Nhìn chung, công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc gồm các giai đoạn sau: chuẩn bị nguyên liệu; sản xuất khí SO2, tinh chế khí SO2, oxi hóa có xúc tác SO2 thành SO3,
Trang 1Tóm tắt nội dung đề tài:
“Thiết kế nhà máy sản xuất axit sunfuric
năng suất 240.000 Tấn/năm”.
Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tính chất của axit sunfuric
1.2 Ứng dụng của axit sunfuric.
1.3 Tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại Việt nam và thế giới.
Bảng 1.1 và bảng 1.2 trang 2 “Luận văn…”
1.4 Nguyên liệu sản xuất axit sunfuric.
- Pirit thường, pirit tuyển nổi, pirit lẫn than, lưu huỳnh nguyên tố, thạch cao, khí lò luyện kim màu, khí H2S, khói lò, axit sunfuric thải …
1.5 Các qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric.
1.5.1 Giới thiệu chung.
Nhìn chung, công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc gồm các giai đoạn sau: chuẩn bị nguyên liệu; sản xuất khí SO2, tinh chế khí SO2, oxi hóa có xúc tác SO2 thành SO3, hấp thụ SO3 để tạo ra
H2SO4 (hoặc oleum); hoàn thành sản phẩm
Đối với công nghệ sản xuất H2SO4 theo phương pháp nitrozo nguyên
lí cũng đi từ khí SO2; song để oxi hóa thành SO3 và cho ra sản phẩm
H2SO4, người ta dùng NO2 hay dung dịch axit HNO3
1.5.2 Cơ chế lí hoá trong các qui trình.
1.5.2.1 Đốt nguyên liệu.
- Đốt pirit: phương trình tổng quát sau:
4 FeS + 11O2 →t o 2Fe2O3 + 8SO2 + 3415,7kJ
Trang 2hoặc 3 FeS + 8O2 →t o Fe3O4 + 6SO2 + 2438,2kJ
- Đốt S: vì S có ái lực rất lớn với oxi, nó cháy trong không khí cho ngọn lửa màu xanh rất bền và phát nhiều nhiệt: S + O2 = SO2 + 297 kJ
- Đốt H2S: Phản ứng cháy như sau:
2H2S + O2 = 2H2O + 2S
S + O2 = SO2
- Đốt thạch cao CaSO4 = CaO + SO2 – 489,6 kJ
2CaSO4 + C = 2CaO + 2SO2 + CO2 – 566,2 kJ
1.5.2.2 Làm sạch khí.
Nếu sản xuất H2SO4 từ nguyên liệu S và H2S thì không cần thiết có công đoạn làm sạch khí này Vì khí H2S (thu được từ khí thải) đã rửa cẩn thận nên sau khi đốt, S nguyên chất nên không cần làm sạch khí nữa
1.5.2.3 Quá trình oxi hóa SO 2 thành SO 3
Phản ứng oxi hóa SO2 :
SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q Trong trường hợp xúc tác là oxit kim loại thì SO2 tác dụng với oxi nguyên tử (có trong thành phần xúc tác) nằm ngay trên bề mặt xúc tác Như vậy, phản ứng gồm 4 giai đoạn:
1 Hấp thụ SO2 lên bề mặt xúc tác
2 Oxi hóa SO2 bằng oxi trong các phân tử oxit kim loại (chất xúc tác) nằm ngay trên bề mặt xúc tác
3 Nhả SO3 ra khỏi bề mặt xúc tác
4 Hấp thụ oxi trong pha khí vào chất xúc tác và hoàn nguyên xúc tác
1.5.2.4 Hấp thụ SO 3 và H 2 SO 4 thành oleum.
Đầu tiên SO3 hòa tan vào dung dịch H2SO4, sau đó phản ứng với nước trong đó: nSO3 + H2O = H2SO4 + (n-1)SO3
Trang 3Tùy theo tỉ lệ giữa lượng SO3 và H2O mà nồng độ axit thu được sẽ khác nhau:
Khi n > 1 sản phẩm là oleum
Khi n = 1 sản phẩm là monohidrat (axit sunfuric 100%)
Khi n < 1 sản phẩm là dung dịch axit loãng
1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng.
