Chế biến tổng hợp than đá: Công nghệ khí hóa than

Phương trình / Quy luật áp dụng: Chưa xét phản ứng mới: bước này chỉ giải thích «tại sao phải khí hóa»

Giải thích chuẩn SGK: Than đá là hỗn hợp phức tạp chứa chủ yếu carbon; đốt trực tiếp chỉ lấy được nhiệt và thải ra S, bụi, NOₓ; khí hóa biến carbon thành hỗn hợp khí CO + H₂ điều chỉnh được tỉ lệ, nhờ đó mới làm nguyên liệu tổng hợp ammonia và methanol.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Chưng khô (nhiệt phân) vs Khí hóa vs Hóa lỏng: cả ba đều là biến đổi hóa học, sản phẩm lần lượt là than cốc/nhựa than/khí lò cốc, khí tổng hợp, và nhiên liệu lỏng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g)　ΔH = +131.3 kJ·mol⁻¹

Giải thích chuẩn SGK: Phản ứng C + H₂O(g) → CO + H₂ thu nhiệt 131.3 kJ·mol⁻¹, lượng nhiệt này phải lấy từ việc đốt cháy một phần than. Nhiều oxygen thì nhiệt độ lò cao, độ chuyển hóa cao, nhưng khí có ích bị CO₂ làm loãng — oxygen lo cấp nhiệt, còn hơi nước lo tạo hydrogen.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi «Tỉ lệ O₂/than có phải càng lớn càng tốt không?» cần nêu 2 ý: khí có ích bị pha loãng bởi CO₂; và lớp lót lò bị quá nhiệt.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Bên trong lò chia làm 4 vùng (minh họa): Cháy → Khí hóa → Làm lạnh nhanh → Tháo xỉ

Giải thích chuẩn SGK: Bùn than và oxygen phun cùng chiều: cháy trước (khoảng 1600 ℃), khí hóa sau (khoảng 1400 ℃), khí đầu ra được hạ xuống dưới 300 ℃ ở đoạn làm lạnh nhanh, còn xỉ nóng chảy rơi xuống bể xỉ. Nhiệt độ lò phải cao hơn điểm nóng chảy của tro để tro thoát ra ở dạng xỉ lỏng.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi «Tại sao nhiệt độ không được thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của tro?» — Đáp án nằm ở việc tháo xỉ lỏng, không chỉ vì tốc độ phản ứng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) (thu nhiệt: hơi nước vừa là tác nhân thu nhiệt vừa là nguồn cung cấp H₂)

Giải thích chuẩn SGK: Nhiều hơi nước → thu nhiệt nhiều, nhiệt độ lò hạ → H₂/CO tăng nhưng nhiệt độ tụt làm độ chuyển hóa carbon giảm theo; ít hơi nước → nhiệt độ cao nhưng H₂/CO thấp. Hơi nước và oxygen giống như hai đầu bập bênh, chế độ tham chiếu 0.26 / 0.55 chính là điểm dung hòa.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: «Tại sao không phải càng nhiều hơi nước càng tốt?» — Trả lời theo nhiệt độ lò và độ chuyển hóa; «Tại sao không phải càng ít càng tốt?» — Trả lời do thiếu H₂, tỉ lệ H₂/CO bị thấp.

Phương trình / Quy luật áp dụng: CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)　ΔH = −41.2 kJ·mol⁻¹

Giải thích chuẩn SGK: CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt: nhiệt độ thấp giúp cân bằng chuyển hóa CO triệt để hơn; nhiệt độ cao làm lượng CO còn dư ở đầu ra nhiều hơn. Khí hóa than dùng xúc tác chịu lưu huỳnh (Co-Mo) để điều chỉnh đúng tỉ lệ H₂/CO.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: «Tại sao khí hóa than dùng xúc tác chuyển hóa chịu lưu huỳnh?» — Vì làm việc được ngay khi khí còn lẫn lưu huỳnh, đồng thời thủy phân COS thành H₂S dễ tách; còn xúc tác nhiệt độ thấp Cu-Zn-Al rất dễ bị ngộ độc lưu huỳnh.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (đoạn nhiệt Claus >850 ℃); 4H₂S + 2SO₂ → 3S₂ + 4H₂O (đoạn xúc tác)

Giải thích chuẩn SGK: Lưu huỳnh trong than biến thành H₂S trong lò khí hóa, xúc tác chuyển hóa chịu lưu huỳnh lại chuyển nốt COS thành H₂S. Nếu lọt vào tháp tổng hợp methanol (xúc tác Cu) hoặc ammonia (xúc tác Fe), nó sẽ làm xúc tác ngộ độc mất hoạt tính, còn thải ra ngoài sẽ tạo SO₂. Vì vậy phải dùng methanol ở −40 ℃ hấp thụ sạch H₂S và CO₂, rồi đưa H₂S sang lò Claus thu hồi lưu huỳnh.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi «Tại sao trước khi tổng hợp phải khử sâu lưu huỳnh?» — Trả lời: Để chống ngộ độc xúc tác tổng hợp và tránh phát thải SO₂; đừng trả lời nhầm thành «bảo vệ xúc tác chuyển hóa».

