ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ PHÂN LY KHÔNG KHÍ

TỔNG QUAN VỀ NITƠ I.1 Giới thiệu chung Nitơ (N) là một nguyên tố hóa học có thứ tự là 7.Trong điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu, không mùi, không vị và khá trơ; không tham gia các phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng. Nitơ chiếm khoảng 78,09% khí quyển trái đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axít amin,amôniắc, axít nitric và các xyanua. Liên kết hóa học cực kỳ bền vững giữa các nguyên tử nitơ gây khó khăn cho cả sinh vật và công nghiệp để chuyển hóa nitơ thành các hợp chất hóa học hữu dụng, nhưng đồng thời cũng giải phóng một lượng lớn năng lượng hữu ích khi cháy, nổ hoặc phân hủy trở lại thành khí nitơ. Các amoniac và nitrat được tổng hợp là các loại phân công nghiệp chính và phân nitrat là các chất ô nhiễm chính gây ra hiện tượng phú dưỡng môi trường nước. Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn.Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ (cùng với khí thiên nhiên) được chuyển hóa thành amôniắc (thông qua phương pháp Haber). Amôniắc, trong lượt của mình, có thể được sử dụng trực tiếp (chủ yếu như là phân bón), hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác, bao gồm thuốc nổ, chủ yếu thông qua việc sản xuất axít nitric theo phương pháp Ostwald. Các muối của axít nitric bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như xanpet (hay diêm tiêu trong lịch sử nhân loại nó là quan trọng do được sử dụng để làm thuốc súng) và nitrat amôni, một phân bón hóa học quan trọng. Các hợp chất nitrat hữu cơ khác, chẳng hạn trinitrôglyxêrin vàtrinitrotoluen (tức TNT), được sử dụng làm thuốc nổ. Axít nitric được sử dụng làm chất ôxi hóa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng.Hiđrazin và các dẫn xuất của nó được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa.

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ LỊCH SỬ CƠNG NGHỆ PHÂN LY KHƠNG KHÍ I/ TỔNG QUAN VỀ NITƠ I.1 Giới thiệu chung Nitơ (N) nguyên tố hóa học có thứ tự 7.Trong điều kiện bình thường chất khí khơng màu, khơng mùi, không vị trơ; không tham gia phản ứng hóa học nhiệt độ phịng Nitơ chiếm khoảng 78,09% khí trái đất thành phần thể sống Nitơ tạo nhiều hợp chất quan trọng axít amin,amơniắc, axít nitric xyanua Liên kết hóa học bền vững nguyên tử nitơ gây khó khăn cho sinh vật cơng nghiệp để chuyển hóa nitơ thành hợp chất hóa học hữu dụng, đồng thời giải phóng lượng lớn lượng hữu ích cháy, nổ phân hủy trở lại thành khí nitơ Các amoniac nitrat tổng hợp loại phân cơng nghiệp phân nitrat chất nhiễm gây tượng phú dưỡng mơi trường nước Phân tử nitơ khí tương đối trơ, tự nhiên bị chuyển hóa chậm thành hợp chất có ích mặt sinh học công nghiệp nhờ số thể sống, chủ yếu vi khuẩn.Khả kết hợp hay cố định nitơ đặc trưng quan trọng cơng nghiệp hóa chất đại, nitơ (cùng với khí thiên nhiên) chuyển hóa thành amơniắc (thơng qua phương pháp Haber) Amơniắc, lượt mình, sử dụng trực tiếp (chủ yếu phân bón), hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác, bao gồm thuốc nổ, chủ yếu thơng qua việc sản xuất axít nitric theo phương pháp Ostwald Các muối axít nitric bao gồm nhiều hợp chất quan trọng xanpet (hay diêm tiêu- lịch sử nhân loại quan trọng sử dụng để làm thuốc súng) nitrat amôni, phân bón hóa học quan