Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 4
1.1. Giới thiệu về NH3 .............................................................................................. 4
1.1.1. Lịch sử phát hiện và sử dụng amoniac ......................................................... 4
1.1.2. Nguồn phát sinh ammoniac ......................................................................... 4
1.1.3. Một số tính chất cơ bản của amoniac ........................................................... 5
1.2. Giới thiệu phân sunphat đạm (NH4)2SO4............................................................ 7
1.2.1. Tính chất của Sunfat amon .......................................................................... 7
1.2.2. Cơ sở hóa lý quá trình sản xuất Sunfat amon (NH4)2SO4 bằng phương pháp
bão hòa H2SO4 từ khí cốc ...................................................................................... 8
CHƯƠNG 2. DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ............... 9
2.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất Sunfat amon .............................................................. 9
2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất Sunfat amon .................................. 10
CHƯƠNG 3. THÙNG BÃO HỎA .......................................................................... 12
3.1. MÔ TẢ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ........................................................................ 12
3.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC...................................................... 12
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THÙNG BẢO HÒA ................................................... 15
4.1. Cân bằng vật chất thùng bão hòa ..................................................................... 15
4.2. Cân bằng nhiệt lượng thùng bão hòa ................................................................ 18
CHƯƠNG 5. CÂN BẰNG NHIỆT THÙNG BẢO HÒA ....................................... 22
5.1. Xác định kích thước cơ bản của thùng bão hòa ................................................ 22
5.2. Tính bề dày thiết bị .......................................................................................... 23
5.3. Tính kích thước nắp và đáy thiết bị thùng bão hòa ........................................... 24
CHƯƠNG 6. MÁY GIA NHIỆT KHÍ CỐC ........................................................... 28
6.1. Ý nghĩa và cấu tạo ........................................................................................... 28
CHƯƠNG 7. TÍNH TOÁN MÁY GIA NHIỆT ...................................................... 29

7.1. Cân bằng nhiệt ................................................................................................. 29
7.2. Tính kích thước cơ bản của máy gia nhiệt ........................................................ 30
CHƯƠNG 8. MÁY LI TÂM LIÊN TỤC DÙNG CHO SUNFAT AMONI........... 34
CHƯƠNG 9. MÁY SÁY SUNFAT AMONI........................................................... 36
Trang 1


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

9.1. Cấu trúc máy sấy băng tải rung ........................................................................ 36
9.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT ................................................................................ 37
9.3. Tính toán nhiệt................................................................................................. 38
9.4. Cân bằng nhiệt của quá trình sấy ..................................................................... 40
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 43

Trang 2


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

LỜI MỞ ĐẦU
Khí cốc là khí thu được từ các lò luyện than đá sau khi đã loại bỏ nước ngưng có
chứa một lượng lớn khí amoniac, hydrocarbon benzene, hydrosunfua, khí
methane…có giá trị rất cao đặc biệt là amoniac là một nguyên liệu quý để sản xuất
phân bón. Có rất nhiều biện pháp để thu hồi amoniac sản xuất phan bón như: Sunfat

amoni, Amoni clorua, Amoni nitrat, URE, Amoni phosphate.. nhưng bằng phương
pháp bão hòa H2SO4 từ khí cốc ta có thể thu hồi được hầu hết lượng amoniac có lẫn
trong khí cốc ở dạng Sunfat amon, là một loại phân bón quý thích hợp cho các loại cây
trồng lâu năm như: cà phê, hồ tiêu, chè.. Do một đặc điểm quan trọng của loại phân
này là có chứa cả đạm và một hàm lượng lớn lưu huỳnh rất tốt cho cây trồng mà ít loại
phân bón nào có được. Qua đó cho ta thấy tính thực tiễn của đề tài này đối với xã hội
hiện nay.
Vì vậy nhóm chúng em nghiên cứu đề tài: “Thu hồi NH 3 bằng phương pháp
bão hòa H2SO4 từ khí cốc” là phương pháp sản xuất Sunfat amon bằng khí cốc và
acid sunfuric

Trang 3


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về NH 3
1.1.1. Lịch sử phát hiện và sử dụng amoniac
Người Roman xưa đã tìm thấy muối amoni clorua tại đền thờ thần Jupiter tại xứ
Libi cổ và gọi muối đó là “ muối Amun” ( salt of Amun). Trong một tác phẩm cổ,
Caius Plinius Secundus (hay còn gọi là Pliny the Elder) có nhắc đến tên một loại
muối được gọi là “Hammoniacus” (hammoniacus sal, hay còn gọi là sal ammoniac).
Vào Thế kỷ thứ 8, các nhà giả kim thuật Arập đã biết đến sal ammoniac. Sau đó vào
Thế kỷ 13, Geber (Jabir ibn Hayyan) và các nhà giả kim thuật châu Âu cũng nhắc
đến tên muối này. Vào thời kỳ Trung thế kỷ, những người thợ nhuộm đã biết dùng
muối sal ammoniac (còn được gọi là nước tiểu lên men) để làm đổi màu các loại
thuốc nhuộm có nguồn gốc thảo mộc. Vào Thế kỷ 15, Basilius Valentinus đã chỉ ra

