Một số phương pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất

ch tán lên bề mặt xúc tác. 2.Chất tham gia phản ứng từ bề mặt ngoài của xúc tác khuyếch tán vào mạch bên trong xúc tác 3. Hấp thụ lên bề mặt hoạt động của xúc tác 4.Thể tích ở trạng thái hấp thụ phản ứng hoá học lên bề mặt xúc tác và tạo ra sản phẩm. 5. Sản phẩm nhả ra khỏi bề mặt hoạt tính của xúc tác. 6. Sản phẩm khuyếch tán rời các mao mạch bên trong xúc tác ra ngoài bề mặt. 7. Sản phẩm từ bề mặt xúc tác khuyếch tán ra ngoài. Trong các bước trên, bước 1 và 7 là quá trình khuyếch tán ngoài 2, 6 là quá trình khuyếch tán trong, các bước 3, 4 , 5 là quá trình động học hoá học. Bước chậm nhất quyết định tốc độ toàn bộ quá trình. Cơ chế của qúa trình tổng hợp NH3 về cơ bản thuộc về cơ chế khí - rắn và cơ chế quá trình được giả thiết như sau: H2 và N2 từ không gian pha khí khuyếch tán đến bề mặt xúc tác, phần lớn thể khí này khuyếch tán vào mao mạch bên trong xúc tán đồng thời tiến hành hấp phụ hoạt tính hoá học trên bề mặt ấy. N2 hấp phụ (N2hp) phản ứng với H2 hấp phụ (H2hp) và H2 pha khí (H2k) lần lượt tạo thành NH, NH2, NH3. Sản phẩm cuối cùng tách ra khỏi bề mặt xúc tác và đi vào pha khí. Quá trình biểu diễn theo sơ đồ như sau: + H2 + Fe + H2 + H2 N2(k) đ N2hp đ FeN đ Fe2NH đ FexNH2 đ FexNH3 đ xFe đ NH3hp đ NH3 khí Trong quá trình phản ứng trên, khi tốc độ dòng khí tương đối đủ lớn và cỡ hạt xúc tác nhỏ và vừa thì ảnh hưởng của các nhân tố khuếch tán ngoài và khuếch tán tương đối trong đối với phản ứng là rất nhỏ, mà tốc độ của N2 hấp phụ lên bề mặt xúc tác sắt thì rất gần với tốc độ tổng hợp NH3, tức là bước hấp phụ hoạt tính của N2 tiến hành chậm nhất và là mấu chốt quyết định tốc độ phản ứng. Phương trình động học của phản ứng có dạng. W = Với W: Tốc độ tức thời của phản ứng. Bằng hiệu số tốc độ phản ứng thuận và nghịch. K1, K2 : Hằng số tốc độ phản ứng thuận và nghịch PN , PNH, PN: áp suất riêng phần của các cấu tử tại thời điểm xét. b. Các yếu tố ảnh hưởng đển tốc độ của phản ứng b1.áp suất: Nếu lấy yN , yHSO , yNH lần lượt là nồng độ tức thời của N2, H2, NH3 , P là áp suất chung thì: PH = yH2 .P, PN = yN. P, PNH = YNH . P Thay vào phương trình động học ta có: W = Vậy tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với luỹ thừa 1,5 của áp suất, tốc độ phản ứng tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 0,5 của áp suất. Nâng cao áp suất có thể tăng nhanh tốc độ tạo thành NH3. b2.Nhiệt độ: Tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng hoá học sẽ tăng lên, nhưng tăng nhiệt độ không có lợi cho cân bằng của phản ứng. Do vậy nhiệt độ của quá trình phải phù hợp với hoạt tính của xúc tác và từ đó sẽ có nhiệt độ thích hợp mà tốc độ phản ứng và cân bằng phản ứng là lớn nhất. b3.ảnh hưởng của nồng độ khí trơ: Khí trơ làm giảm áp suất riêng phần của H2 và N2. áp suất của quá trình tổng hợp phải là áp suất thực của hỗn hợp N2 + H2. Giá trị của áp suất hiệu quả khi có khí trơ được tính theo Php = P ( 1-i)2 i: Nồng độ khí trơ trong hỗn hợp khí (phần thể tích) Sự phụ thuộc của nồng độ khí trơ đến nồng độ NH3 ra tháp theo tỷ lệ nghịch. Do đó phải tìm cách giảm lượng khí trơ đến < 1% 2.