1. 30
CHƯƠNG IV
CÔNG NGH S N XU T AXIT SUNFUARIC
I. Khái ni m chung:
1/ Các tính ch t c a axit sunphuaric:
- Axit sunphuaric là m t ch t l ng nh t, không màu, sôi dư i áp su t thư ng
nhi t ñ 296.2oC.
- Axit sunphuaric có th hoà tan trong nư c v i m t b t kì t l nào, t o thành các
lo i hydrat H2SO4.H2O, H2SO4.2H2O, ..., H2SO4.42H2O. Trong kĩ thu t, ngư i ta g i
chung dung d ch c a H2SO4 trong nư c các n ng ñ (H2SO4+nH2O) là axit sunphuaric.
- Axit sunphuaric cũng t o thành các h p ch t v i SO3, t o thành H2SO4.SO3, và
H2SO4.2SO3 , g i là oleum (n ng ñ oleum ñư c xác ñ nh b ng % tr ng lư ng SO3 t do
trong axit)
- Axit sunphuaric hoà tan ña s các kim lo i và ñ y ñư c các axit khác ra kh i
mu i c a chúng, và ñ t cháy t t c các t bào ñ ng th c v t do tính hút nư c c a nó.
2/ ng d ng c a axit sunphuaric:
Axit sunphuaric là m t trong nh ng h p ch t vô cơ cơ b n có vai trò quan tr ng
nh t trong công ngh hoá h c. Axit sunphuaric ñư c s d ngk h u h t trong các ngành
công nghi p: hoá ch t, phân bón (sunphephôtphat, amônisunphat, ...), ñi u ch các lo i
axit khác (HCl, H3PO4, HF, ...), thu c nhu m, sơn, thu c n , ch t t y r a t ng h p, ch t
d o, este, ngành luy n kim, công ngh v i s i, accu, th c ph m, ...
3/ Các phương pháp s n xu t axit sunphuaric:
Hi n nay s n xu t axit sunphuaric b ng cách cho nư c tác d ng v i khí anhydric
sunphuaric (SO3). Quá trình này g m 3 giai ño n:
- ði u ch khí sunphuarơ (SO2) t qu ng pyrit (FeS2) ho c ñ t lưu huỳnh (S).
- Oxy hoá SO2→ SO3:
2 SO2 + O2 → SO3
- H p th SO3 b ng H2O:
SO3 + H2O → H2SO4
Trong công nghi p có hai phương pháp s n xu t H2SO4 ch y u khác nhau giai
ño n oxy hoá SO2→ SO3 . ðó là phương pháp ti p xúc (xúc tác r n) và phương pháp
Nitrôza (dùng nitơ oxyt ch t chuy n oxy)
II. ði u ch khí sunphuarơ:
1/ Nguyên li u là qu ng pyrit:
- Thành ph n ch y u là FeS2 , ngoài ra còn có các h p ch t sunphua c a Cu, Zn,
Pb, ... và mu i sunphat c a K, Mg, Ag, Au, ...
Khi ñ t qu ng s x y ra các ph n ng:
4 FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3
nhi t ñ cao và dư nhi u oxy thì ph n ng x y ra như sau:
3 FeS2 + 8O2 = 6SO2 + Fe3O4
Các ph n ng ñ u to nhi t và nhi t to ra ñ ñ duy trì quá trình ñ t qu ng,
không c n ph i cung chap nhi t t bên ngoài.
- Có hai ki u lò ñ t qu ng pyrit: lò t ng sôi và lò t ng cơ khí (BXZ Liên Xô), lo i
này hi n nay ít ñư c s d ng vì k t c u ph c t p và năng su t th p.
* Sơ ñ nguyên lí c a lò t ng tĩnh (Hình 4.1.)
3. 32
- Lò hình tr b ng thép, bên trong có lót m t l p v t li u ch u l a (1). Phía dư i
có ghi lò (2). Qu ng ñư c nghi n nh c h t 6mm ñưa vào phía trên lư i (ghi lò). Không
khí ñư c th i t dư i lên qua lư i, v i t c ñ ñ ñ duy trì l p qu ng tr ng thái lơ l ng,
ñư c g i là t ng sôi.
- Quá trình ñ t ñư c ti n hành liên t c, không khí, qu ng ñưa liên t c vào và
qu ng thiêu ñư c liên t c l y ra. Khí SO2 l y ra trên tháp. Khí ra kh i lò t ng sôi ñem
theo m t lư ng b i l n t i 90%-95% kh i lư ng qu ng thiêu.
- Nhi t ñ t ng sôi ph i duy trì 750oC ñ các h t qu ng thiêu không dính ñư c
v i nhau. ð duy trì nhi t ñ này trong t ng sôi thư ng b trí các thi t b làm l nh b ng
nư c ho c h th ng các ng lò hơi ñ rút nhi t do ph n ng ñ t qu ng to ra. Do ñó, t ng
sôi có tác d ng ph là s n xu t hơi nư c.
