CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SODA Na2CO3
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (200.32 KB, 31 trang )
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
111Equation Chapter 1 Section 1 MỤC LỤC
I
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................2
II.CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA Q TRÌNH HẤP THỤ AMONIAC........................................................2
1.Động học của q trình hấp thụ........................................................................................................5
2.cân bằng pha khi hấp thụ...................................................................................................................7
III. SƠ ĐỒ AMON HĨA VÀ THUYẾT MINH DÂY TRUYỀN.....................................................7
1.Sơ đồ AMON hóa...........................................................................................................................7
2.Thuyết minh dây truyền................................................................................................................8
IV. TÍNH TỐN CÂN BẰNG CHẤT...................................................................................................8
1.Cân bằng chất tháp rửa khí máy lọc chân khơng...........................................................................10
2.Cân bằng chất tháp rửa khí kết tinh II............................................................................................11
3.Cân bằng chất tháp rửa khí hấp thụ................................................................................................13
4. Cân bằng chất tháp hấp thụ I...........................................................................................................14
5.Cân bằng chất tháp hấp thụ II..........................................................................................................20
V.CÂN BẰNG NHIỆT...........................................................................................................................23
1.Cân bằng nhiệt cho tháp hấp thụ I...................................................................................................23
1.1 Nhiệt vào tháp............................................................................................................................24
1.2 Nhiệt ra khỏi tháp.....................................................................................................................25
1.3 Cân bằng nhiệt cho bộ phận làm mát....................................................................................25
2.Cân bằng nhiệt cho tháp hấp thụ II.................................................................................................26
2.1 Nhiệt vào tháp
2.2 Nhiệt ra khỏi tháp
2.3 Cân bằng nhiệt cho bộ phận làm mát
VI.TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
1.Xây dựng đường cân bằng
2.Đường làm việc
VII.KẾT LUẬN
1
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
I. MỞ ĐẦU
Soda là một trong những chất cơ bản trong cơng nghệ hóa học. Các ứng dụng của
Soda trong đời sống cũng như trong công nghiệp là rất quan trọng như: cơng
nghiệp thủy tinh, hóa chất, chất tẩy rửa…
Việc nghiên cứu và sản xuất Soda đã được thực hiện từ những năm 1975 tai Pháp.
Và đến năm 1891, Solvay đã phát minh ra phương pháp sản xuất Soda từ Amoniac.
Phương pháp Amoniac ra đời đã mở một cánh cửa mới cho việc sản xuấ Soda và
nó đã lan ra nhanh chóng. Vì tính ưu việt hóa của phương pháp này mà từ đó cho
tới ngày nay, người ta vẫn chưa tìm ra phương pháp khác thay thế nó mà chi có cải
tiến nó lên.
Trong phương pháp Solvay, người ta có thể chia nó thành các cơng đoạn chính sau:
Chuẩn bị nước muối sạch bão hòa
Hấp thu nước muối bão hòa bằng NH3
Sau đó đem dung dịch đi Cacbonnat hóa bằng CO2
Kết tinh bán thành phẩm Natricacbonat (NaHCO3)
Nhiệt giải NaHCO3 → Na2CO3
Mộ trong những đột biến lớn nhất của phương pháp Solvay so với các phươn pháp
ra đời trước đó là việc hấp thụ NH3 vào dung dịch nước muối bão hòa.
Về lý thuyết, việc hấp thụ NH3 vào nước hay hấp thụ dung dịch nước muối bão hòa
là rất đơn giản vì NH3 tan rất tốt trong nước. Nhưng thực tế, với điều kiện sản xuất
trong cơng nghiệp thì lại khác. Sau đây em trình bày về các yếu tố cơng nghệ để
thiết kế xưởng Amon hóa nước cho sản xuất Soda.
II. CƠ SỞ HĨA LÝ Q TRÌNH HẤP THỤ AMONIAC
1/ Động học quá trình hấp thụ
2
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Amoniac hòa tan rất tốt trong nước và độ hòa tan của nó gần như tỷ lệ thuận
với áp xuất. Khi hịa tan vào dung dịch nước muối thì dung dịch nước muối
là dung mơi hịa tan khí NH3. Q trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hóa
học giữa pha lỏng và pha khí, giữa các chất trong pha lỏng với nhau. Khi tan
ào trong dung dịch muối, NH3 kết hợp với H2O tỏa nhiệt.
NH3(K) + H2O (l) → NH4OH(l) + 586 Kcal/ KgKgNH3
Hỗn hợp khí đưa về hấp thụ khơng chì có NH3 mà cịn có lẫn CO2, hơi nước.
Do đó, trong q trình hấp thụ sẽ xảy ra các phản ứng phụ:
NH3(k) + H2O(l) → NH4CCOONH2 + 16,3 Kcal
NH4COONH2 + H2O → NH4HCO3 + NH3 + 6,6 Kcal
NH3 + NH4HCO3 → (NH4)2CO3 + 8,4 Kcal
Quá trình hấp thụ ở các phản ứng trên là quá trình hấp thụ có kèm theo phản
ứng hóa học , ảnh hưởng tới cân bằng và động học của quá trình hấp thụ.
Khi hấp thụ từ phần cấu tử hoạt động có trong dung dịch sẽ chuyển về trạng
thái liên kết và nồng độ tự do của cấu tử hoạt động pha lỏng giảm. Nó làm
Gradien nồng độ tăng lên làm cho quá trình hấp thụ trong pha lỏng nhanh
hơn so với hấp thụ vật lý.
