Chế biến tổng hợp than đá: Lấy khí hóa than làm trục chính — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Than đá chỉ dùng để đốt thôi sao? Làm thế nào biến than đá thành khí nguyên liệu sản xuất phân bón và methanol?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) ΔH = +131.3 kJ·mol⁻¹
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 11 (SGK GDPT 2018) · Chuyên đề Cân bằng hóa học & Hóa học hữu cơ — Chế biến và sử dụng hiệu quả nhiên liệu hóa thạch (Khí hóa than)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (8 bước)
- Bước 1 (Tại sao phải khí hóa): Than đào lên đem đốt trực tiếp chẳng phải rất tiện sao, tại sao phải biến thành khí trước? — Kết luận: 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. |
Chưa xét phản ứng mới: bước này chỉ giải thích «tại sao phải khí hóa» - Bước 2 (Cấp nhiệt hay tạo khí): Khí hóa là quá trình thu nhiệt, vậy nhiệt lấy từ đâu? Tại sao bắt buộc phải thổi đồng thời cả oxygen và hơi nước? — Kết luận: 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. |
C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) ΔH = +131.3 kJ·mol⁻¹ - Bước 3 (Bên trong lò diễn ra gì): Trong chiếc lò hơn nghìn độ, than đá thực sự trải qua những gì? Còn tro đi về đâu? — Kết luận: 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. |
Bên trong lò chia làm 4 vùng (minh họa): Cháy → Khí hóa → Làm lạnh nhanh → Tháo xỉ - Bước 4 (Nhiều hay ít hơi nước thì tốt): Thổi thêm nhiều hơi nước chẳng phải sẽ tạo ra nhiều H₂ hơn sao? Tại sao không thể tăng mãi? — Kết luận: 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. |
C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) (thu nhiệt: hơi nước vừa là tác nhân thu nhiệt vừa là nguồn cung cấp H₂) - Bước 5 (Chuyển hóa điều chỉnh tỉ lệ): Tỉ lệ H₂ và CO đi ra từ lò khí hóa vốn cố định, làm sao đáp ứng các tỉ lệ khác nhau mà công đoạn sau yêu cầu? — Kết luận: 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. |
CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) ΔH = −41.2 kJ·mol⁻¹ - Bước 6 (Tại sao phải khử lưu huỳnh): Một chút tạp chất mùi trứng thối trong khí tại sao bắt buộc phải khử sạch? — Kết luận: 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. |
2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (đoạn nhiệt Claus >850 ℃); 4H₂S + 2SO₂ → 3S₂ + 4H₂O (đoạn xúc tác) - Bước 7 (Biến thành sản phẩm gì): Cùng một hệ thống khí hóa này, làm sao lúc thì sản xuất methanol, lúc thì sản xuất ammonia? — Kết luận: 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. |
3H₂(g) + N₂(g) ⇌ 2NH₃(g)；CO + 2H₂ → CH₃OH - Bước 8 (Thực hành đánh giá): Khảo hạch: Bạn làm trưởng ca — có thể điều chỉnh khí đúng tỉ lệ cho tổng hợp methanol mà không làm hỏng lò không? — Kết luận: 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. |
Tổng hợp toàn quy trình: Khí hóa → Chuyển hóa chịu lưu huỳnh → Làm sạch → Đầu ra
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Chế biến tổng hợp than đá: Lấy khí hóa than làm trục chính · Trang chủ VietLab 3D