Tự động hóa quá trình xử lý nước trong trạm nước khử khoáng trong công nghiệp sản xuất axit Sunphuric

Axít sulfuric hay axít sulphuric, H2SO4, 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, Jabir ibn 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. Sản lượng của thế giới năm 2001 là 165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ 8 tỷ USD. Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ. Nhiều prôtêin được tạo thành từ axít amin có chứa sulfua. Các axít này tạo ra axít sulfuric (hay ion sulfat, SO42) khi chúng được trao đổi trong cơ thể Quy trình sản xuất trong các nhà máy công nghiệp nói chung và sản xuất axit sunphuric nói riêng cần nước có độ tinh khiết cao để sản xuất có hiệu quả và ngăn chặn sự cố kĩ thuật do nước cứng và nước nhiễm bẩn gây ra. Các nguồn nước cấp hiện nay chứa lượng khoáng hoàn toàn cao các chất này tồn tại dưới dạng ion mang điện tích làm cho quá trình sản xuất kém hiệu quả.

LỜI MỞ ĐẦU

Nói đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không nói đến sự tự động hóa Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa, thực phẩm là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất và thực phẩm Bởi tự động hóa là việc ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị, các máy điều khiển Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với các tiêu chuẩn (điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người Do đó, tự động hóa giúp nâng cao năng suất lao động, cho phép làm ra những sản phẩm chất lượng cao, ổn định, giá thành thấp

Chính vì những lợi ích trên mà các nhà công nghệ luôn tìm mọi cách để tự động hóa dây chuyền sản xuất của mình đến mức có thể

Bài tiểu luận này xin trình bày về “Tự động hóa quá trình xử lý nước trong trạm nước khử khoáng trong công nghiệp sản xuất axit Sunphuric ”.

Axít sulfuric hay axít sulphuric, 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, Jabir ibn 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 Sản lượng của thế giới năm 2001 là

165 triệu tấn, với giá trị xấp xỉ 8 tỷ USD Ứng dụng chủ yếu của nó bao gồm sản xuất phân bón, chế biến quặng, tổng hợp hóa học, xử lý nước thải và tinh chế dầu mỏ

Nhiều prôtêin được tạo thành từ axít amin có chứa sulfua Các axít này tạo ra axít sulfuric (hay ion sulfat, SO42-) khi chúng được trao đổi trong cơ thể

Quy trình sản xuất trong các nhà máy công nghiệp nói chung và sản xuất axitsunphuric nói riêng cần nước có độ tinh khiết cao để sản xuất có hiệu quả và ngăn chặn sự cố kĩ thuật do nước cứng và nước nhiễm bẩn gây ra Các nguồn nước cấp hiện nay chứa lượng khoáng hoàn toàn cao các chất này tồn tại dưới dạng ion mang điện tích làm cho quá trình sản xuất kém hiệu quả

CHƯƠNG I

Mễ TẢ QUÁ TRèNH CễNG NGHỆ SẢN XUẤT

thuật công nghệ sản xuất:

 Thời gian sản xuất ~333 ngày (8.000 giờ)

 Xởng sản xuất axít Sunphuríc bao gồm các công đoạn chính nh sau:

Kho Lu huỳnh Công đoạn nấu chảy lu huỳnh Công đoạn đốt và tiếp xúc Công đoạn sấy và hấp thụ Kho chứa Axít Sunphuaríc Axớt sulfuric được sản xuất từ lưu huỳnh, ụxy và nước theo cụng nghệ tiếp xỳc Trong giai đoạn đầu lưu huỳnh bị đốt để tạo ra điụxớt lưu huỳnh

(1) S(rắn) + O2(khớ) → SO2(khớ)

Sau đú nú bị ụxi húa thành triụxớt lưu huỳnh bởi ụxy với sự cú mặt của chất xỳc tỏc ụxớt vanadi (V)

(2) 2SO2 + O2(khớ) → 2SO3(khớ) (với sự cú mặt của V2O5

Cuối cựng triụxớt lưu huỳnh được xử lý bằng nước (trong dạng 97-98% H2SO4

chứa 2-3% nước) để sản xuất axớt sulfuric 98-99%

(3) SO3(khớ) + H2O(lỏng) → H2SO4(lỏng)

Bờn cạnh đú, SO3 cũng bị hấp thụ bởi H2SO4 để tạo ra ụleum (H2S2O7), chất này sau đú bị làm loóng để tạo thành axớt sulfuric

(4) H2SO4(lỏng) + SO3 → H2S2O7(lỏng)