Quá trình hấp thụ càng lớn nếu tốc độ phản ứng hóa học càng nhanh. Khi tốc
độ phản ứng hóa học rất nhanh thì trở lực trong pha lỏng coi như bằng
khơng và q trình phản ứng coi như xảy ra ngay trên bề mặt chất lỏng.
Nguyên nhân tăng tốc độ hấp thụ khi có phản ứng hóa học là do tăng hệ số
chuyển chất pha lỏng tức là khi chất bị hấp thụ (NH3) hấp thụ vào dung dịch
thì ngay lập tức NH3 tham gia phản ứng tạo thành chất khác. Do đó, các
phân tử NH3 tới tiếp tục hấp thụ vào.
Giữa hấp thụ vậy lý và hóa học liên hệ với tốc độ chuyển chất xác định theo
phương trình:
WA = β.F.Δ = β’.F.(Δ’+ δ)
β .β’ : hệ số chuyển chất trong pha lỏng khi có phản ứng hóa học và khơng
khí
F : bề mặt tiếp xúc pha
Δ . Δ’: lực hấp thụ khi có phản ứng và khơng có phản ứng
Δ: đại lượng thể hiện tăng lực hấp thụ khi có phản ứng.
Gọi ϕ là hệ số tăng tốc độ phản ứng hấp thụ trong pha lỏng khi có phản ứng
hóa học:
φ= = 1 +
Hệ số truyền chất K’p trong quá trình hấp thụ có phản ứng hóa học:
3
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
= +
: hệ số chuyển chẩ từ pha khí
: Hằng số có pha khí tính theo P>C
Vậy phương trình truyền chất khí hấp thụ có dạng:
K’A = K1. F.( P- mPC .C)
Hay K’A = KP .F[P.mP.C( C – δ)]
C: Nồng độ cấu tử hoạt động
K: Xác định theo phương trình:
Βx .βy: hệ số chuyển chất ở pha lỏng, pha khí
m: Độ hịa tan của khí
Trong q trình hấp thụ thì q trình hấp thụ vật lý và hóa học xảy ra đồng
thời. Trong trường hợp này coi khuếch tán qua màng khí quyết định tốc độ
phản ứng thì phương trình khuếch tán cấu tử A từ pha khí vào kết hợp với
cấu tử hoạt động B trong pha lỏng có dạng:
A, B: Nồng độ cấu tử A và B tự do
Z: Chiều dày màng khuếch tán
DA, DB: Hệ số khuếch tán của A, B
N: Tốc độ tiêu hao A trong đơn vị thể tích N = f(A, B)
Động học q trình hấp thụ kèm theo phản ứng hóa học đã đề ra một số
phương trình thực nghiệm để xác định hệ số truyền chất đối với khí hịa tan
khi hấp thụ có thể sử dụng cơng thức sau:
= A. (Kmol/m3.at)
A, m, n: các hằng số phụ thuộc dung mơi và hình dạng đệm hoặc có thể xác
định theo phương trình thực nghiệm:
= A. (Kmol/m3.at.h)
-WK, WL: Tốc độ khí, lỏng đi trong tháp (kg/m3.giờ)
A, m,n: Các hằng số phụ thuộc dung môi và hình dạng đệm hoặc có thể xác
định theo phương trình thực nghiệm.
-0,395 1,45 1-d 0,733
d .e . 0(Kmol/m3atgio)
a: Bề mặt tự do đệm (m2/m3)
dk: đường kính tương đương của đệm (m)
l: chiều cao đệm (m)
u: tốc độ chất lỏng đi trong tháp (m/s)
o: tốc độ khí đi trong tháp (m/s)
4
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
2/ Cân bằng pha khi hấp thụ:
Cân bằng pha khi hấp thụ phụ thuộc nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất lỏng.
Đối với dung dịch nước muối theo hấp thụ Amoniac thì hằng số cân bằng
của Amoniac có thể xác định theo các phương trình
Khi nồng độAmoniac trong dung dịch 3 kmol/m3
lgmp.c= 4,705- (m3.at/mol.K)
Khi nồng độ Amoniac trong dung dịch 5 kmol/m3
Lgmp.c = 4,125 + 0,1.lgCNH3 Với nồng độ muối ăn dung trong sản xuất Soda
4,275 4,5(Kmol/m3) thì dung phương trình sau:
Lgmp.c= (4,26/0,13.lgCNH3) -CNH3: Nồng độ Amoniac trong dung dịch (Kmol/m3)
Khi hấp thụ NH3 có lẫn CO2 trong đó bằng dung dịch nước muối tạo hệ 4
cấu tử: NH3 – CO2 –H2O – NaCL. Trong quá trình hấp thụ, nồng độ NaCL
biến đổi rất nhỏ do đó ảnh hưởng rất ít tới cân bằng của hệ. Vì vậy, q trình
amon hóa coi cân bằng của hệ gồm có 3 cấu tử : NH3 – CO2 – H2O. Áp xuất
hơi nước cân bằng trong pha khí trên dung dịch hấp thụ được tính theo cơng
thức:
PH2O= PO. [1 – 0,28CNaCL – 1,15CNH3 + 0,1CCO2] (mmHg)
Po : áp xuất hơi nước trên nước nguyên chất (mmHg)
CNaCl, CNH3, CCO2 : Nồng độ các cấu tử tương ứng (kg/kg.dd)
Khi Amon hóa dung dịch nước muối, phần lớn hơi nước chứa trong khí tái
sinh sẽ bị ngưng tụ làm cho thể tích dung dịch sau Amon hóa tăng lên
khoảng 3÷4%. Do đó làm giảm nồng độ bão hịa của NaCl. Để làm giảm độ
pha lỗng của hơi nước thì ta phải loại bỏ hơi nước trong khơng khí tái sinh
càng triệt để càng tốt. Người ta loại bỏ hơi nước bằng cách cho toàn bộ hỗn
hợp khi tái sinh đi vào thiết bị làm lạnh khi tái sinh, Khi có CO2 trong pha
khí đi sang Amon hóa, nó có thể phản ứng ngay với NH3 để tạo muối Amon
cacbonat. Như vậy, nó làm giảm độ bay hơi của NH3 để tạo muối Amon
cacbonat. Như vậy, nó làm giảm độ bay hơi của NH3 khỏi dung dịch hấp thụ.