rằng có thể thu được amoniac bằng các cho kiềm tác dụng với sal ammoniac. Sau đó
loại muối này đã được điều chế bằng cách chưng (nhiệt phân) sừng và móng gia súc,
sau đó trung hòa dịch cất chứa cacbonat thu được với axit clohyđric (HCl).
Lần đầu tiên amoniac dạng khí do Joseph Priestley phân lập vào năm 1774 và
được ông đặt tên là “không khí kiềm” (alkaline air). Tuy nhiên người đầu tiên thu
được chất khí này là nhà giả kim thuật Basil Valentine. 11 năm sau, Claude Louis
Berthollet đã xác định được thành phần phân tử của amoniac là NH3.
Fritz Haber và Carl Bosch

là những người phát hiện quy trình sản xuất

amoniac vào năm 1909. Công trình này đã được đăng ký phát minh vào năm 1910.
Người Đức là những người đầu tiên trên thế giới sử dụng amoniac ở quy mô
công nghiệp trong thời kỳ Đại chiến thế giới lần thứ I sau khi bị phong tỏa mất nguồn
natri nitrat từ Chilê. Khi đó amoniac được được người Đức dùng để sản xuất thuốc nổ
phục vụ chiến tranh.
1.1.2. Nguồn phát sinh ammoniac
Hiện nay ngoài nguồn NH3 nhân tạo (các nhà máy sản xuất phân ure hoặc các
nhà máy chuyên sản xuất amoniac lỏng), trong tự nhiên cũng có một lượng nhỏ NH3
tồn tại trong khí quyển do thường xuyên hợp chất này được tạo ra từ các quá trình
phân hủy các vật liệu hữa cơ có nguồn gốc động, thực vật.

Trang 4


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Trong nước mưa,nước biển người ta cũng phát hiện thấy có NH3 và các muối

amoni. Hoạt động của núi lửa cũng là nguồn sinh ra muối amoni(như amoni clorua
NH4Cl và amoni sunfat (NH4)2SO4). Tại một số vùng khoáng chứa sô đa,người ta cũng
thấy có các tinh thể amoni bicacbonat NH4HCO3. Các hoạt động sinh hóa hàng ngày
của người và động vật cũng là nguồn sinh ra NH3.
1.1.3.Một số tính chất cơ bản của amoniac
1.1.3.1. Tính chất vật lý của amoniac
Khí NH3 là một chất khí không màu,có mùi rất khó chịu và nhẹ hơn không khí.
Amoniac hóa lỏng ở -34 oC và hóa rắn ở - 78 oC. Là một khí tan rất nhiều trong nước:
1 lit nước ở 200 oC hòa tan được 800 lit ammoniac
ࡕ moniac lỏng là một dung môi tốt hòa tan đươch nhiều chất và là một trong

những dung môi ion hóa quan trọng nhất. Nó có thể hòa tan các kim loại kiềm, kiềm
thổ, đất hiếm tạo ra các dung dịch kim loại, dẫn điện và có chứa các ion solvat hóa.
1.1.3.2. Tính chất hóa học của amoniac
 Tính bazơ yếu
 Tác dụng với nước
Khi tan trong nước, một phần nhỏ các phân tử amoniac kết hợp với ion H+ của
nước, tạo thành ion amoniac (NH4+) và ion hiđroxit (OH−):
NH3+H2O⇌ NH4++OH−
ủon OH− làm cho dung dịch có tính bazơ, tuy nhiên so với dung dịch kềm mạnh
(thí dụ NaOH) cùng nồng độ, thì nồng độ ion OH− do NH3 tạo thành nhỏ hơn nhiều.
Trong dung dịch, amoniac là một bazơ yếu: ở 25oC, hằng số phân li bazơ Kb=1,8.10−5.
Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ
tím chuyển sang màu xanh. Lợi dụng tính chất này người ta dùng giấy quỳ tím ẩm để
nhận ra khí amoniac.
 Tác dụng với axit
Amoniac (dạng khí cũng như dung dịch) kết hợp dễ dàng với axit tạo thành muối
amoni.
Thí dụ:


