Nghiên cứu thiết kế công nghệ sản xuất na2sif6 và mô hình hóa thiết bị sấy khí động trong dây chuyền sản xuất

Để phản ứng với dung dịch H2SiF6 18% nhằm tạo ra sản phẩm Na2SiF6, hầu hết các Nhà máy phân bón trong nước và trên thế giới đều sử dụng các loại nguyên liệu là các muối vô cơ hòa tan chứ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

TS NGUYỄN ĐẶNG BÌNH THÀNH

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 10

TÓM TẮT NHIỆM VỤ 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Na2SiF6 12

1.1 Thị trường sản phẩm Na2SiF6 tại Việt Nam 12

1.1.1 Giới thiệu về sản phẩm Na2SiF6 12

1.1.2 Sơ lược về thị trường Na2SiF6 trên thế giới 12

1.1.3 Thị trường Na2SiF6 ở Việt Nam 12

1.2 Thị trường nguyên liệu [5] 14

1.2.1 Thị trường muối Natri Sunfat (Na2SO4) 14

1.2.2 Kết luận về thị trường nguyên liệu tại Việt Nam 23

1.3 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ 23

1.3.1 Sơ đồ công nghệ tổng quát 23

1.3.2 Tổng hợp phân tích lựa chọn nguyên liệu 25

1.3.3 Kết luận về lựa chọn công nghệ 30

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN, HIỆN ĐẠI HÓA, TỐI ƯU HÓA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 31

2.1 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 31

2.1.1 Các phương pháp nghiên cứu 31

2.1.2 Mô tả cụ thể các phương pháp được áp dụng để nghiên cứu: 31

2.2 Tài liệu thu thập 32

2.3 Thuyết minh công nghệ sản xuất Na2SiF6 32

2.4 Tính toán công nghệ 33

2.4.1 Thông số đầu vào 33

2.4.2 Tính toán công nghệ 33

2.5 Những tồn tại của Xưởng Na2SiF6 tại Việt Nam 41

2.5.1 Tự động hóa 41

2.5.2 Thông gió hút bụi 42

2.5.3 Đánh giá tiêu hao nguyên liệu cho quá trình sản xuất 42

2.6 Kết quả giải quyết những tồn tại của Xưởng Na2SiF6 tại Việt Nam 42

2.6.1 Tự động hóa 42

2.6.2 Thông gió hút bụi 50

2.6.3 Đánh giá tiêu hao nguyên liệu cho quá trình sản xuất 50

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ SẤY Na2SiF6 52

3.1 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy 52

3.1.1 Khái niệm về quá trình sấy 52

3.1.2 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy 52

3.2 Các đặc điểm của quá trình sấy khí động 61

3.2.1 Nguyên lý làm việc 61

3.2.2 Đặc điểm của sấy khí động 61

3.2.3 Ưu điểm: 63

3.2.4 Nhược điểm: 63

3.3 Mô hình hóa 64

3.3.1 Thuật toán của mô hình 64

3.3.2 Tổng quan cho mô hình đầu vào 65

3.3.3 Cơ sở xây dựng mô hình 65

3.3.4 Kết quả mô hình 74

3.3.5 Khảo sát mô hình với các điều kiện đầu vào khác nhau 77

3.4 Tính toán thiết bị sấy khí động 78

3.4.1 Tính chiều dày ống sấy 78

3.4.2 Tính toán chiều dài của ống sấy 81

3.4.3 Kết quả tính toán thiết bị sấy ống 82

3.5 Tính toán thiết bị Xyclon cấp 1 83

3.5.1 Tính toán công nghệ 83

3.5.2 Chọn kết cấu 84

3.5.3 Kết quả tính toán thiết bị Cyclone cấp 1 84

3.6 Tính toán thiết bị Xyclon cấp 2 85

3.6.1 Tính toán công nghệ 86

3.6.2 Chọn kết cấu 86

3.6.3 Kết quả tính toán thiết bị Cyclone cấp 2 86

3.7 Tính toán thiết bị lọc bụi tay áo 87

3.7.1 Tính toán diện tích bề mặt lọc 88

3.7.2 Tính toán số túi lọc 88

3.7.3 Trở lực thiết bị lọc 88

3.7.4 Kết quả tính toán thiết bị lọc bụi tay áo 89

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 1 92

PHỤ LỤC 2 101

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo, sự quan tâm của gia đình và bạn hữu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Đặng Bình

Thành, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả

hoàn thành luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các Thầy cô trong bộ môn Bộ môn Máy và Thiết bị công nghiệp Hóa chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên

Lê Ngọc Hòa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu thiết kế công nghệ sản xuất Na 2 SiF 6

và mô hình hóa thiết bị sấy khí động trong dây chuyền sản xuất” là do tôi thực

hiện Các số liệu kết quả trong đề tài trung thực và chưa từng được công bố Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

aw

𝑎𝑣 Diện tích bề mặt thực tế trên một đơn vị khối lượng thực

tế

𝑚−1

Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị

z Chiều dọc hoặc chiều cao của máy sấy khí động m

Re Chuẩn số Renolds theo đường kính ống sấy, Re = 𝜌𝑔𝑣𝑔𝐷

𝜙 Yếu tố hình dạng ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt và

truyền chất

-

𝜓 Yếu tố ảnh hưởng đến sự vận tải xung lượng -

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các công ty nhập khẩu chính tại Việt Nam năm 2012 19

Bảng 1.2 Các nhà xuất khẩu chính sang thị trường Việt Nam năm 2012 21

Bảng 1.4 Phân tích việc sử dụng từng loại nguyên liệu: 26

Bảng 1.5 Bảng so sánh chi phí sản xuất với các loại nguyên liệu khác nhau 29

Bảng 3.1 Các hằng số đặc trưng hình học đối với các hình dạng khác nhau 72

Bảng 3.2: Bảng mô tả kết quả thiết bị sấy ống 82

Bảng 3.3: Thông số đầu vào 83

Bảng 3.4: Bảng mô tả kết quả thiết bị Cyclone cấp 1 84

Bảng 3.5: Bảng thông số đầu vào 85

Bảng 3.6: Bảng mô tả kết quả thiết bị Cyclone cấp 2 86

Bảng 3.7: Bảng thông số đầu vào 87

Bảng 3.8: Bảng mô tả kết quả thiết bị lọc bụi tay áo 89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tình hình tiêu thụ Natri Sunfat trên thế giới năm 2011 15

Hình 1.2 Tình hình nhập khẩu Natri Sunfat tại Việt Nam 18

Hình 1.3 Thị phần cung cấp Natri Sunfat vào Việt Nam năm 2012 19

Hình 1.4 Giá nhập khẩu Natri Sunfat vào Việt Nam qua các năm 22

Hình 1.5 Giá nhập khẩu natri sunphat trên 90% tại Việt Nam 22

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ chung sản xuất Na2SiF6 24

Hình 2.1 Bản vẽ PID số 4X1205-21-PID-7002 công đoạn phản ứng trước khi tối ưu 44

Hình 2.2 Bản vẽ PID số 4X1205-21-PID-7002 công đoạn phản ứng sau khi tối ưu 45 Hình 2.3 Bản vẽ PID số 4X1205-21-PID-7003 công đoạn sấy và đóng bao trước khi tối ưu 48

