Tiểu luận thiết kế nhà máy sản xuất axit sunfuric

1

Tóm tắt nội dung đề tài:

“Thiết kế nhà máy sản xuất axit sunfuric
năng suất 240.000 Tấn/năm”.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính chất của axit sunfuric.
1.2. Ứng dụng của axit sunfuric.
1.3. Tình hình sản xuất, tiêu thụ axit sunfuric tại Việt nam và thế giới .
Bảng 1.1 và bảng 1.2 trang 2 “Luận văn…”
1.4. Nguyên liệu sản xuất axit sunfuric.
- Pirit thường, pirit tuyển nổi, pirit lẫn than, lưu huỳnh nguyên tố,
thạch cao, khí lò luyện kim màu, khí H2S, khói lò, axit sunfuric thải …
1.5. Các qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric.
1.5.1. Giới thiệu chung.
Nhìn chung, công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp
xúc gồm các giai đoạn sau: chuẩn bò nguyên liệu; sản xuất khí SO 2, tinh
chế khí SO2, oxi hóa có xúc tác SO 2 thành SO3, hấp thụ SO3 để tạo ra
H2SO4 (hoặc oleum); hoàn thành sản phẩm.
Đối với công nghệ sản xuất H2SO4 theo phương pháp nitrozo nguyên
lí cũng đi từ khí SO2; song để oxi hóa thành SO3 và cho ra sản phẩm
H2SO4, người ta dùng NO2 hay dung dòch axit HNO3.
1.5.2. Cơ chế lí hoá trong các qui trình.
1.5.2.1. Đốt nguyên liệu.
- Đốt pirit: phương trình tổng quát sau:
t
4 FeS + 11O2 →
2Fe2O3 + 8SO2 + 3415,7kJ
o

2
t
hoặc 3 FeS + 8O2 →
Fe3O4 + 6SO2 + 2438,2kJ
o

- Đốt S: vì S có ái lực rất lớn với oxi, nó cháy trong không khí cho
ngọn lửa màu xanh rất bền và phát nhiều nhiệt: S + O2 = SO2 + 297 kJ
- Đốt H2S: Phản ứng cháy như sau:
2H2S + O2 = 2H2O + 2S
S + O2 = SO2
- Đốt thạch cao CaSO4 = CaO + SO2 – 489,6 kJ
2CaSO4 + C = 2CaO + 2SO2 + CO2 – 566,2 kJ
1.5.2.2. Làm sạch khí.
Nếu sản xuất H2SO4 từ nguyên liệu S và H 2S thì không cần thiết có
công đoạn làm sạch khí này. Vì khí H 2S (thu được từ khí thải) đã rửa cẩn
thận nên sau khi đốt, S nguyên chất nên không cần làm sạch khí nữa.
1.5.2.3. Quá trình oxi hóa SO2 thành SO3.
Phản ứng oxi hóa SO2 :
SO2 + 0,5O2 = SO3 + Q
Trong trường hợp xúc tác là oxit kim loại thì SO 2 tác dụng với oxi
nguyên tử (có trong thành phần xúc tác) nằm ngay trên bề mặt xúc tác.
Như vậy, phản ứng gồm 4 giai đoạn:
1. Hấp thụ SO2 lên bề mặt xúc tác.
2. Oxi hóa SO2 bằng oxi trong các phân tử oxit kim loại (chất xúc
tác) nằm ngay trên bề mặt xúc tác.
3. Nhả SO3 ra khỏi bề mặt xúc tác.
4. Hấp thụ oxi trong pha khí vào chất xúc tác và hoàn nguyên xúc
tác.

1.5.2.4. Hấp thụ SO3 và H2SO4 thành oleum.
Đầu tiên SO3 hòa tan vào dung dòch H 2SO4, sau đó phản ứng với
nước trong đó: nSO3 + H2O = H2SO4 + (n-1)SO3


3
Tùy theo tỉ lệ giữa lượng SO 3 và H2O mà nồng độ axit thu được sẽ
khác nhau:
Khi n > 1 sản phẩm là oleum
Khi n = 1 sản phẩm là monohidrat (axit sunfuric 100%)
Khi n < 1 sản phẩm là dung dòch axit loãng.
1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng.
1.5.3.1. Đốt nguyên liệu lưu huỳnh:
Đối với lưu huỳnh bẩn, tro cặn bám vào các ống truyền nhiệt làm
giảm hệ số truyền nhiệt, làm tắt vòi phun.
Nồng độ của oxi trong khí lò có ảnh hưởng đến quá trình đốt, hệ số
dư không khí là tỉ số khối lượng oxi không khí và khối lượng oxi cần đốt
càng lớn thì nhiệt độ của lò càng cao.
1.5.3.2. Làm sạch khí:
Ở điều kiện làm việc bình thường thì hơi nước không ảnh hưởng gì
đến xúc tác vanadi nhưng nó có thể gây ngưng tụ hơi axit ở thiết bò truyền
nhiệt (công đoạn tiếp xúc) hoặc ở thiết bò làm nguội SO 3 và tạo mù axit
(công đoạn hấp thụ)… Vì vậy phải sấy khô hỗn hợp khí trước khi đưa sang
công đoạn tiếp theo.
1.5.3.3. Oxi hóa SO2 thành SO3.
- nh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt phản ứng và hằng số cân bằng
oxi hóa SO2.
- nh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mức chuyển hóa SO2.
- Nhiệt độ thích hợp – ứng với mỗi mức chuyển hóa xác đònh là
nhiệt độ mà tại đó tốc độ phản ứng đạt giá trò cực đại

- nh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mức chuyển hóa cân bằng
- nh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ phản ứng oxi hóa SO 2.
- Động học quá trình oxi hóa SO2 trên chất xúc tác vanadi


4
- nh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng oxi hóa SO 2.
- nh hưởng của hoạt tính một vài chất xúc tác đến tốc độ phản ứng
oxi hóa SO2.
- nh hưởng của mức chuyển hoá đến lượng xúc tác cần dùng khi
oxi hoá SO2.
- nh hưởng của mức chuyển hoá đến lượng xúc tác cần dùng khi
oxi hoá SO2.
- nh hưởng của nồng độ SO2 đến năng suất tháp tiếp xúc.
- nh hưởng của chiều dài mao quản đến mức sử dụng bề mặt bên
trong của xúc tác.
- nh hưởng của đường kính hạt xúc tác đến tiêu hao chung .
- nh hưởng của tốc độ khí đến đường kính thích hợp của hạt xúc tác
ở các mức chuyển hoá khác nhau.
1.5.3.4. Hấp thụ SO3 và H2SO4 thành oleum.
- nh hưởng của nồng độ và nhiệt độ axit đến hệ số K0.
- nh hưởng của nồng độ và nhiệt độ axit đến hiệu suất, tốc độ hấp
thụ SO3.
- Cân bằng nước trong hệ thống:
1.5.4. Các qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric:
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp
xúc từ quặng pirit: sơ đồ cổ điển có nhiều điểm mâu thuẫn làm cho dây
chuyền sản xuất axit sunfuric trở nên phức tạp (hình 1.6 trang 28 “luận
văn …”)
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp xúc

tác ướt từ H2S có đặc điểm nồng độ SO2 vào tháp tiếp xúc thường được
giữ cao hơn nồng độ thích hợp, nồng độ sản phẩm chỉ đạt 92 – 94% hiệu
suất chuyển hóa SO2 thành SO3 chỉ đạt 97 – 98%.


5
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp
xúc từ thạch cao: phải tốn thêm nhiệt lượng để tách nước kết tinh
(CaSO4.2H2O) và nồng độ SO2 trong khí thu được cũng thấp hơn.
- Qui trình công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp
xúc từ lưu huỳnh. (phần này thuyết minh rõ ở mục 3.1.3)

Chương 2. NĂNG SUẤT THIẾT KẾ - ĐỊA ĐIỂM XÂY
DỰNG NHÀ MÁY.
2.1. Năng suất thiết kế.
- Năng suất thiết kế: 240.000 tấn /năm.
- Tính theo acid sunfuric:

31250 kg/h

- Số ngày làm việc:

320 ngày/năm.

- Số ca:

03 ca/ngày.

- Số giờ:

08 giờ/ca.

2.2. Đòa điểm xây dựng nhà máy.
Với năng suất thiết kế 240.000 tấn/năm chọn vò trí thiết kế nằm
trong khu công nghiệp Phú Mỹ (Nam Sài Gòn)

Chương 3. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
3.1. Lựa chọn qui trình công nghệ sản xuất.
3.1.1. Lập luận chọn lựa qui trình công nghệ sản xuất.
3.1.2. Biện luận dây chuyền thiết bò


Dây chuyền công nghiệp: Dây chuyền công nghệ sản xuất

H2SO4 đi từ nguyên liệu lưu huỳnh đối với sơ đồ tiếp xúc kép gồm các
thiết bò sau:
- Bể nấu chảy lưu huỳnh.
- Lò đốt lưu huỳnh.
- Tháp sấy không khí.


6
- Thiết bò giải nhiệt.
- Tháp chuyển hoá SO2.
- Tháp hấp thụ oleum.
- Tháp hấp thụ acid.
- Tháp tách giọt sau hấp thụ, tách giọt sau sấy.
- Tháp xử lý khí.


Chọn các thiết bò trong dây chuyền sản xuất.

