Tóm tắt: Axit sunfuric là một loại axit nguy hiểm và cực độc đối với môi trường và sức khỏe con người nếu chúng ta sản xuất, sử dụng không tuân theo các quy tắc an toàn. Do đó, việc sử dụng có hiệu quả axit sunfuric và dùng mô phỏng để mô phỏng quy trình sản xuất axit sunfuric công nghiệp trong nhà máy hiện nay là một nhu cầu rất cần thiết để bảo vệ chính môi trường sống của chúng ta. Nhà máy sản xuất axit sunfuric hiện đang hoạt động rất nhiều nhưng việc đòi hỏi nâng cao hiệu suất, giảm chi phí nguyên liệu đầu vào và giá thành sản phẩm là một vấn đề lớn đặt ra cho đội ngũ quản lý, kỹ sư. Vấn đề này sẽ rất khó giải quyết nếu không dùng đến mô phỏng. Mô phỏng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các công đoạn của quá trình sản xuất, chiều hướng biến thiên của sản phẩm cũng như tầm quan trọng của từng thông số trong quá trình vận hành. Luận văn này sử dụng MATLAB để mô phỏng quá trình sản xuất axit sunfuric công nghiệp trong nhà máy ở giai đoạn bình phản ứng oxy hóa sunfur dioxit (SO2) thành SO3
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NGỌC ĐỨC MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC THÁP CHUYỂN HÓA SO2 THÀNH SO3 TRONG QUY TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC Chun ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 60 52 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH THÁNG 02- 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Tuấn Anh Cán chấm nhận xét 1: TS Lý cẩm Hùng Cán chấm nhận xét 2: TS Lưu Xuân Cường Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ TS Đoàn Văn Thuần TS Lý Cẩm Hùng TS Lưu Xuân Cường PGS TS Nguyễn Quang Long Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyền ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Ngọc Đức MSHV: 13051168 Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1983 Nơi sinh: Bình Dương Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 60 52 03 01 I TÊN ĐÈ TÀI: Mô chế độ làm việc tháp chuyển hóa SO2 thành SO3 quy trình sản xuất axit sunfuric II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành ngành cơng nghiệp axit sunfuric, nghiên cứu quy trình sản xuất axit sunfuric cơng nghiệp - Tìm hiểu sở lý thuyết, tính chất lý hóa, ngun liệu, quy trình cơng nghệ sản xuất axit sunfuric - Thiết lập vấn đề, xây dựng mơ hình tốn học cho tháp chuyển hóa SO2 quy trình xản xuất axit sunfuric cơng nghiệp - Khảo sát thơng qua mơ hình ảnh hưởng yếu tố vận hành nhiệt độ (T), thành phần hỗn hợp ban đầu đến độ chuyển hóa (X) phân bố áp suất (P) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Tuấn Anh Tp HCM, ngày thảng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ 'tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên' chư ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký LỜI CẢM ƠN - Đầu tiên, xin gởi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Tuấn Anh người trực tiếp, tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận văn - Tôi xin ửân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật Hóa Vơ cơ, Q Thầy Cơ Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh trang bị cho kiến thức tảng nhiệt tình hỗ trợ tơi thời gian học tập thực luận văn - Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn bạn thực đề tài hỗ trợ chia thông tin giúp chủ động thời gian thực luận văn - Và cuối cùng, xin gởi lời cảm ơn đến thành viên gia đình, tạo điều kiện tốt ủng hộ mặt suốt thời gian học tập thực luận văn TÓM TẮT Axit sunfuric loại axit nguy hiểm cực độc môi trường sức khỏe người sản xuất, sử dụng không tuân theo quy tắc an tồn Do đó, việc sử dụng có hiệu axit sunfuric dùng mô để mô quy trình sản xuất axit sunfuric cơng nghiệp nhà máy nhu cầu cần thiết để bảo vệ mơi trường sống Nhà máy sản xuất axit sunfuric hoạt động nhiều việc đòi hỏi nâng cao hiệu suất, giảm chi phí nguyên liệu đầu vào giá thành sản phẩm vấn đề lớn đặt cho đội ngũ quản lý, kỹ sư vấn đề khó giải khơng dùng đến mơ Mô giúp hiểu rõ cơng đoạn q trình sản xuất, chiều hướng biến thiên sản phẩm tầm quan trọng thơng số q trình vận hành Luận văn sử dụng MATLAB để mơ q trình sản xuất axit sunfuric công nghiệp nhà máy giai đoạn bình phản ứng oxy hóa sunfur dioxit (SO2) thành SO3 ABSTRACT Sulfuric acid is a dangerous and toxic acid for the envừonment and human health if we produce, not in use it suitable