Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC PHẦN 1. GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM, NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT1 1.1.TÍNH CHẤT CỦA AXIT SUNFURIC VÀ OLEUM1 1.1.1.Khái niệm chung1 1.1.2. Một số tính chất của axít sunfuric và ôleum1 1.1.3.Tính chất của SO2 và SO35 1.2. CÁC NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC5 1.2.1.Quặng pyrit5 1.2.2.Lưu huỳnh nguyên tố (S)6 1.2.3.Thạch cao7 1.2.4.Các chất thải có chứa S7 1.3.ỨNG DỤNG VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC8 1.3.1.Ứng dụng của axit sunfuric.8 1.3.2.Tình hình sản xuất axit sunfuric và xu hướng cải tiến công nghệ sản xuất axit sunfuric.9 PHẦN 2. CƠ SỞ HÓA LÝ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H2SO413 2.1.SẢN XUẤT KHÍ SO213 2.1.1.Nguyên liệu13 2.1.2.Làm sạch các tạp chất khỏi hỗn hợp khí18 2.1.3.Sấy khí18 2.2.QUÁ TRÌNH ÔXY HÓA SO2 TRÊN XÚC TÁC V2O519 2.2.1.Phản ứng19 2.2.2.Chất xúc tác dùng để oxy hoá SO221 2.2.3.Cơ chế của phản ứng giữa O2 và SO2 trên bề mặt xúc tác rắn21 2.2.4.Động học quá trình oxy hoá SO2 trên xúc tác Vanađi22 2.2.5.Điều kiện ôxy hoá trên xúc tác Vanađi22 2.3.QUÁ TRÌNH HẤP THỤ25 PHẦN 3. CHỌN VÀ BIỆN LUẬN DÂY CHUYỀN THIẾT BỊ28 3.1.DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ28 3.2.CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT28 3.2.1.Tháp chuyển hoá28 3.2.2.Tháp hấp thụ29 3.2.3.Tháp tách tia bắn30 3.2.4.Thiết bị làm lạnh axít30 3.3.THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT31 PHẦN 4. TÍNH CÂN BẰNG CHẤT- CÂN BẰNG NHIỆT CÔNG ĐOẠN TINH CHẾ KHÍ LÒ33 4.1. LÒ ĐỐT33 4.2 NỒI HƠI NHIỆT THỪA35 4.2.1.Cân bằng chất35 4.2.2. Cân bằng nhiệt35 4.3.XYCLON37 4.3.1.Cân bằng chất38 4.3.2.Cân bằng nhiệt38 4.4.LỌC ĐIỆN KHÔ40 4.4.1.Cân bằng chất40 4.4.2.Cân bằng nhiệt41 4.5.THÁP RỬA I42 4.5.1.Cân bằng chất42 4.5.2.Cân bằng nhiệt44 4.6.THÁP RỬA II46 4.6.1.Cân bằng chất46 4.6.2.Cân bằng nhiệt48 4.7.LỌC ĐIỆN ƯỚT I50 4.7.1.Cân bằng chất50 4.7.2.Cân bằng nhiệt51 4.8. THÁP TĂNG ẨM53 4.8.1.Cân bằng chất53 4.8.2.Cân bằng nhiệt55 4.9.LỌC ĐIỆN ƯỚT II56 4.9.1.Cân bằng chất56 4.9.2.Cân bằng nhiệt57 4.10.THÁP SẤY KHÍ58 4.10.1. Cân bằng chất58 4.10.2. Cân bằng nhiệt59 PHẦN 5. TÍNH CÂN BẰNG CHẤT- CÂN BẰNG NHIỆT CHO CÔNG ĐOẠN CHUYỂN HÓA VÀ HẤP THỤ62 5.1. THÁP CHUYỂN HÓA62 5.1.1. Cân bằng chất62 5.1.2. Cân bằng nhiệt69 5.2.TRAO ĐỔI NHIỆT 1574 5.3.TRAO ĐỔI NHIỆT 1376 5.4.TRAO ĐỔI NHIỆT 1278 5.5.TRAO ĐỔI NGOÀI BẰNG NƯỚC 1780 5.6. THÁP HẤP THỤ TRUNG GIAN 1982 5.6.1.Cân bằng chất82 5.6.2.Cân bằng nhiệt83 5.7.TRAO ĐỔI NHIỆT 1684 5.8. TRAO ĐỔI NHIỆT BẰNG NƯỚC 1886 5.9. THÁP HẤP THỤ CUỐI 2188 5.9.1.Cân bằng chất88 5.9.2.Cân bằng nhiệt89 PHẦN 6. TÍNH THIẾT BỊ92 A.THIẾT BỊ CHÍNH92 6.1.THÁP ÔXY HÓA92 6.1.1. Xây dựng đường cân bằng và đường nhiệt độ thích hợp92 6.1.2. Tính thời gian tiếp xúc cho các lớp xúc tác95 6.1.3.Thể tích xúc tác101 6.1.4.Tính kích thước tháp tiếp xúc103 6.1.5.Tính trở lực của tháp104 6.2.THÁP SẤY KHÍ107 6.2.1.Điều kiện làm việc107 6.2.2.Tính kích thước tháp107 6.2.3.Tính trở lực của tháp109 B.THIẾT BỊ PHỤ112 6.3. THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 13112 6.4.THÁP HẤP THỤ TRUNG GIAN114 6.4.1.Điều kiện làm việc114 6.4.2.Tính kích thước tháp114 6.4.3.Tính trở lực của tháp117 6.5.THÁP HẤP THỤ CUỐI120 6.5.1.Điều kiện làm việc120 6.5.2.Tính kích thước tháp120 6.6. THÁP RỬA II123 6.6.1. Điều kiện làm việc123 6.6.2. Tính kích thước tháp123 KẾT LUẬN126 TÀI LIỆU THAM KHẢO127
GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST MỤC LỤC PHẦN SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST PHẦN GIỚI THIỆU VỀ SẢN PHẨM, NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT 1.1 a TÍNH CHẤT CỦA AXIT SUNFURIC VÀ OLEUM 1.1.1 Khái niệm chung Trong hóa học, axit sunfuric xem hợp chất anhydrit sunfuric với nước Công thức hóa học SO3.H2O H2SO4, khối lượng phân tử 98,08 Trong kỹ thuật, hỗn hợp theo tỷ lệ SO3 với H2O gọi axít sunfuric Nếu tỷ lệ SO3 : H2O < gọi dung dịch axít sunfuric, SO : H2O > gọi dung dịch SO3 axít sunfuric hay ơleum axít bốc khói Thành phần dung dịch axít sunfuric đặc trưng phần trăm khối lượng H2SO4 SO3 1.1.2 Mợt sớ tính chất axít sunfuric ơleum Axít sunfuric khan chất lỏng không màu, sánh (khối lượng riêng 20 0C 1,8305 g/cm3), kết tinh 10,37°C Khi đun nóng áp suất thường (760 mmHg) đến nhiệt độ 296,2°C axít sunfuric bắt đầu sơi bị phân huỷ tạo thành hỗn hợp đẳng phí chiếm 98,3 % H2SO4 1,7 % H2O Hỗn hợp đẳng phí sơi 336,5°C Axít sunfuric kết hợp với nước SO3 theo tỷ lệ tạo thành mợt số hợp chất có tính chất khác Nhiệt đợ kết tinh Dung dịch có nồng đợ axít sunfuric ơleum xem hỗn hợp hai số hợp chất khác sau: H2O; H2SO4.3H2O; H2SO4.2H2O; H2SO4.H2O;H2SO4; H2SO4.SO3; H2SO4.2SO3; SO3 Nhiệt độ kết tinh tương ứng : 0°C ; - 22,4; -39,6; 8,48; 10,37; 35,85; 1,2; 16,8°C Nhiệt độ kết tinh hệ H2O - SO3 biểu diễn hình 1.1 Nh iệt độ, °C % H2SO4 % SO3 tự Hình 1.1: Đồ thị kết tinh hệ H2O-SO3 Từ cho thấy: SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng b Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Nhiệt độ kết tinh dung dịch axít sunfuric ơleum tương đối cao, chí nhiệt độ vài chục độ Vì người ta quy định nghiêm ngặt nồng đợ axít sunfuric ôleum tiêu chuẩn cho chúng không bị kết tinh trình sản xuất, vận chuyển bảo quản Từ tính chất giúp cho ta lựa chọn thành phần axít sản xuất phải gần với điểm cực tiểu đồ thị kết tinh Nhiệt độ sôi áp suất Quan hệ nhiệt độ sơi nồng đợ axít biểu diễn đồ thị sau: Nh iệt độ, o C c % H2SO4 % SO3 tự Hình 1.2: Đồ thị nhiệt độ sơi – nồng độ axit Qua đồ thị ta thấy rằng: + Khi tăng nồng độ: nhiệt độ sôi dung dịch axít sunfuric tăng, đạt cực đại (336,5°C) 98,3 % H2SO4, sau lại giảm + Khi tăng hàm lượng SO3 tự do: nhiệt độ sôi ôleum giảm từ 296,2°C (ở 0% SO3 tự do) xuống 44,7°C (ở 100% SO3 – tức nhiệt độ sôi SO3) + Khi tăng nồng độ, áp suất dung dịch axít giảm, đạt cực tiểu 98,3 % H2SO4, sau lại tăng Áp suất ơleum tăng tăng hàm lượng SO3 tự Có thể tính áp suất dung dịch axít sunfuric ơleum theo công thức sau: lgP = A-B/T (1 – 1) Trong đó: P : Áp suất hơi, mmHg A, B: Các hệ số phụ tḥc vào nồng đợ axít ơleum Áp suất riêng phần H2SO4 dung dịch axít sunfuric nhiêt đợ khác tính theo cơng thức giá trị A, B có khác Nói chung dung dịch axít sunfuric ơleum có thành phần khác với thành phần pha lỏng Chỉ dung dịch 98,3% H2SO4 thì thành phần pha nước thành phần pha lỏng Khối lượng riêng Khi tăng nồng độ, khối lượng riêng dung dịch axít sunfuric tăng, đạt cực đại 98,3% H2SO4, sau giảm Khi tăng hàm lượng SO3 tự do, khối lượng riêng ôleum tăng, đạt cực đại 62% SO3 tự do, sau lại giảm SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Hình 1.3: Khối lượng riêng axit sunfuric oleum 20°C Khi tăng nhiệt đợ, khối lượng riêng axít sunfuric oleum giảm Áp dụng tính chất này, sản xuất, người ta xác định nồng đợ dung dịch axít sunfuric có nồng đợ thấp 95% khơng lẫn nhiều tạp chất d Nhiệt dung Khi tăng nồng độ, nhiệt dung dung dịch axít sunfuric giảm Ngược lại, tăng hàm lượng SO3 nhiệt dung ôleum lại tăng Khi tăng nhiệt đợ, nhiệt dung axít ôleum tăng Nhi ệt dun g, cal/ g.° C % H2SO4 % SO3 tự Hình 1.4: Nhiệt dung axit sunfuric ôleum 20°C e Độ nhớt Độ nhớt axít sunfuric ơleum có ảnh hưởng lớn đến trở lực axít chảy đường ống máng dẫn, đến tốc độ truyền nhiệt đun nóng làm ng̣i axít, đến tốc đợ hồ tan muối Vì giá trị độ nhớt sử dụng nhiều tính tốn kỹ thuật Đợ nhớt axít sunfuric ơleum có giá trị cực đại nồng độ 84,5% H 2SO4; 100% H2SO4 ; 50 - 55% SO3 tự Khi tăng nhiệt độ, đợ nhớt axít giảm nhanh SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng f Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Hình 1.5: Độ nhớt axit sunfuric