Phương trình / Quy luật áp dụng: 3H₂(g) + N₂(g) ⇌ 2NH₃(g)；CO + 2H₂ → CH₃OH

Giải thích chuẩn SGK: Methanol cần H₂/CO ≈ 2, còn tổng hợp ammonia cần H₂/N₂ = 3. Tuyến methanol đi theo chuyển hóa một phần + phối khí đường vòng (55 % qua lò chuyển hóa); tuyến ammonia đi theo chuyển hóa sâu + phối trộn N₂ (từ trạm tách không khí). Cùng một cụm khí hóa, chỉ cần thay đổi chiều sâu chuyển hóa và cách phối khí.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: «Tại sao tổng hợp ammonia phải phối trộn N₂ còn methanol thì không?» — Vì trong NH₃ có nguyên tố nitrogen là chất phản ứng, còn nguyên tố carbon trong methanol lấy từ CO.

Phương trình / Quy luật áp dụng: Tổng hợp toàn quy trình: Khí hóa → Chuyển hóa chịu lưu huỳnh → Làm sạch → Đầu ra

Giải thích chuẩn SGK: Khảo hạch tổng kết: Tỉ lệ O₂/than quyết định nhiệt độ và độ tinh khiết, tỉ lệ hơi nước/than quyết định lượng H₂ và nhiệt độ, nhiệt độ chuyển hóa quyết định tỉ lệ H₂/CO, còn khử lưu huỳnh quyết định sự sống còn của xúc tác tổng hợp. Bốn núm chỉnh phối hợp nhịp nhàng mới tạo ra dòng khí nguyên liệu đạt chuẩn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi công nghiệp thường gặp: «Tại sao lò khí hóa phải nạp đồng thời oxygen và hơi nước?» — Một chất cấp nhiệt, một chất cung cấp hydrogen, không chất nào thay thế được chất nào.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Biến đổi hóa học, chuyển carbon trong than thành CO và H₂. Khí hóa than là quá trình chế biến hóa học dùng tác nhân khí hóa (hơi nước, oxygen) biến chất hữu cơ trong than thành khí tổng hợp, phản ứng chính là C + H₂O(g) → CO + H₂; chưng khô, khí hóa và hóa lỏng than đều là biến đổi hóa học.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Phản ứng giữa hơi nước và carbon thu nhiệt nên phải đốt cháy một phần carbon để cấp nhiệt; đồng thời hơi nước là nguồn cung cấp H₂. Phản ứng C + H₂O(g) → CO + H₂ thu nhiệt (+131.3 kJ·mol⁻¹), nguồn nhiệt được lấy từ việc đốt cháy một phần carbon (C + O₂ → CO₂ tỏa nhiệt); đồng thời hơi nước cung cấp nguyên tố H tạo ra H₂ trong khí sản phẩm.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nhiệt độ lò tăng, độ chuyển hóa carbon tăng, nhưng hàm lượng khí có ích giảm. Lượng oxygen tăng thêm sẽ oxi hóa hoàn toàn nhiều carbon thành CO₂ hơn: nhiệt độ lò tăng, độ chuyển hóa carbon tăng, nhưng khí có ích (CO + H₂) bị pha loãng bởi CO₂ nên phần trăm thể tích giảm xuống.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Để tro nóng chảy thành xỉ lỏng thoát ra ngoài mà không làm tắc lỗ tháo xỉ. Phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của tro thì tro mới chảy thành xỉ lỏng và chảy ra qua lỗ xỉ; nếu thấp hơn điểm nóng chảy của tro, tro xỉ sẽ đặc quánh gây đóng xỉ tắc lỗ tháo, buộc phải dừng lò.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Nhiệt độ lò giảm xuống, làm giảm độ chuyển hóa carbon. Phản ứng giữa hơi nước với carbon là phản ứng thu nhiệt: nạp càng nhiều hơi nước thì thu nhiệt càng nhiều, làm nhiệt độ lò càng hạ; khi nhiệt độ lò tụt xuống thì độ chuyển hóa carbon giảm theo (dù tỉ lệ H₂/CO tăng).