Trình Bày Các Công đoạn Sản Xuất Axit Sunfuric

Quy trình sản xuất axit sunfuric như thế nào? Và những vấn đề liên quan đến công nghệ ra sao? Tham khảo thông tin đầy đủ về nó qua bài viết dưới đây.

Nội dung chính Show

• Công nghệ sản xuất axit sunfuric
• Các công đoạn sản xuất axit sunfuric
• Một số cải tiến công nghệ trong sản xuất H2SO4
• Vấn đề thu hồi nhiệt thải
• Cải tiến công đoạn hấp thụ và làm lạnh Công đoạn hấp thụ và làm lạnh được tối ưu
• Cải tiến các hệ thống an toàn

Bạn đang xem: Sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp

Với nhiều ứng dụng có lợi trong sản xuất, xử lý nước thải và phòng thí nghiệm thì axit sunfuric là chất không còn xa lạ gì với chúng ta nữa. Nhưng liệu bạn đã hiểu rõ về quy trình, công nghệ và những cái tiến trong sản xuất axit sunfuric chưa? Tham khảo thông tin nghiên cứu chi tiết qua bài viết dưới đây cùng Gia Hoàng nhé!

Công nghệ sản xuất axit sunfuric

Công nghệ sản xuất axit sunfuric có ba công nghệ là công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx và công nghệ CaSO4. Tất cả ba công nghệ này đều có nguyên lý chung là thu SO2 từ các nguyên liệu đầu vào khác nhau như lưu huỳnh, pyrit, chalkopyrit, sphalerit, galenit, CaSO4, các loại khí rửa, khí thải chứa lưu huỳnh oxit,... Công nghệ sản xuất axit sunfuric đều hoạt động dưới quy luật thu SO2 từ một số nguyên liệu khác nhau: CaSO4, khí thải có lưu huỳnh oxit, lưu huỳnh,...Sau đó khi sử dụng các thiết bị tiếp xúc có sử dụng thêm chất xúc tác thì SO2 oxi hóa thành SO3. Cuối cùng thì qua quá trình hấp thụ trong axit loãng SO3 sẽ thành H2SO4. Ngày nay công nghệ sản xuất này bao gồm có công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx và công nghệ CaSO4.

Axit sunfuric được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện nay

Công nghệ tiếp xúc hiện nay là công nghệ sản xuất axit sunfuric hiện đại nhất được sử dụng trên thế giới để sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp. Theo công nghệ sản xuất H2SO4 này thì ta có 2 loại dây chuyền sau:

Tiếp xúc đơn (dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 1 lần): Dây chuyền này được áp dụng rất phổ biến vào trước những năm 1970. Hiệu suất chuyển hóa SO2 thành SO3 đạt 98%. Khi đó lượng SO2 không chuyển hóa bị thải vào khí quyển sẽ gây ô nhiễm môi trường. Dây chuyền tiếp xúc đơn hay còn gọi là dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ một lần. Đây là dây chuyền đã từng được sử dụng rất rộng rãi vào trước những năm 1970. Hiệu suất của quy trình đạt đến 98% trong việc chuyển hóa SO2 thành SO3. Tuy nhiên phần SO2 còn lại không chuyển hóa sẽ gây ô nhiễm môi trường vì nó bị thải vào bầu khí quyển.

Tiếp xúc kép (dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 2 lần): Do những quy định nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường mà từ sau 1970 dây chuyền tiếp xúc đơn đã dần bị loại bỏ. Thay vào đó là dây chuyền sản xuất kép giúp hiệu suất chuyển hóa SO2 lên tới 99,9%. Dây chuyền tiếp xúc kéo hay còn còn là dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ hai lần. Dây chuyền này đã khắc phục được yếu điểm của dây chuyển tiếp xúc đơn. Lượng chuyển hóa của SO2 khi ứng dụng dây chuyền này lên đến 99,9%. Dây chuyền này đảm bảo lượng khí thải SO2 trong không khí nằm trong giới hạn cho phép là 500 mg/m3. Một số quy trình sản xuất axit sunfuric sử dụng công nghệ tiếp xúc kép điển hình như MONSANTO, NORAM - CECEBE...

