Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình sản xuất axit sunfuric

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

NGUYỄN ĐỨC DƯƠNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – Năm 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dƣới sự
hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH. 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 đƣợc ghi trong phần tài liệu
tham khảo.

Học viên

Nguyễn Đức Dƣơng

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ARX

: AutoRegressive with eXternal input

ARMAX

: AutoRegressive Moving Average with eXternal input

PEM

: Prediction Error Method

LSE

: Least Squares Estimate

RGA

: Relative Gain Array

CĐ

: Công đoạn

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng tính chất của lƣu huỳnh nguyên tố ...................................................10

Bảng 1.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 209 ..................................29
Bảng 1.3. Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 205A ...............................30
Bảng 2.1. Thống kê các mạch vòng điều khiển .........................................................42
Bảng 2.2. Thống kê các đầu vào ra tƣơng tự và số của tủ FCS0111 ........................44
Bảng 2.3. Thống kê các đầu vào ra tƣơng tự và số của tủ FCS0112 ........................47
Bảng 3.1. Danh sách các thiết bị dự phòng cần thiết.................................................67

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá trình sản xuất axit sunfuric ...................................................................8
Hình 1.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric ...................................9
Hình 1.3. Các phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric ....................................................13
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phƣơng pháp tiếp xúc ...............14
Hình 1.5. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phƣơng pháp tinh chế khô .........15
Hình 1.6. Cân bằng khối lƣợng trong công đoạn hoá lỏng lƣu huỳnh ......................17
Hình 1.7. Cân bằng năng lƣợng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt...........................18
Hình 1.8. Cân bằng về khối lƣợng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt ......................19
Hình 1.9. Cân bằng giữa lƣợng nƣớc cấp với lƣợng hơi nƣớc bão hoà ....................20
Hình 1.10. Cân bằng khối lƣợng trong công đoạn tiếp xúc.......................................21
Hình 1.11. Cân bằng khối lƣợng trong công đoạn hấp thụ........................................23
Hình 1.12. Cân bằng khối lƣợng trong bộ phận sấy khí ............................................23
Hình 1.13. Cân bằng năng lƣợng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ ..............23
Hình 2.1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất.......31
Hình 2.2. Cấu hình hệ thống CENTUM CS3000 ......................................................32
Hình 2.3. Cấu trúc Function Block ............................................................................36
Hình 2.4. Khâu quán tính bậc nhất - LAG .................................................................37
Hình 2.5. Khâu tích phân INTEG ..............................................................................37
Hình 2.6. Khối PID .....................................................................................................38

Hình 2.7. Khâu CALCU .............................................................................................39
Hình 2.8. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit ................40
Hình 2.9. Bố trí các module trong các tủ FCS0111 và FCS0112 ............................41
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ công đoạn hấp thụ ..........................................................55
3


Hình 3.2. Sơ đồ thùng tuần hoàn mono 303 ..............................................................56
Hình 3.3. Các biến quá trình của thùng tuần hoàn 303 .............................................57
Hình 3.4. Dạng hình học của thùng 303 ....................................................................58
Hình 3.5. Mặt cắt của thùng 303 với

...............................................................58

Hình 3.6. Mặt cắt của thùng 303 với

....................................................59

Hình 3.7. Sơ đồ khối mô hình thùng tuần hoàn mono 303.......................................62
Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển phi tập trung cho quá trình 2 2 ................................63
Hình 3.9. Cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển đơn biến ...........69
Hình 3.10. Mạch vòng điều chỉnh mức của thùng 303 với mức tính theo % ...........70
Hình 3.11. Mạch vòng điều chỉnh mức ......................................................................72
Hình 3.12. Mô hình IdentifyDeltax.mdl ....................................................................72
Hình 3.13. Đáp ứng nồng độ axit khi chỉ có bộ điều khiển mức...............................73
Hình 3.14. Đáp ứng nồng độ

với mô hình ARX ..................................................74

Hình 3.15. Đáp ứng nồng độ

với mô hình ARMAX ............................................75

Hình 3.16. Đáp ứng nồng độ

theo phƣơng pháp PEM ........................................76

Hình 3.17. Đáp ứng nồng độ

theo các phƣơng pháp LSE và PEM .....................77

Hình 3.18. Mô hình điều khiển phi tập trung.............................................................78
Hình 3.19. Đáp ứng nồng độ và mức với phƣơng pháp điều khiển phi tập trung ....79
Hình 3.20. Mô hình tách kênh phản hồi trạng thái ....................................................81
Hình 3.21. Sơ đồ tổng quát tách kênh truyền thẳng ..................................................82
Hình 3.22. Sơ đồ tách kênh từng phần .......................................................................82
Hình 3.23. Sơ đồ tách kênh toàn phần .......................................................................83
Hình 3.24. Sơ đồ tách kênh động toàn phần - tổng quát ...........................................84
Hình 3.25. Sơ đồ tách kênh SVD ...............................................................................84
4