Nguyên nhân chủ yếu làm giảm áp xuất cân bằng của Amoniac trên dung
dịch hấp thụ là một phần Amoniac đã liên kết với khi CO2 tạo muối hịa tan
có áp xuất hơi nhỏ, phần Amonia tự do trong đơn vị thể dung dịch. Áp xuất
cân bằng được thể hiện bằng phương trình thực nghiệm.
5
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Khi khơng có CO2 trong hỗn hợp khí thì áp xuất cân bằng của NH3 có
dạng:
lgPNH3= - + 1,13lgA + 5,67
Khi có CO2 thì áp suất cân bằng trên dung dịch:
lgPNH3 = - + n.lgA+C
A: nồng độ Amoniac trong dung dịch
T: nhiệt độ dung dịch (K)
n, C : Hằng số phụ thuộc nồng độ CO2 trong dung dịch
Trong pha lỏng, ta nghiên cứu quan hệ giữa [NH3] và [Cl]:
Vì nồng độ Amoniac và Natriclorua trong dung dịch sau hấp thụ đóng vai
trị quan trọng trong q trình cacbonat hóa và ảnh hưởng trực tiếp tới
mức độ sử dụng nguyên liệu. Trong quá trình hấp thụ nồng độ muối ăn
trong dung dịch giảm nhiều so với ban đầu. Nguyên nhân chính là thể
tích sau hấp thụ tăng lên và độ hòa tan của NaCl giảm.
Ngược lại, trong quá trình hấp thụ thì nồng độ Amoniac trong dung dịch
tăng lên. Vì vậy, nếu nồng độ Amoniac quá cao thì nồng độ muối giảm
xuống rất nhiều và tách ra cùng muối Amoni bicacbonat khi cacbonat hóa
và nằm lẫn trong bán thành phẩm Natribicacbonat.
Vì những nguyên nhhaan trên ta phải chọn nồng độ muối ăn ban đầu
thích hợp để sau khi Amoniac hóa hiện tượng tăng thể tích dung dịch và
giảm độ hòa tan của muối ăn mà nồng muối ăn vẫn gần trạng thái bão
hòa; còn nồng độ Amoniac đạt giá trị thích hợp nhất. Tỷ lệ thích hợp nhất
giữa Amoniac và tổng nồng độ Cl- trong dung dịch theo tỉ lệ:
= 1,10
III- SƠ ĐỒ AMON HÓA VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN
1- Sơ đồ amon hóa: (bản vẽ)
2- Thuyết minh dây truyền
Nước muối sau khi đã làm sạch và đạt độ bão hòa theo yêu cầu (5
5.25N) được bản ly tâm đưa lên thùng cao vị(1). Dung dịch nước
muối bão hòa trong thùng cao vị, dung dịch chia làm 2 dòng:
Dòng thứ nhất chiềm 75% được đưa vào tháp rửa khí máy lọc chân
khơng(2). Tại đó, nước muối hấp thụ NH3 có lẫn trong khơng khí của
máy lọc chân khơng. Dung dịch sau khi đi ra tháp RKMLCK được
đưa sang tháp RKKT II (11), cịn khơng khí khơng khí khơng bị hấp
thụ được bơm chân không hút đem xử lý.
Tại tháp RKKT II, chất lỏng đi từ trên xuống, không khí được đi từ bộ
phận kết tinh bán sản phẩm NaHCO3 đưa sang đi từ dưới lên. Không
6
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
khí không bị hấp phụ đi lên đỉnh tháp đi xử lý. Phần dung dịch ra đi
vào tháp hấp thụ I (4).
Dòng dung dịch, nước muối thứ 2 chiếm 25%V được đi vào tháp rửa
khí hấp thụ (8). Tại đây, nó hấp phụ NH3 trong khí thải sau khi đi qua
2 tháp hấp thụ. Do đó, nồng độ CO2 cao, nó được đem trộn lẫn khí lị
để đi vào thiết bị Cacbonat hóa.
Dung dịch ra khỏi tháp RKHT(8) cũng được đưa sang tháp hấp thụ I.
Tại tháp hấp thụ I: Dòng lỏng vào là dung dịch từ tháp RKKT II(11)
và tháp RKHT (8). Khí vào được đi lên từ tháp hấp thụ II(5). Khí đi từ
dưới lên gặp nước 60. Dung dịch ra với nhiệt độ như vậy không thể
đưa sang tháp hấp thụ II ngay được vì ở tháp hấp thụ II nồng độ NH3
lại tự động tách ra khỏi dung dịch.
Vì những nguyên nhân trên, dung dịch sau khi ra khỏi tháp hấp thụ I
sẽ được đi làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh kiểu giàn tưới(7) để dung
dịch trước khi vào tháp hấp thụ II có nhiệt độ khoảng 28 ÷ 32℃.
Tại tháp hấp thụ II dung dịch cũng đi từ trên xuống, hỗn hợp khí sau
khi đi qua thiết bị làm lạnh KTS(3) được đưa vào tháp hấp thụ II từ
dưới lên.Nhiệt độ dung dịch sau khi ra khỏi tháp hấp thụ 2 khoảng
60÷65℃. Vì vậy, trước khi vào bể chứa nó phải đi qua thiết bị làm
lạnh thứ 2.
