thiết kế hệ thống thu hồi NH3 bằng phương pháp bão hòa H2SO4.

Đồ án công nghệ

Lời mở đầu
Cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu về kỹ thuật điều khiển quá trình hệ thống
cũng ngày càng được nâng cao. Trong đó, các quá trình thu hồi, lưu trữ và vận chuyển
ammoniac đều có các công nghệ và thiết bị cụ thể nhằm giúp tiết kiệm được chi phí
đầu tư ban đầu, những chi phí trong quá trình vận hành, làm tăng tuồi thọ của hệ thống
xử lý. Thiết bị thu hồi phải có cấu trúc đơn giản, dễ dàng kiểm tra sửa chữa, năng suất
lớn, tiêu hao năng lượng không nhiều…để mang lại hiệu quả kinh tế cao, không gây
ảnh hưởng môi trường và con người. Trong đồ án này, chúng em đã tiến hành tính
toán, thiết kế hệ thống thu hồi NH3 bằng phương pháp bão hòa H2SO4.

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 1


Đồ án công nghệ

Lời cảm ơn
Đối với chúng em, đồ án công nghệ này là một bước quan trọng về tư duy trong quá
trình tính toán, và từ đó cũng nhận thức được nhiệm vụ, vai trò của một kỹ sư Công
nghệ kỹ thuật trong tương lai. Ngoài ra, qua đồ án này chúng em còn nhận thấy được
năng lực của chúng em như thế nào, đồng thời chúng em xin cảm ơn các thầy cô đã
giảng dạy và chỉ bảo cho mình.

Vũng Tàu,… tháng … năm 2013

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 2

Đồ án công nghệ

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung.
Hiện nay có rất nhiều loại phân khác nhau trên thị trường như phân đạm, phân lân,
phân Kali, phân vi sinh… Trong đó, phân đạm được xem như một loại phân thiết yếu
có thành phần giàu Nitơ và lưu huỳnh, rất tốt để cải thiện độ cao của cây trồng…
Amoni sunphat (NH4)2SO4: là sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất khí than
dùng thắp sáng, sau những năm 1800, từ công nghiệp than cốc phục vụ sản xuất thép ở
Châu Âu và Châu Mỹ. Sản phẩm amoni sunphat đầu tiên có mặt ở Anh vào năm 1815,
đến này sản xuất sunfat amon chiếm hơn 2 triệu tấn/1 năm
Phản ứng tổng quát
2NH3 + H2SO4

(NH4)2SO4 + Q

Chính vì hiện nay lượng amoni sunphat sử dụng ngày càng nhiều nên việc cải thiện
nguồn nguyên liệu để tiết kiệm chi phí và năng cao hiệu suất là rất quan trọng. Trong
đó, việc thu hồi NH3 từ khí cốc cũng là một phần thiết yếu.
1.2. Tổng quan về các chất
Để thu hồi amiac từ khí cốc, chúng ta không những cần phải nắm bản chất của NH 3
mà còn phải biết sơ lược về các thành phần trong khí cốc, từ đó chúng ta mới tính toán
được chính xác lượng chất và nhiệt của quá trình thu hồi.
1.2.1. Sunfat amon (còn gọi là phân SA)
a. Khái niệm.
Phân đạm sulfate là muối của hydroxit amoni và axit sulfuric, công thức là
(NH4)2SO4
Sunphat đạm có chứa 20 – 21% Nitơ nguyên chất. Trong phân này còn có 29% lưu

huỳnh (S).
Là loại phân bón tốt cho cây vì có cả N2 và S là 2 chất dinh dưỡng thứ yếu cho cây.

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 3


Đồ án công nghệ

Đạm sunphat là loại phân có tác dụng nhanh, rất chóng phát huy tác dụng đối với
cây trồng, cho nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần để tránh mất
đạm.
b.Tính chất.
- Khối lượng 1.77 g/cm3
- Tnc= 140oC , phân hủy ở 280oC.
- Dễ tan trong nước ở 00C.
Phân này có dạng tinh thể, mịn, màu trắng ngà hoặc xám xanh.
Có mùi nước tiểu (mùi amôniac), vị mặn và hơi chua. Cho nên nhiều nơi gọi là
phân muối diêm.
Dễ tan trong nước, không vón cục. Thường ở trạng thái tơi rời, dễ bảo quản, dễ sử
dụng.
Tuy nhiên, nếu để trong môi trường ẩm phân dễ vốn cục, đóng lại thành từng tảng
rất khó đem bón cho cây.
Có thể đem bón cho tất cả các loại cây trồng, trên nhiều loại đất khác nhau, miễn là
đất không bị phèn, bị chua. Nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân mới dùng được đạm
sunphat amôn.
c. Phân loại:
- Hạt màu trắng
+ Hàm lượng: N >= 20,5%