Các công đoạn sản xuất axit sunfuric

Công đoạn sản xuất axit sunfuric

Công đoạn sản xuất axit sunfuric trải qua nhiều bước và các phản ứng hóa học khác nhau. Tổng hợp lại cả quy trình ta có thể trình bày các công đoạn sản xuất axit sunfuric như sau:

Công đoạn đầu tiên là điều chế SO2: Thực hiện đốt pirit trong các lò dùng để chế tạo ra khí SO2. Kết quả khi đốt sẽ có khí SO2, O2 và một số tạp chất khác. Khi đó hỗn hợp khí SO2 sẽ thu được ở đỉnh lò đốt. Để loại bỏ đi các tạp chất và O2 ta tiến hành tinh chế hỗn hợp thu được để thu về SO2. Tinh chế bằng cách tách tạp các chất ra khỏi hỗn hợp bằng các hệ thống chuyên dùng như tách bụi xyclon, tách asen, tách “mù” H2SO4, tách hơi nước,...

Công đoạn thứ 2 sẽ tiến hành oxi hóa SO2 thành SO3 bằng chất xúc tác rắn (V2O5). Mức độ chuyển hóa SO2 thành SO3 còn phụ thuộc và thời gian tiếp xúc và nhiệt độ. Khi đó nếu thời gian tiếp xúc của các chất tham gia và chất xúc tác tăng thì tốc độ chuyển hóa cũng tăng.

Công đoạn cuối cùng là hấp thụ SO3 tạo ra axit sunfuric. Lúc này SO3 sẽ được xử lý với nước bằng cách cho phản ứng với H2O tạo thành H2SO4.

Một số cải tiến công nghệ trong sản xuất H2SO4

Với những yêu cầu về sản xuất và yếu tố môi trường ngày càng cao. Đòi hỏi trong công nghệ sản xuất H2SO4 phải có những cải tiến nhằm giải quyết những yêu cầu đó và các vấn đề như:

Vấn đề thu hồi nhiệt thải

Trong quy trình sản xuất H2SO4 theo phương pháp đốt lưu huỳnh ta có tới 98% năng lượng hóa học tự có của các chất tham gia phản ứng được đưa vào. Khi tiến hành đốt Lưu huỳnh khi sản xuất H2SO4 ta có tới 98% lượng hóa học của các chất được đưa vào tham gia phản ứng. Phần nhiệt còn lại sẽ được đưa vào dưới dạng nén qua hệ thống quạt. Với quy trình sản xuất thông thường thì khoảng 57,5% tổng năng lượng được thu hồi dưới dạng hơi cao áp, 3% mất đi cùng khí đuôi qua ống khói, 0,5% mất đi dưới dạng nhiệt lượng, 39% mất đi ở dạng nhiệt thải. Khi ứng dụng trong những quy trình sản xuất thông thường thì phần tổng năng lượng thu hồi được dưới dạng hơi cao áp là 57,5%. Ta có thêm 3% mất đi quá ống khói cùng khí và 0,5% mất đi dưới dạng nhiệt. Khi đó ta sẽ có tổng 39% còn lại tồn tại ở dạng nhiệt thải.

Xem thêm: Vùng Nhìn Thấy Của Gương Cầu Lồi, Cách Xác Định Cực Hay

Ứng dụng hệ thống xử lý khí thải lò hơi trong sản xuất axit sunfuric

Thách thức ở đây trong cải tiến công nghệ sản xuất axit sunfuric là thu hồi và sử dụng phần 39% năng lượng ở dạng nhiệt thải. Và hiện nay phần nhiệt thải này được thu hồi ứng dụng vào việc sản xuất nước nóng cho:

Sản xuất nước nóng cho hệ thống cung cấp nước nóng sinh hoạt ở các địa phương. Các hệ thống cung cấp nước nóng sinh hoạt tại các địa phương.

Sản xuất nước nóng trong việc quy trình dùng để cô đặc H2SO4 trong nhà mát Ứng dụng trong quy trình cô đặc H2SO4 trong các nhà máy.

Sản xuất nước nóng để cung cấp cho các cơ sở sản xuất. Các cơ sở sản xuất.