Hình 3.26. Cấu trúc điều khiển thùng tuần hoàn mono 303 ......................................86
Hình 3.27. Mạch vòng điều chỉnh mức của thùng 303 với phƣơng pháp tách kênh 86
Hình 3.28. Mạch vòng điều chỉnh nồng độ của thùng 303 với phƣơng pháp tách
kênh.............................................................................................................................87
Hình 3.29. Mô hình DecouplerControl.mdl ...............................................................88
Hình 3.30. Đáp ứng nồng độ và mức với phƣơng pháp điều khiển tách kênh .........89
Hình 3.31. Công cụ lập trình System View ...............................................................90
Hình 3.32. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nồng độ axit và điều khiển mức của thùng

tuần hoàn mono303 ....................................................................................................91
Hình 3.33. Kết quả mô phỏng mạch vòng điều khiển mức ......................................92
Hình 3.34. Kết quả mô phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ .................................93
Hình 3.35. Trang màn hình điều khiển số 1...............................................................94
Hình 3.36. Trang màn hình điều khiển số 2...............................................................95
Hình 3.37. Các faceplate điều khiển ..........................................................................96
Hình 3.38. Đồ thị xu hƣớng Trend .............................................................................96
Hình 3.39. Đáp ứng của nồng độ trong thùng tuần hoàn 303 ...................................97
Hình 3.40. Đồ thị xu hƣớng thể hiện điều khiển mức với mức đặt là 70% ..............98
Hình 3.41. Đáp ứng mức khi mức đặt thay đổi từ 70% lên 80% ..............................99

5


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp trên thế giới nói chung và các nhà
máy nghiệp công nghiệp ở nƣớc ta nói riêng, nhu cầu sử dụng axit sunfuric ngày
càng gia tăng. Axit sunfuric là nguyên liệu không thể thiếu, phục vụ nhiều ngành
công nghiệp, nhƣ: ngành sản xuất phân bón, sản xuất acquy, sản xuất axit
photphoric, … Trong một dịp đi công tác tại Nhà máy Supephotphat và Hoá chất
Lâm Thao, tác giả đã tiếp cận với công nghệ sản xuất axit sunfuric. Qua quá trình
làm việc và tìm hiểu, tác giả nhận thấy công đoạn hấp thụ của nhà máy bao gồm các
đối tƣợng khá hấp dẫn: tồn tại nhiều quá trình cân bằng (vật chất, năng lƣợng). Nhà
máy đã tiến hành cải tạo, nâng cấp dây chuyền sản xuất axit sunfuric từ công nghệ
đốt quặng pyrit sang công nghệ đốt lƣu huỳnh rắn, tinh chế khô - tiếp xúc kép. Đây
là công nghệ tiên tiến nhƣng hệ điều khiển do công ty trƣớc đây thiết kế, với sự
giảm thiểu tối đa về kinh tế nên chất lƣợng điều khiển chƣa cao, tính ổn định và bền
vững của hệ thống còn thấp. Từ đó tác giả nảy ra ý kiến là phải cải thiện nâng cao
chất lƣợng và tính ổn định của hệ điều khiển công đoạn hấp thụ, sản xuất axit
sunfuric, nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, đem lại lợi ích kinh tế cao hơn nữa.

Bản luận văn này giới hạn trong việc tìm hiểu, nghiên cứu dây chuyền sản
xuất axit sunfuric, cụ thể là công đoạn hấp thụ. Tác giả tập trung nghiên cứu thùng
tuần hoàn mono 303 - đảm bảo nồng độ axit sunfuric 98,3%, tìm cách mô hình hóa
đối tƣợng. Từ mô hình tìm đƣợc, phân tích và đƣa ra cấu trúc điều khiển mới nâng
cao chất lƣợng và tính ổn định của hệ điều khiển.
Nội dung chính của của luận văn bao gồm ba chƣơng :
Chƣơng 1: Tổng quan công nghệ sản xuất axit sunfuric.
Chƣơng 2: Giới thiệu hệ thống điều khiển của phân xƣởng axit.
Chƣơng 3: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển công đoạn hấp
thụ sản xuất axit sunfuric.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi đƣợc
làm việc thực tế tại nhà máy, đƣợc cung cấp rất nhiều tài liệu thống kê trong quá

6


trình vận hành, rất hữu ích trong quá trình mô hình hóa đối tƣợng. Tôi chân thành
cảm ơn PGS.TS. Bùi Quốc Khánh ngƣời có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm
trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất axit sunfuric với kiến thức chuyên sâu đã chỉ
dẫn nhiệt tình cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi cũng gửi lời cảm
ơn đến các đồng nghiệp của tôi đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2010

Học viên

Nguyễn Đức Dƣơng

7


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
1.1. Giới thiệu chung
Công ty supephotphat và hóa chất Lâm Thao có 3 dây chuyền sản xuất axit
sunfuric với công suất khác nhau.
Trƣớc đây, dây chuyền sử dụng nguyên liệu đầu vào là quặng pirit đốt trong lò
tầng sôi bằng phƣơng pháp tiếp xúc. Do mỏ quặng ở Giáp Lai, Thạch Sơn, Phú Thọ
cạn kiệt cộng thêm sự ô nhiễm môi trƣờng, thiết bị cồng kềnh nên năm 2003, công
ty đã cải tiến công nghệ, sử dụng S nguyên tố nhập ngoại đốt trong lò nằm ngang
bằng phƣơng pháp tiếp xúc đơn. Cho đến nay, axit sunfuric đƣợc sản xuất theo
phƣơng pháp tiếp xúc kép hấp thụ 2 lần. Đây là dây chuyền duy nhất tại nhà máy
đạt đƣợc chỉ tiêu khí thải ra môi trƣờng.
S nguyên tố
Hơi nƣớc bão hoà

đầu vào

Hoá lỏng, đốt S,
tiếp xúc kép,
hấp thụ

Không
khí

đầu ra H2SO4

Dầu
DO

Hình 1.1. Quá trình sản xuất axit sunfuric
Theo thiết kế năng suất của dây chuyền sản xuất axit: 365 tấn/ngày hay
120.000 tấn/năm (tính theo

100%).