Ki u lò t ng sôi cũng có th dùng ñ t lưu huỳnh.
Ưu ñi m: c u t o ñơn gi n, d ñi u khi n. Khí SO2 có n ng ñ n ñ nh, lư ng lưu
huỳnh còn l i trong qu ng th p.
Như c ñi m: t n năng lư ng ñ th i không khí nh m duy trì qu ng tr ng thái
t ng sôi và khí SO2 ch a nhi u b i (300g/m3)
2/ Nguyên li u là lưu huỳnh:
S + O2 = SO2
Ph n ng này x y ra nhanh và to nhi t. Hi n nay, ngư i ta s d ng r ng rãi là
ñ t lưu huỳnh l ng.
* Sơ ñ lưu trình ñ t lưu huỳnh l ng (Hình 4.3.)
4. 33
- Lưu huỳnh ñư c ñưa vào ngăn th nh t c a n i n u (1). Lưu huỳnh ch y l ng
ñư c bơm (2) ñưa qua thi t b l c (3) ñ tách t p ch t, r i qua ngăn th hai c a n i n u
(1). Sau ñó ñư c bơm (4) ñưa lưu huỳnh l ng cùng v i không khí ñã làm s ch (không
khí qua thi t b l c (7) ñ tách t p ch t và qua tháp s y (8) ñ tách hơi nư c b ng H2SO4)
vào vòi phun lưu huỳnh và vào lò ñ t (6). Lò ñ t hình tr n m ngang b ng thép, trong có
lót v t li u ch u nhi t, và có các ngăn ñ tách t p ch t. (có th thay lò này b ng thi t b
t ng sôi v i ch t mang là cát, qu ng thiêu).
- Khí SO2 ra kh i lò ñ t có nhi t ñ 850-900oC ñư c ñưa qua n i hơi thu h i (9)
ñ t n d ng nhi t th a.
III. Làm s ch khí SO2:
Khí SO2 lò ñ t ra còn ch a b i và t p ch t (As2O3 và SeO2: làm gi m ho t tính
xúc tác). Lư ng b i trong khí tuỳ thu c vào lò ñ t, có th dao ñ ng khá l n 300g/m3
(t ng sôi) → 10-15 g/m3 (t ng cơ khí). C n ph i kh b i và t p ch t vì nó s làm b n axit
H2SO4 t o thành và làm gi m ho t tính xúc tác trong thi t b oxy hoá SO2. (xúc tác cho
ph n ng oxy hoá SO2 thư ng là V2O5).
* Sơ ñ lưu trình làm s ch khí SO2 (Hình 4.4.):
5. 34
*Tháp 3 có nhi m v :
-Làm ngu i hh khí t 80-900C xu ng 30-400C
- H p th m t ph n mù axit trong khí sau tháp 2
- Tách m t ph n t p ch t asen, selen
*Tháp tăng m 5 có nhi m v tăng m c a hh khí ñ tăng kích thý c mù axit;
ti p t c m ngu i hh khí xu ng vài ñ (3-50C)
8. 37
- Trư c h t, ngư i ta dùng cyclon ñ làm s ch b i sơ b , nh m gi m hàm lư ng
b i xu ng còn kho ng 15-20 g/m3 (t ng sôi). Sau ñó, khí ñư c ñưa vào thi t b l c ñi n
khô (1), ñ ti p t c kh b i ñ n 0.25 g/m3. Nhi t ñ trong thi t b l c ñi n khô kho ng
350-400oC. nhi t ñ này, h p ch t c a As và Se th hơi không kh ñư c. ð kh t p
ch t này b ng thi t b l c ñi n c n ph i chuy n chúng thành mù, b ng cách cho khí qua
tháp r a (2) và (3) trư c khi vào thi t b l c ñi n sau (vì v y g i là thi t b l c ñi n ư t).
tháp (2) khí ñi t dư i lên trên và ñư c làm l nh b ng H2SO4 60-70% do m t h th ng
vòi phun li tâm vào tháp (ñư c bơm t thùng (9) lên). Nhi t ñ c a khí ñư c h xu ng
80oC. T i tháp này s kh m t ph n b i còn l i, ngưng t ñư c m t ph n mù axit t o
thành trong tháp do khí SO3 có trong khí ph n ng v i axit làm l nh. M t ph n h p ch t
c a As và Se ñư c hoà tan trong axit ho c l ng xu ng dư i d ng bùn. Tháp r a (3) là m t
tháp ñ m ñư c tư i b ng H2SO4 30% làm cho nhi t ñ khí gi m xu ng 30oC.