ễleum sau đú phản ứng với nước để tạo H2SO4 đậm đặc

(5) H2S2O7(lỏng) + H2O(lỏng) → 2 H2SO4(lỏng)

Có 2 phơng pháp:

Phơng pháp tiếp xúc: dùng V2O5 hoặc K2O làm xúc tác

Phơng pháp tháp: dùng NO làm xúc tác, xảy ra trong tháp đệm

-Phơng pháp tiếp xúc cho nồng độ axit cao (98 – 99%), tuy nhiên chi phí cao Trong phơng pháp tiếp xúc bao gồm: phơng pháp tiếp xúc đơn và tiếp xúc kép Ngày nay trên thế giới và trong nớc sử dụng chủ yếu phơng pháp tiếp xúc kép với xúc tác là V2O5

-Phơng pháp tháp: chi phí đầu t đơn giản nhng nồng độ axit chỉ đạt 70 – 75% Phơng pháp này chỉ đợc dùng trong trờng hợp sản xuất hỗn hợp axit sunfuric và nitric

Dù đi từ nguồn nguyên liệu nào thì quá trình sản xuất H2SO4 cũng tiến hành theo

4 giai đoạn chính:

-Tạo SO2 bằng cách đốt nhiên liệu chứa S

-Tinh chế khí (làm sạch tạp chất có trong khí)

-Chuyển hóa SO2 thành SO3

-Hấp thụ SO3 bằng H2O  tạo H2SO4

nh mức tiêu hao nguyên nhiên liệu

Tính cho 1 tấn H2SO4 100%

 Lu huỳnh 99,5% ~ 0,331 T/ tấn

 Vôi 0,4x10-4 T/ tấn

 Xúc Tác (theo bản quyền) 0,05 Kg/tấn

 Điện ~18 KWh/ tấn

 Nớc Công nghiệp 0,3 Nm3/ tấn

 Nớc lạnh tuần hoàn 50 Nm3/ tấn

 Nớc khử khoáng 1,3 Nm3/ tấn

 Hơi trung áp (11atm) ~0,13 T/tấn

 Hơi thấp áp (4atm) ~0,46 T/tấn

 Hơi cao áp (38,2atm) ~0,72 T/tấn

 Khí nén (6atm) 3 Nm3/tấn

c chất thải công nghệ trong xởng:

 Nớc thải công nghiệp (nhiễm Axít): Chủ yếu là nớc vệ sinh thiết bị, sàn thao tác, nớc ngng,…: trung bình khoảng 3 Nm3/h toàn bộ lợng này đợc thu gom xử lý tại trạm xử lý nớc thải sản xuất đạt tiêu chuẩn cho phép truớc khi thải ra ngoài

 Chất thải Rắn: Chủ yếu là bã lu huỳnh bẩn thải ra ở khâu lọc lu huỳnh lỏng, các chất thải khác (vôi bột rơi vãi, cặn dầu máy móc thiết bị,…) không đáng kể Tổng lợng thải trung bình: ~0,3tấn/h Lợng này sẽ đợc thu gom và chôn lấp theo quy định tại bãi thải xỉ của nhà máy

 Khí thải: Khí thải nhà máy chủ yếu thải ra ở ống thải khí có lẫn SO2 và SO3

(mù axít), hàm lợng hai khí thải này khoảng:

 Tổng lợng khí thải: 85.756 Nm3/h

 Hàm lợng SO3 trong khí thải: ≤ 35mg/ Nm3

 Hàm lợng SO2 trong khí thải: ≤ 500mg/ Nm3

I. Mụ tả trạm khử nước khoỏng

Năng suất của trạm: gồm hai dây chuyền sản suất, mỗi dây chuyền 40m3/h

 Mô tả dây chuyền công nghệ

Nớc công nghiệp từ hệ thống đờng ống nớc công nghiệp chung của nhà máy, xả vào thùng chứa nớc cấp Rồi qua bơm nớc cấp, vào thiết bị lọc cơ học và thiết bị trao đổi cation Nớc sau khi đã qua thiết bị trao đổi cation, đợc tới từ đỉnh tháp khử khí xuống Quạt thổi không khí từ phía dới đáy tháp khử khí lên phía trên

tháp Nớc sau khi qua tháp khử khí, đợc chứa vào thùng chứa nớc trung gian Rồi qua bơm, lần lợt vào thiết bị trao đổi anion và thiết bị trao đổi hỗn hợp Sau đó

đ-ợc chứa vào thùng chứa nớc đã khử khoáng và dùng bơm bơm nớc đã khử khoáng đến nơi tiêu thụ