2NH3+H2SO4→ (NH4)2SO4
NH3+H+→NH+4

Trang 5


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Khi đặt hai bình mở nút đựng dung dịch HCl đặc và NH3 đặc gần nhau thì thấy
có "khói" màu trắng tạo thành. "Khói" là những hạt nhỏ li ti của tinh thể muối amoni
clorua (NH4Cl). Muối này được tạo thành do khí amoniac và khí hiđro clorua hóa hợp
với nhau:
NH3(k)+HCl(k)→NH4Cl(r)
Phản ứng này cũng được sử dụng để nhận ra khí amoniac.
 Tác dụng với dung dịch muối
Dung dịch amoniac có khả năng làm kết tủa nhiều hiđroxit kim loại khi tác dụng
với dung dịch muối của chúng.
Thí dụ:
Al3++3NH3+3H2O→Al(OH)3↓+3NH4+
 Khả năng tạo phức
Dung dịch amoniac có khả năng hòa tan hiđroxit hay muối ít tan của một số kim
loại, tạo thành các dung dịch phức chất.
Thí dụ:
Cu(OH)2+4NH3→[Cu(NH3)4](OH)2
Cu(OH)2+4NH3→[Cu(NH3)4]2++2OH−
(xanh thẫm)
Sự tạo thành các ion phức [Cu(NH3)4]2+,[Ag(NH3)2]+... xảy ra do các phân tử
amoniac kết hợp với các ion Cu 2+... bằng các liên kết cho - nhận giữa cặp electron

chưa sử dụng của nguyên tử nitơ với obitan trống của ion kim loại.
 Tính khử
 Tác dụng với oxi
Khi đốt trong khí oxi, amoniac cháy với ngọn lửa màu vàng, tạo ra khí nitơ và
hơi nước.
4NH3+3O2 → 2N2 + 6H2O
Khi đốt amoniac trong oxi không khí có mặt chất xúc tác thì tạo ra khí NO và nước:
4NH3+5O2→ 4NO + 6H2O

Trang 6


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

 Tác dụng với clo
Dẫn khí NH3 vào bình chứa khí clo, NH3 tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có "khói"
trắng.
2NH3+3Cl2 → N2 + 6HCl
"Khói" trắng là những hạt NH4Cl sinh ra do khí HCl vừa tạo thành hóa hợp với NH3.
 Tác dụng với oxit kim loại
Khi đun nóng, NH3 có thể khử một số oxit kim loại thành kim loại , chẳng hạn
NH3 khử CuO màu đen tạo ra Cu màu đỏ, nước và khí N2.
2NH3 + 3CuO → 3Cu + N2O + 3H2O
1.1.3.3. Ứng dụng của ammoniac
Amoniac được sử dụng để sản xuất axit nitric; các loại phân đạm urê (NH2)2CO,
NH4NO3, (NH4)2SO4,...; điều chế hiđrazin (N2H4) làm nhiên liệu cho tên lửa. Amoniac
lỏng được dùng làm chất gây lạnh trong máy lạnh.
1.2. Giới thiệu phân sunphat đạm (NH4)2SO4

1.2.1. Tính chất của Sunfat amon
(NH4)2SO4 là một muối có dạng tinh thể mịn màu trắng ngà hoặc xám xanh, dễ
tan trong nước, nhưng không tan trong etanol và aceton, có tính hút ẩm, có mùi nước
tiểu (NH3). Trong dung dịch nước, (NH4)2SO4 bị thủy phân và cho môi trường axit.
Ngành công nghiệp sản xuất (NH4)2SO4 là một trong những ngành công nghiệp quan
trọng dối với một đất nước nông nghiệp như nước ta. Ứng dụng quan trọng nhất của
(NH4)2SO4 là làm phân bón, ngoài ra nó còn có nhiều ứng dụng khác như làm thuốc
diệt cỏ, phụ gia thực phẩm, chất chống cháy, chất bảo quản gỗ, chất làm kết tủa
protein... (NH4)2SO4 được điều chế từ amoniac và axit sunfuric.
Còn gọi là phân SA.sunphat đạm có chứa 20-21% N nguyên chất.Trong phân này
còn có 29% lưu huỳnh(S).
Khối lượng riêng 1.77g/cm 3,tnc=1400C. Ở nhiệt độ 2180C bị phân hủy một phần
tạo thành các muối acid, khi đốt nóng đến 513 oC thì bị thủy phân hoàn toàn thành
ammoniac và H2SO4.
Phân này dễ tan trong nước, không vón cục.Thường ở trạng thái tơi, rời, dễ bảo
quản, dễ sử dụng.

Trang 7


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Có thể đem bón cho tất cả loại cây trồng,trên nhiều loại đất khác nhau, miễn là
đất không bị phèn, bị chua. Nếu đất chua cần bón thêm vôi, lân mới dùng được đạm
sunfat amon. Phân này dùng tốt cho cây trồng trên đất đồi, trên các loại đất bạc màu
(thiếu S).
Cần lưu ý đạm sunphat là loại phân có tác dụng nhanh,rất chóng phát huy tác
dụng đối với cây trồng, cho nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần

để tránh mất đạm.
Khi bón cho cây con cần chú ý là phân này dễ gây cháy lá.
Không nên sử dụng phân đạm sunphat để bón trên đất phèn, vì phân dễ làm chua
thêm đất.
1.2.2. Cơ sở hóa lý quá trình sản xuất Sunfat amon (NH4)2SO4 bằng phương pháp
bão hòa H2SO4 từ khí cốc
Bằng phương pháp bão hòa khí lò cốc chứa NH3 được sục qua dung dịch H2SO4
ở thiết bị bão hòa từ 60 – 80 oC, sản phẩm được lấy ra liên tục dưới dạng muối Sunfat
amon kết tinh do quá bão hòa.
Phản ứng diễn ra theo cơ chế:
2NH3 (k) + H2SO4 dd → (NH4)2SO4 tt + Q
Quá trình (NH4)2SO4 kết tinh theo các bước sau:
 Tạo mầm
-Khi dung dịch quá bão hòa, xuất hiện mầm trong dung dịch
-Có thể tạo mầm bằng cách đưa vào dung dịch một lượng mầm mới. Kích thước
mầm nhân tạo phải đủ lớn.
-Muốn có tinh thể lớn thì số mầm phải ít. Khi xuất hiện nhiều mầm trong dung dịch
thì số mầm nhỏ
 Phát triển mầm
Là quá trình phát triển mầm thành hạt có thể nhìn thấy được.
 Kết tụ tinh thể nhỏ tách riêng ra thành pha mới
Cường độ khuấy trộn ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể. Khi tăng cường
độ khuấy trộn thì tốc độ kết tinh tăng lên, nhưng kích thước tinh thể giảm xuống.
Kích thước tinh thể đóng vai trò quan trọng trong việc thu hồi và xử lý sản phẩm.

Trang 8


Đồ án công nghệ


GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

CHƯƠNG 2. DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
2.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất Sunfat amon

Trang 9


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất Sunfat amon
Khí cốc (NH3, H2S, hơi nước, hydrocacbon, Benzene) được lọc bụi ở máy lọc
điện để loại bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ sau đó được nén và đưa vào thiết bị gia
nhiệt khí cốc (1). Khí cốc được gia nhiệt lên đến 60 – 700C bằng hơi nước trích ở phía
sau tuốc bin hơi ở áp suất từ 3 – 4 atm. Sau khi được gia nhiệt, khí cốc đi vào thùng
trung hòa (2).
Axit sunfuric 78% từ thùng cao vị (8) và hơi amoniac từ thùng tuần hoàn của
tháp sữa vôi cũng được nạp vào thùng trung hòa. Trong thùng trung hòa, amoniac sẽ
phản ứng với axít sunfuric tạo ra sunfat amon theo phản ứng (*) dưới đây:
2NH3 (k) + H2SO4 dd → (NH4)2SO4 dd + Q (*)
Phản ứng (*) là phản ứng trung hòa và tỏa nhiệt. Nhiệt độ của thùng trung hòa
được duy trì ở mức 58 0C.
Bên cạnh phản ứng chính hình thành sunfat amon (*) như trên, trong thùng trung
hòa còn xảy ra phản ứng phụ giữa axít sunfuric với các hợp chất pyridin để tạo nên
sunfat pyridin theo phản ứng (**) bên dưới:
CnH2n-5N +H2SO4=CnH2n-5N.H2SO4 (**)
Nồng độ axít trong thùng trung hòa được khống chế ở mức 6 – 8%.
Khí không ngưng đi ra khỏi thùng trung hòa chứa khoảng 3g ammoniac/100 m3

khí này được đưa vào thùng thu hồi số (3) để thu hồi axít sunfuric bị cuốn theo. Sau
khi đi qua thùng thu hồi số (3), khí cốc đi qua máy làm lạnh cuối cùng để làm nguội
khí đến 25 – 30 0C trước khi đi vào cụm thu hồi Benzene.
Dịch sau phản ứng trong thùng trung hòa chứa tinh thể sunfat amon, axít sunfuric
và nước được bơm đến thùng chứa tinh thể sunfat amon (9). Trong thùng chứa tinh thể
sunfat amon (9), sunfat amon được lắng và tách ra ở đáy thùng, dung dịch còn lại chảy
tràn qua cửa thoát ở gần miệng thùng và thoát ra ngoài. Dòng dịch này một phần được
hồi lưu lại thùng trung hòa và một phần đưa đi trung hòa piridin.
Để tạo ra nồng độ đồng đều ở trong thùng bão hòa thì người ta tuần hoàn liên tục
dung dịch nước cái. Dung dịch nước cái bão hòa sẽ được chảy vào thùng tuần hoàn
(4). Từ đây nó được trở lại thùng bảo hòa bằng bơm chịu acid công suất 20 – 40 m3/h.
Phần nhẹ ở trên sẽ tạo thành nhựa và được chảy tràn qua thùng dung dịch chứa nước

Trang 10


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

cái (6). Tại đây, nhựa sẽ được khử và đưa ra ngoài, phần nước cái sẽ được bơm (7)
bơm tuần hoàn lại thùng bão hòa.
Chu trình được tuần hoàn bơm (8) sẽ bơm những tinh thể sunfat cở lớn và dung
dich nước cái lên thùng chứa tinh thể (9), tinh thể lắng xuống còn dung dịch nước cái
ở trên một phần sẽ đưa đi qua thùng trung hòa để khử pyridine, phần còn lại chảy
xuống thùng bão hòa. Tinh thể sunfat amon tách ra ở đáy thùng chứa (9) được đưa
xuống máy ly tâm (10) đến băng tải (11) sau đó đi vào máy sấy (12) để sấy khô.
Không khí nóng được sử dụng để sấy khô sunfat amon.

