Bài tập lớn môn công nghệ axit Đề tài phương pháp xúc tác Ướt trong sản xuất axit sunfuric

SO3 hình thành từ quá trình oxy hóa xúc tác của SO2 phản ứng ngay lập tức với hơi ẩm để tạo thành axit sulfuric ở pha hơi, Axit lỏng được hình thành sau đó do sự ngưng tụ của hơi H₂SO₄ v

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HOÁ VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CÁC CHẤT VÔ CƠ

_○O○ _

BÀI TẬP LỚN

HỌC KỲ 2024.1

MÔN: CÔNG NGHỆ AXIT

ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP XÚC TÁC ƯỚT TRONG SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

Sinh viên thực hiện: Phạm Văn An 20201330

Hoàng Hồng Nhung 20201662 Nguyễn Cẩm Tú 20240725E

\

Hà Nội, năm 2024

A Giới thiệu phương pháp xúc tác ướt

1 Tổng quan về phương pháp

Phương pháp xúc tác ướt là một biến thể đặc biệt của phương pháp tiếp xúc (Contact Process), được thiết kế để xử lý khí SO₂ trong điều kiện có độ ẩm cao hoặc nhiệt độ thấp

Phương pháp xúc tác ướt khác với các phương pháp tiếp xúc axit sulfuric khác ở chỗ khí cấp vẫn chứa hơi ẩm khi tiếp xúc với chất xúc tác SO3 hình thành từ quá trình oxy hóa xúc tác của SO2 phản ứng ngay lập tức với hơi ẩm để tạo thành axit sulfuric ở pha hơi, Axit lỏng được hình thành sau đó do sự ngưng tụ của hơi H₂SO₄ và không phải bởi sự hấp thụ SO3 trong axit sulfuric đậm đặc như trong quy trình tiếp xúc sử dụng khí khô Nồng độ axit sản phẩm phụ thuộc vào tỷ lệ H₂O/SO3 và nhiệt độ ngưng tụ

Nguyên liệu chủ yếu thu được bằng cách:

- Đốt khí thải chứa S (thường chứa H2S), đôi khi bổ sung lưu huỳnh nguyên tố

- Nung hoặc nấu chảy kim loại (luyện kim)

Quy trình xúc tác ướt đặc biệt phù hợp để xử lý khí thải bụi ít thu được từ việc đốt khí thải chứa Hydro sunfua (H₂S)

2 Cơ sở lý thuyết

Khí đầu vào:

Khí đầu vào chứa SO₂, H₂O, và đôi khi có nồng độ thấp của các khí khác

Quy trình không yêu cầu khử nước khí đầu vào, nhờ tận dụng hơi nước có sẵn trong khí

Oxy hóa xúc tác SO₂ thành SO₃:

Khí SO₂ được đưa qua các tầng xúc tác (thường là V₂O₅), nơi xảy ra phản ứng:

2SO2+O2→2SO3

Quá trình này tạo ra nhiệt lượng đáng kể, được kiểm soát bằng các thiết bị trao đổi nhiệt

Tạo H₂SO₄ dạng khí :

SO₃ sau đó phản ứng với hơi nước (H₂O) trong khí để tạo thành axit sulfuric dạng khí:

SO3+H2O→H2SO4(k) Ngưng tụ H₂SO₄ dạng lỏng:

H₂SO₄(k) được làm mát trong các thiết bị ngưng tụ đặc biệt (thường làm mát bằng không khí), tạo thành axit sulfuric lỏng mạnh (~98% khối lượng)

Tận dụng nhiệt:

Nhiệt sinh ra từ quá trình oxy hóa và ngưng tụ được thu hồi để sử dụng cho các mục đích khác, như tạo hơi nước hoặc sản xuất năng lượng

B Một số sơ đồ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp ướt

I Quy trình xúc tác ướt cổ điển.

Được phát triển bởi Lurgi từ những năm 1930

Khí thải chứa hydro sunfua được đốt ở khoảng 500 – 1000 °C (tùy thuộc vào thành phần của chúng) với lượng không khí dư

Khí lưu huỳnh đioxit nóng được làm mát đến khoảng 440 °C trong nồi hơi và sau

đó đi trực tiếp vào tháp tiếp xúc Tháp tiếp xúc có 3-4 lớp xúc tác, giữa các lớp này được làm mát bằng không khí

Khí từ tháp tiếp xúc đi vào tháp ngưng tụ ở khoảng 420–430 °C Tại đây, khí được làm mát để ngưng tụ thành axit sulfuric thông qua hệ thống tưới phun sử dụng axit sulfuric tuần hoàn