NaOH 30% qua bơm, bơm lên thùng chứa dung dịch 30% NaOH, rồi xả xuống thùng lờng dung dịch 30% NaOH Dung dịch 30% NaOH, qua Injector điều chế thành dung dịch 1-2% NaOH, dẫn đến thiết bị trao đổi hỗn hợp Dung dịch 30% NaOH, qua Injector điều chế thành dung dịch 2-4% NaOH, dẫn đến thiết bị trao đổi anion

H2SO4 98% từ hệ thống đờng ống chung của nhà máy, xả vào thùng chứa dung dịch 98% H2SO4, rồi xả xuống thùng lờng dung dịch 98% H2SO4 Dung dịch 98% H2SO4, qua Injector điều chế thành dung dịch 1-2%

H2SO4, dẫn đến thiết bị trao đổi hỗn hợp Dung dịch 98% H2SO4, qua Injector điều chế thành dung dịch 2-4% H2SO4, dẫn đến thiết bị trao đổi cation

Nớc thải có chứa NaOH và H2SO4 đợc tập trung về bể thu nớc thải, dùng bơm bơm tới trạm xử lý nớc thải của nhà máy

 Lắp đặt thiết bị:

Các thiết bị thuộc hạng mục trạm nớc khử khoáng đều đợc lắp đặt tại cốt

±0,000m

Các thiết bị lắp đặt ngoài trời bao gồm: tháp khử khí, quạt, thùng chứa nớc trung gian, thùng chứa nớc đã khử khoáng, bơm nớc thải đi xử lý

Các thiết bị đợc lắp đặt trong nhà bao gồm: thiết bị lọc cơ học, thiết bị trao

đổi cation, bơm nớc trung gian, thiết bị trao đổi hỗn hợp, thùng chứa khí nén, bơm nớc đã khử khoáng, chai amoniắc lỏng, thiết bị trao đổi pha chế amôniắc lỏng, bơm dung dịch 30% NaOH, thùng lờng dung dịch 30% NaOH, ejector dung dịch 1-2% NaOH, ejector dung dịch 2-4% NaOH, thùng lờng dung dịch 98% H2SO4, ejector dung dịch 1-2% H2SO4, ejector dung dịch 2-4 % H2SO4

 Chất lợng nớc khử khoáng nh sau:

 pH: 8,5–9,2

 Độ dẫn điện (Trớc kiềm hoá):10 μs/cm (25˚C) (max)

 Hàm lợng dầu : 1,0 mg/l (max)

 Tổng Fe : 50 μg/l (max)

 Ca : 10 μg/l (max)

 SiO2≤40 μg/l (max)

Là hệ thống khử khoáng và khử ion kim loại trong nguồn nước cấp cho các nhà máy sản xuất Nước sau khi xử lý sẽ là nước tinh khiết, có độ dẫn điện < 5 microSiemens

II Các phương pháp khử khoáng.

1 Hệ thống khử khoáng (DI) công nghệ thẩm thấu ngược

Hình 1 Hệ thống khử khoáng (DI) công nghệ thẩm thấu ngược

Hệ thống khử khoáng (DI) sử dụng công nghệ lọc màng thẩm thấu ngược

RO cho ra chất lượng nước khử khoáng có độ dẫn điện cự thấp, chi phí vận hành thấp hơn so với các công nghệ khử khoáng khác

Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Phần tiền xử lý và làm mềm nước sử dụng các bình lọc áp lực điều khiển bằng các van tự động xúc rửa và hoàn nguyên vật liệu lọc

 Phần lọc thẩm thấu ngược cấp 1 loại bỏ một phần các muối khoáng trong nước nguồn

 Phần lọc thẩm thấu ngược cấp 2 loại bỏ gần như hoàn toàn các loại muối khoáng trong nước

 Phần thanh trùng và kiểm soát độ dẫn điện cho phép chất lượng nước

ra đáp ứng yêu cầu chất lượng và sản lượng của khách hàng.