Để tránh rị rỉ khí NH3 và CO2 ra môi trường làm việc, các thiết bị
trong phân xưởng hấp thụ làm việc ở áp suất nhỏ hơn áp suất khí
quyển.
IV- TÍNH TỐN CÂN BẰNG CHẤT
C¸c sè liƯu ban đầu:
- Hàm lợng Na2CO3 trong sản phẩm(%):
- Hiệu suất sử dụng Natri (%):
- Hiệu suất phân giải NaHCO3 (%):
- Tổng tổn thất toàn bộ qúa trình (%):
99
72
100
5
Các số liệu tự chän:
7
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
- Số ngày làm việc trong năm:
+ Số ngày dừng máy để sửa chữa:
+Thời gian dừng máy để trựng tu, đại tu
+ Tổng thời gian dừng máy là:
10 ngày/năm.
25 ngày/năm.
35 ngày/năm.
Số ngày làm việc trong năm là:
365 - 35 = 330 ngày/năm.
Phng trỡnh phn ng:
NaCl(l) + CO2(k) + NH3(k) + H2O NaHCO3 + NH4Cl
(1)
2NaHCO3 Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑
(2)
Hàm lượng Na2CO3 trong sản phẩm soda là 99%. Vậy trong 1000kg
sản phẩm Soda thì lượng Na2CO3 trong đó là: 0,99 ×1000 = 990(kg
Na2CO3/ tấn sản phẩm)
Giả sử tổn thất sản phẩm là 5% Tổng lượng Na2CO3 là:
M = 990 × 1,05 = 1039,5
Theo phương trình phản ứng (2): lượng NaHCO3 cần để sản xuất ra :
1039.5kg Na2CO3 là: (giả sử hiệu suất đạt 100%)
m NaHCO3 = NaHCO3/ tấn sản phẩm)
Theo phương trình (1): Lượng NaCl cần thiết để sản xuất ra 1647.5 kg
NaHCO3 là: ( giả sử hiệu suất sử dụng Na= 72%)
MNaCl= ( kg NaCl/ tấn sản phẩm)
Coi hàm lượng NaCl trong muối đạt 98%
mNaCl = 1593,56 × 0,98 = 1561,7 (kg NaCl/ tấn sản phẩm)
Số Kmol NaCl =
Chọn [NaCl] = 5,2 N = 5,2 M
Vdt = 5,13 (m3)
Với nồng độ trên. Tra sổ tay quá trình thiết bị I được
= 1,19 (g/cm3) = 1190 (kg/m3)
8
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Khối lượng dung dịch = 1190 × 5,1 = 6104,7 (kgdd/ tấn sản phẩm)
Trong dung dịch nước muối đầu vào có:
[Ca2+] = 0.0025N =0.00125M
[Mg2+] = 0.003N = 0.0015M
[ Na2CO3] = 0.01 N = 0.005M
m CaCl2 =
=
Khối lượng H2O = mdd – ( mNaCl2 + mCaCl2 + +
= 6104,7 – (1561,7 + 0,71178 + 0,731 + 2,7189)
= 4538,84)
Tính lượng NH3 cần thiết cho 1 tấn sản phẩm. Theo phương trình
(1) thì lượng NH3 = 26,7× 1,1× 17 = 499,21 )
Chọn
1- Cân bằng chất tháp rửa khí máy lọc chân khơng
Thành phần dung dịch vào:
- Thể tích dung dịch vào
- Khối lượng các chất trong dung dịch vào:
= 2,7189×0,75 = 2,0392 (kg)
- Khí vào:
Do lượng NH3 có trong hỗn hợp khí ít nên NH3 được hấp thụ hồn tồn
và nằm ở dạng NH4OH theo phản ứng :
NH3 + H2O ↔ NH4OH
Dung dịch ra gồm: - = 1đc = 0.05 N
- = 103đc = 5,15N
Do lượng muối NaCl trong dung dịch là khơng đổi nên thể tích dung dịch
ra:
9
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
V1× N1 = V2× N2 => V2=
= 3,8475 ×
m3) =
[NH3] = 0.05 N => mol NH3 hấp thụ
Lượng NH4OH sinh ra =
Lượng H2O dung để hấp thụ NH3 :
Lượng H2O còn lại = 3404,13 – 0,03375= 3404,09 (kg)
Bảng cân bằng vật chất tháp RKMLCK:
Pha lỏng
Lượng vào (kg)
NaCl
1171,125
CaCl2
0,534
MgCl2
0,54825
Na2CO3
2,0392
H2O
3404,13
Pha khí
Tổng
NH3
4578,55
Pha rắn
0,031875
Lượng ra (kg)
NaCl
1171,125
CaCl2
0,534
MgCl2
0,54825
Na2CO3
2,0392
H2O
3404,09
NH4OH
0,065625
NH3
0
4578,55
2- Cân bằng chất tháp rửa khí kết tinh II
- Khí vào:
- Khí ra :
- Dung dịch ra :
- Dung dịch vào : Thành phần của dung dịch vào chính là dung dịch ra của
tháp RKMLCK với :
- Ta thấy [NH3]hấp thụ =19 đc nên thể tích dung dịch ra tăng lên 1,9% so với
thể tích ban đầu :
- Vra = Vvào + 0,019 Vvào =3,9588 (m3)
- ra =( Vvào /Vra) x vào =101 đc
- [NH3]hấp thụ =19 đc =0,95N=0,95M
- nNH3 = 0,95 x 3,9588 x 103 = 3760,86 (mol)
10
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
NH3 + H2O ↔ NH4OH
-
3760,86.17
63,93
mNH3 hấp thụ = 1000
(kg)
63,93
.35 131, 62
mNH4OH tạo thành= 17
(kg)
63,93
.18 67, 69
mH20 mất đi= 17
(kg)
- CO2 bị hấp thụ chủ yếu nằm ở dạng CO32- theo phương trình:
CO2 + 2NH4OH = (NH4)2CO3 + H2O
- Trong dung dịch ra có [CO2] = 5đc = 0,25N nên [CO32-] =0,125(M)
