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

Trong công nghiệp dầu mỏ, amiac được sử dụng làm chất trung hòa để tránh ănmòn trong các thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt của quá trình chưng cất.Ngoài ra amiac còn dùng c

Lời mở đầu

Cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu về kỹ thuật điều khiển quá trình hệ thốngcũng ngày càng được nâng cao Trong đó, các quá trình thu hồi, lưu trữ và vận chuyểnammoniac đều có các công nghệ và thiết bị cụ thể nhằm giúp tiết kiệm được chi phíđầu 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 suấtlớn, tiêu hao năng lượng không nhiều…để mang lại hiệu quả kinh tế cao, không gâyảnh hưởng môi trường và con người Trong đồ án này, chúng em đã tiến hành tínhtoán, thiết kế hệ thống thu hồi NH3 bằng phương pháp bão hòa H2SO4.

Lời cảm ơn

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

Vũng Tàu,… tháng … năm 2013

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 thandùng thắp sáng, sau những năm 1800, từ công nghiệp than cốc phục vụ sản xuất thép ởChâu 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 + QChính vì hiện nay lượng amoni sunphat sử dụng ngày càng nhiều nên việc cải thiệnnguồn 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 NH3

mà còn phải biết sơ lược về các thành phần trong khí cốc, từ đó chúng ta mới tính toánđược chính xác lượng chất và nhiệt của quá trình thu hồi

1.2.1 Sunfat amon (còn gọi là phân SA)

Đạm sunphat là loại phân có tác dụng nhanh, rất chóng phát huy tác dụng đối vớicây trồng, cho nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần để tránh mấtđạm.

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 làphân muối diêm

Dễ tan trong nước, không vón cục Thường ở trạng thái tơi rời, dễ bảo quản, dễ sửdụng

Tuy nhiên, nếu để trong môi trường ẩm phân dễ vốn cục, đóng lại thành từng tảngrất khó đem bón cho cây

Có thể đem bón cho tất cả các loại cây trồng, trên nhiều loại đất khác nhau, miễn làđất không bị phèn, bị chua Nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân mới dùng được đạmsunphat amôn

1.2.2 Amiac (NH 3 ).

a Khái niệm

Thuật ngữ “Amôniăc” có nguồn gốc từ một liên kết hóa học có tên là “cloruaammoni” được tìm thấy gần đền thời thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập Người đầu tiênchế ra amoniac nguyên chất là nhà hóa học Dzoze Prisly Ông đã thực hiện thành côngthí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó người ta gọi amoniac là “chất khí kiềm”

- 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 ( 200C) thì 1 thể tích nước hòa tankhoảng 700 thể tích Ammonia theo phản ứng:

NH3 + H2O HN4OH + QKhi tăng nhiệt độ, độ tan của Ammonia giảm xuống, do nó thoát ra khỏi dung dịchđậm đặc khi đun nóng, và đôi khi người ta dùng phương pháp này để điều chế mộtlượng nhỏ Ammonia trong phòng thí nghiệm

Ở nhiệt độ thấp, từ dung dịch Ammonia có thể tách ra Hydrate tinh thể NH3 H2O.Tinh thể này nóng chảy ở -790C Trong các hydrate này, các phân tử nước và Amiackết 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 khácnhau Nitrogen trong Amiac có mức oxy hóa thấp nhất ( -3 ) Do đó NH3 thể hiện tínhchất 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:

Tất cả các muối tạo thành của các phản ứng trên đều là các dạng phân đạm đượcứng 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

Làm việc ổn định

Hiệu suất cao

Cấu tạo phức tạoChi phí caoKhó dùng H2SO4

Thùng bão hòa

Cấu tạo đơn giản

Tiên lợi khi dùng H2SO4 bão hòa

Axít sulfuric (H2S O 4) 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.

Khi làm lạnh sẽ hoá rắn thành những tinh thể nóng chảy ở 10,49 oC Tuy nhiên, axítlỏng 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 SO3 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

- 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) CuSO4 + SO2+ 2H2O2Fe + 6H2SO4 (đặc, nóng) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

- Tác dụng với phi kim (C,S,P)

S + 2H2SO4 3SO2 + 2H2O

C + 2H2SO4 CO2 + 2SO2 + 2H2O

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

2HI + H2SO4 I2 + SO2 + 2H2O

1.3 Ứng dụng amiac

NH3 là một chất quan trọng trong quá trình sản xuất cũng như tổng hợp các hợp chấtkhác trong công nghiệp, chinh vì thế amiac được dùng khá phổ biến và đa dạng trongnhiều loại hình sản xuất như là:

Dùng trong công nghiệp sản xuất phân bón để cung cấp một lượng đạm cao, dùngcho 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 điềuchỉnh độ pH trong quá trình polymer hóa

Trong công nghiệp dầu mỏ, amiac được sử dụng làm chất trung hòa để tránh ănmòn 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 SO2,