Hình 2.4 Bản vẽ PID số 4X1205-21-PID-7003 công đoạn sấy và đóng bao sau khi tối ưu 49

Hình 3.1 Biểu đồ i-X của không khí ẩm 54

Hình 3.2 Sơ đồ thiết bị sấy 1 cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X 55

Hình 3.3 Sơ đồ thiết bị sấy nhiều cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X 55

Hình 3.4 Sơ đồ thiết bị sấy tuần hoàn và biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị i-X 56

Hình 3.5 Đường cong sấy W=f(T) 59

Hình 3.6 Đường cong vận tốc sấy 59

Hình 3.7 Sơ đồ sấy bằng phương pháp khí động 61

Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán mô phỏng quá trình sấy khí động 64

Hình 3.9 Mô hình máy sấy khí động 65

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốc sấy theo chiều dài ống sấy 74

Hình 3.11 Đồ thị biểu diện sự thay đổi độ ẩm theo chiều dài ống sấy 75

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ theo chiều dài ống sấy 76

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi chiều dài ống sấy với đường kính hạt vật liệu sấy 77

Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thông sấy khí động 78

MỞ ĐẦU

Trong quá trình sản xuất DAP luôn sinh ra lượng Flo khá lớn, chủ yếu tồn tại

ở dạng acid H2SiF6 phân bố trong pha lỏng (acid Photphoric) làm ảnh hưởng tới chất lượng của acid Photphoric, từ đó làm giảm chất lượng của sản phẩm DAP Để khắc phục tình trạng chất lượng sản phẩm thấp, đồng thời giúp giải quyết vấn đề về môi trường, H2SiF6 được thu hồi và để sản xuất Na2SiF6 Ở nước ta, Na2SiF6 được ứng dụng trong công nghiệp thuốc trừ sâu, công nghiệp sản xuất xi-măng, sản xuất gốm sứ…cùng với tín hiệu khởi động của ngành công nghiệp luyện nhôm nước nhà góp phần gia tăng nhu cầu tiêu thụ sản phẩm Na2SiF6 trong nước trong thời gian sắp tới

Để phản ứng với dung dịch H2SiF6 18% nhằm tạo ra sản phẩm Na2SiF6, hầu hết các Nhà máy phân bón trong nước và trên thế giới đều sử dụng các loại nguyên liệu là các muối vô cơ hòa tan chứa Ion Na+ như: Sô đa - Na2CO3; Muối ăn – NaCl

và Natri Sunfat - Na2SO4 Ở Việt Nam, công nghệ sản xuất Na2SiF6 tại một số Công

ty như: Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao, Công ty Cổ phần Phân bón Miền Nam đều sử dụng nguyên liệu là muối NaCl Duy nhất xưởng sản xuất Na2SiF6 của nhà máy DAP số 2 VINACHEM tại Lào Cai hiện nay (do Công ty

CP Thiết kế Công nghiệp Hóa chất thiết kế và thi công) là dây chuyền đầu tiên tại Việt Nam sử dụng nguyên liệu Na2SO4 để sản xuất

Kết quả vận hành chạy thử cho thấy thiết kế về cơ bản là tốt, dây chuyền vận hành ổn định Tuy nhiên từ thiết kế đến thi công còn thấy một số hạng mục thiết kế phải điều chỉnh trực tiếp tại công trình, một số tính toán thiết bị khi thiết kế sử dụng

hệ số thực nghiệm (theo kinh nghiệm thiết kế các thiết bị tương tự), nên có thể một

số công đoạn sẽ áp dụng hệ số dư công suất lớn hơn so với yêu cầu dẫn đến tăng chi phí đầu tư

Trên cơ sở thiết kế và hồ sơ thi công xây lắp xưởng sản xuất Na2SiF6 tại nhà máy sản xuất phân bón DAP số 2 VINACHEM, nhóm nghiên cứu sẽ thu thập, sử dụng số liệu trong quá trình vận hành chạy thử để: hiệu chỉnh, chuẩn hóa lại dây chuyền công nghệ; tính toán quy mô thiết bị và xây dựng bộ hồ sơ thiết kế quy chuẩn làm cơ sở cho các thiết kế tương tự sau này

TÓM TẮT NHIỆM VỤ

Nội dung nghiên cứu:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Na2SiF6

Sodium Fluorosilicate, có tên gọi khác là Sodium Silicofluoride (công thức: Na2SiF6; khối lượng phân tử: 188,06) là một sản phẩm tồn tại ở dạng bột tinh thể màu trắng, không mùi, rất nguy hại cho sức khỏe con người và môi trường Na2SiF6 được sản xuất từ H2SiF6 (tạo thành trong quá trình sản xuất phân lân và DAP) và các muối Natri như NaCl, Na2SO4 hoặc Na2CO3

Trên thế giới Na2SiF6 được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như trong sản xuất nhôm, thủy tinh và gốm sứ, sản xuất criolit, ngoài ra còn sử dụng trong tuyển khoáng, flo hóa nước

Theo số liệu thống kê của Tổng cục hải quan [9], tổng công suất Na2SiF6 ở Nga là 55.000 Tấn/năm nhưng nhu cầu sử dụng không vượt quá 7.000 – 8.000 Tấn mỗi năm Trong những năm 1997 - 1999, Nhật Bản sản xuất 5.000 Tấn Na2SiF6 mỗi năm và còn phải nhập khẩu để dùng cho sản xuất nhôm Ở Đông Âu, 90% lượng Na2SiF6 được dùng cho sản xuất thủy tinh và sứ Hunggari và Ba Lan phải nhập Na2SiF6 để sản xuất criolit

Hiện nay giá Na2SiF6 (99%) trên thị trường thế giới dao động từ 300 – 400 USD/Tấn

1.1.3.1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ Na2SiF6 tại Việt Nam

a Tình hình sản xuất [5]

Ở Việt Nam, Na2SiF6 chủ yếu được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của các Nhà máy sản xuất phân bón chứa lân, tiêu biểu là ở Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao Hiện nay Công ty này đang có 2 xưởng sản xuất

Na2SiF6 với công suất thiết kế mỗi xưởng là 625 Kg/h Công suất thiết kế tổng cộng của 2 xưởng này vào khoảng 9.000 Tấn/năm Do sản lượng Na2SiF6 phụ thuộc hoàn toàn vào hàm lượng Flo trong quặng Apatit nên trên thực tế hiện nay năng suất Na2SiF6 của Công ty này vào khoảng 3.900 Tấn/năm Bên cạnh đó, do dây chuyền sản xuất và các thiết bị đã cũ kỹ, lạc hậu nên hiện nay Công ty này hầu như chỉ sản xuất ra sản phẩm Na2SiF6 95%

b Tình hình tiêu thụ và giá bán Na2SiF6 tại Việt Nam [5]

