đồ án quy trình sản xuất axit photphoric

Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

→

MỤC LỤC

LỜI NĨI ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp thế
giới nói chung và nước ta nói riêng, đó là ngành cơng nghiệp hóa học. Đặc biệt là
ngành hóa chất cơ bản, trong số đó có axit photphoric.
Axit photphoric là một hóa chất thương mại rất quan trọng, được sản xuất
với sản lượng lớn, mức độ tiêu thụ axit photphoric do vậy được coi như một chỉ số
kinh tế quan trọng để đánh giá sức mạnh công nghiệp của một quốc gia, đặc biệt là
các nước đang phát triển. Công nghệ sản xuất axit photphoric vì thế cũng ln được
quan tâm và khơng ngừng được cải tiến, hiện đại hóa để tăng năng suất và giảm ô
nhiễm môi trường.
Axit photphoric dùng trong kỹ thuật khơng địi hỏi cao về nồng độ, thông
thường nồng độ cao nhất khoảng 85% là nồng độ cần thiết và được sử dụng rộng
khắp trong các ngành như nơng nghiệp, hóa chất thí nghiệm, thực phẩm.
Đồ án cơng nghệ là mơn học mang tính tổng hợp lại kiến thức của mơn học
Q trình thiết bị cũng như nhiều mơn học có liên quan. Qua việc tính tốn cụ thể
về yêu cầu công nghệ, kết cấu thiết bị, để có một quy trình phù hợp với u cầu sản
xuất, đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật và giá thành thiết bị phù hợp trong sản xuất để
giúp sinh viên củng cố kĩ năng trước khi tiếp xúc trực tiếp với máy móc trong các
nhà máy.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Hải, cùng các quý thầy
cơ Khoa Hóa học & Cơng nghệ thực phẩm, đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong
quá trình làm đồ án. Tuy nhiên, trong q trình làm bài khơng thể khơng có sai
xót, chúng em rất mong q thầy cơ góp ý, chỉ dẫn để đồ án được hồn thiện và

chính xác hơn.

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 1

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình
I.1.1. Nguyên liệu tổng hợp H3PO4

Nguyên liệu chính để sản xuất axit photphoric hiện nay là photpho.
I.1.2. Tính chất hóa lý

Photpho là chất rắn tồn tại ở nhiều dạng thù hình. Photpho trắng có d=1,84
g/cm2 thu được khi làm lạnh nhanh hơi photpho, là chất rắn trong suốt nếu tinh
khiết, nhưng thường có màu vàng nhạt do lẫn tạp chất. Photpho trắng có mạng lưới
phân tử, nút lưới là các P 4 liên kết với nhau bằng lực Van der Walls. Liên kết giữa
các nguyên tử P trong P4 kém bền nên photpho trắng hoạt động hố học mạnh.
Photpho trắng khơng tan trong nước, nhưng tan trong CS 2, benzene. Photpho trắng
rất độc và gây bỏng da nặng khó chữa.
Photpho trắng bị oxy hố trong khơng khí ngay ở nhiệt độ thường và phát
quang trong bóng tối. Khi cọ xát nhẹ hoặc đun nóng nhẹ photpho trắng cháy toả
nhiều nhiệt, vì vậy phải giữ photpho trắng dưới nước.

Khi chiếu sáng hoặc đun nóng khơng có khơng khí ở 250-300 0C, photpho
trắng chuyển thành photpho đỏ. Photpho đỏ có khối lượng riêng biến đổi từ 2 đến
2,4 g/cm3. Photpho đỏ gồm một số dạng thù hình đều là polymer không tan trong
nước và CS2. Photpho đỏ hoạt động hố học kém hơn photpho trắng. Khi đun nóng
mạnh photpho đỏ bay hơi, ngưng tụ hơi thu được photpho trắng.
Khi đun nóng ở 200-2200C dưới áp suất rất cao, photpho trắng biến thành
photpho đen có dạng giống như graphit, có khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm 3.
I.1.3. Trạng thái tự nhiên - Điều chế và ứng dụng
I.1.3.1. Trạng thái tự nhiên
Trong tự nhiên photpho tồn tại chủ yếu dưới dạng muối canxi photpho như:
Quặng photphorit Ca3(PO4)2, quặng apatit 3Ca3(PO4). CaF2 hay 3Ca3(PO4)2. CaCl2.
Ở Lào Cai có mỏ apatit với trữ lượng lớn.

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 2

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Photpho tồn tại trong cơ thể động vật. Xương có các hợp chất 3Ca 3(PO4)2.
Ca(OH)2 và 3Ca3(PO4)2. CaCO3. H2O. Axit nucleic là chất polymer hữu cơ phức tạp
có chứa các gốc photphat. Photpho có trong sữa, máu, tế bào thần kinh, óc.
I.1.3.2. Điều chế
Trong cơng nghiệp: Photpho được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp quặng
photphorit (hoặc apatit) với cát và than cốc ở 12000C trong lò điện.

