TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM





BÀI GIẢNG BỘ MÔN
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG




Giảng viên: Ths. LƯU SƠN TÙNG
Bộ môn: Công nghệ hóa học




Bà Rịa Vũng Tàu 2013

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Công nghệ (Technology), có nguồn gốc là từ technologia, trong tiếng Hy
Lạp; techne có nghĩa là “nghệ thuật, thủ công” và logia có nghĩa là “khoa học”. Theo
nghĩa rộng rãi Công nghệ được hiểu là môn khoa học về các phương pháp kinh tế và
kỹ thuật để xử lý nguồn nguyên liệu thành sản phẩm.
Theo phương pháp xử lý thì công nghệ được chia thành 2 loại là: cơ học và hóa học.
Công nghệ cơ học là quá trình xử lý làm thay đổi hình dạng và tính chất vật lý của vật
chất ban đầu.
Công nghệ hóa học là quá trình xử lý không những làm thay đổi hình dạng, tính chất
vật lý mà còn làm biến đối cả cấu trúc của vất chất ban đầu.

Công nghệ hóa học (CNHH) là môn khoa học tự nhiên nghiên cứu về phương pháp và
nguyên lý sản xuất ra sản phẩm bằng các quá trình chuyển hóa.
 Đối tượng nghiên cứu của CNHH chính là quá trình sản xuất hóa học.
 Mục đích nghiên cứu của CNHH là tạo ra các phương pháp sản xuất các sản
phẩm cần thiết cho con người.
 Phương pháp nghiên cứu: thực nghiệm, mô phỏng và phân tích hệ thống.
Công nghệ hóa học có mối tương quan chặt chẽ với các bộ môn khoa học khác như:
Toán học, Hóa học, Vật lý, Cơ học, Kinh tế học…(Xem hình 1.1).
Trong công nghệ hóa học quá trình xử lý được phân chia thành các thành phần công
nghệ sau:
 Nguồn nguyên liệu của công nghệ hóa học chính là các nguồn vật chất tự
nhiên sử dụng trong quá trình sản xuất ra sản phẩm.
 Sản phẩm trung gian – là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn
nguyên liệu sau một hoặc một vài giai đoạn sản xuất và nó sẽ là nguồn
nguyên liệu cho giai đoạn tiếp theo.
 Sản phẩm phụ - là vật liệu hình thành trong quá trình xử lý nguồn nguyên
liệu cùng với sản phẩm chính, nhưng nó không phải là mục đích của quá
trình sản xuất này.
 Chất thải – có thể là cặn của nguồn nguyên liệu, sản phẩm trung gian, hoặc
sản phẩm phụ
Sản phẩm phụ, sản phẩm trung gian và chất thải trong công nghệ sẽ được tận dụng làm
nguồn nguyện liệu cho quá trình sản xuất khác.

Hình 1.1. Mối tương quan giữa công nghệ hóa học và các môn khoa học cơ bản.
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ hóa học
1.2. Hệ thống công nghệ hóa học
Hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp tất cả các máy móc thiết bị, nguồn vật
chất, nguồn năng lượng và mối liên hệ giữa chúng để xử lý nguồn nguyên liệu thành
sản phẩm.
Hệ thống công nghệ hóa học bao gồm phân hệ (tiểu hệ thống) có mối quan hệ chức

năng với nhau. Khái niệm hệ thống và phân hệ chỉ mang tính chất tương đối, hệ thống
có thể là phân hệ của một hệ thống khác ở quy mô lớn hơn. Phân hệ có cấu tạo từ một
hoặc một vài thành phần mà trong đó diễn ra các thao tác công nghệ. Số lượng phân
hệ trong một hệ thống phụ thuộc vào từng quá trình sản xuất cụ thể, có thể phụ thuộc
vào chất lượng và số lượng của thông số đầu vào và đầu ra, thông số về công nghệ và
cấu trúc. Cấu trúc của hệ thống công nghệ hóa học được chỉ ra trong hình 1.2.

Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống công nghệ hóa học
1- Sơ chế nguồn nguyên liệu; 2 - Xử lý nguồn nguyên liệu; 3 - Tách sản phẩm
chính; 4 - Làm sạch và tận thu chất thải; 5 - Phân hệ năng lượng; 6 - Sơ
chế vật liệu phụ; 7- Sơ chế nước; 8 - Phân hệ điều khiển.
Sơ chế nguồn nguyên liệu là quá trính sử lý sơ bộ bao gồm: nghiền nhỏ, loại tạp
chất, khuấy trộn các thành phần, đốt nóng, làm lạnh, sấy khô, hòa tan…Quá trình sơ
chế nguyên liệu phụ thuộc vào dạng và chất lượng nguyên liệu, vào quá trình và thiết
bị được sử dụng trong sản xuất. Do nguồn nguyên liệu có chứa tạp chất, quá trình
chuyển hóa không hoàn toàn từ sản phẩm trung gian thành sản phẩm chính và sự hình
thành các sản phẩm phụ cho nên trong công nghệ sản xuất cần thực hiện thao tác tách
sản phẩm chính từ hỗn hợp và làm sạch khỏi tạp chất. Chất thải tạo ra trong quá trình
sản xuất có thể gây ô nhiễm môi trường nhưng cũng có thể sẽ làm nguồn nguyên liệu
tốt cho các quá trình sản xuất khác. Vì vậy quá trình làm sạch và tận thu chất thải
là thành phần quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học.
Sản xuất hóa học luôn đi kèm với sử dụng năng lượng, nó chiếm tới 15% tổng số năng
lượng được sử dụng. Chính vì vậy phân hệ năng lượng cũng là một thành phần
quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học. Phân hệ năng lượng không chỉ phân bổ
năng lượng cho từng giai đoạn sản xuất mà còn có khả năng thu hồi sau khi sử dụng.
Trong sản xuất hóa học thường xuyên sử dụng các chất phụ như: chất hấp thụ, chất
xúc tác, chất hoạt hóa, chất ổn định…Sơ chế chất phụ gia cũng là một thành phần
quan trọng của hệ thống công nghệ hóa học. Đa phần các chất phụ gia trong công nghệ
không gây phát sinh chi phí cho quá trình sản xuất vì phân hệ xử lý chất phụ thêm sẽ
tái sinh tính chất và đưa chất phụ thêm quay lại quá trình sản xuất.