trọng Các hợp chất nitrat hữu khác, chẳng hạn trinitrôglyxêrin vàtrinitrotoluen (tức TNT), sử dụng làm thuốc nổ Axít nitric sử dụng làm chất ơxi hóa tên lửa dùng nhiên liệu lỏng.Hiđrazin dẫn xuất sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa I.2 Một số thông số vật lý Số nguyên tử :7 Khối lượng phân tử : 14,0067 g/mol Nhiệt độ sôi :77,36K Nhiệt độ nóng chảy : 63,15 K Độ âm điện : 3,04 (Thang Pauling) Năng lượng ion hóa : Thứ nhất: 1402,3 kJ·mol−1 Thứ hai: 2856 kJ·mol −1 Thứ ba: 4578,1 kJ·mol −1 I.3 Tính chất hóa học đặc trưng 3.1 Tính Ơxy hóa -Tác dụng với kim loại : 3Mg + N2 => Mg3N2 -Tác dụng với hidro : N2 + 3H2 2NH3 3.2 Tính khử N2 + O2 => 2NO N2 + O2 => 2NO2 I.4 Điều chế bảo quản 4.1 Trong phịng thí nghiệm NH4NO2 => N2 +2H2O NH4Cl + NaNO2 => N2 + NaCl +H2O 4.2 Trong công nghiệp Nitơ lỏng sản xuất theo quy mơ cơng nghiệp cách hóa lỏng khơng khí tách từ khơng khí lỏng Nitơ sau sản xuất phân thành hai loại Nitơ thông thường có tỷ lệ N2 lớn 99,95% Nitơ có độ cao có tỷ lệ N2 lớn 99,9998% Nitơ bảo quản bình thép Nếu vận chuyển với số lượng lớn Nitơ cung cấp dạng hóa lỏng bình chứa siêu lạnh Các bình Nitơ thường có vỏ màu đen, chữ màu vàng I.5 Ứng dụng Nitơ chất quan trọng dùng để sản xuất loại phân bón, hợp chất oxy hóa, nhiên liệu lỏng cho tên lửa Nitơ phân tử sử dụng nhiều công nghệ bảo quản chống lại oxi hóa chất làm lạnh phổ biến Nitơ sử dụng sản xuất linh kiện điện tử, sản xuất thép không gỉ, bơm vào lốp oto máy bay, sử dụng thiết bị làm lạnh, sử dụng làm nguốn làm mát để tăng tốc CPU, GPU hay dạng phần cứng khác Trong công nghiệp thực phẩm : N2 cách hữu hiệu để mang lại lợi nhuận, ngăn chặn vi khuẩn tăng trưởng, làm giảm trình oxy hóa, bảo quản sản phẩm hương vị kết cấu, tăng thời hạn sử dụng sản phẩm Trong công nghệ hàn: Nito dùng để hàn đồng hợp kim đồng thay Heli có giá thành thấp lượng nhiệt cung cấp cao Trong dược phầm : Hầu hết ứng dụng N2 dược phẩm để phủ, làm trơ, sục khí, chống oxy hóa giảm cháy… II/ Lịch sử cơng nghệ phân ly khơng khí Các thành phần có khơng khí (Nitơ, Oxy, Argon …vv) thường thành phần ứng dụng cơng nghệ hóa học.Với số lượng lớn sản phẩm khí có độ tinh khiết cao sử dụng nhiều ngành công nghiệp, bao gồm thép, hóa chất, chất bán dẫn, hàng khơng, lọc dầu, chế biến thực phẩm, ngành công nghiệp y tế Khơng khí nhiệt độ thấp (-196 0C) trở thành dạng lỏng chưng cất khơng khí để tách thành phần Chưng cất khơng khí kỹ thuật thường sử dụng để sản xuất tinh khiết oxy, nitơ argon quy mô công nghiệp Lịch sử phân ly khơng khí có thời gian dài Năm 1877 đồng thời với nhà vật lý Pháp Kalete, nhà vật lý Thụy Sĩ Piete phương pháp khác lần điều chế giọt khơng khí lỏng Vào năm 1883 hai nhà bác học Ba Lan Olreveki Vrobleveki điều chế lượng lớn khơng khí lỏng Chẳng hóa lỏng khí cịn lại Năm 1895 Linde xây dựng thiết bị hóa lỏng khơng khí Linde dùng biện pháp nén khơng khí đến áp suất cao sau cho giãn nở đột ngột (tiết lưu) để hóa lỏng khơng khí Năm 1902 Klod lần dùng máy giãn nở để hóa lỏng khơng khí Những biện pháp mở dần cho kỹ nghệ làm lạnh thâm độ để phân ly hỗn hợp khí Do nhu cầu ngành cơng nghiệp khác, kỹ thuật phân ly khơng khí phương pháp lạnh thâm độ không ngừng phát triển, vài chục năm gần đây, trở thành phương pháp quan trọng PHẦN II : CƠ SỞ HĨA LÝ Q TRÌNH PHÂN LY KHƠNG KHÍ II.1 Cơ sở lý thuyết Hóa lỏng