Sản xuất axit sunfuric

4.1 Sản xuất axit sunfuric

+ Vai trò axit sunfuric:

— Sản phẩm quan trọng nhất của nền công nghiệp hóa chất

— Axit sunfuric dùng để sản xuất phân bón, chế tạo nhiên liệu lỏng, tổng hợp hữu cơ, phẩm nhuộm, luyện kim, mạ điện…

+ Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric

  – Lưu huỳnh là nguyên liệu chủ yếu, có nhiều ở Mỹ, Nga, Canada

  – Quặng pirit FeS2 chứa 53,44% S và 46,56% Fe, nước ta quặng chỉ chứa 15% S nên nguyên liệu phải nhập từ nước ngoài

  – Thạch cao CaSO4.2H2O hoặc CaSO4  khan

  – Phế thải chứa hợp chất S

+ Chế tạo khí SO2  từ S:

  – S từ quặng được tinh chế đưa vào lò đốt cùng với không khí:

  Sk + O2 =  SO2 + Q (20,7kJ)

  – Phản ứng không thuận nghịch, tốc độ p/ư tăng theo chiều tăng nhiệt độ, nồng độ chất oxy hóa

  – Nhiệt độ đốt S đạt 1.200oC phản ứng xảy ra nhanh, S cháy hòan toàn

+ Chế tạo khí SO2 từ quặng pirit sắt:

2FeS2 = 2FeS + S2 – 103,9kJ

S2 + 2O2 = 2SO2 + 724,8kJ

– FeS tiếp tục bị đốt cháy:

4FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2

+ Kết quả quá trình đốt pirit ta thu được:

  – Hỗp hợp khí 7-9% SO2, , 10-11% O2 còn lại là Nitơ với một số tạp chất

  – Xỉ còn lại là Fe2O3 và Fe3 O4 sử dụng cho kỹ nghệ luyện gang hay sản xuất xi măng

+ Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình đốt pirit:

  -Nhiệt độ cao cháy càng nhanh, duy trì nhiệt độ: 600oC – 800o C

  – Diện  tiếp xúc giữa nguyên liệu và Oxy trong không khí, kích thước quặng thích hợp là 8mm

  – Lượng không khí thổi vào lò khống chế cho Oxi dư 11%

+ Lò đốt pirit

  – Lò đốt nhiều tầng hay còn gọi là lò bơi chèo, lò có 7 tầng đốt và 1 tấng sấy, quặng được đổ tự động từ trên xuống, không khí đi từ dưới lên, khí SO2 lấy ra từ đỉnh lò, tầng 3 – 4 phản ứng xẩy ra mạnh nhất

+ Lò phun đốt quặng pirit ở dạng bụi, năng suất lớn hơn lò bơi chèo có thể đốt cháy khoảng 100tấn /ngày, nhược điểm là nhiều bụi

+ Lò tầng sôi người ta thổi không khí từ dưới lên với kích thước hạt quặng thích hợp để pirit cháy ở trạng thái lơ lửng lò này có thể đốt 200tấn/ này. Ngày nay người ta sử dụng không khí giầu oxy để đốt quặng pirit

+ Tinh chế hỗn hợp SO2

  – Tách bụi ra khỏi hỗn hợp khí có kích thước lớn bằng thiết bị lắng ly tâm xiclon, bụi có kích thước nhỏ tách bằng thiết bị lọc điện

  – Tách Asen  và Selen  oxit bằng cách cho khí qua tháp rửa từ dưới lên, axit sunfuric từ trên xuống, các bụi asen và selenoxit bị hòa tan hoặc lắng xuống đáy tháp

  – Tách mù axit sunfuricbằng thiết bị lọc điện ướt

– Tách hơi nước nhờ axit sunfuric đặc đi từ trên xuống khí đi từ dưới lên

  Sau khi khí SO2 làm sạch được oxi hóa tiếp thành SO3

+ Oxi hóa SO2 thành SO3

  – Phương pháp Nitro hóa nhờ các oxit Nito N2O3, NO2  là chất chuyển tiếp oxi của không khí

   SO2 + NO2  + H2O = H2SO4 + NO

   SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2NO

– NO hình thành phản ứng trực tiếp với Oxi của không khí:

  NO + O2 = 2NO2

  NO + NO2 = N2O3

    Qúa trình oxihóa SO2 thành H2SO4 trong pha lỏng bao gồm nhiều quá trình nối tiếp nhau xẩy ra trên ranh giới pha lỏng – khí vì thế tốc độ của quá trình không chỉ phụ thuộc vào sự khuyếch tán mà còn phụ thuộc vào tốc độ của phản ứng hóa học

– Phương pháp tiếp xúc ( oxi hóa trên xúc tác rắn V2O5) là phản ứng tỏa nhiệt:

  2SO2 + O2 = 2SO3 + Q

Gía trị hằng số cân bằng:

    Cân bằng phản ứng chuyển dịch về phía tạo thành SO3 khi tăng áp suất và giảm nhiệt độ

   Phản ứng chỉ xẩy ra với tốc độ rõ rệt ở nhiệt độ trên 400oC

+ Chất xúc tác có 2 nhóm:

  – Xúc tác chứa Platin

  – Xúc tác bao gồm các Oxit kim loại phổ biến là Oxit Vanadi cùng các phụ gia khác như Al2O3, SiO2, K2O, CaO…, ngoài ra còn dùng xúc tác Fe2O3 nhưng hoạt tính kém chỉ diễn ra ở 600oC

+ Thời gian tiếp xúc tăng thì tốc độ chuyển hóa tăng thông thương tháp tiếp xúc có 4 tầng tiếp xúc, gần đây người ta sử dụng tháp tầng sôi

+ Hấp thụ SO3

 Thực hiện trong tháp hấp thụ, chất lỏng đi từ đỉnh tháp xuống, khí SO3 đi từ dưới lên:

  mSO3 + H2O = H2SO4.(m-1)SO3

   – Tùy hệ số m ta thu được axit khác nhau:

  m = 1 axit có nồng độ 100%, m > 1 tạo thành olêum H2SO4.nSO3, m < 1 axit có nồng độ < 100%

Hiệu suất hấp thụ phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ axit

+ Điều kiện thích hợp của quá trình hấp thụ:

-Trước khi vào tháp khí SO2 được làm lạnh  đến nhiệt độ < 60oC

-Nhiệt độ trong tháp duy trì ở nhiệt độ 60oC

-Hiệu suất hấp phụ đạt đến trên 99%