA= [M+][A-]

(tích số tan)

-

Cung cấp thêm ion làm thay đổi tích số ion .

-

Nếu [M+][A-] > TMA có kết tủa xuất hiện.

-

Muốn vậy phải thêm chất có ion chung với chất ban đầu.

Ví dụ: Cần kết tinh MgCl2 trong dung dịch, có thể thêm vào NaCl có ion Cl- chung
→ làm giảm nồng độ ion chung.

S = (m+ n)

T
m m .n n .f (m+ n)

lg f =

− 0,509.Z 2 I
1+ I

Tóm lại, điều kiện diêm tích:
- Chất diêm tích chứa cùng 1 loại ion với chất kết tinh. Nếu không thì phải có liên
kết với dung môi.
Ví dụ: NaCl thêm vào:
+ Dung dịch CaCl2 → có kết tủa CaCl2.6H2O
+ Dung dịch Na2SO4 → kết tủa Na2SO4.10 H2O
- Chất diêm tích không gây tác động xấu đến dung dịch.
Ví dụ: Cần kết tinh MgCl2:
+ Thêm vào NaCl → tốt
+ Thêm KCl: không tốt do tạo phức Na, Mg clorua
+ Thêm CaCl2: không tốt do Ca2+ khó tan, ảnh hưởng đến MgCl2
2. Kết tủa tạp chất khó tan ở dang hydroxit:
a. Nguyên lý kết tủa:

- Các tạp chất khó tan luôn ỏ trạng thái bão hoà tuy nồng độ rất nhỏ.
- Tinh chế dung dịch tức là loại bỏ tạp chất.

8

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

- Nhận thấy rằng hầu hết các muối khó tan trở nên khó tan hơn ở dạng hydroxit. Do
đó phương pháp duy nhất để loại tạp chất là chuyển về dạng hydroxit và sẽ kết tủa trong
dung dịch.
T= 3,5.10-11

Ví dụ: FeCO3:
FeC2O4:

T= 2.10-7

Fe(OH)2:

T= 1,6.10-14

→ T= [Fe2+][OH-]2, có thể biểu diễn qua nồng độ H+ hoặc pH của dung dịch.

10 −14
→ T Fe(OH)
[OH ] =
[H + ]
−

= [Fe

2

2+

(10 )
].
−14

2

[H + ] 2

Tích số tan của 1 chất khó tan là hằng số ở 1 nhiệt độ nhất định. Muốn thay đổi
điều kiện kết tủa có thể thay đổi pH dung dịch → thay đổi [H+] (hay OH-)
[Mn+][OH-]n > TM(OH)n : M(OH)n kết tủa

Khi tích số ion:

[Mn+][OH-]n < TM(OH)n : M(OH)n tan
b. Độ pH và điều kiện kết tủa

Ion kim loại

Fe3+ Al3+ Zn2+ Cr3+ Cu2+ Fe2+ Mg2+

pH dung dịch 2,0

4,1

5,2

5,3

5,3

5,5

10,5

Trong quá trình kết tinh phải theo dõi pH vì pH có xu hướng giảm làm giảm kết
tinh.
* Mô tả quá trình kết tinh:
- Tạo mầm: có thể cho thêm mầm nhân tạo.
Hạ nhiệt độ từ từ → tinh thể lớn sít đặc.
Hạ nhiệt độ nhanh → nhiều mầm, cỡ hạt nhỏ.
- Phát triển mầm, chiếm nhiều thời gian hơn thời gian tạo mầm.
Độ bão hoà của dung dịch ảnh hưởng đến hình dạng tinh thể. Độ bão hoà thấp, tinh
thể đẹp.
Độ bão hoà

C − Co
Co

Co: nồng độ bão hoà
C: nồng độ dung dịch qua bão hoà.

9


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG II. LƯU HUỲNH VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA LƯU
HUỲNH
A. TÍNH CHẤT
I. Lưu huỳnh

Lưu huỳnh là nguyên tố thuộc nhóm VI trong bảng HTTH có 6e lớp ngoài cùng, chu
kỳ 3. Z = 16 : 1s22s22p63s2 3p4, khác với oxy ở chỗ các orbital 3d cũng là các orbital hoá
trị.
S là phi kim điển hình, so sánh về độ âm điện nó chỉ kém oxy, nitơ và các nguyên tố
nhóm Halogen.
Nguyên tố
Cl