+ Độ ẩm: H2O <= 1%
+ Kích cỡ hạt : tối thiểu 90% hạt đạt kích cỡ từ 1,4mm đến 2,8mm.
- Hạt màu vàng
+ Hàm lượng: N >= 20%; S>=24%
+ Độ ẩm: H2O<= 1%
+ Kích cỡ hạt: tối thiểu 90% hạt đạt kích cỡ từ 1,4mm đến 2,8mm
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 4


Đồ án công nghệ

1.2.2 Amiac (NH3).
a. Khái niệm.
Thuật ngữ “Amôniăc” có nguồn gốc từ một liên kết hóa học có tên là “clorua
ammoni” được tìm thấy gần đền thời thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập. Người đầu tiên
chế ra amoniac nguyên chất là nhà hóa học Dzoze Prisly. Ông đã thực hiện thành công
thí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó người ta gọi amoniac là “chất khí kiềm”.
b. Tính chất vật lý.
Amiac là chất khí không màu, mùi đặc trưng, khai, khó thở, gây nhiễm độc mạnh
khi tiếp xúc với niêm mạc mắt, quá nồng độ cho phép có thể gây nên tử vong.
- Tỷ trọng:
+ Khí NH3: 0,7708 kg/m3( Ở điều kiện 00C và 760 mmHg).
+ NH3 lỏng: 610 kg/m3( Ở điều kiện 200C).
- Khối lượng mol: 17,031.
- Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: -33,50C.
- Nhiệt độ nóng chảy ở 760 mmHg: -77,70C.
- Nhiệt hóa hơi riêng: 5.581 kcal/kmol.
- Nhiệt dung riêng khí NH3 (ở 00C, 1at): 0,492 kcal/kg.độ.

- Nhiệt độ tới hạn: 132,40C.
- Áp suất tới hạn: 111,5 at.
Amiac rất dễ tan trong nước: Ở nhiệt độ phòng ( 20 0C) thì 1 thể tích nước hòa tan
khoảng 700 thể tích Ammonia theo phản ứng:
NH3 + H2O

HN4OH + Q

Khi tăng nhiệt độ, độ tan của Ammonia giảm xuống, do nó thoát ra khỏi dung dịch
đậm đặc khi đun nóng, và đôi khi người ta dùng phương pháp này để điều chế một
lượng nhỏ Ammonia trong phòng thí nghiệm

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 5


Đồ án công nghệ

Ở nhiệt độ thấp, từ dung dịch Ammonia có thể tách ra Hydrate tinh thể NH 3. H2O.
Tinh thể này nóng chảy ở -790C. Trong các hydrate này, các phân tử nước và Amiac
kết hợp với nhau bằng liên kết hydro.
c. Tính chất hóa học.
Amiac là hợp chất có khả năng phản ứng cao, có thể tác dụng với nhiều chất khác
nhau. Nitrogen trong Amiac có mức oxy hóa thấp nhất ( -3 ). Do đó NH 3 thể hiện tính
chất khử. Nếu cho dòng Amiac đi qua một ống , lồng trong một ống có chứa Oxygen,
thì NH3 có thể bị đốt cháy, và khi cháy có ngọn lửa màu lục nhạt theo phản ứng sau:
4NH3 +

3O2

6H2O + N2

Trong điều kiện có xúc tác Platin, ở nhiệt độ 7500C thì NH3 bị oxy hóa thành NO:
4NH3 +

5O2

4NO + 6H2O + 907 Kj

NH3 có tính Bazơ và phản ứng với các acid tạo thành các muối:
- Phản ứng với Acid Clohydric:
NH3

+ HCl

NH4Cl

- Phản ứng với Acid Nitric:
NH3 + HNO3

NH4NO3

- Phản ứng với Acid Sulfuric:
2NH3 +

H2SO4

(NH4)2SO4 + 66.900 Kcal/mol

- Phản ứng với Acid Phóphoric:
2NH3

+ H3PO4

(NH4)2HPO4

NH3 + H3PO4

NH4H2PO4

- Phản ứng với Acid Carbonic:
NH3

+ H2CO3

2NH3 + H2CO3

NH4HCO3
(NH4)2CO3

Từ các phản ứng trên cho ta thấy có thể thu hồi NH3 bằng nhiều phương pháp khác
nhau.
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 6


Đồ án công nghệ

Tất cả các muối tạo thành của các phản ứng trên đều là các dạng phân đạm được
ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp và các ngành kinh tế khác.
Tuy nhiên việc chọn H2SO4 để thu hồi NH3 là tối ưu nhất, vì đây là quá trình sản
xuất sunfat amon, việc sử dụng H2SO4 có sẵn sẽ tạo thêm năng suất trong quá trình tạo
sunfat amon, tiết kiệm được nguồn nguyên liệu NH3 và H2SO4. Chính vì vậy sẽ nâng
cao hiệu quả về mặt kinh tế.
Việc thu hồi NH3 cũng có thể tiến hành bằng tháp hấp thụ hoặc thùng bão hòa
Tháp hấp thụ
Ưu điểm
Làm việc ổn định
Hiệu suất cao
Ưu điểm
Cấu tạo đơn giản
Tiên lợi khi dùng H2SO4 bão hòa
Hấp thụ được cả các khí thải khác

Nhược điểm
Cấu tạo phức tạo
Chi phí cao
Khó dùng H2SO4
Thùng bão hòa
Nhược điểm
Khó kiểm soát

Đặc điểm trên cho thấy thùng bão hòa có ưu điểm hơn tháp hấp thụ, chính vị vậy
việc sử dụng thùng bão hòa là tối ưu nhất.
 Từ các yếu tố trên cho ta thấy việc thu hồi NH3 từ khí cốc bằng phương pháp

H2SO4 trên là thích hợp nhất.
1.2.3. Axit sulfuric (H2SO4).

a. Khái niệm
Axít sulfuric (H2SO4) là một axít vô cơ mạnh. Nó hòa tan trong nước theo bất kỳ tỷ
lệ nào. Tên gọi cổ của nó là dầu sulfat, được đặt tên bởi nhà giả kim ở thế kỉ thứ 8,
Jabiribn Hayyan sau khi ông phát hiện ra chất này. Axít sulfuric có nhiều ứng dụng, và
nó được sản xuất với một sản lượng lớn hơn bất kỳ chất hóa học nào, ngoại trừ nước.
b. Tính chất vật lý
H2SO4 là một chất lỏng, loại tinh khiết không màu.
Trọng lượng riêng 1,859 ở 0 oC và 1.837 ở 15 oC. T
Tuỳ theo tạp chất nó có màu vàng hay xám hoặc nâu.
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 7


Đồ án công nghệ

Khi làm lạnh sẽ hoá rắn thành những tinh thể nóng chảy ở 10,49 oC. Tuy nhiên, axít
lỏng dễ có thể chậm đông không hoá rắn ở dưới 0oC.
Ở 30 – 40 oC, bắt đầu bốc khói và khi đun tiếp sẽ tạo ra hơi SO 3. Bắt đầu sôi ở
290 oC và nhiệt độ sẽ nâng nhanh cho tới khi ngừng giải phóng SO3
H2SO4 đặc hấp thụ mãnh liệt hơi ẩm và vì thế là một chất làm khô tốt, áp suất hơi
H2O trên H2SO4 là 0,003mmHg.
Khi cần pha loãng Axít H2SO4 thì không được cho nước vào axít mà phải cho axit
vào nước.
Khi làm nóng H2SO4 thì phần khí SO2 và SO3 bay ra rất độc.
H2SO4 bắn vào da gây bỏng nặng, bắn vào mắt có thể bị mù, rơi vào giấy, vải… sẽ
bị cháy.
c. Tính chất hóa học
Tính axit mạnh
Làm quì tím hóa đỏ

- Tác dụng với muối (điều kiện: sản phẩm kết tủa hoặc bay hơi)
- Tác dụng với oxit bazơ hoặc bazơ -> muối + H2O
- Tác dụng kim loại trước hydro -> muối hóa trị thấp của kim loại + hydro
- Tác dụng với kim loại (hầu hết kim loại trừ Au, Pt)
Cu + 2H2SO4(đặc)
2Fe

CuSO4

+ 6H2SO4 (đặc, nóng)

+ SO2+ 2H2O

Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

- Tác dụng với phi kim (C,S,P)
S + 2H2SO4
C + 2H2SO4

3SO2
CO2

+ 2SO2

+ 2H2O
+ 2H2O

- Tác dụng với hợp chất có tính khử (HI, KT, KBr, FeO, Fe3O4, Fe(OH)2, H2S,…)
2FeO + 4H2SO4 (đặc)
2HI

+ H2SO4

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
I2
Trang 8

+ SO2 + 2H2O


Đồ án công nghệ

1.3. Ứng dụng amiac
NH3 là một chất quan trọng trong quá trình sản xuất cũng như tổng hợp các hợp
chất khác trong công nghiệp, chinh vì thế amiac được dùng khá phổ biến và đa dạng
trong nhiều loại hình sản xuất như là:
Dùng trong công nghiệp sản xuất phân bón để cung cấp một lượng đạm cao, dùng
cho sản xuất nông nghiệp.
NH3 có thể điều chế HNO3, là một chất quan trong trọng các lĩnh vực quốc phòng
và các hợp chất nhu nitrotoluen, nitroglyxerin…
Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, tại đây amiac được làm xúc tác và điều
chỉnh độ pH trong quá trình polymer hóa.
Trong công nghiệp dầu mỏ, amiac được sử dụng làm chất trung hòa để tránh ăn
mòn trong các thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt của quá trình chưng cất.
Ngoài ra amiac còn dùng cho các lĩnh vực bảo vệ môi trường như chuyển hóa SO 2,
NOx… và y học như sản xuất thuốc sunfanilamide, sunfapyridine…
Chính những ứng dụng đa dạng trên cho chúng ta thấy việc sản xuất NH 3 rất là quan
trọng, trong đó việc thu hồi NH 3 từ các quá trình cũng có ý nghĩa rất to lớn về mặt