with safety rules.Therefore, the effective use of sulfuric acid and use model in order to simulate industrial sulfuric acid production process in the plant which a critical need to protect our living environment The sulfuric acid plant is currently oprating very much, but demand to improve efficiency, reduce input costs and product costs are a big problem for the engineer and management team of company This problem will be very difficult to solve without using simulation Simulation helps US better understand the stages of production process, product's variable (Erection as well as important of parameters during the operation In the thesis, useMATLAB software to simulate industrial sulfuric acid production process in the plant which at oxidation stage from sulfur dioxide (SO 2)to oxide oxidation LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu cá nhân tác giả thực hướng dẫn Thầy TS Nguyễn Tuấn Anh, khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa TP.HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn toàn trung thực TP.HCM, ngày tháng 02 năm 2018 Tác giả Võ Ngọc Đức MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC V DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii KÍ HIỆU X CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Axit sunfuric (H2SO4) 1.2 Lịch sử ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric 1.3 Tình hình nghiên cứu axit sunfuric .4 1.4 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Nhiệm vụ ố CHƯƠNG Cơ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính chất vật lý H2SO4 2.2 Tính chất hóa học H2SO4 2.3 Các phương pháp tổng hợp H2SO4 2.3.1 Nguyên liệu sản xuất axit sunfuric 2.3.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất axit sunfuric 12 2.4 Lựa chọn công nghệ sản xuất H2SO4 từ lưu huỳnh .21 2.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị ttong q trình oxy hóa SO2 22 V 2.5.1 Tháp oxy hóa (tháp tiếp xúc hay tháp chuyển hóa) .22 2.5.2 Một số thiết bị trao đổi nhiệt 24 CHƯƠNG THIẾT LẬP VẤN ĐỀ 27 • 3.1 Vai trò mơ hình, mơ nghiên cứu nhà máy axit sunfuric [5] .27 3.2 Giới thiệu tổng quan phần mềm MATLAB 28 3.3 Mơ hình 30 3.4 Cấu trúc phản ứng oxy hóa SO2 thành SO3[11] 30 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu (To) 36 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ làm nguội (Ta): (khi To=777K) 41 4.3 Ảnh hưởng thành phần hỗn hợp ban đầu (khi To=777K) .43 4.4 Ảnh hưởng giải nhiệt (khi To=777K) 48 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 58 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 59 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Nhiệt độ kết tinh hợp chất H2O SO3[7] Hình 4.14 Nhiệt độ phản ứng khỉ thành phần ban đầu (13% so 2,8% Ơ2, 79% N2) To=777K Ũ.13 &Ũ.03 Hình 4.15 Áp suất phản ứng thành phần ban đầu (13% SO2,8% Ơ2, 79% N2) với To=777K 4 0/13 &0J® 0.25 F (âõỉ) FfO2) F ra03) ũữ' 1ữ 15 2Ũ 25 M W(Kg) Hình 4.16 Lưu lượng moi lại thành phần ban đầu (13% SƠ2,8% O2, 79% N2) với To=777K - Khỉ tăng thành phần SO2 ban đầu (0,11^0,13) đồng thời giảm O2 ban đầu (0,10^0,08) cho giữ nguyên N2 ban đầu ta thấy: + Độ chuyển hóa (X) giảm từ 0,91->0,75 + Nhiệt độ phản ứng cưc đại thu giảm từ 850K ->847K + Nhưng áp suất phản ứng (l,32atm) + Lưu lượng mol (Fi) thay đổi so với thành phần hỗn hợp gốc ban đàu SO2: giảm từ 0,22^ 0,06 O2: giảm từ 0,14^ 0,06 SO3: tạo thành từ 0,17 b Giảm SƠ2 (0,11 ->0,09), tăng O2 (0,10—>0,12) giữ nguyên N2 Hình 4.17 Độ chuyển hóa thành phần ban đầu (9% SO2,12% O2, 79% Na) vởi To=777K Hình 4.18 Nhiệt độ phản ứng khỉ thành phần ban đầu (9% SO2,12% O2, 79% N2) với To=777K Hình 4.20 Lira lượng moi lại khỉ thành phần ban đầu (9% SƠ2,12% 02,79% N2) với To=777K - Khi giảm thành phần SƠ2 ban đầu (0,11—>0,09) đồng thời tăng O2 ban đầu (0,10>0,12) cho giữ nguyên N2 ban đầu ta thấy: + Độ chuyển hóa (X) tăng từ 0,91 ">0,98 + Nhiệt độ phản ứng cưc đại thu tăng từ 850K ->861K + Nhưng áp suất phản ứng (l,32atm) + lưu lượng mol (Fi) thay đổi so với thành phần hỗn hợp gốc ban đầu SO2: giảm từ 0,15^ 0,01 O2: giảm từ 0,20-^ 0,13 SO3: tạo thành từ -> 0,15 Ảnh hưởng gỉảỉ nhỉệt (khỉ To=777K) Cor^TOtn 4.4 Hình 4.21 Độ chuyển hóa có khơng có giải nhiệt với To=777K Pnssiindirin;Tủ^írtỉHlư-tiKi Hình 4.22 Nhiệt độ phản ứng khỉ cổ không cổ giải nhiệt với To=777K Tu-ITTtí i.-iiim qi.