Vị trí đặc biệt trong hệ thống công nghệ hóa học là phân hệ xử lý nước. Các nhà máy
hóa chất cần đến 1 triệu tấn nước mỗi ngày. Nước được sử dụng làm chất dẫn nhiệt, để
sản xuất hơi, hòa tan và pha loãng. Cũng giống như phân hệ xử lý chất phụ gia có khả
năng khôi phục tính chất của nước và đưa nó trở lại quá trình sản xuất.
Phân hệ điều khiển để kiểm tra, điều chính chất lượng và số lượng của sản phẩm
trong quá trình sản xuất.
Theo hình 1.2 thì hệ thống công nghệ hóa học là một cấu trúc phức tạp và đa dạng.
Nghiên cứu hệ thống công nghệ hóa học cho phép tối ưu hóa quá trình sản xuất. Tổng
hợp và phân tích là những giai đoạn phát triển mới và hiện đại hóa hệ thống công nghệ
hóa học đang thực hiện.
Nhiệm vụ của tổng hợp là tạo ra các hệ thống công nghệ hóa học có tính chất đạt yêu
cầu đặt ra, với các nguồn nguyên liệu khác nhau, năng lượng, thiết bị công nghệ, sẽ
chuyển hóa vật liệu nguồn thành sản phẩm. Kết quả của tổng hợp rất đa dạng do thông
số đầu ra của hệ thống công nghệ có thể thay đổi bằng cách thay đổi cấu trúc và chế độ
làm việc của hệ thống. Phát triển hệ thống công nghệ mới cho phép khả năng lựa chọn
nhiều thành phần và các mối liên hệ giữa chúng. Cải tiến hệ thống công nghệ cần phải
bảo vệ các thành phần có sẵn cũng như mối liên hệ giữa chúng.
Phân tích hệ thống công nghệ chia thành phân tích cấu trúc và phân tích chất lượng.
Phân tích cấu trúc cần đưa ra các đặc tính cấu trúc và trình tự của các thành phần trong
hệ thống. Phân tích chất lượng cho biết các chỉ số về tính chất.
Để tạo ra một quá trình sản xuất mới cần nghiên cứu kỹ lưỡng các hệ thống công nghệ
hóa học khác nhau. Với mỗi một hệ thống cần thực hiện tổng hợp và phân tích chỉ số
kinh tế và công nghệ để lựa chọn một phương án tối ưu.
1.3. Các chỉ số sản xuất hóa học
Sự phát triển của sản xuất không thể thiếu đi quá trình hiện đại hóa không ngừng
công cụ lao động và công nghệ, tìm hiểu các dạng sản phẩm mới, hoàn thiện hệ thống
sản xuất, phát triển công nghệ không chất thải, tiết kiệm và không gây ô nhiễm môi
trường. Để xác định tính hữu dụng và hiệu suất của quá trình sản xuất hóa học người ta
sử dụng rất nhiều chỉ số khác nhau. Theo phạm vi các chỉ số này phân chia thành: chỉ
số kỹ thuật, kinh tế và vận hành.

1.3.1. Chỉ số công nghệ bao gồm: năng suất, hệ số tiêu phí, hiệu xuất sản phẩm,
Cường độ làm việc, Độ chuyển hóa, tính lựa chọn.
 Năng xuất (P) – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến
trong một đơn vị thời gian.

G
P 

Trong đó: G – là lượng sản phẩm tạo ra hoặc nguyên liệu được chế biến (kg, tấn, m
3
);
τ – thời gian (giờ, ngày, năm).
 Hệ số tiêu phí là số lượng nguyên liệu, vật chất, năng lượng cần để sản xuất ra
một đơn vị sản phẩm.
sp
G
G
TP 

hoặc
sp
G
A
TP 

Trong đó G
sp
– là lượng sản phẩm (kg, tấn, m
3
); A – là năng lượng (kW.h, kJ).

 Hiệu xuất sản phẩm (η) – là tỉ lệ lượng sản phẩm thực tế nhận được (G
sp
) trên
lượng sản phẩm tối đa thu được G
max
theo tính toán lý thuyết.
max
G
G
sp



 Độ chuyển hóa (x) – là tỉ lệ số lượng vật chất được chuyển hóa thành sản phẩm
trên số lượng ban đầu.
0
0
G
GG
x
sp



hoặc
%100
0
0




G
GG
x
sp

Trong đó G
0
– là lượng vật chật ban đầu (kg, tấn, m
3
)
 Tính lựa chọn (s) – là tỉ lệ lượng sản phẩm chính trên tổng lượng sản phẩm thu
được. Tính lựa chọn đặc trưng cho các quá trình sản xuất tạo ra nhiều sản phẩm
khác nhau.


i
i
G
G
S

Trong đó G
i
– là lượng sản phẩm chính thu được (kg, tấn, m
3
); ∑ G
i
– tổng lượng sản
phẩm thu được bao gồm cả sản phẩm chính và phụ (kg, tấn, m