hỗn hợp khí,sau dùng phương pháp chưng tách cấu tử để đạt cấu tử riêng rẽ;hoặc hóa lỏng theo dạng ngưng tụ phần,tương ứng với phí điểm khác thể lỏng với thành phần riêng rẽ phương pháp ứng dụng rộng rãi nay.Trong công nghiệp ứng dụng rộng rãi hai trình : Q trình hóa lỏng khơng khí,sau chưng tách sản phẩm có độ theo yêu cầu thiết kế : nitơ,ơxy,các khí trơ khác Ar,Ne,Kr,Xe,He… gọi cơng nghệ phân ly khơng khí Q trình ngưng tụ,hóa lỏng phần khí than cốc lấy hydro gọi cơng nghệ phân ly khí than cốc,tách hydro (bao gồm phân ly hỗn hợp cacbuahydro khác ).Tất trình gắn với trình làm lạnh Q trình hóa lỏng khí thực nhiệt độ thấp phương pháp sau: - Giãn nở khí cao áp,trong điều kiện đoạn nhiệt, khơng sinh cơng hay cịn gọi q trình tiết lưu; - Giãn nở khí cao áp, điều kiện đoạn nhiệt, có làm cơng với bên ngồi hay cịn gọi q trình giãn nở sinh cơng II.1.1 Q trình tiết lưu hiệu ứng Jun – Tomson - Tiết lưu q trình dịng chất mơi chất qua tiết diện bị co hẹp đột ngột Ví dụ van đóng mở đường ống, xem tiết lưu máy lạnh Trong trình tiết lưu, áp suất chất môi chất giảm xuống, khơng sinh cơng bên ngồi Sở dĩ áp suất giảm xuống tiết lưu tạo dịng xốy, ma sát mạnh Tiết lưu q trình khơng thuận nghịch Độ giảm áp qua van tiết lưu phụ thuộc vào tốc độ dòng mức độ giảm tiết diện Tốc độ cao, tiết diện giảm nhiều thí áp suất giảm nhiều Quá trình tiết lưu tiến hành nhanh Lượng nhiệt trao đổi chất môi chất mơi trường bé, khơng xét đến, nên q trình tiết lưu coi đoạn nhiệt, khơng thuận nghịch nên khơng phải q trình đẳng entropi Như “ Quá trình giảm áp hỗn hợp khí có áp suất cao xuống áp suất thấp điều kiện đoạn nhiệt, khơng làm cơng với bên ngồi gọi trình tiết lưu” Để xét đặc điểm trình tiết lưu, xét phương trình lượng dòng: Q = I + + LT Khi chất môi giới qua tiết lưu, không làm công kĩ thuật nên LT = Vì tốc độ khơng thay đổi nên = 0, lại trình đoạn nhiệt nên Q = Do đó, đặc điểm q trình tiết lưu enthalpy khơng thay đổi I = hay I1 = I2 Hiệu ứng hạ nhiệt độ tiết lưu gọi hiệu ứng Jun-Tomson Người ta phân biệt hiệu ứng Jun-Tomson dạng vi phân tích phân: Hiệu ứng vi phân αi: Đặc trưng cho biến thiên vô nhỏ nhiệt độ hỗn hợp khí tương ứng với biến thiên vơ nhỏ áp suất Hiệu ứng biểu diễn phương trình: αi =( )i=const dT = αi.dP i = const, có nghĩa q trình xảy đoạn nhiệt enthalpy i khơng đổi Có thể tách αi theo phương trình vi phân i: di = Cp.dT + [ V – T.( )P ].dP Thay di = ta có: dT = dP Từ suy ra: αi = Vì trình tiết lưu áp suất (P) làm hàm giảm α lớn nhỏ nên nhiệt độ tăng giảm  Nhiệt độ giảm αi > 0, nghĩa khi: – V > T >  Nhiệt độ tăng αi < 0, nghĩa khi: – V < T <  Nhiệt độ không đổi αi = 0, nghĩa khi: – V = T = Như vậy, tùy theo nhiệt độ, áp suất chất thể khí ban đầu khác mà qua tiết lưu nhiệt độ tăng, giảm khơng đổi Khi qua tiết lưu mà nhiệt độ khơng đổi (αi = 0) nhiệt độ ban đầu gọi nhiệt độ điểm chuyển.Từ xây dựng đồ thị biểu diễn T = xác định điểm chuyển - - Đối với q trình khí lý tưởng: Phương trình trạng thái có dạng: P.V = R.T Suy ra: V = Nên ta có: = αi = T – V = – V = Như qua tiết lưu nhiệt độ khí lý tưởng khơng đổi Đối với khí thực: Tuân theo phương trình van-der-Waals: (P + ).