thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH4NO3

thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH4NO3

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Amoni Nitrat (NH4NO3) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó trong nông nghiệp cũng như quốc phòng Trong quá trình sản xuất NH4NO3, quá trình cô đặc thường được

sử dụng để thu được dung dịch NH4NO3 có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ

Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH4NO3

Cấu trúc của tập đồ án này, gồm có các phần:

 Mục lục

 Lời nói đầu

 Chương 2: Tổng quan về cô đặc

 Chương 3: Tính toán công nghệ

 Chương 4: Tính toán cơ khí

 Kết luận

Đối với sinh viên ngành Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Dầu khí, việc

thực hiện đồ án tính toán thiết kế là hết sức quan trọng Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên

ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về máy và các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán chi tiết một hệ thống thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể

Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Đình Tiến đã hướng dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án chuyên ngành này Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến

các thầy cô khác trong bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Dầu khí cũng

như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ

án Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đồ án, em mong nhận được những góp ý từ thầy và các bạn để hoàn thiện

đồ án này

Hà Nội, Ngày 9/2/2015

Chương 1: Tổng quan về NH 4 NO 3

1.1 Giới thiệu chung

Tên khoa học: Ammonium nitrate Tên thường gọi: Amôn nitrat Công thức hóa học: NH4NO3

Hợp chất này lần đầu tiên được tìm thấy là hợp chất tự nhiên ở sa mạc Atacama ở Chile, nhưng hiện nay việc sử dụng chủ yếu thông qua quá trình tổng hợp hữu cơ Chất này thường được dùng trong nông nghiệp làm phân bón và cũng được sử dụng làm chất ôxi hóa trong thuốc nổ, đặc biệt là các thiết bị nổ tự tạo

1.2 Tính chất vật lý cơ bản

 Dạng tồn tại: Tồn tại ở dạng tinh thể rắn hay bột màu trắng, trắng xám

 Phân từ lượng: 80,052 g / mol

 Tỷ trọng: 1,725 g / cm3(20 ° C)

 Điểm nóng chảy: 169,6 ° C (337,3 ° F; 442,8 ° K)

 Điểm sôi: khoảng 210 ° C ( phân hủy)

 Độ hòa tan:

Tan nhanh trong nước ở nhiệt độ cao:

 118 g / 100 ml (0 ° C)

 150 g / 100 ml (20 ° C)

 410 g / 100 ml (60 ° C)

 1024 g / 100 ml (100 ° C) Tan ít trong etanol

Khi tan hấp thụ nhiều nhiệt

 Độ hút ẩm cao:

Khả năng hút ẩm cao nên dễ vón cục, Để giảm vón cục, người ta trộn NH4NO3 với một lượng nhỏ một số thuốc nhuộm hay muối sắt của một axit béo hoặc rắc bột của một số muối vô cơ lên hạt

NH4NO3.

 Dễ phân hủy ở nhiệt độ khác nhau:

- Ở 110 °C

NH4NO3 → NH3 + HNO3 ─ 174.6Kj

- Tại 185 ~ 200 °C:

NH4NO3→ N2O 2 + 2H2O 36,8 kJ

- Trên 230 °C xuất hiện ánh sáng yếu:

2NH4NO3 → 2N2 + O2+ 4H2O 119,3 kJ,

- Trên 400 °C xảy ra vụ nổ:

4 NH4NO3 → 3N2 + 2NO2 + 8H2O 123,5 kJ

1.3 Tính chất độc hại

 Nguyên nhân: Tiếp xúc, hít hoặc nuốt nhầm

 Tác hại lâu dài:

 Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu hiện tượng tím tái và hôn mê

 Có thể gây hại cho sức khỏe sinh sản

 Có thể là nguyên nhân gây ung thư

 Tác hại khác:

 Tiếp xúc da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tấy đỏ, ngứa, đau nhức

 Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt

 Hít nhầm: gây hại cho hệ hô hấp khi hít phải: ho, thở gấp

 Nuốt nhầm: có thể gây ngộ độc nghiêm trọng

 Tiếp xúc với da: Cởi bỏ quần áo bị ô nhiễm, rửa sạch với nhiều nước

 Tiếp xúc mắt: Trương mí mắt, rửa nước thường hoặc nước muối, đưa đến cơ sở y tế gần nhất

