Luận án nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan VN của Trần Duy Hải
Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam nhằm tối ưu quy trình, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.
Trường Đại học Bách khoa
Kỹ thuật hóa học
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
176
Thời gian đọc
27 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I. Nâng Giá Trị Xỉ Titan Việt Nam Chìa Khóa Sản Xuất TiCl4
Titan và các hợp chất của nó đóng vai trò cốt yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Việt Nam hiện xuất khẩu xỉ titan, một nguyên liệu có giá trị kinh tế thấp. Tình trạng này giới hạn khả năng tạo ra giá trị gia tăng từ nguồn tài nguyên nội địa. Để giải quyết, cần chế biến xỉ titan thành các sản phẩm có độ tinh sạch cao hơn. Mục tiêu là chuyển hóa xỉ titan thành titanium dioxide (TiO2) tinh khiết hoặc kim loại titan. Titanium tetrachloride (TiCl4) là một chất trung gian quan trọng trong chuỗi giá trị này. Sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam mở ra con đường nâng cao đáng kể giá trị kinh tế của nguồn tài nguyên này. Công nghệ clo hóa xỉ titan trở thành giải pháp then chốt. Việc nghiên cứu sâu rộng quy trình này tạo nền tảng cho sự phát triển công nghiệp hóa chất titan tại Việt Nam. Nó biến xỉ titan phế thải thành nguyên liệu quý. Nghiên cứu này tập trung vào quy trình sản xuất TiCl4, một bước đệm thiết yếu. Nó giúp tối ưu hóa việc khai thác titan Việt Nam, hướng tới các sản phẩm cuối cùng giá trị hơn.
1.1. Tầm quan trọng của Titan và hợp chất
Titan là kim loại chiến lược. Các hợp chất titan được ứng dụng rộng rãi. Chúng có mặt trong hàng không vũ trụ, y tế, sơn và nhiều ngành khác. Nhu cầu về titan tetrachloride Việt Nam liên tục tăng. Đây là tiền chất chính để sản xuất TiO2 pigment, kim loại titan. Việc làm chủ công nghệ sản xuất TiCl4 nâng cao vị thế ngành công nghiệp hóa chất titan. Nó giúp Việt Nam tham gia sâu hơn vào chuỗi cung ứng toàn cầu. Phát triển sản phẩm có giá trị gia tăng là mục tiêu hàng đầu.
1.2. Thách thức từ xỉ titan Việt Nam
Việt Nam có nguồn tài nguyên quặng ilmenit dồi dào. Tuy nhiên, sản phẩm xuất khẩu chủ yếu là xỉ titan thô. Xỉ titan phế thải có hàm lượng TiO2 chưa cao. Giá thành xuất khẩu thấp. Điều này làm giảm lợi ích kinh tế cho quốc gia. Cần có công nghệ chế biến tiên tiến. Công nghệ này biến xỉ titan từ nguyên liệu thô thành sản phẩm có giá trị cao. Thách thức lớn là làm sao nâng cấp xỉ titan nội địa. Sản xuất TiCl4 từ xỉ titan là hướng đi chiến lược. Nó giải quyết bài toán về giá trị thấp của nguyên liệu thô.
1.3. TiCl4 Sản phẩm trung gian chiến lược
TiCl4 là một hợp chất trung gian thiết yếu. Nó đóng vai trò cầu nối từ xỉ titan đến TiO2 và titan kim loại. TiCl4 dễ dàng tinh chế đến độ tinh sạch cao. Đây là lợi thế lớn so với việc tinh chế trực tiếp TiO2 từ xỉ. Công nghệ clo hóa là phương pháp chính để tạo ra TiCl4. Quá trình này chuyển hóa TiO2 trong xỉ thành TiCl4. Sản phẩm TiCl4 sau đó được sử dụng để sản xuất bột màu TiO2 hoặc titan kim loại. Việc làm chủ công nghệ sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam mang lại lợi thế cạnh tranh. Nó mở ra cơ hội phát triển luyện kim titan tại chỗ. TiCl4 tinh khiết là nền tảng cho các sản phẩm công nghệ cao.