kinh tế cũng như kỹ thuật. Vì vậy, với đề tài đồ án công nghệ “ Thu hồi NH 3 bằng
phương pháp bão hòa H2SO4 từ khí cốc ” mang một tính chất rất thiết thực và hữu
dụng. Trong đề tài này chúng ta sẽ thu NH3 từ khí cốc sau khi bão hòa H2SO4 từ thùng
bão hòa trong sản xuất sunfat amon, từ đó chúng ta có thể sử dụng NH 3 cho các mục
đích khác nhau để nâng cao giá trị sử dụng cũng như kinh tế, kỹ thuật.

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 9


Đồ án công nghệ

CHƯƠNG 2. DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SUNPHAT
AMON
2.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất sunfat amon

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 10


Đồ án công nghệ

2.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Phần khí cốc chứa một lượng NH 3 sau khi qua máy nén để tăng áp suất và máy lọc
điện loại bỏ các tạp chất sẽ được đưa vào máy gia nhiệt (1). Tại đây, khí cốc đạt
khoảng 3 – 4 atm, đồng thời nhiệt độ đạt 60 – 70 oC, nguồn nhiệt cung cấp cho thiết bị
lấy từ tubin hơi. Tiếp theo khí cốc sẽ đi vào thùng bão hòa số (2), nhờ phương pháp
bão hòa axit sunfuric, NH3 sẽ tách hoàn toàn ra khỏi khí cốc do NH 3 tác dụng với

H2SO4 tạo ra sunfat amoni. Ngoài amiac đi cùng với khí cốc, NH 3 còn được đưa vào
thùng bão hòa từ thiết bị hồi lưu.
2NH3 + H2SO4

(NH4)2SO4 + Q

Các khí còn lại trong khí cốc khô và các hydrocacbon bezen, H 2S, hơi nước, một ít
axit sunfuric không phản ứng sẽ được đưa vào thùng thu hồi (3).
Phần axit sunfuric sẽ được đưa vào trong thùng bão hòa đồng thời với khí cốc từ
thùng cao vị (14). Axit sunfuric trong thùng bão hòa liên kết bazo pyridine trong dạng
sunfat pyridine theo phản ứng :
CnH2n-5N + H2SO4

CnH2n-5.N > H2SO4

Với axit sunfuric nồng độ 78%, tuy nhiên để hiệu quả cao nhất nên dùng nước
khống chế axit sunfuric 6 – 8%. Sau khi phản ứng, khí cốc sẽ còn lại NH 3 khoảng
3g/100m3, đồng thời còn một lượng axit sunfuric nhỏ bị cuốn theo. Để giữ lại những
giọt axit sunfuric đó, cho dòng khí đi vào thùng thu hồi số (3) để tận dụng tuyệt đối
H2SO4 và trách bị ăn mòn thiết bị.
Khí cốc sau khi đi qua thùng thu hồi tiếp tục đi qua máy lạnh để làm nguội khí đến
25 – 30o trước khi đưa khí đi sang bộ phận thu hồi hydrocacbon benzene có trong khí
cốc. Còn axit sunfuric được tách ra khỏi NH3 sẽ được đưa xuống thùng thu hồi (4).
Tại thùng bão hòa (2), dung dịch nước cái sẽ được tuần hoàn để cho nồng độ trong
thùng luôn được ổn định. Khi dung dịch nước cái bão hòa sẽ được chảy vào thùng tuần
hoàn (4). Từ đây nó được đưa trở lại thùng bão hòa bằng bơm chịu axit công suất 20 GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 11