S

Độ âm điện

2,58

O
3,44

N
3,04

2,1

S khá phổ biến, chiếm khoảng 0,1% khối lượng của vỏ quả đất. Trong tự nhiên thường

tồn tại ở 4 dạng đồng vị 32S chiếm 95,1%, 33S chiếm 0,74%, 34S chiếm 4,21%, 36S chiếm
0,016%. Ngoài ra có những đồng vị phóng xạ nhân tạo khác như 31S và 37S.
Trong thiên nhiên S tồn tại dưới dạng các khoáng, hợp chất như sulfur (ZnS, FeS2,
CuFeS2…), sulfat (Na2SO4.10H2O, CaSO4.2 H2O …) và cả S ở trạng thái tự do.
Các nguyên tử S có khả năng liên kết với nhau tạo nên những mạch đồng thể dạng S4,
S6, S8, ….S∞.
Trong thiên nhiên ở điều kiện bình thường S tồn tại ở dạng tà phương và đơn tà. Dạng
tà phương có nhiệt độ nóng chảy 112,80C, dạng đơn tà 119,30C.
Ở trạng thái nóng chảy S là chất lỏng linh động màu vàng. Khi tăng nhiệt độ đến
1600C khối chất lỏng sẫm màu và độ nhớt tăng mạnh do mạch vòng 8 bị phá huỷ thành
các mạch Sα. Tiếp tục tăng nhiệt độ > 2500C các mạch polymer Sα bị phá đứt và chất lỏng
lại trở nên linh động. S lỏng sôi ở 444,60C và phân huỷ thành các nguyên tử S ở nhiệt độ >
15000C.
II. Các hợp chất của lưu huỳnh (tự đọc – sách Hoá Vô Cơ)
B. ACID SULFURIC
I. Giới thiệu

Acid sulfuric là một axit vô cơ được sử dụng rất rộng rãi và là một trong những axit
vô cơ mạnh nhất. H2SO4 tác dụng với hầu hết các kim loại và các oxit của chúng. Ngoài ra
còn tham gia các phản ứng phân huỷ, trao đổi … và có tính hút nước mạnh. H2SO4 đậm
đặc có tính oxy hoá mạnh.
Từ năm 940 nhà giả kim thuật người Ba tư đã nói đến acid sulfuric. Lúc đó được
điều chế bằng cách chưng các muối sulfat, nên còn gọi là dầu sulfat.
Cuối thế kỷ XV, người ta mới điều chế H2SO4 bằng cách đốt S với diêm tiêu (muối
nitrat) trong các bình thuỷ tinh lớn có thêm nước.
Đến 1740, S và diêm tiêu được đốt trong các bình kim loại, khí bay ra được hấp
thụ trong các bình thuỷ tinh chứa nước.

10

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Đến 1746 bình thuỷ tinh được thay bằng phòng chì nên hình thành phương pháp
phòng chì.
Đầu thế kỷ XX người ta thay phòng chì bằng tháp đệm và nâng cao năng suất lên
rất nhiều.
Năm 1831, Philip người Anh đề nghị oxy hoá SO2 trực tiếp trên xúc tác Pt với sự
có mặt oxy không khí.
Ngày nay, người ta thấy ngoài Pt, có thể sử dụng các oxit kim loại khác có khả
năng làm xúc tác chuyển hoá SO2 như oxit sắt, oxit đồng, các vật liệu bằng gốm
sứ,…Trong đó quan trọng nhất là V2O5.
II. Khái niêm chung về acid sulfuric và tính chất
1. Khái niệm chung

Trong hoá học H2SO4 được biểu diễn bằng công thức SO3.H2O hay H2SO4, là một
hỗn hợp giữa anhydric sulfuric và nước.
Trong kỹ thuật ký hiệu xSO3.yH2O
• x/y <1 : dung dịch axit
• x/y = 1 : axit khan
• x/y > 1 : axit bốc khói, oleum H2SO4.mSO3

Để biểu thị nồng độ H2SO4 người ta dùng % trọng lượng của SO3 hay H2SO4 có trong
hỗn hợp đó. Ví dụ : acid sulfuric 98% H2SO4 hay 80% SO3 … Nồng độ oleum được biểu
thị bằng % trọng lượng của SO3 tự do hay SO3 chung. Ví dụ oleum 20% SO3 tự do hay
85,3% SO3 chung.
2. Vài tính chất của H2SO4 và oleum

H2SO4 khan lỏng không màu, sánh khối lượng riêng 1,83g/cm3. Ở 10,37 0C, 1 atm
xảy ra sự kết tinh. Nâng nhiệt độ 296oC acid sulfuric bắt đầu sôi và bị phân huỷ thành hỗn
hợp đẳng phí chứa 98,3% H2SO4 và 1,7% H2O. Hỗn hợp đẳng phí sôi ở nhiệt độ 336,50C.
a. Nhiệt độ kết tinh