2 Hệ thống khử khoáng DI bằng phương pháp trao đổi ion:

Hình 2 Hệ thống khử khoáng (DI)

Năng suất: 100 ~ 50,000 lít/ giờCấu hình:

1 Nguyên lý chung:

Khử muối của nước bằng phương pháp trao đổi ion tức là lọc nước qua bể lọc H - Cationit Khi lọc nước qua bể lọc H - Cationit do kết quả trao đổi các Cation của các muối hoà tan trong nước với các ion H+ của các hạt Cationit, các muối hoà tan trong nước sẽ biến thành các axit tương ứng:

VD như: RH + NaCl -› RNa + HCl

Và khi lọc tiếp nước đã khử cation ở bể H - Cationit qua bể lọc Anionit (OH-anionit), các hạt anionit sẽ hấp thụ từ nước các anion của các axit mạnh như Cl-, SO24- và nhả vào nước một lượng tương đương OH-

2 Thành phần cấu tao, số lượng:

 Bể lọc áp lực Cationit

 Hệ thống van điều khiển bể lọc

 Hạt trao đổi Cation resin

 Thùng chứa dd HCl hoàn nguyên bể lọc Cationit

 Bể lọc áp lực Anionit

 Hệ thống van điều khiển bể lọc

 Hạt trao đổi Anion resin

 Thùng chứa dd NaOH hoàn nguyên bể lọc Anionit

CHƯƠNG II

THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRèNH

I. Các yêu cầu đối với hệ thống đo lờng điều khiển :

3.1.1.1. Mức độ tự động hóa

Hệ thống điều khiển đợc lập dựa trên nguyên tắc áp dụng kỹ thuật tiên tiến, kinh tế hợp lý, vận hành chắc chắn, thuận tiện, đáp ứng đầy đủ yêu cầu công nghệ sản xuất Căn cứ công nghệ sản xuất của nhà máy, yêu cầu vận hành, dự án áp dụng phơng thức điều khiển tập trung để giám sát và

điều khiển quá trình sản xuất của nhà máy Theo đó một hệ thống điều khiển hiện đại DCS sẽ đợc sử dụng để điều khiển, giám sát các thông số công nghệ của các dây chuyền sản xuất chính và các bộ phận quan trọng khác trong nhà máy Đối với các hạng mục phụ trợ không ảnh hởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chính sẽ thực hiện điều khiển tại chỗ, các thông tin cần thiết sẽ đợc gữi về DCS

Các thiết bị đo chỉ thị tại chỗ sẽ đợc lắp tại các vị trí công nghệ có yêu cầu quan sát trong quá trình vận hành chạy thử hoặc tại các vị trí chỉ cần theo dõi tại chỗ mà không cần hiển thị tại trung tâm

Để đảm bảo an toàn cho vận hành nhà máy, một hệ thống bảo vệ khóa liên

động SIS (Safety instrument system) sẽ đợc lắp đặt tại để bảo vệ an toàn cho hoạt động của hệ thống tuabin hơi, hệ thống lò đốt, kho chứa amoniac

và các thiết bị quan trọng khác Giám sát và vận hành dây chuyền công nghệ ở chế độ thông thờng đợc thực hiện bởi hệ thống DCS, bảo vệ khóa liên động đợc thực hiện bởi hệ thống SIS Tín hiệu trạng thái cắt khóa liên

động sẽ đợc theo dõi tại DCS và tại bảng hiển thị phụ của SIS đảm bảo an toàn cho thiết bị và ngời vận hành, làm tăng tính hiệu quả và tin cậy của quá trình vận hành nhà máy

Hệ thống SIS đợc kết nối thông tin với hệ thống DCS

3.1.1.2. Yêu cầu đối với thiết bị đo lờng

Các thiết bị đo lờng và điều khiển sử dụng trong dự án này phải là các thiết bị tiên tiến, làm việc tin cậy, chắc chắn, phù hợp với sản xuất và vận hành an toàn dài hạn của nhà máy

Hệ DCS/AMS, SIS phải là loại làm việc tin cậy, chắc chắn, là sản phẩm của những nhà cung cấp nổi tiếng trên thế giới và đã đợc sử dụng ổn định tại những nhà máy tơng tự

Thiết bị đo lờng phải có xuất xứ từ G7 đợc sản xuất bởi các hãng nổi tiếng

nh ABB, EMERSON, YOKOGAWA, SIEMENS, KOSO, SAMSON vv và phải có bản quyền

Ngoại trừ các thiết bị điều khiển tại chỗ, các bộ hiển thị hay các thiết bị đo lờng đặc biệt, các biến truyền hiện trờng đều là loại điện tử thông minh

t-ơng thích với giao thức truyền thông Hart Tất cả các tín hiệu vào, ra từ buồng điều khiển đều là tín hiệu điện tiêu chuẩn là 4-20mA hoặc 1-5vDC, ngoại trừ tín hiệu của các phần tử dò nhiệt độ hay các thiết bị đo đặc biệt Thiết bị đo lờng lắp đặt trong các khu vực nguy hiểm phải là loại chống nổ

an toàn tuyệt đối hoặc loại cách ly nổ

Tất cả các thiết bị đo lờng đều phải là loại chịu thời tiết với cấp bảo vệ tối thiểu là IP54