( V – b ) = R.T Với: - đặc trưng cho lực hút phân tử; – hiệu chỉnh thể tích thể tích bội phân tử khí Đặt lực đẩy phân tử Từ phương trình rút ra: P= – Lấy đạo hàm V theo T va rút ra: = Thay vào αi ta có: αi = Suy ra: αi = Ở đây: – đặc trưng cho lực hút phân tử  Nếu lựu hút lớn lực đẩy, có nghĩa > b αi = > Trong trường hợp này, hiệu ứng tiết lưu dương khí tiết lưu làm lạnh  Nếu đẩy phần tử lớn lực hút, có nghĩa < b α i = , suy ra: > Như vậy, hiệu ứng lạnh nhận giãn nở khí có sinh cơng bên ngồi lớn tiết lưu tự Nếu nhiệt độ cao, áp suất tương đối thấp, thể tích phân tử lớn > Ngược lại, nhiệt độ thấp, áp suất cao, tỉ trọng dần tới Từ có: thể hiệu ứng nở sinh cơng ln dương Dạng tích phân hiệu ứng nở sinh công: Ts = T2 – T1 = = – So sánh ưu nhược điểm trình Quá trình giãn nở sinh cơng có ưu điểm : cơng tiêu hao cho đơn vị thể lỏng thấp q trình tiết lưu nở sinh cơng thu hồi phần công Nếu nhiệt độ , áp suất , thể tích ban đầu giãn nở sinh cơng có nhiệt độ cuối thấp nên thu lượng lỏng nhiều trình tiết lưu Nhược điểm : q trình giãn nở sinh cơng có máy giãn nở phức tạp tiết lưu, lớn dễ hóa lỏng máy sinh cơng gây nổ II.1.3 Các đồ thị thường gặp nghiên cứu tính tốn lạnh thâm độ: Trong nghiên cứu tính tồn thường gặp đồ thị T – S, P – i, T – i Trên đồ thị T – S trục tung biểu thị cho nhiệt độ, trục hồnh cho entropi Trong hệ trục có đường cong đẳng áp đẳng entropi Mỗi điểm hệ trục có trị số tương ứng: Nhiệt độ, áp suất, entropi, entanpi Trên đồ thị T – S cho phép ta xác định hiệu ứng tích phân tiết lưu hay giãn nở sinh công so sánh giá trị tuyệt đối hai tượng H ình 1.Đồ thị T-S khí Nitơ II.2 Những chu trình hóa lỏng theo lý thuyết II.2.1 Chu trình lý tưởng Hình Đồ thị T – S chu trình lý tưởng Chu trình hóa lỏng cần cung cấp từ ngồi vào cơng để hóa lỏng hồn tồn đơn vị thể khí, q trình thuận nghịch, công tiêu hao nhỏ hay cịn gọi chu trình lý tưởng Trên đồ thị T – S chu trình hóa lỏng lý tưởng tiến hành theo trình tự sau: - Nén đẳng nhiệt hỗn hợp khí từ trang thái đến trạng thái đến trang thái ( S= const ) Ngưng tụ đẳng nhiệt theo đường – ; Bay đẳng áp theo đướng – Công cực tiểu để làm khí áp suất khơng đổi xác định theo phương trình: Lmin = T1.(S1 – S2 ) – ( i1 – i3) = T1.S – i Ở đây, S1, S2, i1, i2 tương ứng với entropi entanpi khí trước nén nhiệt độ T1 sau hóa lỏng T1- nhiệt độ ban đầu khí Trong cơng thức trên: T1.S = T1.(S1 – S2 ) lượng nhiệt nước mang ( lượng lạnh cần thiết lưu thông) để thực q trình hóa lỏng Cơng cực tiểu L diện tích 1234 Cơng cực tiểu phải cung cấp cho hệ hóa lỏng 1kg khơng khí at 17 0C 0.189 kW.h/kg Công tiêu hao cho chu trình thực lớn số liệu nhiều vì: thực tế khơng thể tiến hành theo chu trình lý tưởng muốn thực chu trình áp suất trạng thái phải lớn I II.2.2 Các chu trình hóa lỏng dựa vào tiết lưu II.2.2.1 Chu trình tiết lưu lần (Linde): Hình 3.Chu trình tiết lưu lần đồ thị T – S chu trình Đây chu trình đơn giản nhất, đồ thị T – S, chu trình tiến hành theo sau: Khơng khí máy nén đến 200 at (đoạn – ) Sau làm lạnh vào thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh ngược chiều dịng khí khơng ngưng tụ ( đoạn – ) khí lạnh tiết lưu ( đoạn – ) vào thiết bị tách riêng lỏng Ở phần khơng khí hóa lỏng tách ra, khơng khí khơng hóa lỏng dạng bão hịa khơ ( điểm nằm đường cong giới hạn) vào khoảng không gian ống thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh khí cao áp trước tiết lưu Nếu trình trao đổi nhiệt hồn tồn trở trạng thái ban đầu (P1,T1) theo đường – Xác định lượng lỏng thu nén kg không khí cách lập phương trình cân nhiệt qua mặt cắt A – A Nếu gọi lượng lỏng thu x kg ta có: i2 = x.io + (1 – x).i1 suy ra: x = Nếu kể tổn thất nhiệt thì: x= Trong đó: i0- entanpi khơng khí lỏng at, kJ/kg; i1- entanpi khơng khí at, kJ/kg; i2- entanpi khơng khí 200 at, kJ/kg; q2- mát lượng lạnh truyền nhiệt khơng hồn tồn; q3- mát nhiệt dung môi trường xung quanh Công tiêu hao q trình nén đơn vị khí: L = ln (J/kg) Công tiêu hao để thu kg khơng khí lỏng: L = ln (J/kg) R- số khí, khơng khí R= 287 J/kg.