 Hít phải: nhanh chóng rời hiện trường đến khu vực không khí trong lành Nếu thở khó khăn, cung cấp oxygen Nếu không thể thở tiến hành hô hấp nhân tạo, đưa đến cơ sở y tế gần

nhất

1.4 Triệu chứng khi ngộ độc NH4NO3

Viêm dạ dày, đau bụng, buồn nôn và nôn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng mặt, mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, mất tập trung, tăng nhịp tim, tụt huyết áp, khó thở, và thậm chí có thể gây viêm thận…

1.5 Tính chất cháy nổ

 Cháy:

 Dễ cháy, dễ bắt lửa khi tiếp xúc các chất hữu cơ

 Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa

 Nổ:

 Là hợp chất phổ biến nhất để gây nổ

 Dễ gây nổ với các bột kim loại mịn và các hydrocacbon

 Đặc biệt tang tính nổ khi kết hợp với bột nhôm hoặc oxit

nhôm

1.6 Ứng dụng

 NH4NO3 là một trong những hợp chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi

và phổ biến nhất trong nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới đặc biệt là trong nông nghiệp và trong nghành công nghiệp quốc phòng

 Một số ứng dụng:

 Sản xuất phân bón:

- Với hàm lượng N chiếm khoảng 34%, và giá thành sản xuất công nghiệp rẻ, đây là một trong những hợp chất hữu cơ được sử dụng nhiều nhất để sản xuất phân bón

- Phân amoni nitrat có tính chua, tuy nhiên đây là loại phân bón quý vì chứa cả 2 gốc NH4+ và NO3-,

có thể sử dụng để bón cho nhiều loại đất với nhiều loại cây trồng khác nhau, đặc biệt là các loại cây trồng cạn như : bắp, bông, ngô, mía,…

- Lưu ý: đây là loại phân dể tan trong nước, dễ vón cục, khó bảo quản và khó sử dụng

 Công nghiệp thuốc nổ:

 Được sử dụng rộng rải trong quân sự để tạo các hợp chất nổ khi kết hợp với hydro

 Ngoài ra còn sử dụng NH4NO3 để chế tạo các bom nổ tức thì

 Ứng dụng sản xuất hợp chất ANFO:

ANFO là hợp chất nổ chứa 94% amoni nitrat ("AN")

và 6% dầu nhiên liệu ("FO") được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn công nghiệp khai khoáng, được sử dụng trong các nghành công nghiệp khai thác than, đá, các mỏ quặng, và xây dựng dân dụng

 Nitrat amoni được ứng dụng trong việc xử lý các quặng titanium

 Nitrat amoni được sử dụng trong việc việc điều chế chất ôxít nitơ (N2O):

NH4NO3(aq) -> N2O(g) + 2H2O(l)

 Nitrat amoni có thể được sử dụng để điều chế amoniac khan, một hóa chất thường được sử dụng trong việc sản xuất methamphetamine

 Ngoài ra còn một số ứng dụng khác trong đời sống như được sử dụng trong các túi làm lạnh nhanh,…

1.7 Sản xuất

 Đi từ phản ứng trung hòa HNO 3 và NH 3 :

HNO3(aq) + NH3(g) → NH4NO3(aq)

- Phản ứng này được thực hiện bằng cách sử dụng khí amoniac khan

và axit nitric đậm đặc Phản ứng này xảy ra mãnh liệt và tỏa nhhiệt

- Sau khi dung dịch muối được tạo ra, thường thì có nồng độ khoảng 83%, lượng nước dư được làm khô đến mức nitrat amoni có nồng độ

95 - 99,9% (nitrat amoni chảy)

 Đi từ phản ứng trao đổi:

(NH4) 2 SO4 + 2 NaNO3 → 2 NH4NO3 + Na2SO 4 (NH4) 2 SO4 + Ca (NO3) 2 → 2 NH4NO3 + CaSO4

- Sodium sulfate được loại bỏ bằng cách hạ thấp nhiệt độ của hỗn hợp.Vì sodium sulfate ít tan trong nước hơn ammonium nitrate nên

sẽ kết tủa, và có thể tiến hành lọc ra

- Đối với các phản ứng với canxi nitrat , các sulfat canxi tạo ra không hòa tan trong nước ngay cả ở nhiệt độ phòng Nên dễ dàng thu được amoni nitrat