Trang 11



Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông
CHƯƠNG 3.THÙNG BÃO HỎA

3.1. MÔ TẢ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Hình 1: Thùng bão hòa
3.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
Hình 1: mô tả thùng bão hoà, trong cấu tạo có mô tả thùng thu hồi phía trong.
Thùng bão hoà này có hộp thu hồi bên trong. Do thùng bão hoà kiểu này có hộp thu
hồi tiết diện lớn nên ít mất mát dung dịch nước cái. Thực chất quá trình này làm việc
thùng băo hoà như sau: khí cốc đưa vào thùng bão hoà theo đường ống dẫn khí thẳng
đứng trung tâm. Và ống đó kết thúc ở vùng phân phối khí ngâm trong vùng nước cái.
Trang 12


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Ở vùng này có những mái chèo phân phối nằm nghiêng, toàn bộ dòng khí phân phối
đều vào vùng nước cái nhờ mái chèo đẩy, tạo thành dòng chuyển động tăng so với
vòng tròn trung tâm.

Hình 2. Bộ phận phân phối khí thùng bão hòa
Hình 2: mô tả bộ phận phân phối khí được chế tạo từ thép chịu axit. Khí cốc cho
qua mái chèo của vùng phân phối khí sẽ tiếp xúc đồng đều với dung dịch nước cái

axit, kết quả ammoniac từ khí cốc thu được gần như hoàn toàn.
Khí cốc đi ra từ vùng phân phối vào vùng nước cái làm cho dung dịch nước cái
quay tròn. Do đó, có khả năng khuấy trộn dung dịch axit và làm đồng dều dung dich
axit theo chiều cao thùng bão hoà.
Khi đi qua vùng phân phối khí và sục qua chất lỏng, khí cốc sẽ được nâng lên
phía trên theo phương thẳng đứng phía trên thùng bão hoà với tốc độ không lớn
khoảng 0.7m/s và đi qua khe hẹp nối không gian ở phía trên thùng bão hoà với hộp thu
hồi số 3 ( Hình 1 ). Tốc độ khí trong lỗ khe khoảng 35m/s.
Trang 13


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Khi đi vào không gian hộp thu hồi, khí đột ngột mất tốc độ còn 0.7m/s do đó có
khả năng lắng đọng những giọt axit.
Thùng axit tưới bằng nước một cách gián đoạn qua vòi phun số 4 đặt ở trên nắp
hộp thu hồi thùng bão hoà theo hình tròn.
Nước phun vào không gian của máy thu hồi sẽ rửa những giọt axit bắn lên và
tinh thể sunfat amoni từ đáy hình nón của hộp thu hồi qua ống đứng 12 để trở về thùng
bão hoà.
Khí cốc giải phóng khỏi những giọt axit đi ra từ thùng bão hoà qua ống thoát số 2
đối diện theo đường kính.

Trang 14


Đồ án công nghệ


GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÙNG BẢO HÒA

4.1 Cân bằng vật chất thùng bão hòa
Bảng 1: Khí cốc từ máy gia nhiệt vào thùng bão hòa:
Thành phần

Khối lượng (kg/h)

Thể tích (Nm3/h)

Khí cốc khô

19200

40000

Hơi nước

1900

2369

Hydrocarbon Benzen

1220

321

H2 S


592

389

NH3

292

385

Tổng

23204

43464

Khí cốc sau khi vào thùng bão hòa thực hiện phản ứng hóa học với acid
sunfuric, một phần còn lại hơi nước và NH3 đi vào tháp sữa vôi. Hơi nước NH3 không
những đi vào tháp sữa vôi mà còn đi vào thiết bị khử piridin.

½ lượng NH3 từ thiết bị khử piridin và ½ lượng NH3 trong cột sữa vôi được
chia làm đôi trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt. Do đó, lượng NH3 bằng ¼ lượng NH3
ban đầu.
Bảng 2: Thành phần hơi vào thùng bão hòa
Thành phần

Khối lượng (kg/h)

Thể tích (Nm3/h)


NH3

35

46

H2 S

10

7

Hơi nước

310

387

Tổng

355

440

Trang 15


Đồ án công nghệ


GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Bảng 3: Khí đưa vào thùng bão hòa:

Thành phần

Khối lượng (kg/h)

Thể tích (Nm3/h)

Khí cốc khô

19200

40000

Hơi nước

2210

2763

Hydrocarbon Benzen

1220

321

H2 S

592


390

NH3

327

432

Tổng

23549

43906

Nồng độ acid Sunfuric thường được lấy trong khoảng từ 75-80 % nhưng để phản
ứng đạt hiệu suất cao nhất ta lấy nồng độ acid H2SO4 đưa vào thùng bão hòa la 78 %.
2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
Tổng lượng acid Sunfuric tiêu hao cho quá trình là:
327.