II. Công Nghệ Clo Hóa Xỉ Titan Quy Trình Chuyển Hóa Hiệu Quả
Công nghệ clo hóa là phương pháp chủ đạo để chuyển hóa TiO2 trong xỉ titan. Quá trình này tạo ra titanium tetrachloride (TiCl4). Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa phản ứng cacbon-clo hóa xỉ titan. Mục tiêu là đạt độ chuyển hóa TiO2 cao nhất. Phản ứng yêu cầu sự có mặt của cacbon làm chất khử. Khí clo phản ứng với TiO2 và cacbon ở nhiệt độ cao. Sản phẩm chính là TiCl4 dạng khí. Đây là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Nó quyết định hiệu suất tổng thể của quy trình sản xuất TiCl4 từ xỉ. Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật tối ưu. Điều này bao gồm nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ nguyên liệu. Mục tiêu cuối cùng là phát triển quy trình sản xuất TiCl4 hiệu quả. Quy trình này sử dụng nguyên liệu xỉ titan phế thải của Việt Nam. Nó mang lại giá trị gia tăng cho nguồn tài nguyên khai thác titan Việt Nam. Quy trình clo hóa hiệu quả là chìa khóa. Nó biến quặng ilmenit và xỉ titan thành sản phẩm công nghiệp có giá trị.
2.1. Cơ sở phản ứng cacbon clo hóa
Phản ứng cacbon-clo hóa là nền tảng của công nghệ này. TiO2 trong xỉ titan phản ứng với cacbon và khí clo. Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao. Phương trình tổng quát là TiO2 + 2C + 2Cl2 → TiCl4 + 2CO. Cacbon đóng vai trò chất khử. Khí clo là tác nhân clo hóa. Phản ứng tạo ra TiCl4 ở trạng thái hơi. Đồng thời, các oxit kim loại khác trong xỉ cũng có thể bị clo hóa. Điều này tạo ra các clorua kim loại khác. Sự kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng là cần thiết. Mục đích là để tối đa hóa sản lượng TiCl4. Đồng thời, hạn chế sự hình thành các tạp chất.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu công nghệ clo hóa
Nghiên cứu đặt ra mục tiêu rõ ràng. Nó nhằm tìm hiểu động học phản ứng cacbon-clo hóa xỉ titan. Mục tiêu là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa TiO2. Các yếu tố chính bao gồm nhiệt độ và áp suất riêng phần của clo. Từ đó, phát triển một mô hình động học chính xác. Mô hình này giúp dự đoán và tối ưu hóa quá trình. Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng ứng dụng thực tế. Nó muốn biến xỉ titan Việt Nam thành nguồn nguyên liệu giá trị. Phát triển công nghệ clo hóa hiệu quả là trọng tâm. Nó hướng tới sản xuất TiCl4 chất lượng cao.
2.3. Nguyên liệu xỉ titan phế thải
Xỉ titan Việt Nam là nguyên liệu chính. Nó có nguồn gốc từ quá trình luyện quặng ilmenit. Xỉ chứa TiO2 cùng với nhiều tạp chất khác. Việc sử dụng xỉ titan phế thải có nhiều lợi ích. Nó giảm chi phí nguyên liệu. Nó cũng góp phần bảo vệ môi trường. Nâng cấp xỉ titan là hướng đi bền vững. Nó tạo ra giá trị mới từ một sản phẩm phụ. Nghiên cứu công nghệ clo hóa tập trung vào loại nguyên liệu này. Mục tiêu là biến xỉ thành titan tetrachloride Việt Nam. Đây là sản phẩm có giá trị xuất khẩu cao hơn nhiều.