Vì acid sulfuric được coi là hỗn hợp cùa SO3 và H2O kết hợp theo bất kỳ tỉ lệ nào.
Do đó nồng độ axit thay đổi rất rộng dẫn đến tính chất bị biến đổi theo.
Dung dịch có nồng độ bất kỳ của acid sulfuric và oleum đều có thể được xem là
hỗn hợp của hai trong các hợp chất sau:
STT

Tên chất

Hàm lượng , %

Nhiệt độ kết tinh, 0C

H2SO4

SO3 tổng

SO3 tự do

-

-

-

0,0

1

H2O

2

H2SO4. 4H2O

57,6

46,9

-

-24,4

3

H2SO4.2H2O

73,2

59,8

-

-39,6

4

H2SO4.H2O

84,5

69

-

8,48

5

H2SO4

100

81,6

-

10,37

11


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

6

H2SO4.SO3

110,1

89,9

44,95

35,35

7

H2SO4.2SO3

113,9

93

62

1,2

8

SO3

-

100.0

100,0

16,8

Giải thích: giữa hai chất tạo nên hợp chất eutecti nên nhiệt độ kết tinh thấp hơn.

Nhiệt độ kết tinh của acid sulfuric thay đổi thất thường nên trong thực tế sản xuất
người ta thường phải quy định nghiêm ngặt nồng độ H2SO4 thành phẩm và oleum sao cho
chúng không bị kết tinh ngay trong quá trình sản xuất, vận chuyển và bảo quản. Muốn vậy
axit và oleum thành phẩm phải có nồng độ bằng hoặc gần bằng tại các điểm eutecti.

Đồ thị kết tinh của hệ H2O – SO3
b. Nhiệt độ sôi và áp suất hơi

Khi tăng nồng độ acid sulfuric nhiệt độ sôi của nó tăng và đạt cực đại tại nồng độ
98,3% H2SO4 ứng với nhiệt độ 336,50C, ở nồng độ cao hơn 98,3%, nhiệt độ sôi giảm.
Giải thích : ứng với nồng độ <98,3oC khi đun nóng, pha hơi chủ yếu là nước do
nước bốc hơi. Nồng độ > 98,3 % pha hơi chủ yếu là SO3. Khi dung dịch acid sulfuric trở
nên đậm đặc, việc bứt SO3 ra khỏi dung dịch là khó khăn nên nhiệt độ sôi tăng. Khi tăng
nồng độ > 98,3%, SO3 dễ dàng bốc ra càng nhiều, năng lượng bứt ra khỏi dung dịch càng
nhỏ, nên nhiệt độ sôi giảm.
Hiện tượng bốc khói của oleum:
SO3 + H2O
HCl)

H2SO4

hơi

ngưng tụ thành mù axit (giống mù sương tương tự

12


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Nhiệt độ sôi của acid sulfuric và oleum ở 760 mmHg

Khi tăng nồng độ, áp suất hơi trên dung dịch axit giảm, đạt cực tiểu ở 98,3%
H2SO4, sau đó lại tăng. Áp suất hơi trên oleum tăng khi tăng hàm lượng SO3 tự do.
Có thể tính áp suất hơi trên dung dịch acid sulfuric và oleum :
lgP = A – B/T
với P – áp suất hợi (mmHg)
A,B - hằng số phụ thuộc nồng độ,
T – nhiệt độ H2SO4 (0K)
H2SO4 %
20

40

60

% SO3 tự do

80

98,3

100

5

A 8,922 8,844 8,841 9,293 9,78 9,805 8,51
B

2268

2299

2458

10

20

9,01

30

65

9,84 10,44 10,5

100
9,89

3040 4211 3944 2750 2812 2915 2965 2510 2230

H2SO4 %
85

90

93

95

98

A

7,751

7,897

8,17

8,316

9,47

B

3742

3685

3656

3637

3593

Như vậy khi đun nóng dung dịch acid sulfuric loãng sản phẩm cuối cùng là axit
98,3% H2SO4 chứ không phải 100% H2SO4. Khi đạt đến điểm đẳng phí, thành phần pha
hơi bằng pha lỏng.
Chú ý: các hệ số chỉ chính xác ở nhiệt độ < 250 0C vì ở nhiệt độ cao có quá trình
phân huỷ H2SO4 === H2O + SO3
C. Sản xuất acid sulfuric
I. Dây chuyền sản xuất:

13


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Thuyết minh quy trình sản xuất:

Dẫn điện là kỹ thuật có lợi nhất (cost – effective) về
mặt điều khiển những điều kiện của quá trình và bảo vệ
thiết bị phản ứng.
Đầu tiên, S (hoặc quặng chứa S) được đốt bằng
không khí tạo thành SO2. Khí nóng được làm nguội đến
khoảng 4000C. Sau đó đi qua tháp từ 2 đến 4 bậc chứa

xúc tác Pt hoặc Vandi để chuyển hóa thành SO3. Phản
ứng xúc tác toả nhiều nhiệt và thuận nghịch. Vì vậy
tháp xúc tác được bố trí luân phiên những lớp xúc tác
và bộ phận làm nguội (tản nhiệt) khí để hạn chế phản
ứng xảy ra theo chiều nghịch ở nhiệt độ cao.
Nhà máy sản xuất acid sulfuric

Sản phẩm khí SO3 sau đó được làm nguội đến khoảng 2500C trong thiết bị làm
lạnh và được hấp thu bởi một dòng oleum tuần hoàn. Tỉ lệ tuần hoàn/thu hồi do đặc điểm
kỹ thuật (specification) của oleum mong muốn. Nói chung người ta đặt một thiết bị đo độ
dẫn trong hệ thống tháp tuần hoàn oleum. SO3 không được hấp thụ bay ra khỏi tháp oleum
sẽ được hấp thụ bằng dòng tuần hoàn acid sulfuric 98 – 99%. Tỷ lệ thu hồi acid sulfuric do
độ tinh khiết theo yêu cầu của sản phẩm acid sulfuric quyết định. Thông thường những
quy định về môi trường yêu cầu khí thải từ tháp acid sulfuric phải đi qua một tháp hấp thụ
khác để giảm nồng độ SO2 thải ra mà đây là nguyên nhân gây nên mưa axit. Một thiết bị
đo độ dẫn được đặt ở cuối vòng tuần hoàn giữa acid sulfuric giai đoạn cuối và bồn tuần
hoàn.
Sản phẩm acid sulfuric sau đó được chuyển tới bồn chứa. Bồn chứa và ống dẫn nhà
máy acid sulfuric có thể được làm bằng thép không rỉ chứa acid sulfuric có nồng độ không
bao giờ dưới 95%. Axit có nồng độ thấp hơn được sử dụng vào những mục đích khác.

14


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

II. Sản xuất SO2
II.1 Nguyên liệu:

Có thể sử dụng tất cả các hợp chất có chứa lưu huỳnh như các muối sulfua, sunfat kim
loại, khí thiên nhiên … Cụ thể là quăng pyrit sắt, khí thải chứa S (khí lò luyên kim màu,
H2S, khói lò đốt than thì phải làm giàu), S nguyên tố.
II.1.1 Cơ sở kỹ thuật quá trình đốt nguyên liệu

a. Phản ứng đốt cháy:
Lưu huỳnh 112 – 118oC chảy lỏng và tự bốc cháy trong không khí.
S + O2 = SO2
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3 (1)
3FeS2 + 8O2 = 6SO2 + 2Fe3O4 (2)
Thạch cao :

t
CaSO4 ⎯⎯→
o

CaO + SO2 + ½ O2

Cơ chế phản ứng quặng sắt.
Giai đoạn 1: Phản ứng nhiệt phân
t
FeS + S (3)
FeS2 ⎯⎯→
o

Giai đoạn 2:
S + O2 = SO2 (4)
4FeS + 7O2 = 4SO2 + 2Fe2O3 (5)
FeS + O2 = SO2 + Fe3O4 (6)

Phản ứng (6) xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao, lượng SO2 cao, lượng tạp chất
trong pyrit cao → mô tả chính xác hơn.
FeS2 + Fe2O3 → Fe3O4 + SO2
FeS + Fe2O3 → Fe3O4 + SO2
FeS2 + Fe3O4 → FeO + SO2
FeS + Fe3O4 → FeO + SO2
Các oxit sắt hoá trị cao phản ứng với FeS, FeS2 là oxit sắt hoá trị thấp.
Các phản ứng toả nhiệt tạo oxit sắt hoá trị cao.
FeO + O2 = Fe3O4