- Bể nấu chảy lưu huỳnh: chia làm 6 ngăn nhỏ có dạng hình chữ
nhật, chiều dài mỗi ngăn khoảng 2m và rộng khoảng 1,5m (được cấu tạo
bằng thép) bên trong có ống trao đổi nhiệt hơi bão hòa 14atm đi trong ống
- Lò đốt lưu huỳnh: Chọn lò đốt kiểu nằm ngang có cấu tạo bằng
thép, hình trụ bên trong có các lớp gạch chòu nhiệt và gạch chòu lửa,
đường kính 5 m, chiều dài 15 m.
- Tháp chuyển hoá: ta cần chọn loại tháp chuyển hoá tầng xúc tác cố
đònh.
- Các tháp hấp thụ: chọn tháp hấp thụ dạng đệm bằng sành chòu tốt
môi trường acid.
- Các thiết bò còn lại: Tháp sấy khí, Tháp tách giọt, Thiết bò truyền
nhiệt
3.1.3. Thuyết minh qui trình công nghệ: (phần này thuyết minh rõ trước
hội đồng)
3.2. Cân bằng vật chất và năng lượng:
Chọn năng suất 240.000 tấn/năm = 31250 kg/h
Thời gian làm việc 24 giờ/ngày, 320 ngày/năm
Khối lượng S thực tế (99,9%S) cần: m S = 15032,8 kg/h
3.2.1. Cân bằng cho bể nấu chảy lưu huỳnh: kết quả bảng 3.1 & 3.2
trang 41,42


7
3.2.2. Cân bằng cho lò đốt lưu huỳnh:
Nhiệt độ nguyên liệu lưu huỳnh lỏng vào lò đốt :140 0C
Thành phần lưu huỳnh lỏng

: 99,9%

Độ tro trong nguyên liệu

: 0,05%

Hàm lượng Cacbon

: 0,05%

Lượng nguyên liệu lưu huỳnh lỏng vào lò

:15032,8 kg/h

Nhiệt độ không khí vào lò

: 40 0C

Hàm lượng hỗn hợp khí SO2 trong lò

: 12%V

Nhiệt độ cực đại của khí trong lò chọn

: 1090 0C

Nhiệt độ cực tiểu của khí trong lò

: 999 0C

Nhiệt độ mặt trong tường lò chọn

: 996 0C

Nhiệt độ mặt ngoài tường lò chọn

: 169 0C

Kết quả bảng 3.3 trang 41 & 3.4 trang 50
3.2.3. Tính tháp tiếp xúc chuyển hóa từ SO2 thành SO3 .
Chọn thiết bò chuyển hóa 5 lớp xúc tác (lớp xúc tác I, II đặt dưới; III,
IV, V đặt trên. Sau mỗi lớp I, II làm nguội gián tiếp; sau mỗi lớp III, IV
làm nguội trực tiếp (bổ sung không khí nguội vào). Các bảng số liệu tổng
hợp gồm bảng 3.20, 3.21, 3.22, 3.23 trang 71 ÷ 72
3.2.4. Tính tháp sấy không khí: xem bảng 3.24 trang 74 & bảng 3.25
trang 76
3.2.5. Tính tháp hấp thụ
- Tháp oleum: bảng 3.26 trang 77 và bảng 3.27 trang 78
- Tháp axit: bảng 3.28 trang 80 và bảng 3.29 trang 81

Chương 4. TÍNH CƠ KHÍ
4.1. Tháp sấy không khí : bảng 4.1 trang 86
4.2. Tháp hấp thụ
4.2.1. Tháp oleum: bảng 4.2 trang 89


8
4.2.3. Tháp axit: bảng 4.3 trang 92
4.3. Tháp chuyển hóa SO2 thành SO3 .
4.3.1. Thời gian của quá trình chuyển hóa : Thời gian chuyển hóa tổng
cộng là :

τ = τ1 + τ2 + τ3 + τ4 + τ5 = 0,301 + 1,037 + 1,415 + 1,046 + 0,994 = 4,793 s
4.3.2. Tính lượng xúc tác các lớp: bảng 4.9 trang 102
4.3.3. Kích thước thiết bò và trở lực lớp tiếp xúc: bảng 4.9 trang 102
4.3.4. Tính toán cơ khí
- Bề dày thân tháp: 20mm
- Tính nắp thiết bò : dày 20mm
- Tính đáy thiết bò : dày 250mm
- Mâm đỡ xúc tác: dày 75mm
- Tính cửa khí vào - ra lớp I,vào – ra lớp II, vào lớp III, ra khỏi lớp
V:
- Tính cửa khí vào bổ sung:
- Cửa sửa chữa
4.4. Bề mặt truyền nhiệt :
4.4.1. Bề mặt truyền nhiệt các dòng khí: Bảng 3.10 trang 113


Dòng khí sau lò đốt, sau lớp xúc tác thứ I:

- Dòng khí sau lò đốt vào nồi hơi:
- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ I vào thiết bò đốt hơi quá nhiệt:


Thiết bò truyền nhiệt :

- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ II:
- Dòng khí sau lớp xúc tác thứ V:
4.4.2. Dàn làm lạnh oleum và axit : Bảng 4.11 trang 117
- Dàn làm lạnh oleum tưới tháp oleum:
- Dàn làm lạnh axit tưới tháp axit:

9
- Dàn làm lạnh axit tưới tháp sấy không khí:
4.5. Các thiết bò phụ:
4.5.1. Quạt gió: Chọn quạt khí có công suất 9 HP, năng suất 25 m3/s
4.5.2. Bơm:
- Bơm lưu huỳnh lỏng: Chọn bơm li tâm có công suất ½ HP
- Bơm axit tưới tháp sấy không khí: Chọn bơm li tâm có công suất 4
¼ HP
- Bơm oleum tưới tháp oleum: Chọn 2 bơm li tâm có công suất 50 Hp
mỗi bơm và mắc nối tiếp.
- Bơm axit tưới tháp axit: Chọn bơm li tâm loại công suất 60 HP: 1
bơm, loại 50HP: 2 bơm và mắc nối tiếp.
- Bơm nước tưới dàn lành làm lạnh
+ Bơm nước tưới dàn lạnh ôleum: Chọn bơm li tâm có công suất 3
HP
+ Bơm nước tưới dàn lạnh axit tưới tháp axit: Chọn bơm li tâm có
công suất 8 HP
+ Bơm nước tưới dàn lạnh axit tưới tháp sấy: chọn bơm li tâm có
công suất 1¾ HP
+ Bơm nước cung cấp các thiết bò truyền nhiệt: chọn bơm li tâm có
công suất 1 HP
4.5.3. Các bồn chứa :

Chương 5. TÍNH KINH TẾ
5.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế theo 4 chỉ tiêu của doanh nghiệp
5.2. Tính điện
5.3. Tính nước
5.4. Giá thành sản phẩm

5.5. Năng suất lao động .


10
5.6. Thời gian thu hồi vốn

Chương 6. BIỆN PHÁP XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
Chương 7. NGUYÊN TẮC AN TOÀN


11

TRÌNH BÀY TRƯỚC HỘI ĐỒNG :
1. Qui trình công nghệ:
Lưu huỳnh rắn sau khi nấu chảy bể (22), lắng tách cặn bể (21) được đưa
vào lò đốt (4). Không khí dùng để đốt được sấy khô bằng axit sunfuric đậm
đặc ở tháp sấy (1). Hỗn hợp khí SO 2 ra khỏi lò có nhiệt độ 999-10900C được
làm nguội trong nồi hơi (5) để hạ nhiệt xuống 440-450 0C rồi đi vào tháp tiếp
xúc (7) chuyển hóa khí SO2 thành SO3 [lớp xúc tác I,II ở dưới; III, IV, V ở
trên]. Hai lớp đầu làm nguội gián tiếp nhờ các thiết bò (6), (8), (9) các lớp sau
làm nguội trực tiếp (bổ sung không khí nguội vào)
Khí ra khỏi tháp tiếp xúc qua làm nguội (10) rồi vào tháp hấp thụ oleum
(11), tại đây tưới dung dòch oleum 110%H 2SO4 thu sản phẩm oleum, khí chưa
hấp thụ hết cho qua tiếp tháp hấp thụ axit (12), tại đây tưới dung dòch H 2SO4
98,3% thu sản phẩm dung dòch H2SO4 98,8%. Do hiệu suất của quá trình hấp
thu đạt 99,9% nên còn lượng khí dư qua thiết bò xử lí (14) trước khi thải ra
môi trường.
2. Mặt bằng nhà máy:
Tổng diện tích 20.000 m2 nằm khu công nghiệp Phú Mỹ (Nam Sài
Gòn). Mặt bằng được bố trí như hình vẽ bao gồm: Khu hành chánh văn

phòng, khu sản xuất chính, khu sản xuất phụ, kho nguyên liệu, kho thành
phẩm, phòng thí nghiệm, tổ điện – cơ khí, nhà ăn – nghỉ ca, bãi xe, hồ nước,
…
3. Tháp chuyển hóa tiếp xúc
Đường kính tháp 8m, cao 18,8m (kể cả nắp và đáy), bề dày thân và nắp
20mm, đáy dày 250mm.
Bảng 3.21. Tổng hợp mức chuyển hóa và nhiệt độ khí
Lớp chuyển hóa

I

II

III

IV

V


12
Mức chuyển hóa X
Nhiệt độ vào (0C)
Nhiệt độ ra (0C)
Thời gian tiếp xúc (s)

0,68
450
581
0,301

0,889 0,9478 0,97 0,98
470
460
440
430
510
471
444
432
1,037 1,415 1,046 0,994