CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SODA Na2CO3

Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối 111Equation Chapter Section MỤC LỤC I MỞ ĐẦU II.CƠ SỞ HĨA LÝ CỦA Q TRÌNH HẤP THỤ AMONIAC 1.Động học trình hấp thụ 2.cân pha hấp thụ III SƠ ĐỒ AMON HÓA VÀ THUYẾT MINH DÂY TRUYỀN 1.Sơ đồ AMON hóa 2.Thuyết minh dây truyền IV TÍNH TỐN CÂN BẰNG CHẤT 1.Cân chất tháp rửa khí máy lọc chân không 10 2.Cân chất tháp rửa khí kết tinh II 11 3.Cân chất tháp rửa khí hấp thụ 13 Cân chất tháp hấp thụ I 14 5.Cân chất tháp hấp thụ II 20 V.CÂN BẰNG NHIỆT 23 1.Cân nhiệt cho tháp hấp thụ I 23 1.1 Nhiệt vào tháp 24 1.2 Nhiệt khỏi tháp 25 1.3 Cân nhiệt cho phận làm mát 25 2.Cân nhiệt cho tháp hấp thụ II .26 2.1 Nhiệt vào tháp 2.2 Nhiệt khỏi tháp 2.3 Cân nhiệt cho phận làm mát VI.TÍNH TỐN THIẾT BỊ 1.Xây dựng đường cân 2.Đường làm việc VII.KẾT LUẬN Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối I MỞ ĐẦU Soda chất cơng nghệ hóa học Các ứng dụng Soda đời sống công nghiệp quan trọng như: cơng nghiệp thủy tinh, hóa chất, chất tẩy rửa… Việc nghiên cứu sản xuất Soda thực từ năm 1975 tai Pháp Và đến năm 1891, Solvay phát minh phương pháp sản xuất Soda từ Amoniac Phương pháp Amoniac đời mở cánh cửa cho việc sản xuấ Soda lan nhanh chóng Vì tính ưu việt hóa phương pháp mà từ ngày nay, người ta chưa tìm phương pháp khác thay mà chi có cải tiến lên Trong phương pháp Solvay, người ta chia thành cơng đoạn sau:      Chuẩn bị nước muối bão hòa Hấp thu nước muối bão hòa NH3 Sau đem dung dịch Cacbonnat hóa CO2 Kết tinh bán thành phẩm Natricacbonat (NaHCO3) Nhiệt giải NaHCO3 → Na2CO3 Mộ đột biến lớn phương pháp Solvay so với phươn pháp đời trước việc hấp thụ NH3 vào dung dịch nước muối bão hòa Về lý thuyết, việc hấp thụ NH3 vào nước hay hấp thụ dung dịch nước muối bão hịa đơn giản NH3 tan tốt nước Nhưng thực tế, với điều kiện sản xuất cơng nghiệp lại khác Sau em trình bày yếu tố cơng nghệ để thiết kế xưởng Amon hóa nước cho sản xuất Soda II CƠ SỞ HĨA LÝ Q TRÌNH HẤP THỤ AMONIAC 1/ Động học q trình hấp thụ Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối  Amoniac hòa tan tốt nước độ hòa tan gần tỷ lệ thuận với áp xuất Khi hịa tan vào dung dịch nước muối dung dịch nước muối dung mơi hịa tan khí NH3 Q trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hóa học pha lỏng pha khí, chất pha lỏng với Khi tan dung dịch muối, NH3 kết hợp với H2O tỏa nhiệt NH3(K) + H2O (l) → NH4OH(l) + 586 Kcal/ KgKgNH3 Hỗn hợp khí đưa hấp thụ khơng chì có NH3 mà cịn có lẫn CO2, nước Do đó, trình hấp thụ xảy phản ứng phụ: NH3(k) + H2O(l) → NH4CCOONH2 + 16,3 Kcal NH4COONH2 + H2O → NH4HCO3 + NH3 + 6,6 Kcal NH3 + NH4HCO3 → (NH4)2CO3 + 8,4 Kcal Quá trình hấp thụ phản ứng trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hóa học , ảnh hưởng tới cân động học trình hấp thụ Khi hấp thụ từ phần cấu tử hoạt động có dung dịch chuyển trạng thái liên kết nồng độ tự cấu tử hoạt động pha lỏng giảm Nó làm Gradien nồng độ tăng lên làm cho trình hấp thụ pha lỏng nhanh so với hấp thụ vật lý Quá trình hấp thụ lớn tốc độ phản ứng hóa học nhanh Khi tốc độ phản ứng hóa học nhanh trở lực pha lỏng coi khơng q trình phản ứng coi xảy bề mặt chất lỏng Nguyên nhân tăng tốc độ hấp thụ có phản ứng hóa học tăng hệ số chuyển chất pha lỏng tức chất bị hấp thụ (NH3) hấp thụ vào dung dịch NH3 tham gia phản ứng tạo thành chất khác Do đó, phân tử NH3 tới tiếp tục hấp thụ vào Giữa hấp thụ lý hóa học liên hệ với tốc độ chuyển chất xác định theo phương trình: WA = β.F.