15


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Fe3O4 + O2 = Fe2O3
* Sản phẩm quá trình:
- Pha khí: O2 dư, N2, SO2, tạp chất (CO2 , H2O khí khác).
- Pha rắn: oxit sắt và tạp chất (xỉ).
b. Thành phần khí đốt lò:
- Gọi n: hàm lượng O2 trong không khí tương đương 21% thể tích (% thể tích).
y: lượng SO2 tạo thành (m3)
z: lượng SO3 tạo thành (m3) (nhờ phản ứng SO2 + O2 → SO3)
- Gọi m: tỉ lệ mol giữa lượng oxy tham gia phản ứng / SO2 tạo thành.
- lượng không khí dùng: 100 (% thể tích).
Giá trị m tuỳ thuộc vào dạng nguyên liệu đem đốt.
Ví dụ:
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3 (1)

my

y

SO2 + ½ O2 = SO3 (2)
z

z/2
m=

11
8

* Giả sử không có phản ứng (2)
Lượng oxy tham gia phản ứng: m.y
Oxy còn lại : n – my.
Tạp chất ( khí khác: N2, CO2…trong không khí): 100 – n.
Tổng hàm lượng khí lò đốt: gồm (O2 dư + SO2 + khí khác) :
(n – my) + y + (100 – n) = 100 – (m – 1).y
Hàm lượng % các khí trong lò (thể tích).
CO =
2

n − my
.100
100 − y(m − 1)

(a)

16

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

C SO =
2

BM Công Nghệ Hóa Học

y
.100
100 − y(m − 1)

(b)

n(m - 1) ⎤
⎡
⇒ C O (còn lại) = n − ⎢m −
.C
2
100 ⎥⎦ SO2
⎣

Chứng minh:
(b) ⇒

100y = (100 – my + y) CSO

2

y(100 + m CSO – CSO ) = 100 CSO
2

⇒

y=

100C SO

2

2

2

100 + mCSO − CSO
2
2

Thay vào (a)
n − my
.100
100 − y(m − 1)

⇒

CO =

⇒

n(m − 1) ⎤
⎡
C O = n − ⎢m −
.C
2
100 ⎥⎦ SO 2
⎣

2

* Giả sử có thêm phản ứng (2)
Làm tương tự, ta có lượng oxy còn lại :
n(m − 1) ⎤
n(m − 0,5) ⎤
⎡
⎡
n − ⎢m −
.C SO − ⎢m + 0,5 −
.C
⎥
2
100 ⎦
100 ⎥⎦ SO3
⎣
⎣

c. Thành phần xỉ lò
Gọi C Sq hàm lượng S trong quặng khô, phần đơn vị
C Sx hàm lượng S trong quặng xỉ lò, phần đơn vị
⇒ Hàm lượng FeS2 trong quặng :

120 q
CS
64

Hàm lượng tạp chất trong quặng : 1 –
Lượng FeS2 trong xỉ lò:

120 x
C S .x
64

⇒ Lượng FeS2 tham gia phản ứng cháy:

17

(PTL FeS2 = 120, S2 = 2.32 = 64)
120 q
CS .
64


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

120 q 120 x
CS –
C S .x
64

64

Theo phản ứng cháy:
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3
4 x 120g

2 x 160g

⎡120 q 120 x ⎤ 2 x 160
⇒ Lượng Fe2O3 tạo thành: ⎢
CS −
C S .x ⎥
64
⎣ 64
⎦ 4 x 120

Lượng xỉ thu được Fe2O3, tạp chất, FeS2 dư:
120 q 120 x
⎡120 q 120 x ⎤ 2 .160
x=⎢
CS −
C S .x ⎥
+1−
CS +
C S .x
64
64
64
⎣ 64
⎦ 4 . 120

1,6 − C Sq
x=
( tính bằng phần đơn vị).
1,6 − C Sx
x=

Nếu tính bằng phần trăm khối lượng:

160 − C Sq
160 − C Sx

II.1.2 Các thiết bị sử dụng trong quá trình đốt nguyên liệu
a. Lò nhiều tầng:

Ưu điểm : lượng bụi nhỏ (vài gam /m3).
Nhược điểm: phức tạp cồng kềnh, năng suất thấp, không tận dụng nhiệt, hàm lượng S
còn lại trong xỉ cao.
Hiện nay ít được sử dụng.