Sản phẩm của các dây chuyền sản xuất axít có 5 loại:
+ sản phẩm axít kỹ thuật 98,3%,
+ sản phẩm axít ắc quy,
+ sản phẩm axít tinh khiết loại P,
+ sản phẩm axít tinh khiết phân tích loại PA, có nồng độ ≥ 92,5%,

8


+ sản phẩm nồng độ 76 85% đƣa sang sản xuất supe lân đƣợc chế biến
qua bộ phận trộn để hạ nồng độ axít từ 95

98,3 ± 0,4% xuống 76

85%.

Nguyên liệu
S nguyên
tố

Hơi nƣớc

bão hoà 6at 158oC

Mạng hơi
chung

CÔNG ĐOẠN HOÁ
LỎNG LƢU HUỲNH
Không khí
khô

S lỏng
CÔNG ĐOẠN LÒ
ĐỐT S

Dầu DO

SO2 1000 oC
Nƣớc mềm

Không khí
khô

CÔNG ĐOẠN
NỒI HƠI

hơi nƣớc
bão hoà

SO2 430 oC
CÔNG ĐOẠN

TIẾP XÚC
SO3

BỘ PHẬN
SẤY KHÍ

H 2SO4 95%

CÔNG ĐOẠN
HẤP THỤ
H 2SO4 98,3%

Không axit từ
khí
mono

CÔNG ĐOẠN
KHO AXIT
H 2SO4

76-85%

AXIT CẤP SANG CÁC XÍ NGHIỆP SUPE

Hình 1.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric
9


1.1.1. Nguyên liệu chính
Nguyên liệu sản xuất axít sunfuric rất phong phú, bao gồm lƣu huỳnh nguyên

tố, các hợp chất có chứa lƣu huỳnh nhƣ các muối sunfua, sunfat kim loại, khí thiên
nhiên. Tổng lƣợng lƣu huỳnh có chứa trong vỏ trái đất chiếm khoảng 0,1% khối
lƣợng.
a) Tính chất của lƣu huỳnh
Lƣu huỳnh nguyên tố có nguyên tử lƣợng 32,064, ở nhiệt độ thƣờng lƣu
huỳnh tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng. Lƣu huỳnh nguyên tố tồn tại ở hai dạng thù
hình là dạng đơn tà và dạng hình thoi. Lƣu huỳnh nguyên tố dẫn điện và dẫn nhiệt
kém, thực tế nó không tan trong nƣớc. Khi nóng chảy thể tích nó tăng lên tới 15%.
Các tính chất của lƣu huỳnh nguyên tố:
Bảng 1.1. Bảng tính chất của lƣu huỳnh nguyên tố
Tính chất

Dạng đơn tà

Dạng hình thoi

Tỷ trọng: g/cm3

1,96

Phạm vi bền nhiệt: oC

95,6

Nhiệt độ nóng chảy: oC

119,3

112,8

Nhiệt nóng chảy: J/g

45,3

39,4

10,8

9,4

Cal/g

2,07
119,3

< 95,6

Tính chất lƣu huỳnh nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của nó. Ở điều
kiện thƣờng phân tử lƣu huỳnh gồm có 8 nguyên tử lƣu huỳnh khép kín (S8). Ở
160oC các vòng kín mở ra thành mạch thẳng làm cho độ nhớt của lƣu huỳnh tăng
lên. Tiếp tục đốt nóng thì các mạch thẳng bị cắt ngắn làm cho độ nhớt giảm.
Lƣu huỳnh nguyên tố sôi ở 444,6oC. Hơi lƣu huỳnh gồm cả S8, S6, S4, S2. Ở
nhiệt độ khoảng 900oC hơi lƣu huỳnh chủ yếu là S2, ở nhiệt độ trên 1600 oC lƣu
huỳnh bị phân huỷ thành các nguyên tử độc lập. Ở nhiệt độ trên 1700 oC hơi lƣu
huỳnh hầu hết là các nguyên tử lƣu huỳnh.

10


b) Ứng dụng của lƣu huỳnh

Lƣu huỳnh nguyên tố đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ sản
xuất axít sunfuric, công nghiệp giấy, nông nghiệp. Lƣu huỳnh nguyên tố là nguyên
liệu tốt nhất cho sản xuất axít sunfuríc vì:
* Khi đốt lƣu huỳnh nguyên tố ta thu đƣợc hỗn hợp SO2 có nồng độ cao,
điều này rất có lợi trong công nghệ sản xuất axít sunfuríc bằng phƣơng pháp tiếp
xúc.
* Lƣu 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 chế khí SO2.
* Lƣu huỳnh nguyên tố là nguyên liệu khá rẻ tiền do vậy có thể hạ đƣợc
giá thành sản phẩm.
1.1.2. Nhiên liệu và các nguyên liệu khác
a) Không khí
Không khí chứa 21% ôxy và 79% nitơ. Ôxy dùng để ôxy hoá S thành SO2 và
sau đó ôxy hoá SO2 thành SO3 với sự có mặt của chất xúc tác

.