oleum 20°C Nhiệt tạo thành Nhiệt tạo thành một chất hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành 1mol chất từ đơn chất ứng với trạng thái tự bền điều kiện nhiệt độ, áp suất cho Nhiệt tạo thành axít sunfuric nồng đợ khác (tức lượng nhiệt toả thêm nước vào kg SO3 để tạo thành dung dịch axít đó) tính gần theo công thức thực nghiệm sau: (1 – 2) Trong đó: H: Nhiệt tạo thành axit sunfuric, kJ/kg SO3 M: Lượng nước axit, kg/kg SO3 (1 – 3) g C: Hàm lượng SO3 axit, % Nhiệt pha loãng nhiệt hỗn hợp Nhiệt pha loãng lượng nhiệt toả thêm nước vào axít Nhiệt pha lỗng dung dịch axít sunfuric từ nồng đợ ban đầu C xuống nồng đợ C2 tính hiệu nhiệt tạo thành axít đó: Qf = DH = H2 - H1 (1 – 4) Nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng toả hỗn hợp axít có nồng đợ khác Nhiệt hỗn hợp xác định theo công thức: Qh = H3 + 2113 - H1 - H2 ( KJ/ kgSO3) (1 – 5) Trong đó: H1, H2, H3: nhiệt tạo thành axít ban đầu có nồng đợ C1, C2 axít cuối nồng đợ C3 1.1.3 Tính chất SO2 SO3 a Anhydrit Sunfurơ (SO2) SO2 nhiệt đợ thường chất khí khơng màu, có mùi xốc đặc trưng, kích thích mạnh mắt quan hơ hấp SO2 dễ hoá lỏng (ở áp suất thường, nhiệt đợ hố lỏng SO2 - 10,1°C) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Khi SO2 hoà tan nhiều nước: 20°C, thể tích nước hồ tan 40 thể tích SO Đợ hồ tan SO2 axít nhỏ nước Khi tăng nồng đợ axít đợ hồ tan SO2 giảm; đạt cực tiểu 85% H2SO4 sau lại tăng Khi tác dụng với nước, SO2 tạo thành axít sunfurơ, axít sunfurơ tồn dung dịch SO2 + H2O = H2SO3 Khi tác dụng với Clo, SO2 tạo thành sunfurin clorua SO2 + Cl2 = SO2Cl2 Trong phản ứng hóa học, SO2 vừa chất ơxy hóa, vừa chất khử b Anhydrit Sunfuric (SO3) SO3, điều kiện thường, chất khí khơng màu, khơng khí phản ứng mạnh với nước tạo nên giọt axít nhỏ bay lơ lửng gọi mù SO3k + H2Ol = H2SO4l + 131,1 KJ SO3 lỏng hỗn hợp với SO2 theo tỷ lệ SO3 rắn hồ tan SO2 lỏng khơng tạo thành hợp chất hố học SO3 khí tác dụng với HCl tạo thành axít closunfonic, SO2(OH)Cl Ở nhiệt đợ - 44,75°C, khí SO3 biến thành chất lỏng không màu 1.2 CÁC NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric phong phú, phổ biến pyrit, lưu huỳnh, khí ngành luyện kim màu thu hỏa luyện quặng sunfua, khí H2S làm lưu huỳnh khỏi khí thiên nhiên cơng nghiệp, anhydrit CaSO4 chất làm khí Tổng hàm lượng lưu huỳnh vỏ đất khoảng chừng 0,1% Bán sản phẩm chủ yếu để sản xuất axit sunfuric lưu huỳnh dioxit 1.2.1 Quặng pyrit a Pyrit thường Thành phần chủ yếu quặng pyrit sắt sunfua FeS chứa 53,44% S 46,56% Fe FeS2 thường dạng tinh thể pyrit hình lập phương (khối lượng riêng 4,95 – 5,0 g/cm3), có dạng tinh thể macazit hình thoi (khối lượng riêng 4,55 g/cm3) Ở 450°C, macazit chuyển thành pyrit có tỏa nhiệt Quặng pyrit thường gặp mợt loại khống màu vàng xám, khối lượng đổ đống khoảng 2200 đến 2400 kg/m tùy theo kích thước hạt quặng Trong quặng có lẫn nhiều tạp chất hợp chất đồng (chủ yếu FeCuS 2, Cu2S, CuS), chì, kẽm, niken, bạc, vàng, coban, selen, telu, silic; muối cacbonat, sunfat canxi, magiê … Vì vậy, hàm lượng thực tế lưu huỳnh quặng dao động khoảng 30 – 52% Ngồi cịn thấy loại hợp chất lưu huỳnh sắt có thành phần phức tạp FenSn+1 (n ≥ 5) gọi pyrotin hay pyrit từ Quặng pyrit có nhiều Nga, Tây Ban Nha, Nhật Bản, Canada, Bồ Đào Nha, Na uy, SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Italia … Ở miền Bắc nước ta phát một số mỏ pyrit, nói chung hàm lượng lưu huỳnh thấp (khoảng 20 – 30% S), trữ lượng không lớn b Pyrit tuyển Trong quặng pyrit có nhiều tạp chất, mợt số tạp chất có giá trị đồng Nếu hàm lượng đồng quặng pyrit lớn 1% thì đem quặng sản xuất đồng có lợi đốt trực tiếp để sản xuất axit sunfuric Trước đem luyện đồng, thường dùng phương pháp tuyển để làm giàu đồng quặng lên khoảng 15 – 20% Cu (gọi tinh quặng đồng) Phần bã thải trình tuyển chứa khoảng 32 – 40% S gọi quặng pyrit tuyển nổi, dùng để sản