ảnh hưởng của tốc độ không gian: Tăng tốc độ không gian sẽ làm tăng năng suất của thiết bị (tức là tăng được sản lượng), mặc dù tăng tốc độ không gian thì nồng độ NH3 ra tháp sẽ giảm. Nhưng tốc độ không gian không thể tăng lớn quá vì sẽ gây lên mất cân bằng nhiệt của tháp tổng hợp và gây trở lực của hệ thống lớn, thường trong sản xuất bình thường ở áp suất trung áp, ta khống chế tốc độ không gian vào khoảng 25000 - 30000 Nm3/m3xt. h 3.Xúc tác cho quá trình tổng hợp NH3 Có rất nhiều chất có thể làm xúc tác cho quá trình tổng hợp NH3 như các nguyên tố Fe, Pt, Mn, W, những loại xúc tác lấy Fe làm thành phần chính được sử dụng rộng rãi do có nguồn nguyên liệu chính là Fe dồi dào, giá thành rẻ, dễ kiếm, ở nhiệt độ thấp cũng có hoạt tính tốt, khả năng chống độc mạnh, tuổi thọ cao. Thành phần của xúc tác: Cấu tử hoạt tính là Fe được điều chế dưới dạng Fe3O4 (oxit sắt từ) có độ xốp lớn và hoạt tính cao Fe3O4 = FeO . Fe2O3 theo tỷ lệ = 0,47 á 0,57 trong đó FeO chiếm 24 á 28% Chất phụ gia là Al2O3 , K2O, CaO Tác dụng của chất phụ gia: Làm tăng hoạt tính của xúc tác , cụ thể khi có chất phụ gia làm cho nồng độ các electron tự do lớn với liên kết yếu, làm giảm công chuyển điện tử, dễ tạo hợp chất trung gian, kết quả là hoạt tính của xúc tác tăng. Thứ tự cho phụ gia Al2O3 - K2O - CaO. V. Dây chuyền sản xuất, lựa chọn điều kiện công nghệ Trong quá trình phát triển của công nghệ tổng hợp NH3 đã xuất hiện nhiều loại dây chuyền khác nhau, sản xuất với các phương pháp khác nhau. Song tất cả các dây chuyền đều bao gồm một số bước như sau: Bước 1: Nén khí nguyên liệu Sau khi hỗn hợp khí N2, H2 với tỷ lệ H2: N2= 3:1 được khử sạch các tạp chất có hại , tiến hành nén hỗn hợp qua máy nén để nâng áp suất đến áp suất tổng hợp NH3. . Như ta biết áp suất càng cao càng có lợi cho cân bằng và tốc độ phản ứng đồng thời cường độ sản xuất của thiết bị lớn, dễ phân ly NH3 . Song nâng cao áp suất thì yêu cầu thiết bị phức tạp, thao tác khó khăn, tiêu hao năng lượng, tuổi thọ xúc tác giảm. Để phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt Nam ta chọn áp suất 320 at. Bước 2 : Tinh chế lần cuối . Hỗn hợp khí qua công đoạn tinh chế nói chung đã được khử sạch toàn bộ các hợp chất của lưu huỳnh và phốt pho. Song vẫn còn các hợp chất chứa CO, CO2 , O2 . Nếu hàm lượng CO + CO2 + O2 < 20 ppm thì khí sau khi qua máy nén và khử dầu có thể đưa sang tổng hợp ngay. Nhưng nếu hàm lượng CO + CO2 + CO2 tương đối lớn cần phải tinh chế lại lần cuối bằng cách đưa hỗn hợp khí đi qua thiết bị khử CO, CO2 CO2 để thực hiện các phản ứng hyđro hoá nhằm chuyển hoá thành CH4 không độc với xúc tác. Các phản ứng: 2H2 + O2 = 2H2O + Q CO + 3H2 = CH4 + H2O + Q CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O + Q Bước 3: Hâm nóng khí và tiến hành tổng hợp . Cần nâng cao nhiệt độ khí đến nhiệt độ hoạt tính của xúc tác. Nhiệt độ khí càng cao thì tốc độ phản