Tự động hóa quá trình chuyển hóa SO2

Axít Sunfuric là một hóa chất thông dụng nhất, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, vì vậy nó được sản xuất nhiều với quy mô công nghiệp. Trong công nghiệp axít Sunfuric được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp oxy hóa tạo SO3 sau đó được hấp thụ bằng nước. Nội dung của bài tiểu luận bao gồm các phần sau: Mô tả công nghệ sản xuất axít sunfuric Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động hóa Mô hình toán học quá trình trao đổi nhiệt Đo lường và điều khiển

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXÍT SUNFURIC 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Sản xuất axít sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc 3

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI TƯỢNG TỰ ĐỘNG HÓA 7

2.1 Lựa chọn đối tượng điều chỉnh 7

2.2 Lựa chọn thông số điều chỉnh 10

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT 12

3.1 Phương trình động học 12

3.2 Hàm truyền 14

CHƯƠNG 4: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 16

4.1 Giới thiệu 16

4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển 16

4.3 Dụng cụ đo 17

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

L ỜI NÓI ĐẦU

và đang cố gắng tìm hiểu và phát triển các phương pháp để hoàn thiện quá trình tự động hóa trong dây chuyền sản xuất nhằm đạt được hiệu quả tối ưu nhất

trong dây truy ền sản xất axít Sunfuric”

được hấp thụ bằng nước

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXÍT SUNFURIC 1.1 Gi ới thiệu chung

Đầu tiên, người ta điều chế bằng cách chưng sunfat sắt Đến nửa cuối thế kỷ 15, người ta đốt lưu huỳnh và diêm tiêu (muối Nitrat) trong các bình lớn có thấm nước

để điều chế axít sunfuric dùng trong y học Năm 1740, nhà máy axít sunfuric mang

sau đó dùng nước hấp thụ khí bay ra trong các phòng chì Vì vậy, phương pháp này thường được gọi là phương pháp phòng chì Đầu thế kỷ 20, người ta dùng các tháp đệm thay cho các phòng chì và từ đó hình thành phương pháp tháp, sản xuất với

phương pháp tiếp xúc Ngày nay, trên thế giới phương pháp tiếp xúc ngày càng phổ

tư xây dựng các nhà máy sản xuất axít sunfuric nhằm cung cấp nguyên liệu cho

1.2 S ản xuất axít sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc

Để sản xuất axít sunfuric có rất nhiều nguyên liệu khác nhau như: quặng Pyrit, lưu huỳnh nguyên tố, các khí luyện kim loại mầu Hiện nay, nước ta sử dụng

môi trường

 Các công đoạn sản xuất axít sunfuric theo công nghệ tiếp xúc đi từ lưu

hu ỳnh rắn:

Lưu huỳnh rắn từ kho chứa được đưa vào thiết bị nấu chảy lưu huỳnh Lưu

độ lưu huỳnh lỏng tại 140 - 145°C

Lưu huỳnh lỏng có nhiệt độ 140 - 145°C từ công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh được bơm sang công đoạn đốt lưu huỳnh Lưu huỳnh được phun vào lò đốt lưu huỳnh

phương trình sau:

Đây là phản ứng toả nhiệt, giảm thể tích Cơ sở hoá lý của quá trình oxy hoá

khăn nhất của toàn bộ dây chuyền công nghệ sản xuất axít sunfuric

hợp khí xuống, trước khi đưa vào tháp hấp thụ thứ hai Phản ứng tổng quát của công đoạn này là:

khí được qua tháp tách giọt để tách hoàn toàn mù axít cuốn theo pha khí

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất axít sunfuric từ lưu huỳnh rắn

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ

ĐỐI TƯỢNG TỰ ĐỘNG HÓA

Điều chỉnh các quá trình công nghệ là một phần không thể thiếu trong bất kỳ

như: điều chỉnh chỉnh định, điều chỉnh theo chương trình, điều chỉnh theo dõi, điều

2.1 L ựa chọn đối tượng điều chỉnh

công đoạn quan trọng và khó khăn nhất Công đoạn này quyết định tới công suất,

lưỡng nhằm tìm ra những điều kiện công nghệ thích hợp tiến hành quá trình để đạt năng suất cao và giá thành hạ Sau đây, ta sẽ tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình này

Đây là phản ứng giảm thể tích và toả nhiệt Quan hệ giữa hằng số cân bằng và

đến hằng số cân bằng của phản ứng

450 947,191 137,4

ứng ( Nhiệt độ 475°C, áp suất 1 at)

Hàm lượng khí (% thể tích)

M ức chuyển hoá

2

4

6

7

8

10

18,14 15,28 12,43 11,00 9,58 6,72

97,1 96,8 96,2 95,8 95,2 92,3

hoá này

Trong điều kiện sản xuất, áp suất làm việc và nồng độ hỗn hợp đầu được quy định trước và xem như không đổi Như vậy, tại một mức chuyển hoá, tốc độ oxy

Như đã nói ở trên, hai hằng số này lại phụ thuộc vào nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ,

Như vậy, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng dần, đạt đến một giá trị cực đại Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn chế độ nhiệt độ làm việc

người ta tiến hành làm lạnh hỗn hợp khí của quá trình gần tới nhiệt độ thích hợp

Nhi ệt độ °C

Tại Công ty Supe phốt phát và hoá chất Lâm Thao, với nồng độ SO2 ban đầu

B ảng 4 Các chỉ tiêu về nhiệt độ qua các lớp xúc tác của tháp tiếp xúc

L ớp xúc tác Nhi ệt độ vào

( °C)