- Sau khi qua tháp (3) khí liên ti p ñi qua hai thi t b l c ñi n (4) và (6) ñ tách
h t mù axit và các h p ch t c a As và Se. Và ñ tách hoàn toàn mù axit trư c khi qua
thi t b l c ñi n (6), khí ñưa qua tháp tăng m (5) tư i b ng axit H2SO4 5%, nh m làm
cho các h t mù nh mà l c ñi n (4) không tách ñư c to lên. Sau khi qua thi t b l c ñi n,
nhi t ñ khí gi m xu ng còn 25-30oC và n ng ñ SO2 kho ng 9-15% (n ng ñ t i ưu c a
SO2 ñ i v i ph n ng oxy hoá là 7%). Do v y, ph i m van chuy n không khí vào ñ
ñi u ch nh. Sau ñó, khí qua tháp s y (7) có c u t o như tháp r a (3), tháp ñư c tư i b ng
H2SO4 93-95% ñ hút nư c, làm gi m ñ m c a khí xu ng dư i 0.15 g/m3.
IV. ði u ch axit H2SO4 theo phương pháp ti p xúc:
9. 38
H n h p khí SO2 khô và s ch có hàm lư ng SO2 t 7-7.5% và nhi t ñ 45-50oC
ñưa sang công ño n ñi u ch H2SO4 . Công ño n này g m hai giai ño n: oxy hoá SO2
thành SO3 và h p th khí SO3.
1/ Oxy hoá SO2:
Ph n ng oxy hoá SO2 to nhi t v i ch t xúc tác V2O5, nhi t ñ ph n ng oxy hoá
t t nh t kho ng 440oC r i gi m xu ng 415-420oC. Do ñó, trư c khi ñưa vào thi t b ti p
xúc ñ th c hi n ph n ng oxy hoá, khí ph i gia nhi t ñ n m t nhi t ñ c n thi t.
* Sơ ñ lưu trình công ngh c a công ño n này (Hình 4.5.)
- H n h p khí sau khi ñư c máy nén (1) nén qua thi t b l c (2), ñi vào thi t b
truy n nhi t ki u ng chùm (3) và ñư c gia nhi t ñ n nhi t ñ 230-240oC b ng nhi t ñ
khí SO3 t thi t b ti p xúc (4) ra.
Có nhi u ki u thi t b ti p xúc, ñây s d ng thi t b ti p xúc có ki u truy n nhi t
trung gian. Thi t b này có 4 t ng xúc tác (I, II, III và IV) và có 3 thi t b truy n nhi t
trung gian (A, B, và C) (Hình 4.6.).
- T thi t b truy n nhi t (3) ra, khí l n lư t qua các thi t b truy n nhi t trung
gian t A ñ n C và nhi t ñ c a khí lên t i 440oC ñi vào ñ nh tháp ti p xúc. Sau khi qua
l p xúc tác I, 70% khí SO2 b oxy hoá thành SO3 và nhi t ñ khí tăng lên 590-600oC, h n
h p khí ñi vào thi t b truy n nhi t C ñư c làm l nh xu ng ñ n 450-460oC, khí ti p t c
qua l p xúc tác II nângm c oxy hoá SO2 lên 90%. Sau khi qua thi t b truy n nhi t B ñ
h nhi t ñ xu ng 440oC, khí ñi vào l p xúc tác III nâng m c chuy n hoá SO2 lên 96%.
Khi ñi vào l p xúc tác IV khí nhi t ñ 415-418oC và t i ñây SO2 chuy n hoá ti p lên
ñ n 98%.
2/ H p th SO3:
10. 39
- H n h p khí SO3 t thi t b ti p xúc (4) ra qua thi t b truy n nhi t (3) ñi vào
thi t b làm l nh b ng nư c (5) h nhi t ñ xu ng 60oC r i ñi vào h th ng các thi t b
h p th SO3 (6), (7) (ñây là các tháp ñ m). ð u tiên khí ñi vào (6) ñi u ch oleum 18.520% SO3 ñ h p th SO3. Oleum ra kh i tháp (6) có n ng ñ SO3 hoà tan lên ñ n 22%.
M t ph n oleum ñư c pha loãng ñ n n ng ñ qui ñ nh b ng axit th tháp (7) sangvà tu n
hoàn tr l i tháp.
- tháp (7) khí ñư c h p th b ng axit 68.3%. Sau khi ra kh i tháp (7) n ng ñ
axit lên ñ n 98.7-99%, sau ñó ñư c pha loãng b ng nư c ho c b ng axit và tu n hoàn tr
l i. Axit c hai tháp trư c khi bơm lên tháp ñ u ph i ñư c làm l nh. Hi u su t h p th
SO3 c hai tháp lên ñ n 99.9%.
- Khi ra kh i h th ng h p th , khí còn ch a ít SO2 và ñem theo b t axit. Trư c
khi th i ra ngoài khí quy n ñư c ñưa qua thùng tách b t (8) ñ gi l i axit, sau ñó vào
tháp ñ m (9), ñây dùng dung d ch NH4OH ñ h p th SO2. S n ph m quá trình này là
các mu i (NH4)2SO3, NH4HSO3, và (NH4)2SO4.