- m (NH4)2CO3 tạo thành =0,125 x 3,9588 x 96 =47,505 (kg)
mNH4OH phản ứng =0,125 x 3,9588 x 35 = 34,639 (kg)
mH20 sinh ra = 0,125 x 3,9588 x 18 = 8,907(kg)
+ Theo điều kiện công nghệ : lượng CO2 đầu vào chiếm 5%V
lượng CO2 đầu ra chiếm 4%V
Lượng CO2 bị hấp phụ chiếm 1%V mà lượng CO2 bị hấp thụ
=
(kg)
Ta có: Lượng NH4OH cịn lại trong dung dịch:
131,62 – 34,639 + 0,0656 = 97,049 (kg)
Lượng H2O còn lại trong dung dịch:
3304,09 - 67,69 + 8,9073 = 3345,307 (kg)
Bảng cân bằng chất tháp rửa khí kết tinh II
Lượng
Pha
Pha rắn
Pha lỏng
Lượng vào (kg)
CaCl2
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
H2O
NH4OH
1171,125
0,534
0,54825
2,0392
3404,09
0.0656
Lượng ra (kg)
CaCl2
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
H2O
NH4OH
1171,125
0,534
0,54825
2,0392
3345,307
97,046
11
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Pha khí
Tổng
CO2
108,867
NH3
63,93
4751,35
(NH4)2CO3
CO2
47,505
87,093
4751,35
3- Cân bằng chất tháp rửa khí hấp thụ
- Dung dịch vào là dung dịch nước muối đã được làm sạch có thể tích:
- 104 đc
- Thành phần cấu tử của dung dịch vào:
= 2,7189×0,25 = 0,6797 (kg)
- Dung dịch ra có [NH3] = 10đc => Thể tích dung dịch ra tăng 1%
- Khối lượng NH3 đã hấp thụ = 0,5 × 1,295325× 17 = 11,01 (kg)
- Lượng NH4OH tạo thành =
- Lượng H2O bị mất =
Lượng H2O còn lại = 1134,71 – 11,66 = 1123,05 (kg)
- Pha khí bao gồm: CO2 ; NH3; khí trơ.
+ Trong đó: CO2 chiếm 60% V ( coi như CO2 không bị hấp thụ)
NH3 chiếm 25% V (coi như bị hấp thụ hết)
Khí trơ chiếm 15%V
Lượng NH3 vào = 11,22 (kg)
Lượng CO2 vào = 70 (kg)
Lượng khí trơ vào = 12,32 (kg)
Bảng cân bằng chất tháp rửa khí hấp thụ
12
Đồ án mơn học
Lượng pha
Pha rắn
Pha lỏng
Pha khí
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Lượng vào (kg)
NaCl
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
0,679
H2O
NH3
CO2
Khí trơ
Tổng
11,01
70
12,32
1619,5
Lượng ra (kg)
NaCl
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
H2O
NH4OH
CO2
Khí trơ
0.679
22,67
70
12,32
1619,5
4- Cân bằng chất tháp hấp thụ I
- Dung dịch vào tháp hấp thụ I = dd ra tháp RKKT II + dd ra tháp RKHT
- Dung dịch ra của tháp RKHT:
- Dung dịch ra của tháp RKKT II :
Dung dịch vào tháp :
Dung dịch ra
- Tính Vra:
×
119,716 (kg)
47,505 (kg)
= 2,7189 (kg)
- :
13
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Lượng :
283,432 – 74,97 = 208,462 (kg)
Lượng NH4OH được tạo thành H2O ↔ NH4OH
Mặt khác trong quá trình hấp thụ thì nước muối tiếp tục được làm sạch. Ở đây: 2
NH4OH + MgCl2 = Mg(OH)2 ↓ + 2 NH4Cl
mol MgCl2 =
Lượng NH4OH tham gia phản ứng:
(×2)×35 = 0,5386 (kg)
Lượng Mg(OH)2 tạo thành là:
× = 0,4463 (kg)
Lượng NH4Cl tạo thành là:
×2)×89= 0,8234 (kg)
Lượng CO2 có trong dung dịch trước khi vào tháp hấp thụ I = lượng CO2 bị hấp
thụ vào tháp RKKT II = 21,773(kg)
- Dung dịch tháp hấp thụ I có:
= 2778,75 (mol) = vào
CO2 bị hấp thụ sau khi ra khỏi tháp hấp thụ I là:
kg/tấn sản phẩm)
CO2 hấp thụ trong tháp hấp thụ I là:
(kg)
Lượng (NH4)2CO3 tạo thành là:
CO2 + NH4OH ↔ (NH4)2CO3 + H2O
Lượng NH4OH tham gia phản ứng:
H2O tạo ra =
14
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
- (NH4)2CO3 sinh rat ham gia vào quá trình làm sạch nước muối:
(NH4)2CO3 + CaCl2 = + 2 NH4Cl
mol CaCl2 =
Lượng (NH4)2CO3 tham gia phản ứng :
Lượng tạo thành: ×100 = 0,641 (kg)
Lượng NH4Cl được tạo thành : × 53,5 = 0,686 (kg)
Vậy tổng lượng NH4OH trong dung dịch ra khởi tháp hấp thụ I:
119,716+ 429,1875 – 0,5386 – 159,837 = 388,4919 (kg/ tấn sản
phẩm)
- Tổng lượng NH4Cl trong dung dịch ra:
0,823 + 0,686 = 1,5 (kg)
- Tổng lượng (NH4)2CO3 trong dung dịch ra:
47,505 + 219,254 - 0,615= 266,144 (kg)
Tính lượng hơi nước bị ngưng tụ trong tháp hấp thụ I:
Lượng hơi nước bị ngưng tụ lại = lượng hơi nước trong hỗn hợp khí vào
tháp – lượng hơi nước trong hỗn hợp khí ra khỏi tháp.