Δ = β’.F.(Δ’+ δ)  β β’ : hệ số chuyển chất pha lỏng có phản ứng hóa học khơng khí  F : bề mặt tiếp xúc pha  Δ Δ’: lực hấp thụ có phản ứng khơng có phản ứng  Δ: đại lượng thể tăng lực hấp thụ có phản ứng Gọi ϕ hệ số tăng tốc độ phản ứng hấp thụ pha lỏng có phản ứng hóa học: φ= = + Hệ số truyền chất K’p q trình hấp thụ có phản ứng hóa học: Đồ án mơn học           Thiết kế xưởng amon hóa nước muối = + : hệ số chuyển chẩ từ pha khí : Hằng số có pha khí tính theo P>C Vậy phương trình truyền chất khí hấp thụ có dạng: K’A = K1 F.( P- mPC C) Hay K’A = KP F[P.mP.C( C – δ)] C: Nồng độ cấu tử hoạt động K: Xác định theo phương trình: Βx βy: hệ số chuyển chất pha lỏng, pha khí m: Độ hịa tan khí Trong q trình hấp thụ trình hấp thụ vật lý hóa học xảy đồng thời Trong trường hợp coi khuếch tán qua màng khí định tốc độ phản ứng phương trình khuếch tán cấu tử A từ pha khí vào kết hợp với cấu tử hoạt động B pha lỏng có dạng: A, B: Nồng độ cấu tử A B tự Z: Chiều dày màng khuếch tán DA, DB: Hệ số khuếch tán A, B N: Tốc độ tiêu hao A đơn vị thể tích N = f(A, B) Động học q trình hấp thụ kèm theo phản ứng hóa học đề số phương trình thực nghiệm để xác định hệ số truyền chất khí hịa tan hấp thụ sử dụng cơng thức sau: = A (Kmol/m3.at) A, m, n: số phụ thuộc dung mơi hình dạng đệm xác định theo phương trình thực nghiệm: = A (Kmol/m3.at.h) -WK, WL: Tốc độ khí, lỏng tháp (kg/m3.giờ) A, m,n: Các số phụ thuộc dung mơi hình dạng đệm xác định theo phương trình thực nghiệm -0,395 1,45 1-d 0,733 d e 0(Kmol/m3atgio) a: Bề mặt tự đệm (m2/m3) dk: đường kính tương đương đệm (m) l: chiều cao đệm (m) u: tốc độ chất lỏng tháp (m/s) o: tốc độ khí tháp (m/s) Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối 2/ Cân pha hấp thụ: Cân pha hấp thụ phụ thuộc nhiệt độ, áp suất nồng độ chất lỏng Đối với dung dịch nước muối theo hấp thụ Amoniac số cân Amoniac xác định theo phương trình  Khi nồng độAmoniac dung dịch kmol/m3 lgmp.c= 4,705- (m3.at/mol.K)  Khi nồng độ Amoniac dung dịch kmol/m3 Lgmp.c = 4,125 + 0,1.lgCNH3  Với nồng độ muối ăn dung sản xuất Soda 4,275 4,5(Kmol/m3) dung phương trình sau: Lgmp.c= (4,26/0,13.lgCNH3) -CNH3: Nồng độ Amoniac dung dịch (Kmol/m3) Khi hấp thụ NH3 có lẫn CO2 dung dịch nước muối tạo hệ cấu tử: NH3 – CO2 –H2O – NaCL Trong trình hấp thụ, nồng độ NaCL biến đổi nhỏ ảnh hưởng tới cân hệ Vì vậy, q trình amon hóa coi cân hệ gồm có cấu tử : NH3 – CO2 – H2O Áp xuất nước cân pha khí dung dịch hấp thụ tính theo cơng thức: PH2O= PO [1 – 0,28CNaCL – 1,15CNH3 + 0,1CCO2] (mmHg)  Po : áp xuất nước nước nguyên chất (mmHg)  CNaCl, CNH3, CCO2 : Nồng độ cấu tử tương ứng (kg/kg.dd) Khi Amon hóa dung dịch nước muối, phần lớn nước chứa khí tái sinh bị ngưng tụ làm cho thể tích dung dịch sau Amon hóa tăng lên khoảng 3÷4% Do làm giảm nồng độ bão hịa NaCl Để làm giảm độ pha lỗng nước ta phải loại bỏ nước khơng khí tái sinh triệt để tốt Người ta loại bỏ nước cách cho toàn hỗn hợp tái sinh vào thiết bị làm lạnh tái sinh, Khi có CO2 pha khí sang