Ở nước ta, Na2SiF6 được ứng dụng trong một số lĩnh vực như sau:

- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng

- Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất gốm sứ

- Ứng dụng trong sản xuất thuốc diệt mối

Trong lĩnh vực sản xuất thuốc trừ mối, theo danh mục thuốc bảo vệ thực vật được phép sử dụng ở Việt Nam (được ban hành kèm theo Thông tư số 36 /2011/TT-BNNPTNT ngày 20 tháng 05 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn) thì Sodium Fluorosilicate được sử dụng trong các loại:

- PMC 90 dạng bột (hàm lượng Na2SiF6 50%) được đăng ký bởi Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam

- PMs 100 dạng bột (hàm lượng Na2SiF6 80%)

Cả hai loại thuốc trên đều được đăng ký bởi Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam

Khả năng tiêu thụ Na2SiF6 trong nước còn nhiều hạn chế, phần lớn lượng sản xuất

ra được xuất khẩu sang thị trường Trung Quốc

1.1.3.2 Giá bán Na2SiF6 tại Việt Nam [5]

Hầu hết lượng Na2SiF6 sản xuất trong nước được xuất sang thị trường Trung Quốc Hiện nay, Công ty TNHH Vương Tài là đơn vị độc quyền trong việc tiêu thụ sản phẩm Na2SiF6 của Công ty Cổ phần SUPE Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao Do tình trạng độc quyền, đi kèm với chất lượng sản phẩm không cao (hầu như chỉ sản

xuất Na2SiF6 95%) nên hiện nay giá bán Na2SiF6 của Công ty này khá thấp, chỉ vào khoảng trên 2 triệu đồng/Tấn năm 2012

1.1.3.3 Dự báo nhu cầu Na2SiF6 tại Việt Nam [5]

Nhu cầu về Na2SiF6 đang có xu hướng tăng Theo Quy hoạch phát triển Công nghiệp xi măng Việt Nam giai đoạn 2016-2025 và định hướng đến năm 2030 thì đến năm 2020 tổng sản lượng xi măng cả nước sẽ đạt 75 – 76 triệu Tấn Công nghiệp gốm sứ cũng khá phát triển Ngành công nghiệp luyện nhôm cũng đang có tín hiệu khởi động Ở nước ta hiện nay, Na2SiF6 chủ yếu được ứng dụng trong sản xuất thuốc trừ sâu, xi măng và gốm sứ Trong tương lai, chúng ta cần ứng dụng Na2SiF6 sản xuất các sản phẩm quan trọng hơn như AlF3, criolit để phục vụ cho công nghiệp điện phân nhôm Như vậy, việc đầu tư xây dựng Xưởng Na2SiF6 là cần thiết

1.2 Thị trường nguyên liệu [5]

Nguồn nguyên liệu để sản Na2SiF6 là Axit H2SiF6 và muối của kim loại Natri, như muối công nghiệp NaCl, Na2SO4 hoặc Na2CO3 Axit H2SiF6 được sinh ra trong dây chuyền sản xuất H3PO4 Luận văn này lựa chọn muối Na2SO4 làm nguyên liệu

để sản xuất Na2SiF6

1.2.1.1 Thị trường Natri Sunfat trên thế giới

Thị trường các chất tẩy rửa dạng bột đang chi phối nhu cầu Natri Sunfat trên thế giới Những nơi có mức tăng trưởng nhu cầu cao nhất là các nước đang phát triển, nhất là ở châu Mỹ La Tinh và châu Á Các chất tẩy rửa hiện chiếm trung bình 50% đôi khi chiếm đến 80% nhu cầu Na2SO4 trong phần lớn các khu vực Ngoài các chất tẩy rửa, một thị trường quan trọng khác của Na2SO4 đó là ngành sản xuất thủy tinh (chủ yếu là các loại kính phẳng) Na2SO4 còn được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt, sản xuất các loại hóa chất như natri bicacbonat, Chì Sunfat, Bari Sunfat

và Natri Nhôm Sunfat

Hình 1.1 Tình hình tiêu thụ Natri Sunfat trên thế giới năm 2011

Trung Quốc

Trung Quốc là nước sản xuất Na2SO4 lớn nhất thế giới và là một trong những thị trường tăng trưởng nhanh nhất đối với sản phẩm này Ngành sản xuất Na2SO4 của Trung Quốc bị chi phối chủ yếu bởi Tập đoàn Nafine Chemical Industry với tổng công suất khoảng 1,5 triệu tẩn/năm Ngoài ra, còn có nhiều nhà sản xuất khác, ví dụ như Sichuan Chuanmei với công suất 450.000 tấn năm

Nhà nhập khẩu chính đối với sản phẩm Na2SO4 của Trung Quốc là Công ty Manuchar NV của Bỉ Công ty này hiện nhập khẩu khoảng 400.000 tấn/năm từ Trung Quốc, trong đó hơn 50% là của Tập đoàn Nafine Những nước nhập khẩu nhiều Na2SO4 từ Trung Quốc là những nước châu Mỹ La Tinh như Braxin, Côlômbia, Ecuađo, Pêru và Achentina Sau những nước này là những nước châu Á như Thái Lan, Việt Nam, Inđônêxia Gần đây Hàn Quốc cũng tăng cường nhập Na2SO4 của Trung Quốc

Bắc Mỹ

Tổng nhu cầu Na2SO4 trên thị trường Bắc Mỹ đạt khoảng 600.000 tấn/năm Nhìn chung, thị trường này không tăng trưởng nhiều, với tốc độ tăng trưởng chỉ đạt 1%/ năm Nhưng cách đây 5 – 6 năm, thị trường này đã suy giảm với tốc độ 2%/năm

Thị trường Na2SO4 tại các tiểu bang phía Tây và Trung Tây Mỹ được cung cấp chủ yếu bởi Na2SO4 tự nhiên của Công ty Searley Valley Minerals (SVM) Do chi phí vận chuyển cao nên các tiểu bang đông dân phía Đông Mỹ được cung cấp chủ yếu bởi các nhà sản xuất Na2SO4 ở dạng sản phẩm phụ

Nhà sản xuất Na2SO4 tự nhiên lớn nhất của Mỹ là Công ty SVM với sản lượng 230.000- 250.000 tấn/ năm, sản xuất từ nước muối của hồ Searles Lake, California Một nửa sản lượng của Công ty này được xuất khẩu, nửa còn lại tiêu thụ trong thị trường Mỹ SVM xuất khẩu Na2SO4 chủ yếu sang thị trường Nam Mỹ SVM cũng sản xuất các loại khoáng khác, chủ yếu là borat và sô đa Công ty Cooper Natural Resource sản xuất Na2SO4 tại cơ sở của mình ở hồ Cedar, phía Tây Texas, với công suất khoảng.160.000 tấn/ năm Thị trường nội địa của Mỹ chiếm 50% doanh số Na2SO4 của Công ty, ngoài ra Công ty còn cung cấp cho các nước châu Mỹ La Tinh, nhất là Mêhicô, nơi mà ngành sản xuất vải, chất tẩy rửa và thủy tinh của Mỹ đang chuyển một phần các cơ sở sản xuất của họ sang đó để tận dụng nhân công giá

rẻ

Tại Canađa, nhà sản xuất Na2SO4 tự nhiên lớn nhất là Công ty Saskatchewan Minerals and Millar Western Saskatchewan với công suất 150.000 tấn, sản lượng năm 2003 đạt 110.000 tấn