. ,

= 1208 (kg/h)

Monohidrat: 1208.0,78 = 942 (kg/h)
Nước: 266 (kg/h)
Lượng Sunfat amon tạo thành sau phản ứng:
328.


= 1269 (kg/h)

Thừa nhận rằng lượng nước rửa Sunfat amon bằng 6 % lượng (NH4)2SO4 thu được.
Lượng nước rửa Sunfat amon:
0,06.1269 = 76 (kg/h)
Nước và dung dịch nước cái từ thiết bị khử piridin sang:
Nước và dung dịch nước cái bằng lượng nước đi vào cột sữa vôi là 310 (kg/h)

Trang 16


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Bảng 5: Từ thùng bão hòa đi ra:

Nước vào

Kg/h

Hơi nước

1900

NH3

310

Acid


266

Nước rửa Sunfat amon

76

Nước cái từ thùng bão hòa

310

Tổng

2862

Bảng 6: Lượng nước đi ra từ khí cốc được xác định từ cân bằng nước
Nước ra

Kg/h

Sunfat amon (độ ẩm 2 %)

25

Khí

2837

Tổng

2862


Bảng 7: Lượng khí cốc đi ra từ thùng bão hòa:
Thành phần

Khối lượng (kg/h)

Thể tích (Nm3/h)

Khí cốc

19200

40000

Hơi nước

2838

3538

Hidrocarbon Benzen

1220

321

H2 S

592


389

Tổng

23850

44248

Sunfat amon sau khi li tâm có đọ ẩm là 2 %, Khi đó trọng lượng thực tế của
Sunfat amon là:
1,02.1269 = 1294 (kg/h) và của nước là 25 (kg/h)

Trang 17


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Bảng 8: Dựa trên cơ sở tính toán ta thiết lập cân bằng vật chất chung cho thùng bão
hòa:
Lượng vào thùng bão hòa

Kg/h

Nm3/h

Khí cốc

23204


42611

NH3

355

441

H2SO4

1220

321

Nước rửa Sunfat amon

76

95

Nước trong nước cái

310

388

Tổng

25165


43856

Bảng 9: Lượng sản phẩm đi ra thùng bão hòa
Lượng đi ra thùng bão hòa

Kg/h

Khí cốc

23549

Sunfat amon

1294

Tổng

24843

4.2 Cân bằng nhiệt lượng thùng bão hòa
Nhiệt vào
1. Lượng nhiệt do khí cốc mang vào từ máy gia nhiệt.
Ta khí hiệu nhiệt độ khí đi vào từ máy gia nhiệt là t,khi đó:
a, Nhiệt lượng khí cốc khô mang vào:
q1=19200.0,7.t = 13440t
với tỉ nhiệt khí cốc khô:0,7(kcal/h)
b, Nhiệt lượng hơi nước mang vào:
q 2=1900.(595+0,438.t) = 1130500+832t(kcal/h)
c, Nhiệt do hirocacbon benzene mang vào:

q 3=1220.0,246.t = 300t(kcal/h)
d, Nhiệt do H2S mang vào:
q4=592.0,238.t = 41t(kcal/h)
e, Nhiệt do (NH4)2SO4 mang vào:
q5=292.0,503.t=147t(kcal/h)
Trang 18


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Tổng số: Q1=1130500+14860.t(kcal/h)
2. Nhiệt do hơi NH3 và hơi nước từ cột với nhiệt độ hơi bằng 1000C:
a, Nhiệt do NH3 mang vào:
q1=35.0,508.100=1778(kcal/h)
b, Nhiệt do H2S mang vào:
q 2=10.0,233.100=233(kcal/h)
c, Nhiệt do hơi nước mang vào:
q 3=310.(595+0,44.10)=185814(kcal/h)
Tổng số nhiệt do NH3 và hơi nước mang vào:
Q2=187825(kcal/h)
3. Nhiệt bởi acid:
Q3=1220.0.45.20=10980(kcal/h)
Với tỉ nhiệt của H2S04 78%:0,45(kcal/kg.độ).
Nhiệt độ của acid:200C
4. Nhiệt do dung dịch nước cái mang vào trở lại thùng bảo hòa.
Thừa nhận dung dịch nước cái bằng 10 lần trọng lượng(NH4)2S04,ta thu được
dung dịch có khối lượng là 12690(kg/h)
Q4=12690.0,64.40=324864(kcal/h)

Với 0,64 là tỉ nhiệt dung dịch nước cái, (kcal/kg.độ).
400 là nhiệt độ dung dịch nước cái.
5. Nhiệt do dung dịch tuần hoàn mang vào:
Q5=30000.0,64.56=1075200(kcal/h)
Với 56 0 là nhiệt độ dung dịch tuần hoàn.
6. Nhiệt của phản ứng 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:
2NH3+H2S04=(NH4)2S04
Năng lượng của: (NH4)2S04:
NH3
H2S0 4

:

:

283700 (kcal/mol)
13000 (kcal/mol)
210800(kcal/mol)

Hiệu ứng nhiệt trung hòa:
Trang 19


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

q1 = 283700-13000.2-210800 = 6900(kcal/mol H2S04).

b, Nhiệt độ kết tinh (nhiệt vào):
q 2=2600(kcal/mol(NH4)2S04)
Với q2 là nhiệt kết tinh 1mol sunfat amon
c, Nhiệt pha loãng từ 78 đến 6%:
q3=17860.(

n1
n2

) (kcal/mol H2S04).
1,7983  n1 1,7983  n2

Trong đó: n1: tỷ số mol H2O/số mol H2SO4 6%.
n2:số mol H2SO4 78%.
n1=

94.98
22.98
 85,3 ,n2=
 1,54
18.6
18.78

Khi đó:
q3=17860(

85,3
1,54

)  9740( kcal/mol H2S04).

1,7983  85,3 1,7983  1,54

Lượng nhiệt tổng cộng thừa nhận:
q=46900+2600+9740=59240 (kcal/mol H2S04). hay
(kcal/mol(NH4)2S04)
Nhiệt các phản ứng hóa học để sản xuất 1269 H2SO4 là:
Q6=59240.

1269
 569512 (kcal/h).
132

Nhiệt vào tổng cộng thùng bảo hòa là:
Qvào =3325701+14860t (kcal/h).
Nhiệt ra
1. Nhiệt mang ra khỏi khí cốc ở t=600c.
a. Nhiệt lượng do khí cốc khô mang ra:
q1=19200.0,7.60=806400(kcal/h)
b. Nhiệt lượng do hơi nước mang ra:
q2=2837.(595+0,438.60)=1762571(kcal/h).
c. Nhiệt lượng do hidrocacbon benzene mang ra:
q3=1220.0.246.60=18007(kcal/h).
d. Nhiệt lượng do H2S mang ra:
q 4=592.0,238.60=8453(kcal/h).
Trang 20


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông


Nhiệt lượng tổng cộng:
Q5=2595431(kcal/h).
2. Nhiệt mang ra bởi nước cái và sunfat amoni:
Lượng dung dịch nước cái:
12690+1294-76=13908(kcal/h).
Với lượng sunfat amoni 12690kg và dung dịch 12559kg:
Q6=(12599.0,64+12690.0,34).60=507990(kcal/h).
3. Nhiệt lượng mang ra do dung dịch tuần hoàn.
Q7=30000.0,64.60=1152000(kcal/h).
4. Nhiệt mất ra môi trường xung quanh.
Q8=  F(tthanh-tkk)
Trong đó:
tthanh: Nhiệt độ của thành vùng bảo hòa ở 500c
tkk: Nhiệt độ của không khí ở -200c
F: Diện tích bề mặt ngoài,m2
 : Hệ số cấp nhiệt,5(kcal/m 2.h.độ)

Thừa nhận F=260m2.khi đó:
Q9=5.260(50+20)=91000(kcal/h).

Tiêu hao nhiệt lượng tổng cộng:
Q=4346421(kcal/h).
Ta đặt Tvào=Tra:
Nhiệt độ của khí đi từ máy gia nhiệt qua thùng bảo hòa:
3325701+14860t=4365901(kcal), ứng với t=700c.
Áp suất hơi của hơi nước đi ra từ thùng bảo hòa với áp suất chung khi đi ra máy là
860mmHg:
  860.


Vhoinuoc
3538
=860.
 69 mmHg,ứng với điểm sương 450c
Vtong
44248

Như vậy ,khí đi ra là quá nhiệt.

Trang 21


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG NHIỆT THÙNG BẢO HÒA
Bảng 10: Cân bằng nhiệt thùng bão hòa
Thành phần vào

kcal/h

Nhiệt độ khí cốc

2169214

Nhiệt do hơi nước và NH3

187825


Nhiệt do axit

10980

Nhiệt do nước cái

324864

Nhiệt do dung dịch tuần hoàn

1075200

Nhiệt do phản ứng hóa học

569512

Tổng

4337595

Thành phần ra

kcal/h

Nhiệt do khí cốc

2595431

Nhiệt do nước cái


507990

Nhiệt do dung dịch tuần hoàn

1152000

Nhiệt do mất mát ra môi trường

91000

Tổng

4346421

5.1 Xác định kích thước cơ bản của thùng bão hòa
Thể tích của khí đi ra từ máy gia nhiệt và từ cột là:
V = [43464+(43906-43464)].

343 760
.
= 46223(m3/h)
273 907

Đường kính đường ống dẫn khí vào được xác định dựa vào tốc độ khí
  12-15(m/s)

Ta chọn   13,5(m/s).khi đó:
D=

4.V

4.46223
=
 1.1007( m)
3600.
3,14.13,5.3600

Đường kính của ống dẫn khí trung tâm trong thùng bão hòa,xác định trên cơ sở tốc độ
khí bằng 2 lần nhỏ hơn,nghĩa là 6.75m/s.