1.5.3.1 Đốt nguyên liệu lưu huỳnh:
Đối với lưu huỳnh bẩn, tro cặn bám vào các ống truyền nhiệt làm giảm hệ số truyền nhiệt, làm tắt vòi phun
Nồng độ của oxi trong khí lò có ảnh hưởng đến quá trình đốt, hệ số
dư không khí là tỉ số khối lượng oxi không khí và khối lượng oxi cần đốt càng lớn thì nhiệt độ của lò càng cao
1.5.3.2 Làm sạch khí:
Ở điều kiện làm việc bình thường thì hơi nước không ảnh hưởng gì đến xúc tác vanadi nhưng nó có thể gây ngưng tụ hơi axit ở thiết bị truyền nhiệt (công đoạn tiếp xúc) hoặc ở thiết bị làm nguội SO3 và tạo mù axit (công đoạn hấp thụ)… Vì vậy phải sấy khô hỗn hợp khí trước khi đưa sang công đoạn tiếp theo
1.5.3.3 Oxi hóa SO 2 thành SO 3
- Aûnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt phản ứng và hằng số cân bằng oxi hóa SO2
- Aûnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mức chuyển hóa SO2
- Nhiệt độ thích hợp – ứng với mỗi mức chuyển hóa xác định là nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng đạt giá trị cực đại
- Aûnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mức chuyển hóa cân bằng
- Aûnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ phản ứng oxi hóa SO2
- Động học quá trình oxi hóa SO2 trên chất xúc tác vanadi
Trang 4- Aûnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng oxi hóa SO2.
- Aûnh hưởng của hoạt tính một vài chất xúc tác đến tốc độ phản ứng oxi hóa SO2
- Aûnh hưởng của mức chuyển hoá đến lượng xúc tác cần dùng khi oxi hoá SO2
- Aûnh hưởng của mức chuyển hoá đến lượng xúc tác cần dùng khi oxi hoá SO2
- Aûnh hưởng của nồng độ SO2 đến năng suất tháp tiếp xúc
- Aûnh hưởng của chiều dài mao quản đến mức sử dụng bề mặt bên trong của xúc tác
- Aûnh hưởng của đường kính hạt xúc tác đến tiêu hao chung
- Aûnh hưởng của tốc độ khí đến đường kính thích hợp của hạt xúc tác
ở các mức chuyển hoá khác nhau
1.5.3.4 Hấp thụ SO 3 và H 2 SO 4 thành oleum.
- Aûnh hưởng của nồng độ và nhiệt độ axit đến hệ số K0
- Aûnh hưởng của nồng độ và nhiệt độ axit đến hiệu suất, tốc độ hấp thụ SO3
- Cân bằng nước trong hệ thống:
1.5.4 Các qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric:
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc từ quặng pirit: sơ đồ cổ điển có nhiều điểm mâu thuẫn làm cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric trở nên phức tạp (hình 1.6 trang 28 “luận văn …”)
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp xúc tác ướt từ H2S có đặc điểm nồng độ SO2 vào tháp tiếp xúc thường được giữ cao hơn nồng độ thích hợp, nồng độ sản phẩm chỉ đạt 92 – 94% hiệu suất chuyển hóa SO2 thành SO3 chỉ đạt 97 – 98%
Trang 5- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc từ thạch cao: phải tốn thêm nhiệt lượng để tách nước kết tinh (CaSO4.2H2O) và nồng độ SO2 trong khí thu được cũng thấp hơn
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc từ lưu huỳnh (phần này thuyết minh rõ ở mục 3.1.3)
Chương 2 NĂNG SUẤT THIẾT KẾ - ĐỊA ĐIỂM XÂY
DỰNG NHÀ MÁY.
2.1 Năng suất thiết kế
- Năng suất thiết kế: 240.000 tấn /năm
- Tính theo acid sunfuric: 31250 kg/h
- Số ngày làm việc: 320 ngày/năm
2.2 Địa điểm xây dựng nhà máy.
Với năng suất thiết kế 240.000 tấn/năm chọn vị trí thiết kế nằm trong khu công nghiệp Phú Mỹ (Nam Sài Gòn)
Chương 3 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
3.1 Lựa chọn qui trình công nghệ sản xuất.
3.1.1 Lập luận chọn lựa qui trình công nghệ sản xuất.
3.1.2 Biện luận dây chuyền thiết bị
Dây chuyền công nghiệp: Dây chuyền công nghệ sản xuất
H2SO4 đi từ nguyên liệu lưu huỳnh đối với sơ đồ tiếp xúc kép gồm các thiết bị sau:
- Bể nấu chảy lưu huỳnh
- Lò đốt lưu huỳnh
- Tháp sấy không khí
Trang 6- Thiết bị giải nhiệt.