Thị phần của các nhà sản xuất Na2SO4 dạng sản phẩm phụ ở Mỹ khá lớn, với tổng công suất khoảng 386.000 tấn/năm Nhà sản xuất lớn nhất trong số này là Công ty Elementis Chromium, có công suất 100.000 tấn /năm Nhà máy này áp dụng các công nghệ tinh chế hiện đại nhất để sản xuất Na2SO4 sạch với chất lượng

ổn định

Châu Mỹ La Tinh

Thị trường Na2SO4 tại Châu Mỹ La Tinh là một trong những thị trường tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới, phản ánh sự phát triển kinh tế và sự phổ biến ngày càng tăng của các loại chất tẩy rửa dạng bột Mêhicô là động lực chính của thị trường này, với nhu cầu tăng 3%/năm và mức tiêu thụ là 550 – 600 nghìn tấn Na2SO4 Ngoài ra, Braxin cũng là thị trường lớn với nhu cầu lên đến 350.000 tấn/ năm, trong đó 130.000 tấn được nhập từ Tây Ban Nha, 110 tấn nhập từ Mỹ, Mêhicô, Chilê, và 110.000 tấn nhập từ Trung Quốc

Châu Âu

Nhà sản xuất Na2SO4 lớn nhất châu Âu Công ty Crimidesa với công suất 500.000 tấn/năm Công ty này sản xuất Na2SO4 từ mỏ muối Glauber ở Burgos, Tây Ban Nha Công ty xuất khẩu khoảng 250.000 tấn Na2SO4/ năm sang châu Mỹ La

Tinh, còn lại tiêu thụ ở châu Âu và một số khu vực khác như Bắc Phi Bản thân thị trường Tây Ban Nha chỉ tiêu thụ 30.000 tấn Na2SO4/năm Từ năm 1998, Công ty Crimidesa cũng liên doanh sản xuất Na2SO4 tại TQ với Tập đoàn Nafine Chemicals của TQ

Tất cả 3 nhà sản xuất Na2SO4 tự nhiên khác ở Tây Âu đều hoạt động ở Tây Ban Nha Trong số đó Công ty Minera de Santa Marta cũng sản xuất Na2SO4 từ mỏ muối Glauber ở vùng Burgos với sản lượng 200.000 tấn/ năm, Công ty Sulquisa sản xuất từ mỏ muối Glauber ở vùng Madrit, còn Công ty FMC Foret sản xuất từ tenarđit

Ngoài Tây Ban Nha, chỉ có một nhà sản xuất Na2SO4 tự nhiên quy mô lớn ở châu Âu là Công ty Alkim (Thổ Nhĩ Kỳ) với sản lượng khoảng 300.000 tấn/năm 1.2.1.2 Thị trường Natri Sunfat tại Việt Nam

Tình hình sản xuất

Hiện nay, ở Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất Natri Sunfat, để đáp ứng nhu cầu natri sunphat cho cả nước, chúng ta phải nhập khẩu hoàn toàn, chủ yếu là từ thị trường Trung Quốc

Tình hình tiêu thụ

Natri sunphat được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:

- Ngành sản xuất các chất tẩy rửa:

Natri Sunfat được sử dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất các loại bột giặt, chất tẩy rửa, và có thể chiếm tới 60% thành phần trong các loại bột này Ứng dụng của Natri Sunfat trong thị trường chất tẩy rửa có sự tăng trưởng ổn định Đây thị trường tiêu thụ chính của Natri Sunfat ở nước ta, chiếm khoảng 70% thị trường tiêu thụ Có thể kể đến một vài công ty nhập khẩu Natri Sunfat lớn trong lĩnh vực sản xuất chất tẩy rửa như: Công ty TNHH Manuchar Việt Nam, Công ty Cổ phần Xà phòng Hà Nội, Công ty Cổ phần Hóa chất công nghiệp Tân Long, Công ty TNHH Văn Minh, Công ty Cổ phần Bột giặt NET

- Ngành dệt may:

Công ty TNHH Dệt nhuộm Nam Phương là đơn vị chính nhập khẩu Natri Sunfat trong ngành dệt may

- Ngành sản xuất thủy tinh

Đơn vị: Tấn

Hình 1.2 Tình hình nhập khẩu Natri Sunfat tại Việt Nam

Qua nghiên cứu Tình hình nhập khẩu từ một số thị trường cho thấy Trung Quốc là nguồn cung ứng Natri Sunfat lớn nhất vào Việt Nam, chiếm thị phần khoảng 99% Phần còn lại là từ các nước: Đài Loan, Nhật Bản, Ấn Độ và một số quốc gia khác

0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000

Hình 1.3 Thị phần cung cấp Natri Sunfat vào Việt Nam năm 2012

Trong số các đơn vị nhập khẩu Natri Sunfat, Công ty TNHH Manuchar Việt Nam là công ty nhập khẩu lớn nhất cả nước trong những năm gần đây Lượng nhập hàng năm của Công ty này vào khoảng 125 – 126 ngàn tấn, phục vụ cho việc sản xuất chất tẩy rửa (sản xuất xà phòng, bột giặt)

Bảng 1.1 Các công ty nhập khẩu chính tại Việt Nam năm 2012

Đơn vị: Tấn

Cty TNHH Manuchar Việt

Tân Long

1/N7A Nguyễn Thị Thập, Trung Hòa, Nhân Chính, Q Thanh Xuân, Hà Nội

thương mại Phương Đông

40 Kim Biên, Phường 13, Quận 5, Thành phố Hồ Chí Minh 7.986,9

Trung Quốc 99%

Trung Quốc Khác

Doanh Nghiệp Địa chỉ Lượng

Công ty cổ phần bột giặt

LIX

Khu phố 4, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh

Xuất-Thương Mại Nguyễn Phát

69/69 Nguyễn Cửu Đàm, Phường Tân Sơn Nhì, Quận Tân Phú, Thành Phố Hồ Chí Minh

2.388

Công ty TNHH Thương mại

và Dịch vụ Xuất Nhập khẩu

Gia Huy

423 Tân Chánh Hiệp 21, Khu phố

4, Phường Tân Chánh Hiệp, Quận

Công ty TNHH Samil Vina KCN Long Thành, Đường 5,

Huyện Long Thành, Đồng Nai

Asia Private Limited và PMC Industry Limited Chỉ tính riêng 3 Công ty này đã chiếm hơn 73% tổng lượng nhập khẩu Natri Sunfat vào nước ta