- Xác định lượng hơi nước trong hỗn hợp khí ra khỏi tháp :
- Hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ I chính là hỗn hợp khí ra từ tháp hấp thụ II
với điều kiện cơng nghệ:
+ Độ chân khơng: 60÷80 mmHg
+ Nhiệt độ : 58℃÷60
- Lượng hỗn hợp khí vào tháp = lượng hỗn hợp khí ra + lượng hỗn hợp khí
bị hấp thụ.
- Hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ I chính là hỗn hợp khí vào của tháp RKKT
với thành phần mol:
= = 0,425 (kmol)
Tổng mol khí ra khỏi tháp hấp thụ I:
0,647 + 1,591 + 0,425 = 2,663 (kmol)
- Khí bị hấp thụ có thành phần mol như sau:
=
Tổng mol khí vào = 2,663+ 12,2625+ 2,284 = 17,21 (mol)
- Ta có: tỷ lệ về thành phần của hơi nước/ hỗn hợp khí = tỷ lệ về áp suất cân
bằng của hơi nước / áp suất cân bằng của hỗn hợp khí.
15
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
- Hỗn hợp khí + hơi nước vào tháp:
+ t = 58℃ => tra được
+ Độ chân khơng: 120mmHg
,21×
Khối lượng hơi nước trong tháp: 4,65×18= 83,7(kg)
- Hỗn hợp hơi nước khi ra khỏi tháp
+ t = 35℃ => tra được
+ Độ chân khơng : 250mmHg
×
Khối lượng hơi nước ra : 0,24×18 =4,323(kg)
Khối lượng hơi nước bị ngưng tụ lại trong dung dịch:
83,7 - 4,323 = 79,377(kg)
Vậy tổng lượng hơi nước ra khỏi tháp hấp thụ I:
+ 79,377 = 4368,119(kg)
- Lượng khí vào tháp:
208,469 + 11,01 = 219,472 (kg)
+ 70 = 170,491(kg)
= 12,32 (kg)
= 11,01 (kg)
= 70 (kg)
= 12,32 (kg)
16
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Bảng cân bằng vật chất tháp hấp thụ I
Pha
Pha rắn
Pha lỏng
Pha khí
Lượng vào (kg)
NaCl
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
H2O
NH4OH
(NH4)2CO3
1561,7
0,7117
0,731
2,7189
4468,3573
119,716
47,5056
NH3
CO2
H2O hơi
Khí trơ
Tổng
Lương ra (kg)
219,4725
170,4946
NaCl
CaCl2
MgCl2
Na2CO3
H2O
NH4OH
NH4)2CO3
NH4Cl
NH3
CO2
1561,7
0,6412
0,44631
2,7189
4368,1195
388,4919
266,1444
1,5095
11,01
70
83,7
12,32
H2O hơi
Khí trơ
4,323
12,32
6687,72 (kg)
6687,42(kg
)
5- Cân bằng chất trong tháp hấp thụ II
- Dung dịch vào tháp hấp thụ II chính là dung dịch ra từ tháp hấp thụ I với:
- Dung dịch ra có:
Ta có: = ×
17
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Tổng lượng NH3 đã được hấp thụ trong dung dịch ra:
5,25 x 17 x 5,928 = 529,074 (kg)
Lượng NH3 bị hấp thụ ở tháp II là : 529,074 – 283,432 = 245,6415 (kg)
NH3 + H2O = NH4OH
245, 6415
.35 505, 7325
17
>> lượng NH4OH tạo thành =
245, 6415
.18 260, 091
17
Lượng H2O tiêu hao =
(kg)
Tổng lượng CO2 bị hấp thụ trong dung dịch ra :
1.9
.5, 928.44 247, 7904
2
(kg)
>> lượng CO2 bị hấp thụ = 247,7904 – 122,265 = 125,5254 (kg)
CO2 + NH4OH = (NH4)2 CO3 + H2O
125,5245
.96 273,8763
44
>> lượng (NH4)2CO3 tạo thành =
(kg)
125,5245
.2.35 199, 6995
44
Lượng NH4OH tham gia phản ứng =
(kg)
125,5245
.18 51,3513
44
Lượng H2O sinh ra =
(kg)
Vậy sau khi ra khỏi tháp hấp thụ II
Tổng lượng NH4OH ra là :
388,4919 + 505,7325 – 199,6995 = 694,5249 (kg)
Tổng lượng (NH4)2CO3 ra = 266,1444 + 273,8736 = 540,018 (kg)
Khí vào tháp chính là khí ra từ thiết bị làm lạnh khí tái sinh
18
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Khí ra khỏi tháp chính là khí đầu vào của tháp hấp thụ I có thành phần :
mNH3 = 219,4725 (kg)
mCO2 = 170,4916 (kg)
mH2O = 83,7 (kg)
m khí trơ = 12,42 (kg)
độ chân không = 120 mmHg
nhiệt độ = 58 oC
Hỗn hợp khí vào : t0 =60 oC
Độ chân khơng = 70 mmHg
Ta có tổng mol hỗn hợp khí ra = 17,21 kmol