Không khí phải đƣợc qua tháp sấy 301 và tháp tách tia bắn 311 để sấy khô
không khí đến độ ẩm còn khoảng 0,015% (theo % thể tích). Nếu hàm lƣợng cao sẽ
sinh ra mù ở tháp hấp thụ 304.
b) Nƣớc làm lạnh tuần hoàn (nƣớc thô)
Nƣớc thô là nƣớc sử dụng tuần hoàn để làm lạnh các giàn làm lạnh axit.
Nhu cầu nƣớc làm lạnh là 900

.

c) Nƣớc mềm cung cấp cho nồi hơi
Nƣớc mềm là nƣớc không chứa muối canxi và muối magiê.
Nƣớc mềm đƣợc lấy từ đƣờng cấp nƣớc mềm trong mạng nƣớc chung của

công ty.
Nhu cầu nƣớc mềm cần dùng cho nồi hơi 18,7 tấn/h.

11


d) Hơi nƣớc
Hơi nƣớc bão hoà đƣợc lấy từ mạng hơi toàn công ty.
Hơi sử dụng để khởi động và nấu chảy lƣu huỳnh:
+ Lƣu lƣợng hơi nƣớc cần cho khởi động

: 2,5 – 3 tấn/h

+ Áp lực hơi sản xuất

: 25

+ Nhiệt độ hơi

:

e) Dầu DO
Lấy từ hệ thống đƣờng ống cấp dầu ở trạm chung của công ty.
Nhiên liệu đƣợc sử dụng cho việc khởi động lò đốt đƣợc chọn là dầu DO:
+ Lƣu lƣợng cần thiết khi khởi động

: 0,5T/h

+ Nhiệt độ dầu đốt

:

+ Áp lực

:5

f) Khí nén
Lấy từ hệ thống mạng ống khí nén chung của công ty.
Khí nén đƣợc sử dụng cho các dụng cụ đo lƣờng và điều khiển tự dộng trong
dây chuyền sản xuất của xí nghiệp là không khí ẩm:
+ Lƣợng không khí nén cần thiết cho toàn bộ dây chuyền

: 50

+ Áp lực cần thiết

:6

1.1.3. Vài nét về axit sunfuric
Axit sunfuric có CTHH là H2SO4 . Axit sunfuric khan là một loại axit vô cơ
mạnh, không màu, đặc sánh, có tính chất hút ẩm, hòa tan trong nƣớc theo tỉ lệ bất
kỳ.
Trong hóa học, axit sunfuric đƣợc xem là hợp chất của SO3 và H2O:
Nếu tỉ lệ SO3/H2O ≤ 1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric.
Nếu tỉ lệ SO3/H2O >1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric bốc khói hay
oleum.
Trong công nghiệp, axit sunfuric có nhiều ứng dụng quan trọng: dùng sấy khô
khí trong các ngành hóa chất khác (sản xuất HCl, Cl2…), sản xuất supe lân đơn,
phèn, sử dụng cho ngành ắc quy, làm hóa chất phân tích,…
12

1.2. Giới thiệu các phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric
Mặc dù có nhiều phƣơng pháp sản xuất axit sunfuric khác nhau nhƣng trong
thực tế các nhà máy hoá chất vẫn thƣờng sản xuất theo 3 phƣơng pháp sau:
Các phƣơng pháp sản
xuất axit sunfuric

Phƣơng pháp
tiếp xúc (cổ điển)

Phƣơng pháp
tinh chế khô

Phƣơng pháp tinh chế
khô - tiếp xúc kép

Hình 1.3. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric
1.2.1. Phƣơng pháp tiếp xúc
* Quá trình sản xuất axit sunfuric theo phƣơng pháp tiếp xúc diễn ra theo 4
giai đoạn chính:
+ Tạo ra khí sunfurơ

.

+ Làm sạch các tạp chất khỏi hỗn hợp khí.
+ Oxi hoá

thành

nhờ các chất xúc tác.

+ Hấp thụ

thành axit sunfuric.

* Sản xuất axit theo phƣơng pháp tiếp xúc có nhiều điểm mâu thuẫn:
+ Hỗn hợp khí lò nóng đƣợc làm nguội ở công đoạn làm sạch khí nhƣng
lại phải đốt nóng ở công đoạn oxi hóa

.

+ Hỗn hợp khí lò đƣợc làm ẩm gần nhƣ bão hòa hơi nƣớc ở tháp tăng
ẩm, sau đó lại phải sấy khô ở tháp sấy.
+ Các tạp chất trong hỗn hợp khí lò đƣợc chuyển thành dạng mù axit ở
các tháp rửa sau đó lại phải tách hết mù ở các lọc điện ƣớt.
* Để khắc phục những mâu thuẫn trên ngƣời ta đƣa ra phƣơng pháp tinh chế
khô.

13


11
5
10
4

6

8

7

9
12

Không
khí

1

2

3

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 1.4. Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc
1.2.2. Phƣơng pháp tinh chế khô
* Đặc điểm quan trọng nhất của công nghệ sản xuất axit theo phƣơng pháp
tinh chế khô là: hỗn hợp khí lò nóng sau khi lọc bụi, không qua làm nguội, rửa, sấy
mà đƣợc đƣa thẳng vào tháp tiếp xúc. Bên cạnh đó, ở đây quá trình hấp thụ
diễn ra kèm theo quá trình ngƣng tụ hơi axit. Nếu so với phƣơng pháp tiếp xúc có 4
giai đoạn thì phƣơng pháp tinh chế khô có 3 giai đoạn.