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C  3CaSiO3 + 2P + 5CO
Hơi photpho thoát ra ngưng tụ khi làm lạnh, thu photpho trắng dạng rắn.
I.1.3.3. Ứng dụng
Dùng để sản xuất axit photphoric, sản xuất diêm hay dùng trong công nghiệp
luyện kim…
I.2. Tổng quan về H3PO4

Axit photphoric, hay đúng hơn là axit orthophotphoric là một axit trung bình
có cơng thức hóa học H3PO4.
I.2.1. Tính chất vật lý
Axit photphoric là chất rắn kết tinh, khơng màu, khơng mùi, hút ẩm. Hịa tan
vơ hạn trong etanol và nước (với bất kì tỉ lệ nào), có khuynh hướng chậm đông ở
trạng thái lỏng, phân hủy khi đun nóng vừa phải. Trong cấu trúc tinh thể của nó
gồm có những nhóm tứ diện PO 4, liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Cấu trúc đó
vẫn cịn được giữ lại trong dung dịch đậm đặc của axit ở trong nước và làm cho
dung dịch đó sánh giống như nước đường. Axit photphoric tan trong nước đó được
giải thích bằng sự tạo thành liên kết hydro giữa những phân tử H 3PO4 và những
phân tử H2O. Khi đun nóng dần đến 2600C, axit photphoric mất dần nước và biến
thành axit điphotphoric (H4P2O7), ở 3000C biến thành axit metaphotphoric (HPO3).
Thị trường H3PO4 có nồng độ 85-90%, có khối lượng riêng 1,7-1,75g/cm 3,
dung dịch này sánh đặc nhưng có thể rót từ lọ được.
Nếu nồng độ cao hơn nữa thì độ nhớt tăng lên và không thể lấy ra được một
cách dễ dàng.
Các thông số của axit photphoric:
 Khối lượng phân tử: 98 g/mol
 Khối lượng riêng: 1,87 g/cm3
 Nhiệt độ nóng chảy: 42,350C
 Nhiệt độ sơi: 1580C
 Nhiệt độ phân hủy: 2130C
 Độ nhớt: 2,4-9,4 cP (85% đậm đặc) và 147 cP (100%)

I.2.2. Tính chất hố học

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 3

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Axit photphoric là một axit 3 nấc, độ mạnh trung bình ở 250C:
H3PO4
↔ H2PO4- k1 = 7,6.10-3
H2PO4- ↔ H2PO42- k2 = 6,2.10-8
H2PO42- ↔ PO43- k3 = 4,4.10-13
Hình thành 3 loại muối: Muối bậc 1 (MH2PO4), muối bậc 2 (M2HPO4), muối
bậc 3 (M3PO4) (hay còn gọi là các muối trung hồ) với M là kim loại hố trị I.
I.2.2.1. Tính axit
Làm đổi màu chất chỉ thị, tác dụng với bazơ, với oxit bazơ, với muối, với
kim loại.
 Tác dụng với kiềm tuỳ theo tỉ lệ số mol giữa axit và dung dịch kiềm mà ta thu được
các muối khác nhau: M: Na, K.
H3PO4 + MOH(L)  MH2PO4 + H2O
H3PO4 + 2MOH(L)  M2HPO4 + 2H2O
H3PO4 + 3MOH(D)  M3PO4 + 3H2O
H3PO4 + NH3.H2O(L)  NH4(H2PO4) + H2O
H3PO4 + 2NH3.H2O(L)  (NH4)2HPO4 + 2H2O

T=
- T 1 tạo ra MH2PO4
- T = 2 tạo ra M2HPO4
- T 3 tạo ra M3PO4
- 1 < T < 2 tạo ra MH2PO4 và M2HPO4
- 2 < T < 3 tạo ra M2HPO4 và M3PO4
 Tác dụng với kim loại:
2H3PO4(L) + 3Mg  Mg3(PO4)2 + 3H2
3H3PO4(L) + 4Fe  FeHPO4 + Fe3(PO4)2 + 3H2
 Tác dụng với muối:
H3PO4(L) + 3AgNO3  Ag3PO4 + 3HNO3
H3PO4(L) + 3NaNO3  NaPO3 + HNO3 + H2O (3300C)
 Tác dụng với oxit bazơ:
H3PO4(L) + 12MO3  H3(PM12O40)dd
Ngồi ra cịn một số phản ứng:
H3PO4 + HClO4  P(OH)4+ + ClO4H3PO4 + H2SO4  P(OH)4+ + HSO48H3PO4(d) + P4O10  6H4P2O7 (80-1000C)
I.2.2.2. Tính oxy hố khử
Khó bị khử ở nhiệt độ thường (<350-400 0C), ở nhiệt độ cao là chất oxy hoá
yếu (có thể tác dụng với kim loại và đặc biệt là tác dụng với thạch anh và thuỷ tinh).
I.2.3. Ứng dụng
Axit Photphoric kỹ thuật: Dùng trong sản xuất phân bón, xử lý nước, xử lý
bề mặt kim loại, hương vị trong nước ngọt, sản xuất dược phẩm, sản xuất các sản
phẩm gốc photphat,...

