Đề tài Thiết kế xưởng sản xuất Soda với năng suất 200.000 tấnnăm

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
-----------------------NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRIỆU ANH DŨNG
Mã số sinh viên: 20112834
Lớp: Công nghệ Vô cơ – K56
1. Nội dung:

“Thiết kế xưởng sản xuất Soda theo phương pháp tuần hồn amoniac từ ḿi
biển với năng xuất 200.000 tấn/năm”
Chất lượng sản phẩm: 98,5% Na2CO3; 0,5% NaCl; 0,5% NaHCO3; 0,5% ẩm
2. Các số liệu ban đầu:
Nguyên liệu: NaCl 97,0%; MgCl2 0,08%; CaSO4 0,1%, cịn lại là cặn khơng tan
Hiệu suất sử dụng NaCl: 72,0%
Tổn thất soda trong quá trình sản xuất: 5,5%
Các số liệu khác tự chọn
3. Nhiệm vụ:
- Giới thiệu sản phẩm và công nghệ sản xuất
- Cơ sở hóa lý q trình sản xuất soda
- Chọn và biện luận dây chuyền, thiết bị
- Tính kỹ thuật:
- Tính cân bằng chất và nhiệt tồn xưởng
- Tính kích thước các thiết bị chính
- Tính và chọn thiết bị phụ
- Chọn và biện luận đặc điểm của các cơng trình xây dựng
- Tính giá thành sản phẩm
4. Các bản vẽ, sơ đồ, sản phẩm cần đạt:

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

- Bản vẽ dây chuyền công nghệ (A0)
- 02 Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (A0)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 22 – 02 – 2016
6. Ngày hồn thành:

Trưởng Bộ mơn

Cán bộ hướng dẫn

PGS.TS. La Thế Vinh

PGS.TS. La Thế Vinh


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tháp rửa khí máy lọc

:

RKML

Tháp rửa khí hấp thụ

:

RKHT

Tháp rửa khí cacbonat hố 1 .

:

RKTC-1

Tháp rửa khí cacbonat hố 2
Tháp cacbonat hoá sơ bộ
Tháp cacbonat hoá
Tháp hấp thụ 1

:
:
:

RKTC-2
CBNHSB
CBNH
HT-1

Tháp hấp thụ 2

:

HT-2

Tháp làm lạnh khí phân giải

:

LLKPG

Tháp ngưng tụ khí phân giải

:

NTKPG

Tháp trao đổi nhiệt khí phân giải

:

TĐNKPG

Dung dịch

:

Dd

Làm lạnh

:

ll

Trao đổi nhiệt

:

TĐN

Độ chuẩn

:

đ.c

Tự do

:

td

Liên kết

:

lk

Tổn thất

:

tt

Hấp thụ

:

ht

LỜI CẢM ƠN


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Kể từ khi là một sinh viên năm nhất của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cho
tới khi làm đồ án tốt nghiệp, nhờ sự quan tâm, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè,
em nhận thấy bản thân đã trưởng thành hơn rất nhiều. Đó quả thật là một điều tuyệt
vời và hạnh phúc nhất đối với em.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô Bộ môn
Công nghệ các chất Vơ Cơ – Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội đã bằng tâm huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong
suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. La Thế
Vinh đã trực tiếp hướng dẫn em cũng như các bạn, giúp đỡ chúng em hoàn thành bản
đồ án một cách tốt nhất. Nếu khơng có những lời hướng dẫn, dạy bảo và định hướng
của thầy thì em nghĩ bài thu hoạch này của em rất khó có thể hồn thiện được.
Những buổi thảo luận với bạn bè và những lời động viên của gia đình cũng là
nguồn động lực to lớn với em.
Lời sau cùng, em xin kính chúc các Thầy, các Cô luôn luôn dồi dào sức khỏe,

niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho
các thế hệ sinh viên mai sau.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2016
Sinh viên
Triệu Anh Dũng

MỤC LỤC


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh


Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

LỜI NĨI ĐẦU
Trong sản xuất cơng nghiệp hiện nay, Soda có một vị trí rất quan trọng. Nó len
lỏi vào hầu hết q trình cơng nghiệp từ các ngành cơng nghiệp hố chất đến cơng
nghiệp nặng, cơng nghiệp nhẹ…đều cần sự có mặt của Soda. Nhu cầu Soda đứng thứ
11 tính về sản lượng khi so với các hợp chất vô cơ, hữu cơ, kể cả hoá dầu. Với những
ứng dụng rộng rãi trên cho thấy tầm quan trọng của Soda vì thế mà Soda là mặt hàng
hóa chất mà lượng tiêu thụ có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với tỷ lệ tăng dân số và tốc độ
tăng trưởng tổng sản phẩm quốc dân của các nước.
Chính vì vậy mà sản xuất Soda luôn được đầu tư chú trọng ở rất nhiều nước
trên thế giới. Tuy nhiên ở Việt Nam, mặc dù nhu cầu Soda là rất nhiều nhưng chúng ta
vẫn phải nhập khẩu, có một số cơ sở tư nhân hoặc thủ công sản xuất Soda tinh khiết từ

