nghiên cứu điều khiển phân kênh quá trình hấp thụ trong công nghiệp hóa chất

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS. TS. HOÀNG XUÂN BÌNH. Các số liệu kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài
liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong
phần tài liệu tham khảo
Học viên
Phan Đức Dũng
i
LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đến Nhà máy sản xuất phân bón DAP
Đình Vũ đã tạo điều kiện trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu.Tác giả đã có
nhiều thuận lợi khi được xuống thực tế cũng như được cung cấp nhiều tài liệu
thống kê trong quá trình vận hành, rất hữu ích trong việc mô hình hóa đối
tượng.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Hoàng Xuân Bình, người có
kinh nghiệm giảng dạy lâu năm trong lĩnh vực điều khiển quá trình với kiến
thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, các bạn học đã góp ý,
hỗ trợ tác giả trong suốt thời gian qua.
ii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cám ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu iv
Danh mục các bảng iv
Danh mục các hình v
Lời mở đầu 1

Chương 1-TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 3
1.1. Vài nét về axit sunfuric 3
1.1.1. Đặc điểm 3
1.1.2. Vai trò 4
1.2. Nguyên liệu và đặc điểm sử dụng nguyên liệu 4
1.2.1. Nguyên liệu 4
1.2.2. Đặc điểm sử dụng nguyên liệu 9
1.3. Nhiên liệu và năng lượng 10
1.4. Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric 11
1.4.1. Phương pháp tiếp xúc 12
1.4.2. Phương pháp tinh chế khô 13
1.4.3. Phương pháp tinh chế khô - tiếp xúc kép 15
1.5. Giới thiệu các công đoạn sản xuất axit sunfuric 15
1.6. Một số phản ứng hóa học trong quá trình sản xuất axit sunfuric 16
Chương 2 - DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT CỦA NHÀ
MÁY DAP ĐÌNH VŨ 18
2.1. Mô tả chung về nhà máy 18
iii
2.2. Sơ đồ công nghệ quy trình sản xuất axit sunfuric 24
2.2.1. Tóm tắt quy trình 24
2.2.2. Danh mục các thiết bị trong dây chuyền 26
2.3. Các công đoạn sản xuất axit sunfuric 35
2.3.1. Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 35
2.3.2. Công đoạn lò đốt lưu huỳnh 40
2.3.3. Công đoạn nồi hơi 44
2.3.4. Công đoạn tiếp xúc và chuyển hóa 45
2.3.5. Công đoạn sấy không khí và hấp thụ 53
2.3.6. Công đoạn kho axit 59
2.4. Các chỉ tiêu công nghệ trong các công đoạn sản xuất axit 60
Chương 3 - XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN HẤP THỤ SẢN

XUẤT AXIT SUNFURIC 63
3.1. Thực trạng hệ thống điều khiển công đoạn hấp thụ axit sunfuric 63
3.2. Các quá trình cân bằng trong bể tuần hoàn V0141 64
3.2.1. Xác định các biến quá trình 64
3.2.2. Cân bằng vật chất toàn phần 65
3.2.3. Cân bằng vật chất thành phần 69
3.3. Cấu trúc điều khiển bể axit tuần hoàn V0141 71
3.3.1. Cấu trúc điều khiển phi tập trung 71
3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển mức R
h
74
3.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển nồng độ R
x
79
3.4. Xây dựng cấu trúc điều khiển phân kênh toàn phần cho bể V0141 82
3.4.1. Phương pháp phân kênh 82
3.4.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển phân kênh toàn phần cho bể tuần
iv
hoàn V0141 87
Kết luận và kiến nghị 91
Tài liệu tham khảo 92
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
v
Chữ viết tắt Giải thích
CTHH Công thức hóa học
BFW Boiler Feedwater Preheater
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số
bảng
Tên bảng Trang

1.1 Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố 6
2.1 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn hóa lỏng
lưu huỳnh
37
2.2 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn hóa lỏng
lưu huỳnh
38
2.3 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn lò đốt lưu
huỳnh
42
2.4 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn lò đốt lưu
huỳnh
43
2.5 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn tiếp xúc và
chuyển hóa lưu huỳnh
51
2.6 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn tiếp xúc
và chuyển hóa lưu huỳnh
51
2.7 Các thiết bị điều khiển chính trong công đoạn sấy không
khí và hấp thụ
56
2.8 Các thiết bị đo và cảnh báo chính của công đoạn sấy
không khí và hấp thụ
57
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình Tên hình Trang
1.1 Hình 1.1. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric 12
1.2 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp
xúc

13
1.3 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh
chế khô
14
vi
1.4 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric 16
2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric 26
2.2 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh 35
2.3
Bể nấu chảy lưu huỳnh V0111
36
2.4 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 40
2.5 Cân bằng về khối lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 41
2.6 Lò đốt lưu huỳnh F0121 42
2.7 Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão
hòa
44
2.8 Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc 45
2.9 Tháp tiếp xúc và các thiết bị trao đổi nhiệt 48
2.10 Thiết bị quá nhiệt thấp 5A (E0155) và thiết bị tận dụng
nhiệt 5A/C (E0156)
50
2.11 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ 53
2.12 Cân bằng khối lượng trong bộ phận sấy khí 53
2.13 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp
thụ
53
2.14 Thùng chứa axit chung V0141 54
2.15 Từ trái qua tháp sấy T0141, tháp hấp thụ cuối T143, tháp
hấp thụ trung gian T0142

55
3.1 Sơ đồ công nghệ công đoạn hấp thụ 63
3.2 Sơ đồ bể tuần hoàn V0141 64
3.3 Các biến quá trình của bể tuần hoàn V0141 65
3.4 Dạng hình học của thùng 303 66
3.5
Mặt cắt của thùng 303 với h R
67
3.6
Mặt cắt của thùng 303 với
67
3.7 Sơ đồ khối mô hình bể tuần hoàn V0141 70
3.8 Cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển
đơn biến
72
3.9 Mạch vòng điều chỉnh mức của bể V0141 với mức tính
theo %
75
vii
3.10
Mạch vòng điều chỉnh mức
76
3.11 Mô hình mô phỏng vòng điều khiển mức 77
3.12 Đáp ứng mức theo tín hiệu đặt khi chưa có bộ điều khiển
mức
78
3.13 Giá trị nồng độ axit bị nhiễu khi điều khiển mức 78
3.14 Mô hình mô phỏng bể V0141 với 2 vòng điều khiển độc
lập
80

3.15 Đáp ứng mức với phương pháp điều khiên phi tập trung 80
3.16 Đáp ứng nồng độ với phương pháp điều khiên phi tập
trung
81
3.17 Mô hình phân kênh phản hồi trạng thái 83
3.18 Sơ đồ tổng quát phân kênh truyền thẳng 83
3.19 Sơ đồ phân kênh từng phần 84
3.20 Sơ đồ phân kênh toàn phần 85
3.21 Sơ đồ phân kênh động toàn phần - tổng quát 86
3.22 Sơ đồ phân kênh SVD 86
3.23 Mô hình cấu trúc điều khiển với các bộ điều khiển phân
kênh
88
3.24 Đáp ứng mức với phương pháp điều khiển phân kênh 89
3.25 Đáp ứng nồng độ với phương pháp điều khiển phân kênh 89
viii
ix
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật
điều khiển trong các ngành công nghiệp năng lượng và hóa chất. Nội dung
của lĩnh vực điều khiển phân kênh kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết điều
khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập cụ thể
ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều
khiển cho các đối tượng là quá trình công nghệ. Một trong những phương
pháp khá phổ biến và cho hiệu quả cao là phương pháp điều khiển phân tán
(phân kênh) DCS (Distributed Control System).
Điều khiển phân kênh không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm
vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hóa công nghiệp. Khác với những
ngành công nghiệp chế tạo, ngày nay bất cứ một nhà máy lọc dầu, hóa dầu

hay sản xuất axit nào cũng không thể vận hành chính xác được nếu thiếu hệ
thống điều khiển phân tán.
Ngày nay, do đặc thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trên một diện
tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu
hết các nhà máy sản xuất hóa chất hiện đại đều sử dụng hệ thống điều khiển
phân tán DCS.Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân
tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình
điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ
thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ.
Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện
1
trường như van, cảm biến, motor…
Trong các hệ thống điều khiển, các tín hiệu đầu vào và đầu ra luôn chịu
các tác động từ các nguồn nhiễu khác nhau, bao gồm cả tác động qua lại giữa
các tín hiệu. Phương pháp điều khiển DCS đã loại bỏ được tình trạng này
bằng việc tính toán trước các ảnh hưởng có thể tác động lẫn nhau, trên cơ sở
đó sẽ thiết kế phân kênh để loại bỏ nhiễu, làm cho tín hiệu trong hệ thống
đảm bảo về độ chính xác.
Vì những lí do trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển phân kênh
quá trình hấp thụ trong công nghiệp hóa chất” để giải quyết các vấn đề
xen kênh trong quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống.
2. Mục đích nghiên cứu của để tài
Nghiên cứu điều khiển phân kênh quá trình hấp thụ trong công nghiệp
hóa chất nhằm nâng cao độ chính xác, tính ổn định của hệ thống khi điều
khiển các cặp biến vào ra.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết của tháp hấp thụ có tham số biến
đổi với 2 biến chính cần phải phân ly điều khiển.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của việc tác động qua lại lẫn nhau giữa các biến

điều khiển.
b) Phạm vi nghiên cứu
Bản luận văn này giới hạn trong việc tìm hiểu, nghiên cứu dây chuyền sản
xuất axit sunfuric của nhà máy sản xuất phân bón DAP Đình Vũ, cụ thể là
công đoạn hấp thụ.
2
Tác giả tập trung nghiên cứu điều khiển bể bơm axit chung V0141 - đảm
bảo nồng độ axit sunfuric 98.5%, tìm cách mô phỏng đối tượng. Từ mô hình
tìm được, phân tích và đưa ra cấu trúc điều khiển cho hệ thống.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu và tìm hiểu về công nghệ sản xuất axit sunfuric nói chung
cũng như về dây chuyền công nghệ sản xuất axit của nhà máy DAP Đình Vũ.
Dựa vào lý thuyết điều khiển tự động để thiết lập hệ thống điều khiển
quá trình nhiều biến vào/ra (MIMO), điều khiển phân kênh quá trình nhiều
biến.
Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Simulink trong
Matlab để so sánh, đánh giá kết quả của bộ điều khiển đã xây dựng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đóng góp phương pháp điều khiển mới nhằm giảm sự ảnh hưởng tác động lẫn
nhau giữa các tín hiệu tới hệ thống điều khiển.
Ứng dụng bộ điều khiển phân kênh trong các quá trình để vừa giảm sai lệch
vừa đảm bảo các tính ổn định và bền vững của hệ thống.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Điều khiển hệ nhiều biến áp dụng cho tháp hấp thụ cũng như các quá trình
khác trong công nghiệp hóa chất, y dược và lọc dầu, …
CHƯƠNG 1
3
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
1.1. Vài nét về axit sunfuric

Axit sunfuric là một loại hóa chất đã được biết đến từ lâu trong lịch sử
loài người (từ thế kỉ thứ 9 bởi ngưới được coi là đã phát hiện ra chất này-nhà
giả kim thuật Hồi giáo Ibn Zakariya al-Razi (Rhases).
Axit sunfuric là sản phẩm quan trọng nhất của ngành công nghiệp hóa
học.Axit sunfuric có nhiều ứng dụng, nó được sản xuất với sản lượng lớn hơn
bất kỳ chất hóa học nào, ngoại trừ nước. Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm
sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải, tinh
chế dầu mỏ, dùng sấy khô khí trong các ngành hóa chất khác (sản xuất HCl,
Cl
2
…), sản xuất supe lân đơn, phèn, sử dụng cho các ngành ắc quy, làm hóa
chất phân tích,…
1.1.1. Đặc điểm
Axit sunfuric có CTHH là H
2
SO
4
.
Axit sunfuric khan là một loại axit vô cơ mạnh, không màu, đặc sánh, có
tính chất hút ẩm, hòa tan trong nước theo tỉ lệ bất kỳ.
Trong hóa học, axit sunfuric được xem là hợp chất của SO
3
và H
2
O:
Nếu tỉ lệ SO
3
/H
2
O 1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric.

Nếu tỉ lệ SO
3
/H
2
O 1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric bốc khói
hay oleum.
Kết tinh ở nhiệt độ 10,45
0
C; sôi ở nhiệt độ 296,2
0
C.
1.1.2. Vai trò
4
Hầu như mọi ngành sản xuất hóa học trên thế giới đều trực tiếp hoặc
gián tiếp sử dụng axit sunfuric. Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất
phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải, tinh chế dầu
mỏ, dùng sấy khô khí trong các ngành hóa chất khác (sản xuất HCl, Cl
2
…),
sản xuất supe lân đơn, phèn, sử dụng cho các ngành ắc quy, làm hóa chất phân
tích, …
Có thể nói axit sunfuric của một quốc gia là một chỉ số tốt về sức mạnh
công nghiệp của quốc gia đó. Vai trò quan trọng đóđược thể hiện rất cụ thể
thông qua tình hình sản xuất axit sunfuric trên thế giới và trong nước.
1.2. Nguyên liệu và nhiên liệu
1.2.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu để sản xuất axit sunfuric rất phong phú bao gồm lưu huỳnh
và các hợp chất của nó. Theo thống kê, sản lượng axit sunfuric trên thế giới
được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu chính:
Lưu huỳnh nguyên tố S.

Quặng pirit FeS
2
, chứa 30-50% S, lẫn nhiều tạp chất và thành phần
khác.
Các nguồn chất thải chứa S (các nguồn khí thải như H
2
S, SO
2
, axit
sunfuric thải).
Thạch cao.
a) Lưu huỳnh nguyên tố
Lưu huỳnh là một trong những nguyên tố có nhiều trong tự nhiên. Lưu
huỳnh chiếm khoảng 0,1% khối lượng vỏ trái đất. Lưu huỳnhđược đánh giá là
một trong những nguyên tố quan trọng nhất và có nhiều ứng dụng trong công
5
nghiệp. Nóđược sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp sản xuất axit
sunfuric (chiếm khoảng 50% tổng lượng lưu huỳnh sản xuất ra), trong nông
nghiệp (chiếm khoảng 10-15% tổng lượnglưu huỳnh sản xuất ra).
Trong tự nhiên lưu huỳnh dạng đơn chất có thể tìm thấy ở gần các suối
nước nóng và các khu vực núi lửa tại nhiều nơi trên thế giới. Lưu huỳnh cũng
tồn tại trong các mỏ muối dọc theo bờ biển thuộc vịnh Mêxicô, ở Đông Âu và
Tây Á.
Ở Việt Nam, để điều chế lưu huỳnh, ngưới ta đi từ quặng S thiên nhiên
chứa khoảng 15-20% S hoặc tách các hợp chất từ khí thải của các ngành công
nghiệp luyện kim màu, gia công dầu mỏ, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ.
* Tính chất của lưu huỳnh
Lưu huỳnh nguyên tố có nguyên tử lượng 32,064, ở nhiệt độ thường lưu
huỳnh tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng. Lưu huỳnh nguyên tố tồn tại ở hai
dạng thù hình là dạng đơn và dạng hình thoi. Lưu huỳnh nguyên tố dẫn điện

và dẫn nhiệt kém, thực tế nó không tan trong nước. Khi nóng chảy thể tích nó
tăng lên tới 15%.
Các tính chất của lưu huỳnh nguyên tố:
Bảng 1.1. Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố
Tính chất Dạng đơn tà Dạng hình thoi
Tỷ trọng: g/cm
3
1,96 2,07
Phạm vi bền nhiệt:
0
C
95,6 119,3
< 95,6
Nhiệt độ nóng chảy:
0
C 119,3 112,8
Nhiệt nóng chảy: J/g
Cal/g
45,3
10,8
39,4
9,4
6
Tính chất của lưu huỳnh nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của
nó.Ở điều kiện phân, tử lưu huỳnh gồm có 8 nguyên tử lưu huỳnh khép kín
(S8). Ở 160
0
C các vòng kín mở ra thành mạch thẳng làm cho độ nhớt của lưu
huỳnh tăng lên. Tiếp tục đốt nóng thì các mạch thẳng bị cắt ngắn làm cho độ
nhớt giảm.

Lưu huỳnh nguyên tố sôi ở 444,6
0
C.Hơi lưu huỳnh gổm cả S8, S6, S4,
S2.Ở nhiệt độ khoảng 900
0
C hơi lưu huỳnh chủ yếu là S2, ở nhiệt độ trên
1600
0
C lưu huỳnh bị phân hủy thành các nguyên tử độc lập.Ở nhiệt độ trên
1700
0
C hơi lưu huỳnh hầu hết là các nguyên tử lưu huỳnh.
* Ứng dụng của lưu huỳnh
Lưu huỳnh nguyên tố được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như
sản xuất axit sunfuric, công nghiệp giấy, nông nghiệp. Lưu huỳnh nguyên tố
là nguyên liệu tốt nhất cho sản xuất axit sunfuric vì:
Khi đốt lưu huỳnh nguyên tố ta thu được hỗn hợp SO
2
có nồng độ cao,
điều này rất có lợi trong công nghệ sản xuất axit sunfuric bằng phương pháp
tiếp xúc.
Lưu huỳnh nguyên tố không có tạp chất asen và đặc biệt nó không có xỉ
do vậy dây chuyền sản xuất đi từ nguyên liệu này rất ngắn, đơn giản, không
có thiết bị tinh chết khí SO
2
.
Lưu huỳnh nguyên tố là nguyên liệu khá rẻ tiền do vậy có thể hạ được giá
thành sản phẩm.
b) Quặng pirit
Có 3 loại quặng pirit thường dùng để sản xuất axit sunfuric là:

7
Pirit tuyển nổi: Trong quá trình đem luyện đồngthường dùng phương pháp
tuyển nổi để làm giàu đồng của quặng lên khoảng 15-20% (gọi là tinh quặng
đồng). Phần bã thải ra của quá trình tuyển nổi chứa khoảng 32-40% lưu
huỳnh gọi là quặng pirit tuyển nổi.
Pirit lẫn than: Than đá ở một số mỏ có lẫn cả quặng pirit, có loại chứa
tới3-5% S làm giảm chất lượng của than. Vì vậy, phải loại bỏ cục than có lẫn
pirit. Phần than cục loại bỏ này chứa tới 33-42% lưu huỳnh và 12-18%
Cacbon gọi là pirit lẫn than.
Pirit thường: thành phần chủ yếu là FeS
2
chứa khoảng 53,44% S và
46,56% Fe. Trong quặng có lẫn nhiều tạp chất của các hợp chất của đồng, chì,
kẽm, niken, bạc, vàng, coban, selen, telu, silic, các muối cacbonat, sanfat
canxi, magie. Vì vậy hàm lượng thực tế của S dao động trong khoảng từ 30-
52%. Ở miền bắc nước ta mới chỉ phát hiện một số mỏ pirit nhưng nói chung
hàm lượng S thấp (khoảng 20-30% S), trữ lượng nhỏ.
c) Các nguồn chất thải chứa lưu huỳnh
Khí lò luyện kim màu: Khí lò trong quá trình đốt các kim loại màu như
quặng đồng, chì, thiếc, kẽm có chứa nhiều SO
2
. Đây là một nguyên liệu rẻ
tiền để sản xuất axit sunfuric vì cứ sản xuất 1 tấn đồng có thể thuđược 7,3 tấn
SO
2
mà không cần lò đốt.
Khí hydrosunfua(H
2
S): Trong quá trình cốc hoá than khoảng 50% tổng
lượng S có trong khí than sẽ đi theo khí cốc, chủ yếu ở dạng H

2
S (chiếm
khoảng 95%). Lượng H
2
S trong khí cốc hàng năm trên thế giới có thể lên tới
hàng triệu tấn. Việc thu hồi lượng H
2
S này không những có ý nghĩa về kinh tế
8
mà còn có ý nghĩa về mặt vệ sinh môi trường.
Khói lò: Hàng năm trên thế giới đốt hàng tỷ tấn than, trong đó khói lò đã
thải vào khí quyển hàng chục triệu tấn lưu huỳnh. Đây cũng là nguồn nguyên
liệu đáng kể để sản xuất axit sunfuric.
Axit sunfuric thải: Sau khi dùng axit sunfuric làm tác nhân hút nước,tinh
chế dầu mỏ, sunfua hoá các hợp chất hữu cơ sẽ thu được chất thải chứa nhiều
H
2
SO
4
( 20 - 50%). Việc thu hồi axit sunfuric này cũng có ý nghĩa rất lớn về
mặt kinh tế và bảo vệ môi trường.
d) Thạch cao
Đây là một nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất axit sunfuric vì
nhiều nước trên thế giới có mỏ thạch cao ( CaSO
4
.2H
2
O hoặc CaSO
4
). Ngoài

ra quá trình sản xuất axit photphoric, supe phophat cũng thải ra một lượng lớn
CaSO
4
.
Thông thường từ thạch cao người ta sản xuất liên hợp cả axit sunfuric và
xi măng.
e) Chất xúc tác
Trong công nghệ sản xuất axit sunfuric chất xúc tác đóng vai trò rất quan
trọng trong giai đoạn chuyển hoá SO
2
thành SO
3
.Các chất xúc tác trong quá
trình ôxy hoá SO
2
có thể chia làm hai nhóm.
Nhóm I là các xúc tác chứa platin, gồm platin là cấu tử hoạt tính được
mang trên các chất như amiăng, silicagen và một số chất khác.
Nhóm thứ II bao gồm các ôxit kim loại.
Trong lịch sử của công nghệ sản xuất axit sunfuric, đầu tiên phổ biến là
9
dùng xúc tác chứa platin, sau đó dùng xúc tác sắt ôxit.Trong mấy chục năm
gần đây, trên thế giới cũng như ở nước ta xúc tác được dùng phổ biến nhất là
vanadi (V
2
O
5
) cùng với một số phụ gia khác như Al
2
O

3
, SiO
2
, K
2
O, CaO.Các
chất phụ gia có tác dụng làm tăng độ bền cơ học, nâng cao hoạt tính của chất
xúc tác, ít bị ngộ độc bởi các tạp chất.Xúc tác platin có hoạt động cao nhất,
trên xúc tác này xảy ra phản ứng ôxy hoá SO
2
diễn rangay ở nhiệt độ
400
0
C.Xúc tác chứa vanadi chiếm vị trí thứ hai, còn trên xúc tác Fe
2
O
3
phản
ứng này chỉ diễn ra ở nhiệt độ 600
0
C. Mức độ dễ bị ngộ độc bởi asen ôxít
As
2
O
3
cũng theo trật tự như trên.
1.2.2. Nhiên liệu và năng lượng
*Than
Than là nguồn nhiên liệu chính cung cấp nhiệt trong suốt quá trình sản
xuất axit sunfuric nhất là trong lò đốt nguyên liệu vì có trữ lượng lớn, nhiệt trị

cao, giá thành rẻ so với các chất đốt khác. Nhiệt có ảnh hưởng rất lớn trong
quá trình đốt quặng pirit. Nhiệt độ càng cao quá trình cháy xảy ra càng nhanh
nhưng không thể tăng nhiệt độ một cách tuỳ ý như vậy sẽ gây nên hiện tượng
kết khối của nguyên liệu làm giảm rõ rệt tốc độ của quá trình và dẫn đến tắc
lò ngừng sản xuất. Mặt khác nhiệt độ tăng cao sẽ làm giảm độ bền của lò.
*Dầu DO/FO
Cũng như than, dầu DO/FO được sử dụng cho việc khởi động lò đốt.
*Không khí
Không khí chứa 21% ôxy và 79% nitơ. Ôxy dung để ôxy hóa S thành SO
2
và sau đó ôxy hóa SO
2
thành SO
3
với sự có mặt của chất xúc tác V
2
O
5
.
*Điện
10
Trong quá trình sản xuất axit sunfuric điện được dùng để vận hành máy
móc, thiết bị hoạt động.
*Nước
Nướcđược sử dụng trong quá trính hấp thụ SO
3
, làm lạnh dung dịch tưới
tuần hoàn trong tháp hấp thụ.
*Khí nén
Khí nén được sử dụng cho các dụng cụ đo lường và điều khiển tự động

trong dây chuyền sản xuất axit sunfuric.
1.3. Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric
Mặc dù có nhiều phương pháp sản xuất axit sunfuric khác nhau nhưng
trong thực tế các nhà máy vẫn thường sản xuất theo ba phương pháp chính,
được thể hiện trên hình 1.1.
Hình 1.1. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric
1.3.1. Phương pháp tiếp xúc
Sơ đồ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc được biểu diễn
trên hình 1.2.
11
Các phương pháp sản
xuất axit sunfuric
Phương pháp
tiếp xúc (cổ điển)
Phương pháp
tinh chế khô
Phương pháp tinh chế
khô–tiếp xúc kép
1 - Tháp sấy 7 - Lò đốt S
2 - Tháp tách giọt 8 - Nồi hơi
3 - Quạt khí 9 - Tháp tiếp xúc
4 - Thùng lắng 10 - Truyền nhiệt
5 - Lọc 11 - Tháp hấp thụ
6 - Thùng chứa S 12 - Bể chứa axit
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc
Quá trình sản xuất axit sunfuric theo phương pháp này diễn ra theo 4 giai
đoạn chính:
Tạo ra khí sunfurơ SO
2
,

Làm sạch các tạp chất khỏi hỗn hợp khí,
Oxi hóa SO
2
thành SO
3
nhờ các chất xúc tác,
12
Hấp thụ SO
3
thành axit sunfuric.
Sản xuất axit theo phương pháp tiếp xúc có nhiều nhược điểm:
Hỗn hợp khí lò nóng được làm nguội ở công đoạn làm sạch
khí nhưng lại phải đốt nóng ở công đoạn oxi hóa SO
2
.
+ Hỗn hợp khi lò được làm ấm gần như bão hòa hơi nước ở tháp tăng
ẩm, sau đó lại phải sấy khô ở tháp sấy.
+ Các tạp chất trong hỗn hợp khí lò được chuyển thành dạng mù axit ở
các tháp rửa sau đó lại phải tách hết mù ở các lọc điện ướt.
* Để khắc phục những mâu thuẫn trên người ta đưa ra phương pháp tinh
chế khô.
1.3.2. Phương pháp tinh chế khô
Sơ đồ công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tính chế khô được
thể hiện trên hình 1.3.
Đặc điểm quan trọng nhất của công nghệ sản xuất axit theo phương pháp tinh
chế khô là: hỗn hợp khí lò nóng sau khi lọc bụi, không qua làm nguội, rửa,
sấy mà được đưa thẳng vào tháp tiếp xúc. Bên cạnh đó, ở đây là quá trình hấp
thụ SO
3
diễn ra kèm theo quá trình ngưng tụ hơi axit. Nếu so với phương pháp