3
).
 Cường độ làm việc (I) của thiết bị là năng suất của thiết bị tính theo một đại
lượng đặc trưng (thể tích, diện tích bền mặt…).
V
P
I 

hoặc

S
P
I 

Trong đó V – là thể tích thiết bị (m
3
); S – là diện tích bề mặt (m
2
)
1.3.2. Chỉ số kinh tế bao gồm giá trị sản phẩm, năng suất lao động, chất lượng sản
phẩm, chi phí vốn.
 Giá trị sản phẩm là tổng chi phí để tạo ra một sản phẩm, chi phí này bao gồm:
chi phí cho nguồn nguyên liệu, chất phụ thêm, năng lượng, vốn đầu tư, chi phí
cho nhân công.
 Năng suất lao động là là năng lực sản xuất của lao động. Nó được đo bằng số
lượng sản phẩm sản xuất ra trong một đơn vị thời gian hoặc lượng thời gian lao
động hao phí để sản xuất ra một đơn vị sản phẩm.
 Chi phí cơ bản cho đơn vị công suất: Nếu K là chi phí cơ bản cho tất cả thiết bị
(hay phân xưởng), ví dụ tính bằng đồng và Q là công suất của thiết bị tính bằng
Tấn/năm thì chi phí cơ bản cho đơn vị công suất là:

Q
K
R 

Nếu công suất thay đổi, thực tế cho thấy
4,0
.

 QaR
;
trong đó a là: hệ số phụ
thuộc vào tính chất của quá trình sản xuất. Nếu so sánh 2 hệ thống với công suất
Q
1
= 2Q
2
thì:

12
4,0
1
1
4,0
2
4,0
1
1
2
76,076,0)
2

(
.
.
RR
Q
Q
Qa
Qa
R
R





Nghĩa là công suất tăng 2 lần chi phí cơ bản cho 1 đơn vị công suất chỉ còn 76%
hay giảm đi 24%.
Nếu S là giá thành sản phẩm tính theo đơn vị Đồng/Tấn thì:
n
QmS .
;
trong đó m,n: là hệ số và
3,02,0 n

So sánh công suất Q
1
và Q
2
với Q
2

=2Q
1
và lấy
2,0n
ta có:
12
2,0
1
1
2,0
2
2,0
1
1
2
87,087,0)
2
(
.
.
SS
Q
Q
Qm
Qm
S
S






Nghĩa là nếu công suất tăng lên 2 lần thì giá thành sản phẩm giảm đi 13%.
 Chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất hóa học xác định bởi hàm lượng
sản phẩm chính hoặc tạp chất.
1.3.3. Chỉ số vận hành bao gồm: độ tin cậy, độ an toàn, độ tự động hóa và cơ khí
hóa.
 Độ tin cậy được đặc trưng bởi thời gian làm việc an toàn của thiết bị. Chỉ số
này phụ thuộc và thiết bị được sử dụng và tính chính xác khi vận hành.
 Độ an toàn là xác suất có thể xảy ra sự cố nguy hại đến người lao động, máy
móc và môi trường xung quanh.
 Độ tự động hóa và cơ khí hóa là phần trăm lao động chân tay trong quá trình
vận hành sản xuất.
Ngoài ra còn có độ an toàn sinh thái, xác định mức độ ảnh hưởng của quá trình sản
xuất lên con người và môi trường sinh thái. Xác định chỉ số này cho phép đánh giá
mức độ rủi ro công nghệ và hậu quả với con người và môi trường xung quanh.
1.4. Đặc tính chung của quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học
Quá trình công nghệ hóa học trong sự phụ thuộc vào quy luật động lực học được chia
thành 5 nhóm:
1) Quá trình cơ khí
2) Quá trình thủy cơ theo định luật thủy động lực học
3) Quá trình nhiệt theo định luật truyền nhiệt
4) Quá trình truyền khối theo định luật truyền khối
5) Quá trình hóa học theo định luật động lực học hóa học
Quá trình cơ học trong công nghệ hóa học bao gồm: nghiền vật chất rắn, trộn, phân
loại và vận chuyển vật chất rời và hạt.

Quá trình truyền khối: là quá trình đặc trưng cho sự di chuyển vật chất giữa các pha.
Động lực truyền khối là hiệu nồng độ vật chất giữa các pha.
Các quá trình truyền khối gồm có: Hấp thụ, hấp phụ, nhả hấp phụ, sấy, chưng cất,

Tách triết, hòa tan, trao đổi ion, kết tinh.
 Hấp thụ: là quá trình thu hút khí hoặc hơi từ hỗn hợp bằng chất hấp thụ lỏng.
Quá trình hấp thụ là quá trình chọn lọc và thuận nghịch. Đi kèm với quá trình
hấp thụ là quá trình nhả hấp thụ được sử dụng để tách các hỗn hợp khí và hơi
thành các cấu tử riêng biệt. Quá trình hấp thụ được thực hiện trong các bình hấp
thụ. Bình hấp thụ chia thành 3 loại:
 Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa pha lỏng và khí diễn ra trong tầng
lỏng trên các đĩa đệm;
 Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa các pha tạo ra bởi các dòng khí và
lỏng (tháp hấp thụ).
 Bình hấp thụ trong đó tiếp xúc giữa các pha tạo ra bởi sự phun chất lỏng
trong pha khí với sự trợ giúp của vòi phun.
 Hấp phụ: Quá trình thu hút chất khí hoặc hơi bằng chất hấp thụ rắn.
 Nhả hấp thụ: là quá trình hấp thụ và hấp phụ nghịch để tách khí và hơi ra khỏi
chất hấp thụ rắn hoặc lỏng.
 Chưng cất – là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng đồng nhất thành các cấu tử
hoặc nhóm cấu tử nhờ vào sự tương tác giữa pha lỏng và khí. Qúa trình chưng
cất cơ bản dựa trên sự khác biệt thành phần khí - lỏng hoặc lỏng - lỏng trong
điều kiện cân bằng giữa các pha khí và lỏng.
 Tách triết –
 Sấy – là quá trình loại bỏ thành phần dễ bay hơi từ vật chất rắn bằng cách hóa
hơi và loại bỏ hơi hình thành.
Quá trình hóa học: là quá trình diễn ra một hoặc một vài phản ứng hóa học, kéo theo
hiện tượng truyền nhiệt và truyền khối.