Soda nhập khẩu từ nước ngoài tinh chế lại chủ yếu để tự túc cho quá trình sản xuất
mặc dù nguồn nguyên liệu để sản xuất Soda rất đơn giản và sẵn có ở Việt Nam (muối
NaCl, đá vôi, NH3). Trong tương lai,khi mà nhu cầu với Soda ngày một tăng thì việc
nghiên cứu sản xuất Soda là vô cùng cần thiết.
Dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. La Thế Vinh cùng các thầy cô trong Bộ
môn Công Nghệ Các Chất Vô Cơ em đã hoàn thành bản đồ án:
“Thiết kế xưởng sản xuất Soda theo phương pháp tuần hoàn NH 3 từ muối biển
với năng xuất 200.000 tấn/năm”.
Bản đồ án của em gồm những nội dung sau:
Phần I: Giới thiệu chung về sản phẩm và phương pháp sản xuất soda
Phần II: Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất Soda theo phương pháp tuần
hoàn amoniac
Phần III: Thuyết minh sơ đồ dây chuyền cơng nghệ
Phần IV: Tính tốn cân bằng chất
Phần V: Tính tốn cân bằng nhiệt
Phần VI: Tính tốn thiết bị

SVTH: Triệu Anh Dũng

6


Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Trong q trình làm đồ án, với kiến thức vẫn còn rất nhiều hạn chế của mình
chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp q báu của thầy cơ và để đồ án này cũng như kiến thức của em được hoàn
thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2016
Sinh viên
Triệu Anh Dũng

SVTH: Triệu Anh Dũng

7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

PHẦN 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT
SODA
1.1 Giới thiệu chung về Soda
1.1.1 Tính chất và ứng dụng của Natri cacbonat và bicacbonat
Soda là loại muối kết tinh màu trắng ngậm nước hoặc khan. Nhiệt độ nóng chảy
8150C, trọng lượng riêng 2,53 (gam/cm3). Trọng lượng phủ đầy 0,5 (g/cm3). Soda hồ
tan trong nước rất tốt, khi hồ tan có toả nhiệt. Dung dịch Soda có tính kiềm mạnh.

Hình 1.1: Soda (Na2CO3)
Soda kết tinh có thể ngậm nước ở các mức độ khác nhau cho ba loại tinh thể
ngậm nước. Loại ngậm 1 nước: Na2CO3.H2O. Loại ngậm 7 nước Na2CO3.7H2O. Loại
ngậm 10 nước: Na2CO3.10H2O. Các loại ngậm nước hoà tan nhanh và dễ hơn loại
khan. Theo yêu cầu sử dụng, Soda được phân làm 3 loại: loại kỹ thuật, loại phim ảnh
và loại quang học.
Bảng 1.1: Đặc trưng kỹ thuật của 3 loại sản phẩm Soda như sau:

[1 – 5]

Loại kỹ thuật

Loại phim ảnh

Loại quang học

% Na2CO3

95

95

96

Tổn thất nung %≤

3,5

3,5

2,5

Chất không tan %

Hơi đục

0,1

0,3

NaCl %

1

1

0,5

Na2SO4 %

-

0,1

0,05

Fe %

-

0,01

0,005

SVTH: Triệu Anh Dũng

8

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Soda dưới dạng bicacbonat là loại bột trắng, trọng lượng riêng 2,2 g/cm 3. Trọng
lượng phủ đầy 0,9 g/cm3, hoà tan trong nước tỏa nhiệt. Tỷ nhiệt 0,294 kcal/kg 0C.
Natri bicacbonat không bền nhiệt, do đó khi đốt nóng bị phân hủy để tạo natri
cacbonat (Soda) và CO2 theo phản ứng
kcal
Dung dịch natri bicacbonat có tính kiềm yếu, độ hồ tan trong nước của natri
bicacbonat nhỏ hơn natri cacbonat từ 3 đến 5 lần.
Sản phẩm Soda sử dụng tới 96% sản lượng cho các ngành cơng nghiệp, cịn lại
4% sản lượng dùng cho các ngành kinh tế khác.
Trong các ngành sử dụng Soda được phân bố theo tỷ lệ tương đối như sau:
Công nghiệp hoá chất:

23,7 %

Tổng sản lượng

Luyện kim màu:

11, 9%

Tổng sản lượng

Luyện kim đen:

2,5 %

Tổng sản lượng

Công nghiệp dầu mỏ:

1%

Tổng sản lượng

Các ngành công nghiệp khác:

32 %

Tổng sản lượng

Theo các nhà kinh tế thì tiêu hao Soda cho 1 đơn vị sản phẩm của một số ngành
như sau:
[1 – 5]
Luyện gang:

50 kg/tấn

Nấu thuỷ tinh:

170 – 200 kg/tấn

Luyện ôxit nhôm:

145 – 220 kg/tấn

Oxit cacbon:

9.000 – 14.000 kg/tấn

Chế tạo Criolit:

608 – 610 kg/tấn

Bột giặt tổng hợp:

560 kg/tấn

Tách lưu huỳnh khỏi dầu mỏ:

350 kg/tấn

Khoan giếng dầu:

2 kg/m giếng khoan

Đối với Natri bicacbonat dùng trong 2 ngành chủ đạo là y học và công nghiệp
chế tạo vật liệu xốp và nhẹ.
Trong công nghiệp nhẹ: Soda được sử dụng làm chất độn và chất phụ gia trong
xà phòng và chất tẩy rửa; đặc biệt nhu cầu Soda cho chất tẩy rửa chiếm khoảng 10 -

SVTH: Triệu Anh Dũng

9

Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

12% trên tồn thế giới. Hiện mức tiêu thụ Soda cho thị trường chất tẩy rửa đã tăng
khoảng 100 nghìn tấn/năm.