tiếp xúc có 4 giai đoạn thì phương pháp tinh chế khô có 3 giai đoạn chính.
Hỗn hợp khí lò sau khi lọc bụi đuợc cho qua tháp truyền nhiệt rồi đi
thẳng vào tháp tiếp xúc có đặt các lớp xúc tác vanađi. Để giảm nhiệt độ của
hỗn hợp khí sau các lớp xúc tác thường dùng không khí bổ sung trực tiếp
(hoặc dùng trao đổi nhiệt).
13
1 - Lọc điện khô 5 - Lọc sợi thủy tinh
2 - Tháp truyền nhiệt 6 - Lọc điện ướt
3 - Tháp tiếp xúc 7 - Quạt khí
4 - Tháp ngưng tụ
Hình 1.3. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô
Khí sau khi chuyển hóa được đưa sang tháp ngưng tụ loại đệm có tưới
axit nồng độ 93% - 95% H
2
SO
4
. Khí thải được đưa qua lọc sợi thủy tinh và
lọc điện ướt để tách mù axit trước khi thải ra ngoài không khí. Trong tháp
ngưng tụ, khí SO
3
sẽ được hấp thụ thành axit.
Để sản xuất axit sunfuric theo sơ đồ tinh chế có thể sử dụng các loại
nguyên liệu: quặng pirit, khí thải của các lò luyện kim màu, thạch cao,…
Sản xuất axit theo phương pháp này có nhược điểm: năng suất chưa cao,
vẫn chưa giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường.
1.3.3. Phương pháp tinh chế khô - tiếp xúc kép
Trong công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp này có thêm
14
một tháp tiếp xúc và một tháp hấp thụ nhằm mục đích tằng khả năng chuyển
hóa trong quá trình tiếp xúc và hấp thụ. Nói một cách khác là để tăng năng

suất và giảm bớt những chất độc hại trong khí thải.
Công nghệ sản xuất axit sunfuric từ nguyên liệu lưu huỳnh rắn theo
phương pháp tiếp xúc và hấp thụ 2 lần là công nghệ sản xuất tiên tiến hiện
nay trên thế giới. Lưu huỳnh nóng chảy được đốt trong lò đốt là loại nằm
ngang tạo thành hỗn hợp khí SO
2
. Hỗn hợp khí này được đưa vào hệ thống
tháp tiếp xúc, sử dụng V
2
O
5
để chuyển hóa SO
2
thành SO
3
. Khí SO
3
được hấp
thụ tạo thành axit sunfuric H
2
SO
4
(trong hệ thống hấp thụ hai lần). Hiệu suất
chuyển hóa SO
2
đạt 99,6%, hiệu suất hấp thụ SO
3
đạt 99,9%.
1.4. Giới thiệu các công đoạn sản xuất axit sunfuric
Mặc dù có các phương pháp khác nhau để sản xuất axit sunfuric tuy nhiên

chúng có điểm chung là đều có 5giai đoạn chính, được biểu diễn trên hình
1.4.
+ Đốt nguyên liệu sản xuất SO
2
,
+ Tinh chế khí SO
2
,
+ Ôxy hoá SO
2
thành SO
3
,
+ Hấp thụ SO
3
để tạo thành H
2
SO
4
,
15
Hình 1.4. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric
Đầu vào và đầu ra của mỗi công đoạn có mối quan hệ chặt chẽ với nhau,
dựa trên hai định luật cơ bản là: định luật bảo toàn năng lượng và định luật
bảo toàn khối lượng. Điều này có nghĩa là tổng năng lượng và khối lượng đầu
vào của mỗi công đoạn phải cân bằng với tổng năng lượng và khối lượng đầu
ra của công đoạn đó.
Một số phản ứng hóa học trong quá trình tinh chế khí SO
2
:

* Từ lưu huỳnh nguyên tố: S → SO
2
→ SO
3
→ H
2
SO
4
S + O
2
= SO
2
* Từ khí sunfua hydro: H
2
S →SO
2
→ SO
3
→ H
2
SO
4
2H
2
S + 3O
2
= 2SO
2
+ 2H
2

O
* Từ quặng pirit sắt: FeS
2
→ SO
2
→ SO
3
→ H
2
SO
4
Đốt quặng pyrit trong không khí
4FeS
2
+ 11O
2
= 2Fe
2
O
3
+ 8SO
2
* Từ quặng sunfua sắt: FeS → SO
2
→ SO
3
→ H
2
SO
4

Đốt quặng sunfua sắt trong không khí
4FeS + 7O
2
= 2Fe
2
O
3
+ 4SO
2
16
Chuẩn bị
nguyên liệu
Sản xuất
khí SO
2
Tinh chế
khí SO
2
Ôxy hóa SO
2

thành SO
3
Hấp thụ
SO
3
Bụi quặng
Xỉ quặng Bụi nước
thải
Khí thải

SO
2
, SO
3
Hoàn thành sản
phẩm
Bụi