Cải tiến công đoạn hấp thụ và làm lạnh Công đoạn hấp thụ và làm lạnh được tối ưu

Cải tiến các công đoạn hấp thụ và làm lạnh sẽ giúp sử dụng được axit nhiệt độ cao mà không làm giảm hiệu suất hấp thụ của nó. Bởi vì khi nhiệt độ càng tăng, trong các tháp hấp thụ thông thường cũng sẽ đạt đến giới hạn hoạt động của chúng làm giảm hiệu suất hấp thị khi hoạt động. Hiện nay, các nhà máy áp dụng tháp hấp thụ venturi cho phép đồng thời nâng cao hiệu quả hấp thụ và làm lạnh. Khi cả 2 công đoạn hấp thụ và làm lạnh đều được tối ưu thì sẽ giúp axit được sử dụng ở nhiệt độ cao nhưng vẫn đảm bảo không làm giảm hiệu suất hấp thụ. Bởi vì các tháp hấp thụ thông thường nếu chưa cải tiến 2 công đoạn này sẽ đạt đến giới hạn hoạt động khi nhiệt độ tăng quá cao và liên tục. Điều này sẽ làm giảm hiệu suất hấp thụ của cả quy trình khi hoạt động. Khi áp dụng cải tiến công nghệ mới trong cả hấp thụ và làm lạnh mang lại rất nhiều lợi ích. Khi đó công suất điện được tạo ra sẽ lớn hơn mà không phát tán khí (CO2) gây hiệu ứng nhà kính góp phần đáng kể trong việc bảo vệ môi trường.

Cải tiến các hệ thống an toàn

Vấn đề an toàn trong sản xuất axit sunfuric luôn được các doanh nghiệp đặt lên hàng đầu. Hệ thống vận hành đòi hỏi độ an toàn ngày càng cao. Do đó các nhà máy mới ngày nay một số hệ thống an toàn được cải tiến như: Một số hệ thống an toàn được cải tiến được sử dụng trong các nhà máy mới hiện nay như:

Hệ thống đo liên tục tốc độ ăn mòn Hệ thống đo tốc độ ăn mòn liên tục.

Hệ thống quan sát rò rỉ, còi và đèn báo tín hiệu Hệ thống có còi và đèn báo tín hiệu khi phát hiện có rò rỉ.

Hệ thống đo độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ pH kết hợp hệ thống khóa liên động tương ứng. Hệ thống khóa liên động

Hệ thống đo độ dẫn điện.

Hệ thống đo độ dẫn nhiệt

Hệ thống đo độ pH

AXIT SUNFURIC (H2SO4) VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

Axít sulfuric hay axít sulphuric (H2SO4) là một axít vô cơ mạnh, hòa tan trong nước theo bất kỳ tỷ lệ nào. Tên gọi cổ của nó là dầu sulfat, được đặt tên bởi nhà giả kim ở thế kỉ thứ 8, Jabir ibn Hayyan sau khi ông phát hiện ra chất này. Axít sulfuric có nhiều ứng dụng và nó được sản xuất với một sản lượng lớn hơn bất kỳ chất hóa học nào, ngoại trừ nước. Sản lượng của thế giới năm 2001 là 165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ 8 tỷ USD. Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ.

Công nghệ sản xuất:

Có ba công nghệ thông dụng để sản xuất axit sunphuric là công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx và công nghệ CaSO4. Nguyên lý chung của các công nghệ này đều là thu SO2 từ các nguyên liệu đầu vào khác nhau như lưu huỳnh, pyrit, chalkopyrit, sphalerit, galenit, CaSO4, các loại khí rửa, khí thải chứa lưu huỳnh oxit… Tiếp theo, SO2 được oxy hóa thành SO3 trong các thiết bị tiếp xúc có sử dụng xúc tác. Cuối cùng, SO3 được hấp thụ trong axit loãng để thành H­2­SO­4­.

Trên thế giới, công nghệ tiếp xúc là công nghệ hiện đại và được áp dụng phổ biến nhất. Về nguyên liệu, ở Mỹ người ta chủ yếu sử dụng nguyên liệu lưu huỳnh, còn các nước khác phần lớn đều sử dụng quặng pyrit để sản xuất axit sunphuric. Những nguồn nguyên liệu khác cũng có những ý nghĩa nhất định, ví dụ trước đây ở CHDC Đức người ta sử dụng khá nhiều nguyên liệu CaSO4 (anhydrit) cho sản xuất axit sunphuric, do không có quặng pyrit trong khi có nhiều nguyên liệu CaSO4 và sản xuất axit sunphuric theo phương pháp này được tiến hành song song với sản xuất xi măng để đạt hiệu quả kinh tế cao hơn.