Hình 1.2: Soda có trong thành phần của bột giặt
Trong công nghiệp nặng: Soda chiếm 13 - 15% trong số nguyên liệu được đưa
vào cho sản xuất thủy tinh, nó được sử dụng để nấu thủy tinh, làm giảm nhiệt độ nấu
chảy của cát silic trong quá trình nấu chảy và làm tăng tính mềm dẻo. Mặc dù Soda chỉ
là vật liệu có khối lượng lớn thứ hai trong sản xuất thủy tinh, nhưng nó lại chiếm tới
50 - 60% tổng chi phí nguyên liệu đầu vào

Hình 1.3: Soda dùng để nấu thủy tinh
Trong công nghiệp luyện kim (chủ yếu luyện kim màu) sử dụng dưới dạng
Cridit (NaAlO2)
Cơng nghiệp hố chất: Soda được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm
hóa chất gốc natri, chiếm 30% nhu cầu. Các sản phẩm hóa chất này được sử dụng
trong nhiều ứng dụng như: nông nghiệp, tác nhân làm sạch và phụ gia thực phẩm. Mặc
dù, đôi khi xút lỏng cũng được dùng thay thế cho Soda nhưng Soda vẫn là lựa chọn
chính vì sẵn có và chi phí thấp.
1.1.2 Nhu cầu và điều kiện về thị trường đối với Soda công nghiệp
1.1.2.1 Thị trường thế giới
SVTH: Triệu Anh Dũng

10


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Soda là mặt hàng hóa chất mà lượng tiêu thụ có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với
tỷ lệ tăng dân số và tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm quốc dân của các nước. Nhu cầu
Soda ngày càng tăng khi nền công nghiệp càng phát triển, vì vậy sản lượng Soda tăng
liên tục trong còng 100 năm nay theo thống kê như sau:
Bảng 1.2: Sản lượng Soda trên toàn thế giới năm 1900 – 2011
Năm
Sản lượng thế
giới (triệu tấn)

[1 – 6]

190
0

1923

193
2

194
0

1980

199
5

2001

2005

2011

1,30

3,5

5,0

8,12

21,80

29,0

35,10

45,0

50,0

Trên thế giới hiện nay có 9 nước có cơng suất sản xuất Soda trên 1 triệu
tấn/năm, đó là (xếp theo thứ tự công suất): Mỹ, Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Đức, Pháp,
Italia, Ba Lan và Anh.
Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ Soda lớn nhất thế giới, chiếm gần 30% tổng sản
lượng Soda thế giới. Các số liệu về sản xuất, nhập khẩu, xuất khẩu Soda của Mỹ trong
giai đoạn 1998 – 2002 như sau (tính theo triệu tấn):

Bảng 1.3: Sản xuất Soda tại Mỹ năm 1998 – 2002

[1 – 6]

Năm

1998

1999

2000

2001

2002

Sản xuất

10,1

10,2

10,2

10,3

10,3

Nhập khẩu

3,66

3,62

3,90

4,04

4,10

Xuất khẩu

0,083

0,092

0,075

0,033

0,01

1.1.2.2 Thị trường Việt Nam
Đối với nước ta, trong thời kỳ 2005 – 2020 cần phải phát triển sản lượng một số
sản phẩm quan trọng như sau:
-

Gang
thép

1,5 – 2 triệu tấn/năm
:

-

Thủy
loại :

tính

các 0,8 – 1 triệu tấn/năm

-

Nhơm
loại
:

kim 0,3 – 0,5 triệu tấn/năm

-

Bột
giặt
hợp :

tổng 0,3 – 0,4 triệu tấn/năm

Hiện nay chúng ta phải nhập từ 100.000 đến 130.000 tấn/năm cho các ngành
thủy tinh, giấy, bột giặt, các lĩnh vực này ngày càng có xu hướng mở rộng và phát

SVTH: Triệu Anh Dũng

11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

triển. Do vậy không kể các ngành mới như luyện kim nhôm, dầu khi, nhu cầu Soda tới
năm 2020 cũng tăng lên tới 200.000 đến 300.000 tấn/năm, còn nếu kể cả các ngành
như sản xuất nhơm oxit, chế biến hóa dầu và khai thác dầu thì nhu cầu Soda năm 2010
trên 500.000 tấn/năm. Trong tương lai, khi ngành luyện kim nhơm, hóa dầu và gang
thép phát triển thì nhu cầu Soda cịn cao hơn.
1.2 Các phương pháp sản xuất Soda
1.2.1 Sản xuất theo phương pháp hóa học
Khi sản xuất Soda theo phương pháp hóa học, người ta cacbonat hóa dung dịch
xút (sản xuất bằng phương pháp điện phân) theo phản ứng hóa học sau:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 +H2O
Soda được tạo thành trong dung dịch xút, khi đạt nồng độ quá bão hòa sẽ tách
khỏi dung dịch dưới dạng muối ngậm nước, gọi là Soda nặng – Na2CO3.xH2O. Nếu lọc
kết tinh đem khử nước sẽ thu được Soda khan Na2CO3 loại thương phẩm.
Phương pháp này chỉ thích hợp với những nước có điện năng rẻ, thiếu Clo và
thừa xút. Hiện nay, Soda sản xuất theo phương pháp hóa học chỉ chiếm dưới 10% tổng
sản lượng Soda tổng hợp trên thế giới.
1.2.2 Khai thác Soda tự nhiên
Natri cacbonat hình thành trong thiên nhiên chủ yếu là do phân huỷ các khoáng
chứa kim loại kiềm dưới tác dụng của khơng khí, hơi nước, nhiệt độ và áp lực.
Do tác dụng của khí CO2 có trong khí quyển, các chất kiềm hồ tan được
chuyển thành muối dưới dạng cacbonat, các muối này tập trung và lắng lại với nồng