III. Tối Ưu Phản Ứng Clo Hóa Xỉ Titan Động Học Và Điều Kiện
Nghiên cứu đã khảo sát chi tiết động học phản ứng cacbon-clo hóa xỉ titan. Mục đích là xác định các điều kiện tối ưu. Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng và áp suất riêng phần của clo được đánh giá kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy các thông số này ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chuyển hóa TiO2. Mô hình hóa phản ứng được thực hiện. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế và tốc độ phản ứng. Việc tối ưu hóa các điều kiện đảm bảo hiệu quả cao nhất. Nó giảm thiểu chi phí năng lượng. Nó cũng tối đa hóa sản lượng titanium tetrachloride Việt Nam. Các phát hiện này là nền tảng cho việc thiết kế lò phản ứng công nghiệp. Nó giúp sản xuất TiCl4 từ xỉ một cách bền vững. Hiệu suất phản ứng cao là chìa khóa. Nó quyết định tính khả thi kinh tế của toàn bộ quy trình công nghệ clo hóa xỉ titan.
3.1. Khảo sát động học phản ứng
Động học phản ứng cacbon-clo hóa được nghiên cứu sâu. Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Ảnh hưởng của áp suất riêng phần Cl2 cũng được đánh giá. Dữ liệu thí nghiệm được thu thập cẩn thận. Từ đó, xây dựng các mô hình động học phù hợp. Mô hình này giúp dự đoán hành vi của phản ứng. Nó cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố kiểm soát tốc độ phản ứng. Việc hiểu rõ động học là cần thiết. Nó giúp tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng. Nó cũng cải thiện hiệu quả của quá trình sản xuất TiCl4 từ xỉ.
3.2. Xác định nhiệt độ clo hóa tối ưu
Nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng lớn. Nhiệt độ cao thường làm tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn. Nghiên cứu đã xác định nhiệt độ tối ưu. Ở 950 °C, độ chuyển hóa TiO2 đạt mức cao nhất. Nhiệt độ này cân bằng giữa tốc độ phản ứng và sự ổn định của hệ thống. Nó đảm bảo hiệu suất clo hóa xỉ titan tối đa. Việc kiểm soát nhiệt độ chính xác là yếu tố then chốt. Nó quyết định chất lượng và năng suất của sản phẩm TiCl4.
3.3. Ảnh hưởng áp suất riêng phần Cl2
Áp suất riêng phần của khí clo cũng rất quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ tác nhân phản ứng. Nghiên cứu chỉ ra rằng áp suất riêng phần Cl2 bằng 0,3 at là tối ưu. Ở điều kiện này, phản ứng cacbon-clo hóa đạt hiệu suất cao nhất. Áp suất Cl2 phù hợp giúp tăng tốc độ phản ứng. Nó cũng hạn chế sự bay hơi của các hợp chất khác. Điều này góp phần vào việc tinh chế TiCl4 sau này. Việc duy trì áp suất riêng phần clo ở mức tối ưu là cần thiết. Nó giúp sản xuất TiCl4 hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
IV. Tinh Chế TiCl4 Từ Xỉ Titan Đạt Độ Tinh Khiết Cao
Sau khi sản xuất TiCl4 thô, bước tiếp theo là tinh chế. TiCl4 thô chứa nhiều tạp chất. Các tạp chất này clo hóa cùng với TiO2 từ xỉ titan. Mục tiêu là thu được TiCl4 với độ tinh sạch cao. Sản phẩm tinh khiết đáp ứng yêu cầu cho các ứng dụng công nghiệp. Phương pháp chưng cất được nghiên cứu và cải tiến. Chưng cất loại bỏ các clorua kim loại có nhiệt độ sôi khác nhau. Quy trình tinh chế hai bước được phát triển. Nó đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. TiCl4 tinh khiết là nguyên liệu quan trọng. Nó dùng để sản xuất rutile tổng hợp hoặc bột màu TiO2. Công nghệ tinh chế hiệu quả là yếu tố quyết định. Nó biến TiCl4 thô thành titan tetrachloride Việt Nam có giá trị cao. Nó cũng góp phần vào sự phát triển luyện kim titan.