14


5

2
7
1

3

4

6

1 - Lọc điện khô

5 - Lọc sợi thuỷ tinh

2 - Tháp truyền nhiệt

6 - Lọc điện ƣớt

3 - Tháp tiếp xúc

7 - Quạt khí

4 - Tháp ngƣng tụ
Hình 1.5. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô
* Hỗn hợp khí lò sau khi lọc bụi đƣợc 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 thƣờng dùng không khí bổ sung trực tiếp (hoặc dùng trao đổi
nhiệt)
* Khí sau khi chuyển hóa đƣợc đƣa sang tháp ngƣng tụ loại đệm có tƣới axit
nồng độ 93 – 95%

. Khí thải đƣợc đƣa qua lọc sợi thủy tinh và lọc điện ƣớt

để tách mù axit trƣớc khi thải ra ngoài không khí. Trong tháp ngƣng tụ, khí

sẽ

đƣợc hấp thụ thành axit.

* Để sản xuất axit sunfuric theo sơ đồ tinh chế có thể sử dụng các loại nguyên
liệu: quặng pyrit, khí thải của các lò luyện kim màu, thạch cao ,…
* Sản xuất axit theo phƣơng pháp này có nhƣợc điểm: năng suất chƣa cao, vẫn
chƣa giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trƣờng.

15


1.2.3. Phƣơng pháp tinh chế khô – tiếp xúc kép
Trong công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phƣơng pháp này có thêm một
tháp tiếp xúc và một tháp hấp thụ nhằm mục đích tăng 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 lƣu huỳnh rắn theo phƣơng
pháp tiếp xúc và hấp thụ 2 lần là công nghệ sản xuất tiên tiến hiện nay trên thế giới.
Lƣu huỳnh nóng chảy đƣợc đốt trong lồ đốt loại nằm ngang tạo thành hỗn hợp khí
. Hỗn hợp khí này đƣợc đƣa vào hệ thống tháp tiếp xúc, sử dụng
chuyển hoá

thành

. Khí

đƣợc hấp thụ tạo thành axit sunfuric

(trong hệ thống hấp thụ hai lần). Hiệu suất chuyển hoá
thụ

để

đạt 99,6%, hiệu suất hấp

đạt 99,9%.

1.3. Giới thiệu các công đoạn sản xuất axit sunfuric
Công nghệ sản xuất axit sunfuric của xí nghiệp axit đƣợc chia ra làm các cộng
đoạn sau:
+ Công đoạn hoá lỏng lƣu huỳnh.
+ Công đoạn lò đốt lƣu huỳnh – nồi hơi.
+ Công đoạn tiếp xúc.
+ Công đoạn hấp thụ - sấy khí.
+ Công đoạn kho axit.
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 lƣợng và định luật bảo toàn
khối lƣợng. Điều này có nghĩa là tổng năng lƣợng và khối lƣợng đầu vào của mỗi
công đoạn phải cân bằng với tổng năng lƣợng và khối lƣợng đầu ra của công đoạn
đó.
1.3.1. Công đoạn hoá lỏng lƣu huỳnh
a) Mục đích: chuyển S dạng rắn thành dạng nóng chảy trƣớc khi đƣa sang công
đoạn đốt lƣu huỳnh.
16


b) Các cân bằng trong công đoạn hoá lỏng lƣu huỳnh
S nguyên tố, rắn
Hơi nƣớc bão hoà 6at

S lỏng
Công đoạn hoá
lỏng lƣu huỳnh

nƣớc ngƣng

Hình 1.6. Cân bằng khối lượng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh
Đối tƣợng điều khiển là thùng hoá lỏng S. Đây là thiết bị trao đổi nhiệt gián
tiếp dạng ống xoắn ruột gà, trong thùng có cánh khuấy để tăng hiệu quả trao đổi
nhiệt. Hơi nƣớc đi trong ống, thực hiện trao đổi nhiệt qua thành ống với S rắn ở
ngoài. Khi nhiệt độ trong thùng đạt 140 ÷145oC thì S nóng chảy.
c) Quá trình vận hành
+ Lƣu huỳnh từ kho chứa đƣợc cầu trục múc lên bunke chứa lƣu huỳnh số
102, sau đó đƣợc vận chuyển bằng băng tải 103, băng tải 104 để đƣa vào thiết bị
hoá lỏng 106, 106B. Trong thiết bị hoá lỏng có bố trí các cụm trao đổi nhiệt bằng
hơi nƣớc bão hoà áp suất 6at, nhiệt độ 1580C để gia nhiệt hoá lỏng lƣu huỳnh. Để
tăng cƣờng hoá lỏng, trong thiết bị hoá lỏng có bố trí thiết bị khuấy trộn. Lƣu huỳnh
sau khi đƣợc hoá lỏng chảy tràn sang thùng lắng 108, 108B, 109, 109B để lắng cặn.
Cặn trong lƣu huỳnh lỏng đƣợc lắng xuống đáy và định kỳ tháo xả ra ngoài. Thùng
lắng là thiết bị hai vỏ, hơi đi giữa 2 vỏ có tác dụng duy trì nhiệt độ của lƣu huỳnh
lỏng ở nhiệt độ 140 145oC. Lƣu huỳnh lỏng sau khi đƣợc lắng cặn tiếp tục chảy
tràn sang thùng chứa 111, tại thùng chứa có bố trí bơm 110A, B kiểu nhúng chìm để
bơm lƣu huỳnh lên các thùng trung gian đầu lò đốt của các dây chuyền axít số 1, 2,
3. Để duy trì nhiệt độ lƣu huỳnh, tại các thùng chứa lƣu huỳnh trung gian đầu lò
cũng bố trí áo hơi để gia nhiệt.
+ Trong lƣu huỳnh luôn luôn tồn tại một lƣợng axít nhỏ, trong quá trình hoá
lỏng lƣợng axít này dần tích tụ sẽ gây ăn mòn thiết bị. Để trung hoà lƣợng axít này
cần thiết phải định lƣợng sôđa bột theo lƣu huỳnh rắn tại băng tải số 103 để trung
hoà hết lƣợng axít này. Lƣợng sôđa điều chỉnh theo giá trị pH đƣợc kiểm tra bằng