Phản ứng hóa học được chia thành:

1.5. Tính toán trong công nghệ hóa học
1.6. Nguyên liệu cho sản xuất hóa học
Số lượng các vật chất mà con người phát hiện ra và được sử dụng trong đời sống là

vô cùng lớn và không ngừng tăng lên. Vật chất mới thường xuyên được phát hiện và
tổng hợp. Hiện tại có hơn 3 triệu vật chất, trong đó khoảng 400 nghìn vật chất vô cơ và
hơn 2,5 triệu vật chất hữu cơ. Mỗi một vật chất đều có tính chất riêng biệt, đa phần
chúng được tạo ra trong quá trình xử lý hóa học, tạo nên sự đa dạng của Công nghệ
hóa học.
Sản xuất hóa học có thể chia thành 2 nhóm chính: sản xuất vô cơ và hữu cơ.
Ngành công nghiệp sản xuất vật chất vô cơ bao gồm:
1) Sản xuất hóa chất (axit, bazo, muối, phân bón…)
2) Sản xuất sản phẩm vô cơ tính khiết (Hóa chất, kim loại hiếm, chất bán dẫn,
dược phẩm …)
3) Sản xuất điện hóa (clo, kiềm, oxi, hidro, và…)
4) Luyện kim (luyện kim đen, màu, luyện kim kim loại quý hiếm…)
5) Sản xuất vật liệu silicat (thủy tinh, ximang, gốm…)
6) Sản xuất thuốc nhuộm và chất màu khoáng.
7) Công nghệ hạt nhân
Ngành công nghiệp sản xuất hữu cơ bao gồm:
1) Tổng hợp hữu cơ (rượu, axit hữu cơ, ete, chế biến khí СН4, СО, Н2, С2Н4 …)
2) Sản xuất thuốc nhuộm trung gian
3) Tổng hợp hữu cơ tinh khiết (dược phẩm, film – photochemical)
4) Sản xuất hợp chất cao phân tử (nhựa tổng hợp, sợi tổng hợp, caosu…)
5) Xử lý nhiên liệu (dầu mỏ, than đá, …)
6) Sản xuất thực phẩm (đường, chất béo, )
7) Công nghệ chế biến nguyên liệu động thực vật
Nguồn nguyên liệu cho quá trình sản xuất hóa học là các nguyên liệu tự nhiên,
nguyên liệu thứ cấp, sản phẩm trung gian (semi – product).

Hình 1.3. Nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất
Nguyên liệu tự nhiên bao gồm các nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên – trong
lòng đất, thủy quyển và khí quyển, thế giới động thực vật.
Nguồn nguyên liệu tự nhiên được phân loại như sau:

1) Theo nguồn gốc: khoáng vật, không khí và nước, động thực vật
2) Theo trạng thái tồn tại: rắn (quặng…), lỏng (dầu, nước…), khí (không khí, khí
tự nhiên…), plasma
3) Theo thành phần: Vô cơ, hữu cơ.
Bán thành phẩm (hay sản phẩm trung gian) là vật chất tạo ra từ một quá trình sản
xuất và được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất khác.
Ví dụ, Sản phẩm của quá trình sản xuất ammoniac có thể là nguyên liệu cho quá trình
sản xuất phân bón và axit nitric. Còn axit nitric là nguyên liệu cho ngành công nghiệp
dệt, sản xuất muối nitrat.

Nguyên liệu thứ cấp là chất thải công nghiệp và tiêu dùng được dùng làm nguyên liệu
cho quá trình sản xuất hóa học. Trong tất cả các trường hợp nguyên liệu thứ cấp đóng
góp vai trò sau:
1) là nguyên liệu thứ cấp một phần hoặc thậm chí thay thế hoàn toàn nguồn
nguyên liệu sơ cấp của một quá trình sản xuất nào đó.
2) là cơ sở để tạo ra một quá trình công nghệ mới.

Chất thải công nghiệp – là cặn của nguyên liệu, sản phẩm phụ…làm ảnh hưởng đến
chất lượng của sản phẩm chính trong quá trình sản xuất.
Chất thải tiêu dùng – là sản phẩm và vật liệu đã qua sử dụng, có khả năng tái chế
mang lại hiệu quả kinh tế.
Các phương pháp cơ bản để sử dụng chất thải trong sản xuất công nghiệp:
1) Tái sinh nguồn nguyên liệu và vật chất không phải ứng và đưa chúng quay lại
quá trình sản xuất.
2) Tách lấy các thành phần có giá trị xem như sản phẩm của quá trình sản xuất
3) Tách các thành phần và biến chúng thành hàng hóa có giá trị thương mại;
4) Sử dụng chất thải làm nguồn nguyên liệu thứ cấp cho quá trình sản xuất khác
hoặc ngành công nghiệp khác.
1.7. Hướng phát triển của công nghệ hóa học
Sản phẩm của công nghệ hoá học đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển

của một quốc gia. Từ những sản phẩm sử dụng trong sinh hoạt đến các sản phẩm công
nghệ cao đều được sản xuất từ những nhà máy hoá học. Quá trình sản xuất hoá học ở
quy mô công nghiệp phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Ngoài việc nghiên cứu động học các
chuyển hoá hoá học cơ bản để chọn lựa cấu tạo thiết bị, xác định các tính chất như độ
bền hoá, bền nhiệt, bền cơ học của thiết bị, nó còn giúp lựa chọn nguyên liệu và tổ
chức lực lượng lao động phù hợp.
Tổ chức một quá trình sản xuất phải tính đến yếu tố kinh tế, tính kinh tế phụ thuộc
 Chất lượng và giá thành của nguyên liệu,
 Năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị sản phẩm
 Trình độ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất.
Một cách tổng quát nhiệm vụ chủ yếu của công nghiệp hoá học là:
 Từ nguyên liệu đầu điều chế, tổng hợp thành các chất có giá trị khác nhau
 Nghiên cứu quá trình sản xuất hoàn chỉnh để đạt hiệu quả tốt nhất mà không
gây ô nhiễm môi trường. Không ngừng cải tiến thiết bị để đáp ứng yêu cầu
ngày càng cao của sản phẩm.
 Xác định các chế độ kỹ thuật để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm ổn định.
 Xác định hiệu quả kinh tế và giải quyết hàng loạt các vấn đề kinh tế, kỹ thuật,
môi trường.
Những chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho hiệu quả kinh tế của một quá trình CN hoá
học:
 Tiêu hao nguyên liệu, nhiên liệu cho một đơn vị sản phẩm thấp nhất.
 Hiệu suất và chất lượng sản phẩm cao nhất.
 Giá thành hạ.
 Thân thiệt với môi trường
Phương hướng hiện nay của ngành hoá học thế giới:
 Đạt tối đa năng suất với một thiết bị sản xuất.
 Tự động hóa và cơ khí hoá các quá trình lao động.
 Thay các quá trình gián đoạn thành quá trình liên tục
 Sử dụng tổng hợp nguyên liệu.
 Liên hiệp các xí nghiệp sản xuất hoá học

Để đáp ứng các nhu cầu đặt ra ở trên, thực tế sản xuất hoá học phải tuân theo một số
các nguyên tắc cơ bản sau:
1. TĂNG TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC
Sản xuất hóa học là làm biến đổi thành phần hóa học của nguyên liệu để tạo ra các
sản phẩm nhờ các phản ứng hóa học. Vì vậy, tốc độ của quá trình sản xuất phụ thuộc
vào tốc độ của các phản ứng hóa học. Tăng tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ tác
động đến giá thành sản phẩm.
Giả sử trong một hệ xảy ra phản ứng hóa học giữa hai chất A và B ta có phương trình:
mA + nB = qD
Phương trình tổng quát biểu thị tốc độ phản ứng:
dt
dC
V 

Đó là sự biến thiên nồng độ của các chất tham gia phản ứng với đơn vị thời gian.
 Với phản ứng một chiều diễn ra trong hệ đồng thể:
n
b
m
a
CCkV 

Trong đó: C
a
: Nồng độ chất A
C
b
: Nồng độ chất B
k: Hằng số tốc độ phản ứng
m, n: Hệ số tỉ lượng của các chất tương ứng

 Với phản ứng thuận nghịch và diễn ra trong hệ đồng thể:
q
d
n
b
m
a
CkCCkVVV
2121
. 

 Nếu phản ứng hóa học xảy ra trong hệ dị thể (giữa khí -lỏng, khí -rắn, lỏng -
rắn) thì ngoài yếu tố nồng độ, tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào diện tiếp xúc
của các pha.
FCkV 

Trong đó: ∆C Các yếu tố nồng độ; F -Diện tích tiếp xúc
Ngoài các yêu tố trên trong phương trình tốc độ còn có các yếu tố khác như chiều
chuyển động của các chất tham gia phản ứng trong thiết bị (ngược chiều, cùng
chiều ).
Để tăng tốc độ của phản ứng ta phải tăng hệ số tốc độ k. Hệ số này phụ thuộc vào nhiệt
độ và chất xúc tác của phản ứng.
RT
E
ekk

 .
0

Trong đó

E -Năng lượng hoạt động hóa học của phản ứng
T -Nhiệt độ tuyệt đối
R -Hằng số khí
Khi dùng xúc tác thì năng lượng hoạt động hóa học của phản ứng (E) sẽ giảm do đó
làm tăng hệ số tốc độ của phản ứng (k). Nhiệt độ tăng cũng làm tăng hệ số tốc độ phản
ứng.
1.1. Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng
 Các nguyên liệu ban đầu cần phải làm giàu, tức là loại bỏ bớt tạp chất.
 Khuếch tán sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng
 Làm giảm tốc độ phản ứng nghịch, hoặc hạ thấp nồng độ cân bằng để tăng
chênh lệch giữa nồng độ thực và nồng độ cân bằng.
Các phương pháp thường được dùng như sau:
 Sản phẩm ở thể khí: Dùng phương pháp ngưng tụ hấp thụ sản phẩm ra khỏi
vùng phản ứng.
 Sản phẩm ở thể lỏng: Tuỳ theo tính chất của sản phẩm mà có thể thực hiện tách
sản phẩm bằng phương pháp kết tinh, cho bay hơi hoặc hấp thụ vào chất rắn.
 Sản phẩm ở thể rắn: Tháo sản phẩm ra liên tục để tăng nồng độ các cấu tử ban
đầu
1.2. Sử dụng xúc tác thích hợp
Dùng xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa E nên tăng hằng số tốc độ k vì vậy
làm tăng vận tốc phản ứng. Trong thực tế, hầu hết các quá trình sản xuất hóa học đều
sử dụng các chất xúc tác để làm tăng tốc độ. Rất nhiều quá trình nếu thiếu chất xúc tác,
trong điều kiện bình thường phản ứng hóa học xảy ra rất chậm, thậm chí hầu như
không xảy ra, nhưng khi có mặt xúc tác thích hợp, ở nhiệt độ thích hợp thì phản ứng
xảy ra nhanh gấp hàng triệu lần. Công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ càng cần
có xúc tác. Ngoài các xúc tác hóa học còn có các xúc tác vi sinh. Phân tích vai trò của
xúc tác trong công nghiệp hóa chất