4.1. Phương pháp chưng cất TiCl4
Chưng cất là phương pháp chính để tinh chế TiCl4. TiCl4 có điểm sôi thấp (136.4 °C). Các clorua kim loại khác trong sản phẩm thô có điểm sôi khác biệt. Sự khác biệt này cho phép tách chúng bằng chưng cất. Thiết bị chưng cất được mô hình hóa và cải tiến. Mục tiêu là tăng hiệu quả tách. Chưng cất cần được kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và áp suất. Điều này đảm bảo quá trình tách diễn ra hiệu quả. Phương pháp này loại bỏ phần lớn các tạp chất. Nó tạo ra TiCl4 có độ tinh khiết tương đối cao sau bước đầu tiên.
4.2. Quy trình tinh chế 2 bước hiệu quả
Nghiên cứu đã vạch ra quy trình tinh chế hai bước. Bước một là chưng cất đơn giản lần đầu. Bước này loại bỏ các tạp chất có nhiệt độ sôi rất cao hoặc rất thấp. Bước hai là chưng cất kết hợp tiền xử lý hóa học. Tiền xử lý hóa học giúp chuyển hóa các tạp chất khó tách. Điều này làm cho chúng dễ dàng loại bỏ hơn trong quá trình chưng cất tiếp theo. Quy trình này được thiết kế để tối ưu hiệu quả. Nó đảm bảo sản phẩm TiCl4 đạt chất lượng cao nhất. Sản phẩm này có thể được sử dụng trực tiếp. Nó phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp quan trọng.
4.3. TiCl4 đạt chuẩn sản xuất bột màu
Sản phẩm TiCl4 thu được từ quy trình tinh chế đạt chất lượng cao. Nó đáp ứng tiêu chuẩn làm nguyên liệu sản xuất bột màu TiO2. Bột màu TiO2 là sản phẩm có giá trị kinh tế lớn. Nó được sử dụng rộng rãi trong sơn, nhựa, giấy. Chất lượng TiCl4 tinh khiết là yếu tố sống còn. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bột màu TiO2. Việc sản xuất thành công TiCl4 đạt chuẩn mở ra thị trường mới. Nó giúp Việt Nam tham gia vào chuỗi cung ứng rutile tổng hợp. Đây là một bước tiến quan trọng. Nó nâng tầm công nghiệp hóa chất titan trong nước.
V. Ứng Dụng Quy Mô Pilot Sản Xuất TiCl4 Công Nghiệp
Các thông số công nghệ được xác định từ thí nghiệm. Chúng được áp dụng thành công trên thiết bị quy mô pilot. Đây là bước chuyển giao quan trọng từ phòng thí nghiệm ra sản xuất. Thiết bị pilot giúp kiểm chứng tính khả thi của quy trình. Nó cũng đánh giá hiệu quả kinh tế trên quy mô lớn hơn. Việc sản xuất thành công TiCl4 với độ tinh sạch cao đã được chứng minh. Điều này diễn ra trên quy mô pilot. Thành công này mở ra triển vọng công nghiệp. Nó cho phép nâng cao giá trị của xỉ titan Việt Nam. Quy mô pilot cung cấp dữ liệu thực tế. Nó giúp tinh chỉnh quy trình trước khi mở rộng ra quy mô công nghiệp hoàn chỉnh. Đây là bước đệm quan trọng. Nó khẳng định tiềm năng của công nghệ clo hóa xỉ titan. Nó cũng thúc đẩy ngành công nghiệp hóa chất titan tại Việt Nam phát triển.
5.1. Vận hành thiết bị quy mô pilot
Thiết bị quy mô pilot được xây dựng và vận hành. Nó mô phỏng quy trình sản xuất TiCl4 từ xỉ trên quy mô nhỏ hơn công nghiệp. Quá trình vận hành giúp kiểm tra độ ổn định của hệ thống. Nó cũng đánh giá hiệu quả của các bước clo hóa và tinh chế. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu theo dõi sát sao. Họ thu thập dữ liệu về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng. Từ đó, xác nhận tính đúng đắn của các thông số đã tối ưu. Vận hành pilot thành công là bằng chứng. Nó chứng minh khả năng chuyển đổi công nghệ clo hóa từ phòng thí nghiệm sang thực tế.