Đồ án công nghệ

40 m3/h. Phần nhẹ ở trên thùng tuần hoàn sẽ tạo thành nhựa và được chảy tràn sang
thùng dung dịch chứa nước cái (6), tại đây nhựa sẽ được khử và đưa ra bên ngoài,
phần nước cái ở dưới sẽ được bơm (7) bơm vào thùng bão hòa.
Bơm (8) sẽ bơm những tinh thể sunfat amoni cỡ lớn và dung dịch nước cái lên
thùng chứa tinh thể (9), tại đây tinh thể sunfat amon sẽ lắng xuống đáy, còn dung dịch
nước cái ở trên một phần sẽ được đưa đi thùng trung hòa để khử pyridine, phần kia sẽ
chảy tràn xuống thùng bão hòa (2). Tinh thể sunfat amon ở đáy thùng (9) được đưa
xuống thiết bị ly tâm (10) để tách hoàn toàn dung dịch nước cái còn lại trong sunfat
amon, dung dịch nước cái này cũng sẽ quay về thùng bão hòa (2).
Tinh thể sunfat amon được băng tải (11) đưa tới máy sấy (12) để sấy khô đến độ ẩm
không quá 0,5% với nhiệt độ sấy là 110 – 130 oC. Sau khi tinh thể sunfat amon đạt yêu
cầu thì được băng tải (13) đưa vào kho để cất trữ.

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 12


Đồ án công nghệ

CHƯƠNG 3. THÙNG BÃO HÒA
3.1. Cân bằng vật chất
Khí cốc từ máy gia nhiệt hoặc từ máy lọc điện

1.
2.
3.
4.

5.

Thành phần
Khí cốc khô
Hơi nước
Hidrocacbon benzene
H2 S
NH3
Tổng

Thể tích ( Nm3/h )
39500
2320
316
382
382
42900

Khối Lượng ( kg/h )
18960
1860
1200
580
290
22890

- Khi tổng thùng bão hòa, hơi nước NH3 ban đầu đi vào cột sữa vôi.
Thừa nhận hơi nước NH3 không những đi vào cột sữa vôi mà còn đi vào thiết bị
Pyridin.
- ½ lượng NH3 từ thiết bị pyridin và ½ lượng NH3 trong cột sữa vôi được chia

làm đôi trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt.
- Như vậy, lượng NH3 bằng ¼ lượng NH3 ban đầu.
Thành phần

Kg/h

1. NH3

34.5

2. H2S

10

3. Hơi Nước

310
Tổng

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

355

Trang 13


Đồ án công nghệ

Khi đưa vào thùng bão hòa :

1.
2.
3.
4.
5.

Thành phần
Khí cốc khô
Hơi nước
Hidrocacbon benzene
H2 S
NH3
Tổng

Thể tích ( Nm3/h )
39500
2710
316
382
382
43290

Khối Lượng ( kg/h )
18960
2710
1200
580
290
23740

H2SO4 : Thừa nhận khi đưa vào thùng bão hòa thì có nồng độ là 78% :
2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4
Lượng H2SO4 tiêu hao cho quá trình là :
325.

98
=
34.0,78

1200 (Kg/h )
Monohidrat: 1200.0,78 = 936 (Kg/h) ,
Nước: 1200. 0,22 = 264 (Kg/h) .
* Nước rửa sunphat amon
Thừa nhận rằng nước rửa sunfat amon bằng 6% lượng (NH4)2SO4 thu được.
Theo phản ứng, lượng (NH4)2SO4 thu được:
325.

132
=
34

1261 (Kg/h)

Lượng nước rửa: 0,06 . 1261 = 76 (Kg/h)
* Nước và dung dịch nước cái từ thiết bị pyridine sang.
Nước và dung dịch nước cái bằng lượng nước đi vào cột sữa vôi, 310 (Kg/h).
* Thùng bão hòa đi ra:
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 14

Đồ án công nghệ

Khí cốc: Lượng nước đi ra từ khí cốc được xác định từ cân bằng nước :
Nước vào
Khí
Cột NH3
Axit
Nước rửa sunfat amoni
Nước cái từ thùng bão hòa
Tổng

Kg/h
1860
310
264
76
310
2820

Nước ra
1. Sunfat amoni ( độ ẩm 2% )
2. Khí
Tổng

Kg/h
25
x
25 + x

1.
2.
3.
4.
5.

Trong đó: 25 + x = 2820; x = 2795 (Kg/h) .
Khí cốc đi ra từ thùng bão hòa:

1.
2.
3.
4.

Thành phần
Khí cốc khô
Hơi nước
Hidrocacbon benzene
H2 S
Tổng

Thể tích ( Nm3/h )
39500
3500
316
390
43706

Khối Lượng ( kg/h )

18960
2795
1200
590
23545

(NH4)2SO4: Sau khi ly tâm độ ẩm của nó bằng 2% , khi đó trọng lượng thực tế của
sunfat amoni là :
1,01.1261 = 1286 (Kg/h) , và của nước là 0,02.1261 = 25 (Kg/h) .
Trên cơ sở tính toán ta thiết lập cân bằng vật chất chung cho thùng bão hòa.
Nước vào
1. Khí cốc
2. Cột NH3
3. Axit
4. Nước rửa sunfat amoni
5. Nước cái từ thùng bão hòa
Tổng
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Kg/h
22890
355
1200
76
310
25515
Trang 15