Bảng 1.2 Các nhà xuất khẩu chính sang thị trường Việt Nam năm 2012

Đơn vị: Tấn

Manuchar HongKong Limited Suite 2005, The

Centrium, 60 Wyndham STR, Central,

Jiangsu Bohan Industry Trade CO., LTD No.37

Moxiang Road, Xuanwu Distric, Nanjing,

CHINA

Trung Quốc 8.302,8

Kun Ming Yu Yang Trade CO.,LTD Room B5,

16th Floo, Dantong Xiandaicheng Building, No

548, Baiyun Road, Kunming, Yuanna Province,

P.R CHINA

Trung Quốc 7.125,118

Pingxiang Yinda Trade Co., Ltd Trung Quốc 6.240

Giá nhập khẩu Natri Sunfat tại Việt Nam

Nước ta chủ yếu nhập khẩu Natri Sunfat chất lượng cao (Na2SO4 99%) phục

vụ trong công nghiệp sản xuất xà phòng, bột giặt Hiện nay, giá nhập khẩu Na2SO4 99% vào Việt Nam vào khoảng 2,4 triệu đồng/tấn Mức giá có xu hướng tăng

trưởng ổn định qua các năm từ 2008 đến 2012, chủ yếu ảnh hưởng bởi các nước xuất khẩu và sự mất giá của Việt Nam Đồng so với đồng Đô La Mỹ

Đơn vị: Triệu đồng

Hình 1.4 Giá nhập khẩu Natri Sunfat vào Việt Nam qua các năm

Theo phương án sản phẩm và các yếu tố đầu vào của Luận văn thì nguyên liệu Natri Sunfat sử dụng là dạng muối công nghiệp Na2SO4 95% Ở Việt Nam hiện nay, việc nhập khẩu muối Natri Sunfat hàm lượng thấp chủ yếu phục vụ trong công nghiệp sản xuất Ắcqui chì Dưới đây là giá nhập khẩu Natri Sunfat 90% trong 5 năm trở lại đây:

1.2.2 Kết luận về thị trường nguyên liệu tại Việt Nam

Qua phân tích về tình hình nguyên liệu ở trên cho thấy sử dụng NaCl là nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, đơn giá thấp hơn so với Na2SO4 Tuy nhiên, phương

án này sẽ sinh ra lượng nước thải chứa hàm lượng Cl- rất lớn, gấp khoảng 90 lần so với hàm lượng Cl- cho phép trong nước thải công nghiệp Việc thu hồi và xử lý Cl-rất khó, đòi hỏi đầu tư dây chuyền xử lý phức tạp và tốn kém

Nếu sử dụng nguyên liệu Na2SO4 thì, nước thải trong trường hợp này chứa dung dịch H2SO4 loãng, nồng độ khoảng 4,68% không cần thiết phải xử lý và có thể quay trở lại dây chuyền sản xuất Axit Phốtphoric để cùng với H2SO4 đặc 98,5% của Xưởng Acid sunfuric đưa sang tiến hành phản ứng phân giải quặng Apatit Việc tận dụng lại lượng H2SO4 trong nước thải sẽ giảm được tiêu hao H2SO4 cho sản xuất DAP

Vì lợi ích lâu dài và đảm bảo yếu tố môi trường đang ngày càng được quan tâm hơn trong các Nhà máy công nghiệp hiện đại, trên cơ sở phân tích trên ta lựa chọn Na2SO4 làm nguyên liệu cho Xưởng sản xuất Na2SiF6 tại Nhà máy DAP số 2

1.3 Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ

1.3.1 Sơ đồ công nghệ tổng quát

Để phản ứng với dung dịch H2SiF6 18% nhằm tạo ra sản phẩm Na2SiF6, hầu hết các Nhà máy phân bón trong nước và trên thế giới đều sử dụng các loại nguyên liệu ở dạng muối vô cơ hòa tan chứa Ion Na+ và đều áp dụng sơ đồ nguyên lý công nghệ tổng quát và phổ biến như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ chung sản xuất Na2SiF6

Dựa vào cơ sở nguyên lý công nghệ tổng quát theo sơ đồ nêu trên, sự khác nhau giữa các dây chuyền sản xuất chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn loại muối Na nào làm nguyên liệu Lựa chọn nguyên liệu muối Na khác nhau, các dây chuyền sản xuất sẽ có những sai khác về tiêu hao nguyên liệu, động lực, chủng loại, kích thước các thiết bị, lượng chất thải phát sinh trong dây chuyền và phương pháp xử lý nước thải Việc lựa chọn nguyên liệu muối Na nào để sử dụng tùy thuộc vào các điều kiện kinh tế kỹ thuật của Luận văn và chính sách bảo vệ môi trường của quốc gia có địa điểm xây dựng Nhà máy

Vì vậy, đối với đề tài này việc lựa chọn phương pháp công nghệ sẽ không phải

là vấn đề trọng tâm mà sự phân tích tập trung vào việc lựa chọn sử dụng nguyên liệu muối Na nào là phù hợp cho dây chuyền sản xuất của đề tài nêu ra

1.3.2 Tổng hợp phân tích lựa chọn nguyên liệu

Các loại muối vô cơ hòa tan chứa Ion Na+ được sử dụng phổ biến làm nguyên liệu cho sản xuất Na2SiF6 từ dung dịch H2SiF6 tại các Nhà máy nước ngoài và trong nước là 3 loại sau:

- Sô đa - Na2CO3

- Muối ăn - NaCl

- Natri Sunfat - Na2SO4

Trong 3 loại muối trên, mỗi loại nguyên liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm

Bảng 1.3 Phân tích việc sử dụng từng loại nguyên liệu:

1 Nguồn nguyên liệu Sẵn có trong nước Phải nhập khẩu nước ngoài Phải nhập khẩu từ nước ngoài

2 Công nghệ sản xuất Trong nước đã có xưởng sản xuất Trong nước chưa có xưởng sản

Tinh thể Na2SiF6 thu được trong thùng phản ứng mịn hơn, dung dịch huyền phù có độ nhớt cao hơn khó lắng, khó rửa, đưa vào ly tâm sẽ khó vắt hơn, dẫn đến tiêu tốn năng lượng, chi phí thiết bị, xây dựng tăng

Dễ xảy ra hiện tượng quá bão hòa cục bộ đưa môi trường PH lên 3 -

4 Trong điều kiện đó, Na2SiF6 bị phân hủy thành NaF và SiO2 hiệu suất thu hồi giảm và sản phẩm khó lọc, rửa

Bảng 1.3 Phân tích việc sử dụng từng loại nguyên liệu:

- Định mức tiêu hao

nguyên liệu 0,83 tấn/tấn Na2SiF6 1,2 tấn/tấn Na2SiF6 0,75 tấn/tấn Na2SiF6

- Giá thành nguyên

3 Nước thải sản xuất

Nước thải chứa thành phần chủ yếu

là HCl với nồng độ khoảng 3.8%, tương đương hàm lượng clo trong nước thải vào khoảng 46.331 mg/l gấp 100 lần hàm lượng cho phép (nếu thải vào nguồn nước dùng cho việc cấp nước sinh hoạt), gấp 50 lần hàm lượng cho phép (nếu xả vào nguồn nước không dùng cho việc cấp nước sinh hoạt) Việc xử lý Clo trong nước thải khá phức tạp, chi phí đầu tư dây chuyền xử lý cao (~1.6

