Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp thế giới nói chung và nước ta nói riêng, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản, trong số đó có axit photphoric.Axit photphoric là một hóa chất thương mại rất quan trọng, được sản xuất với sản lượng lớn, mức độ tiêu thụ axit photphoric do vậy được coi như một chỉ số kinh tế quan trọng để đánh giá sức mạnh công nghiệp của một quốc gia, đặc biệt là các nước đang phát triển. Công nghệ sản xuất axit photphoric vì thế cũng luôn được quan tâm và không ngừng được cải tiến, hiện đại hóa để tăng năng suất và giảm ô nhiễm môi trường. Axit photphoric dùng trong kỹ thuật không đòi hỏi cao về nồng độ, thông thường nồng độ cao nhất khoảng 85% là nồng độ cần thiết và được sử dụng rộng khắp trong các ngành như nông nghiệp, hóa chất thí nghiệm, thực phẩm. Đồ án công nghệ là môn học mang tính tổng hợp lại kiến thức của môn học Quá trình thiết bị cũng như nhiều môn học có liên quan. Qua việc tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu thiết bị, để có một quy trình phù hợp với yêu cầu sản xuất, đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật và giá thành thiết bị phù hợp trong sản xuất để giúp sinh viên củng cố kĩ năng trước khi tiếp xúc trực tiếp với máy móc trong các nhà máy.Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Hải, cùng các quý thầy cô Khoa Hóa học Công nghệ thực phẩm, đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án. Tuy nhiên, trong quá trình làm bài không thể không có sai xót, chúng em rất mong quý thầy cô góp ý, chỉ dẫn để đồ án được hoàn thiện và chính xác hơn.
Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu → MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Một ngành có đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp giới nói chung nước ta nói riêng, ngành cơng nghiệp hóa học Đặc biệt ngành hóa chất bản, số có axit photphoric Axit photphoric hóa chất thương mại quan trọng, sản xuất với sản lượng lớn, mức độ tiêu thụ axit photphoric coi số kinh tế quan trọng để đánh giá sức mạnh công nghiệp quốc gia, đặc biệt nước phát triển Công nghệ sản xuất axit photphoric ln quan tâm không ngừng cải tiến, đại hóa để tăng suất giảm nhiễm mơi trường Axit photphoric dùng kỹ thuật khơng địi hỏi cao nồng độ, thông thường nồng độ cao khoảng 85% nồng độ cần thiết sử dụng rộng khắp ngành nơng nghiệp, hóa chất thí nghiệm, thực phẩm Đồ án cơng nghệ mơn học mang tính tổng hợp lại kiến thức mơn học Q trình thiết bị nhiều mơn học có liên quan Qua việc tính tốn cụ thể yêu cầu công nghệ, kết cấu thiết bị, để có quy trình phù hợp với u cầu sản xuất, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật giá thành thiết bị phù hợp sản xuất để giúp sinh viên củng cố kĩ trước tiếp xúc trực tiếp với máy móc nhà máy Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Hải, q thầy Khoa Hóa học & Cơng nghệ thực phẩm, hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trình làm đồ án Tuy nhiên, trình làm khơng thể khơng có sai xót, chúng em mong q thầy góp ý, dẫn để đồ án hồn thiện xác Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I.1 Cơ sở lý thuyết trình I.1.1 Nguyên liệu tổng hợp H3PO4 Nguyên liệu để sản xuất axit photphoric photpho I.1.2 Tính chất hóa lý Photpho chất rắn tồn nhiều dạng thù hình Photpho trắng có d=1,84 g/cm2 thu làm lạnh nhanh photpho, chất rắn suốt tinh khiết, thường có màu vàng nhạt lẫn tạp chất Photpho trắng có mạng lưới phân tử, nút lưới P liên kết với lực Van der Walls Liên kết nguyên tử P P4 bền nên photpho trắng hoạt động hoá