Hoá học công nghiệp và ứng dụng

Sản xuất H₂SO₄, NH₃ (Haber-Bosch), HNO₃, NaOH

Bốn quy trình công nghiệp nền tảng cho thấy cân bằng phản ứng, xúc tác, phân tách và tuần hoàn kết hợp trong sản xuất hoá chất liên tục.

Trực giácTừ phản ứng đến sơ đồ công nghệ

Nhà máy không chỉ là một bình phản ứng lớn. Chuẩn bị nguyên liệu, trao đổi nhiệt, chuyển hoá xúc tác, thu hồi sản phẩm và tuần hoàn phải vận hành như một hệ thống liên kết. Bốn quy trình dưới đây giúp hình dung cách nhìn hệ thống đó.

Phổ thôngNền tảng phổ thông: cân bằng phương trình và bảo toàn

Phương trình công nghiệp đã cân bằng thể hiện sự bảo toàn nguyên tử, không phải sơ đồ công nghệ đầy đủ. Chẳng hạn, tổng hợp amoniac tiêu thụ ba mol hiđro trên mỗi mol nitơ; nhà máy thực còn phải cấp nguyên liệu tinh khiết, thải nhiệt và tách sản phẩm.

Đại họcQuy trình tiếp xúc: axit sulfuric

Lưu huỳnh được đốt thành SO₂, sau đó SO₂ bị oxi hoá trên xúc tác vanadi thành SO₃. Vì phản ứng toả nhiệt và bị giới hạn bởi cân bằng, thiết bị chuyển hoá dùng nhiều lớp xúc tác cùng làm mát giữa các lớp; hấp thụ SO₃ vào axit đậm đặc tránh tạo sương axit khó xử lý khi hydrat hoá trực tiếp.

Đại họcHaber–Bosch: tổng hợp amoniac

Nitơ và hiđro đã tinh chế phản ứng trên xúc tác nền sắt ở áp suất và nhiệt độ cao. Phản ứng tổng hợp toả nhiệt nên nhiệt độ thấp thuận lợi cho cân bằng, còn nhiệt độ cao giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn. Vận hành công nghiệp cân bằng hai tác động này, làm lạnh-ngưng tụ amoniac rồi tuần hoàn khí chưa phản ứng.

Đại họcQuy trình Ostwald và clo-kiềm

Quy trình Ostwald oxi hoá amoniac thành nitric oxide trên lưới platin–rhodium, tiếp tục oxi hoá NO thành NO₂ rồi hấp thụ vào nước để tạo axit nitric. Điện phân nước muối tạo clo ở anot và hiđro cùng natri hiđroxit ở ngăn catot; ô màng hạn chế các sản phẩm trộn lẫn.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu