Đồ án thiết kế xưởng sản xuất soda theo phương pháp tuần hoàn nacl từ muối công nghiệp với năng xuất 230 000 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: Phạm Thị Thu Hường
Mã số sinh viên: 20103596
Lớp: Công nghệ Vô cơ – K55
1. Nội dung:
“Thiết kế xưởng sản xuất soda theo phương pháp tuần hồn NaCl từ muối cơng
nghiệp với năng xuất 230.000 tấn/năm”
Chất lượng sản phẩm: 98,5%Na2CO3; 0,2%NaCl; 1,0%NaHCO3; 0,3% ẩm
2. Các số liệu ban đầu:
Nguyên liệu: NaCl 98,8%; MgCl2 0,01%; CaSO4 0,09%, cịn lại là cặn khơng tan
Hiệu suất sử dụng NaCl: 99,0%; Hiệu suất tách NH4Cl: 99,2%
Tổn thất soda trong quá trình sản xuất: 4,5%
Các số liệu khác tự chọn
3. Nhiệm vụ:
- Giới thiệu sản phẩm và cơ sở q trình 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:
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

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)
- Bản vẽ mặt bằng và mặt cắt phân xưởng (A0)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 10-02-2015
6. Ngày hồn thành:
Trưởng Bộ mơn

Cán bộ hướng dẫn

PGS.TS. La Thế Vinh

PGS.TS. La Thế Vinh

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SVTH: Phạm Thị Thu Hường


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Cacbonat hoá sơ bộ

CBNHSB

Cacbonat hoá

CBNH

Dung dịch

dd

Làm lạnh

ll

Trao đổi nhiệt

TĐN

Độ chuẩn

đc

Tự do

td

Liên kết

lk

Tổn thất

tt

Hấp thụ

ht

SVTH: Phạm Thị Thu Hường


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp , em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm , giúp đỡ, đóng góp ý kiến và sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ cũng như bạn bè và
gia đình.
Với lịng biết ơn sâu sắc , em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các Thầy cô
ở Bộ môn Công nghệ các chất Vô Cơ – trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ
cho em những kiến thức bổ ích về các mơn học chun ngành , giúp em có được cơ
sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em cũng như các bạn khác trong suốt
quá trình học tập.
Em cũng xin gửi một lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS .La Thế Vinh đã
trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình em và các bạn trong nhóm để hồn thành nhiệm
vụ đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè , đã luôn tạo điều kiện ,
quan tâm , giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hồn thành đồ
án tốt nghiệp. Em xin kính chúc các Thầy , các Cô luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục
giảng dạy và công tác tốt.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 8 năm 2015
Sinh viên
Phạm Thị Thu Hường

SVTH: Phạm Thị Thu Hường


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

MỤC LỤC
PHẦN 5: TÍNH TỐN CÂN BẰNG NHIỆT...........................................................52
..................................................................................................................................... 71
PHẦN 6: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ.....................................................................72
..................................................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................91

SVTH: Phạm Thị Thu Hường


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh
LỜI NÓI ĐẦU

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.
Soda là một sản phẩm được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong ngành cơng nghiệp

hóa chất như công nghiệp luyện kim, chất tẩy rửa , thủy tinh,….Ngồi sản xuất từ các
loại quặng tự nhiên, soda cịn được sản xuất tổng hợp từ nguyên liệu đá vôi, muối và
ammoniac. Chính vì tầm quan trọng của nó mà các nhà nghiên cứu đã khơng ngừng
tìm tịi ra các phương pháp sản xuất soda ưu việt nhất.
Được sự đồng ý và 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 NaCl từ muối công nghiệp với năng suất
230.000 tấn/năm”.
Bản đồ án của em gồm các nội dung sau :
Phần 1: Giới thiệu chung về sản phẩm và phương pháp sản xuất soda
Phần 2 : Cơ sở hóa lý của q trình sản xuất soda
Phần 3: Thuyết minh sơ đồ dây chuyền cơng nghệ
Phần 4: Tính tốn cân bằng vật chất
Phần 5 :Tính tốn cân bằng nhiệt lượng
Phần 6: Tính và chọn thiết bị
Với vốn hiểu biết còn hạn chế nên trong bản đồ án này khơng tránh khỏi những thiếu
sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè để kiến
thức của em được vững vàng hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 8 năm 2015
Sinh viên
Phạm Thị Thu Hường

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

1


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẢN PHẨM VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN
XUẤT SODA
1.1.Giới thiệu chung về sản phẩm soda
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 hoà
tan trong nước rất tốt, khi hoà tan có toả nhiệt, dung dịch soda có tính kiềm.
Soda kết tinh có thể ở dạng ngậm nước hoặc dạng khan. Dạng kết tinh ngậm nước
có 3 loại, loại ngậm 1 nước: Na2CO3.H2O, loại ngậm 7 nước Na2CO3.7H2O và 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: Đặc trưng kỹ thuật của 3 loại sản phẩm soda. [1]
Loại kỹ thuật
% Na2CO3
Tổn thất nung %≤
Chất không tan %
NaCl %
Na2SO4 %
F%

Loại phim ảnh

95,0
3,5
Hơi đục
1,0
-

95,00
3,50
0,10
1,00
0,10
0,01

Loại quang học
96,00
2,50
0,30
0,50
0,05
0,005

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.
Bảng 2: Tỷ lệ sử dụng Soda trong các ngành, [1]
Cơng nghiệp hố chất:
Luyện kim màu:
Luyện kim đen:
Công nghiệp dầu mỏ:
Các ngành công nghiệp khác:

23,7 %
11, 9%
2,5 %
1,0 %
32,0 %

tổng sản lượng
tổng sản lượng
tổng sản lượng
tổng sản lượng
tổng sản lượng

Bảng 3: Tiêu hao Soda cho 1 đơn vị sản phẩm của một số ngành như sau:
Đơn vị: kg soda/tấn sản phẩm
Luyện gang
Nấu thuỷ tinh
Luyện ôxit nhôm
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

50
170 - 200
145 - 220

2


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Ôxit cacbon
Chế tạo Criolit
Bột giặt tổng hợp
Tách lưu huỳnh khỏi dầu mỏ
Khoan giếng dầu

9.000 - 14.000
608 - 610
560
350
2

Tóm lại: soda là một chất kiềm được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều ngành
công nghiệp hoặc sử dụng trực tiếp để sản xuất hợp chất của Natri. Trong công nghiệp
nhẹ sử dụng làm chất tẩy rửa bột giặt, dược liệu trung hoà dịch vị dạ dày, nước mắm.
Trong công nghiệp nặng: dùng nấu thuỷ tinh. Trong công nghiệp luyện kim (chủ yếu
luyện kim màu) sử dụng dưới dạng Cridit (NaAlO2). Trong cơng nghiệp hố chất:
dùng sản xuất các hợp chất Natri, sản xuất NaOH.
1.2.Các phương pháp sản xuất soda
1.2.1. Khai thác soda tự nhiên
Ban đầu người ta khai thác soda tự nhiên từ các đầm hồ, tới khi nguồn soda này
cạn kiệt thì đem đốt rong, tảo biển (trong rong, tảo biển có chứa nhiều soda) rồi đem
hòa tan vào nước thu được sản phẩm soda.
Đến thế kỷ 18 các ngành khoa học phát triển mạnh, nhu cầu sử dụng soda tăng lên,
đòi hỏi số lượng sản xuất và chất lượng sản phẩm tăng lên. Do đó một số phương pháp
sản xuất soda ra đời.
1.2.2. Phương pháp Lêbơlan
Năm 1791, Lêbơlan đưa phương pháp sản xuất soda từ muối ăn, axit sulfuric, đá
vơi. Q trình sản xuất soda phải qua các giai đoạn sau:
+ Chế tạo Na2SO4 từ NaCl và H2SO4 từ phản ứng:
2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl
+ Cô đặc dung dịch HCl, H2O, bay hơi ta được tinh thể Na2SO4
+ Nung nóng chảy với CaCO3, C theo tỷ lệ: Na2SO4 : CaCO3 : C = 1: 1: 0,5
to

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 khơng tan CaS. Đem nghiền nhỏ, hịa tan trong nước. Khi đó các muối hịa
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

3


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

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 → Na2CO3 + H2S ↑
2NaOH + CO2 → 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 còn 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 ↑
H2S thu được đem đốt nóng trong lị có ơxit sắt, ơxit nhôm làm xúc tác sẽ tạo thành
lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric.
Như vậy, phương pháp Lêbơlan tuy đã giải quyết được nhu cầu về sử dụng soda ở
thế kỷ 18 nhưng nó vẫn cịn tồn tại nhiều nhược điểm. Đó là sản phẩm chưa tinh khiết,
q trình sản xuất nặng nhọc, kỹ thuật thủ công chưa thể tự động hóa, chất thải lớn gây
ơ nhiễm mơi trường, hiệu suất dẫn đến phản ứng không cao dẫn đến giá thành cao,
khơng có cơ hội cạnh tranh.
1.2.3 .Phương pháp Solvay
Năm 1861 Solvay (Kỹ sư người Bỉ) đã phát minh ra phương pháp sản xuất soda đi

từ muối ăn, đá vơi dùng ammoniac là tác nhân chuyển hóa trung gian. Quá trình sản
xuất tiến hành qua các giai đoạn sau:
+ Chuẩn bị dung dịch nước muối chứa ammoniac
Muối rắn hòa tan vào làm lạnh đạt nồng độ NaCl : 305 – 310 (g/l) ở điều kiện
thường, nước muối đó đem hịa tan, NH3 tới nồng độ NH3 = 85 ÷ 90 (g/l).
+ Amon hóa
Sử dụng dung dịch nuớc muối bão hịa làm dung mơi hịa tan khí ammoniac, 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 CO2
được NaHCO3 khi nồng độ NaHCO3 đạt bão hịa sẽ có kết tinh NaHCO3 tách ra.
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh
NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

+ Lọc kết tủa NaHCO3 đem phân giải bằng nhiệt được sản phẩm soda theo phản
ứng:
t0

2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
+ Tái sinh ammoniac
Nước lọc chứa chủ yếu NH4Cl, NaCl, chưa phản ứng và một lượng nhỏ cacbonat
amon. Đem dung dịch này trộn lẫn với sữa vơi đun nóng cho NH3 bay ra quay trở lại
quá trình ban đầu.

to

NH4HCO3 → NH3 + CO2 + H2O
to

NH4COONH2 → 2NH3 + CO2
So sánh hai phương pháp
So với phương pháp Lêbơlan phương pháp Solvay có nhiều ưu điểm và thực hiện
trong q trình kín, ngun liệu dễ kiếm. Quy trình tuy phức tạp nhưng dễ thao tác, có
thể tự động hóa, sản phẩm sạch và có thể khống chế được hiệu suất của quá trình. Cho
tới nay, công nghệ sản xuất soda theo phương pháp Solvay vẫn tồn tại và người ta đã
cải tiến công nghệ này theo hai hướng là: thứ nhất là theo phương pháp tuần hoàn
muối ăn, thứ hai là theo phương pháp tuần hoàn amoniac.
1.2.3.1 Sản xuất soda theo phương pháp tuần hồn ammoniac
Đây là phương pháp sản xuất soda có tuần hồn ammoniac. Phương pháp này có
nhược điểm là hiệu suất sử dụng ngun liệu khơng cao η = 70÷ 75%. Dung dịch còn
lại sau tái sinh chứa nhiều muối ăn gây mặn cho mơi trường xung quanh, do vậy địi
hỏi phải có bãi thải lớn.

NH3

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Cacbonat
hóa

Amon
hóa

NH4Cl

Lọc

Chưng
phân giải

CaCl2

NaHCO3
CO2

Nhiệt giải

Tơi vơi
H2O
CaO

Na2CO3
NaCl
Làm sạch

Ca(OH)2

Cặn

Na2CO3

Sản phẩm
nung
C (than)

CaCO3

Khơng khí

Hình 1. Sơ đồ q trình sản xuất soda theo phương pháp tuần hoàn NH3
1.2.3.2. Sản xuất soda theo phương pháp tuần hoàn muối ăn
Trong sản xuất soda nếu kết hợp với sản xuất NH4Cl thì có thể giảm được lượng
bã thải sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng muối ăn. Tuy nhiên phương pháp này
địi hỏi muối rắn phải có độ sạch rất cao(muối rắn theo những phương pháp sản xuất
hiện nay có thể đảm bảo được những yêu cầu độ sạch trên). Trong đồ án này ta nghiên
cứu phương pháp sản xuất soda theo phương pháp tuần hồn muối ăn cịn lại trong
dung dịch. Trong trường hợp này cần phải có ammoniac và cacbonic bổ sung liên tục
vì vậy sản xuất soda phải kết hợp với nhà máy tổng hợp ammoniac. Sơ đồ sản xuất
soda theo phương pháp tuần hoàn muối ăn rất đơn giản vì khơng cần bộ phận lị vơi và
tái sinh ammoniac, chỉ cần bộ phận tách NH4Cl ở dạng rắn.

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

6


Đồ án tốt nghiệp

CO2

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Cacbonat
hóa sơ bộ

Amon hóa
Dd nước lọc

Rửa khí
CBNHSB

NH3

Lọc

CO2

Nhiệt
giải

CO2

NaHCO3
Trao đổi
nhiệt

Na2CO3

Cacbonat
hóa

Sản phẩm

CO2 bổ sung
Kết tinh lần
1

Lọc

NH4Cl, rắn
Lọc

NH4Cl, rắn

NaCl, rắn
Kết tinh lần
2

Hình 2. Sơ đồ quá trình sản xuất soda theo phương pháp tuần hoàn muối ăn
Nguồn tiêu thụ NH4Cl là nơng nghiệp dùng làm phân bón, NH4Cl có hiệu quả đối
với các loại đất đai pha cát, trung tính và kiềm tính, đồng thời có hiệu quả đối với các
loại cây có hạt như lúa mì, củ cải đường, ngô, bông….
Để tách NH4Cl ra khỏi dung dịch ta dùng phương pháp diêm tích nhờ muối rắn
NaCl. Thực chất của phương pháp này là dùng muối ăn rắn NaCl bổ sung vào nước lọc
để tăng nồng độ ion Cl- trong dung dịch để giảm độ tan của NH4Cl.Phương pháp này
nâng cao hiệu suất sử dụng muối ăn, dây chuyền sản xuất soda đơn giản nhưng vẫn
hạn chế đó là địi hỏi muối ăn NaCl tinh khiết.

Sản xuất soda cùng với NH4Cl có thể thực hiện theo chu trình tuần hồn kín tồn bộ
nếu tất cả nước lọc đưa đi sản xuất NH4Cl (Sơ đồ thể hiện trên hình 2).
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

7


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Để nâng cao hiệu suất tách NH4Cl ra khỏi dung dịch, đem nước lọc đưa về bộ phận
amon hóa tới nồng độ kiềm tổng đạt 100 (đc) để tăng thêm ion cùng dấu trong dung
dịch NH4+. Để giữ ammoniac trong dung dịch và tạo muối phân ly thành ion NH4+
trong đó cần phải cho amoniac kết hợp với cacbonic ở bộ phận cacbonat hóa tới nồng
độ cacbonic 80÷85(đc). Khi đó trong dung dịch cịn lại rất ít amoniac tự do nên hạn
chế khả năng kết hợp với NH4 Cl tạo phức dễ hòa tan làm giảm hiệu suất tách NH4Cl
khỏi dung dịch. Vì vậy mức độ cacbonat hóa nuớc muối bão hịa amoniac có ý nghĩa
rất lớn(80÷85). Đồng thời trong chất lỏng đưa thêm muối có cùng ion Cl- là NaCl sẽ
làm giảm độ tan của NH4Cl. Sau khi bổ sung thêm NH4+ và Cl- vào nuớc lọc rồi đem
làm lạnh đến -5 ÷ -10˚C sẽ có NH4Cl tách ra khỏi pha lỏng. Thuờng chất lỏng sau
amon hóa đưa đi rửa kết tinh ở tháp để hòa tan các muối cacbonat bám trong thành
thiết bị.
Khi hòa tan muối NaCl rắn và làm lạnh dung dịch sau amon hóa và cacbonat hóa thì
gần như toàn bộ NH4Cl trong dung dịch sẽ kết tinh. Tách NH4Cl ra khỏi pha lỏng sẽ
được dung dịch muối ăn bão hòa chứa amoniac đạt yêu cầu đưa đi cacbonat hóa tiếp
tục tạo kết tinh NaHCO3 trong tháp cacbonat hóa. Nước lọc sau khi tách NaHCO 3 quay
trở lại quá trình tách NH4Cl.

PHẦN 2: CƠ SỞ HĨA LÝ CỦA Q TRÌNH SẢN XUẤT SODA

2.1. Amon hóa nước muối
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Giai đoạn hấp thụ amoniac bằng nước muối có ý nghĩa rất quan trọng về kinh tế và
kỹ thuật.
+ Về mặt kinh tế đảm bảo khả năng thu hồi tồn bộ khí amoniac và cacbonic từ bộ
lọc, rửa và cacbonat hóa đưa lại.
+ Về mặt kỹ thuật đảm bảo trong dung dịch nước muối phải có một nồng độ NH3
nhất định phục hồi cho giai đoạn kết tinh, đồng thời làm sạch các ion Ca 2+, Mg2+ trong
dung dịch.
2.1.1. Cơ sở quá trình hấp thụ amoniac
Đặc điểm quá trình hấp thụ amoniac là dùng dung dịch nước muối bão hịa làm
dung mơi hịa tan khí amoniac, giữa pha lỏng và pha khí, giữa các chất hịa tan trong
pha lỏng với nhau. Vì vậy quá trình hấp thụ tương đối phức tạp, dưới đây trình bày cơ
sở của quá trình hấp thụ NH3 bằng nuớc muối bão hịa.
2.1.2. Động học q trình hấp thụ kèm theo phản ứng hóa học
Amoniac hịa tan trong nước rất tốt và độ hòa tan gần như tỷ lệ thuận với áp suất.
Khi hòa tan trong dung dịch nước muối, NH3 có tham gia phản ứng kết hợp với nước
và tỏa ra một lượng nhiệt làm dung dịch nóng lên. Phản ứng tổng quát:
NH3 + H2O ↔ NH4OH + 486 (kcal/kgNH3)
Thực tế:

NH3 + xH2O ↔ NH3.xH2O.

Trong hỗn hợp khí đưa về amon hóa ngồi amoniac cịn có lẫn khí cacbonic và hơi
nước với CO2 ít hịa tan trong nước nhưng dễ kết hợp với amoniac theo phản ứng:
CO2 + 2NH3 ↔ NH2COOHNH4 + 163 (kcal/kgNH3)
Sau đó cacbonat thủy phân chậm tạo NH4HCO3
NH2COONH4 + H2O ↔ NH4HCO3 + NH3 + 6,6 (kcal/kmol NH2COONH4)
NH3 + NH4HCO3 + H2O ↔ (NH4)2CO3 + H2O + 8,4 (kcal/kmol NH3)
Đặc điểm các phản ứng trên là:
-Phản ứng hấp thụ có kèm theo phản ứng hóa học nhiệt tỏa ra tương đối lớn.
-Quá trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hóa học của khí với cấu tử trong dung
dịch thì phần cấu tử hoạt động trong dung dịch sẽ chuyển về trạng thái liên kết các cấu
tử tự do hoạt động trong pha lỏng (chất hấp thụ) sẽ tăng gradien nồng độ khi đó q
trình hoạt động trong lỏng nhanh hơn quá trình hấp thụ.
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Hấp thụ vất lý và hấp thụ hóa học liên hệ với tốc độ chuyển chất xác định bằng
phương trình:
WA = F.∆.β= β’.F.(∆’+ δ)
Trong đó:
∆,∆’: Lực hấp thụ khi có và khơng có phản ứng.
β: hệ số chuyển chất trong pha lỏng khi có phản ứng hóa học.
β’: hệ số chuyển chất trong pha lỏng khi khơng có phản ứng hóa học.
F: Bề mặt tiếp xúc pha.

δ: đại lượng thể hiện lực hấp thụ tăng trong pha lỏng khi có phản ứng.
Q trình hấp thụ được nghiên cứu qua các phương trình động học là q trình phức
tạp. NH3 là khí dễ hịa tan và có độ hịa tan lớn, CO2 là khí khó hịa tan và có độ hịa
tan nhỏ. Nhưng CO2 có trong dung dịch amon hóa làm giảm áp suất hơi cân bằng của
NH3 trên bề mặt dung dịch, nghĩa là thúc đẩy quá trình hấp thụ NH3. Mặt khác NH3 có
trong dung dịch là động lực chính trong q trình hấp thụ CO2.
2.1.3. Cân bằng pha khi hấp thụ
Để tính tốn cân bằng trong q trình amon hóa người ta có thể dùng cơng thức
thực nghiệm hoặc bằng phuơng pháp đồ thị. Có thể dùng cơng thức Turkhan để xác
định áp suất hơi cân bằng NH3:
 1750 
 + n.lg A + C
 T 

lg pNH3= - 
Trong đó:

PNH3: áp suất hơi cân bằng khi có phản ứng hóa học của NH3 (mmHg)
A: Nồng độ NH3 trong dung dịch (đc)
T: Nhiệt độ của dung dịch (˚K)
n,C: Hằng số phụ thuộc vào nồng độ của CO2 trong dung dịch.

Bảng 4. Hằng số phụ thuộc vào nồng độ của CO2 trong dung dịch [1]
[CO2] (N)

0

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

1

2

3

4

10


Đồ án tốt nghiệp
N
C

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh
1,13
5,67

1,31
5,08

1,83
4,13

2,50
2,65

3,30
1,85

Trong quá trình hấp thụ nồng độ NaCl biến đổi rất nhỏ do đó ảnh hưởng rất nhỏ tới
cân bằng của hệ. Vì vậy q trình amon hóa coi như cân bằng của hệ gồm 3 cấu tử:
NH3 – CO2 – H2O
Ngoài ra áp suất hơi nước cân bằng trong pha khí trên dung dịch hấp thụ tính theo
cơng thức:
PH2O = P0.(1-0,82.CNaCl – 1,5.CNH3 + 0,1.CCO2)
Trong đó:
P0: áp suất hơi nước trên nước nguyên chất (mmHg)
CNaCl, CNH3, CCO2: nồng độ các cấu tử tương ứng (kg/kgdd)
Khi amon hóa dung dịch nước muối, hơi nuớc ngưng tụ làm cho thể tích dung dịch
sau amon hóa tăng 3-4% khi đó nồng độ NaCl giảm. Để làm giảm độ loãng của dung
dịch nước muối sau amon hóa khí tái sinh trước hấp thụ phải làm lạnh trong thiết bị
làm lạnh tái sinh. Nhiệt độ làm lạnh khí bị giới hạn do khả năng tạo muối amon
cacbonat kết tinh trong pha khí (t0khí<55˚C). Muối rắn amon cacbonat có nồng độ CO2,
NH3 trên dung dịch bão hịa.
2.1.4. Quy trình cơng nghệ
Trong q trình chuẩn bị nuớc muối có chứa amoniac hịa tan trong đó nhằm phục
vụ cho q trình cacbonat hóa về sau phải thỏa mãn một số yêu cầu kỹ thuật về phẩm
chất nước muối và tổn thất ngun liệu. Vì vậy q trình amon hóa phải nghiên cứu
các vấn đề sau.
2.1.4.1. Giảm độ bay hơi của amoniac và tinh chế nước muối
Trong khí đưa sang hấp thụ ngồi NH3 cịn có CO2, H2O. Chính vì có CO2 trong hỗn
hợp khí nên chúng ta có khả năng kết hợp với NH3 ngay trong pha khí để tạo muối
amon cacbonat. Phản ứng giữa CO2 và amoniac tiến hành rất nhanh nhưng rất dễ bị
phân giải ngược lại, còn trong pha lỏng thì khả năng phản ứng cũng nhanh và tạo ra
các hợp chất bên trong dung dịch, amon cacbonat,amon bicacbonat tùy theo nồng độ
CO2 trong hỗn hợp khí. Như vậy trong hỗn hợp khí đưa qua hấp thụ có chức CO2 có
khả năng làm giảm áp suất cân bằng của amoniac trên dung dịch hấp thụ là một phần
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

amoniac đã liên kết với CO2 tạo muối hịa tan có áp suất hơi nhỏ. Phần NH3 tự do ít đi
so với khi khơng có CO2 trong dung dịch:
-

Khi khơng có CO2 trong hỗn hợp khí
lg PNH3=

-

1750
+ 1,13.lg A+5,67
T

[1]

Khi có CO2 trong hỗn hợp khí
lg PNH3=

1750
+n.lg A+c
T

[1]

Trong đó:
A: Nồng độ amoniac trong dung dịch (đc)
T: Nhiệt độ dung dịch(0K)
n,c: Hằng số phụ thuộc nồng độ CO2 trong dung dịch.
Khi hấp thụ hỗn hợp khí có chứa CO2 và amoniac thì trong nước muối cịn có phản
ứng NH3, CO2 và Ca, Mg cịn lại sau làm sạch. Kết quả là sẽ tạo các hợp chất kết tủa
bám trên thành tháp hấp thụ:
CaSO4 + 2NH3 + CO2 + H2O → CaCO3↓ + (NH4)2SO4
MgSO4 + 2NH3 + 2H2O → Mg(OH)2↓ + (NH4)2SO4
CaCl2 + 2NH3 + CO2 + H2O → CaCO3↓ + 2NH4Cl
MgCl2 + 2 NH3 + 2H2O → Mg(OH)2↓ + 2NH4Cl
Như vậy yêu cầu làm sạch nước muối trước khi hấp thụ rất cần thiết và quan trọng.
Chính vì vậy giai đoạn hấp thụ địi hỏi q trình làm sạch và tinh chế nước muối trước
đó.
2.1.4.2. Quan hệ giữa nồng độ amoniac và muối ăn
Nồng độ amoniac và NaCl trong dung dịch sau hấp thụ rất quan trọng đối với q
trình cacbonat hóa và nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ sử dụng nguyên liệu. Vì vậy
nồng độ NaCl đưa vào cơng đoạn hấp thụ khơng cho phép nhỏ hơn 305 (g/l). Trong
q trình hấp thụ nồng độ muối ăn giảm nhiều so với ban đầu, do thể tích dung dịch
sau hấp thụ tăng lên và giảm độ hịa tan của NaCl.
Thể tích dung dịch sau hấp thụ tăng lên do hỗn hợp khí đưa vào tháp hấp thụ có
chứa CO2. Khơng thể làm lạnh dd nhỏ hơn 55oC vì sẽ có các tinh thể (NH4)2CO3 tách
ra khỏi dd gây tắc đường ống. Như vậy sẽ kéo theo một lượng hơi nước tương ứng với
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

12


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

áp suất hơi bão hịa của nó. Lượng hơi nước này khi tiếp xúc với dung dịch muối sẽ
ngưng tụ làm tăng thể tích dung dịch lên khoảng 4% so với ban đầu. Ngồi ra NH3 hịa
tan khơng những làm tăng thể tích dung dịch mà còn làm giảm độ hòa tan của NaCl.
Với nồng độ NH3 trong dung dịch đạt 80(g/l) thì thể tích dung dịch tăng lên 12%.

Nồng
độ
NaCl
(đc)

Nồng độ
NH3 (đc)

Hình 3. Đồ thị quan hệ độ hòa tan của muối với nồng độ NH3
Theo đồ thị quan hệ độ hòa tan của muối với nồng độ NH3:
+ Khi nhiệt độ tăng lên 60oC độ hòa tan của muối tăng lên, do đó với nồng độ
amoniac 60 (đc) (điểm A) thì nồng độ muối ăn tăng lên 101,75 (đc) còn khi [NH3] tăng
lên 100 (đc) thì nồng độ NaCl bằng 93,1 (đc).
+ Độ hòa tan của muối trong dung dịch tỉ lệ nghịch với nồng độ ammoniac. Vì vậy
nếu nồng độ amoniac quá cao thì muối sẽ bị tách ra cùng với NH4HCO3 khi cacbonat
hóa làm giảm hiệu suất sử dụng amoniac. Ngược lại nếu bảo đảm nồng độ muối ăn
như ban đầu thì nồng độ amoniac hấp thụ phải nhỏ, khả năng tạo muối trung gian trao
đổi ít, giảm mức độ sử dụng muối ăn.
Chính vì vậy phải chọn nồng độ muối ăn ban đầu thích hợp để sau khi amon hóa do
hiện tượng tăng thể tích dung dịch và giảm độ hòa tan của muối mà nồng độ muối vẫn
gần trạng thái bão hòa, nồng độ NH3 đạt giá trị thích hợp nhất.
Chọn: [NH3]:[Cl-] =1,1÷1,15(đc)

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

[1]

13


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Nghĩa là cứ một độ chuẩn amoniac ion Cl- cần phải hấp thụ 1,1 đến 1,15 độ chuẩn
amoniac. Nếu độ chuẩn đó < 1 khi nồng độ amoniac vẫn thỏa mãn điều kiện sản xuất
nghĩa là nồng độ muối ăn cao, kết quả là một số muối ăn sẽ bị tách ra dưới dạng kết
tủa sẽ lẫn với bán sản phẩm làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm. Nên tỷ lệ trên là
thích hợp nhất, bởi vì khi đó cứ một độ chuẩn amoniac sẽ có khả năng tạo muối trao
đổi với một độ chuẩn muối ăn để tạo sản phẩm natricacbonat khi cacbonat hóa.
2.1.4.3. Kết tủa tạo thành khí hấp thụ
Trong q trình hấp thụ NH3 bằng nước muối có các phản ứng hóa học xảy ra giữa
NH3, CO2 và một số muối hòa tan trong dung dịch. Kết quả phản ứng hóa học tạo ra
một muối kém hịa tan và tách ra khỏi dung dịch dưới dạng kết tủa muối đơn giản. Quá
trình làm việc lâu dài thiết bị hấp thụ sẽ tích lũy và tạo hỗn hợp muối kép. Đối với
muối biển thì khả năng bám kết tủa vào thành thiết bị càng lớn. Vì vậy khi chọn thiết
bị hấp thụ phải căn cứ vào đặc điểm nguyên liệu đem cùng.
-

Phân tích thực tế thành phần của kết tủa thấy chúng có thành phần như sau:[1]
NaCl = 19,152%

NaHCO3 = 34,694%

MgSO4 = 0,785%

MgCO3 = 0,105%

CaCO3 = 27,637%

FeS = 16,48%

Fe2O3 = 0,01%

Al2O3 = 0,221%

(NH4)2SO4 = 0,29%

Cịn lại các chất khơng tan 0,165%, ẩm 0,35%
Tính theo phân tử lượng được MgCO3 : NaCl : Na2CO3 = 1:1:1 và tạo kết tủa tạo thành
chủ yếu là 3 muối: MgCO3, NaCl, Na2CO3.
Nếu nồng độ khí CO2 và NH3 lỗng trong dung dịch sẽ tạo ra muối đơn kết tủa
MgCO3.3H2O. Ngược lại sẽ tạo muối kép MgCO3.Na2CO3.4H2O hoặc muối ba:
MgCO3.Na2CO3.NaCl. Trong dung dịch muối amoniac nếu có khí cacbonic tham gia
thì Magie kết tủa dưới dạng cacbonat.
Ngồi ra khi amon hóa nước muối cịn có kết tủa của một số muối canxi, magie
chưa lắng xuống ở thùng chứa đưa sang thiết bị hấp thụ cũng bám vào thành tháp và
ống truyền nhiệt bên trong tháp. Nếu làm lạnh dung dịch sau hấp thụ dưới 30 oC khả
năng tạo kết tủa đó càng lớn. Vì vậy nước muối sau hấp thụ không được làm lạnh dưới
30oC.
2.1.4.4. Xử lý nhiệt sau hấp thụ

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Quá trình hấp thụ có xảy ra phản ứng hóa học giữa NH3với nước trong dung dịch
NH3 với CO2 lẫn trong dung dịch. Kết quả các phản ứng có kèm theo hiệu ứng nhiệt:
[1]
NH3 + H2O ↔ NH4OH + 468 (kcal/kgNH3)
2NH3 + CO2 + H2O ↔

NH4COONH4 + 16850 (kcal/kgCO2)

Ngồi ra cịn có nhiệt ngưng tụ của hơi trong hỗn hợp khí vì vậy nhiệt độ của dung
dịch nước muối tăng lên 60÷650C, nếu khơng làm lạnh dung dịch thì amoniac khó hấp
thụ và khơng đạt u cầu. Vì vậy trong q trình hấp thụ phải tìm cách lấy nhiệt đi và
làm lạnh liên tục. Chế độ làm việc của các thiết bị phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt
do đó khó khăn chủ yếu là làm lạnh dung dịch.
Khi hiệu suất làm lạnh kém thì dung dịch nóng tạo điều kiện cho amoniac thoát
khỏi dung dịch khi làm lạnh cũng ảnh hưởng đến các tạp chất kết tủa trong dung dịch,
chúng sẽ bám vào bề mặt thiết bị làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc. Vì vậy cần kiểm
tra chặt chẽ chế độ nhiệt trong q trình hấp thụ.
2.2 Cacbonat hóa dung dịch nước muối bão hịa amoniac
Mục đích của q trình này làm chế tạo ra bán thành phẩm trung gian NaHCO 3. Vì
vậy nhiệm vụ chính ở đây là hấp thụ CO2 bằng dung dịch muối có chứa NH3 để có thể
tiến hành phản ứng trao đổi giữa muối amon cacbonat với natri clorua trong dung dịch.
2.2.1 Cơ sở lý luận của q trình cacbonat hóa

Q trình hấp thụ CO2 bằng dung dịch nước muối bão hoà amoniac thực chất là q
trình phản ứng giữa chất khí hồ tan trong nước muối chứa NH3 với CO2, phản ứng
trao đổi để tạo kết tủa Natri bicacbonat theo phản ứng:
NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NaHCO3 (kết tinh) + NH4Cl
Để tạo NaHCO3 cần phải có ion Na+ và HCO3-, ion Na+ do muối ăn cung cấp còn
−

HCO 3 do NH3, CO2 và H2O tạo ra qua phản ứng tạo thành NH4HCO3 để tạo thành
NH4HCO3. Có thể giả định theo 2 cách:
+ Cách thứ nhất : cho rằng cơ chế tạo NH4HCO3 qua các giai đoạn trung gian.
Amonniac hoà tan trong nước muối dưới dạng amoniac tự do và hyđroxit.
Trong q trình cacbonat hố, CO2 tham gia phản ứng với amoniac ở cả hai dạng tự do
và hyđroxit. Giai đoạn đầu là phản ứng tác dụng tương hỗ giữa CO 2 và NH3 tiến hành
ngay trên bề mặt tiếp xúc pha lỏng và pha khí để tạo hợp chất trung gian.
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Cacbonat amon theo phản ứng:
2NH3 + CO2 ↔ NH4COONH2
Cacbonat amon tạo thành trên bề mặt tiếp xúc pha bị các dòng chất lỏng chuyển
động kéo vào trong lòng dung dịch và thủy phân để tạo muối amonbicabonat theo
phản ứng:
NH4COONH2 + H2O ↔ NH4HCO3 + NH3 (*)
Amoniac thoát ra ở giai đoạn thuỷ phân lại tiếp tục tác dụng với CO2 trên bề mặt

tiếp xúc của dung dịch với khí để tạo cacbonat amon. Quá trình lặp lại như vậy liên
tiếp trong suốt thời gian cacbonat hóa.
Theo mức độ hấp thụ CO2 mà nồng độ amoniac tự do trong dung dịch bị giảm và
cân bằng phản ứng (*) chuyển về phía phải nghĩa là phía tích luỹ NH4HCO3 trong
dung dịch.
+ Cách thứ hai: Tạo NH4 + khơng qua cacbonat.
Theo giả định thì khí CO2 tác dụng chủ yếu với amoniac hoà tan dung dịch dưới
dạng hyđroxit, đầu tiên CO2 tác dụng với amon hyđroxit để tạo amon cacbonat theo
phản ứng:
2NH4OH + CO2 ↔ (NH4)2CO3 + H2O
Sau đó tiếp tục phản ứng giữa CO2 với muối cacbonat amon ở trong dung dịch để
tạo muối amon bicacbonat theo phản ứng:
(NH4)2CO3 + CO2 + H2O ↔ 2NH4HCO3
Nồng độ amon bicacbonat tạo thành tích luỹ lại ở dạng dung dịch tăng theo mức độ
hấp thụ CO2 khi cacbonat hoá.
Tạo amon bicacbonat theo cách thứ nhất xảy ra chủ yếu khi dung dịch chứa ít CO 2
và nhiều amoniac tự do, nghĩa là giai đoạn đầu của quá trình cacbonat hố. Khi dung
dịch đã tích luỹ được đủ muối amon bicacbonat cần thiết sẽ có khả năng trao đổi với
Natri clorua chứa trong dung dịch theo phản ứng:
NH4HCO3 + NaCl ↔ NaHCO3 + NH4Cl
Khi nào nồng độ của Natri cacbonat tới giá trị q bão hồ thì sẽ có kết tủa muối
NaHCO3 tách ra khỏi dung dịch.

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

Dung dịch sau khi cacbonat hố cịn chứa một số muối khác ngồi các muối trên
như: (NH4)2CO3, Na2CO3, NH4COONH4. Sở dĩ các muối này là do trong q trình
cacbonat hố cịn có các phản ứng chuyển đổi muối từ dạng này sang dạng kia.
Thực ra, về cơ cấu phản ứng quá trình cacbonat hoá để tạo ra sản phẩm cuối cùng là
Natri bicacbonat thể hiện theo các phản ứng:
2NH3 + CO2 + H2O ↔ (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 + 2NaCl ↔ Na2CO3 + 2NH4Cl
Na2CO3 + CO2 + H2O ↔ 2NaHCO3
2.2.2. Động học quá trình kết tinh natri bicacbonat
Quá trình kết tinh NaHCO3

[1]

dM CO2
dτ

= β .F (∆ + γ ) = β F (C − C 0 )

Trong đó:
β: Hệ số chuyển khối
F: Bề mặt tinh thể phát triển (m2)
(C-C0): Động lực hấp thụ
C0: Nồng độ bão hoà (mol)
C: Nồng độ tại thời điểm τ (mol)
Khi C = C0 thì ∆ = 0 hấp thụ dừng, CO2 không vào được nữa.
dM CO2
dτ

0
= β .H .K L ( PCO2 − PCO
)
2

Trong đó:
KL: Hệ số hấp thụ của màng lỏng
H: Hệ số Henri
β: Hệ số thể hiện sự giảm tử lực của màng lỏng khi có phản ứng hố học.
0
PCO
: Áp suất riêng phần CO2 trong dung dịch.
2

PCO2 : Áp suất riêng phần của CO2 trên bề mặt dung dịch.
0
∆ = PCO − PCO
gọi là động lực hấp thụ.
2

2

+Kết tinh NaHCO3 u cầu:
- Tinh thể NaHCO3 phải có kích thước khá lớn 100 - 200 µm.
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

- Các tinh thể phải đồng đều
- Sản phẩm kết tinh tơi xốp dễ lọc và phân giải
+Quá trình kết tinh NaHCO3 xảy ra qua 2 giai đoạn:
- Tạo mầm kết tinh.
- Phát triển mầm tạo thành tinh thể.
Giai đoạn tạo mầm là giai đoạn quan trọng và có ý nghĩa quyết định nhất. Nếu
tạo ra nhiều mầm trên một đơn vị thể tích thì khơng có khả năng phát triển mầm lớn.
Vì vậy, trong công nghệ sản xuất Soda người ta mong muốn chỉ tạo ra một số mầm
ban đầu nhất định. Muốn vậy, ta phải khống chế nhiệt độ khi bắt đầu tạo mầm và phải
khống chế nhiệt độ để giới hạn quá bão hoà nhỏ, như vậy số mầm tạo ra sẽ ít, nhiệt độ
dung dịch trong khí tạo mầm duy trì ở khoảng 60 ÷ 650C. Khơng cần cung cấp nhiệt từ
bên ngồi bởi vì bản thân q trình hấp thụ CO2 có toả nhiệt. Cịn giai đoạn phát triển
tinh thể ta cần phải giảm nhiệt độ để độ quá bão hoà tăng hoặc tăng nồng độ CO 2 để
làm tăng độ q bão hồ.
Phương trình biểu diễn tốc độ kết tinh như sau:

[1]

WKT = KKT ([NH3]LK - [NH3]0LK)
Trong đó:
WK: Tốc độ kết tinh NaHCO3 (đc/phút)
KKT: Hằng số tốc độ kết tinh, xác định bằng phương trình
lg K KT =

[1]

724

+ 1,504
T

[NH3]LK và [NH3]0LK là nồng độ NH3 trong dung dịch khi cân bằng và
không cân bằng (đc)
Sau khi tạo mầm bền vững trong dung dịch q bão hịa thì trên bề mặt mầm bắt
đầu tích tụ các chất hịa tan để thực hiện quá trình phát triển và lớn lên của mầm tạo ra
các tinh thể tách khỏi dung dịch. Do đó q trình tạo tinh thể lớn là bước nối tiếp của
giai đoạn tạo mầm.
Hai giai đoạn tạo mầm và phát triển mầm gắn bó chặt chẽ với nhau nhiều trường
hợp khơng có giới hạn phân chia rõ ràng các giai đoạn đó. Hiện nay có nhiều thuyết đề
cập tới quá trình phát triển mầm.
2.2.3. Cân bằng trong q trình cacbonat hóa
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

18


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh
NaCl + NH4HCO3 ↔ NaHCO3 + NH4Cl

+ Cân bằng trong pha lỏng
Đặc trưng cho tương tác là hệ số sử dụng Natri U Na và U NH 3
U Na =

[Cl − ] − [ Na + ]
.100%
[Cl = ]

[1]

Thực tế UNa=75%
+

U NH

3

−

[ NH 4 ] − [ HCO3 ]
=
.100%
[Cl − ]

[1]

- Mức độ sử dụng U Na max ứng với dung dịch nước cái khi kết thúc cacbonat
hóa.
- Mức độ cacbonat hóa Rc
RC =

2b + d
a

[1]

Trong đó:

b: Nồng độ amniac liên kết, (đc)
d; Nồng độ amniac tổng liên kết, (đc)
a: Nồng độ amniac tổng, (đc)
Khả năng hấp thụ CO2 được xác định qua mức độ cacbonat hóa, nghĩa là 1 độ
chuẩn ammoniac tổng có thể hấp thụ được bao nhiêu độ chuẩn cacbonic.
Theo phương trình thì nếu tăng nồng độ chất ban đầu tham gia phản ứng thì lượng
kết tủa NaHCO3 tăng lên. Vì vậy trong sản xuất cố gắng tăng nồng độ NaCl.
Thành lập 2 phương trình thể hiện hằng số cân bằng của các phản ứng tồn tại khi
cacbonat hóa đạt cân bằng :
NH4CO2NH2 + 2H2O ↔ NH4HCO3 + NH4OH

(1)

Hằng số cân bằng :

k1 =

[ NH 4 HCO3 ].[ NH 4 OH ]
[ NH 4 CO2 NH 2 ]

lg k1 = −

395
+ 1,67
T

NH4HCO3 + NH4OH ↔ (NH4)2CO3 + H2O
SVTH: Phạm Thị Thu Hường

[1]

(2)

19


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS. La Thế Vinh

k2 =

[( NH 4 ) 2 CO3 ]
[ NH 4 HCO3 ].[ NH 4 OH ]

k3 =
 k3 =

1
k 3 .k 2

[ NH 4CO2 NH 2 ]
[( NH 4 ) 2 CO3 ]

lg k1 = −

1322
+ 5,29
T

[1]

+ Cân bằng trong pha khí
Trong dung dịch cacbonat hóa thì trên pha khí sẽ có các cấu tử NH 3, CO2, H2O.
NH2CO2NH4 + H2O ↔ NH4HCO3 + NH3
Theo mức độ CO2 chuyển vào dung dịch tăng do đó áp suất riêng của phần CO 2
trên bề mặt tăng dẫn đến khả năng hấp thụ CO2 giảm dần, tốc độ tạo tinh thể giảm dần.
Để tăng tốc độ q trình nồng độ CO2 cần phải cao [CO2]đầu=34÷35%.
2.2.4. Quy trình cơng nghệ
Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng hệ: NaCl - NH3 - CO2 - H2O.
Một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định đến hiệu suất sử dụng Natri ở
giai đoạn cacbonat là nồng độ các chất đầu và nhiệt độ làm việc.
- Ảnh hưởng của nồng độ NaCl và NH3 trong dung dịch đầu
Theo định luật tác dụng khối lượng nếu tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng
thì cân bằng chuyển dịch về phía phải. Nghĩa là ở đây lượng pha rắn NaHCO 3 được
tách ra tăng lên. Với NaCl chỉ tăng đến mức bão hồ cịn NH3 chỉ tăng đến mức độ
cacbonat hố thường thì

NH 3
≈ 1,15 và PCO2 đã cho chỉ có thể tăng đến mức độ khi
NaCl

dung dịch chưa bão hồ NaHCO3. Theo Phêđơtrốp hiệu suất sử dung Natri đạt cực đại
khi trong dung dịch đồng thời tồn tại 3 muối NaHCO3, NH4Cl và NH4HCO3 ứng với
các nhiệt độ khác nhau.
Ví dụ: ở PCO = 1at ta có bảng sau:
2

Bảng 5. Hệu suất sử dụng muối ăn ở điều kiện PCO2 = 1at
Nhiệt độ dung dịch
0

C

Thành phần dung dịch
[Cl ]
[NH3]T
[NH3]LK
-

SVTH: Phạm Thị Thu Hường

[CO2]

Una

(đc)

%

20