1.8 Quy mô và nhu cầu NH4NO3

 Amoni nitrat lần đầu tiên được dùng làm phân bón ở châu Âu sau Chiến tranh Thế giới Lần thứ Nhất do một lượng lớn tồn dư không được dùng làm thuốc nổ Vì dễ nổ nên ở Đức amôni nitrat thường được trộn với bột đá vôi, thạch cao hoặc amôni sunfat Ở Mỹ, amôni nitrat được dùng lần đầu vào năm 1926 với nguồn nhập từ Đức Sau

đó được sản xuất ở trong nước dưới dạng rắn và dung dịch, sản lượng tăng mạnh từ 383.000 tấn năm 1943 lên 7,3 triệu tấn năm

1980 Năm 1994 lượng amôni nitrat chiếm 5,3% trong số 12,6 triệu tấn đạm tiêu thụ ở Mỹ

 Hiện nay mỗi năm sản lượng phân amoni nitrat chiếm 11% lượng phân đạm sản xuất trên thế giới

 Hiện nay nhu cầu sử dụng nguyên liệu amoni nitrat ( chiếm 80 – 90

%) để sản xuất các hợp chất nổ an toàn là rất lớn trên thế giới, đặc biệt là hợp chất nổ ANFO

 Ở Việt Nam nhu cầu sử dụng amoni nitrat là rất lớn khoảng 100.000 tấn/ năm, và dự báo tăng nhanh lên 150.000 tấn/ năm, nhưng tính đến đầu năm 2015 thì Việt Nam chủ yếu là nhập khẩu từ nước ngoài, đặc biệt là Trung Quốc

 Hiện nay Việt Nam đã có nhà máy sản xuất amoni nitrat đầu tiên tại Thái Bình với công suất 200.000 tấn/ năm, bắt đầu sản xuất từ tháng 1/ 2015 Đảm bảo nhu cầu trong nước và tiến tới thâm nhập thị trường xuất khẩu ASEAN

1.9 Những văn bản pháp luật quan trọng liên quan đến Amoni Nitrat (NH4NO3 )

 Hiện nay theo luật pháp Việt Nam, Amoni Nitrat đang được quản lý theo 2 lĩnh vực: Vật liệu nổ công nghiệp và Hóa chất

 Trong lĩnh vực Vật liệu nổ công nghiệp thì Amoni Nitrat đang chịu

sự điều chỉnh của Pháp lệnh số 16/2011/UBTVQH12 của ngày 30 tháng 6 năm 2011 Theo quy định tại Nghị định số 39/2009/NĐ-CP

về vật liệu nổ công nghiệp thì Amoni Nitrat là một trong 07 tiền chất thuốc nổ Do đó, việc sản xuất, kinh doanh và nhập khẩu Amoni Nitrat phải tuân thủ những điều kiện nhất định của pháp luật như: Tổ chức kinh doanh tiền chất thuốc nổ là doanh nghiệp được Thủ tướng Chính phủ chấp thuận theo đề nghị của Bộ Công Thương, Bộ Công

an, Bộ Quốc phòng; phải được cấp Giấy chứng nhận đủ điều kiện sản xuất, kinh doanh, xuất khẩu, nhập khẩu vật liệu nổ công nghiệp, tiền chất thuốc nổ; các điều kiện đối với người quản lý, người lao động cũng rất chặt chẽ…

 Trong lĩnh vực Hóa chất, Amoni Nitrat chịu sự điều chỉnh của Luật Hóa chất năm 2007; Nghị định số 108/2008/NĐ-CP ngày 07 tháng

10 năm 2008 của Chính phủ Theo quy định tại Nghị định số 108/2008/NĐ-CP thì Amoni Nitrat (hàm lượng > 99,5%) nằm trong Danh mục hàng hóa hạn chế kinh doanh Tuy nhiên, sau khi gia nhập

WTO, thực hiện Cam kết quốc tế, Việt Nam đã đưa Amoni Nitrat ra khỏi Danh mục hàng hóa hạn chế kinh doanh tại Nghị định số 26/2011/NĐ-CP Như vậy, Amoni Nitrat không nằm trong diện bị cấm nhấp khẩu hay bị áp dụng biện pháp hạn chế số lượng nhập khẩu