Vật liệu chế tạo các thiết bị đo phải đáp ứng các yêu cầu của môi chất công nghệ và môi trờng xung quanh

Hệ thống điều khiển và đo lờng đi kèm thiết bị công nghệ (bao gồm tủ

điều khiển tại chỗ, phân tử dò, biến truyền, van điều khiển, bộ hiển thị v.v ) sẽ đợc cấp kèm theo thiết bị và phải tơng thích với hệ thống đo lờng chung của nhà máy

3.1.1.3 Một số lu ý đối với hệ thống đo lờng :

- Đối với hệ thống đo lờng thuộc phạm vi cung cấp của nhà bản quyền công nghệ các nội dung nh lôgic điều khiển, phơng thức điều khiển, giải pháp đo, đặc tính kỹ thuật thiết bị và các yêu cầu khác đợc thực hiện theo P&ID của nhà bản quyền công nghệ

- Do yêu cầu công nghệ sản xuất tỷ lệ rắn lỏng của bùn quặng sau bể hoà bùn khoảng 66% Để khống chế tỷ lệ này dự án sử dụng tín hiệu từ thiết bị

đo tỷ trọng A-21101 để điều khiển tốc độ của băng tải định lợng

WT-21101 Do nhiều yếu tố biến thiên việc khống chế chính xác tỷ lệ rắn lỏng của bùn quặng ở mức 66% là tơng đối phức tạp Trong quá triển khai dự

án nhà thầu có thể đa ra các giải pháp khác để đáp ứng yêu cầu này

II Quy trỡnh cụng nghệ khử khoỏng.

Hình 3 Quy trình công nghệ khử khoáng.

 Công suất thiết kế: 1m3/h

Nước sản xuất từ hệ thống đường ống nước cấp nước chung của nhà máy được đưa tới thùng chứa nước thô (vị số 13.3V1) Từ thùng chứa nước thô nước được bơm nước cấp (vị số 13.3P1) đưa tới thiết bị lọc đa cấp (vị số 13.3F1) và thiết bị làm mềm nước (vị số 13.3SF1) Thiết bị làm mềm nước được hoàn nguyên bởi dung dịch muối chứa trong thùng chứa muối khử ion (vị số 13.3V3) Nước ra khỏi thiết bị làm mềm nước được bổ sung hóa chất khử oxi và hóa chất chống cáu cặn, ăn mòn rồi được đưa tới thùng chứa nước khử khoáng (vị số13.3V2)

Bảng 2.4 Bảng liệt kê các thiết bị chính của Trạm nước khử khoáng

STT Vị số Tên thiết bị Đặc tính kĩ thuật Ghi

chú

1 13.3V1 Thùng chứa nước thô ∅=1400; H=1750;

V=2m3

2 13.3V2 Thùng chứa nước khử

khoáng

∅=1400; H=1750;

V=2m3

3 13.3V3 Thùng chứa muối khử

ion

∅=500; H=700;

V=0,1m3

4 13.3V4 Thùng chứa hóa chất

khử oxy

∅=500; H=700;

V=0,1m3,N=0,3kW

5 13.3V5 Thùng chứa hóa chất

chống ăn mòn, cáu cặn

∅1000, H=1500, V=1m3, N=0,3kW

6 13.3P1 Bơm nước thô Q=1m

3/h; P=3,5bar N=0,75kW

7 13.3F1 Thiết bị lọc đa cấp Q=1m3/h

8 13.3SF1 Thiết bị làm mềm nước

-III. Mô tả hoạt động của khí cụ đo nhiệt độ

Khí cụ đo nhiệt độ được dùng là loại cặp nhiệt điện Ưu điểm của dụng

cụ này là gọn, bền, hoạt động ở cả vùng nhiệt độ thấp và cao, dễ dàng đo và điều khiển từ xa Nhưng nhược điểm là giữa nhiệt độ cài đặt, và nhiệt độ thực sai nhau đến một vài độ, tùy thiết bị tiếp nhận

Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt:

Nguyên tắc hoạt động của cặp nhiệt là dựa trên hiệu ứng nhiệt điện được phát minh từ 1821

Hai dây dẫn khác nhau về bản chất, được hàn nối vào nhau, nếu giữa hai mối hàn có chênh lệch nhiệt độ thì trong mạch xuất hiện một suất điện động (hình 8)