Theo phương pháp tiếp xúc, có 2 loại dây chuyền sau:

* Dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 1 lần (tiếp xúc đơn):

Dây chuyền tiếp xúc đơn được áp dụng phổ biến trước năm 1970 với hiệu suất chuyển hóa SO­2­ thành SO3 chỉ đạt 98%. Lượng SO­2­ không chuyển hóa bị thải vào khí quyển, gây ô nhiễm môi trường.

* Dây chuyền tiếp xúc và hấp thụ 2 lần (tiếp xúc kép):

Từ năm 1970 đến nay, do những quy định nghiêm ngặt của quốc tế về bảo vệ môi trường, dây chuyền tiếp xúc đơn dần dần bị loại bỏ và thay vào đó là dây chuyền tiếp xúc kép với hiệu suất chuyển hóa SO­2­ đạt từ 99,5% – 99,9%. Với dây chuyền này, lượng SO­2­ trong khí thải được bảo đảm nằm trong giới hạn cho phép khoảng 500 mg/m3, mù axit sunphuric đạt 35mg/m3 (Đạt theo tiêu chuẩn TCVN 5939-1995: tiêu chuẩn khí thải công nghiệp). Điển hình là các quy trình công nghệ tiếp xúc kép của MONSANTO, NORAM – CECEBE…

Sơ đồ một nhà máy sản xuất axit sunphuric thông thường hiện nay trên thế giới với công nghệ đốt lưu huỳnh và tiếp xúc kép như sau:

Xu hướng cải tiến công nghệ trong sản xuất axit sunphuric:

Có thể nói, về cơ bản công nghệ sản xuất axit sunphuric trên thế giới đã phát triển và ổn định ở mức tương đối cao. Xu hướng phát triển công nghệ trên thế giới hiện nay tập trung chủ yếu vào nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, nguyên liệu và giảm phát tán khí thải độc hại vào môi trường.

Các tiêu chuẩn chính đối với những nhà máy sản xuất axit sunphuric thế hệ mới là giảm chi phí năng lượng xuống mức tối thiểu, đồng thời đảm bảo tuân thủ các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường. Các dây chuyền sản xuất hiện đại phải có khả năng thu hồi tối đa lưu huỳnh và năng lượng, xử lý tốt khí đuôi, xử lý sản phẩm phụ và tái xử lý, đồng thời phải cho phép thao tác dễ dàng, an toàn và đáp ứng các tiêu chuẩn cao về môi trường.

1/ Vấn đề thu hồi nhiệt thải

Trong sản xuất H­2­SO­4 theo phương pháp đốt lưu huỳnh, khoảng 98% năng lượng đưa vào là năng lượng hóa học tự có của các chất tham gia phản ứng. Phần nhiệt còn lại được đưa vào qua hệ thống quạt, dưới dạng năng lượng nén. Trong chu trình sản xuất thông thường, khoảng 57,5% tổng năng lượng được thu hồi ở dạng hơi cao áp, khoảng 3% mất đi cùng khí đuôi qua ống khói, 0,5% mất đi ở dạng nhiệt lượng của axit thành phẩm, 39% bị mất đi ở dạng nhiệt thải trong hệ thống làm lạnh axit. Các tỷ lệ nói trên có thể thay đổi theo hàm lượng SO2 trong khí đầu ra của lò đốt lưu huỳnh, nhưng nói chung chúng có xu hướng được giữ nguyên.

Thách thức quan trọng đối với việc cải tiến công nghệ sản xuất axit sunphuric là thu hồi và sử dụng một cách thích hợp 39% năng lượng tích lũy ở dạng nhiệt thải. Nhiệt năng này có thể được sử dụng cho những mục đích sau:

– Sản xuất nước nóng cho hệ thống cung cấp nước nóng sinh hoạt ở địa phương

– Sản xuất nước nóng để cô đặc H­2­SO­4 trong nhà máy

– Sản xuất nước nóng cung cấp cho các cơ sở sản xuất liền kề

Nếu thu hồi và sử dụng được các nguồn nhiệt thải trên thì sẽ tận dụng được toàn bộ nhiệt phản ứng của dây chuyền sản xuất axit sunphuric.