17

quỳ tím thấm nƣớc tại các thùng hoá lỏng lƣu huỳnh 106, 106B, hoặc theo phân tích
hàm lƣợng axít có trong lô lƣu huỳnh đƣa vào sản xuất.
+ Quá trình hoá lỏng lƣu huỳnh luôn luôn có hơi nƣớc bay ra với khí H2S
và hơi lƣu huỳnh. Để khử hơi này tại bộ phận hoá lỏng có bố trí hệ thống quạt hút
và thiết bị dập hơi lƣu huỳnh bằng nƣớc, thiết bị hấp thụ H2S bằng dung dịch kiềm
để xử lý khí thải trƣớc khi thải ra ngoài trời.
1.3.2. Công đoạn lò đốt lƣu huỳnh
a) Mục đích: đốt lƣu huỳnh dạng nóng chảy (đƣợc tiếp nhận từ công đoạn nấu chảy
lƣu huỳnh) trong lò đốt nằm ngang. Quá trình ôxy hoá đƣợc thực hiện, chuyển lƣu
huỳnh dạng nóng lỏng thành

dạng khí trƣớc khi đƣa vào tháp tiếp xúc.

b) Các cân bằng trong công đoạn lò đốt lƣu huỳnh
* Cân bằng năng lƣợng của lò đốt (cân bằng nhiệt)

Năng lƣợng từ
nhiên liệu: dầu DO
Năng lƣợng từ
sự cháy của S

Tảo nhiệt do
bức xạ
Năng lƣợng từ
SO2
Lò đốt

Năng lƣợng từ

Năng lƣợng từ

khói lò

S và không khí
khô cấp vào

Hình 1.7. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt
* Đối tƣợng điều khiển là lò đốt F–06
* Cân bằng khối lƣợng giữa S lỏng, không khí khô, dầu DO với hỗn hợp khí
, khói lò.

18


Nhiên liệu: Dầu DO
S lỏng

SO2
Lò đốt

Không khí khô

hỗn hợp khí

Khói lò

Hình 1.8. Cân bằng về khối lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt
c) Quá trình vận hành
+ Lƣu huỳnh có nhiệt độ 140 145 oC từ bộ phận hoá lỏng đƣợc bơm 110A, B
bơm cấp về các thùng chứa trung gian đầu lò đốt của 3 dây chuyền axít số 1, 2, 3. Ở
Dây chuyền axít số 1 là lò đốt F–06 . Tại các thùng chứa trung gian đầu lò, lƣu huỳnh

đƣợc các bơm lƣu huỳnh cấp qua vòi phun vào lò đốt F–06. Để đốt cháy lƣu huỳnh
ngƣời ta dùng dầu DO làm nhiên liệu, nhờ mạch vòng điều khiển HVS-501. Không khí
ẩm sau khi qua tháp sấy khí để sấy khô đạt tiêu chuẩn về độ ẩm, tia bắn tiếp tục qua các
tháp trao đổi nhiệt để gia nhiệt trƣớc khi vào lò đốt. Lƣợng lƣu huỳnh lỏng cấp vào lò
đƣợc điều chỉnh tự động nhờ các van điều khiển bằng khí nén FV-401 và mạch vòng
điều khiển FIC-401, còn lƣu lƣợng không khí khô vào lò đƣợc điều chỉnh bằng van
bƣớm trên đƣờng ống dẫn không khí vào lò và đƣợc đo bằng lƣu lƣợng kế.
+ Trong lò đốt lƣu huỳnh cháy cùng với O2 trong không khí theo phản ứng:
S + O2

SO2 + Q

(1.1)

1.3.3. Công đoạn nồi hơi
a) Mục đích
Tạo ra hơi nƣớc bão hoà. Lƣợng hơi này đƣợc hoà đồng với toàn bộ lƣợng hơi
của công ty để phục vụ cho sản xuất và đƣợc đƣa đến thiết bị tạo hơi quá nhiệt và
phát điện phục vụ cho sản xuất của công ty.