Khí bị hấp thụ :
245, 6145
14, 4495
17
nNH3 =
Kmol
125,5254
2,8528
44
nCO2 =
Kmol
>> tổng mol hỗn hợp khí vào = tổng mol hỗn hợp khí ra +tổng mol khí bị hấp thụ =
17,21+14,4495+2,8528 = 43,5123 Kmol
Ta có :
VH2O hơi/V khí =P H2O /(P khí - P H2O)
Tại 60 oC , tra bảng P H2O = 149,4 mmHg
P khí = 760 – 70 = 690 mmHg
>> nH2O hơi
149, 4
9,54
690
149,
4
= 34,5123 x
Kmol
>> khối lượng hơi nước vào = 9,54 x 18 = 171,72(kg)
Khối lượng hơi nước bị ngưng tụ = 171,72 – 83,7 = 88,02 (kg)
19
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Lượng hơi nước ra khỏi tháp hấp thụ II là :
4368,1195 – 260,091 + 51,3513 + 88,02 = 4253,5438 (kg)
Lượng khí vào tháp hấp thụ II :
m NH3 = 219,4725 + 245,61415 = 465,114 (kg)
m CO2 = 170,4916 + 125,5254 = 296,017 (kg)
m hơi H2O = 171,72 (kg)
m khí trơ = 12,32 (kg)
Bảng cân bằng vật chất cho tháp hấp thụ II
Pha
Pha rắn
Pha lỏng
Pha khí
Lượng vào(kg)
Lương ra (kg)
NaCl
1561,7
NaCl
1561,7
CaCl2
0,6412
CaCl2
0,6412
MgCl2
Na2CO3
H2O
0,4463
2,7189
4368,1195
MgCl2
Na2CO3
H2O
0,44631
2,7189
4253,5438
NH4OH
388,4919
NH4OH
694,5249
(NH4)2CO3
266,1444
NH4)2CO3
540,018
NH4Cl
1,5095
NH4Cl
1,5095
NH3
CO2
465,114
296,017
NH3
CO2
219,4725
170,4916
H2O hơi
171,68
H2O hơi
83,7
Khí trơ
12,32
Khí trơ
12,32
Tổng
7534,9 (kg)
7531,08(kg)
V . Cân bằng nhiệt
20
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
1 – cân bằng nhiệt cho tháp hấp thụ I
Dung dịch vào : tov= 25 oC
Dung dịch vào : tor = 60 oC
Khí vào : tokhí vào = 60 oC ,độ chân khơng = 120 mmHg
Khí ra : tokhí ra = 35 oC , độ chân không = 250 mmHg
1.1
nhiệt vào tháp
áp dụng công thức : Qi = mi x Ci x Ti
Qi :nhiệt do cấu tử i mang vào ,(Kj)
mi : khối lượng do cấu tử i mang vào ,(kg)
Ci : nhiệt dung riêng của cấu tử i ,(Kj)/(kg) x độ
Tj : nhiệt độ của cấu tử i , (oC), tra bảng I x 163 trang 175 sổ tay quá trình và thiết
bị hóa chất tập I
Nhiệt dung riêng của dung dịch là : Cdd =3,395 ((Kj)/(kg) độ)
Qdd vào =6201,4359 x 3,395 x 25 =526346,872 (Kj)
Nhiệt do pha khí mang vào (tra bảng I . 178/198 –sổ tay hóa cơng I)
QNH3 = 219,4725 x 2,1813 x 60 = 28724,42 (Kj)
tra bảng I. 149/168 –sổ tay hóa cơng I
Q hơi nước = 83,7 x 4,19 x 60 = 21042,18 (Kj)
tra bảng I. 178/202 –sổ tay hóa cơng I
Q N2 = 12,32 x 1,046 x 60 = 773,20 (Kj)
Nhiệt do phản ứng tạo thành:
Q (NH4)2CO3 = 218,6388 x 789,3 = 172571,6 (Kj)
Q NH4OH = 268,7759 x 2034,4 = 546797,7 (Kj)
21
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Nhiệt do hơi nước ngưng tụ:
Q ngưng tụ =79,377 x 2414,3 = 191939,89 (Kj)
Tổng nhiệt lượng vào tháp hấp thụ I là:
Qv = Qdd + QNH3 + Q (NH4)2CO3 + Q NH4OH + Q ngưng tụ + Qhơi nước
Qv = 526346,872+ 21042,18 + 773,20 + 172571,6 + 546797,7 +191939,89 =
1496897,822 (Kj)
1 .2 Nhiệt ra khỏi tháp
Nhiệt do dung dịch mang ra : tra bảng I . 163 trang 175 sổ tay q trình và thiết bị
hóa chất tập I
Qdd ra =6589,79 x 3,341 x 60 = 1321775,55 (Kj)
Nhiệt do pha khí mang vào (tra bảng I .178/198 –sổ tay hóa cơng I)
QNH3 = 11 , 01 x 2,13 x 35 = 822,825 (Kj)
tra bảng I .180/205 –sổ tay hóa cơng I:
Q CO2 = 70 x 0,836 x 35 =2048,2 (Kj)
tra bảng I . 149/168 –sổ tay hóa cơng I
Q hơi nước = 4,323 x 4,18 x 35 = 632,85 (Kj)
tra bảng I . 178/202 –sổ tay hóa cơng I
Q N2 = 12,32 x 1,041 x 35 = 449,17 (Kj)
Nhiệt tổn thất = 5% nhiệt vào = 0,05 x 1496897,822 = 74844,89 (Kj)
Tổng nhiệt lượng ra là :