1.3. Tăng nhiệt độ phản ứng

Như trên đã giải thích khi tăng nhiệt độ sẽ tăng hằng số tốc độ của phản ứng. Trong
sản xuất hóa học hầu hết các phản ứng đều diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường,
có khi rất cao.Về mặt lí thuyết nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, nhưng ở nhiệt độ
cao nhiều chất bị phân hủy, sự ăn mòn thiết bị rất nhanh, tiêu hao nhiều năng lượng
cho quá trình sản xuất nên sự tăng nhiệt độ cần phù hợp với tình hình thực tế sản xuất.
1.4. Tăng diện tích tiếp xúc
Nhiều quá trình hóa học diễn ra trong hệ dị thể, trong trường hợp đó phản ứng diễn
ra trên ranh giới tiếp xúc giữa hai pha,vì vậy tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng sẽ làm
tăng m ạnh tốc độ của quá trình.
 Chất rắn thường được đập, nghiền.
 Chất lỏng đưa vào thiết bị dưới dạng dòng chảy hoặc tưới chảy tràn trên các vật
đệm
 Khuấy trộn.
2. THỰC HIỆN CÁC QUÁ TRÌNH LIÊN TỤC TUẦN HOÀN KÍN
Trong sản xuất có những quá trình gián đoạn, liên tục, tuần hoàn. Quá trình liên tục là
quá trình được thực hiện không mang tính chu kì: nguyên liệu được đưa vào đồng thời
sản phẩm được lấy ra khỏi thiết bị một cách liên tục, các điều kiện phản ứng trong
thiết bị luôn luôn ổn định. Quá trình liên tục có các ưu điểm sau:
 Năng suất làm việc của thiết bị cao, giảm được giá thành sản phẩm.
 Do giữ ổn định điều kiện làm việc của thiết bị nên dễ dàngtự động và cơ khí
hóa.
 Giảm được chi phí xây dựng trên một đơn vị sản phẩm.
Đối với những quá trình hiệu suất chuyển hóa thấp, cần đưa các chất ban đầu chưa
phản ứng quay trở lại điềukiện phản ứng ban đầu để tận dụng triệt để nguy ên liệu,
hiệu suất chuyển hóa. Quá trình như vậy gọi là quá trình liên tục tuần hoàn kín.
3. LIÊN HIỆP GIỮA CÁC XÍ NGHIỆP VÀ NHÀ MÁY
Trong sản xuất hóa học, có thể sản phẩm của nhà máy này là nguyên liệu của nhà
máy khác hoặc nguy ên liệu của nhà máy này là phế phẩm của nhà máy kia, vì vậy, sự
liên hiệp sẽ làm giảm bớt chi phí vận chuyển, bảo đảm an toàn sản xuất, góp phần
chống ô nhiễm môi trường, từ đó làm giảm giá thành sản phẩm. Do vậy các nhà máy

hóachất thường xây dựng cạnh nhau tạo ra một khu công nghiệp hóa học rộng lớn gồm
nhiều ngành sản xuất.
Ví dụ: liên hiệp hóa chất Việt Trì, liên hiệp hóa chất phân đạm Bắc Giang, liên hiệp
các nhà máy ở Biên Hòa, cụm công nghiệp khí điện đạm Phú Mỹ
4. CƠ KHÍ HÓA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
Thực hiện cơ khí hóa, tự động hóa quá trình sản xuất ngoài mục đích tăng năng suất
lao động, tăng hiệu quả sử dụng các nguồn nguy ên liệu còn bởi nguyên nhân sau:
 Các phản ứng hóa học xảy ra trong thiết bị thường ở điều kiện t
0
cao, P cao ổn
định và nghiêm ngặt, con người rất khó hoặc không điều khiển trực tiếp thủ
công được.
 Các nguyên liệu cũng như các sản phẩm đều là những chất có thể ảnh hưởng
trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe có khi còn gây cháy, nổ làm thiệt hại đến
của cải và tính mạng.
Vì vậy, Cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất là một y êu cầu tất yếu khách
quan không phải chỉ vì mục đích kinh tế mà còn vì an toàn đối với con người.
5. TẬN DỤNG CÁC PHẾ THẢI CN CHỐNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
Bên cạnh việc xử lý các chất độc hại có hại cho sức khỏe, người ta phải tìm cách
biến các chất phế thải thành sản phẩm có ích cho con người.
Ví dụ: Trong sản xuất axit sunfuric giai đoạn đốt pirit sắt để tạo khí SO
2
đã sinh ra một
khối lượng rất lớn Fe
2
O
3
, quá trình làm sạch khí SO
2
cũng thu được bụi xỉ, oxit kim