5.2. Chuyển giao thông số công nghệ
Các thông số công nghệ đã được xác định qua nghiên cứu. Chúng bao gồm nhiệt độ tối ưu cho phản ứng clo hóa. Áp suất riêng phần Cl2 và quy trình tinh chế cũng được chuyển giao. Thông số này được áp dụng trực tiếp vào vận hành thiết bị pilot. Việc chuyển giao thông số là bước quan trọng. Nó đảm bảo tính nhất quán giữa kết quả phòng thí nghiệm và thực tế. Nó cũng cung cấp cơ sở dữ liệu vững chắc. Cơ sở này dùng để thiết kế nhà máy sản xuất TiCl4 quy mô công nghiệp. Việc làm chủ thông số công nghệ là chìa khóa. Nó giúp Việt Nam tự chủ trong sản xuất titan tetrachloride Việt Nam.
5.3. Thành công sản xuất TiCl4 tinh sạch
Thiết bị quy mô pilot đã sản xuất thành công TiCl4. Sản phẩm đạt độ tinh sạch cao từ xỉ titan Việt Nam. Thành công này là minh chứng rõ ràng. Nó chứng minh tính hiệu quả và khả thi của công nghệ. Sản phẩm TiCl4 tinh sạch có thể được sử dụng ngay. Nó làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. Điều này khẳng định tiềm năng kinh tế to lớn. Nó mở ra hướng đi mới cho khai thác titan Việt Nam. Thành công này cũng là bước đệm. Nó giúp phát triển hơn nữa luyện kim titan trong nước.
VI. Triển Vọng Công Nghiệp Hóa Chất Titan Việt Nam
Sự thành công của nghiên cứu này mở ra nhiều triển vọng. Nó giúp nâng cao giá trị kinh tế của xỉ titan Việt Nam. Việt Nam có thể chuyển từ xuất khẩu nguyên liệu thô. Thay vào đó, quốc gia có thể sản xuất các sản phẩm titan có giá trị gia tăng cao. Điều này góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất titan. Quy trình sản xuất TiCl4 từ xỉ titan là bước đột phá. Nó đặt nền móng cho việc sản xuất TiO2 với độ tinh sạch cao. Nó cũng mở đường cho việc sản xuất kim loại titan trong tương lai. Nâng cao năng lực chế biến là mục tiêu quốc gia. Nó tối ưu hóa việc khai thác titan Việt Nam. Nghiên cứu này khẳng định tiềm năng khoa học và công nghệ. Nó giúp đất nước chủ động hơn trong chuỗi giá trị titan toàn cầu. Sản phẩm rutile tổng hợp và luyện kim titan sẽ được thúc đẩy phát triển.
6.1. Nâng cao giá trị xỉ titan nội địa
Nghiên cứu này biến xỉ titan phế thải thành tài nguyên quý. Nó giúp Việt Nam không còn xuất khẩu xỉ titan với giá thấp. Thay vào đó, sản phẩm TiCl4 mang lại giá trị cao hơn nhiều. Điều này tạo ra nguồn doanh thu lớn hơn. Nó cũng thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương. Nâng cao giá trị xỉ titan nội địa là mục tiêu chính. Nó góp phần vào sự thịnh vượng của ngành công nghiệp titan Việt Nam. Việc tối ưu hóa quy trình là chìa khóa. Nó giúp khai thác tối đa lợi ích từ nguồn tài nguyên sẵn có.
6.2. Phát triển công nghiệp hóa chất
Thành công trong sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam là động lực. Nó thúc đẩy sự phát triển toàn diện của công nghiệp hóa chất titan. Việc làm chủ công nghệ này tạo ra các sản phẩm trung gian quan trọng. Nó cũng mở ra cơ hội cho các ngành công nghiệp phụ trợ. Công nghiệp hóa chất trở nên tự chủ hơn. Nó giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu các hóa chất gốc titan. Đây là bước tiến lớn trong công nghiệp hóa chất. Nó giúp Việt Nam xây dựng năng lực sản xuất titan tetrachloride Việt Nam bền vững.