Amon hóa, phản ứng với NH3 để tạo muối Amon cacbonat Như vậy, làm giảm độ bay NH3 để tạo muối Amon cacbonat Như vậy, làm giảm độ bay NH3 khỏi dung dịch hấp thụ Nguyên nhân chủ yếu làm giảm áp xuất cân Amoniac dung dịch hấp thụ phần Amoniac liên kết với CO2 tạo muối hịa tan có áp xuất nhỏ, phần Amonia tự đơn vị thể dung dịch Áp xuất cân thể phương trình thực nghiệm Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Khi khơng có CO2 hỗn hợp khí áp xuất cân NH3 có dạng: lgPNH3= - + 1,13lgA + 5,67 Khi có CO2 áp suất cân dung dịch: lgPNH3 = - + n.lgA+C  A: nồng độ Amoniac dung dịch  T: nhiệt độ dung dịch (K)  n, C : Hằng số phụ thuộc nồng độ CO2 dung dịch  Trong pha lỏng, ta nghiên cứu quan hệ [NH3] [Cl]: Vì nồng độ Amoniac Natriclorua dung dịch sau hấp thụ đóng vai trị quan trọng q trình cacbonat hóa ảnh hưởng trực tiếp tới mức độ sử dụng nguyên liệu Trong trình hấp thụ nồng độ muối ăn dung dịch giảm nhiều so với ban đầu Nguyên nhân thể tích sau hấp thụ tăng lên độ hòa tan NaCl giảm Ngược lại, trình hấp thụ nồng độ Amoniac dung dịch tăng lên Vì vậy, nồng độ Amoniac cao nồng độ muối giảm xuống nhiều tách muối Amoni bicacbonat cacbonat hóa nằm lẫn bán thành phẩm Natribicacbonat Vì nguyên nhhaan ta phải chọn nồng độ muối ăn ban đầu thích hợp để sau Amoniac hóa tượng tăng thể tích dung dịch giảm độ hịa tan muối ăn mà nồng muối ăn gần trạng thái bão hòa; nồng độ Amoniac đạt giá trị thích hợp Tỷ lệ thích hợp Amoniac tổng nồng độ Cl- dung dịch theo tỉ lệ: = 1,10 III- SƠ ĐỒ AMON HÓA VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN 1- Sơ đồ amon hóa: (bản vẽ) 2- Thuyết minh dây truyền Nước muối sau làm đạt độ bão hòa theo yêu cầu (5 5.25N) ly tâm đưa lên thùng cao vị(1) Dung dịch nước muối bão hòa thùng cao vị, dung dịch chia làm dòng: Dòng thứ chiềm 75% đưa vào tháp rửa khí máy lọc chân khơng(2) Tại đó, nước muối hấp thụ NH3 có lẫn khơng khí máy lọc chân khơng Dung dịch sau tháp RKMLCK đưa sang tháp RKKT II (11), cịn khơng khí khơng khí không bị hấp thụ bơm chân không hút đem xử lý Tại tháp RKKT II, chất lỏng từ xuống, khơng khí từ phận kết tinh bán sản phẩm NaHCO3 đưa sang từ lên Không Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối khí khơng bị hấp phụ lên đỉnh tháp xử lý Phần dung dịch vào tháp hấp thụ I (4) Dòng dung dịch, nước muối thứ chiếm 25%V vào tháp rửa khí hấp thụ (8) Tại đây, hấp phụ NH3 khí thải sau qua tháp hấp thụ Do đó, nồng độ CO2 cao, đem trộn lẫn khí lị để vào thiết bị Cacbonat hóa Dung dịch khỏi tháp RKHT(8) đưa sang tháp hấp thụ I Tại tháp hấp thụ I: Dòng lỏng vào dung dịch từ tháp RKKT II(11) tháp RKHT (8) Khí vào lên từ tháp hấp thụ II(5) Khí từ lên gặp nước 60 Dung dịch với nhiệt độ đưa sang tháp hấp thụ II tháp hấp thụ II nồng độ NH3 lại tự động tách khỏi dung dịch Vì nguyên nhân trên, dung dịch sau khỏi tháp hấp thụ I làm lạnh thiết bị làm lạnh kiểu giàn tưới(7) để dung dịch trước vào tháp hấp thụ II có nhiệt độ khoảng 28 ÷ 32℃ Tại tháp hấp thụ II dung dịch từ xuống, hỗn hợp khí sau qua thiết bị làm lạnh KTS(3) đưa vào tháp hấp thụ II từ lên.Nhiệt độ dung dịch sau khỏi tháp hấp thụ khoảng 60÷65℃ Vì vậy, trước vào bể chứa phải qua thiết bị làm lạnh thứ Để tránh rò rỉ khí NH3 CO2 mơi trường làm việc, thiết bị phân xưởng