loại asen và selen.
 Sử dụng phế thải làm giảm giá thành của sản phẩm chính, chống ô nhiễm môi tr
ường
 Trong sản xuất hóa học hiện đại dùng rất nhiều chất xúc tác quý, sau một thời
gian làm việc các chất này mất hoạt tính, người ta đã tìm cách tái sinh lại để
phục hồi hoạt tính của chúng và tiếp tục dùng.
 Chống ô nhiễm môi trường không chỉ sử dụng các phế thải để chế biến thành
các sản phẩm có ích mà còn phải chuyển hóa các chất thải của nhà máy thành
những chất không hoặc ít làm hại môi trường.
Công nghiệp hóa học hàng ngày, hàng giờ đang cung cấp cho con người những
chất mới, những sản phẩm tiêu dùng phục vụ nhu cầu cuộc sống ngày càng cao, nhưng
cũng từng ngày, từng giờ đang đưa vào môi trường khối lượng lớn các chất độc, đầu
độc chính sự sống của con người. Chống ô nhiễm môi trường trở thành một nguyên tắc
của công nghiệp hóa học và phải là một tiêu chí đầu tiên được xét duyệt trước khi xây
dựng một nhà máy, xí nghiệp.
Lịch sử phát triển của công nghệ xúc tác
Xúc tác chiếm một vị trí rất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Ở Mỹ,
75%sản phẩm và 90% các quá trình sản suất hóa chất dựa trên xúc tác. Về khía cạnh
lịch sử của khoa học này, hiện nay chưa có nhiều tài liệu đề cập đến. Theo kiểu truyền
thống, có thể thấy khoa học xúc tác phát triển qua 6 giai đoạn.
Từ thời thượng cổ, giả kim thuật đến hóa học (thời kỳ đầu - 1834)
Lên men rượu từ glucose được biết từ thời thượng cổ, chuyển hóa rượu thành ether
bằng xúctác acid (1552), hòn đá triết học biến kim loại thành vàng thời giả kim thuật,
định luật bảo toàn vật chất dựa trên ý tưởng của Lavoisier, Cavendish, Priestley,
Berthollet, Proust, Gay-Lussac, Dalton phân biệt phản ứng hóa học và phản ứng xúc
tác. Fulhame (1794), Kirchhoff (1812) cho thấy chất xúc tác không thay đổi trong
phản ứng hóahọc. Nghiên cứu phản ứng giữa oxygen (O2) và hydrogen (H2) trên xúc
tác platin do Humphry Davy (1817), Erman (1818), Doebereiner (1822). Henry (1825)
nghiên cứu nhiểm độc xúc tác platin bởi dẫn xuất lưu huỳnh. Turner kết hợp khí
hydrogen và clo trên platin. Phillips phát triển quá trình xúc tác thương mại đầu tiên,

oxy hóa khí SO2 trên xúc tác platin. Faraday nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý
ban đầu, nhiểm độc và phục hồi xúc tác platin trên phản ứng của oxy và hydro. Giai
đoạn này kết thúc năm 1835 khi Berzelius phân tích hệ thống các kết quả và đưa ra
thuật ngữ Catalysis, mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học xúc tác.
Từ kinh nghiệm đến khoa học (1835-1887)
Giai đoạn này được đánh dấu bằng những nghiên cứu hệ thống, phát minh các quá
trình xúc tác mới và nhận thức sâu hơn về phản ứng hóa học. Năm 1850, Wilhelmy
chứng tỏ tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây nhận thấy tính thuận
nghịch của phản ứng hóa học.Năm 1862, Berthollet và Pean Gilles cho thấy tốc độ
phản ứng ester hóa tỷ lệ với nồng độ acid. Năm 1864, Guldberg và Waage thiết lập
định luật tác dụng khối lượng (active mass law). Năm 1877, Lemoine cho thấy chất
xúc tác giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng, nhưng không làm thay đổi vị trí cân bằng.
Wilhelm Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ
tăng tốc hay kiềm hãm phản ứng mà thôi. Rất nhiều nhà nghiên cứu không đồng ý với
Ostwald, họ cho rằng chất xúc tác gây ra phản ứng hóa học. Ostwald thời đó là một
người rất nổi tiếng (không thua gì Einstein), ông đoạt giải Nobel Hóa học năm 1909 về
lĩnh vực xúc tác. Những nhà khoa học nổi tiếng thời đó hoặc sau này đoạt giải Nobel
trên khắp thế giới đều đến nghiên cứu tại PTN của ông một thời gian. Ostwald từng
viết: "Không có phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng của xúc tác". Giai đoạn
này cũng chứng kiến hàng trăm quá trình xúc tác mới ra đời.
Xúc tác công nghiệp ra đời (1888-1918)
Sự phát triển của kiến thức hàn lâm chuyển sang những ứng dụng công nghiệp.
Năm 1888, Knietsch phát triển hỗn hợp xúc tác Platin và Vanadium(V) oxide cho quá
trình sản xuất công nghiệp H2SO4.
Quá trình tổng hợp ammonia quan trọng nhất trong giai đoạn này, Haber và Nernst
phát triển nó từ 1902 đến 1905 dùng xúc tác trên cơ sở Fe cho quá trình sản xuất ở
nhiệt độ cao và áp suất cao. Năm 1906 Ostwald thực hiện oxy hóa ammoniac (NH3)
thành Acid nitric (HNO3) với hỗn hợp xúc tác Platin (Pt) và Rhodium (Rh). NH3 chủ
yếu làm phân bón, nhưng nhờ quá trình này có thể dùng làm sản xuất chất nổ phục vụ
Chiến Tranh Thế Giới Thứ I.Năm 1909, Mittasch phát triển chất xúc tác công nghiệp