Q ra = Qdd ra +Q khí ra + Q tổn thất =1400573,401 (Kj)
1.3
Cân bằng nhiệt do bộ phận làm mát
Dung dịch vào bộ phận làm mát có nhiệt độ : 60 oC
22
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Dung dịch ra khỏi bộ phận làm mát có nhiệt độ : 30oC
>> Lượng nhiệt cần lấy đi là :∆Q = 6589,757 x (3,343 x 60 – 3,395 x 30)=
650607,7 (Kj)
H2O đưa vào làm mát có nhiệt độ : 25 oC
H2O ra sau làm mát có nhiệt độ : 30 oC
>> Lượng nước cần đưa vào làm mát là :
650607, 7
31084, 93
m H2O = ∆Q/(4,186 x (30 - 25)) = 4,18(30 25)
(kg)/tấn sản phẩm
Bảng cân bằng nhiệt tháp hấp thụ I
Nhiệt vào (Kj)
Nhiệt ra (Kj)
Dung dich
526346,872
Dung dịch
1321775,55
Hơi H2O
21042,18
Hơi H2O
632,85
NH3 khí
28724,42
NH3 khí
822,825
CO2 khí
9001,96
CO2 khí
2048,2
Khơng khí
773,20
Khơng khí
449,17
(NH4)2CO3
172571,6
Tổn thất
74844,89
NH4OH
546797,7
H2O ngưng
191639,89
Tổng
1 496 879,822
Tổng
1 492 348,401
2- Cân bằng nhiệt lượng cho tháp hấp thụ II
Dung dịch vào : tov= 30 oC
Dung dịch vào : tor = 65 oC
Khí vào : tokhí vào = 30 oC ,độ chân không = 70 mmHg
23
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Khí ra : tokhí ra = 60C , độ chân khơng = 120mmHg
2 . 1 Nhiệt vào tháp
áp dụng công thức : Qi = mi x Ci x Ti
Qi :nhiệt do cấu tử i mang vào ,(Kj)
mi : khối lượng do cấu tử i mang vào ,(kg)
Ci : nhiệt dung riêng của cấu tử i ,(Kj)/(kg) x độ
Tj : nhiệt độ của cấu tử i , (oC), tra bảng I . 163 trang 175 sổ tay q trình và thiết bị
hóa chất tập I
Nhiệt dung riêng của dung dịch là : Cdd =3,395 ((Kj)/(kg) độ)
Qdd vào =6589,767 x 3,395 x 30 =671167,760 (Kj)
Nhiệt do pha khí mang vào (tra bảng I . 178/198 –sổ tay hóa cơng I)
QNH3 = 465,114 x 2,1436 x 30 = 29911,13 (Kj)
Q CO2 = 296,017 x 0,85 x 30 = 7548,436 (Kj)
tra bảng I . 149/168 –sổ tay hóa cơng I
Q hơi nước = 283,87 x 789,3 = 216168,43 (Kj)
tra bảng I . 178/202 –sổ tay hóa cơng I
Q N2 = 12,32 x 1,042 x 30= 385,12 (Kj)
Nhiệt do phản ứng tạo thành:
Q NH4OH = 306,033 x 2034,4 = 622593,535 (Kj)
Nhiệt do hơi nước ngưng tụ:
Q ngưng tụ =87,98 x 2356,9 = 207360,06 (Kj)
Tổng nhiệt lượng vào tháp hấp thụ I là:
Qv = Qdd + QNH3 + Q CO2 + Q NH4OH + Q ngưng tụ + Qhơi nước
24
Đồ án mơn học
Thiết kế xưởng amon hóa nước muối
Qv = 671167,76 + 29911,13 + 7548,43 + 385,1232 + 21542,13 + 216168,43 +
622595,53 + 207360,06 = 1 776 676,611 (Kj)
2 . 2 Nhiệt ra khỏi tháp
Nhiệt do dung dịch mang ra : tra bảng I . 163 trang 175 sổ tay q trình và thiết bị
hóa chất tập I
Qdd ra 7055,0959 x 3,343 x 65 = 1533037,064 (Kj)
Nhiệt do pha khí mang vào (tra bảng I . 178/198 –sổ tay hóa cơng I)
QNH3 = 219,4725 x 2,156 x 60 = 28393,63 (Kj)
tra bảng I . 180/205 –sổ tay hóa cơng I:
Q CO2 = 170,49 x 0,878 x 60 = 8981,5 (Kj)
tra bảng I .149/168 –sổ tay hóa cơng I
Q hơi nước = 83,7 x 4,19 x 60 = 21047,136 (Kj)
tra bảng I . 178/202 –sổ tay hóa cơng I
Q N2 = 12,32 x 1,041 x 60 =769,51 (Kj)
Nhiệt tổn thất = 5% nhiệt vào = 0,05 x 1776676,611 = 88833,83 (Kj)
Tổng nhiệt lượng ra là :
Q ra = Qdd ra +Q khí ra + Q tổn thất =1 681 062,671 (Kj)
2.3
Cân bằng nhiệt do bộ phận làm mát
Dung dịch vào bộ phận làm mát có nhiệt độ : 65 oC
Dung dịch ra khỏi bộ phận làm mát có nhiệt độ : 30oC
>> Lượng nhiệt cần lấy đi là :∆Q =7055,09 x (3,343 x 65 – 3,395 x 30)=
814475,55 (Kj)
H2O đưa vào làm mát có nhiệt độ : 25 oC
H2O ra sau làm mát có nhiệt độ : 30 oC
25