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 4

Chuyên Ngành Hóa Dầu

Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Axit Photphoric thực phẩm: Dùng trong sản xuất phân bón, xử lý nước, xử lý
bề mặt kim loại, hương vị trong nước ngọt, sản xuất dược phẩm, sản xuất các sản
phẩm gốc photphat,...
I.3. Các quy trình cơng nghệ điển hình
I.3.1. Quy trình sản xuất axit photphoric bằng phương pháp nhiệt luyện
Phương pháp nhiệt điện để diều chế axit photphoric dựa trên cơ sở khử
photpho từ photphat canxi ở nhiệt độ cao (1400÷16000C) trong lị điện. Hơi photpho
đi ra khỏi lị được dịng khơng khí hoặc hơi nước xé tơi tơi ra và được đốt với lượng
khơng khí dư. P2O5 tạo thành được hấp thụ ngay trong tháp cho axit photphoric và
Quặng photphat
SiO2
Than
đi ra vẫn cịn nóng ở nhiệt độ khoảng 90 0C. Đầu tiên axit hình thành có nồng độ
khoảng 80-85%. Sản phẩm này sau khi được làm nguội sẽ quay vòng lại để làm
chất hấp thụ tiếp theo hoặc để làm nguội cho sản phẩm mới hình thành. Bằng cách
này có thể thu được sản phẩm axit có nồng độ đậm đặc hoặc siêu đậm đặc, sản
Bụi thu hồi
Trộn phối liệu
phẩm có độ tinh khiết cao.
Sơ đồ công nghệ sản xuất axit photphoric bằng phương pháp nhiệt

Phero-photpho

Điều chế photpho

Canxi silicat

Tách bụi

Ngưng tụ photpho

Nước, Hơi nước

Đốt, hydrat hóa tạo axit

Làm nguội axit
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Nước

Trang 5

Tinh chế axit

Khí CO

Tách khí và sol axit

Khí thải
Chuyên Ngành Hóa Dầu

Sản phẩm axit


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

 Ưu điểm:
o Phương pháp nhiệt điện thu được axit photphoric sản phẩm có
o

nồng độ bất kỳ (cho đến 100% H3PO4) và có độ sạch cao.
Nguyện liệu dùng cho phương pháp nhiệt đa dạng hơn (dùng
bất kỳ photphat nào). Có thể dùng những photphat nghèo mà
khơng cần làm giàu.

 Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều điện năng.

Một số nhà máy đang sử dụng công nghệ sản xuất này như: Tập đồn hố
chất việt nam VINACHEM, cơng ty apatit Việt Nam…
I.3.2. Quy trình sản xuất axit photphoric bằng phương pháp trích ly

Được tiến hành bằng cách đun quặng photpho đã được nghiền nhỏ với axit
sunfuric lỗng có nồng độ khoảng 60-80%. Quặng photphat được sấy, nghiền cho
tới khi 60-70% hạt quặng có kích thước nhỏ hơn 0,15mm và sau đó được đưa liên
tục vào thiết bị phản ứng với axit sunfuric.
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4(L)  3CaSO4 + 2H3PO4
Khi axit photphoric tiếp xúc với bề mặt hạt quặng, phản ứng trao đổi bắt đầu
xảy ra. Trong điều kiện khơng có khuấy trộn thì chỉ sau một thời gian rất ngắn trên
bề mặt hạt quặng xuất hiện dung dịch bão hoà của canxi sunfat, ngăn cản axit
sunfuric tiếp tục khuếch tán vào bề mặt ngoài quặng ra ngoài. Khi phản ứng trao đổi
dừng lại, khu vực xảy ra phản ứng sẽ nguội dần và bắt đầu xuất hiện kết tinh của
canxi sunfat. Ngay sau đó canxi sunfat sẽ bao bọc lấy tồn bộ hạt quặng. Canxi
sunfat kết tinh dưới hai dạng thù hình. Dạng ngậm hai phân tử nước xuất hiện trong

điều kiện bão hoà ở nhiệt độ thấp hơn và tạo thành những tinh thể hình kim lớn hơn.
Dạng ngậm 0,5 phân tử nước là những tinh thể lớn hơn hình kim sẽ làm cho lớp
canxi sunfat bọc xung quanh hạt quặng có những lỗ hổng tạo điều kiện cho q
trình khuếch tán của các phân tử axit vẫn tiếp tục xảy ra. Còn dạng ngậm nước 0,5
phân tử nước sẽ tạo một lớp vỏ đặc khít ngăn chặn hầu như hồn tồn các q trình
khuếch tán qua lại. Phải khuấy trộn hỗn hợp liên tục và tránh không sử dụng axit
sunfuric quá đặc.
Sau khi kết thúc người ta loại bỏ CaSO 4 không tan và cô đặc dung dịch
H3PO4 thu được sản phẩm. Dung dịch axit này chưa tinh khiết. Các tinh thể được