độ; T- nhiệt độ, K; - hiệu suất máy nén; P1, P2- áp suất trước sau nén, at II.2.2.2 Chu trình Linde,có thiết bị làm lạnh NH3 Hình 4.Chu trình Linde có thiết bị làm lạnh NH3 đồ thị T-S Trong trường hợp làm lạnh sơ khơng khí đến -45 0C nhờ chu trình có thiết bị làm lạnh amoniac kinh tế hạ thấp nhiệt độ trước lúc tiết lưu, lượng lỏng thu nhiều Trên đồ thị T – S hỗn hợp khí ban đầu có P 1.T1 điểm nén đẳng nhiệt tới điểm (P1, T1) làm lạnh đến trạng thái hỗn hợp khí lạnh khơng hóa lỏng sau vào trao đổi nhiệt với NH lỏng bay Khí làm lạnh tới T hỗn hợp khí khơng hóa lỏng, sau qua van tiết lưu, thu x kg lỏng (1 – x) kg khí điểm Lượng khí dùng để làm lạnh khí cao áp trước tiết lưu Thành lập cân nhiệt qua mặt cắt A – A để tính lượng lỏng: i4 = x.io + (1 – x).i’ x= Như lượng lạnh thu chu trình lớn so với chu trình có x = vì: = < i1 , x tăng lên Công tiêu hao để nén đơn vị khối lượng khí gồm cơng nén đẳng nhiệt đơn vị khí cơng chu trình lạnh đơng cung cấp lạnh cho hệ thống dạng NH3 bay hơi: L = ln + - hệ số lạnh đơng, tính lượng lạnh thu tiêu tốn đơn vị cơng, kcal/kW.h; - nhiệt hóa NH3, kcal/kg; II.2.2.3 Chu trình Linde tuần hồn hai áp lực: Hình 5: Chu trình hai áp lực đồ thị T – S chu trình Lượng lỏng thu gần tỉ lệ với hiệu số áp suất trước sau nén Nhưng công tiêu hao tỷ lệ với ln Như nén từ đến 150 at P=149 at cơng thức tiêu hao tỷ lệ thuậ với ln Nhưng nén từ 50 đến 200 at P = 150 at cơng tiêu hao tỷ lệ thuận với ln Có nghĩa với lượng thể lỏng xấp xỉ nhau, song cơng tiêu hao giảm được: 3.6 lần Chu trình thực sau: Hỗn hợp khí trạng thái (P 1,T1) nén đẳng nhiệt tới P tiếp tục nén tới P3 (điểm 3) vào làm tới T Khí lạnh tiết lưu ( đoạn – 5) thu m khối lượng (điểm 6) (1 – m) kg khí P ứng với điểm quay trở máy nén m kg lỏng tiết lưu lần từ P xuống P1 ( đoạn – 7) thu x kg lỏng (m – x) kg khí quay trở làm lạnh khí cao áp Lập phương trình cân nhiệt qua mặt cắt A – A để tính lượng lỏng thu được: i3 = (1 – m).i2 + (m - x).i1 + x.i0 từ ta có: x= Cơng tiêu hao để nén kg khí: L = (ln – m ln) II.2.2.4 Chu trình song song sử dụng hai hiệu ứng –tiết lưu giãn nở sinh cơng Claude Hình 6.Chu trình Claude đồ thị T-S Khơng khí T1, P1 nén đẳng nhiệt đến T 1, P2 ( đường – 2) sau làm lạnh thiết bị trao đổi nhiệt A Nhiệt độ giảm đến T ( đường – 3) Từ thiết bị ra, khí chia làm phần : (1 – m) kg vào giãn nở máy sinh công (đoạn – 4) m kg tiếp tục làm lạnh thiết bị trao đổi nhiệt B, C ( đoạn – – 6), nhiệt độ giảm tới T6 ngưng tụ Khơng khí lỏng từ khoảng khơng ống qua van tiết lưu từ at đến 1.3 at vào thùng chứa Khơng khí giãn nở từ máy sinh công toocbin vào ống thiết bị ngưng tụ vào thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi Lượng lỏng thu nén kg khí: x= Việc sử dụng chu trình khơng khí áp suất thấp cho phép đặt thiết bị thu hồi nhiệt, nhờ khơng cần phải làm khơ sơ khơng khí làm CO khơng