xuất axit sunfuric Cứ tuyển 100 quặng thu 15 – 20 tinh quặng đồng 80 – 85% pyrit tuyển Nếu tiếp tục tuyển lần hai thu tinh quặng pyrit chứa tới 45 – 50% S Quặng pyrit tuyển có kích thước nhỏ (khoảng 0,1mm ) độ ẩm lớn (12 – 15%) gây khó khăn cho trình vận chuyển đốt Vì trước sử dụng phải sấy để giảm hàm ẩm xuống c Pyrit lẫn than Than đá mợt số mỏ có lẫn quặng pyrit, có loại chứa tới – 5% S làm giảm chất lượng than Vì phải loại bỏ cục than có lẫn pyrit Phần than cục loại bỏ chứa tới 33 – 42% S 12 – 18% C gọi pyrit lẫn than Pyrit lẫn than có hàm lượng lưu huỳnh lớn khơng thể đốt để sản xuất axit sunfuric vì hàm lượng cacbon lớn, cháy: - Nhiệt lượng tỏa lớn, làm nhiệt đợ khí tăng cao, làm cho lị đốt mau chóng bị phá hủy - Tiêu tốn nhiều oxi làm giảm nồng đợ SO O2 khí lị, gây khó khăn cho giai đoạn trình sản xuất Vì phải nghiền rửa quặng lẫn than để giảm hàm lượng cacbon quặng xuống – 6% (riêng lị lớp sơi đốt quặng có hàm lượng C cao) Ở miền Bắc nước ta, mỏ than Na Dương (Lạng Sơn) chứa nhiều lưu huỳnh ( có mẫu từ – 8% S) Việc nghiên cứu tách lưu huỳnh khỏi than có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật lớn vì tăng chất lượng than, đảm bảo an toàn (tránh tượng than bị bốc cháy) đồng thời tận dụng nguyên liệu 1.2.2 Lưu huỳnh nguyên tố (S) Lưu huỳnh nguyên tố một dạng nguyên liệu tốt để sản xuất axit sunfuric vì: - Khi đốt S ta thu hỗn hợp khí có hàm lượng SO O2 cao Điều quan trọng việc sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc - Lưu huỳnh chứa tạp chất (đặc biệt hợp chất asen) cháy khơng có xỉ nên đơn giản dây chuyền sản xuất nhiều (bớt thiết bị để làm khí) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Khi sản xuất với quy mô lớn xa nguồn nguyên liệu thì lưu huỳnh lại nguyên liệu rẻ tiền Lưu huỳnh sử dụng chủ yếu ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric ( khoảng 50% tổng lượng S), công nghiệp giấy-xenlulo (khoảng 25%), nông nghiệp (10 – 15%)… 1.2.3 Thạch cao Thạch cao một nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất axit sunfuric vì nhiều nước giới có mỏ thạch cao (CaSO 4.2H2O CaSO4) Ngoài trình sản xuất axit photphoric, supe photphat kép, nitrophot, nitrophotka… thải một lượng lớn CaSO Thường thường, từ thạch cao, người ta sản xuất liên hợp axit sunfuric ximăng Muốn thế, đốt hỗn hợp thạch cao, đất sét than lị quay Khi đó, CaSO bị khử, cho SO2 đem sản xuất axit sunfuric; phần xỉ cịn lại thêm mợt số phụ gia, đem nghiền để sản xuất ximăng - 1.2.4 d Các chất thải có chứa S a Khí lị luyện kim màu Khí lị q trình đốt quặng kim loại màu quặng đồng, chì thiếc, kẽm… có chứa nhiều SO2 Đây một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất axit sunfuric vì sản xuất đồng, thu 7,3 SO mà khơng cần lị đốt quặng dây chuyền sản xuất axit sunfuric Thành phần khí lị phụ tḥc vào nguyên liệu, cấu tạo lò điều kiện vận hành Riêng lị nung lị lớp sơi, thành phần khí tương tự đốt quặng pyrit nên dùng trực tiếp để sản xuất axit sunfuric Cịn khí lị khác, dùng khí thiên nhiên (metan) để khử SO2 thành S b Khí hydrosunfua Khi cốc hóa than, khoảng 50% lượng lưu huỳnh có than theo khí cốc, chủ yếu dạng H2S (95%) Lượng H2S khí cốc hàng năm toàn giới tới hàng triệu Thu hồi lượng H 2S khơng có ý nghĩa kinh tế mà cịn đảm bảo điều kiện vệ sinh cơng nghiệp Từ H2S sản xuất axit sunfuric theo phương pháp xúc tác ướt đem sản xuất lưu huỳnh ngun tố c Khói lị Khi đốt than lị nồi hơi, lưu huỳnh hợp chất có than chuyển thành SO2 Hàng năm giới đốt hàng tỉ than, khói lị thải vào khí hàng chục triệu lưu huỳnh Tất nhiên muốn sử dụng cịn phải giải vấn đề thu hồi làm giàu khí SO2 thiết lập sơ đồ sản xuất axit sunfuric trực tiếp từ khí SO2 nghèo Axit sunfuric thải Sau dùng axit sunfuric làm tác nhân hút nước, tinh chế dầu mỏ, sunfo hóa hợp chất hữu cơ… thu chất thải chứa nhiều H 2SO4 ( 20 – 50%) Trong SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST công nghệ gia công kim loại chế tạo máy, sau rửa kim loại thu chất thải chứa – 4% H 2SO4 khoảng 25% FeSO4 Chất thải sản xuất TiO chứa 15 – 20% H2SO4 45 – 55% FeSO4 Có hướng sử dụng chất thải này: - Tách tạp chất cô đặc để thu hồi H2SO4 - Phân hủy nhiệt thu hồi SO2 để sản xuất axit sunfuric - Dùng trực tiếp vào mục đích khơng cần axit sunfuric Tóm lại, ngun liệu để sản xuất axit sunfuric phong phú Tỉ lệ dạng nguyên liệu dùng sản xuất axit sunfuric không ngừng thay đổi theo thời gian tùy từng nước Hiện nay, tính chung tồn giới thì tỉ lệ nguyên liệu dùng để sản xuất axit sunfuric sau: Lưu huỳnh chiếm khoảng 2/3, pyrit 1/6, lại dạng nguyên liệu khác Phương hướng sử dụng nguyên liệu sản xuất axit sunfuric : 123- Tận dụng SO2 khí thải lị luyện kim màu, H 2S khí cốc, khí thiên nhiên Tận dụng quặng lẫn than, quặng tuyển nổi, axit thải Sản xuất liên hợp axit sunfuric xi măng từ thạch cao 1.3 ỨNG DỤNG VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 1.3.1 Ứng dụng axit sunfuric Hầu nghành sản xuất hóa học giới trực tiếp gián tiếp sử dụng axit sunfuric Chúng ta bắt gặp axit ngành sản xuất phân bón ( Supephotphat, amoniphotphat…), thuốc trừ sâu, chất giặt rửa tổng hợp, tơ sợi hóa học, chất dẻo, sơn màu, phẩm nḥm, dược phẩm, chế biến dầu mỏ,vv… Có thể nói axit sunfuric một quốc gia một số tốt sức mạnh cơng nghiệp quốc gia Vai trị quan trọng thể cụ thể thơng qua tình hình sản xuất axit sunfuric giới nước Axit sunfuric dùng rộng rãi nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân Đối với cơng nghiệp hóa học, axit sunfuric dùng sản xuất phân lân, axit vô (axit photphoric, hidro floric, boric), muối sunfat kim loại khác nhau, sản xuất thuốc nhuộm, chất màu vô hợp chất khác Một lượng lớn axit sunfuric, đặc biệt dạng oleum, dùng vào công nghiệp tổng hợp hữu cơ, thuốc nhuộm anilin, vật liệu sợi tổng hợp Axit sunfuric dùng làm môi trường hút nước dung dịch axit nitric, sấy khí, sản xuất chất nổ Người ta dùng axit sunfuric để làm sản phẩm dầu mỏ sản phẩm thu từ nhựa than đá Trong luyện kim màu, axit sunfuric dùng chế biến thủy luyện, công nghiệp gia công kim loại dùng để làm bề mặt kim loại nhiều lĩnh vực cơng nghiệp khác Axit sunfuric hóa chất hàng đầu nhiều ngành sản xuất : SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 GVHD: ThS Quách Thị Phượng • • • • • • • • Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Phẩm nhuộm 2% Luyện kim 2% Chất dẻo 5% Chất tẩy rửa 14% Giấy, sợi 8% Sơn 11 % Phân bón 30% Những ứng dụng khác 28% : dầu mỏ, thuốc nổ, Acquy, dược phẩm, thuốc trừ sâu… 1.3.2 Tình hình sản xuất axit sunfuric xu hướng cải tiến công nghệ sản xuất axit sunfuric Tình hình sản xuất axit sunfuiric Với đặc tính quan trọng axit sunfuric nhu cầu lớn sản xuất cơng nghiệp hóa học mà sản lượng axit giới ngày tăng.Hàng năm,sản lượng axit sunfuric giới khoảng 160 triệu tấn, với giá xấp xỉ tỷ USD Có ba cơng nghệ thông dụng để sản xuất axit sunfuric công nghệ tiếp xúc, công nghệ NOx công nghệ CaSO4 Nguyên lý chung công nghệ thu SO2 từ nguyên liệu đầu vào khác lưu huỳnh, pyrit, chalkopyrit, sphalerit, galenit, CaSO4, loại khí rửa, khí thải chứa lưu huỳnh oxit, Tiếp theo, SO2 oxy hóa thành SO3 thiết bị tiếp xúc có sử dụng xúc tác Cuối cùng, SO3 hấp thụ axit loãng để thành H2SO4 Trên giới, công nghệ tiếp xúc công nghệ đại áp dụng phổ biến Về nguyên liệu, Mỹ người ta chủ yếu sử dụng nguyên liệu lưu huỳnh , nước khác phần lớn sử dụng quặng pyrit để sản xuất axit sunfuric Những nguồn nguyên liệu khác có ý nghĩa định, ví dụ trước CHDC Đức người ta sử dụng nhiều nguyên liệu CaSO4 (anhydrit) cho sản xuất axit sunfuric, khơng có quặng pyrit có nhiều nguyên liệu CaSO4 sản xuất axit sunfuiric theo phương pháp tiến hành song song với sản xuất xi măng để đạt hiệu kinh tế cao Theo phương pháp tiếp xúc, có