19


b) Các quá trình cân bằng trong công đoạn nồi hơi

Nƣớc cấp
(nƣớc mềm)

Nồi hơi
nhiệt thừa

Hơi nƣớc
bão hoà

Hình 1.9. Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão hoà
Đối tƣợng điều khiển là nồi hơi nhiệt thừa HB–07.
c) Quá trình vận hành
+ Hỗn hợp khí có nhiệt độ từ 1000

25 oC, nồng độ SO2 từ 9 10,5 % thể

tích đi qua nồi hơi HB–07 để hạ nhiệt độ xuống còn 400 430oC sau đó đi qua thiết
bị lọc gió nóng để sang công đoạn tiếp xúc.
+ Tại bộ phận nồi hơi, nƣớc đƣợc xử lý tại bộ phận lọc nƣớc hoá học đƣợc
đƣa vào thiết bị khử khí để khử O2 sau đó qua bơm cấp đƣa vào nồi hơi. Hơi tạo ra
trong nồi hơi có áp suất 25 at, nhiệt độ 225 oC, nhờ bộ điều khiển áp suất PIC-003.
Sau đó, hơi này đƣợc đƣa qua thiết bị giảm áp để hạ xuống còn 6 at, 158 0C, nhờ bộ
điều khiển áp suất PIC-007 và bộ điều khiển nhiệt độ TIC-115, rồi cấp hoà vào
mạng chung.
+ Riêng hơi nƣớc của dây chuyền axít số 2, hơi tạo ra trong nồi hơi có áp
suất 25 at, nhiệt độ 225 oC. Khi dây chuyền phát điện hoạt động hơi 25 at, nhiệt độ
225oC đƣợc gia nhiệt bằng khí sau lớp 1 tháp tiếp xúc tại thiết bị quá nhiệt số 309
nâng lên thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ 350 4000C rồi cấp cho dây chuyền phát
điện. Khi dây chuyền phát điện không hoạt động hơi có áp suất 25 at, nhiệt độ
225oC đƣợc đƣa qua thiết bị giảm áp để hạ xuống còn 6 at, 1580C rồi cấp hoà vào
mạng chung hoặc qua bộ phận giảm âm rồi xả ra ngoài trời qua ống xả hơi.
1.3.4. Công đoạn tiếp xúc
a) Mục đích: ôxy hoá

có trong hỗn hợp khí sau lò đốt thành

20


b) Các cân bằng trong công đoạn tiếp xúc
SO2
Không khí khô

Tháp tiếp xúc

SO3

Hình 1.10. Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc
c) Quá trình vận hành
+ Hỗn hợp khí SO2 từ thiết bị lọc gió nóng 201 có nhiệt độ 400

430oC

và nồng độ SO2 từ 9 10,5% đi vào lớp I của tháp tiếp xúc. Nhờ có xúc tác V2O5 khí
SO2 phản ứng với O2 tạo thành SO3 theo phản ứng:
SO2 + 1/2 SO2

SO3 + Q

(1.2)

+ Đây là phản ứng thuận nghịch, toả nhiệt, giảm thể tích. Quá trình xảy
ra theo chiều thuận khi có xúc tác.
+ Cơ chế của sự ôxy hoá SO2 trên xúc tác VANADI đƣợc giải thích bằng
sự tạo thành, phân huỷ hợp chất trung gian ở dạng sunfatvanadi theo phản ứng :

V2O5 + SO2

V2O4 + SO3

V2O4 + 2 SO2 + O2
2 VOSO4

2 VOSO4

V2O5 + SO3 + SO2

-----------------------------------------2 SO2 + O2

2 SO3

+ Nhƣ vậy trong quá trình phản ứng thì VANADI là chất vận chuyển
ôxy.
+ Mức tiếp xúc đƣợc xác định bằng tỷ số áp suất riêng phần của SO3 với
tổng số áp suất riêng phần của SO3 và SO2.
(1.3)

hay

21


(1.4)

trong đó
: Mức tiếp xúc cân bằng

: Hằng số cân bằng của phản ứng oxy hoá SO2 thành SO3
A

: Nồng độ ban đầu của SO2 trong hỗn hợp khí

B

: Nồng độ ban đầu của ôxy

+ Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức
(1.5)
+ Mức tiếp xúc cân bằng phụ thuộc vào tỷ số giữa SO2 và O2, O2 càng
lớn và SO2 càng nhỏ thì mức tiếp xúc cân bằng càng cao.
+ Sau lớp I, hỗn hợp khí SO2 đạt mức chuyển hoá X1 = 60
595 ± 50C đƣợc qua trao đổi nhiệt sau lớp I hạ nhiệt độ xuống 450

70%, nhiệt độ

4850C nhờ thiết

bị trao đổi nhiệt ngoài sau lớp I rồi tiếp tục đi vào lớp xúc tác thứ II để tiếp tục phản
ứng chuyển hoá SO2 thành SO3.
+ Sau lớp II hỗn hợp khí đạt mức chuyển hoá 85
520

5450C đi vào trao đổi nhiệt ngoài để hạ nhiệt độ khí xuống 430

90% nhiệt độ
4500C rồi đi

vào lớp xúc tác số 3 để tiếp tục phản ứng.
+ Ra khỏi lớp III khí SO2 đƣợc chuyển hoá từ 94,5

96,5%; nhiệt độ từ

450 475oC đi qua các trao đổi nhiệt để nâng nhiệt cho khí SO2 sau hấp thụ trung gian
hoặc trao đổi nhiệt với không khí ẩm để hạ nhiệt độ xuống < 165oC rồi đi vào hấp thụ
trung gian để hấp thụ lƣợng SO3 đã tạo thành của 3 lớp chuyển hoá sau đó qua các tháp
tách mù (mù là chất có hại cho xúc tác và thiết bị) rồi đƣợc nâng nhiệt nhờ các trao đổi
nhiệt từ 500C đến 405 4150C trƣớc khi vào lớp IV.
+ Ra khỏi lớp IV khí SO2 đƣợc chuyển hoá từ 99,6 99,85%, nhiệt độ từ
420 435oC đi qua các trao đổi nhiệt làm nguội SO3 bằng không khí ẩm, không khí
khô, hay nƣớc mềm để hạ nhiệt độ xuống <165oC trƣớc khi vào hấp thụ cuối.
22