khí Đối với chu trình thu khơng khí bị lẫn dầu Mặt khác, thân thiết bị có hiệu suất cao so với máy giãn nở pitton II.3 Q trình chưng phân ly khơng khí II.3.1 Thành phần khơng khí Khí quyển, chủ yếu Nito (78.09%), oxy (20.95%) Argon (0.93%) Trong khơng khí cịn có cẩu tử với hàm lượng nhỏ Ne, He, Kr, Xe, H Một lượng lớn CO2 (0.03%) lượng nhỏ ozon Trong khơng khí có nước, hàm lượng thay đổi phụ thuộc nhiều yếu tố Ngoài thành phần khơng khí cịn có lượng nhỏ hay thay đổi khí NH 4, CO, N2O nhiều khí cơng nghiệp tự nhiên khác Trọng lượng trung bình khơng khí khơ 28.966 Thành phần khơng khí khơ bảng đây: Khí N2 O2 Ar CO2 Ne Hàm lượng %V 78.09 20.95 0.93 0.03 1.8x10-3 Khối lượng riêng P0, T1 kg/m3 1.25046 1.42900 1.78400 1.97700 0.89990 Phân tử lượng 28.016 32.000 39.994 44.010 20.183 Nhiệt độ sôi 1at, K 77.360 90.190 87.290 194.710 27.070 He Kr Xe H2 O3 5.24x10-4 1.0x10-4 8.0x10-6 5.0x10-5 1.0x10-6 0.74460 3.74000 5.85100 0.08988 2.14400 4.003 83.800 131.300 2.016 48.000 4.215 119.750 165.000 20.390 161.250 Như khơng khí hỗn hợp nhiều cấu tử có thành phần khác nhau, phí điểm áp suất atm số cấu tử khác không nhiều Các khí Ne, He, Kr, Xe khơng ảnh hưởng đến trình chưng cất hàm lượng chúng khơng khí nhỏ nhiệt độ sơi chúng khác xa nhiệt độ sôi cấu tử chủ yếu N O2 Còn Ar thành phần chúng có ảnh hưởng đến q trình chưng cất khơng khí nhiệt độ sơi 87.29K nằm điểm sôi N (77.36K) O2 (90.19K) Tùy theo yêu cầu sản xuất cơng nghiệp mà tính tốn coi khơng khí hệ hai cấu tử N2 O2 hệ ba cấu tử N2 – O2 – Ar II.3.2 Làm khí Như trình bày trên, khơng khí ngồi thành phần N O2, cịn có lẫ nhiều tạp chất cần phải làm bụi, nước, CO 2, C2H2 II.3.2.1 Khử bụi khỏi hỗn hợp khí: Trong q trình làm việc, bụi có ảnh hưởng tới q trình hoạt động thiết bị Bụi lắng lại làm tắc thiết bị đướng ống, đặc biệt thiết bị trao đổi nhiệt, khơng khí trước phân ly cho qua trao đổi nhiệt với N O2 ống lồng ống làm tắc thiết bị Trong thiết bị phân li khơng khí, bụi ảnh hưởng trực tiếp tới q trình Hàm lượng bụi khơng khí ngồi thành phần lẫn bụi Hàm lượng bụi khoảng 0.002 – 0.02 g/cm Để làm bụi khỏi khơng khí thường dùng phương pháp rửa nước, cho qua màng lọc dầu gồm vòng đệm thấm ướt dầu Trong thiết bị suất lớn, người ta sử dụng thiết bị lọc tự làm có lưới lọc di động II3.2.2 Khử nước khỏi hỗn hợp khí: Trước vào phân ly, phải làm khơ khơng khí, tức khử nước khỏi Vì nước bị đóng băng thiết bị trao đổi nhiệt tắc thiết bị, ảnh hưởng tới trình sản xuất Nhiều phải ngừng sản xuất Độ ẩm khơng khí thường thay đổi, phụ thuộc vào điều kiện môi trường Hàm ẩm khơng khí bão hịa nước nhiệt độ khác sau: T 0C Hàm ẩm g/m3 T 0C Hàm ẩm g/m3 40 30 20 10 50.91 30.21 17.22 9.39 4.89 -10 -20 -30 -40 -50 2.31 1.01 0.44 0.117 0.038 Để làm khô không khí, thường dùng phương pháp sau:  Hấp phụ Silicagel: Silicagel (SiO 2.H2O) điều chế khử nước keo hydrat hóa axit silic Kích thước hạt Silicagel – mm Sau làm khơ Silicagel, hàm lượng ẩm khơng khí khơng 0.03%/m Điểm sương tương ứng -520C  Hấp phụ oxit nhơm hoạt tính: oxit nhơm hoạt tính ( 92% Al 2O3.H2O cịn lại SiO2, NaO2 FeO) Điều chế khử nước trihydrat oxit nhơm Oxit nhơm hoạt tính có độ bền học lớn so với Silicagel hấp phụ ẩm tốt Sau làm khô oxit nhôm hoạt tính, hàm ẩm khơng khí giảm xuống cịn 0.005 g/cm3, điểm sương tuong ứng -640C Sự tái sinh chất hấp phụ cách cho dòng