Mù axit hình thành được loại bỏ khỏi khí thải bằng cách đi qua bộ lọc mù Axit sulfuric thu được sẽ được đưa trở lại hệ thống tuần hoàn trong tháp ngưng tụ

Quy trình này thường được thiết kế để sản xuất H2SO4 với nồng độ 78% Ngay cả khi

tỷ lệ H₂O/SO₃ của khí rời bộ chuyển đổi đủ cao để đạt nồng độ sản phẩm 78% (giả

sử ngưng tụ hoàn toàn của SO3 và nước), vẫn không nên vận hành ở mức nồng độ cao hơn vì nồng độ 80–90% của H₂SO₄ có khả năng gây ăn mòn cao đối với hầu hết các vật liệu thông thường Hàm lượng nước trong khí hydro sunfua ẩm thường không đủ

để duy trì nồng độ axit >90%

Quá trình xúc tác ướt cổ điển thường không thể được sử dụng để xử lý khí chứa H2S

ẩm vì hàm lượng nước của khí chứa SO2 thu được sẽ quá cao để cho phép sản xuất axit sunfuric 78%

II Quy trình Concat

Quy trình Concat của Lurgi khác với quy trình xúc tác ướt cổ điển ở cách thực hiện ngưng tụ Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn

Giai đoạn đầu tiên, được gọi là ngưng tụ nóng, phần lớn SO3 hoặc H2SO4 ngưng tụ ở khoảng 180 – 230 °C từ các khí nóng, thoát ra khỏi tháp tiếp xúc Ở nhiệt độ ngưng tụ cao này, chỉ một phần rất nhỏ nước tự do đi từ luồng khí vào axit sunfuric ngưng tụ

do áp suất riêng phần của hơi nước tương đối cao so với axit sunfuric ở nhiệt độ này

Do đó, axit có hàm lượng H2SO4 93% có thể thu được ở giai đoạn ngưng tụ đầu tiên Phần này sử dụng bộ lọc Venturi, trong đó axit tuần hoàn được phun theo hướng đồng thời với khí để đảm bảo pha khí hòa trộn chặt chẽ với pha lỏng và loại bỏ hiệu quả nhất nhiệt hình thành và nhiệt ẩn ngưng tụ của axit sunfuric Khi khí đi qua giữa giai đoạn ngưng tụ thứ nhất và thứ hai, không khí bổ sung được đưa vào vừa để làm mát vừa để giảm áp suất hơi nước thông qua quá trình pha loãng

Giai đoạn thứ hai là một tháp chứa đầy axit sunfuric tương đối loãng Trong quá trình này, khí được làm mát thêm và điều này thúc đẩy quá trình ngưng tụ hơi axit sunfuric còn lại Khí rời khỏi tháp ngưng tụ được giải phóng khỏi mù axit còn lại trong bộ lọc

mù trước khi được thải ra ống khói Axit sunfuric tách ra trong lọc mù chảy vào mạch axit của tháp ngưng tụ, từ bể chứa axit dư chảy qua giai đoạn ngưng tụ nóng Axit nóng trong mạch venturi được làm mát gián tiếp

Nhờ vào quá trình ngưng tụ hai giai đoạn này và nguyên lý ngưng tụ nóng đồng thời, quy trình Concat có thể xử lý khí có hàm lượng SO2 nhỏ hơn 1% thể tích và hàm lượng nước vượt quá yêu cầu về thành phần hóa học, tạo ra axit sunfuric 78% hoặc 93%

III Quy trình Topsoe ( WSA)

Quy trình này thu hồi hiệu quả lưu huỳnh dưới dạng axit sunfuric 98% từ khí đầu vào có nồng độ SO₂ thấp (<6,5% thể tích) và chứa H₂O(g) Điều này nhờ vào hệ

thống ngưng tụ độc đáo, cho phép ngưng tụ H₂SO₄(l) với lượng hấp thụ H₂O vào axit rất ít Quy trình này có khả năng thu hồi hơn 99% lưu huỳnh từ khí đầu vào để chuyển hóa thành axit Để đạt mức thu hồi cao hơn, cần bổ sung hệ thống rửa khí thải

Ban đầu bụi và các tạp chất như As và HF được loại bỏ bằng cách rửa nếu chúng có nồng độ đáng kể

Bộ trao đổi nhiệt đầu tiên sử dụng không khí nóng từ thiết bị ngưng tụ WSA, trong khi bộ thứ hai sử dụng khí nóng đã chuyển đổi