loại dây chuyền sau: * Dây chuyền tiếp xúc hấp thụ lần (tiếp xúc đơn): Dây chuyền tiếp xúc đơn áp dụng phổ biến trước năm 1970 với hiệu suất chuyển hóa SO2 thành SO3 đạt 98% Lượng SO2 khơng chuyển hóa bị thải vào khí quyển, gây ô nhiễm môi trường SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 10 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Vậy : Kích thước tháp hấp thụ trung gian Đường kính : 7,8 m Đường kính ngồi : 8,07 m Chiều cao tháp : 12,38 m 6.4.3 Tính trở lực tháp a Xác định trở lực khơ ΔPk [3-189] Trong : l : hệ số ma sát phụ thuộc vào chuẩn số Reynol Hd: chiều cao đệm (m) wK : vận tốc khí tháp w = 0,79 m/s σd: bề mặt riêng đệm, phụ thuộc vào loại đệm Ở ta tính cho loại đệm 25 × 25 × có trở lực lớn nhất, có σd= 195 m2/m3 rK : khối lượng riêng trung bình khí điều kiện làm việc + Tính tốn l: Để tính hệ số ma sát l ta cần phải tính chuẩn số Re: wk : vận tốc khí điều kiện làm việc tháp (m/s) rk : khối lượng riêng khí tháp (kg/m3) σd : bề mặt riêng đệm (m2/m3) mk : độ nhớt động lực hỗn hợp khí (Ns/m2) + Tính mk: [2-86] Trong đó: CSO3, CSO2, CO2, CN2 nồng đợ phần thể tích thành phần khí MSO3, MSO2, MO2, MN2 khối lượng phân tử cấu tử TSO3, TSO2, TO2, TN2 nhiệt độ tới hạn cấu tử mSO3, mSO2, mO2, mN2 độ nhớt động lực cấu tử SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 119 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Các giá trị Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST µi tra tài liệu tham khảo [2-86],[2-115] Ở nhiệt độ trung bình khí (180 + 70) /2 = 125 oC ta có: mSO3 = m SO2 = 1,48 × 10- Ns/m2 mO2 = 2,27 × 10- Ns/m2 mN2 = 1,95 × 10- Ns/m2 CSO2 = 0,46 % CO2 = 6,67 % CN2 = 84,07 % CSO3 = 8,80 % Thay số vào biểu thức ta có : μk = 1,90 × Ns/m2 Ta có Re > 40 (ứng với chế đợ chuyển đợng xốy) nên: Vậy : b Tính trở lực ướt Khi tháp điều kiện làm việc, có tưới axít vào đệm thì trở lực tháp tăng lên ma sát lỏng - đệm - khí DPƯ = K DPK Trong : K hệ số kể đến ảnh hưởng tưới axít + Tính K : Ta tính trở lực tháp theo loại đệm 25×25×3 có trở lực lớn Vì kích thước đệm nhỏ 30mm nên K tính theo cơng thức: Trong đó: [3-191] SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 120 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Với : ρx = 1.835,8 kg/m3 khối lượng riêng axít 98,3% σ = 195 m2/m3 bề mặt riêng đệm Vtd = 0,75 m3/m3 b : hệ số kể đến ảnh hưởng chất lỏng lên đệm Gx: lưu lượng chất lỏng ( kg/m2 s ) [1-180] Với m = 1.755.859,16 kg/ h lượng axít tưới + Tính b: [3-191] Vói Rex chuẩn số Reynol axít mx = 11,33 ×10 -3 [3-191] N s/m đợ nhớt đợng lực axít 98,3%ở nhiệt đợ 45 C [2-98] o Thay số ta có : Ta có trở lực ướt tháp : DRư = K DRk DRư = 1,97 × = 3.810,41 (N/m2) 6.5 THÁP HẤP THỤ CUỐI 6.5.1 Điều kiện làm việc Nhiệt độ khí vào : 140 0C Nhiệt đợ khí : 80 0C Nhiệt độ axit tưới : 45 0C Nồng độ axit tưới : 98,3% H2SO4 Nhiệt độ axit chảy : 102 oC SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 121 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Nồng độ axit chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Nồng đợ khí SO3 vào tháp Nồng đợ khí SO3 tháp Tốc đợ khí Áp suất tháp 6.5.2 Tính kích thước tháp a Bề mặt đệm: Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST : 98,7% H2SO4 : 99,8% : 0,51 % thể tích : 1,01×10-3 % thể tích : 0,8 (m/s) : 10 (mmHg) Được xác định theo công thức : Q = K F DPtb Trong Q : lượng SO3 hấp thụ (kg/h) F : bề mặt tiếp xúc pha (m2) K : hệ số hấp thụ ( kg/m2.h mmHg) DR : động lực trình hấp thụ (mmHg) + Xác định K: K = Ko W 0,8 Với Ko : hệ số phụ thuộc vào nồng độ nhiệt đợ axít Với nồng đợ 98,3% H2SO4 thì có Ko = 0,069 W : tốc đợ giả khí tháp (W= 0,8m/s) K = 0,069 × 0,80,8 = 0,0577 kg/m2.h.mmHg + Xác định DRtb : [1-137] [1-138] 1* Áp suất chung tháp : 760 + 10 = 770 mmHg 2* Áp suất riêng phần khí SO3 khí vào tháp P1’ = 770 × 0,51×10-2 = 3,927 mmHg 