hấp thụ làm việc áp suất nhỏ áp suất khí IV- TNH TON CN BNG CHT Các số liệu ban đầu: - Hàm lợng Na2CO3 sản phẩm(%): - Hiệu suất sử dụng Natri (%): - Hiệu suất phân giải NaHCO3 (%): - Tổng tổn thất toàn qúa trình (%): 99 72 100 C¸c sè liƯu tù chän: Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước mui - Số ngày làm việc năm: + Số ngày dừng máy để sửa chữa: +Thời gian dừng máy ®Ĩ trùng tu, ®¹i tu + Tỉng thêi gian dõng máy là: 10 ngày/năm 25 ngày/năm 35 ngày/năm Số ngày làm việc năm là: 365 - 35 = 330 ngày/năm Phng trỡnh phn ng: NaCl(l) + CO2(k) + NH3(k) + H2O NaHCO3 + NH4Cl (1) 2NaHCO3 Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑ (2) Hàm lượng Na2CO3 sản phẩm soda 99% Vậy 1000kg sản phẩm Soda lượng Na2CO3 là: 0,99 ×1000 = 990(kg Na2CO3/ sản phẩm) Giả sử tổn thất sản phẩm 5% Tổng lượng Na2CO3 là: M = 990 × 1,05 = 1039,5 Theo phương trình phản ứng (2): lượng NaHCO3 cần để sản xuất : 1039.5kg Na2CO3 là: (giả sử hiệu suất đạt 100%) m NaHCO3 = NaHCO3/ sản phẩm) Theo phương trình (1): Lượng NaCl cần thiết để sản xuất 1647.5 kg NaHCO3 là: ( giả sử hiệu suất sử dụng Na= 72%)  MNaCl= ( kg NaCl/ sản phẩm) Coi hàm lượng NaCl muối đạt 98%  mNaCl = 1593,56 × 0,98 = 1561,7 (kg NaCl/ sản phẩm)  Số Kmol NaCl = Chọn [NaCl] = 5,2 N = 5,2 M  Vdt = 5,13 (m3) Với nồng độ Tra sổ tay trình thiết bị I = 1,19 (g/cm3) = 1190 (kg/m3) Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối  Khối lượng dung dịch = 1190 × 5,1 = 6104,7 (kgdd/ sản phẩm) Trong dung dịch nước muối đầu vào có: [Ca2+] = 0.0025N =0.00125M [Mg2+] = 0.003N = 0.0015M [ Na2CO3] = 0.01 N = 0.005M  m CaCl2 =  =  Khối lượng H2O = mdd – ( mNaCl2 + mCaCl2 + + = 6104,7 – (1561,7 + 0,71178 + 0,731 + 2,7189) = 4538,84) Tính lượng NH3 cần thiết cho sản phẩm Theo phương trình (1) lượng NH3 = 26,7× 1,1× 17 = 499,21 ) Chọn 1- Cân chất tháp rửa khí máy lọc chân khơng  Thành phần dung dịch vào: - Thể tích dung dịch vào - Khối lượng chất dung dịch vào: = 2,7189×0,75 = 2,0392 (kg) - Khí vào: Do lượng NH3 có hỗn hợp khí nên NH3 hấp thụ hoàn toàn nằm dạng NH4OH theo phản ứng : NH3 + H2O ↔ NH4OH Dung dịch gồm: - = 1đc = 0.05 N - = 103đc = 5,15N Do lượng muối NaCl dung dịch khơng đổi nên thể tích dung dịch ra: Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối V1× N1 = V2× N2 => V2=  = 3,8475 × m3) = [NH3] = 0.05 N => mol NH3 hấp thụ  Lượng NH4OH sinh =  Lượng H2O dung để hấp thụ NH3 :  Lượng H2O lại = 3404,13 – 0,03375= 3404,09 (kg) Bảng cân vật chất tháp RKMLCK: Pha lỏng Lượng vào (kg) NaCl 1171,125 CaCl2 0,534 MgCl2 0,54825 Na2CO3 2,0392 H2O 3404,13 Pha khí Tổng NH3 4578,55 Pha rắn 0,031875 Lượng (kg) NaCl 1171,125 CaCl2 0,534 MgCl2 0,54825 Na2CO3 2,0392 H2O 3404,09 NH4OH 0,065625 NH3 4578,55 2- Cân chất tháp rửa khí kết tinh II - Khí vào: - Khí : - Dung dịch : - Dung dịch vào : Thành phần dung dịch vào dung dịch tháp RKMLCK với : - Ta thấy [NH3]hấp thụ =19 đc nên thể tích dung dịch tăng lên 1,9% so với thể tích ban đầu : - Vra = Vvào + 0,019 Vvào =3,9588 (m3) - =( Vvào /Vra) x vào =101 đc - [NH3]hấp thụ =19 đc =0,95N=0,95M - nNH3 = 0,95 x 3,9588 x 103 = 3760,86 (mol) 10 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Bảng cân vật chất tháp hấp thụ I Pha Pha rắn Pha lỏng Pha khí Lượng vào (kg) NaCl