- Tháp chuyển hoá SO2
- Tháp hấp thụ oleum
- Tháp hấp thụ acid
- Tháp tách giọt sau hấp thụ, tách giọt sau sấy
- Tháp xử lý khí
Chọn các thiết bị trong dây chuyền sản xuất
- Bể nấu chảy lưu huỳnh: chia làm 6 ngăn nhỏ có dạng hình chữ nhật, chiều dài mỗi ngăn khoảng 2m và rộng khoảng 1,5m (được cấu tạo bằng thép) bên trong có ống trao đổi nhiệt hơi bão hòa 14atm đi trong ống
- Lò đốt lưu huỳnh: Chọn lò đốt kiểu nằm ngang có cấu tạo bằng thép, hình trụ bên trong có các lớp gạch chịu nhiệt và gạch chịu lửa, đường kính 5 m, chiều dài 15 m
- Tháp chuyển hoá: ta cần chọn loại tháp chuyển hoá tầng xúc tác cố định
- Các tháp hấp thụ: chọn tháp hấp thụ dạng đệm bằng sành chịu tốt môi trường acid
- Các thiết bị còn lại: Tháp sấy khí, Tháp tách giọt, Thiết bị truyền nhiệt
3.1.3 Thuyết minh qui trình công nghệ: (phần này thuyết minh rõ trước
hội đồng)
3.2 Cân bằng vật chất và năng lượng:
Chọn năng suất 240.000 tấn/năm = 31250 kg/h
Thời gian làm việc 24 giờ/ngày, 320 ngày/năm
Khối lượng S thực tế (99,9%S) cần: m S = 15032,8 kg/h
3.2.1 Cân bằng cho bể nấu chảy lưu huỳnh: kết quả bảng 3.1 & 3.2
trang 41,42
Trang 73.2.2 Cân bằng cho lò đốt lưu huỳnh:
Nhiệt độ nguyên liệu lưu huỳnh lỏng vào lò đốt :140 0C
Lượng nguyên liệu lưu huỳnh lỏng vào lò :15032,8 kg/h
Nhiệt độ không khí vào lò : 40 0C
Hàm lượng hỗn hợp khí SO2 trong lò : 12%V
Nhiệt độ cực đại của khí trong lò chọn : 1090 0C
Nhiệt độ cực tiểu của khí trong lò : 999 0C
Nhiệt độ mặt trong tường lò chọn : 996 0C
Nhiệt độ mặt ngoài tường lò chọn : 169 0C
Kết quả bảng 3.3 trang 41 & 3.4 trang 50
3.2.3 Tính tháp tiếp xúc chuyển hóa từ SO 2 thành SO 3
Chọn thiết bị chuyển hóa 5 lớp xúc tác (lớp xúc tác I, II đặt dưới; III,
IV, V đặt trên Sau mỗi lớp I, II làm nguội gián tiếp; sau mỗi lớp III, IV làm nguội trực tiếp (bổ sung không khí nguội vào) Các bảng số liệu tổng hợp gồm bảng 3.20, 3.21, 3.22, 3.23 trang 71 ÷ 72
3.2.4 Tính tháp sấy không khí: xem bảng 3.24 trang 74 & bảng 3.25
trang 76
3.2.5 Tính tháp hấp thụ
- Tháp oleum: bảng 3.26 trang 77 và bảng 3.27 trang 78
- Tháp axit: bảng 3.28 trang 80 và bảng 3.29 trang 81
Chương 4 TÍNH CƠ KHÍ
4.1 Tháp sấy không khí : bảng 4.1 trang 86
4.2 Tháp hấp thụ
4.2.1 Tháp oleum: bảng 4.2 trang 89
Trang 84.2.3 Tháp axit: bảng 4.3 trang 92
4.3 Tháp chuyển hóa SO 2 thành SO 3
4.3.1 Thời gian của quá trình chuyển hóa : Thời gian chuyển hóa tổng
cộng là :
τ = τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5 = 0,301 + 1,037 + 1,415 + 1,046 + 0,994 = 4,793 s
4.3.2 Tính lượng xúc tác các lớp: bảng 4.9 trang 102
4.3.3 Kích thước thiết bị và trở lực lớp tiếp xúc: bảng 4.9 trang 102
4.3.4 Tính toán cơ khí
- Bề dày thân tháp: 20mm
- Tính nắp thiết bị : dày 20mm
- Tính đáy thiết bị : dày 250mm
- Mâm đỡ xúc tác: dày 75mm
- Tính cửa khí vào - ra lớp I,vào – ra lớp II, vào lớp III, ra khỏi lớp V:
- Tính cửa khí vào bổ sung:
- Cửa sửa chữa
4.4 Bề mặt truyền nhiệt :
4.4.1 Bề mặt truyền nhiệt các dòng khí: Bảng 3.10 trang 113
Dòng khí sau lò đốt, sau lớp xúc tác thứ I:
- Dòng khí sau lò đốt vào nồi hơi:
- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ I vào thiết bị đốt hơi quá nhiệt:
Thiết bị truyền nhiệt :
- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ II:
- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ V:
4.4.2 Dàn làm lạnh oleum và axit : Bảng 4.11 trang 117
- Dàn làm lạnh oleum tưới tháp oleum:
- Dàn làm lạnh axit tưới tháp axit:
Trang 9- Dàn làm lạnh axit tưới tháp sấy không khí:
4.5 Các thiết bị phụ:
4.5.1 Quạt gió: Chọn quạt khí có công suất 9 HP, năng suất 25 m3/s
4.5.2 Bơm:
- Bơm lưu huỳnh lỏng: Chọn bơm li tâm có công suất ½ HP
- Bơm axit tưới tháp sấy không khí: Chọn bơm li tâm có công suất 4
¼ HP
- Bơm oleum tưới tháp oleum: Chọn 2 bơm li tâm có công suất 50 Hp mỗi bơm và mắc nối tiếp
- Bơm axit tưới tháp axit: Chọn bơm li tâm loại công suất 60 HP: 1 bơm, loại 50HP: 2 bơm và mắc nối tiếp
- Bơm nước tưới dàn lành làm lạnh
+ Bơm nước tưới dàn lạnh ôleum: Chọn bơm li tâm có công suất 3 HP
+ Bơm nước tưới dàn lạnh axit tưới tháp axit: Chọn bơm li tâm có công suất 8 HP
+ Bơm nước tưới dàn lạnh axit tưới tháp sấy: chọn bơm li tâm có công suất 1¾ HP
+ Bơm nước cung cấp các thiết bị truyền nhiệt: chọn bơm li tâm có công suất 1 HP
4.5.3 Các bồn chứa :
Chương 5 TÍNH KINH TẾ
5.1 Đánh giá hiệu quả kinh tế theo 4 chỉ tiêu của doanh nghiệp
5.2 Tính điện
5.3 Tính nước
5.4 Giá thành sản phẩm
5.5 Năng suất lao động
Trang 105.6 Thời gian thu hồi vốn
Chương 6 BIỆN PHÁP XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
Chương 7 NGUYÊN TẮC AN TOÀN
Trang 11TRÌNH BÀY TRƯỚC HỘI ĐỒNG :
1 Qui trình công nghệ:
Lưu huỳnh rắn sau khi nấu chảy bể (22), lắng tách cặn bể (21) được đưa vào lò đốt (4) Không khí dùng để đốt được sấy khô bằng axit sunfuric đậm đặc ở tháp sấy (1) Hỗn hợp khí SO2 ra khỏi lò có nhiệt độ 999-10900C được làm nguội trong nồi hơi (5) để hạ nhiệt xuống 440-4500C rồi đi vào tháp tiếp xúc (7) chuyển hóa khí SO2 thành SO3 [lớp xúc tác I,II ở dưới; III, IV, V ở trên] Hai lớp đầu làm nguội gián tiếp nhờ các thiết bị (6), (8), (9) các lớp sau làm nguội trực tiếp (bổ sung không khí nguội vào)
Khí ra khỏi tháp tiếp xúc qua làm nguội (10) rồi vào tháp hấp thụ oleum (11), tại đây tưới dung dịch oleum 110%H2SO4 thu sản phẩm oleum, khí chưa hấp thụ hết cho qua tiếp tháp hấp thụ axit (12), tại đây tưới dung dịch H2SO4
98,3% thu sản phẩm dung dịch H2SO4 98,8% Do hiệu suất của quá trình hấp thu đạt 99,9% nên còn lượng khí dư qua thiết bị xử lí (14) trước khi thải ra môi trường
2 Mặt bằng nhà máy:
Tổng diện tích 20.000 m2 nằm khu công nghiệp Phú Mỹ (Nam Sài Gòn) Mặt bằng được bố trí như hình vẽ bao gồm: Khu hành chánh văn phòng, khu sản xuất chính, khu sản xuất phụ, kho nguyên liệu, kho thành phẩm, phòng thí nghiệm, tổ điện – cơ khí, nhà ăn – nghỉ ca, bãi xe, hồ nước,
…
3 Tháp chuyển hóa tiếp xúc
Đường kính tháp 8m, cao 18,8m (kể cả nắp và đáy), bề dày thân và nắp 20mm, đáy dày 250mm
Bảng 3.21 Tổng hợp mức chuyển hóa và nhiệt độ khí
Trang 12Mức chuyển hóa X 0,68 0,889 0,9478 0,97 0,98
Thời gian tiếp xúc (s) 0,301 1,037 1,415 1,046 0,994