ứng lớn nhưng hiệu suất cân bằng giảm. Vì vậy ta phải duy trì nhiệt độ thích hợp . Quá trình phản ứng toả nhiệt khác nhau . Rút nhiệt bộ ống lồng ống lại phức tạp cồng kềnh . Rút nhiệt trung gian ( cho nước làm lạnh để sản xuất hơi nước ) dùng trong thiết bị có năng suất lớn . Truyền nhiệt thiết bị loại hướng kính , đường đi của tác nhân ngắn làm giảm tổn thất áp suất, tổng hợp với xúc tác của quá trình là Fe3O4 thì nhiệt độ thích hợp là 450-5000C . Khi bắt đầu chạy máy việc hâm nóng hỗn hợp khí phản ứng được tiến hành trong thiết bị truyền nhiệt như đã nói ở trên . Bước 4: Phân ly NH3 . Do đặc điểm của phản ứng tổng hợp cho nên sau khi hỗn hợp khí đi qua tháp tổng hợp chỉ có một phần NH3 được sinh ra ( với hệ việc làm việc trung áp [NH3] = 15 -20% , hệ làm việc ở áp suất cao [NH3] không vượt quá 25% ). Để tách NH3 tạo thành sau khi tổng hợp người ta dùng phương pháp lạnh ngưng tụ . Nguyên tắc chủ yếu của phương pháp này là hạ thấp nhiệt độ nhằm hạ thấp áp suất bão hoà để NH3 ngưng tụ . Muốn vậy người ta làm sạch hỗn hợp khí đến nhiệt độ thường hoặc thấp hơn , ở áp suất cao NH3 lỏng sẽ tách ra một phần. Sau khi khí đi qua thiết bị làm lạnh, NH3 được tách ra ở thiết bị phân ly . Trong NH3 lỏng còn hoà tan 1 lượng nhỏ N2, H2, CH4 , Ar , hàm lượng của nó phụ thuộc vào áp suất thao tác và nhiệt độ . Vì vậy NH3 lỏng được đưa đến thùng chứa qua van giảm áp , phần lớn khí được tách ra ở đây . Bước 5: Xử lý khí chưa phản ứng Để tận dụng một lượng khí lớn hỗn hợp khí N2, H2 chưa phản ứng sau khi đã tách NH3. Mặt khác để bài trừ việc giảm áp suất hệ thống (trở lực hệ thống , giảm thể tích do phản ứng, do ngưng tụ NH3 tổn thất áp suất do phóng không ). Người ta dùng máy nén tuần hoàn nâng áp suất khí lên 320 at đưa khí trở về tháp tổng hợp . Với áp suất tổng hợp NH3 là 320 at tốc độ khí vào tháp khoảng 20000 - 30000 Nm3/m3.h. Việc nâng cao tốc độ không gian này có ảnh hưởng lớn đến quá trình. Bước 6: Thải khí trơ Trong nguyên liệu mới đưa vào tháp nói chung có chứa một lượng khí trơ ( CH4 , Ar) khoảng 0,5-1,5 %. Trong hệ thống tuần hoàn một phần khí trơ này hoà tan trong NH3 lỏng, một phần tích luỹ lại trong hệ thống ngày càng nhiều theo với chu trình tuần hoàn. Lượng khí trơ tích luỹ quá nhiều trong hệ thống tuần hoần thì bất lợi cho quá trình tổng hợp. Vì vậy ta phải định kỳ giảm hàm lượng khí trơ trong hệ thống . Quá trình thải khí trơ này lợi cho qúa trình nhưng nó cũng gây tổn thất nguyên liệu tương đối lớn vì vậy ta phải tính toán lượng phóng không cụ thể, điều này phụ thuộc vào hoạt tính của xúc tác và giá cả nguyên liệu . Tóm lại : Quá trình tổng hợp NH3 đạt hiệu suất thấp cho dù làm việc ở áp suất nào, chính vì vậy lượng khí nguyên liệu chưa tham ra phản ứng lớn. Tuần hoàn lại hỗn hợp khí chưa phản ứng quay lại tháp là vấn đề lớn được đặt ra vì nó mang lại tính hiệu quả trong toàn hệ thống . Tuỳ thuộc vào từng dây chuyền sản xuất mà các chỉ tiêu công nghệ cũng như phương pháp tiến hành mà từng bước trên được cụ thể hoá . 