độ ngày càng cao do quá trình bốc hơi nước tự nhiên dưới ánh sáng mặt trời.
Sự kết tầng cacbonat có thể do các nguyên nhân sau:
+ Do nước hồ tan kéo đi các muối cacbonat kiềm có lẫn trong quặng.
+ Do quá trình phân huỷ hợp chất Silicat kiềm dưới tác dụng của khí CO2.
+ Do các hợp chất hữu cơ khử các muối Sunphat thành Natri cacbonat.
+ Do sự tiếp xúc thường xuyên của Natri clorua và Sunphat với đá vôi.
Thường các muối Natri cacbonat tự nhiên không tinh khiết chứa hợp chất tan và
không tan. Khi dung dịch các muối đó trở thành bão hồ thì các tinh thể muối kết tinh
tách ra. Nếu thời tiết lạnh thì sẽ tạo muối tinh thể ngậm nước Na 2CO3.10H2O. Do quá

SVTH: Triệu Anh Dũng

12


Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

trình chuyển hố tự nhiên như vậy hình thành các hố hoặc các mỏ Natri cacbonat tự
nhiên.
1.2.3 Phương pháp Lê-bơ-lan

Hình 1.4: Nicolas Leblanc (1742 – 1806)
Trong cơng nghiệp: Lê-bơ-lan tìm ra phương pháp sản xuất Soda từ muối ăn,
axit sunfuric và đá vôi.
Năm 1791, Lê-bơ-lan đã xây dựng nhà máy sản xuất Soda ở gần Pari. Phương
pháp sản xuất Soda của Lê-bơ-lan ngày càng hồn chỉnh và chiếm độc quyền trong
cơng nghiệp chế tạo, đã giải quyết được nhu cầu công nghiệp ở thế kỷ XVIII. Tuy
nhiên vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm. Sản phẩm chưa tinh khiết, quá trình sản xuất

phức tạp, khó tự động hóa.
Theo phương pháp Lê-bơ-lan phải qua các giai đoạn sau:
•

Sản xuất Na2SO4 từ NaCl và H2SO4 theo phản ứng:
2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl

Cô đặc dung dịch, HCl và H2O bay hơi ta được tinh thể Na2SO4
•

Nung nóng chảy với CaCO3, C

Nung theo tỷ lệ: Na2SO4 : CaCO3 : C = 1: 1: 2

Na2SO4 + CaCO3 + 2C
•

Na2CO3 + CaS + 2CO2

Sản phẩm nung ra khỏi lò gồm hỗn hợp các muối hòa tan: Na2CO3, Na2S,
NaOH và các muối không tan CaS.

SVTH: Triệu Anh Dũng

13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Đem nghiền nhỏ, hịa tan trong nước. Khi đó các muối hịa tan sẽ chuyển vào
trong dung dịch. Bã còn lại gồm các chất không tan và tạp chất được lọc đem chế biến
thu hồi lưu huỳnh trong CaS. Nước lọc đem cacbonat hóa bằng CO 2 để chuyển tồn bộ
Na2S, NaOH có lẫn trong dung dịch về dạng cacbonat.
Na2S + CO2 + H2O
2NaOH + CO2

Na2CO3 + H2S

Na2CO3 + H2O (sục CO2 có khống chế).

Dung dịch sau khi cacbonat hóa đem cơ đặc sẽ thu được Soda tinh thể.
•

Tái sinh lưu huỳnh

Bã cịn lại sau khi lọc chứa chủ yếu CaS. Đem hòa tan vào nước, sục CO 2 vào
để giải phóng lưu huỳnh ra dưới dạng H2S:
CaS + CO2 + H2O
•

CaCO3 + H2S

Xử lý H2S

H2S thu được đem đốt nóng trong lị có oxit sắt, oxit nhơm làm xúc tác sẽ tạo
thành lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric.
Như vậy, phương pháp Lê-bơ-lan tuy đã giải quyết được nhu cầu về sử dụng
Soda ở thế kỷ XVIII nhưng nó vẫn cịn tồn tại nhiều nhược điểm. Đó là sản phẩm chưa

tinh khiết, quá trình sản xuất nặng nhọc, kỹ thuật thủ cơng chưa thể tự động hóa, chất
thải lớn gây ô nhiễm môi trường, hiệu suất phản ứng không cao dẫn đến giá thành cao,
khơng có cơ hội cạnh tranh.

Hình 1.5: Nhà máy sản xuất Soda theo phương pháp Lê-bơ-lan năm 1800

SVTH: Triệu Anh Dũng

14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

1.2.4 Phương pháp Solvay

Hình 1.6: Ernest Solvay (1838 – 1922)
Năm 1861, Solvay (Kỹ sư người Bỉ) đã phát minh ra phương pháp sản xuất
Soda đi từ muối ăn, đá vôi, dùng amoniac là tác nhân chuyển hóa trung gian. Q trình
sản xuất tiến hành qua các giai đoạn sau:
•

Chuẩn bị dung dịch nước muối chứa amoniac

Muối rắn hòa tan làm lạnh đạt nồng độ NaCl: 305÷310 (g/l) ở điều kiện thường,
nước muối đó em hũa tan NH3 ti nng NH3: 85ữ90 (g/l).
ã

Amon hóa

Sử dụng dung dịch nuớc muối bão hịa làm dung mơi hịa tan khí amoniac, để
phục vụ cho q trình cacbonat hóa sau này.
•

Cacbonat hóa

Dung dịch bão hịa muối ăn và NH3 sau amon hóa đem cacbonat hóa bằng CO 2
được NaHCO3. Khi nồng độ NaHCO3 đạt bão hòa sẽ có kết tinh NaHCO3 tách ra.
NaCl + NH3 + CO2 + H2O
•

NaHCO3 + NH4Cl

Nhiệt giải NaHCO3 :

Lọc kết tủa NaHCO3 đem phân giải bằng nhiệt được sản phẩm Soda.

•

Tái sinh amoniac:

SVTH: Triệu Anh Dũng

15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Nước lọc chứa chủ yếu NH 4Cl, NaCl chưa phản ứng và một lượng nhỏ
cacbonat amon. Đem dung dịch này trộn lẫn với sữa vơi đun nóng cho NH 3 bay ra
quay trở lại q trình ban đầu.

Phương pháp Solvay có những ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm

Nhược điểm

+ Nguyên liệu sản xuất rẻ tiền, sẵn có.
+ Các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ không
cao (dưới 100oC) và áp suất gần áp suất khí quyển.
+ Q trình sản xuất được thực hiện liên tục trong
dịng ngun liệu khí – lỏng là chủ yếu do đó dễ cơ
giới hóa và tự động hóa sản xuất.
+ Quá trình sản xuất được phân đoạn cho phép thu
hồi tối đa các khí nguyên liệu NH3, CO2, theo khí
phóng khơng, do đó đảm bảo tổn thất NH3 nhỏ, môi
trường sản xuất sạch, điều kiện lao động tốt.
+ Cơng đoạn làm sạch nước muối và amon hóa
nước muối cho phép loại triệt để các tạp chất tan
làm bẩn sản phẩm Soda dẫn đến chất lượng sản
phẩm cao.

+ Hiệu suất sử dụng nguyên
liệu ban đầu thấp
+ Thải ra một lượng phế thải
lớn cần xử lý
+ Chi phí năng lượng cao

+ Đầu tư cơ bản cho xây dựng
khá lớn

Hình 1.7: Nhà máy sản xuất Soda tại Syracuse (USA) năm 1884

SVTH: Triệu Anh Dũng

16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

PHẦN 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SODA THEO
PHƯƠNG PHÁP TUẦN HỒN NH3
Q trình cơng nghệ sản xuất Soda theo phương pháp tuần hoàn NH 3 bao gồm 5
giai đoạn chủ yếu:
•
•
•
•
•

Giai đoạn chuẩn bị NaCl dung dịch
Giai đoạn Amon hố nước muối bão hồ
Giai đoạn Cacbonat hố dung dịch bão hoà NH3
Giai đoạn nung phân giải NaHCO3 rắn lấy Na2CO3
Giai đoạn phân giải dung dịch tuần hoàn NH3 cho sản xuất

SVTH: Triệu Anh Dũng

17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

NH3 bs

SVTH: Triệu Anh Dũng

18


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình sản xuất Soda theo phương pháp tuần hoàn NH3
2.1 Giai đoạn chuẩn bị NaCl dung dịch (giai đoạn làm sạch nước muối)
Với yêu cầu nồng độ NaCl phải đạt bão hòa 305 310 g/l ở 25 0C các tạp chất
càng ít càng tốt.
Vì vậy, nước muối trước khi đưa vào q trình amon hóa cần phải đạt các tiêu
chuẩn sau đây:
Nồng độ các ion
+ CO32- = 0,33 ÷ 0,51