CaCl2 MgCl2 Na2CO3 H2O NH4OH (NH4)2CO3 1561,7 0,7117 0,731 2,7189 4468,3573 119,716 47,5056 NH3 CO2 H2O Khí trơ Tổng Lương (kg) 219,4725 170,4946 NaCl CaCl2 MgCl2 Na2CO3 H2O NH4OH NH4)2CO3 NH4Cl NH3 CO2 1561,7 0,6412 0,44631 2,7189 4368,1195 388,4919 266,1444 1,5095 11,01 70 83,7 12,32 H2O Khí trơ 4,323 12,32 6687,72 (kg) 6687,42(kg ) 5- Cân chất tháp hấp thụ II - Dung dịch vào tháp hấp thụ II dung dịch từ tháp hấp thụ I với: - Dung dịch có: Ta có: = × 17 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Tổng lượng NH3 hấp thụ dung dịch ra: 5,25 x 17 x 5,928 = 529,074 (kg) Lượng NH3 bị hấp thụ tháp II : 529,074 – 283,432 = 245,6415 (kg) NH3 + H2O = NH4OH 245, 6415 35  505, 7325 17 >> lượng NH4OH tạo thành = 245, 6415 18  260, 091 17 Lượng H2O tiêu hao = (kg) Tổng lượng CO2 bị hấp thụ dung dịch : 1.9 5, 928.44  247, 7904 (kg) >> lượng CO2 bị hấp thụ = 247,7904 – 122,265 = 125,5254 (kg) CO2 + NH4OH = (NH4)2 CO3 + H2O 125,5245 96  273,8763 44 >> lượng (NH4)2CO3 tạo thành = (kg) 125,5245 2.35  199, 6995 44 Lượng NH4OH tham gia phản ứng = (kg) 125,5245 18  51,3513 44 Lượng H2O sinh = (kg) Vậy sau khỏi tháp hấp thụ II Tổng lượng NH4OH : 388,4919 + 505,7325 – 199,6995 = 694,5249 (kg) Tổng lượng (NH4)2CO3 = 266,1444 + 273,8736 = 540,018 (kg) Khí vào tháp khí từ thiết bị làm lạnh khí tái sinh 18 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Khí khỏi tháp khí đầu vào tháp hấp thụ I có thành phần : mNH3 = 219,4725 (kg) mCO2 = 170,4916 (kg) mH2O = 83,7 (kg) m khí trơ = 12,42 (kg) độ chân không = 120 mmHg nhiệt độ = 58 oC Hỗn hợp khí vào : t0 =60 oC Độ chân khơng = 70 mmHg Ta có tổng mol hỗn hợp khí = 17,21 kmol Khí bị hấp thụ : 245, 6145  14, 4495 17 nNH3 = Kmol 125,5254  2,8528 44 nCO2 = Kmol >> tổng mol hỗn hợp khí vào = tổng mol hỗn hợp khí +tổng mol khí bị hấp thụ = 17,21+14,4495+2,8528 = 43,5123 Kmol Ta có : VH2O hơi/V khí =P H2O /(P khí - P H2O) Tại 60 oC , tra bảng P H2O = 149,4 mmHg P khí = 760 – 70 = 690 mmHg >> nH2O 149,  9,54 690  149, = 34,5123 x Kmol >> khối lượng nước vào = 9,54 x 18 = 171,72(kg) Khối lượng nước bị ngưng tụ = 171,72 – 83,7 = 88,02 (kg) 19 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Lượng nước khỏi tháp hấp thụ II : 4368,1195 – 260,091 + 51,3513 + 88,02 = 4253,5438 (kg) Lượng khí vào tháp hấp thụ II : m NH3 = 219,4725 + 245,61415 = 465,114 (kg) m CO2 = 170,4916 + 125,5254 = 296,017 (kg) m H2O = 171,72 (kg) m khí trơ = 12,32 (kg) Bảng cân vật chất cho tháp hấp thụ II Pha Pha rắn Pha lỏng Pha khí Lượng vào(kg) Lương (kg) NaCl 1561,7 NaCl 1561,7 CaCl2 0,6412 CaCl2 0,6412 MgCl2 Na2CO3 H2O 0,4463 2,7189 4368,1195 MgCl2 Na2CO3 H2O 0,44631 2,7189 4253,5438 NH4OH 388,4919 NH4OH 694,5249 (NH4)2CO3 266,1444 NH4)2CO3 540,018 NH4Cl 1,5095 NH4Cl 1,5095 NH3 CO2 465,114 296,017 NH3 CO2 219,4725 170,4916 H2O 171,68 H2O 83,7 Khí trơ 12,32 Khí trơ 12,32 Tổng 7534,9 (kg) 7531,08(kg) V Cân nhiệt 20 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối – cân nhiệt cho tháp hấp thụ I Dung dịch vào : tov= 25 oC Dung dịch vào : tor = 60 oC Khí vào : tokhí vào = 60 oC ,độ chân khơng = 120 mmHg Khí : tokhí = 35 oC , độ chân không = 250 mmHg 1.1 nhiệt vào tháp áp dụng công thức : Qi = mi x Ci x Ti Qi :nhiệt cấu tử i mang vào ,(Kj) mi : khối