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 6

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

tách ta cần phải rửa để thu hồi được ít nhất 99% axit photphoric trong phần lọc
được.
Đây là phản ứng dị thể chuyển hoá từ canxi photphat hầu như khơng tan sang
canxi sunfat ít tan, do đó địi hỏi diện tích tiếp xúc lớn và dung dịch axit cần phải
lỗng thì thời gian và hiệu suất chuyển hố cao. Ngược lại sản phẩm axit photphoric
sẽ lỗng, muốn có axit thương phẩm thì phải tốn năng lượng để cơ đặc. Vì vậy,
trong cơng nghiệp sản xuất axit photphoric theo phương pháp trao đổi người ta lựa
chọn các thông số kỹ thuật phù hợp đặc biệt là nhiệt độ và nồng độ, kể cả dạng sản
phẩm canxi sunfat hình thành sao cho tách được một cách dễ dàng nhất ra khỏi

dung dịch và hiệu quả kinh tế đạt cao nhất.
Các cơng đoạn chính là: Phân huỷ quặng photphat (q trình thực hiện phản
ứng trao đổi), lọc, rửa tách axit photphoric ra khỏi bã (gồm canxi sunfat và các tạp
chất ít tan khác của silic, nhôm, sắt, magie, asen…) và cô đặc thành thương phẩm.
Thiết bị chủ yếu dùng để cô đặc axit photphoric là: Sục bọt và hút chân
không.

quặng photphat
Axit sunfuriccơ đặc kiểu Tinhbọt là cho khí lị sục qua lớp axit, thiết bị cơ đặc
Ngun lý
sủi

kiểu sục gồm có: 1 buồng bằng thép, bên trong có gạch chịu axit. Phương pháp cơ
đặc kiểu sủi bọt có ưu điểm là nhanh, nhưng có nhược điểm là tạo nhiều mùn axit.
Phản ứng được thực axit
Xử lý bị bay hơi chân
Quá trình cơ đặc chân khơngtrao đổi tạo hiện trong thiếtkhí thải và hơi nước
không kiểu ống chùm ngang. Hơi đi trong ống cịn axit đi trong khơng gian ngồi
ống, thiết bị được hút chân không bằng hệ thống phun tia ngưng tụ.
Hút chân khơng có nhược điểm: Tốn nhiều chì và kim loại chịu axit, điều
kiện làm việc phức tạp, thiết bị dễ bị đông và thạch cao
Huyền phù axit kết tủa.
Sản phẩm thu được (H3PO4) thường có nồng độ từ 40-50% (nếu gạn lọc thì
chỉ thu được axit có nồng độ khoảng 30%) và chứa nhiều tạp chất.

Ủ kết tinh CaSO4.0.5H2O
Nước sạch
Sơ đồ công nghệ sản xuất axit photphoric bằng phương pháp trích ly

Nước rửa lần 2/3

Lọc, rửa

Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm

Trang 7

Sản phẩm axit photphoric

Bã và CaSO4.0.5H2O

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

 Ưu điểm:
o Ít tiêu tốn năng lượng
 Nhược điểm:
o Nguyên liệu phải đảm bảo thành phần photpho cao
o Còn nhiều tạp chất
o Nồng độ axit photphoric thu được không cao

Một số nhà máy đang sử dụng công nghệ sản xuất này như:
-

Ở nước ta, công nghệ sản xuất axit photphoric trích ly lần đầu tiên được nhập cho
nhà máy DAP Đình Vũ, Hải Phịng. Đến nay được phát triển cho một số nhà máy

khác, như nhà máy DAP số 2, nhà máy sản xuất dicanxi photphat dùng làm thức ăn

-

bổ sung khống cho gia súc, Cơng ty CP Bột giặt & Hóa chất Đức Giang…
Trên thế giới hiện cũng đang phát triển một số công nghệ mới sản xuất axit
photphoric nhằm giảm tiêu hao nguyên liệu và năng lượng, nâng cao chất lượng sản
phẩm.
I.4. Đánh giá lựa chọn quy trình cơng nghệ

Như đã biết để sản suất H3PO4 có hai phương pháp:
- Phương pháp nhiệt luyện
- Phương pháp trích ly
Do yêu cầu về nồng độ sản xuất H 3PO4 là 85% theo yêu cầu bài cho thì ta
thấy trong hai phương pháp trên chỉ có phương pháp nhiệt luyện là đáp ứng được
yêu cầu về hiệu suất và chất lượng.

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 8

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
II.1. Hoạt động của các thiết bị chính trong quy trình cơng nghệ

II.1.1. Thùng hóa lỏng photpho

Nhiệt độ của hơi nước duy trì trong thùng phuy là 60÷650C.
Photpho rắn được đưa vào từng mẻ, mỗi mẻ 3 thùng, mỗi thùng 200kg. Trên
thùng có 3 giá đỡ dùng để quay úp các thùng photpho rắn vào. Nước sẽ gia nhiệt
cho photpho ở bên ngoài, mức nước gia nhiệt trong thùng sẽ được nâng lên và chảy
tràn ra ngồi nhưng vẫn ln giữ một lớp nước trên mặt. Sau khoảng 15÷20 phút thì
photpho sẽ chảy ra hết khỏi phuy. Photpho hóa lỏng ở nhiệt độ 42 0C và được tháo
vào bình tinh chế photpho lỏng số 3.
II.1.2. Thùng tinh chế photpho lỏng

Tiếp nhận photpho lỏng từ thiết bị số 2 và tinh chế trước khi bơm lên thiết bị
số 4, thiết bị được gia nhiệt bằng hơi nước bên ngoài vỏ.
Photpho được chuyển từ thùng số 2 xuống thùng 3 qua van để ổn định lưu
lượng trước khi bơm lên thiết bị số 4. Trong suốt q trình phải kiểm sốt mức
photpho nếu khơng photpho sẽ chảy tràn ra ống xuống đất. Trong quá trình photpho
đi từ 2 xuống 3 sẽ xảy ra quá trình xáo trộn photpho làm một ít photpho nổi lên bề
mặt tạo thành P2O5, khí này được quạt hút theo đường ống dẫn khí đưa ra tháp đệm
trước khi thải ra mơi trường.
II.1.3. Tháp đốt hấp thụ

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 9

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Có cấu tạo làm 2 phần: Phần đỉnh tháp có nhiệm vụ đốt photpho với oxy
khơng khí, phần dưới có chức năng hấp thụ tạo axit.
Để tăng nồng độ axit lên thì có dịng H 3PO4 80% từ thùng 13 chảy tràn vào
thân tháp hấp thụ để hấp thu P 2O5 và tiếp tục hấp thụ H 3PO4 35% ở giữa thân tháp.
Axit ở đáy tháp được giải nhiệt và chia làm 2 dịng:
-

Dịng 1: Axit có nồng độ 85% được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt rồi dẫn

-

qua bộ lọc axit sau đó về bồn chứa sản phẩm.
Dịng 2: Có nồng độ 80÷85% được đưa lên thiết bị 13 trộn với H 3PO4 35%
để hạ nồng độ axit xuống cịn 80%. Sau đó trở về tưới vào tháp hấp thụ 5.
Lượng mù và khí chưa hấp thụ hết được tiếp tục dẫn qua ventury.
II.1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt

Axit photphoric ra khỏi tháp 5 có nhiệt độ 70÷80 0C được bơm cung cấp đến
thiết bị trao đổi nhiệt số 10, nước được đưa trực tiếp từ thùng cao vị để giải nhiệt
cho H3PO4, có nhiệt độ 320C. Nước được dẫn từ dưới lên trên, axit đi theo chiều
ngược lại qua các tấm bản. Axit đi ra có nhiệt độ 40÷50 0C được đưa lên bộ phân
chia. Nước ra có nhiệt độ là 370C theo đường ống dẫn nước về cooling tower. Tại
đây nước được giải nhiệt xuống còn 320C rồi về lại thiết bị trao đổi nhiệt với dịng
axit mới.
II.1.5. Ventury

Tạo ra những giọt axit có kích thước bằng nhau để hấp thụ khi vào tháp tách
giọt.

Ống ventury có cấu tạo co thắt gồm 2 phần: phần trước có áp suất cao hơn
phần sau do đó tổn thất ở chỗ thắt. Các hạt lớn khi qua ventury thay đổi áp suất từ
cao đến thấp sẽ biến đổi trạng thái và vỡ ra, các hạt nhỏ khi qua ventury sẽ thành
hạt to va vào thành và va đập với nhau.
Ở đầu ventury người ta tưới H3PO4 để hấp thụ một phần P2O5 trước khi qua
tháp tách giọt và có tác dụng làm khí thải sẽ sạch hơn.
II.1.6. Tháp tách giọt

Lượng khí và mù axit chưa hấp thụ hết vào phía dưới tháp tách, gần trên đỉnh
tháp có nước từ thùng nước vơ khống chảy qua các đệm hấp thụ lượng P 2O5 và mù
axit tạo thành axit H3PO4 lỗng 35% chảy xuống thùng số 11b.
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 10

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Toàn thân tháp được chia làm 2 lớp đệm, mỗi lớp cách nhau bằng lớp đỡ
đệm. Cùng với trở lực của các lớp đệm, các mù axit va vào nhau tạo thành những
giọt lỏng lớn hơn và rơi xuống đáy tháp.
Phần mù và khí thải tiếp tục qua tách tách mù số 8.
II.1.7. Tháp tách mù

Tiếp nhận dòng khí cùng với lượng mù axit chưa hấp thụ hết ở tháp tách giọt
số 7 để cho ngưng tụ hết lượng axit và giảm thiểu lượng P2O5 thải ra ngoài.

II.2. Thuyết minh sơ đồ

Photpho vàng được nhập về xưởng ở dạng rắn trong các thùng phuy 200kg,
phía trên ln có lớp nước bảo vệ không cho photpho vàng tiếp xúc với khơng khí.
Dùng palang điện số 1 nâng thùng phuy P 4 đặt vào thùng nấu chảy số 2. P 4 được
hóa lỏng bằng hơi nước gia nhiệt (nhiệt độ 55÷600C) bên ngồi vỏ áo.
Photpho lỏng từ thùng nấu chảy số 2 được thả xuống bồn tinh chế photpho
lỏng 3 để lắng cặn, sau đó photpho lỏng được bơm lên bồn nén số 4, đường ống
bơm có gắn thiết bị làm nóng. Photpho lỏng từ bồn nén số 4 được nén bằng khơng
khí với áp suất P = 0,8÷1 kg/cm 2 vào bec phun trên đỉnh tháp đốt hấp thụ số 5. Tại
đây photpho lỏng được dịng khí nén phun ở dạng sương nhờ các rãnh xoáy trong
bec phun vào buồng đốt, kết hợp với khí bốc cháy tạo P 2O5. Axit photphoric loãng
80% ở bồn axit cao vị số 13 chảy màng từ trên vành phân phối răng cưa xuống 2
bên thành tháp kết hợp với P 2O5 sinh ra trong tháp sẽ xảy ra quá trình hấp thụ tạo
H3PO4 ở đáy tháp số 5 cùng với một lượng mù axit có lẫn P 2O5 chưa hấp thụ hết.
Lượng mù có lẫn P2O5 tiếp tục được hấp thụ nhờ dòng H3PO4 đi vào giữa tháp.
Tại tháp đốt hấp thụ số 5 axit có nhiệt độ 60÷65 0C dưới đáy tháp được kiểm
tra nồng độ:
-

Nếu nồng độ đủ 85% thì sẽ được bơm tuần hoàn qua thiết bị trao đổi nhiệt 10 để hạ
nhiệt độ xuống 45÷500C, tiếp tục dẫn qua bộ lọc axit số 12 sau đó đưa vào thùng

-

chứa axit thành phẩm số 11a.
Nếu nồng độ 80÷85% thì sẽ được bơm dẫn lên thùng axit cao vị số 13 trộn với dòng
H3PO4 35% để đạt nồng độ 80%. Sau đó axit này được chảy màng vào hai bên tháp
số 5 để hấp thụ P2O5 sinh ra.
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 11

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Mù axit và P2O5 chưa được hấp thụ sẽ được dẫn vào ventury số 6. Tại đây,
hỗn hợp mù và P2O5 sẽ được hấp thụ bằng những giọt axit 35% được phun vào từ
bồn 11b tạo thành những giọt axit lớn hơn và chảy vào tháp tách giọt số 7 cùng với
một lượng mù axit dư chưa được hấp thụ.
Trong tháp tách giọt số 7, lượng mù axit cùng với P 2O5 đi từ đáy tháp lên sẽ
được hấp thụ bởi dòng axit 35% tưới từ trên xuống. Dòng axit ngưng tụ trong tháp
chảy dần xuống bồn chứa số 11b.
Hỗn hợp mù và khí P2O5 chưa hấp thụ hết ở tháp tách giọt số 7 được hút vào
tháp tách mù số 8. Tại đây, mù axit sẽ được giữ lại bên trong lõi lọc và ngưng tụ
chảy về thùng chứa axit lỗng số 11b. Khí thải sẽ được dẫn ra ở trên đỉnh tháp và
đem xử lý bằng NaOH trước khi thải ra mơi trường.

CHƯƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
III.1.

Cân bằng vật chất
Tính tốn các điều kiện ban đầu

III.1.1.

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 12

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Hỗn hợp đầu vào là hỗn hợp khí nên nồng độ phần thể tích cũng chính là
nồng độ phần mol.
Khi đốt nóng, photpho cháy trong khơng khí tạo ra các oxit của photpho:
Thiếu oxi:

4P+3O2→2P2O3

(1)
điphotpho trioxit

Dư oxi:

4P +5O2→2P2O5

(2)
điphotpho pentaoxit

Với hiệu suất đốt cháy H=100%, nghĩa là P cháy tạo ra duy nhất khí P 2O5 ta
có phương trình phản ứng như (2).

Với 1mol P đưa vào, cần 5/4 mol oxy để đốt cháy hết và tạo ra ½ mol P 2O5.
Ta lấy dư 1,2 phần mol oxy để đảm bảo quá trình cháy hết. Vậy cần 6/4 mol
oxy, sau khi cháy hết photpho cịn lại ¼ mol oxy.
Trong khơng khí oxy chiếm 1/5, cịn lại 4/5 là nitơ. Vậy với 6/4 mol oxy
mang vào có 6 mol nitơ. Như vậy tổng mol pha khí là
Nồng độ Yd của P2O5 là:

yd = 0,074 (kmol P2O5/kmol pha khí)
Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối.

Yd =
Nồng độ đầu của P2O5 trong pha khí:

(kmol P2O5/kmol khí trơ)
Nồng độ cuối của P2O5 trong pha khí:
Ta có: Yc = Yd(1-ε) với ε : hiệu suất
 Yc = (1-0,85)×0,08 = 0,012(kmol P2O5/kmol khí)
Yc: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 13

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

(kmol P2O5/kmol hỗn hợp khí)

Nồng độ mol tương đối trung bình:

(kmol P2O5/kmol hỗn hợp khí)
Nồng độ phần mol trung bình:

(kmol P2O5/kmol hỗn hợp khí)
Lưu lượng hỗn hợp khí:
Gy= 669,6 (kmol/h)
Lưu lượng khí trơ: Gtr= G(1-yd) = 669,6×(1-0,074) = 620,05 (kg/h)
Lượng P2O5 được hấp thụ:
= 669,6×0,074×0,85 = 42,118 (kmol P2O5/h)
Nồng độ đầu của P2O5 trong nước: xd = 0
Nồng độ cuối của P2O5 trong nước: x’c = 68 % khối lượng
 Nồng độ phần mol của P2O5 trong dung môi:

(kmol P2O5 /kmol nước)
Nồng độ phần mol tương đối của P2O5 trong dung môi

(kmol P2O5 /kmol nước)
Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc
Phương trình đường cân bằng có dạng:

(kmol P2O5 /kmol khí trơ)
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 14

Chuyên Ngành Hóa Dầu

Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

(Kmol P2O5/kmol khí trơ)

với

hằng số cân bằng pha

: Hệ số Henry (mmHg)
P: Áp suất chung của hỗn hợp khí, P = 2atm, T = 60oC.
Tra bảng (IX.1[2]), ta có:

(60oC) = 0,0839.106

Phương trình cân bằng:

(kmol P2O5 /kmol khí trơ)

(Kmol P2O5 /kmol H2O)
Phương trình đường làm việc
Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết
diện bất kỳ tới phần trên của thiết bị

Trong đó:
Xd: Nồng độ ban đầu của cấu tử hấp thụ trong dung môi (kmol P 2O5 /kmol
H2O)
Yc: Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (kmol P 2O5
/kmol khí trơ)

Gx: Lưu lượng dung mơi đi vào thiết bi hấp thụ (kmol/h).
Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 15

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:
Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:
Xc=(yd – yc) =(yd-yc) = 0.269(kmol P2O5 /kmol H2O)
Lượng dung mơi tiêu tốn thực tế:

(kmol H2O/kmol khơng khí)
Lượng dung môi đi vào thiết bị:
Gx= Gtr = 0,23x620,05 = 142,61 (kmol/h)
Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kỳ:
Gtrơ(Y-Yc) = Gx(X-Xd)

Phương trình đường làm việc: Y=0,23X + 0,012
III.1.2.
Tính các thơng số cơ bản của tháp
III.1.2.1.
Tính đường kính tháp đệm
III.1.2.1.1. Tính khối lượng riêng trung bình

Đối với pha lỏng

Áp dụng cơng thức:

: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3.
: Phần khối lượng trung bình của P2O5 trong hỗn hợp.
,

: Khối lượng riêng của P2O5 và H2O ở 60oC, kg/m3

Tra bảng : I.5 và I.2 (sổ tay quá trình và thiết bị tập 1) tại 60oC
= 918,08

Phần khối lượng trung bình của P2O5 trong pha lỏng.
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 16

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Với xtb là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng
(kmol P2O5/kmol H2O)

(kmol P2O5/kmol H2O)

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng

(kg/m3)
Đối với pha khí:

Áp dụng cơng thức:
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:

Với:
: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp.
My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí.
To: Nhiệt độ ở đktc. To=273oK
T: Nhiệt độ làm việc của tháp.
Po: Áp suất ở Đktc
P: Áp suất làm việc của tháp P = 2 atm.
Tính Mytb
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 17

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Theo ([3.89] trang 14,[1]):

Với :
p: Áp suất làm việc, đo bằng mmHg (2atm = 1520mmHg)
T: Nhiệt độ làm việc khơng khí tính bằng oC (T = 60oC)
 mkk = 2,12 g/l
Vậy: Mytb = ytb × Mp2o5 + (1-ytb) ×Mkk = 8,275 (kg/kmol)
=> ρytb = 0,605 (kg/m3)

Tính độ nhớt µx,µy
Đối với pha lỏng µx
Áp dụng cơng thức:
Trong đó:
xtb : Phần mol trung bình của P2O5 trong hỗn hợp lỏng.
: Độ nhớt của P2O5 và H2O ở 60oC
Tra bảng (I.102[1])
(Ns/m2)
Tra bng I.101

(Ns/m2)

Lg àx=0,106ìlg(1,5ì10-5) + (1- 0,106)lg(0.8545ì10-3)
Lg àx = -3,2543
àx = 5,5669ì10-4(Ns/m2)

i vi pha khớ:
p dng cụng thc:

Trong đó:
-

, µy, µKK: Độ nhớt trung bình của P2O5 , của pha khí và của khơng khí

ở nhiệt độ t, Ns/m2.

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 18

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

- My,

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

, Mkk: Khối lượng phân tử của pha khí, của P2O5, của khơng khí ở

nhiệt độ t.
Tra đồ thị I-35 (sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hố chất- tập 1), ta có:

III.1.2.1.2. Đường kính tháp

Áp dụng cơng thức:
-

Vytb: Lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h.
: Tốc độ trung bình đi trong tháp, m/s

Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:

Trong đó:
-

Gytb: Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h
Mytb: Khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol
: Khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp,kg/m3

Ytb= 0,046 (kmol P2O5/kmol khí trơ)
Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:
Gytb = 620,05x(1-0,046) = 591,53(kmol/h)

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 19

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Lượng hơi trung bình trong tháp (kmol/h):
Gy = Gytb.Mytb= 4894,9 (kmol/h).
Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

Lượng lỏng trung bình (kg/h)
Gx = Gxtb.Mxtb = 96591,65 (kg/h)

Tính vận tốc của khí đi trong tháp

, m/s

Áp dụng cơng thức:
Y=1,2.e-4X

với:
Tốc độ đảo pha, m/s
Vd: Thể tích tự do của đệm, m3/m3
Bề mặt riêng của đệm, m2/m3
Tháp hấp thụ mang tính axit chọn nên ta chọn đệm Rasig đổ lộn xộn cho
tháp đệm bằng sứ kích thước 30x30x3,5. Theo (IX.8, trang 193[1]) ta có :
Vd = 0,76m3/m3
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 20

Chuyên Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Gx,Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/h).
Gx = 96591,65 (kg/h)
Gy = 4894,9 (kg/h)
Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2
µx,µn: Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của
nước ở 60oC, Ns/m2.

àn=1,005.10-3(Ns/m2).
àx=8,4742.10-4(Ns/m2).
,

ã

: Khi lng riờng trung bỡnh ca pha lng v pha khí (kg/m3)

Tính vận tốc của khí đi trong tháp
- Áp dụng công thức:

Với:

-

: Vận tốc đảo pha, m/s.
Vđ : Thể tích tự do của đệm, m3/m3

: Bề mặt riêng của đệm, m2/m3
• Tháp hấp thụ P2O5 mang tính axit nên ta chọn vòng đệm Rasig đổ lộn xộn:
Đệm bằng sứ kích thước 30x30x3,5
- Vd = 0,76 m3/m3
-

-

= 165 m2/m3
Gx, Gy: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s).
Gy = 4894,9 (kg/h).

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 21

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010
-

Gx = 96591,65 (kg/h).
g = 9,81 m/s2

-

= 7,98.10-4 (Nm/s2)

-

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

= 1,005.10-3 (Nm/s2)

-

,

: Khối lượng riêng của pha lỏng và pha khí (kg/m3)

-

=

= 997 (kg/m3)

-

= 0,605 (kg/m3)

Vậy:
- Từ phương trình Y ta có:

Theo thực nghiệm thì q trình truyền khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong
thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó đảm bảo
q trình ổn định. Vì vậy:
Tốc độ độ thích hợp theo phương pháp này thường bằng khoảng:

Ta chọn:
Thay các giá trị ta có đường kính tháp.

Quy chuẩn ta lấy 0,6 (m).
• Kiểm tra theo mật độ tưới
Mật độ tưới thực tế:

Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h.
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 22

Chun Ngành Hóa Dầu

Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Ft: Diện tích mặt cắt tháp.
Ft = π.D2/4 = 3,14 0,62/4 = 0,2826 m2
Vx = Vxtb=90,281 (m3/h)
Vậy:

•

Mật độ tưới thích hợp:
Uth = B

(

B = 0,158

)
. (bảng IV.6, trang 177,[2])

= 165 m2/m3
Uth = 0,158.165 = 26,07
Vậy :

- Vậy đệm thấm ướt tốt.
III.1.2.2.
Tính chiều cao tháp đệm

Áp dụng cơng thức tính chiều cao lớp đệm:
Hđ = my.hy (m).
Trong đó:
My : Số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí).
Hy : Chiều cao của một đơn vị chuyền khối.
• Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối
Ta áp dụng cơng thức:

Trong đó:
h1,h2 : Chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)
Gx, Gy: Lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)
m: Hệ số góc của đường cong cân bằng
Tính h1:

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 23

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

Trong đó:
Vd : Thể tích tự do của đệm, 0,76 m3/m3.
a: Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm. đệm vòng a = 0,123
Rey : Chuẩn số reynol cho pha hơi.
Pry : Chuẩn số Prandt cho pha hơi.

: Hệ số thấm ướt của đệm.

Ta có:

Trong đó:
: Độ nhớt của hỗn hợp khí, (Ns/m2)

-

: Khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)
Dy : Hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s.

T: Nhiệt độ Kenvin, T = 273 +60 = 333k
P = 1atm = 1at.
-

M

,

Mkk: Khối lượng mol của P2O5, khơng khí kg/kmol).

u , ukk : Thể tích mol của P2O5, khơng khí (cm3/mol).
Tra bảng VIII.2 – II(tr127)
-

u
= 44,8(cm3.mol)
ukk = 29,9 (cm3.mol)

Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 24

Chun Ngành Hóa Dầu


Đồ Án Cơng Nghệ Khóa 2010

Tính

Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

:
phụ thuộc tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp

-

và mật độ tưới thích hợp.
Ta có:

= 1.

Tính h2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng.

: Độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2.
: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3.
Ta có:

Với :

: Bề mặt riêng của đệm (m2/m3).
Gx : Lưu lượng trung bình trong pha lỏng.
Ft: Diện tích mặt cắt tháp.
: Độ nhớt trung bình của pha lỏng, m2/s.

Trong đó:
: Độ nhớt của hỗn hợp lỏng, (Ns/m2)
Khoa Hóa Học Và Cơng Nghệ Thực Phẩm

Trang 25

Chun Ngành Hóa Dầu