Đồ án công nghệ

Ra bão hòa
Khí cốc
Sunfat amoni
Tổng

Kg/h
23545
1286
24831

3.2. Sơ đồ công nghệ thùng bão hòa

3.3. Nguyên lý làm việc thùng bão hòa
Thùng bão hòa bên trong có thiết bị thùng thu hồi được tạo bởi 2 nón thu hồi số
(11). Do có hộp thu hồi lớn nên ít làm mất mát dung dịch nước cái.
Khí cốc được đưa và bên trong thùng bão hòa theo đường ống dẫn khí trung tâm
(1), ở cuối ống dẫn khí trung tâm được nối với bộ phận phân phối khí (11) được ngâm
trong vùng chứa dung dịch nước cái. Ở vùng này có những mái chèo phân phối nằm
nghiêng, toàn bộ dòng khí khi đưa vào sẽ được phân phối đều vào vùng nước cái nhờ
vào mái chèo đẩy, tạo thành dòng chuyển động tăng so với vòng tròn trung tâm. Nhờ
vậy khi khí cốc đi ra từ vùng phân phối vào trong vùng nước cái sẽ làm cho dung dịch
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 16


Đồ án công nghệ

nước cái quay tròn làm tăng khả năng khuấy trộn dung dịch axit và làm đồng đều dung

dịch axit theo chiều cao của thùng bão hòa.
Khi đi qua vùng phân phối khí và sục qua chất lỏng, khí cốc sẽ được nâng lên phía
trên theo phương thẳng đứng với tốc độ 0.7m/s, và đi qua khe hẹp không gian ở phía
trên thùng bão hòa với hộp thu hồi (3).
Khi đi vào không gian của hộp thu hồi, khí sẽ đột ngột giảm tốc độ xuống do đó sẽ
có khả năng lắng đọng những giọt axit nên axit từ thùng chứa axit sẽ được tưới xuống
phía dưới một cách gián đoạn thông qua vòi phun (4) được đặt phía trên nắp thu hồi có
thùng bão hòa theo hình tròn.
Nước được phun vào không gian của hộ thu hồi sẽ rửa các giọt axit bắn lên và các
tinh thể sunfat amoni sẽ được đưa trở lại thùng bão hòa qua ổng rửa (12).
Khí cốc được giải phóng khỏi những giọt axit đi từ thùng bão hòa qua ống thoát khí
(2).
3.4. Cân bằng nhiệt lượng
3.4.1. Nhiệt vào
3.4.1.1. Lượng nhiệt do khí cốc mang vào từ máy gia nhiệt:
Ta kí hiệu nhiệt độ khí đi vào từ máy gia nhiệt là t, khi đó:
a) Nhiệt lượng khí cốc khô mang vào:
q1 = 18960.0,7.t = 13272.t (kcal/h)
Với tỉ nhiệt khí cốc khô: 0,7 (kcal/kg.độ)
b) Nhiệt lượng hơi nước mang vào:
q2 = 1860.(595+0.438.t)=1106700 + 815.t (kcal/h);
c) Nhiệt do hydrocacbon benzene mang vào:
q3 = 1200.0,246.t = 295.t (kcal/h);
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 17


Đồ án công nghệ

d )Nhiệt do H2S mang vào:
q4 = 580.0,238.t = 138.t (kcal/h);
e )Nhiệt do (NH4)2SO4 mang vào:
q5 = 290.0,503.t = 146.t (kcal/h)
Tổng số: Q1 = 1106700 + 14666.t (kcal/h).
3.4.1.2. Nhiệt do hơi NH3và hơi nước từ cột với nhiệt độ hơi bằng 1000C:
a) Nhiệt do NH3 mang vào:
q1 = 35.0,508.100=1780 (kcal/h);
b) Nhiệt do H2S mang vào:
q2 = 10.0,233.100 = 240 (kcal/h);
c) Nhiệt do hơi nước mang vào:
q3 = 310.(595+0,44.100) = 198100 (kcal/h).
Tổng số nhiệt do NH3 và hơi nước mang vào:
Q2 = 200120 (kcal/h).
3.4.1.3. Nhiệt bởi axit:
Q3 = 1200.0,45.20 = 10800 (kcal/h).
Với tỉ nhiệt của H2SO4 78%: 0,45 (kcal/kg.độ).
Nhiệt độ của acid: 200C
3.4.1.4. Nhiệt độ dung dịch nước cái mang vào trở lại thùng bão hòa.
Thừa nhận dung dịch nước cái bằng 10 lần trọng lượng (NH 4)2SO4, ta thu được
dung dịch có khối lượng là 12610 (kg/h).
Q4 = 12610.0,64.40 = 323000 (kcal/h).