N đến 170 – 1800C Silicagel, oxit nhơm hoạt tính nhiệt độ dịng N2 245 – 2700C Để hấp phụ ẩm cịn sử dụng dạng Zeolit tinh thể nhôm silicat Na K  Làm khơ nhờ đóng băng: Trong số trường hợp hệ thống thiết bị phân ly khơng khí làm việc theo chu trình áp lực làm lạnh NH Sự làm khô không khí thực thiết bị làm lạnh Hơi nước đóng băng thiết bị sau thời gian dịng khơng khí đổi chiều đi, làm băng tan tháo Sau qua làm lạnh NH3, ẩm 0.067 g/m3 Điểm sương tương ứng -450C II.3.2.3 Khử CO2 khỏi khơng khí: Trong chu trình làm việc hệ thống, khơng làm CO gây đóng băng, làm tắc đường ống thiết bị Vỉ nhiệt độ làm việc thấp nên CO bị đóng băng Mặt khác, CO cịn gây nổ thiết bị Các phương pháp phổ biến để làm CO2 rửa chất hấp thụ lỏng, đóng hấp thụ nhiệt độ thấp  Quá trình khí phương pháp rửa: Phương pháp rửa dựa tương tác hóa học CO2 với chất hấp thụ dựa vào độ hòa tan CO chất lỏng rửa khơng có phản ứng hóa học (q trình hâp thụ), chất lỏng thường dùng là: dung dịch kiềm (NaOH, KOH), nước, dung dịch monoetanol, rượu metanol Sự làm khơng khí kiềm thự nhờ dung dịch nước NaOH KOH 7- 12 % theo phản ứng: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O Hệ số sử dụng dung dịch kiềm thường 90% Để hấp thụ 1kg CO theo lý thuyết cần có 1.82 kg NaOH 2.55 kg KOH Sự làm thường áp suất cao áp suất khí ( khí sau cấp nén cấp) Lượng CO cịn lại khơng khí sau kiềm nhỏ 0.002% thể tích Nước có khả làm giảm hàm lượng CO2 khí đến 0.4 – 0.6%, monoetanol làm giảm CO2 đến 0.04 – 0.05% Các phương pháp thường sử dụng để làm sơ hỗn hợp khí có hàm lượng CO lớn khí cốc (3 – 4% CO2), khí thiên nhiên (CO2 > 0.8%)  Làm CO2 đóng băng: Sự làm CO khỏi hỗn hợp khí đóng băng CO2 thực thiết bị tích nhiệt thiết bị thu hồi nhiệt Trong thiết bị làm CO2 phối hợp với làm khô không khí Mức độ làm CO2 phương pháp phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh hỗn hợp khí, thường sử dụng hệ thống thiết bị có thiết bị tích nhiệt Ngồi khử CO2 nhờ phương pháp hấp phụ Silicagel kẽm, Zeolit NaX II.3.2.4 Làm Axetylen khỏi khơng khí Sự làm axetylen khỏi khơng khí có ý nghĩa to lớn đến an tồn hệ thống thiết bị Sự tích tụ lượng lớn axetylen dẫn đến nổ thiết bị Do áp suất riêng phần axetylen nhỏ khơng thể tách từ khơng khí thiết bị trao đổi nhiệt, buồng tách nhiệt Độ hòa tan C 2H2 khơng khí lỏng, O2 N2 lỏng bão hịa axetylen lỏng, axetylen nhanh chóng tách dạng rắn Phương pháp làm axetylen bảo vệ thiết bị hấp thụ axetylen Silicagel Bình thường axetylen hấp thụ từ lỏng bay chuyển từ tháp lên tháp Để hấp thụ dùng Silicagel KCK KCM Khơng khí sau làm thực chu trình hóa lỏng tồn khơng khí Sau q trình chưng phân ly khơng khí lỏng II.3.3 Q trình chưng phân ly khơng khí lỏng II.3.3.1 Cân lỏng – hệ N2 – O2: Ở điều kiện áp suất at N2 sôi -196 ,O2 sôi -183 Như khoảng chênh lệch nhiệt độ sôi O2, N2 -13 , sản phẩm đỉnh tháp N2 , sản phẩm đáy tháp O2 Đồ thị T-P-X-Y trạng thái cân hệ O2- N2 Hình 7.