Nước thải trong trường hợp sử dụng Na2SO4 này với thành phẩm chủ yếu là H2SO4 (5,3%) sẽ không cần thiết phải xử lý và có thể trở lại dây chuyền sản xuất Axít Phốtphoric (Xưởng PA) để cùng với H2SO4 đặc 98,5% của Xưởng Axít Sunfuric (Xưởng SA) phân giải quặng Apatit trong thiết bị phản ứng

Sử dụng nguyên liệu Sô đa Na2CO3 thì lượng nước thải ra môi trường cần xử lý là không đáng kể vì tính kiềm của Sô đa đã trung hòa hết tính axít của dung dịch H2SiF6 và lượng nước thải đi xử lý là nước trung tính chỉ còn chứa một lượng cặn dư không đáng kể của Na2SiF6

do lắng chưa hoàn toàn trong khâu lắng rửa và lượng cặn rắn này rất

dễ xử lý

Bảng 1.3 Phân tích việc sử dụng từng loại nguyên liệu:

triệu USD) và chi phí vận hành lớn (21.924.000 VND/Tấn Na2SiF6)

Bảng 1.4 Bảng so sánh chi phí sản xuất với các loại nguyên liệu khác nhau

Đơn vị tính: VND/tấn

1 Giá muối nguyên liệu 240 USD/Tấn 45 USD/Tấn 100 USD/Tấn

2 Chi phí muối nguyên liệu +3.809.000 +790.000 +2.539.000

3 Chi phí xử lý trung hòa

4

Tiết kiệm chi phí do tận

dụng nước thải chứa

H2SO4

Ghi chú:

- Giá trị mang dấu (+) là chi phí phải chi cho sản xuất

- Giá trị mang dấu (-) là chi phí tiết kiệm được so với sản xuất hiện tại

Qua 2 bảng tổng hợp so sánh ở trên, ta thấy sử dụng nguyên liệu Sô đa Na2CO3

là không kinh tế và không nên áp dụng cho đề tài Sử dụng Na2SO4 và NaCl thì hiệu quả hơn Dùng NaCl là có hiệu quả hơn so với sử dụng Na2SO4 trong trường hợp địa điểm xây dựng cho phép nước thải chứa Clo không cần phải xử lý theo tiêu chuẩn về

môi trường (Xả vào nguồn nước mặn hoặc nước lợ)

Tuy nhiên, trong trường hợp tại địa điểm xây dựng có yêu cầu bắt buộc phải xử

lý hàm lượng Cl- thì hiệu quả Luận văn sẽ nghiêng hẳn về việc sử dụng nguyên liệu Na2SO4 Trong trường hợp đó, như trên đã trình bày, một bộ phận xử lý nước thải sẽ phải đầu tư dây chuyền trong Luận văn cho bộ phận này sẽ rất lớn Theo tính toán của các chuyên gia nước ngoài cho một Luận văn tương đương thì chi phí đầu tư bộ phận

xử lý này là 1,5 triệu USD (khoảng 31,5 tỷ VND) Từ chi phí cố định đó sẽ phát sinh các chi phí khác trong giá thành như khấu hao (10%), lãi vay (12%), bảo dưỡng sửa chữa (1%), vv cộng với các chi phí biến đổi trong sản xuất của bộ phận xử lý nước thải này (nguyên liệu, động lực, nhân công) thì sự chênh lệch làm cho hiệu quả xấu hơn khi sử dụng NaCl sẽ lên tới 1,97 triệu USD/năm (khoảng 41,3 tỷ VND/năm) Nếu

tự thiết kế với thiết bị chủ yếu chế tạo trong nước thì chi phí đầu tư cố định cũng phải

18 tỷ VND và chi phí hàng năm sẽ là 20 tỷ VND/năm

1.3.3 Kết luận về lựa chọn công nghệ

Mục tiêu lớn nhất của việc đầu tư xây dựng Xưởng sản xuất Na2SiF6 là thực hiện loại bỏ dung dịch H2SiF6 18% ra khỏi quy trình sản xuất acid photphoric nhằm nâng cao chất lượng acid photphoric, từ đó nâng cao hàm lượng dinh dưỡng cho sản phẩm DAP và chắc chắn đem lại hiệu quả kinh tế lớn cho Nhà máy

Việc loại bỏ dung dịch H2SiF6 theo hướng sản xuất Na2SiF6 là hợp lý và Luận văn cũng được phân tích lựa chọn kỹ về sử dụng loại nguyên liệu, muối Na nào giảm được tối đa các chi phí sản xuất

Trên cơ sở phân tích trên, Luận văn đề xuất lựa chọn dây chuyền sản xuất Na2SiF6 sử dụng Na2SO4 làm nguyên liệu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN, HIỆN ĐẠI HÓA, TỐI

ƯU HÓA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

2.1 Phương pháp tiến hành nghiên cứu

2.1.1 Các phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp thu thập số liệu từ tài liệu tham khảo

 Phương pháp thu thập số liệu từ thực nghiệm (thí nghiệm, khảo sát thực tế)

Phương pháp thu thập số liệu phi thực nghiệm (tham khảo ý kiến chuyên gia) Phương pháp phân tích, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

Phương pháp mô phỏng

 Phương pháp tối ưu hóa

Phương pháp so sánh

□ Phương pháp khác

2.1.2 Mô tả cụ thể các phương pháp được áp dụng để nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập số liệu từ tài liệu tham khảo: Dựa trên nguồn thông tin thu thập được từ những tài liệu tham khảo có sẵn (tiêu chuẩn, sách, báo cáo, tính toán thiết kế đã có…) để xây dựng cơ sở dữ liệu cho đề tài

- Phương pháp thu thập số liệu từ thực nghiệm: thu thập các số liệu, dữ liệu vận hành chạy thử tại xưởng sản xuất Na2SiF6 tại nhà máy sản xuất phân bón DAP số 2 VINACHEM làm cơ sở tính toán chuẩn hóa lại thiết kế

- Phương pháp tối ưu hóa: trên cơ sở số liệu thực nghiệm, vận hành chạy thử tính toán tối ưu dây chuyền công nghệ, thiết bị, lắp đặt

2.2 Tài liệu thu thập

Sau khi thực hiện theo phương pháp nghiên cứu đã thu thập đủ toàn bộ tài liệu hiện trạng của xưởng Na2SiF6 tại nhà máy DAP2 thuộc công ty cổ phần DAP số 2 theo phụ lục 2 để tiến hành nghiên cứu đánh giá tối ưu hóa Xưởng Na2SiF6

Acid H2SiF6 18% sinh ra trong quá trình sản xuất acid H3PO4 từ quặng Apatit được đưa vào thùng phản ứng, dung dịch muối Na2SO4 20% được cấp vào thùng phản ứng, tại đây xẩy ra phản ứng hóa học như sau:

H2SiF6 + Na2SO4 Na2SiF6 + H2SO4

Huyền phù sau khi sinh ra trong thùng phản ứng được lắng trong thời gian 30 phút thì tiến hành tách lớp chất lỏng phía trên ra, do trong huyền phù có lẫn acid H2SO4 là môi chất ăn mòn rất mạnh vì vậy trước khi chuyển sản phẩm Na2SiF6 sang các bước tiếp theo cần phải khử acid H2SO4 trong sản phẩm để bảo vệ các thiết bị phía sau và đảm bảo chất lượng sản phẩm

Sau khi tách lớp chất lỏng phía trên ra tiến hành cấp nước sạch trở vào thùng phản ứng để tiến hành làm giảm nồng độ acid H2SO4 và quá trình này được tiến hành

2 lần cho 1 mẻ sản phẩm

Sau khi thực hiện xong quá trình rửa sản phẩm tiến hành cấp dung dịch Na2CO3 32% vào thùng phản ứng nhầm mục đích trung hòa hết toàn bộ acid trong sản phẩm sau phản ứng

Sản phẩm đạt tới môi trường trung tính tiến hành vận chuyển sản phẩm Na2SiF6 qua thiết bị lọc ly tâm để tách nước trong sản phẩm xuống < 15%

Sản phẩm sau ly tâm được vận chuyển tới thiết bị sấy để đưa hàm lượng ẩm trong sản phẩm < 2% sản phẩm sau sấy được thu hồi lại nhờ hệ thống xyclon và thiết bị lọc bụi tay áo

Cuối cùng sản phẩm được đóng bao và vận chuyển tới kho xuất hàng

2.4 Tính toán công nghệ

2.4.1 Thông số đầu vào

Năng suất xưởng sản xuất Q1 = 9000 tấn/năm

Tổn thất sản phẩm trong quá trình sản xuất là ∆Q = 1%

Chất lượng sản phẩm Na2SiF6 đạt hàm lượng 98.5%

Thời gian làm việc của xưởng sản xuất là 300 ngày tương đương 6750 giờ làm việc

2.4.2 Tính toán công nghệ

Năng suất của xưởng cần thiết để đạt năng suất sản phẩm đầu ra theo yêu cầu là:

Q = Q1/(1 - ∆Q) = 9000/(1 -1%) = 9091 tấn/năm

2.4.2.1 Tính toán tiêu hao nguyên liệu đầu vào

Ta có phương trình phản ứng như sau:

H2SiF6 + Na2SO4 Na2SiF6 + H2SO4

• Khối lượng acid H2SiF6 cần dùng là:

𝑚𝐻2𝑆𝑖𝐹6 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6𝑀𝐻2𝑆𝑖𝐹6

9091 ∗ 144188

= 6963.2 𝑡ấ𝑛

𝑛ă𝑚 𝑡ươ𝑛𝑔 đươ𝑛𝑔 1031.6 𝑘𝑔/ℎ Theo khảo sát nguyên liệu đầu vào thực tế các nhà máy sản xuất phân bón sinh

ra acid H2SiF6 thì hàm lượng acid H2SiF6 sinh ra là 17.7%

Như vậy lượng acid H2SiF6 17.7% cần dùng cho phản ứng là:

𝑚𝑑𝑑𝐻2𝑆𝑖𝐹6 =𝑚𝐻2𝑆𝑖𝐹6

𝐶𝐻2𝑆𝑖𝐹6 =

1031.617.7% = 5833.4 𝑘𝑔/ℎ Khối lượng riêng của acid H2SiF6 17.7% là 1170 kg/m3 [7]

Vậy lưu lượng acid H2SiF6 17.7% là VH2SiF6 = 5833.4 / 1170 = 5 m3/h

• Khối lượng muối Na2SO4 cần dùng là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6𝑀𝑁𝑎2𝑆𝑂4

9091 ∗ 142188

= 6866.5 𝑡ấ𝑛

𝑛ă𝑚 𝑡ươ𝑛𝑔 đươ𝑛𝑔 1017.3 𝑘𝑔/ℎ

Để lượng muối Na2SiF6 sinh ra không bị tan lẫn với acid H2SiF6 để đưa phản ứng quay trở lại chiều phản ứng nghịch thì lượng muối Na2SO4 cần dư sau phản ứng

là 3.5% sẽ phản ứng kết tủa Na2SiF6 là tối ưu [6]

Vậy lượng muối Na2SO4 cần dùng để tối ưu phản ứng là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑇𝑈 = 𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4

(1 − %𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑑𝑢)=

1017.3(1 − 3.5%) = 1054.16 𝑘𝑔/ℎ Nồng độ muối Na2SO4 bão hòa ở nhiệt độ 40oC là 32.5% [11]

Vậy khối lượng dung dịch muối Na2SO4 bão hòa cần dùng là:

𝑚𝑑𝑑𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4

𝐶𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =

1054.1632.5% = 3243.57 𝑘𝑔/ℎ Khối lượng riêng của muối Na2SO4 32.5% là 1215 kg/m3 [12]

Vậy lưu lượng muối Na2SO4 32.5% là VNa2SO4 = 3243.57 / 1215 = 2.67 m3/h

2.4.2.2 Tính toán thành phần trong dung dịch sau phản ứng

Theo định luật bảo toàn khối lượng thì ta có tổng lượng chất sau phản ứng là

mspu = mH2SiF6 + mNa2SO4 = 5833.4 + 3243.57 = 9076.97 kg/h

Lượng muối Na2SiF6 sinh ra sau phản ứng

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6 =9091

6750 = 1346.8 𝑘𝑔/ℎ Khối lượng acid H2SO4 sinh ra sau phản ứng là

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6𝑀𝐻2𝑆𝑂4

𝑀𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6 =

1346.8 ∗ 98

188 = 702 𝑘𝑔/ℎ Khối lượng muối Na2SO4 dư sau phản ứng là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑑𝑢 = 𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑡𝑢− 𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 = 1054.16 − 1017.3 = 36.86 𝑘𝑔/ℎ Khối lượng nước sau phản ứng là:

𝑚𝐻2𝑂 = 9076.97 − 1346.8 − 702 − 36.86 = 6991.31 𝑘𝑔/ℎ

Vậy tổng khối lượng dung dịch sau phản ứng:

𝑚𝑑𝑑 = 702 + 36.86 + 6991.31 = 7730.17𝑘𝑔/ℎ Hàm lượng acid H2SO4 sau phản ứng là

𝐶𝐻2𝑆𝑂4 =𝑚𝐻2𝑆𝑂4

𝑚𝑑𝑑 =

7027730.17= 9.08%

Hàm lượng muối Na2SO4 sau phản ứng là

𝐶𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑑𝑢

𝑚𝑑𝑑 =

36.867730.17= 0.476%

Khối lượng riêng của nước cái theo kết quả thí nghiệm là: 1020 kg/m3

Vậy thể tích nước cái sau phản ứng:

𝑉𝑛ướ𝑐 𝑐á𝑖 =7730.17

1020 = 7.58 𝑚3/ℎ 2.4.2.3 Tính toán lượng nước rửa sản phẩm

𝑑𝑟ắ𝑛𝑙ỏ𝑛𝑔

= 7730.17 −1346.8 ∗ (1 − 0.5)