lượng cấu tử i mang vào ,(kg) Ci : nhiệt dung riêng cấu tử i ,(Kj)/(kg) x độ Tj : nhiệt độ cấu tử i , (oC), tra bảng I x 163 trang 175 sổ tay q trình thiết bị hóa chất tập I Nhiệt dung riêng dung dịch : Cdd =3,395 ((Kj)/(kg) độ) Qdd vào =6201,4359 x 3,395 x 25 =526346,872 (Kj) Nhiệt pha khí mang vào (tra bảng I 178/198 –sổ tay hóa cơng I) QNH3 = 219,4725 x 2,1813 x 60 = 28724,42 (Kj) tra bảng I 149/168 –sổ tay hóa cơng I Q nước = 83,7 x 4,19 x 60 = 21042,18 (Kj) tra bảng I 178/202 –sổ tay hóa cơng I Q N2 = 12,32 x 1,046 x 60 = 773,20 (Kj) Nhiệt phản ứng tạo thành: Q (NH4)2CO3 = 218,6388 x 789,3 = 172571,6 (Kj) Q NH4OH = 268,7759 x 2034,4 = 546797,7 (Kj) 21 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Nhiệt nước ngưng tụ: Q ngưng tụ =79,377 x 2414,3 = 191939,89 (Kj) Tổng nhiệt lượng vào tháp hấp thụ I là: Qv = Qdd + QNH3 + Q (NH4)2CO3 + Q NH4OH + Q ngưng tụ + Qhơi nước Qv = 526346,872+ 21042,18 + 773,20 + 172571,6 + 546797,7 +191939,89 = 1496897,822 (Kj) Nhiệt khỏi tháp Nhiệt dung dịch mang : tra bảng I 163 trang 175 sổ tay q trình thiết bị hóa chất tập I Qdd =6589,79 x 3,341 x 60 = 1321775,55 (Kj) Nhiệt pha khí mang vào (tra bảng I 178/198 –sổ tay hóa cơng I) QNH3 = 11 , 01 x 2,13 x 35 = 822,825 (Kj) tra bảng I 180/205 –sổ tay hóa cơng I: Q CO2 = 70 x 0,836 x 35 =2048,2 (Kj) tra bảng I 149/168 –sổ tay hóa cơng I Q nước = 4,323 x 4,18 x 35 = 632,85 (Kj) tra bảng I 178/202 –sổ tay hóa cơng I Q N2 = 12,32 x 1,041 x 35 = 449,17 (Kj) Nhiệt tổn thất = 5% nhiệt vào = 0,05 x 1496897,822 = 74844,89 (Kj) Tổng nhiệt lượng : Q = Qdd +Q khí + Q tổn thất =1400573,401 (Kj) 1.3 Cân nhiệt phận làm mát Dung dịch vào phận làm mát có nhiệt độ : 60 oC 22 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Dung dịch khỏi phận làm mát có nhiệt độ : 30oC >> Lượng nhiệt cần lấy :∆Q = 6589,757 x (3,343 x 60 – 3,395 x 30)= 650607,7 (Kj) H2O đưa vào làm mát có nhiệt độ : 25 oC H2O sau làm mát có nhiệt độ : 30 oC >> Lượng nước cần đưa vào làm mát : 650607,  31084, 93 m H2O = ∆Q/(4,186 x (30 - 25)) = 4,18(30  25) (kg)/tấn sản phẩm Bảng cân nhiệt tháp hấp thụ I Nhiệt vào (Kj) Nhiệt (Kj) Dung dich 526346,872 Dung dịch 1321775,55 Hơi H2O 21042,18 Hơi H2O 632,85 NH3 khí 28724,42 NH3 khí 822,825 CO2 khí 9001,96 CO2 khí 2048,2 Khơng khí 773,20 Khơng khí 449,17 (NH4)2CO3 172571,6 Tổn thất 74844,89 NH4OH 546797,7 H2O ngưng 191639,89 Tổng 496 879,822 Tổng 492 348,401 2- Cân nhiệt lượng cho tháp hấp thụ II Dung dịch vào : tov= 30 oC Dung dịch vào : tor = 65 oC Khí vào : tokhí vào = 30 oC ,độ chân không = 70 mmHg 23 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Khí : tokhí = 60C , độ chân không = 120mmHg Nhiệt vào tháp áp dụng công thức : Qi = mi x Ci x Ti Qi :nhiệt cấu tử i mang vào ,(Kj) mi : khối lượng cấu tử i mang vào ,(kg) Ci : nhiệt dung riêng cấu tử i ,(Kj)/(kg) x độ Tj : nhiệt độ cấu tử i , (oC), tra bảng I 163 trang 175 sổ tay trình thiết bị hóa chất tập I Nhiệt dung riêng dung dịch : Cdd =3,395 ((Kj)/(kg) độ) Qdd vào =6589,767 x 3,395 x 30 =671167,760 (Kj) Nhiệt pha khí mang vào (tra bảng I 178/198 –sổ tay hóa cơng I) QNH3 = 465,114 x 2,1436 x 30 = 29911,13 (Kj) Q CO2 = 296,017 x 0,85 x 30 = 7548,436 (Kj) tra bảng I 149/168 –sổ tay hóa cơng I Q nước = 283,87 x 