6.3. Hướng tới titan kim loại và TiO2
TiCl4 tinh khiết là tiền đề quan trọng. Nó cần thiết cho sản xuất titan kim loại và TiO2 chất lượng cao. Phát triển công nghệ clo hóa là bước đầu tiên. Nó hướng tới mục tiêu lớn hơn. Đó là sản xuất các sản phẩm titan hoàn chỉnh. Nghiên cứu này đặt nền móng vững chắc. Nó cho phép Việt Nam phát triển luyện kim titan và sản xuất rutile tổng hợp. Mục tiêu là tạo ra các sản phẩm có giá trị cao nhất. Điều này giúp tối đa hóa lợi ích từ nguồn quặng ilmenit và xỉ titan của quốc gia.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (176 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN DUY HẢI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CLO HOÁ ĐỂ SẢN XUẤT TiCl4 TỪ NGUYÊN LIỆU XỈ TITAN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CLO HOÁ ĐỂ SẢN XUẤT TiCl4 TỪ NGUYÊN LIỆU XỈ TITAN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số chuyên ngành: 62520301 Phản biện độc lập: PGS.
Nguyễn Tuyết Phương Phản biện độc lập: PGS. Lê Anh Kiên Phản biện: PGS. Trần Ngọc Quyển Phản biện: PGS. Lê Tiến Khoa Phản biện: PGS.
Phạm Trung Kiên NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Phan Đình Tuấn 2. Lê Minh Viễn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký i TÓM TẮT LUẬN ÁN Titan và các hợp chất titan đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Việt Nam đang xuất khẩu titan dưới dạng xỉ titan với giá thành thấp. Để nâng cao giá trị của xỉ titan Việt Nam, nguồn nguyên liệu này cần được chế biến thành TiO2 với độ tinh sạch cao hay titan kim loại.
Để thực hiện mục đích này, TiO2 trong xỉ titan trước hết cần được chuyển hóa thành chất trung gian TiCl4 – một dạng sản phẩm có thể được tinh chế để đạt độ tinh sạch cao. Luận án này trình bày kết quả nghiên cứu chuyển hóa TiO2 trong xỉ titan thành TiCl4 theo công nghệ clo hóa và tinh chế TiCl4 thu được. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng và áp suất riêng phần của Cl 2 lên động học phản ứng cacbon-clo hóa xỉ titan đã được khảo sát và mô hình hóa. Kết quả chỉ ra rằng độ chuyển hóa của TiO 2 đạt cao nhất khi phản ứng cacbon-clo hóa được thực hiện ở 950 °C, áp suất riêng phần Cl 2 bằng 0,3 at.
Phương pháp chưng cất để tinh chế TiCl4 cũng đã được nghiên cứu, cải tiến, và thiết bị chưng cất cũng đã được mô hình hóa. Theo đó, quy trình tinh chế 2 bước để thu được sản phẩm TiCl4 đạt chất lượng làm nguyên liệu sản xuất bột màu TiO 2 đã được vạch ra: (1) chưng cất đơn giản lần 1; và (2) chưng cất lần 2 có kết hợp tiền xử lý hóa học. Các thông số công nghệ xác định được từ thí nghiệm đã được áp dụng để vận hành thiết bị quy mô pilot. Sản xuất thành công TiCl 4 với độ tinh sạch cao từ xỉ titan Việt Nam trên quy mô pilot mở ra triển vọng nâng cao giá trị của xỉ titan Việt Nam trên quy mô công nghiệp.
ii ABSTRACT Titanium and its compounds are essential in a wide range of industrial applications. Vietnam has exported low-grade titania slag, which has a low economic value. To increase the value of Vietnam's titania slag, this material must be processed into high- grade titanium dioxide and titanium metal. To do this, the titanium dioxide in the titania slag must first be converted to titanium tetrachloride, an intermediate compound with high purification capabilities.