18


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

1 - Trục lò
Trục truyền động

BM Công Nghệ Hóa Học

6 – Răng cào

2 - Bộ phận nạp quăng vào lò
Hộp giảm tốc

7 - Cửa thao tác

3 – Bunke quặng
Cửa tháo xỉ

8 – Bánh răng lớn

4 - Vỏ lò

9 - Trụ đỡ

5 – Đòn cào

10 – bánh răng nhỏ
Sơ đồ nguyên tắc của lò nhiều tầng

19

11

-

12

-

13

–


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

b. Lò đốt quặng bột:
Cấu tạo rất đơn giản :
là một hình trụ bằng thép
(đường kính khoảng 4m,
chiều cao hơn 10m), bên
trong lót gạch chịu lửa. phần
dưới lò có phễu xỉ, phần trên
đặt một giàn các ống thép dẫn
nước làm nguội để quặng
khỏi dính vào vòm lò (nhiệt
độ nước sau khi làm nguội
khoảng 45 – 500C)

Hỗn hợp khí và quặng
khô được thổi vào lò qua vòi
phun (nghiêng 7 độ so với
phương thẳng đứng). để
quặng cháy triệt để, không
khí bổ sung được thổi vào
phần trên của lò (chiếm 60 –
80% lượng không khí chính).

Nhiệt độ khí lò khoảng
900 – 950 0C, nhiệt độ xỉ 600
– 7000C, hàm lượng lưu
huỳnh trong xỉ nhỏ hơn 2%.
1 - Vỏ lò hình trụ

2 - Lớp lót chịu nhiệt

4 – Vòi phun hỗn hợp “không khí – quặng”
nguội

3 - Phễu xỉ
5 – Giàn ống nước làm

Lò đốt quặng tuyển nổi

Quặng tuyển nổi rất mịn nên cháy rất nhanh (chỉ sau 1 giây), vì vậy lượng quặng trong
lò không nhiều nên rất dễ tự động hoá quá trình đốt quặng, đồng thời dễ dàng khắc phục
được những khó khăn khi dừng lò đột ngột. Nhưng cũng do tốc độ cháy của quặng rất lớn
nên khi lượng quặng hoặc hàm lượng lưu huỳnh trong quặng thay đổi một chút là nồng độ
SO2 trong khí lò thay đổi khá nhiều.
Khuyết điểm chủ yếu của loại lò này là hàm lượng bụi trong khí lò rất lớn (đến 100
g/m3), chế độ làm việc không ổn định, nồng độ SO2 thay đổi trong phạm vi khá rộng.
Cường độ của lò đốt quặng khoảng 700 kg/m3.ngày (năng suất khoảng 100
tấn/ngày).
c. Lò lớp sôi :
Hiện nay kỹ thuật lớp sôi được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác
nhau : hoá học, luyện kim, gia công dầu mỏ, thực phẩm, y học, sản xuất vật liệu xây dựng,
năng lượng hạt nhân…

20


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Cấu tạo lò gồm một hình trụ bằng thép, bên trong lót VLCL. Ở phần dưới của lò đặt
một bảng để phân phối không khí đều trên toàn tiết diện của lò. Ở buồng nạp quặng và
trong lớp sôi bố trí các ống nước làm nguội.
Quặng sau khi được đập nghiền đến kích thước quy định, nhờ bộ phân tiếp liệu đưa
vào vào buồng nạp quặng. thời gian lưu quặng trong lò từ 6 – 9 giây. để quặng cháy triệt
để, người ta bổ sung không khí vào trên lớp sôi. ống tháo xỉ đặt ngang mức lớp sôi. Khí lò
trước khi sang công đoạn tiếp theo được đưa qua làm nguội ở nồi hơi tận dụng nhiệt thừa
và qua cyclon, lọc điện khô để tách bụi.
Khuyết điểm lớn nhất của lò lớp sôi là lượng bụi theo khí lò rất lớn (trên 90% tổng
lượng xỉ), vì vậy việc tách bụi rất khó khăn. mặt khác bụi xỉ là chất xúc tác cho quá trình
oxy hoá SO2 thành SO3 trong nồi hơi nên khí lò phải được làm nguội thật nhanh (chỉ sau
0,3 – 0,5 giây, nhiệt độ phải hạ từ 800 – 900 0C xuống 400 – 4500C) để tránh tạo thành
SO3. Do đó nồi hơi rất cồng kềnh.
Năng suất của lò lớp sôi khoảng 100 – 400 tấn quặng tiêu chuẩn/ ngày. Do có nhiều
ưu điểm nổi bật nên lò lớp sôi đang thay thế dần loại lò cơ khí và tiếp tục được nghiên cứu
để có năng suất cao hơn và tính ưu việt hơn.
Gần đây, người ta còn đề nghị dùng lò hai lớp sôi để đốt quặng vì khoảng 50% lượng
nhiệt phản ứng được rút ra từ lò với hệ số truyền nhiệt rất lớn, còn lượng nhiệt rút ra từ khí
lò có hệ số truyền nhiệt nhỏ, lại yêu cầu hạ nhiệt độ khí xuống rất nhanh. Do đó kích
thước lò rất lớn. nếu dùng lò 2 lớp sôi (lớp đầu là quặng, lớp sau là xỉ) thì ở lớp thứ 2 vừa
đốt nốt lượng S còn lại, vừa làm nguội khí đồng thời thực hiện quá trình sulfat hoá
(chuyển các kim loại màu trong xỉ thành các muối sulfat hoà tan, dễ tách đem ra thuỷ
luuyện kim). Quá trình sulfat hoá xảy ra ở nhiệt độ thấp, điều này không thể thực hiện

