Sản xuất Sulfuric Acid (H₂SO₄) theo phương pháp tiếp xúc

Phương trình / Quy luật áp dụng: 4FeS₂(s) + 11O₂(g) = 2Fe₂O₃(s) + 8SO₂(g)

Giải thích chuẩn SGK: Năm công đoạn nối tiếp: Đốt quặng tạo khí → Làm sạch bảo vệ xúc tác → Chuyển hóa xúc tác → Hấp thụ bằng H₂SO₄ đặc → Xử lý khí thải, thứ tự không thể đảo lộn.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao phương pháp tiếp xúc phải chia thành nhiều công đoạn như vậy?» — Đáp án nằm ở chỗ «mỗi công đoạn giải quyết triệt để bài toán cho công đoạn kế tiếp».

Phương trình / Quy luật áp dụng: Công đoạn này không có phản ứng chính: Lọc bụi → Rửa bằng acid loãng → Lọc mù tĩnh điện → Làm khô bằng H₂SO₄ đặc

Giải thích chuẩn SGK: Bụi quặng gây tắc lỗ xốp, As và F làm V₂O₅ ngộ độc vĩnh viễn, hơi nước gặp SO₃ tạo mù acid ăn mòn thiết bị — mục đích hàng đầu của công đoạn làm sạch là bảo vệ chất xúc tác.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Khi thi hỏi «Tại sao phải làm sạch và làm khô khí lò?», câu trả lời phải nêu rõ: để chống ngộ độc chất xúc tác và chống tạo mù acid ăn mòn thiết bị, không chỉ nói chung chung «để loại tạp chất».

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Nhiệt độ thấp có lợi cho cân bằng nhưng xúc tác V₂O₅ cần từ 360 ℃ mới kích hoạt và tốc độ quá chậm; nhiệt độ quá cao phản ứng nhanh nhưng cân bằng dịch chuyển nghịch làm khí thải vượt chuẩn; 400–500 ℃ là khoảng dung hòa tối ưu, công nghiệp thường chọn khoảng 450 ℃.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Bẫy hay gặp trong đề thi: Nhiệt độ không phải càng thấp càng tốt. Cần chỉ rõ «có lợi cho cân bằng ≠ tốc độ phản ứng cho phép», và nêu ngưỡng nhiệt độ hoạt động của chất xúc tác.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Tăng áp suất quả thực làm cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, nhưng ở áp suất thường hiệu suất đã đạt ~99.8 %, thêm 1 t/d không bù nổi chi phí máy nén và thiết bị chịu áp; vì vậy công nghiệp chọn áp suất thường và dùng thiết kế nhiều lớp xúc tác + hấp thụ hai lần.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Phương án sai thường gặp: «Áp suất càng cao càng tốt». Cách trả lời đúng: Ở áp suất thường độ chuyển hóa của SO₂ đã rất cao, lợi ích tăng thêm khi nén áp suất cao không bù được chi phí thiết bị và năng lượng; công nghiệp nâng tổng hiệu suất bằng chuyển hóa nhiều lớp + hấp thụ hai lần. Lưu ý thêm: đầu vào lớp 1 vượt quá 620 ℃ sẽ làm thiêu kết chất xúc tác.

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Trong tháp có 4 lớp xúc tác kèm trao đổi nhiệt gián tiếp giữa các lớp; V₂O₅ đóng vai trò cầu nối chuyển oxygen, chỉ quyết định đi nhanh hay chậm chứ không làm dịch chuyển điểm cân bằng.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Điểm chắc chắn hỏi thi: Nói chất xúc tác «làm tăng hiệu suất cân bằng» là sai. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và nghịch như nhau, chỉ rút ngắn thời gian đạt tới cân bằng.

Phương trình / Quy luật áp dụng: SO₃(g) + H₂O(l) = H₂SO₄(l)

Giải thích chuẩn SGK: Khi dùng nước hoặc acid loãng, SO₃ kết hợp với hơi nước trong pha khí tạo thành mù acid rất khó hấp thụ và gây khói trắng; dùng H₂SO₄ đặc 98.3 % có áp suất hơi tổng cộng trên bề mặt thấp nhất nên hấp thụ triệt để.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Câu hỏi thường gặp: «Tại sao không dùng nước để hấp thụ SO₃?» — Trả lời: «Vì sẽ tạo thành lượng lớn mù sulfuric acid làm quá trình hấp thụ chậm và không hoàn toàn».

Phương trình / Quy luật áp dụng: 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Giải thích chuẩn SGK: Đạt chuẩn nhờ 3 điều kiện đồng thời thỏa mãn: tải lượng nạp quặng nâng lên khoảng 112 %, nhiệt độ giữ ở 400–500 ℃, và nồng độ acid hấp thụ ở 98.0–98.8 %.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Cách trình bày đạt điểm tối đa cho câu hỏi «Lựa chọn điều kiện công nghiệp»: nêu mâu thuẫn giữa tốc độ phản ứng và chuyển dịch cân bằng, giải thích lý do chọn mức dung hòa cho từng yếu tố, và bổ sung ràng buộc xử lý khí thải.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Đốt quặng → Làm sạch → Chuyển hóa → Hấp thụ → Xử lý khí thải. Trước hết đốt quặng pyrite tạo SO₂ (Đốt quặng), sau đó rửa sạch và sấy khô để bảo vệ xúc tác (Làm sạch), tiếp theo oxi hóa xúc tác thành SO₃ (Chuyển hóa), dùng H₂SO₄ đặc hấp thụ tạo sản phẩm (Hấp thụ), và cuối cùng xử lý khí thải.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Để ngăn ngừa ngộ độc chất xúc tác và tránh tạo mù acid ăn mòn thiết bị. Bụi quặng làm tắc lỗ xốp xúc tác, tạp chất As và F làm V₂O₅ ngộ độc vĩnh viễn; hơi nước tác dụng với SO₃ tạo mù acid ăn mòn thiết bị. Làm sạch không làm dịch chuyển cân bằng mà bảo vệ chất xúc tác và thiết bị.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Rút ngắn thời gian đạt cân bằng, hiệu suất cân bằng không đổi. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và nghịch như nhau, chỉ rút ngắn thời gian đạt tới trạng thái cân bằng; hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc nhiệt độ, còn ΔH chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Dung hòa đồng thời tốc độ phản ứng, độ chuyển hóa cân bằng và vùng nhiệt độ hoạt động của chất xúc tác. Phản ứng thuận tỏa nhiệt, nhiệt độ thấp có lợi cho cân bằng nhưng tốc độ quá chậm và dưới ngưỡng kích hoạt (360 ℃) của xúc tác vanadium; 400–500 ℃ là khoảng dung hòa tối ưu giữa tốc độ, hiệu suất cân bằng và hoạt tính xúc tác.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Ở áp suất thường độ chuyển hóa cân bằng đã rất cao, lợi ích tăng thêm khi nén áp suất cao không bù được chi phí. Ở áp suất thường và 450 ℃, tổng độ chuyển hóa đã đạt khoảng 99.8 %, nén lên 10 MPa chỉ tăng thêm khoảng 1 t/d; trong khi máy nén và thiết bị chịu áp rất đắt đỏ, nên công nghiệp dùng áp suất thường kết hợp chuyển hóa nhiều lớp + hấp thụ hai lần.