Trong tháp tiếp xúc, SO2 được oxy hóa thành SO3 Trong thiết bị trao đổi nhiệt tiếp theo, nhiệt độ của khí được giảm xuống Quá trình làm mát khiến SO3 phản ứng với nước trong khí thải để tạo thành hơi axit sunfuric Nhiệt giải phóng bởi quá trình hydrat hóa pha khí này được truyền sang các khí lạnh chứa SO2 đầu vào Cuối cùng, hơi axit sunfuric được ngưng tụ thành axit cô đặc trong thiết bị ngưng tụ/cô đặc WSA, đây là thiết bị ống thủy tinh làm mát bằng không khí Khí chứa axit sunfuric đi qua phía ống và được làm mát đến khoảng 100 °C bằng không khí xung quanh đi qua phía vỏ

Axit sunfuric ngưng tụ có chọn lọc và chảy xuống thành ống thủy tinh Axit được cô đặc ở phần dưới của ống bằng cách tiếp xúc ngược dòng với khí thải nóng; sau đó axit được thu thập ở đáy thiết bị ngưng tụ

Axit nóng thoát ra khỏi bình ngưng được làm mát trong bộ làm mát tấm làm mát bằng nước trước khi được bơm vào bể chứa Kiểm soát cẩn thận nhiệt độ và sự hình thành giọt axit sunfuric giúp duy trì mức axit sunfuric trong khí thải đã làm sạch ở mức thấp

mà không cần sử dụng bất kỳ bộ lọc tĩnh điện ướt hoặc bộ lọc cơ học tốc độ thấp nào sau đó Khí thải đã làm sạch thoát ra khỏi đỉnh bình ngưng và đi vào ống khói Không khí làm mát thoát ra khỏi bình ngưng ở nhiệt độ khoảng 200 °C và được sử dụng để làm nóng trước khí cấp lạnh

C Các vấn đề trong dây chuyền sản xuất theo phương pháp xúc tác ướt.

Các ngành công nghiệp sử dụng phương pháp này phần lớn các ngành này đốt các sản phẩm phụ chứa lưu huỳnh trong không khí để tạo SO₂, H₂O(k), O₂, N₂ Ngoại lệ

là quá trình chiết xuất kim loại màu, nơi các khí đầu vào SO₂, H₂O(g), O₂, N₂ được cấp trực tiếp Các thành phần chính chứa lưu huỳnh trong khí đầu vào là H₂S, CS₂ và COS

Ưu điểm chính của phương pháp này:

Hiệu suất thu hồi cao: Thu hồi hơn 99% lưu huỳnh từ khí đầu vào

Không cần khử nước khí: Loại bỏ bước xử lý khí phức tạp, tiết kiệm chi phí Bảo vệ môi trường: Giảm phát thải khí độc hại (SO₂) ra môi trường

Hiệu quả năng lượng: Tận dụng nhiệt thừa để tối ưu hóa năng lượng trong nhà máy

Một số hạn chế ở năm 2013 là Nhiệt độ ngưng tụ phải < 290°C do giới hạn của vật liệu cấu tạo thiết bị Điều này ảnh hưởng đến:

Nồng độ H₂SO₄(k) trong khí đầu vào bộ ngưng tụ bị giới hạn dưới ~6,5% thể tích (tương ứng với nồng độ SO₂ trong khí đầu vào nhà máy)

Nếu nồng độ H₂SO₄(k) vượt mức này (~7% thể tích), các vấn đề sau sẽ xảy ra:

Khí thoát ra từ bộ chuyển đổi phải duy trì trên 300°C để tránh ngưng tụ axit sulfuric ăn mòn trong ống dẫn từ bộ chuyển đổi đến bộ ngưng tụ

Việc ngưng tụ H₂SO₄(k) ở nhiệt độ gần 300°C có thể gây hư hại một số bộ phận của bộ ngưng tụ

Hệ quả là, vào năm 2013, khí đầu vào của công nghệ WSA phải chứa

ít hơn 6,5% thể tích SO₂ Điều này đồng nghĩa với việc khí có nồng độ SO₂ cao (10-12% thể tích) từ các quá trình đốt cháy lưu huỳnh hoặc nấu chảy không thể được xử lý trực tiếp

Mặc dù có thể pha loãng khí này bằng không khí, việc làm như vậy sẽ làm tăng đáng kể chi phí vốn và vận hành

Khí nguyên liệu phải có mức bụi trong khí thấp (0,001 g bụi trên Nm3) Hàm lượng flo thấp (<0,001 g F trên Nm3 khí cấp) cũng quan trọng để giảm thiểu sự

ăn mòn thiết bị thủy tinh