NOx… và y học như sản xuất thuốc sunfanilamide, sunfapyridine…

Chính những ứng dụng đa dạng trên cho chúng ta thấy việc sản xuất NH3 rất là quantrọng, trong đó việc thu hồi NH3 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 NH3 bằng phươngpháp 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 hòatrong sản xuất sunfat amon, từ đó chúng ta có thể sử dụng NH3 cho các mục đích khácnhau để nâng cao giá trị sử dụng cũng như kinh tế, kỹ thuật

CHƯƠNG 2 DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SUNPHAT

AMON

2.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất sunfat amon

2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Phần khí cốc chứa một lượng NH3 sau khi qua máy nén để tăng áp suất và máy lọcđiện loại bỏ các tạp chất sẽ được đưa vào máy gia nhiệt (1) Tại đây, khí cốc đạtkhoảng 3 – 4 atm, đồng thời nhiệt độ đạt 60 – 70oC, nguồn nhiệt cung cấp cho thiết bịlấy từ tubin hơi Tiếp theo khí cốc sẽ đi vào thùng bão hòa số (2), nhờ phương phápbão hòa axit sunfuric, NH3 sẽ tách hoàn toàn ra khỏi khí cốc do NH3 tác dụng với

H2SO4 tạo ra sunfat amoni Ngoài amiac đi cùng với khí cốc, NH3 còn được đưa vàothùng bão hòa từ thiết bị hồi lưu

2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4 + QCác khí còn lại trong khí cốc khô và các hydrocacbon bezen, H2S, hơi nước, một ítaxit 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 từthùng cao vị (14) Axit sunfuric trong thùng bão hòa liên kết bazo pyridine trong dạngsunfat 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 nướckhống chế axit sunfuric 6 – 8% Sau khi phản ứng, khí cốc sẽ còn lại NH3 khoảng3g/100m3, đồng thời còn một lượng axit sunfuric nhỏ bị cuốn theo Để giữ lại nhữnggiọt 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 khícốc 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 trongthùng 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

-40 m3/h Phần nhẹ ở trên thùng tuần hoàn sẽ tạo thành nhựa và được chảy tràn sangthùng 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 lênthùng chứa tinh thể (9), tại đây tinh thể sunfat amon sẽ lắng xuống đáy, còn dung dịchnước cái ở trên một phần sẽ được đưa đi thùng trung hòa để khử pyridine, phần kia sẽchảy tràn xuống thùng bão hòa (2) Tinh thể sunfat amon ở đáy thùng (9) được đưaxuống thiết bị ly tâm (10) để tách hoàn toàn dung dịch nước cái còn lại trong sunfatamon, 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 ẩmkhông quá 0,5% với nhiệt độ sấy là 110 – 130oC Sau khi tinh thể sunfat amon đạt yêucầu thì được băng tải (13) đưa vào kho để cất trữ

CHƯƠNG 3 THÙNG BÃO HÒA

- 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

Khi đưa vào thùng bão hòa :

* 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:

Khí cốc: Lượng nước đi ra từ khí cốc được xác định từ cân bằng nước :

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 ngâmtrong vùng chứa dung dịch nước cái Ở vùng này có những mái chèo phân phối nằm

vào mái chèo đẩy, tạo thành dòng chuyển động tăng so với vòng tròn trung tâm Nhờvậy khi khí cốc đi ra từ vùng phân phối vào trong vùng nước cái sẽ làm cho dung dịchnước cái quay tròn làm tăng khả năng khuấy trộn dung dịch axit và làm đồng đều dungdịch 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 phíatrên theo phương thẳng đứng với tốc độ 0.7m/s, và đi qua khe hẹp không gian ở phíatrên 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 xuốngphía dưới một cách gián đoạn thông qua vòi phun (4) được đặt phía trên nắp thu hồi cóthùng bão hòa theo hình tròn

Nước được phun vào không gian của hộ thu hồi sẽ rửa các giọt axit bắn lên và cáctinh 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:

3.4.1.2 Nhiệt do hơi NH 3 và hơi nước từ cột với nhiệt độ hơi bằng 100 0 C:

a) Nhiệt do NH3 mang vào:

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 (NH4)2SO4, ta thu đượcdung dịch có khối lượng là 12610 (kg/h)

Q4 = 12610.0,64.40 = 323000 (kcal/h).

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:

n2: số mol H2SO4 78%.

n1=94.9818.6 =85 ,3 ; n2=22.98

18.78 1,54 ;

Khi đó: q3=17860 ( 85 ,3 1,7983+85,3 −

1,54 1,7983+1,54 ) = 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:

3.4.2.1 Nhiệt mang ra khỏi khí cốc ở t = 60 0 C.

a) Nhiệt lượng do khí cốc khô mang ra:

3.4.2.2 Nhiệt mang ra bởi nước cái và sunfat amoni.

Lượng dung dịch nước cái:

tthanh : nhiệt độ của thành vùng bão hòa ở 500C

tkk : nhiệt độ của không khí ở -200C