Nhi ệt độ ra ( °C)

M ức chuyển hoá (%)

K ết luận:

Đối tượng điều chỉnh là tháp chuyển hoá Phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ hỗn

quy định trước và xem như không đổi

2.2 L ựa chọn thông số điều chỉnh

t ế, nồng độ hỗn hợp khí vào cũng được điều chỉnh)

đó ta có thể điều khiển được hỗn hợp khí theo các khoảng nhiệt độ thích hợp đã biết

Hình 2.2 Sơ đồ tự động hóa trong công đoạn chuyển hóa SO 2

1010 1010 tit ti

1009tit

1011 1011

1002 1015

tit 1015

ti

ti

pt 1008

1007

ti c 1006

1006 tit

tit

ti c

1004 1004 tit

p i 1008

ti 1007

1005 1005

1001

1001p i pt

1003

1002tit

tit

1015

ti c

ti 1015

1016 tit

1016 pt

1012 ti 1012 tit

1014 tit

ti 1014

pt 1013 tit 1013

1013 1013

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT

Ở các phân tích trên, hỗn hợp khí vào các tầng xúc tác phải có nhiệt độ phù hợp

trao đổi nhiệt dạng ống trùm Hỗn hợp khí chuyển hoá đi trong ống, không khí khô

đi ngoài ống Điểm đo được đo ngay tại mặt trên của tầng xúc tác tiếp theo Với quy

chùm

3.1 Phương trình động học

Đây là một hệ thống tự động phức tạp, để giải quyết bài toán đơn giản hơn, ta

đổi theo thời gian và bằng G

H ỗn hợp khí

SO2

Không khí

Không khí

e) Nhiệt dung riêng Cp của các môi chất không đổi trong suốt quá trình trao đổi nhiệt

trao đổi nhiệt

Hình 3.2 Sơ đồ tự động điều chỉnh thiết bị trao đổi nhiệt

Trong đó:

độ ra với lưu lượng vào của hỗn hợp khí chuyển hoá

Phương trình cân bằng nhiệt lượng (Xét trong khoảng thời gian nhỏ) :

dt

Phương trình cân bằng tĩnh học ( Thiết bị làm việc trong điều kiện ổn định):

Không khí ra

G,θ1R

Không khí vào θ2V

TIC

TIT

Mặt khác:

Thay vào (4), ta được:

Thay vào, ta được:

dt

d

dt

y

0 RA

1

RA

θ

θ

∆

Q

C G 0

0 RA 1

Q

)

F K C W (

0

0 RA 1 P

W

W

0

=

∆

dt

dy

+ B.y = X;

3.2 Hàm truy ền

(A.p + B).y(p) = X(p)

) B p A (

1 + X(p)

W(p) =

) B p A ( 1 +

Nhận thấy rằng, trong thực tế sản xuất luôn luôn tồn tại yếu tố trễ thời gian vận

+

p

e ) B p A ( 1

Trong đó: τ - Thời gian trễ vận chuyển

CHƯƠNG 4: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Gi ới thiệu

Đối với một hệ thống đo lường và điều khiển, có hai vấn đề cơ bản và quan trọng

định của tháp tiếp xúc cũng chính là sự làm việc ổn định của toàn nhà máy, sản

4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển

Trong sơ đồ hệ thống điều khiển cho thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt độ tại đầu ra

điện, tín hiệu qua hệ thống chuyển đổi và đưa về tủ điều khiển Tại đây, nhiệt độ đo được được so sánh với nhiệt độ đặt

được mở ra Lưu lượng khí chuyển hoá cần làm nguội tăng lên

được đóng bớt lại Lưu lượng khí chuyển hoá cần làm nguội giảm đi

Nếu ε = 0, có nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được bằng giá trị đặt Không có tác động điều chỉnh

4.3 D ụng cụ đo

Để đo được nhiệt độ hỗn hợp khí chuyển hoá vào các tầng xúc tác, cần có các

Năm 1821, Seebeck đã phát minh ra nhiệt điện kế dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

đầu sẽ tạo ra độ chênh lệch điện thế (suất điện động), dưới tác động của nó tạo ra dòng điện trong mạch kín Giá trị của suất điện động phụ thuộc vào loại vật liệu của

Giá trị đo θ M

Tác động

Cặp

nhiệt

Chuyển đổi

+

-

So sánh

Giá tr ị

đặt θR

Điều khiển tại

nhi ệt độ θ 2

Eθ1,θ2

Eθ2,0

Đầu đo của cặp nhiệt điện

Thành thiết bị

Dòng có nhiệt độ θ 1

Eθ1,0

Hình 4.3 Sơ đồ lắp ráp cặp nhiệt điện

Trong đó: θ là nhiệt độ

Khi đó, ta có thể xác định được nhiệt độ theo công thức:

1 2

1 0

X X

) X X (

100 ) C (

−

−

= θ

ống bảo vệ kim loại

M ối nối

L ớp bảo vệ dây kim loại

Thành thi ết bị hoặc thành ống

Dây chì (4 – 20mA)

K ẾT LUẬN

đỡ tôi hiểu thêm các kiến thức cơ bản về tự động hoá các quá trình công nghệ hoá

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

3 J.F.Richardson, Chemical Engineering Volume 3, Chemical & Biochemical

& Process Control, 2009