được trong lò một lớp sôi bình thường.
Thực tế sử dụng lò hai lớp sôi, người ta rút ra duc những kết luận sau:
-

Đốt quặng trong lò hai lớp sôi có thể sử dụng tổng hợp được quặng pyrit:
thu được SO3, hơi nước, xỉ (dùng trực tiếp để thuỷ luyện kim).

-

Thu được hơi nước quá nhiệt mà không cần nồi hơi.

-

Mức sunfat hoá các kim loại trong xỉ đạt trên 90%.

-

Trong hỗn hợp khí hầu như không có asen và SO3.

Lò lớp sôi cũng được dùng để đốt lưu huỳnh có nhiều tạp chất (bẩn).

21


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

1. Giá đỡ

BM Công Nghệ Hóa Học

6. bảng phân phối khí

2. Ống phân phối khí

8. vòi phun mazut để nhóm lò

3. giàn ống đục lỗ

9. buồng nạp quặng

4. bunke xỉ dưới buồng nạp quặng

10. Ống không khí bổ sung

5; 7. giàn ống nước làm nguội

Lò lớp sôi đốt quặng

22


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

d. Lò phun đốt lưu huỳnh
• Loại nằm ngang: là một ống thép trong lót gạch chịu lửa. S sau khi nấu chảy và
tách cặn được không khí thổi vào lò qua các vòi phun. Để S cháy hết, trong lò
xây các tường ngăn và có bổ sung không khí vào ngăn thứ hai.

1 - Vỏ thép
2 - Lớp gạch chịu nhiệt
4 – Vách ngăn
5 – Vòi phun S lỏng
liệu

3 - Lớp amian

6 - Hộp đưa không khí vào lò

7 – Vòi phun nhiên

Sơ đồ lò phun lưu huỳnh nằm ngang

* loại đứng: có thể đốt S lẫn nhiều cặn. S có thể phun từ trên xuống hoặc từ dưới
lên.
II.2 Làm sạch hỗn hợp khí:

Khi đốt quặng, khí lò thường kéo theo các hạt bụi xỉ. lượng bụi trong hỗn hợp khí
phụ thuộc vào loại quặng, kích thước hạt xỉ, cấu tạo lò đốt … Đường kính trung bình của
các hạt bụi này từ vài cho đến vài chục micromet. Các hạt bụi này gây nhiều khó khăn cho
quá trình sản xuất vì chúng:
-

Lắng trong các thiết bị, đường ống làm tăng trở lực của hệ thống, có thể
làm tắt van, ống dẫn …

-

Theo axit tuần hoàn lắng trên bề mặt các ống làm nguội, làm giảm hệ số

truyền nhiệt.

-

Làm bẩn axit.

-

Che phủ bề mặt xúc tác, làm giảm hoạt tính của nó.

Ngoài bụi, các tạp chất khác cũng cần được khử như các oxit của As và Se (As2O3 và
SeO2), các hạt hạt acid sulfuric do một số SO3 tạo thành trong lò đốt kết hợp với hơi nước,
hơi ấm…
Có thể làm sạch khí bằng phương pháp cơ học, phương pháp lọc điện hoặc kết hợp cả hai.
a. Phương pháp cơ học:

Theo phương pháp này quá trình tách bụi dựa vào lực trọng trường và lực ly tâm của
hạt bụi. Những thiết bị trong đó hạt bụi lắng dưới tác dụng của trong trường gọi là phòng
lắng dùng để lắng những hạt bụi lớn. Những hạt bụi nhỏ hơn được lắng nhờ lực ly tâm
trong thiết bị phổ biến là cyclon. Hiệu suất khử bụi trong các cyclon có thể đạt trên 90%.
b. Phương pháp lọc điện:

Được dùng phổ biến trong công nghiệp nói chung và trong nhà máy acid sulfuric nói
riêng vì nó có những ưu điểm sau:
23


Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

- Có thể tách được những hạt bụi rất nhỏ, hiệu suất tách bụi đạt trên 99 %.
- Tổng năng lượng tiêu hao nhỏ.
- Làm việc được ở nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn hoá học.
- Có thể tự động hoá hoàn toàn quá trình làm sạch.
Trong nhà máy sản xuất acid sulfuric thường dùng hai loại lọc điện : lọc điện khô (cực
lắng hình tấm) để tách bụi và lọc điện ướt (cực lắng hình tổ ong bằng chì) để tách mù axit
loãng (hoặc bằng ferrosilic để tách mù axit đặc). Chúng có nguyên lý làm việc giống nhau.
Phần chủ yếu của thiết bị là hệ thống dẫn khí mà mỗi ống có cấu tạo như sau:
Ở tâm của ống là dây dẫn một đầu được nối với cực âm máy chỉnh lưu. Cực dương
của máy chỉnh lưu và ống được tiếp đất. Điện áp giữa hai cực khoảng trên 60.000 volt,
làm hỗn hợp khí trong khoảng không gian giữa hai cực bị ion hóa. Khí đi trong ống từ
dưới lên, các hạt bụi sẽ bị tích điện âm, do đó bị hút vào thành ống, truyền điện cho nó và
rơi xuống.
Nhiệt độ của khí trong thiết bị lọc điện khô khoảng 350 –
4000C. Ở nhiệt độ này các hợp chất của asen và selen ở thể
hơi nên không thể khử được. muốn khử các hợp chất này
bằng các thiết bị lọc điện cần chuyển chúng thành mù bằng
cách cho các khí đi qua các tháp rửa trước khi cho vào thiết
bị lọc điện. Vì thế loại thiết bị lọc điện này còn gọi là thiết bị
lọc điện ướt. Ngoài ra thiết bị lọc điện ướt còn tách được mù
axit.
1 – Ống dẫn khí
2 – Dây dẫn điện
Sơ đồ nguyên lý thiết bị lọc điện
III.

Sản xuất acid sulfuric theo phương pháp tiếp xúc

Việc sản xuất acid sulfuric theo phương pháp tiếp xúc gồm các công đoạn chủ yếu sau:

-

Chế tạo khí sulfurơ

-

Làm sạch tạp chất khỏi hỗn hợp khí

-

Chuyển hoá SO2 thành SO3

-

Hấp thụ SO3

III.1 Giai đoạn oxy hoá SO2
III.1.1 Cân bằng :

SO2 + ½ O2 === SO3 + Q là phản ứng toả nhiệt, đồng thể làm tăng thể tích.
Hằng số cân bằng :

KP =

PSO 3
PO12/ 2 . PSO 2

24

(ở thời điểm cân bằng)

Bài giảng Công nghệ sản xuất các hợp chất Vô Cơ – 2006

BM Công Nghệ Hóa Học

Gọi yi là phần mol của từng khí trong hỗn hợp
Pi là áp suất riêng phân của từng khí
P là áp suất tổng

Pi == P. yi

Trong tính toán kỹ thuật:
lgK == 4905,5/T – 4,6455 với T là nhiệt độ tuyệt đối
III.1.2 Mức độ chuyển hoá

Là tỉ số giữa lượng SO3 tạo thành / SO2 ban đầu

x=

PSO3
PSO2 + PSO3

KP =

PSO3
PSO2 .PO12/ 2

(1)
(2)

Gọi a - nồng độ ban đầu của SO2, % thể tích
b - nồng độ ban đầu của O2, % thể tích
x - mức độ chuyển hoá SO2 thành SO3
SO2
Ban đầu

+ ½ O2

a

==

b

Phản ứng

ax

Cân bằng

a – ax

SO3
0

ax/2
b – ax/2

ax

Khí khác 100 – a – b
Tổng các khí trong hỗn hợp == (a – ax) + (b – ax/2)+ ax + (100 – a – b ) == 100 – ax/2
Nồng độ của các khí:
b − ax

2
ax
100 −
2
a − ax
=
100 − ax
2
ax
=
100 − ax
2

C O2 =
C SO2
C SO3

(3)

Từ (2) Š PSO = K P .PSO .PO1 / 2 (4)
3

2

2

Thay (4) vào (1) :
x=

K P .PSO2 .PO12/ 2
PSO2 + K P .PSO2 .PO12/ 2

Pi = yi.P
Thay (3) vào (5) , ta được :
25

(5)