gam/lít

+ OH- = 0,0175 ÷ 0,068 gam/lít
+ Ca2+ = 0,02

gam/lít

+ Mg2+ = 0,0042

gam/lít

+ Độ đục: 35 mg/lit
Muốn như vậy, trước hết ta phải hoà tan muối ăn, từ đây có thể loại bỏ được các
hợp chất cơ học khơng tan bằng cách gạn, lắng, lọc sau đó dung dịch đem đi tinh chế
để loại các tạp chất hoà tan là Ca 2+ và Mg2+. Trong quá trình sản xuất Na 2CO3 có ion
OH-, CO32-.
Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2 ↓
CaCO3 và Mg(OH)2 nằm lẫn trong sản phẩm làm cho chất lượng sản phẩm kém.
Do đó cần phải loại Ca 2+ và Mg2+ ra khỏi dung dịch dưới dạng các hợp chất có độ hồ
tan nhỏ nhất.
Giả sử có hợp chất AB. Khi đó trong dung dịch sẽ có sự phân ly thành cation và
anion: AB ⇔ A+ + B+
Tích tan của AB được xác định: TAB = [A].[B]
Trong đó: [A],[B] là nồng độ cation A + và anion B- trong dung dịch ở trạng thái
bão hồ. Nếu tính nồng độ ion [A].[B] > T AB thì sẽ tạo kết tủa AB. Nếu tính nồng độ
ion [A].[B] < TAB thì AB chưa kết tủa.
Đối với ion Ca2+:

SVTH: Triệu Anh Dũng

19


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Ca 2+ + SO42− → CaSO4 ↓

TCaSO4 = [Ca 2+ ].[ SO42− ]

Ca 2+ + 2OH − → Ca( OH ) 2 ↓

TCa (OH )2 = [Ca 2 + ].[ OH − ] 2

Ca 2+ + CO32− → CaCO3 ↓

TCaCO3 = [Ca 2+ ].[ CO32− ]

Ca 2+ + C 2 O42− → CaC 2 O4 ↓

TCaC2O4 = [Ca 2+ ].[ C 2 O42− ]

Trong các trường hợp trên thì độ tan của các chất như sau:
TCa ( OH ) 2 > TCaSO4 > TCaCO3 > TCaC2O4

Ở cùng một nhiệt độ về mặt kinh tế dùng CO 32- là tác nhân làm sạch Ca2+ hợp lý
hơn cả.
Đối với ion Mg2+:

2+
− 2
Mg 2+ + 2OH − → Mg (OH ) 2 ↓ có TMg ( OH ) 2 = [ Mg ].[ OH ]
2+
2−
Mg 2+ + CO32− → MgCO3 ↓ có TMgCO3 = [ Mg ].[ CO3 ]

TMgCO3 > TMg (OH ) 2

ở cùng một nhiệt độ dùng OH- để loại Mg2+ là hợp lý.

Nguồn lấy CO32- từ dung dịch Na2CO3 = 2Na+ + CO32+
2−
Hoặc là: ( NH 4 ) 2 CO3 ⇔ 2 NH 4 + CO3

Nguồn lấy OH- từ NaOH hoặc Ca(OH)2, NH4OH
NaOH = Na+ + OHCa(OH)2 ⇔ Ca2+ + 2OH+

NH4OH ⇔ NH 4 + OHTuỳ thuộc vào nguồn cung cấp OH - và CO32- mà phương pháp làm sạch mang
tên gọi khác nhau như dùng NH 3 và CO2 mang tên là phương pháp tinh chế NH 3 và
CO2.
Nếu dùng Soda và sữa vôi → gọi là phương pháp sữa vôi – Soda.
Nếu dùng xút và Soda → gọi là phương pháp xút – Soda
- Phương pháp NH3 – CO2 quá trình làm sạch thực hiện như sau:
NH3(K) + H2O(L) → NH4OHdd + Q
SVTH: Triệu Anh Dũng

20

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh
+

Mg2+ + 2NH4OH → Mg(OH)2 ↓ + 2NH 4

2NH4OHdd + CO2(k) → (NH4)2CO3 + H2O + Q
+

Ca2+ + (NH4)2CO3 → CaCO3 ↓ +2NH 4

Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng nguyên liệu tại chỗ, nhưng nhược điểm
lớn là làm sạch không triệt để và tạo muối ba NaCl.MgCO 3.Na2CO3 hoặc muối đôi
MgCO3.(NH4)2CO3.4H2O gây tổn thất nguyên liệu. Kết tủa bám vào thành thiết bị rất
chắc, tốn công làm sạch.
- Phương pháp dùng xút và Soda
Phương pháp này thay hydroxit amon bằng xút và amon cacbonat bằng Soda.
Khi đó trong dung dịch nước muối có các phản ứng sau:
Ca2+ + Na2CO3 = CaCO3 + 2Na+
Mg2+ + 2NaOH = Mg(OH)2 + 2Na+
Phương pháp này có ưu điểm là khơng để lại ion amon trong dung dịch nước
muối như phương pháp NH3 – CO2. Ngược lại, nước muối sau khi làm sạch được bổ
sung thêm ion Na không gây trở ngại sản xuất.
Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng một loại nguyên liệu là xút
khơng có ngay trong nhà máy sản xuất Soda theo phương pháp amoniac. Vì vậy, đối
với nhà máy điện phân xút – clo thì phương pháp này là thích hợp.
- Phương pháp Soda – sữa vơi:
Na2CO3 và Ca(OH)2 là 2 nguyên liệu sẵn có trong nhà máy sản xuất, vôi và
Soda chỉ cần chế thành dung dịch là có thể dùng được. Lượng Soda sử dụng nhiều hay

ít tuỳ thuộc vào nồng độ ion Ca2+ có trong nước muối.
Ca2+ + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + 2Na+
Mg2+ + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 ↓ + Ca2+
Vôi đem dùng tốt nhất ở dạng vơi tơi, bởi vì nếu dùng ở dạng vơi sống thì các
tạp chất cịn lại trong vơi sẽ lẫn vào dung dịch và gây khó khăn cho q trình vận
chuyển nước muối.