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 18


Đồ án công nghệ

Với;
0,64 là tỉ nhiệt dung dịch nước cái, (kcal/kg.độ).
400C là nhiệt độ dung dịch nước cái.
3.4.1.5. Nhiêt do dung dịch tuần hoàn mang vào:
Q5 = 30000.0,64.56 = 1080000 (kcal/h),
Với 560 _ nhiệt độ dung dịch tuần hoàn.
3.4.1.6. Nhiệt độ của hóa học gồm nhiệt độ pha loãng, nhiệt độ trung hòa, nhiệt độ kết
tinh.
a) Nhiệt độ trung hòa được xác định từ nhiệt độ của phản ứng sau:
2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4
Nhiệt lượng của: (NH4)2SO4 : 279500 (kcal/mol),
NH3

: -11000 (kcal/mol),

H2SO4

: -210800 (kcal/mol),

Hiệu ứng nhiệt trung hòa:
q1 = 279500 - 11000.2 – 210800 = 46700 (kcal/mol H2SO4).
b) Nhiệt kết tinh:
q2 = 2600 (kcal/mol (NH4)2SO4
c) Nhiệt pha loãng từ 78 đến 6%:


n1
n2

q3 = 17860 .

−
 1,7983 + n1 1,7983 + n2 

Trong đó: n1: tỉ lệ số mol H2O/ số mol H2SO4 6%.
n2: số mol H2SO4 78%.
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 19

(kcal/mol H2SO4).


Đồ án công nghệ
n1 =

Khi đó:

94.98
= 85 ,3
18.6

n2 =

;

85 ,3
1,54


q 3 = 17860 .

−

 1,7983 + 85 ,3 1,7983 + 1,54 

22.98
1,54
18.78

;

= 9740 (kcal/mol H2SO4).

Lượng nhiệt tổng cộng thừa nhận:
Q = 46700+2600+9740 = 59040 (kcal/mol H2SO4) hoặc (kcal/mol (NH4)2SO4).
Nhiệt các phản ứng hóa học để sản xuất 1261 H2SO4là:

Q6 = 59040.

1261
132

= 565000 (kcal/h).

Nhiệt tổng cộng thùng bão hòa là:
Qvào = 3285620 + 14666.t (kcal/h).
3.4.2. Nhiệt ra
3.4.2.1. Nhiệt mang ra khỏi khí cốc ở t = 600C.
a) Nhiệt lượng do khí cốc khô mang ra:
q1 = 18960.0,7.60=796320 (kcal/h).
b) Nhiệt lượng do hơi nước mang ra:

q2 = 2795.(595 + 0,438.60) = 1737000 (kcal/h).
c) Nhiệt lượng do hidrocacbon benzene mang ra:
q3 = 1200.0,246.60 = 17700 (kcal/h).
d) Nhiệt lượng do H2S mang ra:
q4 =590.0,238.60 = 8400 (kcal/h);
Nhiệt lượng tổng cộng:
Q7 = 25594200 (kcal/h).

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 20


Đồ án công nghệ

3.4.2.2. Nhiệt mang ra bởi nước cái và sunfat amoni.
Lượng dung dịch nước cái:
12610+1286-76 = 13820 (kcal/h);
Với lượng sunfat amoni 12610 kg và dung dịch 12559 kg:
Q8 = (12559.0,64 + 1261.0,34).60 = 503000 (kcal/h);
3.4.2.3. Nhiệt lương mang ra do dung dịch tuần hoàn.
Q9 = 30000.0,64.60 = 1150000 (kcal/h);
3.4.2.4. Nhiệt mất ra môi trường xung quanh.
Q10 =

αF ( t thanh − t kk )

Trong đó:
tthanh : nhiệt độ của thành vùng bão hòa ở 500C
tkk : nhiệt độ của không khí ở -200C

F :diện tích bề mặt ngoài, m2
α

: hệ số cấp nhiệt, 5 (kcal/m2.h.độ)

Thừa nhận F = 260 m2. Khi đó:
Q10 = 5.260.(50+20) = 91000 (kcal/h);
Tiêu hao nhiệt tổng cộng :
Q = 4270100 (kcal/h);
Ta đặt Tvào = Tra :
Nhiệt độ của khí đi từ máy gia nhiệt qua thùng bão hòa :
3291800 + 13994.t = 4270100 (kcal), ứng với t = 700C.
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 21


Đồ án công nghệ

Áp suất hơi của hơi nước đi ra từ thùng bão hòa với áp suất chung khi đi ra máy là
860 mmHg:
ρ = 860 .