Tuy nhiên, vấn đề là phải tìm ra những vật liệu thích hợp để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu quả cao và có khả năng vận hành lâu dài trong môi trường ăn mòn mạnh. Điều kiện đối với các vật liệu này là ở mặt tiếp xúc với axit phải chịu được cả axit sunphuric ở 160-190oC có nồng độ 94-99%, còn ở mặt tiếp xúc với nước phải chịu được áp suất của nước nồi hơi đến 0,5-1MPa. Các thiết bị trao đổi nhiệt có thể có các chi tiết như ống xoắn ruột gà bằng teflon, bình trao đổi nhiệt bằng thủy tinh, thép không gỉ, có hoặc không có anot bảo vệ. Trên thực tế, một số công ty chế tạo thiết bị sản xuất hóa chất trên thế giới đã tìm ra những vật liệu có khả năng chống ăn mòn đặc biệt, với tốc độ ăn mòn có thể chấp nhận được (ví dụ 0,1mm/năm trong điều kiện không được bảo vệ bằng anot hy sinh) đối với phạm vi nồng độ H­2­SO­4 95-100%. Giá những vật liệu này cũng ở mức hợp lý.

2/ Cải tiến các công đoạn hấp thụ và làm lạnh

Khi nhiệt độ tăng, các tháp hấp thụ thông thường trong dây chuyền sản xuất axit sunphuric sẽ đạt đến giới hạn hoạt động của chúng. Để có thể sử dụng axit nhiệt độ cao mà không làm giảm hiệu suất hấp thụ thì cần phải cải tiến, nâng cao hiệu quả cả hai công đoạn làm lạnh và hấp thụ. Ở những nhà máy mới xây dựng hiện nay, người ta áp dụng tháp hấp thụ venturi cho phép đồng thời nâng cao hiệu quả hấp thụ và làm lạnh. Có thể miêu tả sơ qua công nghệ này như sau: khí chứa SO3 đi vào tháp rửa khí venturi với nhiệt độ khoảng 300oC, nhiệt độ axit vào từ đầu kia của tháp khoảng 170oC. Do hấp thụ và phản ứng với SO3 nên nhiệt độ axit tăng lên đến 195oC. Khoảng 95% SO3 chứa trong khí được hấp thụ ở phần venturi, nồng độ H­2­SO­4­ được quan sát và kiểm tra trong hệ tuần hoàn của tháp venturi. Axit nóng chảy xuống dưới được bơm qua lò hơi để trao đổi nhiệt rồi lại được đưa về tháp venturi. Lò hơi sản xuất hơi bão hoà 0,5MPa, hơi này có thể được sử dụng trực tiếp trong nhà máy. Hệ thống làm lạnh axit được thiết kế sao cho có thể lấy đi được 60% nhiệt hấp thụ ban đầu trong trường hợp hệ thống thu hồi năng lượng gặp trục trặc. Bộ phận sản xuất hơi nước là một thiết bị bốc hơi kiểu lò hơi đặc biệt, được nối bằng mặt bích với một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm. Axit sunphuric nóng được làm lạnh rồi phun vào đỉnh tháp venturi qua nhiều vòi phun. Nồng độ axit được khống chế bằng cách bổ sung nước vào bộ phận thu gom axit của tháp venturi, axit nóng dư, tạo ra trong hệ tuần hoàn của tháp venturi, sẽ chảy vào thùng chứa, sau đó được sử dụng để gia nhiệt sơ bộ nước nạp nồi hơi. Với nước cấp cho nồi hơi ở 105oC và hệ hấp thụ kép có các dòng chảy tuần hoàn, có thể thu hồi đến 0,5 tấn hơi nước áp suất thấp trên mỗi tấn axit. Hơi nước cao áp và thấp áp có thể được nạp phối hợp vào tuabin phát điện. Công suất điện thu được đạt xấp xỉ 430 kW/tấn H­2­SO­4­. Ví dụ, với công nghệ mới một nhà máy H­2­SO­4­ công suất 2000 tấn/ngày sẽ tạo ra một công suất điện năng là 36MW mà không phát tán khí gây hiệu ứng nhà kính (CO­2­), góp phần đáng kể cho bảo vệ môi trường.

3/Cải tiến các hệ thống an toàn

Để đảm bảo yêu cầu vận hành an toàn ngày càng cao, các nhà máy mới ngày nay thường kết hợp các hệ thống an toàn sau:

– Hệ thống đo liên tục tốc độ ăn mòn.

– Hệ thống quan sát rò rỉ, có còi hoặc đèn báo hiệu.

– Hệ thống đo độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ pH của nước nồi hơi, kết hợp với hệ thống khóa liên động tương ứng.