Đồ thị T-P-X-Y trạng thái cân hệ N2 –O2 Từ đồ thị ta thấy nhiệt độ sôi, áp suất làm việc thấp thành phần cấu tử dễ bay N2 pha pha lỏng khác nhiều Do áp suất thấp trình chưng luyện dễ Vì khơng khí, ngồi N2 O2 ra, cịn có Ar chiếm tỷ lệ đáng kể, phí điểm Argon nằm O N2 Do đó, hệ chưng luyện hai cấu tử ( khơng tách Ar khỏi tháp) khơng thể đồng thời thu N2 lẫn O2 Nếu chưng luyện hệ cấu tử phải xét đến đồ thị cân lỏng hệ ba cấu tử II.3.3.2 Nguyên lý thiết bị chưng phân ly khơng khí Trong cơng nghiệp nay, thơng thường dùng hai loại tháp chưng: tháp chưng đơn tháp chưng luyện kép  Tháp chưng đơn thực chất tháp chưng thơng thường có đoạn tinh luyện Hình 8: Tháp chưng đơn Khơng khí cao áp qua đáy tháp thiết bị ngưng tụ bay dịng chất gia nhiệt để đun sơi sản phẩm đáy tháp, đồng thời phần biến thành lỏng Khơng khí lỏng qua van tiết lưu giảm áp hóa lỏng đổ vào ngăn tiếp liệu đỉnh tháp Sản phẩm đỉnh tháp N2 đưa qua thiết bị lạnh vào thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh khí cao áp Sản phẩm đáy tháp O đưa sang thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh khí cao áp Trong hệ thống sản lượng thấp yêu cầu nồng độ không cao lắm, người ta thường dòng tháp  Tháp chưng kép: gồm hai phần: Phần dưới: tháp áp suất cao thông thường làm việc – 7at; Phần trên: tháp áp suất thấp thông thường làm việc 1.3 – 1.5at; Ở hai tháp có thiết bị ngưng tụ bay có nhiệm vụ làm ngưng tụ N tháp dưới, bốc O2 tháp Hình 9: Tháp chưng kép Khơng khí cao áp sau làm lạnh đưa vào đáy tháp chưng dưới, khơng khí lỏng bốc Sau đó, qua van tiết lưu giảm áp từ áp suất cao xuống – 7at hóa lỏng phần khơng khí đổ vào ngăn tiếp liệu tháp Qua trình chưng luyện tháp, ta sản phẩm đáy khơng khí lỏng giàu oxy đỉnh tháp nito Sản phẩm đáy giàu oxy (38 – 40%) qua van tiết lưu giảm áp từ 6at xuống 1.5at đổ vào ngăn tiếp liệu tháp Sản phẩm đỉnh tháp nito, truyền nhiệt cho tháp đóng vai trò chất gia nhiệt đáy tháp chưng áp suất thấp Sau ẩn nhiệt bay hơi, nito hóa lỏng, phần làm dung dịch hồi lưu cho tháp dưới, phần tách qua van tiết lưu giảm áp suất tới 1.5at làm dung dịch hồi lưu cho đỉnh tháp Qua trình chưng luyện, tháp ta sản phẩm đáy tháp oxy, sản phẩm đỉnh tháp nito qua thiết bị lạnh thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh khí cao áp Muốn thu đồng thời hai khí nito oxy cần tách Argon Ar lấy vùng đĩa thứ 12 tháp kể từ đáy tháp Ở vùng nồng độ Ar tương đổi lớn (có thể tới 10%) Muốn thu Ar có nồng độ cao, phải tiến hành chưng luyện lần hai Ngoài đỉnh thiết bị ngưng tụ bay khí trơ H 2, He tích tụ dần cần phải định kỳ xả bỏ PHẦN III : BIỆN LUẬN VÀ CHỌN DÂY CHUYỀN THIẾT BỊ SẢN XUẤT  Theo yêu cầu thiết kế Năng suất: 10.000.000 Nm3/h; Nồng độ Nitơ sạch: 99,99%; Nồng độ Oxy sản phẩm: 97%;  Một số thiết bị dây chuyền: -Máy lọc bụi -Máy nén khơng khí ( nén cấp ) -Thiết bị hấp thụ -Thiết bị phân ly lỏng-khí -Tháp chưng luyện kép -Thiết bị trao đổi nhiệt  Ưu điểm -Dây chuyền đơn giản,dễ vận hành -Dây chuyền tách nhiều tạp chất nguyên liệu đưa vào, chẳng hạn tạp chất học, CO2, C2H2, nước -Có thể thay thiết bị hấp thụ CO kiềm thiết bị hấp phụ Silicagel đồng thời tách nước -Chi phí đầu tư thấp ... cơng nghệ phân ly khơng khí Các thành phần có khơng khí (Nitơ, Oxy, Argon …vv) thường thành phần ứng dụng công nghệ hóa học.Với số lượng lớn sản phẩm khí có độ tinh khiết cao sử dụng nhiều ngành. .. khơng khí Năm 1902 Klod lần dùng máy giãn nở để hóa lỏng khơng khí Những biện pháp mở dần cho kỹ nghệ làm lạnh thâm độ để phân ly hỗn hợp khí Do nhu cầu ngành cơng nghiệp khác, kỹ thuật phân ly. .. nay.Trong công nghiệp ứng dụng rộng rãi hai q trình : Q trình hóa lỏng khơng khí, sau chưng tách sản phẩm có độ theo u cầu thiết kế : nitơ,ơxy,các khí trơ khác Ar,Ne,Kr,Xe,He… gọi công nghệ phân ly không