+ Tất cả không khí sử dụng trong tháp tiếp xúc và tháp trao đổi nhiệt là
không khí khô. Bởi vì nếu sử dụng không khí ẩm thì trong quá trình chuyển hoá ở
tháp tiếp xúc cũng nhƣ trong quá trình trao đổi nhiệt ở tháp hấp thụ sẽ xuất hiện
những giọt mù axit (sản phẩm giữa SO3 và hơi nƣớc). Những giọt mù axit này sẽ
phá huỷ, ăn mòn tháp tiếp xúc, tháp trao đổi nhiệt, các đƣờng ống, lò đốt (do không
khí sau tháp trao đổi nhiệt 203 sẽ đƣa trở lại lò đốt). Do đó, không khí phải đƣợc
làm khô bằng cách cho qua tháp sấy khí 301, tháp tách tia bắn 311 để tách mù, rồi
đƣợc hai quạt thổi qua thùng lọc dầu rồi mới đƣa vào sử dụng.
1.3.5. Công đoạn hấp thụ - sấy khí
a) Mục đích: Tiếp nhận hỗn hợp khí từ công đoạn tiếp xúc và hấp thụ SO3 thành
axit sunfuric với hiệu suất hấp thụ đạt 99,9%.
b) Các cân bằng trong công đoạn hấp thụ
SO3

Tháp hấp thụ,
thùng 303

H2 SO4 98,3%

H2 SO4 95%

Hình 1.11. Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ
Không khí
H2 SO4 98,3%

Không khí khô
Tháp sấy,
Thùng 302

H 2SO4 95%

Hình 1.12. Cân bằng khối lượng trong bộ phận sấy khí
Năng lƣợng từ
khói khí thải

Năng lƣợng từ SO3
Năng lƣợng từ

Tháp hấp thụ

Năng lƣợng từ
H2 SO4 98,8%

H2 SO4 98,3%

Hình 1.13. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ
23


c) Quá trình vận hành
c.1) Quá trình sấy không khí ẩm
+ Hơi nƣớc không phải là 1 chất độc đối với chất xúc tác vanadium.
Nhƣng nếu trong khí có hơi nƣớc thì sẽ tạo mù ở quá trình hấp thụ, làm mất nhiều
axít trong khí thải vì mù axít rất khó hấp thụ trong các tháp hấp thụ. Ngoài ra mù
còn ngƣng tụ trong các tháp trao đổi nhiệt bên ngoài của tháp tiếp xúc nhất là các
trao đổi nhiệt làm nguội SO3 làm ăn mòn các ống trao đổi nhiệt vì vậy không khí
cần phải đƣợc sấy đạt tiêu chuẩn trƣớc khi cấp vào hệ thống.
+ Không khí đƣợc hút ở dây chuyền sản xuất axít số 1 tại tháp sấy 301,
axít sunfuric có nồng độ ≥ 95% đƣợc tƣới từ trên xuống tiếp xúc với không khí đi từ
dƣới lên qua các lớp đệm. Nhờ có sự tiếp xúc này hơi nƣớc trong không khí đƣợc
axít hấp thụ, không khí sau tháp sấy có hàm ẩm < 0,015 %V đƣợc nâng nhiệt lên
100 150oC trƣớc khi đƣa về lò đốt lƣu huỳnh.
c.2) Quá trình hấp thụ khí
* Hỗn hợp khí SO3 từ công đoạn tiếp xúc có nhiệt độ trên

đƣợc đƣa lần

lƣợt qua hai tháp làm nguội 205A, 205B hạ nhiệt độ xuống thấp hơn

(sử

dụng hệ thống làm nguội bằng quạt gió). Hỗn hợp khí sau khi làm nguội đƣợc đƣa
vào đáy tháp hấp thụ mono 304 đi dần lên đỉnh tháp. Axit H2SO4 98,3% trong thùng
tuần hoàn mono 303 đƣợc các bơm chìm 304A-B-C-D đẩy lên phân phối vào hệ

thống làm lạnh ( gồm dàn làm lạnh 305A-B, thiết bị làm lạnh ống chùm 306A-B),
sau đó đƣợc tƣới vào tháp hấp thụ mono 304 qua hệ thống đĩa phân phối từ đỉnh
tháp xuống. Sau khi tiếp xúc pha nhờ lớp đệm yên ngựa, axit có nồng độ 98,8% (ở
đầu ra của tháp hấp thụ mono 304) đƣợc lƣu hồi về thùng tuần hoàn 303, hỗn hợp
khí sau hấp thụ đƣợc bộ phận khử mù trên đỉnh tháp 304 đi đến hệ thống khí thải.
Mức hấp thụ trong tháp hấp thụ 304 đạt trên 99,99%.
* Nồng độ axit trong thùng tuần hoàn mono 303 đƣợc điều chỉnh bằng lƣợng
axit từ công đoạn sấy và nƣớc công nghệ (nƣớc sạch bổ sung vào thùng). Lƣu lƣợng
nƣớc công nghệ đƣợc điều chỉnh tự động theo tín hiệu từ thiết bị đo nồng độ

24