789,3 = 216168,43 (Kj) tra bảng I 178/202 –sổ tay hóa cơng I Q N2 = 12,32 x 1,042 x 30= 385,12 (Kj) Nhiệt phản ứng tạo thành: Q NH4OH = 306,033 x 2034,4 = 622593,535 (Kj) Nhiệt nước ngưng tụ: Q ngưng tụ =87,98 x 2356,9 = 207360,06 (Kj) Tổng nhiệt lượng vào tháp hấp thụ I là: Qv = Qdd + QNH3 + Q CO2 + Q NH4OH + Q ngưng tụ + Qhơi nước 24 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Qv = 671167,76 + 29911,13 + 7548,43 + 385,1232 + 21542,13 + 216168,43 + 622595,53 + 207360,06 = 776 676,611 (Kj) Nhiệt khỏi tháp Nhiệt dung dịch mang : tra bảng I 163 trang 175 sổ tay trình thiết bị hóa chất tập I Qdd 7055,0959 x 3,343 x 65 = 1533037,064 (Kj) Nhiệt pha khí mang vào (tra bảng I 178/198 –sổ tay hóa cơng I) QNH3 = 219,4725 x 2,156 x 60 = 28393,63 (Kj) tra bảng I 180/205 –sổ tay hóa cơng I: Q CO2 = 170,49 x 0,878 x 60 = 8981,5 (Kj) tra bảng I 149/168 –sổ tay hóa cơng I Q nước = 83,7 x 4,19 x 60 = 21047,136 (Kj) tra bảng I 178/202 –sổ tay hóa cơng I Q N2 = 12,32 x 1,041 x 60 =769,51 (Kj) Nhiệt tổn thất = 5% nhiệt vào = 0,05 x 1776676,611 = 88833,83 (Kj) Tổng nhiệt lượng : Q = Qdd +Q khí + Q tổn thất =1 681 062,671 (Kj) 2.3 Cân nhiệt phận làm mát Dung dịch vào phận làm mát có nhiệt độ : 65 oC Dung dịch khỏi phận làm mát có nhiệt độ : 30oC >> Lượng nhiệt cần lấy :∆Q =7055,09 x (3,343 x 65 – 3,395 x 30)= 814475,55 (Kj) H2O đưa vào làm mát có nhiệt độ : 25 oC H2O sau làm mát có nhiệt độ : 30 oC 25 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối >> Lượng nước cần đưa vào làm mát : 814475, 55  38914, 26 4,18.(30  25) m H2O = ∆Q/(4,186 x (30 - 25)) = (kg)/tấn sản phẩm Bảng cân nhiệt tháp hấp thụ II Nhiệt vào (Kj) Nhiệt (Kj) Dung dich 671167,76 Dung dịch 1533037,06 Hơi H2O 21542,13 Hơi H2O 21047,136 NH3 khí 29911,13 NH3 khí 28393,63 CO2 khí 7548,43 CO2 khí 8981,5 Khơng khí 773,20 Khơng khí 449,17 (NH4)2CO3 216168,43 Tổn thất 88833,83 NH4OH 622593,53 H2O ngưng 207360,06 Tổng 776 676,611 Tổng 769 321,671 VI – Tính tốn thiết bị Lựa chọn thiết bị hấp thụ :Hấp thụ ammoniac khí cacbonic người ta thường dung tháp chóp tháp đệm.Đa số sử dụng tháp chóp tháp chất lỏng đảo trộn mãnh liệt thời gian tiếp xúc dài nên hiệu hấp thụ cao 26 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Tính toán chiều cao tháp cần xác định số đĩa lí thuyết theo phương pháp đồ thị.vậy ta phải xây dựng đường cân lỏng – NH3 hệ đường làm việc 1- Đường cân Xác định đường cân lỏng NH3 ta phải xác định áp suất cân hệ tổng áp suất cân hệ P*NH3 =[NH3]tự P*CO2 =2 P*H2O = P0 (1 – 0,28[NaCl] – 1,15[NH3] tự + 0,1[CO2]) Các số Z,K1,K2,J định theo công thức thực nghiệm : Lg Z = Lg J = Lg K1 = Lg K2 = Tại 25 oC : P oH2O = 31,32 (mmHg) Đường cân NH3 25oC có dạng Y* = Với m = Trong đó: H số Henry phụ thuộc vào nhiệt độ chất khí, mmHg P áp suất khí xét, mmHg Ở nhiệt độ t = 25oC H×10-6 = 0.00241 mmHg P = 760 mmHg m = 0.00241ì10-6 ữ 760 = 3.17 27 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối  Đường cân NH3 25oC có dạng Y* = Giả thiết q trình hấp thụ đẳng nhiệt 25 oC Tra sổ tay trình thiết bị I ta số liệu thành phần lỏng – NH3 [NH3] đc 10 20 30 40 50 60 70 80 90 X( % pha dd) 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 Y( % pha khí) 0,03 0,06 0,08 0,14 0,18 0,25 0,32 0,37 0,46 2- Đường