học mạnh Photpho trắng không tan nước, tan CS 2, benzene Photpho trắng độc gây bỏng da nặng khó chữa Photpho trắng bị oxy hố khơng khí nhiệt độ thường phát quang bóng tối Khi cọ xát nhẹ đun nóng nhẹ photpho trắng cháy toả nhiều nhiệt, phải giữ photpho trắng nước Khi chiếu sáng đun nóng khơng có khơng khí 250-300 0C, photpho trắng chuyển thành photpho đỏ Photpho đỏ có khối lượng riêng biến đổi từ đến 2,4 g/cm3 Photpho đỏ gồm số dạng thù hình polymer khơng tan nước CS2 Photpho đỏ hoạt động hoá học photpho trắng Khi đun nóng mạnh photpho đỏ bay hơi, ngưng tụ thu photpho trắng Khi đun nóng 200-2200C áp suất cao, photpho trắng biến thành photpho đen có dạng giống graphit, có khối lượng riêng 2,7 g/cm I.1.3 Trạng thái tự nhiên - Điều chế ứng dụng I.1.3.1 Trạng thái tự nhiên Trong tự nhiên photpho tồn chủ yếu dạng muối canxi photpho như: Quặng photphorit Ca3(PO4)2, quặng apatit 3Ca3(PO4) CaF2 hay 3Ca3(PO4)2 CaCl2 Ở Lào Cai có mỏ apatit với trữ lượng lớn Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Photpho tồn thể động vật Xương có hợp chất 3Ca 3(PO4)2 Ca(OH)2 3Ca3(PO4)2 CaCO3 H2O Axit nucleic chất polymer hữu phức tạp có chứa gốc photphat Photpho có sữa, máu, tế bào thần kinh, óc I.1.3.2 Điều chế Trong công nghiệp: Photpho sản xuất cách nung hỗn hợp quặng photphorit (hoặc apatit) với cát than cốc 12000C lò điện Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C 3CaSiO3 + 2P + 5CO Hơi photpho thoát ngưng tụ làm lạnh, thu photpho trắng dạng rắn I.1.3.3 Ứng dụng Dùng để sản xuất axit photphoric, sản xuất diêm hay dùng công nghiệp luyện kim… I.2 Tổng quan H3PO4 Axit photphoric, hay axit orthophotphoric axit trung bình có cơng thức hóa học H3PO4 I.2.1 Tính chất vật lý Axit photphoric chất rắn kết tinh, không màu, không mùi, hút ẩm Hịa tan vơ hạn etanol nước (với tỉ lệ nào), có khuynh hướng chậm đơng trạng thái lỏng, phân hủy đun nóng vừa phải Trong cấu trúc tinh thể gồm có nhóm tứ diện PO 4, liên kết với liên kết hydro Cấu trúc cịn giữ lại dung dịch đậm đặc axit nước làm cho dung dịch sánh giống nước đường Axit photphoric tan nước giải thích tạo thành liên kết hydro phân tử H 3PO4 phân tử H2O Khi đun nóng dần đến 2600C, axit photphoric dần nước biến thành axit điphotphoric (H4P2O7), 3000C biến thành axit metaphotphoric (HPO3) Thị trường H3PO4 có nồng độ 85-90%, có khối lượng riêng 1,7-1,75g/cm 3, dung dịch sánh đặc rót từ lọ Nếu nồng độ cao độ nhớt tăng lên lấy cách dễ dàng Các thông số axit photphoric: Khối lượng phân tử: 98 g/mol Khối lượng riêng: 1,87 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: 42,350C Nhiệt độ sơi: 1580C Nhiệt độ phân hủy: 2130C Độ nhớt: 2,4-9,4 cP (85% đậm đặc) 147 cP (100%) I.2.2 Tính chất hố học Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Axit photphoric axit nấc, độ mạnh trung bình 250C: H3PO4 ↔ H2PO4- k1 = 7,6.10-3 H2PO4- ↔ H2PO42- k2 = 6,2.10-8 H2PO42- ↔ PO43- k3 = 4,4.10-13 Hình thành loại muối: Muối bậc (MH2PO4), muối bậc (M2HPO4), muối bậc (M3PO4) (hay cịn gọi muối trung hồ) với M kim loại hố trị I I.2.2.1 Tính axit Làm đổi màu chất thị, tác dụng với bazơ, với oxit bazơ, với muối, với kim loại Tác dụng với kiềm tuỳ theo tỉ lệ số mol axit dung dịch kiềm mà ta thu muối khác nhau: M: Na, K H3PO4 + MOH(L) MH2PO4 + H2O H3PO4 + 2MOH(L) M2HPO4 + 2H2O H3PO4 + 3MOH(D) M3PO4 + 3H2O H3PO4 + NH3.H2O(L) NH4(H2PO4) + H2O H3PO4 + 2NH3.H2O(L) (NH4)2HPO4 + 2H2O T= - T tạo MH2PO4 - T = tạo M2HPO4 - T tạo M3PO4 - < T < tạo MH2PO4 M2HPO4 - < T < tạo M2HPO4 M3PO4 Tác dụng với kim loại: 2H3PO4(L) + 3Mg Mg3(PO4)2 + 3H2 3H3PO4(L) + 4Fe FeHPO4 + Fe3(PO4)2 + 3H2 Tác dụng với muối: H3PO4(L) + 3AgNO3 Ag3PO4 + 3HNO3 H3PO4(L) + 3NaNO3 NaPO3 + HNO3 + H2O (3300C) Tác dụng với oxit bazơ: H3PO4(L) + 12MO3 H3(PM12O40)dd Ngồi cịn số phản ứng: H3PO4 + HClO4 P(OH)4+ + ClO4H3PO4 + H2SO4 P(OH)4+ + HSO48H3PO4(d) + P4O10 6H4P2O7 (80-1000C) I.2.2.2 Tính oxy hố khử Khó bị khử nhiệt độ thường ( Fd = 0,48 (m2) Khối lượng nắp: Với: Fn: Diện tích nắp tháp Flk: Diện tích lỗ nắp nối ống dẫn khí o Khối lượng đệm: ρđệm = 570kg/m3 Mđệm = Hđệm.