 Đồng thời, theo Thông tư số 48/2011/TT-BCT và Thông tư số 08/2012/TT-BCT thì các tổ chức, cá nhân sản xuất, kinh doanh Amoni Nitrat phải thực hiện việc công bố sản phẩm, hàng hóa phù hợp quy chuẩn kỹ thuật; Khi công bố hợp quy, tổ chức, cá nhân sản xuất, kinh doanh, nhập khẩu phải đăng ký bản công bố hợp quy tại

Sở Công Thương tại địa phương nơi tổ chức, cá nhân đó đăng ký hoạt động, sản xuất, kinh doanh

Chương 2: Tổng quan về cô đặc

2.1 Khái niệm chung và mục đích quá trình cô đặc

 Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi, với mục đích:

 Làm tăng nồng độ chất tan

 Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)

 Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)

 Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay nhiều thiết bị cô đặc (nồi) Qúa trình có thể gián đoạn hay lien tục Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ thường có nhiệt độ cao và ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là hơi phụ

 Quá trình cô đặc khác quá trình chưng cất ở chỗ: trong qúa trình chưng cất

cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp Còn cô đặc chỉ cho dung môi bay hơi, còn chất tan không bay hơi

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình cô đặc

2.2.1 Chế độ làm việc

 Cô đặc chân không : Dùng cho các dung dich có nhiệt độ sôi cao, và dung

dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt đọ sôi của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác , cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên ta có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc

 Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển: Thường dung cho các dung

dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

 Cô đặc ở áp suất khí quyển: Thì hơi thứ không được sử dụng mà được

thải ra ngoài không khí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế

 Trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở

áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

2.2.3 Các hệ thống cô đặc:

 Cô đặc một nồi: Thường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng

không có giá trị kinh tế

 Cô đặc nhiều nồi: Là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý

nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Hệ thống này đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hóa chất

 Hệ thống cô đặc nhiều nồi có 3 loại:

 Hệ thống cô đặc xuôi chiều: Hơi và dung dịch đi cùng chiều

- Ưu điểm:

+ Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi, tiết kiệm năng lượng

+ Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi, dung dịch nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi them một lượng nước

- Nhược điểm: Nhiệt độ của dung dịch các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm độ nhớt tăng dẩn đến hệ số truyền nhiệt giảm

 Hệ thống cô đặc ngược chiều: Hơi và dung dịch đi ngược chiều

-Ưu điểm:

+ Nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu, nên ở đây độ nhớt tăng không đáng kể dẩn đến hệ số truyền nhiệt giảm không đáng kể + Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn so với cô đặc xuôi chiều, do đó lượng nước dung làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng

tụ sẽ nhỏ hơn

-Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng cho bơm

 Hệ thống cô đặc song song: Dung dịch đi vào mỗi nồi và sản phẩm

lấy ra đồng thời -Nhận xét:

+ Chỉ áp dụng cho trường hợp yêu cầu về nồng độ của dung dịch không cao lắm

+ Dung dịch cô đặc có kết tinh, vì dễ làm tắc ống khi đi từ nồi này sang nồi kia

2.3 Cấu tạo thiết bị cô đặc

 Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:

 Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch

 Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng

đốt) Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo

 Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý những yêu cầu sau:

 Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa và lắp ghép, các chi tiết phải quy chuẩn hóa, giá thành rẻ

 Đáp ứng yêu cầu kĩ thuật: chế độ làm việc ổn định ít bám cặn, dễ làm sạch,

dễ điều chỉnh và kiểm tra

 Cường độ truyền nhiệt lớn

 Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 4 cách:

 Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loại nghiêng

 Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm

 Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt

 Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức,

2.4 Ưu nhược điểm một số thiết bị cô đặc phổ biến trong công

nghiệp

2.4.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

 Cấu tạo:

 Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống

truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn

 Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào

khoảng trống phía ngoài ống

 Nguyên tắc làm việc:

 Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành

hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và

bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Trong ống tuần

hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt

truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó

lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn,vì vậy khối lượng

riêng của hỗn hợp hơi - lỏng ở đây lớn hơn trong