1. Dây chuyền làm việc ở áp suất cao 450 á 1000 at Ưu điểm: Có lợi cho cân bằng và tốc độ phản ứng, cường độ sản xuất của thiết bị lớn . Phân ly NH3 dễ dàng ra khỏi hỗn hợp khí phản ứng , công tiêu hao cho máy nén tuần hoàn giảm. Nhược điểm: Chế tạo thiết bị khó khăn , thao tác phức tạp , thời gian làm việc của xúc tác giảm. 2. Dây chuyền làm việc ở áp suất thấp 100 á 200 at Thiết bị dễ chế tạo , an toàn cho người và các thiết bị nhưng nó lại nhiều nhược điểm. Hiệu suất tổng hợp thấp 8 á 20% , xúc tác dễ ngộ độc khó khống chế nhiệt độ , áp suất thấp không có lợi cho cân bằng , nồng độ NH3 cân bằng nhỏ , khó phân ly, lượng khí tuần hoàn tăng , tốc độ không gian hạn chế. 3. Dây chuyền làm việc ở áp suất trung bình 280 á350 at Thao tác đơn giản , kỹ thuật và an toàn đòi hỏi không ngặt nghèo như dây chuyền áp suất cao, xúc tác ít bị ngộ độc. Nhược điểm : Phải phân ly NH3 theo hai giai đoạn bằng nước , bằng NH3. Các công nghệ đã đưa ra ở trên đều là công nghệ hiện đại , máy móc thiết bị hoạt động hiệu quả hiệu quả, kinh tế, tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng. Hiện nay các sơ đồ công nghệ này được nhiều quốc gia xây dựng và đưa vào sử dụng. Những với khả năng kinh tế của Việt Nam thì chưa thực sự phù hợp vì một lý do sau: Vốn đầu tư cho lắp đặt dây chuyền công nghệ lớn, Trình độ kinh tế của Việt Nam chưa nắm bắt kịp thời. Khả năng tự động hoá của nhà máy cao, không giải quyết được nguồn lao động dư thừa tại địa phương. Do vậy mà ta lên chọn công nghệ đơn giản, vốn đầu tư không quá lớn, phù hợp với trình độ kinh tế và nền kinh tế Việt Nam. Từ những thực tế nền công nghệ nước ta và những khuyết điểm của 3 loại dây chuyền trên ta trọn dây chuyền làm việc ở áp suất trung bình là phù hợp. vi.Thuyết minh lưu trình công nghệ Hỗn hợp khí Hyđro và Nitơ sau làm sạch có nhiệt độ 35 á 400C dẫn vào đoạn VI máy nén khí nguyên liệu nâng áp suất lên tới 300 á 320 at, qua thiết bị phân ly dầu nước và các loại tạp chất khác, rồi cùng khí tuần hoàn từ bộ phân ly dầu sau Tuabin ra, đi vào phần trên tháp 3 kết hợp , cùng đi vào bên trong ống trao đổi nhiệt của bộ làm lạnh. Hỗn hợp khí này được làm lạnh bằng khí đi lên từ bộ phân ly NH3 ở phần dưới tháp 3 kết hợp, rồi đi vào trong ống trao đổi nhiệt của bộ phận bốc hơi NH3. Tại thiết bị bốc hơi , NH3 lỏng đi ngoài ống, nhận nhiệt, bốc hơi, còn hỗn hợp khí tiếp tục đi xuống, được làm lạnh xuống -20C, NH3 ngưng tụ và NH3 lỏng được tách ra ở thiết bị phân ly lần II. Hỗn hợp khí còn lại đi vào ống trung tâm của bộ bốc hơi ngưng tụ đi lên vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt của bộ làm lạnh để trao đổi nhiệt với khí trong ống, nhiệt độ tăng lên khoảng 300C và đi ra khỏi tháp 3 kết hợp đi vào máy nén tuần hoàn. Khí ra khỏi máy nén tuần hoàn áp suất tăng lên 300 á 320 at, t0 = 400C được chia vào hai đường đi vào tháp tổng hợp. Trong tháp ở điều kiện nhiệt độ cao, áp suất lớn và sự có mặt của chất xúc tác, Hyđro và Nitơ sẽ tổng hợp thành Amoniac. Hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp được đưa vào thiết bị làm lạnh bằng nước giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống 350C được đưa qua thiết bị phân ly lần 1 tách một phần NH3 lỏng tạo thành. Khí ra khỏi tháp phân ly có nồng độ NH3 < 10% được đưa vào đỉnh tháp 3 kết hợp. Amoniac lỏng được tách ra từ phân ly I , II , qua giảm áp còn 24 at được đưa về thùng chứa trung gian. Tại đây phần lớn khí hoà tan trong NH3 lỏng được nhả ra, sau đó NH3 lỏng được đưa vào thùng chứa. Phần khí trơ được tích luỹ trong hệ thống ngày càng tăng cao cho nên ta phải thải bớt bằng cách phóng không. Khí trơ được thải sau phân ly I có hàm lượng NH3 10% được đưa qua tháp hấp thụ để thu hồi, NH3 khí ra khởi tháp hấp thụ có hàm lượng NH3 Ê 3%. Chương III: Cân bằng vật chất của quá trình phóng không. Mục đích tính cân bằng vật chất cho từng thiết bị trong dây chuyền từ đó làm cơ sở cho tính cân bằng vật chất cho thiết bị phóng không, từ đó tính toán lượng khí được phóng không cần thiết với một năng suất NH3 cho trước. Sơ đồ tính toán của hệ thống. I V III IV II V5 5 V4 4 WaII Vm B WaI 1 VPK 3’ 3 V2 P 2 I.Tháp tổng hợp II.Thiết bị làm lạnh III. Thiết bị ngưng tụ P. Vị trí phóng không IV. Thiết bị bốc hơi B. Vị trí bổ xung khí mới V. Máy nén tuabin Các số liệu ban đầu Năng suất tổng hợp 300 Tấn NH3/24 giờ áp suất trung bình 300 at Nhiệt độ trung bình 5000C, T = 7730K Tốc độ không gian 24000 Nm3/h.m3xt Thành phần khí mới (lấy theo số liệu nhà máy) Tính theo % thể tích H2 : 74,1% N2 : 24,7% CH4+Ar : 1,2% Tỷ lệ thành phần H2/N2=3/1 Thành phần khí vào tháp tổng hợp (%V): H2 : 65,1% N2 : 21,7% NH3 : 2,2% CH4 + Ar : 11% Tỷ lệ : H2/N2 =3/1 Ta quy ước các quý hiệu như sau: V : thể tích các cấu tử , m3 y : nồng độ các cấu tử , % thể tích Wa: lượng NH3 ngưng tụ , m3 Ga : lượng NH3 lỏng , kg Các chỉ số kèm theo a: amoniac i: khí trơ hh: hỗn hợp khí H2 + N2 m: khi mới pk: phóng không Bảng phân bố nhiệt độ, áp suất trở lực trong các thiết bị STT Tên thiết bị Nhiệt độ0C áp suất, at Trở lực,at Vào Ra Vào Ra 1 Tháp tổng hợp 35 190 310 295 15 2 Làm lạnh bằng nước 190 35 295 292 3 3 Ngưng tụ 35 25 292 288 4 4 Bốc hơi NH3 20 -2 288 284 4 5 Máy nén tua bin 25 35 284 310 -26 I.Tính cân bằng vật chất cho tháp tổng hợpNH3 V5,y5 V1 ,y1 (Tính cho 100 m3 khí vào tháp) Thành phần khí mới hay thành phần hỗn hợp khí ban đầu (%thể tích ) H2 : 74,1% N2 : 24,7% CH4+Ar : 1,2% Tỷ lệ H2/N2= 3/1 Thành phần khí vào tháp tổng hợp amoniac : 65,1% : 21,7% : 2,2% : 11% Tỷ lệ thành phần H2/ N2= 3/1 1.Lượng khí vào tháp: Với H2 : =100.0,651 = 65,1 m3 N2 : = 100,0,217 = 21,7 m3 NH3 : = 100.0,022 = 2,2 m3 i : = 100.0,11 =11 m3 2. Lượng khí ra khỏi tháp - Với NH3 Lượng hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp (V5) bằng lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp cộng với lượng NH3 tạo thành V5 = V1 +( V1y1a - V5y5a ) (1) - Với khí trơ: lượng khí trơ không đổi trong quá trình V5y5i =V1yli (2) - Nồng độ NH3cb được tính theo công thức ở [I - 98] y* 2 - 200y* - + 10=0 (3) Trong đó : P - áp suất trung bình tháp tổng hợp 300 at y* - là nồng độ NH3 lúc cân bằng ,%V KP - hằng số cân bằng của phản ứng Mặt khác ta lại có theo [I - 97] lg =+ 2,49431gT + b.T - 1,8564 . 