VHoinuoc
3500
= 860 .
= 72mmHg
Vtong
41706

, ứng với điểm sương 450C.
Từ các kết quả tính toán trên cho ta thấy khí ra là quá nhiệt.
3.5. Tính cơ khí thùng bão hòa
3.5.1. Tính kích thước cơ bản của thùng bão hòa
Thể tích của khí đi ra từ máy gia nhiệt và từ cột là:
V= [42900 + (43346 – 42900)]. . = 45634 (m3/h)
Thừa nhận áp suất khí đưa vào là 907 mmHg
Đường kính đường ống dẫn khí vào được xác định dựa vào tốc độ khí v = 12 –
15(m/s)
Ta chọn v =13,5 m/s

.
D = = = 1.09 (m)

Đường kính của ống dẫn khí trung tâm trong thùng bão hòa, xác định trên cơ sở tốc
độ khí bằng nhỏ hơn 2 lần vì vậy bằng 6,75 m/s
D = = 1.54 (m)
Với tiết diện của đường ống đó là:
S = = 1,88 m2
Đường kính vỏ thùng bão hòa được xác định là tổng tiết diện đường ống dẫn khí
trung tâm và tiết diện hình vành khăn
Với V là thể tích của khí đi ra:
V = 43706. = 47112,6 (m3/h)
GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 22


Đồ án công nghệ

Tốc độ khí đi vào thùng vành khăn bằng 0,7 m/s, vậy tiết diện vùng vành khăn:
Svk = = 18,7 (m2)
Tiết diện chung: S = 18,7 +1,88 = 20,58 (m2)
Đường kính
D = = 5,12 (m)
Chọn đường kính 5,2 (m)
Thể tích của thùng bão hòa
V= W/A = 1261/5,2 = 242,5 (m3)
Chiều cao thiết bị là
H = 4V/πD2 = 4.242,5/3,14. 5,62 = 9.85 (m)
Với W là độ ẩm. A là cường độ bay hơi
3.5.2. Tính bề dày thiết bị :
Chọn bề dày thiết bị là 12mm
Theo công thức 5.15 và 5.16, trang 89 [ 4 ]
L
=
=
D 5,2

Ta có : 1,5.

2.( S − C a )
5200

= 1,5.

2.(12 − 1)
5200

D

5200
=
= 236,36
2.( S − C a
2.(12 − 1)

Suy ra :

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 23

= 0,096


Đồ án công nghệ
2.( S − C a )
L
= 0,096 < =<
D
D

D
= 15,37
2.( S − C a

Ta có :

0,3.

Et   S − C a
. . 2.
σ t   Dt

L
=
D

3


2,05.10 5  2.(12 − 1) 
  = 0,3.
. 


201,3
 5200 


Et
.
σt

>

  S − Ca
. 2.
  Dt

3

=0,08

3


  = 0,08



Nên thỏa mản điều kiện bền thân .
3.5.3. Tính cho nắp thiết bị và đáy thiết bị thùng bão hòa
Đáy và nắp thiết bị là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo
cùng loại vật liệu với thân thiết bị là thép X18H10T.
Ở đây ta chọn nắp thiết bị là hình elip co gờ và được nối với than tháp bằng các
bích.
a. Tính cho nắp thiết bị :
-

Chọn nắp theo elip chuẩn

-

Chọn nắp có gờ

-

Đường kính trong 5,6 m , có ống dẫn đưa dung dịch 600mm.

-

Nắp chiệu áp suất ngoài :0,1523 N/mm2.

+ Tính toán bề dày nắp :
-

Đối với elip tiêu chuẩn : ht/Dt=0,3 thì ht= 1,68 (m) ,Rt=Dt=5,2 (m)

-

Chọn sơ bộ bề dày tháp bằng 12mm

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 24


Đồ án công nghệ

-

Xét tỷ số :

Rt 5600
=
Dt
12

= 467

Suy ra :
0,15.E t 0,15.2,05.10 5
=
= 514,4
× .σ c
0,7.85 ,4

σ c ] = [σ ].η

Trong đó :[
Tra bảng ta có :
η:

hệ số hiệu chỉnh ,ta chọn

η

=0,7

σ
σ
[ ]: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2 . Ta chọn [ ]*=122 N/mm2.

Suy ra :
σc] =

[

122.0,9=110 N/mm2.

Suy ra :
Rt
0,15.E t
= 467 ≤
= 514,4
S
x.σ c

≤

Hay 0,2

ht
= 0,25 ≤ 0,3
Dt

Ta có :
E t ( S − C a ) + 5.x.σ c .Rt
2,05.10 5.(12 − 1) + 5.0,7.85,4.5600
β= t
=
= 1,3
E .( S − C a ) − 6,7.x.σ t .Rt .(1 − 0,7) 2,05.10 5.(12 − 1) − 6,7.0,7.85,4.5600.(1 − 0,7)

GVHD PGS.Ts Nguyễn Văn Thông

Trang 25