SVTH: Triệu Anh Dũng

21


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Ở nhà máy sản xuất Soda theo phương pháp tuần hoàn amoniac tốt nhất là dùng
phương pháp sữa vơi – Soda. Vì đây là 2 nguyên liệu sẵn có trong dây chuyền sản
xuất.
Cơ sở của phương pháp làm sạch nước muối là nhằm tạo ra các kết tủa CaCO 3,
Mg(OH)2 dễ lắng và loại khỏi dung dịch nước muối dễ dàng. Muốn vậy làm sao các
hạt phải có kích thước và trọng lượng lớn để tốc độ lắng nhanh. Đối với các hạt hình
cầu có thể xác định tốc độ lắng qua phương trình Stốc:
v=

2r 2 (γ − γ 0 )
.g
µ

[1 – 31]

Trong đó:
v: Vận tốc lắng của hạt (m/giây)
r: Bán kính hạt hình cầu (m)
γ: Trọng lượng riêng của hạt rắn (kg/m2)
γ0: Trọng lượng riêng của môi trường (kg/m3)
Môi trường ở đây là dung dịch nước muối
µ: Độ nhớt của mơi trường kg/m.giây
g: Gia tốc trọng trường = 9,81 m/giây2
Muốn các hạt lắng tốt, ta tăng kích thước hạt (tăng r). Tốc độ lắng phụ thuộc
rất nhiều vào thành phần Ca 2+ và Mg2+ có ở trong dung dịch nước muối mà thành phần
này thay đổi rất lớn tuỳ thuộc vào chất lượng muối rắn. Khi thành phần Ca 2+ và Mg2+
thay đổi cũng kéo theo sự thay đổi tốc độ lắng.
Bảng 2.1: Ảnh hưởng của nồng độ ion Ca2+ và Mg2+ đến tốc độ lắng [1 – 33]
Mg2+ (g/l)

Ca2+ (g/l)

V (mm/phút)

0

2

0,7

0,3

1,5

15,6

0,6

1,0

5,5

0,9

0,5

3,0

1,2

0

1,0

Dựa vào thành phần Ca2+, Mg2+ có trong dung dịch nước muối.
SVTH: Triệu Anh Dũng

22


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Ta chọn biện pháp sao cho tốc độ lắng là tốt nhất, tức là các hạt kết tủa có khả
năng tạo tập hợp hạt có kích thước lớn.
Khi hạt lớn lên thì chuyển động vì nhiệt giảm. Khi lớn lên đến một mức độ nào
đó thì nó thắng được chuyển động và phá vỡ cân bằng giữa khối lượng và chuyển
động do đó hạt lắng. Nhiệt độ cũng làm cho độ nhớt bị ảnh hưởng. Khi nhiệt độ thay
đổi làm độ nhớt thay đổi theo, độ nhớt thay đổi làm cho γ0 cũng thay đổi. Ta thấy nếu
ta tăng nhiệt độ thì µ ↓ và γ0 ↓ mà r cố định thì v ↑ .
Nhưng thực tế ở đây là tiến hành làm sạch ở nhiệt độ thường cho kinh tế.
Khả năng khuấy trộn ở giai đoạn làm sạch cũng tăng cường khả năng va chạm
các hạt dẫn đến việc tiếp xúc và dính kết các hạt phân tán nhỏ, do đó hình thành tập
hạt có kích thước lớn, tuy vậy cũng khơng thể khuấy trộn quá mạnh sẽ làm phá vỡ liên
kết tạo nên chuyển động hỗn loạn do đó các hạt sẽ ở trạng thái phân tán. Cho nên ta
chỉ khuấy trộn vừa phải để tạo tập hợp hạt.
Môi trường thể hiện ở độ pH cũng làm thay đổi khả năng tạo liên kết. Khi sử
dụng Na2CO3 và Ca(OH)2 là những chất kiềm yếu, nếu sử dụng vừa đủ thì mơi trường
dung dịch nước muối hầu như không thay đổi nhiều. Nhưng khi sử dụng dư thì độ pH
↑ , nếu pH tăng quá lớn sẽ hoà tan.

Mg(OH)2 làm cho khả năng tạo liên kết tập hợp kém. Chỉ cho dư Ca(OH) 2 là
0,1 ÷ 0,5 (g/l) và Na2CO3 dư 0,3 ÷ 0,5 (g/l) là tối đa lúc đó pH = 12 ÷ 13 nên lượng
Mg(OH)2 tạo thành được giữ nguyên. Khi dư Ca(OH) 2 sẽ tồn tại các hạt rắn vôi sữa là
tác nhân làm cho kết tủa dễ hơn, nó có tác dụng như những mầm kết tủa.
2.2 Cơ sở quá trình nhiệt giải CaCO3
2.2.1 Cân bằng và tốc độ phân giải
Quá trình nung với thực tế là quá trình phân giải CaCO 3 dưới tác dụng của nhiệt
độ. Tốc độ phân giải đá vôi phụ thuộc chủ yếu vào cân bằng pha rắn và pha khí trên bề
mặt hạt đá vơi.
Phương trình phân giải đá vơi thể hiện:
cal
Đặc điểm phản ứng: Dị thể khí – rắn, thu nhiệt, tăng thể tích.