0.5

= 6383.37 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 1 = 6383.37 ∗ 9.08% = 579.61 𝑘𝑔/ℎ

Lượng muối Na2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 1 = 6383.37 ∗ 0.476% = 30.385 𝑘𝑔/ℎ Vậy lượng nước ót còn lại sau khi tách nước lần 1 là:

𝑚𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 1 = 7730.17 − 6383.37 = 1346.8 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 còn lại là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 1 = 1346.8 ∗ 9.08% = 122.29 𝑘𝑔/ℎ Lượng muối Na2SO4 còn lại là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 1= 1346.8 ∗ 0.476% = 6.41 𝑘𝑔/ℎ Lượng nước công nghệ cần bổ sung vào để rửa lần 1 là:

𝑚𝑑𝑑 𝑏ổ 𝑠𝑢𝑛𝑔 1 = 6383.37 ∗ 70% = 4468.36 𝑘𝑔/ℎ Tổng khối lượng pha lỏng tương đương:

𝑚𝑑𝑑1 = 𝑚𝑑𝑑 𝑏ổ 𝑠𝑢𝑛𝑔 1+ 𝑚𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 1 = 4468.36 + 1346.8 = 5815.16 𝑘𝑔/ℎ Nồng độ các chất trong dung dịch tương ứng:

Hàm lượng acid H2SO4 trong dung dịch 1 là

𝐶𝐻2𝑆𝑂4 =𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 1

𝑚𝑑𝑑1 =

122.295815.16∗ 100 = 2.1%

Hàm lượng muối Na2SO4 trong dung dịch 1 là

𝐶𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑡á𝑐ℎ 1

𝑚𝑑𝑑1 =

6.415815.16∗ 100 = 0.11%

• Quá trình lắng gạn lần 2:

Ta có tỷ lệ rắn/lỏng sau lắng gạn lần 2 là drắn/lỏng = 50%

Lượng nước ót tách ra sau phản ứng

𝑚𝑛𝑐 𝑡á𝑐ℎ2 = 𝑚𝑑𝑑1−

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6∗ (1 − 𝑑𝑟ắ𝑛

𝑙ỏ𝑛𝑔)

𝑑𝑟ắ𝑛𝑙ỏ𝑛𝑔

= 5815.16 −1346.8 ∗ (1 − 0.5)

0.5

= 4468.36 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 2 = 4468.36 ∗ 2.1% = 93.84 𝑘𝑔/ℎ Lượng muối Na2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 2 = 4468.36 ∗ 0.11% = 4.92 𝑘𝑔/ℎ Vậy lượng nước ót còn lại sau khi tách nước lần 2 là:

𝑚𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 5815.16 − 4468.36 = 1346.8 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 còn lại là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 1346.8 ∗ 2.1% = 28.28 𝑘𝑔/ℎ Lượng muối Na2SO4 còn lại là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 1346.8 ∗ 0.11% = 1.48 𝑘𝑔/ℎ Lượng nước công nghệ cần bổ sung vào để rửa lần 2 là:

𝑚𝑑𝑑 𝑏ổ 𝑠𝑢𝑛𝑔 2 = 𝑚𝑛𝑐 𝑡á𝑐ℎ 2 = 4468.36 𝑘𝑔/ℎ Tổng khối lượng pha lỏng tương đương:

𝑚𝑑𝑑2 = 𝑚𝑑𝑑 𝑏ổ 𝑠𝑢𝑛𝑔 2+ 𝑚𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 4468.36 + 1346.8 = 5815.16 𝑘𝑔/ℎ Nồng độ các chất trong dung dịch tương ứng:

Hàm lượng acid H2SO4 trong dung dịch 2 là

𝐶𝐻2𝑆𝑂4 =𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 2

𝑚𝑑𝑑2 =

28.285815.16∗ 100 = 0.49%

Hàm lượng muối Na2SO4 trong dung dịch 2 là

𝐶𝑁𝑎2𝑆𝑂4 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4𝑡á𝑐ℎ 2

𝑚𝑑𝑑2 =

1.485815.16∗ 100 = 0.0255%

𝑑𝑟ắ𝑛𝑙ỏ𝑛𝑔

= 5815.16 −1346.8 ∗ (1 − 0.5)

0.5

= 4468.36 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 3 = 4468.36 ∗ 0.49% = 21.895 𝑘𝑔/ℎ Lượng muối Na2SO4 tách ra theo nước cái là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑡á𝑐ℎ 3 = 4468.36 ∗ 0.0255% = 1.14 𝑘𝑔/ℎ Vậy lượng nước ót còn lại sau khi tách nước lần 3 là:

𝑚𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 5815.16 − 4468.36 = 1346.8 𝑘𝑔/ℎ Trong đó có:

Lượng acid H2SO4 còn lại là:

𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 3 = 1346.8 ∗ 0.49% = 6.6 𝑘𝑔/ℎ Lượng muối Na2SO4 còn lại là:

𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 2 = 1346.8 ∗ 0.0255% = 0.34 𝑘𝑔/ℎ 2.4.2.4 Tính toán quá trình trung hòa acid

Lượng acid H2SO4 còn lại trong sản phẩm được trung hòa bằng dung dịch muối Na2CO3 theo phương trình phản ứng sau:

H2SO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CO2 + H2O

Theo phương trình phản ứng ta có khối lượng Na2CO3 cần dùng để trung hòa hết acid H2SO4 là

𝑚𝑁𝑎2𝐶𝑂3 =𝑚𝐻2𝑆𝑂4 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 3∗ 𝑀𝑁𝑎2𝐶𝑂3

6.6 ∗ 106

98 = 7.14 𝑘𝑔/ℎ Nồng độ dung dịch sô đa trung hòa là: CNa2CO3 = 20%

Khối lượng dung dịch muối Na2CO3 cần dùng là:

𝑚𝑑𝑑 𝑁𝑎2𝐶𝑂3 =𝑚𝑁𝑎2𝐶𝑂3

𝐶𝑁𝑎2𝐶𝑂3 =

7.1420%= 35.7 𝑘𝑔/ℎ 2.4.2.5 Tính toán quá trình sấy

• Thông số đầu vào

Độ ẩm sản phẩm vào sấy là X = 15%

Vậy thành phần sản phẩm vào sấy gồm:

Khối lượng muối Na2SiF6 là: mNa2SiF6 = 1346.8 kg/h

𝑚ẩ𝑚 𝑟𝑎 =𝑚𝑁𝑎2𝑆𝑖𝐹6∗ 𝑋𝑟𝑎

(1 − 𝑋𝑟𝑎) =

1346.8 ∗ 2%

(1 − 2%) = 27.19 𝑘𝑔/ℎ Nhiệt độ vật liệu vào sấy là t1 vào = 25oC

Tác nhân sấy là khí lò đốt dầu FO trực tiếp

Nhiệt độ hỗn hợp khí vào sấy t2 vào = 300oC