This thesis presents the results of both titania slag conversion by carbochlorination and titanium tetrachloride purification. The effects of temperature and partial pressure of chlorine on carbochlorination were investigated and modeled. The highest titanium dioxide conversion was found to occur at a temperature of 950 °C and an input partial pressure of chlorine of 0,3 at. The application of distillation for titanium tetrachloride purification was also studied and modified.
The results show that a titanium tetrachloride product of sufficient quality for titanium dioxide pigment production can be obtained through a two-stage purification process: (1) simple distillation, followed by (2) combined distillation and chemical treatment. The parameters obtained from experiments were applied to the operation of pilot-scale systems. The successful production of high-grade titanium tetrachloride from Vietnamese titania slag in a pilot plant demonstrates the potential for improving the value of Vietnamese titania slag on an industrial scale. iii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành nhờ sự hỗ trợ kinh phí và các thiết bị thử nghiệm từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp Quốc gia KC 02.
Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, tôi nhận được nhiều sự hỗ trợ từ Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Hóa học và Bộ môn Hóa vô cơ. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô, các anh chị về những sự giúp đỡ quý báu đó. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy GS.
Phan Đình Tuấn đã định hướng và hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho em. Em cũng xin cảm ơn Thầy PGS. Lê Minh Viễn, người đã động viên và tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành được chương trình học và luận án này. Tại đây, tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn khích lệ, hỗ trợ để tôi vượt qua những thời điểm khó khăn và có đủ kiên trì để học tập và hoàn thành công trình này.
Xin chân thành cảm ơn. iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xiii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CLO HÓA NGUYÊN LIỆU TITAN Ứng dụng của titan và hợp chất titan .1 Công nghệ chế biến nguyên liệu titan.
1 Phương pháp cacbon-clo hóa nguyên liệu titan .1 Cơ sở khoa học phản ứng cacbon-clo hóa TiO2 .2 Cơ chế phản ứng cacbon-clo hóa TiO2 .3 Động học phản ứng cacbon-clo hóa TiO2 .4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cacbon-clo hóa nguyên liệu titan .15 Kỹ thuật tinh chế TiCl4 .1 Yêu cầu chất lượng nguyên liệu titan cho quá trình cacbon-clo hóa .2 Tiền xử lý nguyên liệu nghèo titan .3 Các phương pháp tinh chế TiCl4. 21 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài .23 Những đóng góp từ nghiên cứu của Luận án .24 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ KỸ THUẬT THỰC HIỆN Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị .1 Các thiết bị quy mô phòng thí nghiệm .2 Hệ thống thiết bị quy mô pilot .30 Chuẩn bị viên nguyên liệu .35 Các phương pháp phân tích .37 Phương pháp nghiên cứu .38 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÁC MÔ TẢ TOÁN HỌC .41 Mô hình hóa phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu .2 Các giả thuyết về tính chất hóa lý .3 Giả thuyết về cơ chế phản ứng cacbon-clo viên nguyên liệu .4 Xây dựng mô hình phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu .5 Phương pháp giải.49 Mô hình hóa thiết bị chưng cất TiCl4 quy mô pilot .1 Mục tiêu xây dựng mô hình .2 Các giả thuyết đặt ra để xây dựng mô tả toán học cho thiết bị chưng cất 51 3.3 Thiết lập mô hình .4 Giải mô hình theo phương pháp số .56 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Nghiên cứu chế tạo viên nguyên liệu .1 Đánh giá tính chất nguyên liệu và viên nguyên liệu .2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng than cốc : xỉ titan và đường kính viên nguyên liệu đến độ chuyển hóa TiO2 .3 Tính chất phần rắn sau phản ứng. 68 Nghiên cứu động học phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu .1 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .2 Ảnh hưởng của áp suất riêng phần Cl2 đầu vào .3 Thiết lập mô hình độ chuyển hóa TiO2 .4 Cacbon-clo hóa các viên nguyên liệu trên thiết bị quy mô pilot .85 Nghiên cứu kỹ thuật tinh chế TiCl4 .1 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành tháp chưng .2 Nghiên cứu cải tiến phương pháp chưng cất để tinh chế TiCl4 .3 Tinh chế TiCl4 trên quy mô pilot .96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Thiết bị cacbon-clo hóa quy mô pilot. Thiết bị chưng cất quy mô pilot. Phân bố kích thước bột đồng dùng cho quá trình tiền xử lý TiCl4. Các mô hình hạt cầu co rút .112 vi Phụ lục 5.