SVTH: Triệu Anh Dũng

23


Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Nếu q trình phân giải tiến hành ở áp suất thấp thì hoạt độ chất rắn coi như
bằng 1. Khi đó các chất khí sẽ phụ thuộc áp suất và được thể hiện qua áp suất riêng
phần hay độ bay hơi; hằng số cân bằng của phản ứng phân giải được tính theo hoạt độ,
độ bay hơi hay áp suất.
Tốc độ phân hủy CaCO3 phụ thuộc vào tốc độ quá trình khuếch tán CO 2 ra khỏi
hạt CaCO3, càng đi vào bên trong hạt thì tốc độ phân hủy càng chậm. Ta có thể tính tốc
độ phân hủy hạt CaCO3 theo tốc độ dịch chuyển lớp CaO vào tâm hạt CaCO 3, tốc độ
dịch chuyển này phụ thuộc nhiệt độ theo phương trình:
lgx = 0,003145t – 3,3085

[1 – 46]

Trong đó: x – tốc độ dịch chuyển lớp vôi nung (cm/h)
t – nhiệt độ nung (0C)
Đối với than antraxit thì thời gian nung kéo dài hơn so với dùng than cốc, vì
than đá độ xốp kém, cháy chậm. Vì vậy trong quá trình nung vôi phải chú ý tới các yếu
tố ảnh hưởng tới nhiệt độ và thời gian nung.
2.2.2 Quá trình xảy ra trong lò vơi
•

Q trình cháy nhiên liệu:

C + O2 = CO2 + Q
CO2 + C = 2CO – 41950 cal/kg

Trong lò đứng, nhiên liệu chiếm 10% khối lượng phối liệu và được phân bố lẫn
với đá vơi. Kích thước hạt than được chọn:
d[CaCO3]min ≤ dhạt than ≤ {d[CaCO3]min + d[CaCO3]max}/2
Trong q trình cháy, ngồi khả năng cháy đều, cháy hồn tồn nhiên liệu, vẫn
cịn khả năng sinh thành khí oxit cacbon.
Ngun nhân hình thành khí CO trong lị nung vơi có thể do:
+ Trong phối liệu chứa nhiều hạt đá nhỏ gây trở lực lớn, phân bố phối liệu
không đều trong tồn tiết diện lị.
+ Tăng chỉ tiêu tiêu hao nhiên liệu lị. Khi đó nhiệt độ lị tăng cao do phần nhiên
liệu thừa cháy cung cấp để đốt nóng khí và vơi trong lị. Do đó khả năng tham gia phản
ứng khử của CO2 với than dễ dàng để tạo CO.

SVTH: Triệu Anh Dũng

24


Đờ án tớt nghiệp

GVHD: PGS.TS La Thế Vinh

Q trình chế tạo khí CO2 trong lị vơi muốn thu được khí chứa ít CO. Muốn
như vậy phải có sự trộn lẫn khí đều trong lị để cháy hết khi CO sinh thành. Để đạt
mục đích đó có thể thực hiện bằng hai cách:
+ Tăng áp lực gió thổi nghĩa là tăng tốc độ khí đi trong lị.
+ Giảm thành phần hạt đá vơi nhỏ trong phối liệu.
•

Phân giải đá vơi

Canxi cacbonat (đá vơi) khi nung trong lị cao sẽ phân giải thành oxit canxi và
khí cacbonic theo phương trình:
kcal/mol
Phản ứng phân giải đá vôi tiến hành dưới tác dụng của nhiệt. Tốc độ phân giải
nghĩa là lượng CaCO3 bị phân giải trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích
phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Nhiệt độ nung càng cao thì tốc độ phân giải đá vơi
càng lớn.
Khi nung đá vơi, ngồi phản ứng chính là phân giải CaCO 3 trong đó cịn có các
phản ứng phụ xảy ra giữa oxit canxi với tạp chất trong phối liệu đem nung. Kết quả
một phần vôi không hoạt động (phần vôi khi tôi không phản ứng với nước ở nhiệt độ
thường). Do đó có thể nói vơi khơng hoạt động là sản phẩm phản ứng tương tác giữa
CaO với các chất chứa trong phối liệu nhiệt độ cao. Ví dụ với SiO 2, Fe2O3, Al2O3,
CaSO4, MgO…
Khi xảy ra các phản ứng phụ sẽ làm cho nhiệt độ nóng chảy của hệ giảm. Vì
vậy, có thể gây kết khối trong lò hoặc chất chảy lỏng sẽ bọc lấy hạt CaO dẫn tới làm
giảm hoạt tính của vơi.
Đối với MgCO3 khi nung sẽ bị phân hủy:

MgO tạo thành kém hoạt động hơn CaO do đó khơng tham gia phản ứng phụ
với các tạp chất có trong phối liệu như CaO, tuy vậy MgO là một chất trợ dung. Sự có
mặt MgO sẽ làm giảm nhiệt độ chảy lỏng của CaO với các tạp chất giảm xuống, ảnh
hưởng trực tiếp đến lớp gạch chịu nhiệt của lị vơi.

SVTH: Triệu Anh Dũng

25