Trang 22


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Khi đó:
4.46223
=1.56(m)
3,14.6,75.3600

D=

Với tiết diện của đường ống đó là: S=1,8m2
Đường kính vỏ thùng bão hòa được xác định là tổng tiết diện đường ống dẫn khí
trung tâm và tiết diện hình vành khăn.
Tốc độ khí đi vào thùng vành khăn bằng 0,7m/s,vậy tiết diện vùng vành khăn:
Svanh khan=

V

47697

 18,9( m 2 )
3600. 3600.0,7

Với V là thể tích của khí đi ra:
V=44248.

333 760
.
 6032,65(m 3 / h)
273 860

Thể tích chung:
S=18,9+1,8=20,7(m2)
Đường kính:
D=

4.20,7
 5,14( m)
3,14

Theo qui chuẩn ta chọn: D = 5,2
Giả thiết ta chọn thời gian lưu amoni sunfat trong thiết bị là 150 giây.Khi đó ta có
thể tích khí lưu trong thiết bị là:
V’=

6032,65.150
 251( m 3 )
3600


suy ra ta có chiều cao của thiết bị:
H=

4.vb

 .Db

2



4.251
 11,8(m)
 .5,2 2

Tra bảng theo quy chuẩn ta thừa nhận chiều cao thiết bị là 12(m)
5.2 Tính bề dày thiết bị
Chọn bề dày thiết bị là 12 mm
Theo công thức 5.15 và 5.16,trang 89,[4]
L 12

.2,3
D 5,2

Trang 23


Đồ án công nghệ


GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Ta có:
1,5

2.( S  C a )
2.(12  1)
 1,5.
 0,094
5600
5600

D

2.( S  C a )

5600
 15,95
2.(12  1)

Suy ra:
1,5

2.( S  C a )
L
0,094   2,3 
D
D

D

 15,95
2.(S  C a )

Ta có:
3

E  S  Ca ) 
2,05.10 5
0,3. t . 2.(

0
,
3
.

t 
Dt 
201,3

E
L
 2,3  0,3
D
t

(2.(

(

2.(12  1) 3

)  0,075
5600

S  Ca ) 3
)  0,075
Dt

Nên thỏa điều kiện bền thân.
5.3 Tính kích thước nắp và đáy thiết bị thùng bão hòa
Đáy và nắp thiết bị cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường
được chế tạo cùng loại vật liệu với thiết bị thép X18H10T.
Ở đây ta chọn đáy và nắp thiết bị là hình elip có gờ và được nối với thân tháp
bằng các bích.
1. Tính cho nắp thiết bị:
+chọn nắp theo elip tiêu chuẩn
+chọn nắp có gờ
+Đường kính trong 5,2(m) có ống dẫn đưa dung dịch 600mm
2. Tính toán bề dày nắp:
+Đối với elip tiêu chuẩn: ht/Dt=0,3 thì ht=1,56(m),Rt=Dt=5,2(m)
+chọn sơ bộ bề dày tháp bằng 12mm
+xét tỉ số:
Suy ra:
Trong đó:

Rt 5600

 467
Dt
12


0,15.E t 0,15.2,05.105

 514,4
x. c
0,7.85,4

[  c ]  [ ].
Trang 24


Đồ án công nghệ

GVHD:PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Tra bảng ta có:
 :hệ số hiệu chỉnh,ta chọn  =0,7

[  ] :ứng suất cho phép tiêu chuẩn,N/mm 2,Ta chọn [  ]  122 N / mm 2 .
[  c ]  122.09  110 N / mm 2 .

Suy ra:

Rt
0,15.E t 0,15.2,05.10 5
 467 

514,4
S
x. c
0,7.85,4


Suy ra:
Hay

0,2 

ht
 0,25  0,3
Dt
t

Ta có:



=

Et .(S  C a )  5.x c .Rt
c

Et ( S  C a )  6,7.x. t Rt (1  x)

2,05.10 5.(12  1)  5.0,7.85,4.5600
 1,30
2,05.10 5 (12  1)  6,7.0,7.85,4.5600.(1  0,7 )

[  n ]  K c .E t .

S  Ca
Dt


Trong đó:
x: Hệ số thép không gỉ
Kc: Phụ thuộc vào tỉ số:
Dt
5600

 255  250
2.( S  C a ) 2.(12  1)

Suy ra ta chọn Kc=0,136
Ta có:
t

Kc=875.
[  n ]  K C Et

c
110
.q c  875.
.0,136  0,064
Et
2,05.10 5

S  Ca
S  Ca
S  Ca
 0,136.2,05.105.
 0,136.2,05.10 5.
 0,136.

Dt
Dt
Dt

2,05.105.
[Pn]=

12  1
 54,76 nN / mm 2
5600

2.[ n ][S  Ca ] 2.54,76.(12  1)

 0,165  0,1523N / mm 2
 .Rt
1,30.5600

Vậy bề dày nắp là:12mm.
Tính bền cho lỗ:
Trang 25