đầu tiên cho sản xuất NH3 từ Khí Nitơ (N2) và khí hydro (H2). Năm 1913, hầu hết
ammonia ở Châu Âu được dùng để sản xuất chất nổ. Năm 1914, Chiến tranh thế giới
thứ I nổ ra. Năm 1915 Irving Langmuir đưa ra lý thuyết hấp phụ đơn lớp, cái mà sau
này có ứng dụng rất nhiều trong xúc tác. Năm 1918, Haber nhận giảiNobel Hóa học và
chiến tranh kết thúc. Có thể thấy khoa học xúc tác giai đoạn này chủ yếu phục vụ
chiến tranh.
Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu (1918-1945)
Chiến tranh kết thúc, nhu cầu về chất nổ giảm nhiều. Các ngành công nghiệp được
hướng sang tổng hợp nhiên liệu và các quá trình tổng hợp mới. Đến năm 1920,
Standard Oil Company sản xuất isopropanol từ nguyên liệu dầu mỏ. Đây là quá trình
đầu tiên của ngành công nghiệp hóa dầu.
Năm 1922, Fischer và Tropsch tổng hợp hydrocarbon từ CO và H2 và năm 1925
tổng hợp hiệu suất cao ở áp suất cao trên hỗn hợp xúc tác Fe-Co-Ni. Năm 1926
DuPont sản xuất methanol tổng hợp dùng cho fuel cell. Năm 1927, Hinshelwood dựa
trên ý tưởng của Langmuir đề nghị lý thuyết động học Langmuir-Hinshelwood áp
dụng để mô hình hóa xúc tác, thiết kế lò phản ứng và các nền tảng khoa học trong
công nghệ hóa học.
Năm 1921, Thomas Midgley phát minh chì tetraethyl dùng làm tác nhân chống
kích nổ trong xăng. Năm 1930, Standard Oil Company dùng chất xúc tác tái cấu trúc
(steam reforming) để sản xuất khí hydro; Igor Tamm và John Barden nghiên cứu cấu
trúc, trạng thái electron trên bề mặt kim loại.
1932 Langmuir đoạt giải Nobel Hóa học. 1936 Eugene Houdry phát triển quá trình
xúc tác cắt mạch bằng nhiệt (cracking petroleum). Đây là một trong những quá trình
hóa học quan trọng nhất để tạo ra các chất phụ gia thay thế chì tetraethyl (chất độc)
trong xăng



CHƯƠNG II. SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
1. VAI TRÒ CỦA AXIT SUNFURIC

Axit sunfuric là một hóa chất được sử dụng rộng rãi nhất trong nền kinh tế quốc dân và
cũng là một sản phẩm có khối lượng lớn của công nghiệp hóa học.
 Là một chất lỏng không màu. Nó chuyển sang màu vàng đen khi có lẫn tạp
chất. Tan trong nước theo một tỷ lệ bất kỳ và toả nhiệt mạnh tạo ra các hyđrat.
Tỷ trọng 1,84g/cm3. Chất hoạt động mạnh, hoà tan phần lớn các kim loại và
oxit kim loại. Hút nước mạnh tạo các hyđrat.
 Người ta thường oxi hóa SO
2
trên xúc tác rắn thành SO
3
, nên được gọi là
phương pháp tiếp xúc. Sản xuất được H
2
SO
4
nồng độ trên 98%.
 Được sử dụng nhiều để sản xuất phân bón, chế biến nhiên liệu lỏng, tổng hợp
hữu cơ, sản xuất thuốc nhuộm, dùng trong ngành luyện kim, mạ điện v.v….
2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
Lưu huỳnh và các hợp chất chứa lưu huỳnh đều có thể làm nguyên liệu sản xuất H
2
SO
4

2.1. Lưu huỳnh
S là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất ra khí SO
2
. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric
đi từ lưu huỳnh đơn giản hơn đi từ các nguồn nguyên liệu khác vì nhiệt độ đốt cháy
lưu huỳnh thấp và quá trình tinh chế khí SO

2
đơn giản hơn. S thường được khai thác từ
các mỏ.
2.2. Quặng pirit
Thành phần chủ yếu của quặng pirit là pirit sắt FeS
2
, ngoài ra còn có pirit của kim
loại màu, các hợp chất của niken, đồng, silic, cacbonat, canxi, các oxit nhôm, bạc và
vàng. Hàm lượng lưu huỳnh trong quặng dao động từ 40 -50%.
2.3. Thạch cao
CaSO
4
ngậm nước hoặc CaSO
4
khan. Ngày nay ít sử dụng
2.4. Các hợp chất chứa lưu huỳnh khác
Sản phẩm phế thải và khí thải mà trong thành phần có chứa SO2đều được sử dụng
để sản xuất axit sunfuric vừa kinh tế vừa giúp giải quyết các vấn đề về môi trương
3. QUI TRÌNH SẢN XUẤT
3.1. Sản xuất SO2
Axít sulfuric được sản xuất từ lưu huỳnh, ôxy và nước theo công nghệ tiếp
xúc.Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo ra điôxít lưu huỳnh.
22
SOOS
r


Sau đó nó bị ôxi hóa thành triôxít lưu hu ỳnh bởi ôxy với sự có mặt của chất xúc tác
ôxít vanadi (V).
322

22
52
SOOSO
OV
 

Cuối cùng triôxít lưu huỳnh được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H
2
SO
4
chứa 2-
3% nước) để sản xuất axít sulfuric 98-99%.
4223
SOHOHSO 

Bên cạnh đó, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H
2
SO
4
để tạo ra ôleum (H
2
S
2
O
7
), chất này sau
đó bị làm loãng để tạo thành axít sulfuric.
722342
OSHSOSOH 


Ôleum sau đó phản ứng với nước để tạo H
2
SO
4
đậm đặc.
422722
2 SOHOHOSH 

3.2. Tinh chế hỗn hợp khí SO2
Làm sạch và làm khô hỗn hợp khí SO2
3.3. Oxi hoá SO2 bằng xúc tác V2O5
3.3.1. Cơ sở lý thuyết