(π/4).D2 ρđệm= 1,8.( π/4).0,62.570= 289,95 kg o Khối lượng lưới đỡ đệm: o Khối lượng chất lỏng Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 37 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Mlỏng = ρ (π/4).D2.H ρ: Khối riêng lượng chất lỏng D: Đường kính tháp H: Chiều cao tháp nước chiếm hết Mlỏng = ρ (π/4).D2.H = 997.0,785.0,62.3,8 = 1070,66 kg o Khối lượng ống hơi: moh = п dh hh δh.n.ntt ρx28 Chọn moh= 150 (kg) o Khối lượng đĩa phân phối lỏng: Dd = 350mm Số ống dẫn: 37 D = 25mm đường kính ống dẫn lỏng T = 48 Vậy o Khối lượng bích nối ống dẫn: Vậy tổng khối lượng tháp là: M = mb + mthân + mđáy+ nắp + mlỏng+ mống + mđệm+mluới+mdĩa+mbn = 2011,7(kg) Trọng lượng toàn tháp là: P = M.9,81 = 19734,777 ( N) = 1,973.104 N Chọn tháp có chân đỡ tai treo Tải trọng lên chân đỡ: G = 1,908.104/4=0,4933.104 N Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 38 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Chọn tải trọng đặt lên chân đỡ G = 0,5.104(N)> 0,493.104 (N) Theo (XIII.35 trang 437 [2]) ta có kích thước chân đỡ: G.10-4 F.104 q.10-6 N m2 N/m2 L B Mm 0,5 172 0,29 160 110 135 B1 B2 H 24 14 195 h s l 10 55 d Theo (XIII.36, trang 438[2]) ta có kích thước tai treo : G.10- F.104 m2 N 0,5 72,5 q.10- L B B1 H s l a D Mm N/m2 0,69 100 75 m kg 85 Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm 155 Trang 39 40 15 18 1,23 Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Trang 40 Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CHƯƠNG V : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ V.1 Tính tốn bơm Chọn bơm ly tâm để vận chuyển chất lỏng vào tháp bơm li tâm sử dụng rộng rãi cấu tạo đơn giản gọn nhẹ, dễ vận hành, suất lớn, áp suất tương đối nhỏ Áp suất toàn phần bơm tạo V.1.1 Chọn đường kính ống dẫn d = 80 (mm) Tốc độ lưu thể trung bình ống Ta có cơng thức : , Trong : F = 96591,65 kg/h : Lượng hỗn hợp đầu (kg/s) d: Đường kính ống (m) : Khối lượng riêng dung dịch đầu (kg/m3) Khối lượng riêng trung bình nước ban đầu : Vậy : Áp suất toàn phần bơm tạo theo cơng thức : Trong : H : Áp suất tồn phần bơm tạo ra, tính mét cột chất lỏng bơm Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 41 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Áp suất dư mặc chất lỏng không gian đẩy hút (N/m2) Khối lượng riêng chất lỏng cần bơm (kh/m3) g : Gia tốc trọng trường (m/s2) Vì thùng cao vị thùng chứa hổn hợp đầu hở nên: H0 : Chiều cao chất lỏng (m) hm : Áp suất tiêu tốn để thắng toàn trở lực đường ống hút đẩy (kể trở lực cục bộ, chất lỏng khỏi ống đẩy) (m) >> Xác định hm : Trong đó: Với: Áp suất cần thiết để đẩy chất lỏng khỏi ống dẫn (N/m2) Áp suất để khắc phục dòng trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định ống thẳng (N/m2) Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục (N/m2) Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị (N/m 2) Áp suất bổ sung ổ cuối đường ống trường hợp cần thiết (N/m 2) Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 42 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Tính Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu theo công thức : Tính Với : L: Chiều dài ống dẫn, chọn L = 25 (m) dtd: Đường kính ống dẫn (m) Với: Bề dày ống dẫn (m) Hệ số trở lực ma sát tính theo cơng thức: Trong : Độ nhám tương đối : Độ nhám tuyệt đối Chọn Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 43 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Với : Độ nhớt hỗn hợp dung dịch nhiệt độ ban đầu (do thành phần nước chiếm 98,8% hỗn hợp) Ta có : Vậy Vậy >> Tính Hệ số trở lực toàn đoạn ống gồm: Theo: (phụ lục 3-4,trang 236, [7]) van = 5; trục khuyển 900 = 2; trục khuyển 450 = 0,6 vào ống = 0,5 (do cửa có sắc cạnh) ống = 1,1 Vậy Thay số tính Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 44 Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Vậy ta có tổng trở lực Nên Ta có: Mà ta có: Nên: hm: Tồn áp từ bồn chứa đến tháp Vậy chiều cao chất lỏng: Ta áp suất toàn phần bơm tạo : H = H0 + hm = 26,12+13,37 = 40,94 (m) Cơng thức tính cơng suất bơm V.1.2 Trong đó: Q: Lưu lượng dòng lỏng (m3/s) Q = 1500 m3/h = 0,4166 m3/s H = 40,94 mH2O : Khối lượng riêng nước (kg/m3) : Hiệu suất bơm: Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm Trang 45 Chuyên Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu (Tr153[8]) Với : Hiệu suất thể tích : Hiệu suất thủy lực : Hiệu suất khí Theo bảng ([1]-bảng I.32, trang 439) Vậy Từ đó, ta có: Ntt= Với hệ số an tồn công suất Theo [7, bảng 1-1,6] ta chọn = 1.4 Vậy công suất thực bơm : Nthực= 1,4.2,13=2,98 (kW) Chọn Nthực=3 kW Công suất động điện : Trog đó: N: Cơng suất bơm (kW) : Hiệu suất truyền động =1 Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm Trang 46 Chun Ngành Hóa Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu : Hiệu suất động điện =0,8 (thường chọn tính tốn) Vậy: Chọn Ở TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả, “số tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 1”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1999,447tr [2] Tập thể tác giả, “số tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 2”, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1999,626tr [3] Hồ Lê Viên, “Thiết kế tính tốn thiết bị hóa chất” , nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1978,286Tr [4] Nguyễn Minh Tuyển,”cơ sở tính tốn máy thiết bị hóa chất - thực phẩm”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật,Hà Nội, 1984,134Tr [5] Trần Hữu Quế , “ Vẽ kỹ thuật khí-tập 1”, Nhà xuất Đại học giáo dục chuyên nghi ệp, 1991,160Tr [6] Thế Nghĩa, “Kỹ thuật an tồn sản xuất sử dụng hóa chất”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2000,299Tr [7] Trương Tích Thiện – Vũ Duy Cường, “Giáo trình kỹ thuật”, ĐHBKTP.HCM [8] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lụa – Hoàng Minh Nam - Vũ Bá Minh giáo trình “Q trình & Thiết bị Cơng nghệ hóa chất – Tập – Quyển 2”, NXB ĐHQGTP.HCM Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm Trang 47 Chuyên Ngành Hóa Dầu ... rắn I.1.3.3 Ứng dụng Dùng để sản xuất axit photphoric, sản xuất diêm hay dùng công nghiệp luyện kim… I.2 Tổng quan H3PO4 Axit photphoric, hay axit orthophotphoric axit trung bình có cơng thức... phẩm, sản xuất sản phẩm gốc photphat, I.3 Các quy trình cơng nghệ điển hình I.3.1 Quy trình sản xuất axit photphoric phương pháp nhiệt luyện Phương pháp nhiệt điện để diều chế axit photphoric dựa... Dầu Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Axit Photphoric thực phẩm: Dùng sản xuất phân bón, xử lý nước, xử lý bề mặt kim loại, hương vị nước ngọt, sản xuất dược phẩm, sản xuất