3* Áp suất riêng phần khí SO3 khí khỏi tháp: P1” = P.y P1” = 770 × 1,01×10-5 = 0,0078 mmHg • Áp suất SO3 bề mặt axít 98,3 % H2SO4 : P2’ = 0,002 mmHg • Áp suất SO3 bề mặt axít 98,7 % H2SO4 : P2” = 0,005 mmHg DRmax = P1’ - P2” DRmax = 3,927 ˗ 0,005 = 3,922 mmHg DRmin = P1” - P2’ DRmin = 0,0078 - 0,002 = 0,0058 mmHg Do đó: SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 122 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Lượng SO3 hấp thụ : G = 1.550,74 – 3,1 = 1.547,64 (kg/h) Bề mặt tiếp xúc F: , Lấy hệ số dư 1,2 ta có : F = 1,2 × 44.629,26 = 53.555,11( m2 ) b Đường kính tháp Được xác định : Trong đó: Vt : lưu lượng khí điều kiện làm việc qua tháp (m3/h) ω : tốc đợ khí tháp (m/s) Nhiệt đợ trung bình khí tháp là: Lưu lượng khí điều kiện làm việc: Đường kính tháp : Chọn D = 7,3 m Lúc tốc đợ khí tháp là: Căn vào bề mặt đệm diện tích tháp ta xếp đệm sau: [3-193] Bảng 6.7: Bảng thông số đệm Loại đệm Vtd σ r Cách xếp Cao Diện tích m2 (m3/m3) (m2/m3) (kg/m3) (m) 100 ×100 ×10 0,72 60 670 20 lớp 5.019,60 80 × 80 ×8 0,72 80 670 20 lớp 1,6 5.354,24 50 × 50 × 0,735 110 650 50 lớp 2,5 11.503,25 25 × 25 × 0,75 195 630 Lộn xộn 3,88 31.678,02 Tổng 53.555,11 Tổng chiều cao đệm: HĐ = + 1,6 + 2,5 + 3,88 = 9,98 (m) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 123 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST + Xác định kích thước tháp: 10* 11* 12* 13* Đường kính Đợ dày lớp gạch lót chịu axít Đợ dày vỏ thép Đường kính ngồi : 7,3 (m) : 0,125 (m) : 0,01 (m) : Dn = 7,3 + (0,125+0,01)×2 = 7,552 (m) Chiều cao đệm Chiều cao đáy Chiều cao nắp Khoảng trống Khoảng trống Chiều cao toàn tháp 14* 15* 16* 17* 18* : 9,98 (m) : 1(m) : (m) : (m) : (m) : H = 9,98 + 1+ + 1+1 = 12,98 (m) Vậy: Kích thước tháp hấp thụ cuối Đường kính : 7,3 (m) Đường kính ngồi : 7,522 (m) Chiều cao tháp : 12,98 (m) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 124 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST 6.6 THÁP RỬA II 6.6.1 Điều kiện làm việc Điều kiện làm việc: Nhiệt đợ khí vào Nhiệt đợ khí Nhiệt đợ axit tưới Nồng đợ axit tưới: Nhiệt đợ axit chảy Tốc đợ khí Áp suất tháp 6.6.2 Tính kích thước tháp • Đường kính tháp - : 80 0C : 40 0C : 35 0C : 25 % H2SO4 : 40 0C : 0,8m/s : 10 mmHg Đường kính tháp xác định theo công thức sau: Trong đó: Vt lưu lượng khí qua tháp điều kiện làm việc Với: Vo = 105.472,97 m3/h-là lưu lượng khí qua tháp điều kiện tiêu chuẩn Po = 760 mmHg nhiệt đợ trung bình khí vào Vậy → Quy chuẩn ta chọn D = 7,5 m; Tính lại tốc đợ khí: SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 125 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST BẢNG TỔNG KẾT CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CHÍNH ST T 01 BỘ PHẬN 02 NỒI HƠI NHIỆT THỪA XYCLON 03 LỌC ĐIỆN KHÔ 04 THÁP RỬA I 05 THÁP RỬA II 06 LỌC ĐIỆN ƯỚT I 07 THÁP TĂNG ẨM 08 LỌC ĐIỆN ƯỚT II 09 10 THÁP SẤY KHÍ THÁP CHUYỂN HĨA TÊN CHỈ TIÊU GIÁ TRI Nhiệt đợ khí vào-ra Hiệu suất lắng bụi Nhiệt đợ khí vào-ra Hiệu suất lắng bụi Nhiệt đợ khí vào-ra Hiệu suất lắng bụi Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt độ axit tưới-chảy Nồng độ axit tưới-chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt đợ axit tưới-chảy Nồng độ axit tưới-chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Đường kính tháp Nhiệt đợ khí vào-ra Hiệu suất lọc mù Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt đợ axit tưới-chảy Nồng độ axit tưới-chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Nhiệt đợ khí vào-ra Hiệu suất lọc mù Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt độ axit tưới-chảy Nồng độ axit tưới-chảy Hàm ẩm sau sấy 800-380 30 380-370 90 370-350 99 350-80 40-65 60-59,92 20 80-40) 35-40 25-25,07 10 7,5 40-38 90 38-35 30-35 5-5,01 10 35-34 99,99 34-40 40-49 95-94,6 ≤ 0,01 Đường kính Đường kính ngồi Chiều cao Mức chuyển hóa lớp xúc tác