làm việc ∗Dung dịch vào tháp có [NH3]td dạng NH4OH (NH4)2CO3 388, 4919 266,1444 17  17.2  282,95 35 96 → lượng NH3 vào = (kg) → n NH3 vào = 16,64 (Kmol) 266,1444 44  121,98 = 96 (kg) Lượng CO2 vào n CO2 vào = 2,77 Kmol Lượng NaCl vào = 1561,7 (kg) → n NaCl = 26,69 (Kmol) Lượng H2O vào = 4368,1195 (kg) → n H2O = 242,6 (Kmol) �mol = 16,64 + 2,77+ 26,69 + 242,6 = 288,7 (Kmol) → n NH3 = 16,64/288,7 = x 057 ∗Khí vào hấp thụ Lượng NH3 = 27,35 (Kmol) Lượng CO2 = 6,73 (Kmol) Lượng H2O = 9,53 (Kmol) Lượng khí trơ = 0,425 (Kmol) 28 Đồ án môn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối �mol = 44,04 (Kmol) Y NH3 = 27,35/44,04 = 0,65 ∗Dung dịch khỏi tháp : 694,52 540, 018 17  17.2  528, 597 96 → lượng NH3 = 35 (kg) → n NH3 = 31,09 (Kmol) 540, 018 44  247,508 Lượng CO2 = 96 (kg) n CO2 vào = 5,625 (Kmol) Lượng NaCl vào = 1561,7 (kg) → n NaCl = 26,69 (Kmol) Lượng H2O vào = 4253,54 (kg) → n H2O = 236,31 (Kmol) �mol = 299,713 (Kmol) → nNH3 = 31,09/299,713 = , 104 ∗Khí hấp thụ Lượng NH3 = 12,9 (Kmol) Lượng CO2 = 5,87 (Kmol) Lượng H2O = 8,65 (Kmol) Lượng khí trơ = 0,425 (Kmol) �mol = 36,85 (Kmol) Y NH3 = 12,9/36,85 = 0,35 Vậy ta có điểm A (0,057 ; 0,35) , B ( 0,104 ; 0,65) Từ đồ thị ta xác định số đĩa lí thuyết đĩa Ntt / Nlt = 1,3 → Ntt = x 1,3 = 7,8 đĩa → chọn số đĩa thực tế đĩa Vậy chiều cao tháp hấp thụ : H = (Ntt -1) x h + 2h’ h :khoảng cách hai đĩa Tra sổ tay hóa cơng II : bảng 4a ta có h = 670 mm h’: hai đoạn đầu cuối tháp (tra bảng x III -10 ,sổ tay hóa cơng II) 29 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Ta có h’ = 900 mm Vậy H = (8-1) x 670 + x 900 = 6490 mm = 6,49 m * Xác định đường kính tháp V 0, 785.W D= - V : thể tích khí tháp (m3/s) - W : tốc độ khí phần tự tháp (m/s) Đối với tháp chóp : W = 0,4 (m/s) Thể tích khí tháp coi gần thể tích khí vào khỏi tháp Tra sổ tay hóa cơng II ta : Vvào = 440 (m3) 440  67  253,5 →Vtb = (m3) Vra = 67 (m ) Tính theo suất 180.000 (tấn/năm) ,số ngày làm việc 330 253, 6.18000  1, (ngày/năm) → V = 330.24.3600 (m3/s) → 1,  2, 25 0, 785.0, D= (m) VII – KẾT LUẬN Qua việc thực đồ án môn học giúp em hiểu sâu sắc môn học công nghệ Soda hợp chất kiềm đăc biệt la trình hấp thụ ammoniac vào dung dịch nước muối Việc tính tốn thiết kế phân xưởng Amon hóa phức tạp phải sử dụng nhiều công thức thực nghiệm kết hợp với tra sổ tay hóa cơng 30 Đồ án mơn học Thiết kế xưởng amon hóa nước muối Để hoàn nội dung mà đồ án môn học yêu cầu em hướng dẫn tận tình thấy La Thế Vinh Nội dung đồ án khó tránh khỏi sai sót nên em mong nhận góp ý bảo thầy cô … Em xin chân thành cảm ơn Hà nội – 1/2015 Phan Thanh Hè 31 ... nước muối I MỞ ĐẦU Soda chất cơng nghệ hóa học Các ứng dụng Soda đời sống công nghiệp quan trọng như: cơng nghiệp thủy tinh, hóa chất, chất tẩy rửa… Việc nghiên cứu sản xuất Soda thực từ năm 1975... tai Pháp Và đến năm 1891, Solvay phát minh phương pháp sản xuất Soda từ Amoniac Phương pháp Amoniac đời mở cánh cửa cho việc sản xuấ Soda lan nhanh chóng Vì tính ưu việt hóa phương pháp mà từ ngày... H2O NaHCO3 + NH4Cl (1) 2NaHCO3 Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑ (2) Hàm lượng Na2CO3 sản phẩm soda 99% Vậy 1000kg sản phẩm Soda lượng Na2CO3 là: 0,99 ×1000 = 990(kg Na2CO3/ sản phẩm) Giả sử tổn thất sản phẩm