Giải thuật cho mô hình phản ứng cacbon-clo hóa viên nguyên liệu. Chương trình MATLAB giải mô hình thiết bị chưng cất quy mô pilot. Một số thông số dùng để giải mô hình thiết bị chưng cất quy mô pilot. Một số tính chất hóa lý của than cốc.
Tính chất các mẫu viên nguyên liệu. Dữ liệu thống kê kết quả đánh giá tính đồng nhất của nguyên liệu. Các hằng số thu được khi hồi quy kết quả thực nghiệm theo mô hình phản ứng cacbon-clo hóa dạng vi phân. Thông số động học phản ứng cacbon-clo hóa theo mô hình hạt cầu co rút.
Kết quả hồi quy theo mô hình SCM với cơ chế khuếch tán và phản ứng khống chế tốc độ phản ứng. Các hệ số đặc trưng của phản ứng cacbon-clo hóa theo từng điều kiện thí nghiệm. Thành phần một số nguyên tố trong TiCl4 thô .125 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ chế biến titan .2 Giản đồ pha hệ Ti–O–C .3 Cấu trúc khối rắn xốp theo mô hình hạt .4 Nhiệt độ sôi của một số muối clorua ở áp suất khí quyển.1 Cấu tạo thiết bị cacbon-clo hóa PTN .2 Thiết bị chưng cất TiCl4 quy mô PTN.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị cacbon-clo hóa quy mô pilot .4 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất TiCl4 quy mô pilot .5 Sơ đồ quy trình tạo viên nguyên liệu.6 Hỗn hợp nguyên liệu (a) sau khi phối trộn, tạo ẩm và (b) được định hình .7 Viên nguyên liệu (a) sau khi sấy và (b) sau khi xử lý nhiệt .8 Quy trình nghiên cứu .1 Cấu trúc mặt cắt ngang của viên nguyên liệu .2 Mô hình (a) thiết bị chưng cất và (b) phân lớp cột ngưng tụ hoàn lưu .1 Kết quả đo BET về (a) hấp phụnhả hấp đẳng nhiệt và (b) phân bố kích thước mao quản của xỉ titan và than cốc .2 Đặc tính (a) phân bố kích thước hạt và cấu trúc SEM của (b) than cốc, (c) Xỉ titan, và (d) vật chất trong viên nguyên liệu sau khi sấy .3 Đường cong nhiệt trọng lượng (TG) và nhiệt lượng quét vi sai (DSC) của (a) tinh bột mì, (b) than cốc, (c) xỉ titan và (d) vật liệu trong viên nguyên liệu .4 Phổ (a) XRD và (b) EDX của viên nguyên liệu .5 Đặc tính (a) phân bố kích thước lỗ xốp và (b) hình SEM của vật liệu trong viên nguyên liệu.6 Ảnh hưởng của a) tỉ lệ khối lượng than cốc : xỉ titan và b) đường kính viên nguyên liệu đến độ chuyển hóa của TiO2 .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" nghiên cứu về vấn đề gì?
Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam nhằm tối ưu quy trình, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa. Năm bảo vệ: 2023.
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật hóa học. Danh mục: Hóa Học.
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" có 176 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu công nghệ clo hóa sản xuất TiCl4 từ xỉ titan Việt Nam" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.