I-II-III-IV Nhiệt đợ khí vào-ra lớp I Nhiệt đợ khí vào-ra lớp II Nhiệt đợ khí vào-ra lớp III Nhiệt đợ khí vào-ra lớp IV Đường kính Đường kính ngồi Chiều cao 7,4 7,63 11,535 65-84-9599,8 420-570 490-534 450-475 410-424 11,8 12,646 22,29 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 ĐƠN VI o C % o C % o C % o C o C % H2SO4 % o C o C % H2SO4 % m o C % o C o C % % o C % o C o C % H2SO4 % thể tích m m m % o C C o C o C m m m o 126 GVHD: ThS Quách Thị Phượng 11 THÁP HẤP THỤ TRUNG GIAN 12 THÁP HẤP THỤ CUỐI Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt đợ axit tưới-chảy Nồng đợ axit tưới-chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Đường kính Đường kính ngồi Chiều cao Nhiệt đợ khí vào-ra Nhiệt độ axit tưới-chảy Nồng độ axit tưới-chảy Hiệu suất hấp thụ SO3 Đường kính Đường kính ngồi Chiều cao SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 180-70 45-67 98,3-98,7 99,8 7,8 8,07 12,38 180-70 45-67 98,3-98,7 99,8 7,3 7,552 12,98 o C C %H2SO4 % m m m o C o C % H2SO4 % m m m o 127 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST KẾT LUẬN Sau một thời gian tìm hiểu,em hoàn thành đồ án thiết kế với đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc kép với suất 300.000 H2SO4/năm từ nguyên liệu khí SO2 thải lò luyện đồng’’,em rút một số nhận xét sau: Hiện nay, dây chuyền sản xuất axit sunfuric có cải tiến để nâng mức chuyển hóa giảm thiểu nồng đợ SO 2, SO3 khí thải Tuy vậy, ta cần nghiên cứu để điều chỉnh công nghệ ngày mợt hồn chỉnh Ở lớp xúc tác, ta cần tăng cường tính xúc tác để sử dụng thiết bị tầng sơi, nâng cao tốc độ phản ứng hiệu suất trình Cần cải tiến trình làm hỗn hợp khí từ đem lại lợi ích kinh tế giảm chi phí đầu tư ngun liệu, thiết bị.Từ nâng cao suất sản xuất Việc thiết kế một dây chuyền sản xuất cần đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm, chất lượng chất thải môi trường tận dụng nhiệt sinh trình sản xuất Do lượng nước sử dụng nhiều nên vấn đề tuần hoàn nước phải xem xét một cách cụ thể Sản xuất axit sunfuric mợt q trình cần đợ an tồn cao tính đợc hại chất trình sản xuất.Do thiết bị, đường ống cần kín, khít tránh rị rỉ khí, axit mơi trường thất thoát nhiệt trình sản xuất SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 128 GVHD: ThS Quách Thị Phượng Đồ Án Tốt Nghiệp- HUST TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Bình, Công nghệ Axit Sunfuric, NXB Khoa học Kỹ thuật,2004 [2] Nguyễn Bin, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Nguyễn Bin, Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [4] Ngũn An, Tính tốn cơng nghệ sản xuất chất vô cơ, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1982 [5] Ngũn An, Tính tốn cơng nghệ sản xuất chất vô cơ, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1983 [6].Nguyễn Bin, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 3, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [7] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 4, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [8] William G Davenport and Matthew J King, Sulfuric Acid Manufacture, ISBN: 978-0-08-044428-4, 2005 Và một số tài liệu trang mạng khác SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nga 20113174 129 ... xúc, xúc tác V2O5, suất đạt 360 tấn/ ngày - Nhà máy Supe lân Long Thành-Bến Tre : hàng năm sản lượng H 2SO4 đạt khoảng 80.000 tấn/ năm với nguyên liệu quặng sulfua sắt, sản xuất theo phương pháp... sunfuric Tình hình sản xuất axit sunfuiric Với đặc tính quan trọng axit sunfuric nhu cầu lớn sản xuất công nghiệp hóa học mà sản lượng axit giới ngày tăng.Hàng năm ,sản lượng axit sunfuric giới khoảng... tuyển nổi, axit thải Sản xuất liên hợp axit sunfuric xi măng từ thạch cao 1.3 ỨNG DỤNG VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 1.3.1 Ứng dụng axit sunfuric Hầu nghành sản xuất hóa học giới trực tiếp