10-7 . T2 + J (4) Trong đó : T - Nhiệt độ trung bình của tháp tổng hợp 7730K b, J - các hằng số phụ thuộc nhiệt độ, áp suất. ở T = 7730K, P =300 at theo bảng ở [ I-97] Thì b = 1,256.10-4, J = - 2,206 Thay vào phương trình (4), ta có : 1g = +2,4943 .1g 773 + 1,256 . 10-4 . 773 - 1,8564 . 10 -7 .773- 2,206. Giải ra ta có: = 199,55 Thay vào phương trình (3) y* 2 - 200 y* - . y* + 104 = 0 Giải phương trình này ta có nghiệm y* = 26, 42% là thích hợp. Theo tài liệu Sổ tay công nghệ hữu cơ tập I trang (60, 64) thì ở 300 at, T = 5000C nồng độ cân bằng của NH3 = 26,44% là phù hợp Và ở Phq = P (1-i)2 = 310 (1 - 0,1)2 = 252 at thì = 22, 64%. Vậy nồng độ NH3 ra khỏi tháp có tính hệ số hiệu chỉnh đối với việc giảm áp suất hiệu quả. Mặt khác ở 5000 C và 300 at theo đồ thị ta tìm được hàm lượng NH3 trong khí là 21,5%. Vậy nồng độ NH3 ra khỏi tháp có hệ số hiệu chỉnh. y1a = 21,5 . 0,857 = 18,43 % V Như vậy nồng độ NH3 tạo thành bằng = 0,698 nồng độ cân bằng Từ phương trình (1) V1 = = 86,30m3 Với NH3: V1a = V1 . y1a = 86,30. 0,1843 = 15,91 m3 Với khí trơ: V1y1i=V5i y1i = 100 . 0,11 = 11 m3 Suy ra: y1a = 11,59% V Với Nitơ (tính theo tỷ lệ H2/N2 = 3/1) 100 - 18,43 - 11,59) 17,495% V = V1. 86,30 . 0,17495 = 15,10 m3 Với hydrô (100 - 18,43 - 11,59) 52,485%V = 86,30 . 0,52485 = 42,59 m3 Khối lượng riêng của các cấu tử ở điều kiện tiêu chuẩn tra ở [II - 13] = 0,0898 kg/m3 = 0,7708 kg/m3 = 1,2507 kg/m3 = 0,7167 kg/m3 Từ đó ta tính được khối lượng các cấu tử theo công thức m = r . V , kg Cấu tử Vào Ra m3 Kg % V m3 Kg % V H2 65,1 5,846 65,1 45,29 4,107 51,88 N2 21,7 27,14 21,7 15,10 18,886 17,30 NH3 2,20 1,696 2,2 15,91 12,263 18,22 i 11,00 7,884 11,00 11 7,884 12,60 Cộng 100 42,566 100 87,3 43,14 100 II. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh bằng nước Sơ đồ tính toán V1 y1 WIa + SCI GIa V2 y2 1.Lượng và thành phần khí vào thiết bị làm lạnh bằng nước chính bằng lượng và thành phần khí ra khỏi tháp tổng hợp. 2. Lượng khí vào thiết bị làm lạnh bằng nước bằng tổng lượng khí ra khỏi thiết bị cộng với lượng NH3 ngưng tụ và lượng cấu tử hoà tan trong NH3 lỏng. V1 = V2 + WIa + SCIGIa (5) Trong đó: V1, V2 - lượng hỗn hợp khí vào ra khỏi thiết bị, m3 WI a lượng NH3 khí ra khỏi thiết bị, m3 SGIa CI - tổng lượng các cấu tử hoà tan trong NH3 lỏng - Với NH3 : lượng NH3 vào thiết bị lạnh bằng lượng NH3 ngưng tụ cộng với lượng NH3 khí ra khỏi thiết bị , m3/m3 NH3 lỏng. V1y1a = V2y2a + WIa (6) Để tính lượng cấu tử hoà tan trong NH3 lỏng ta tính theo công thức Cj = Sj . yj m3/ m3 NH3 lỏng Cj - lượng cấu tử hoà tan trong 1 m3 NH3 lỏng ở điều kiện tiêu chuẩn , m3/Nm3 NH3 lỏng. Sj - là độ hoà tan cấu tử j khi yj = 1 đơn vị m3/m3 NH3 lỏng Một cách gần đúng với sai số trong phạm vi cho phép, tính lượng hoà tan các cấu tử ứng với nhiệt độ khí ra thiết bị ở 350C và 292 at. Ta có bảng Cấu tử Sj(m3/ m3 NH3 lỏng) yj% V H2 20,35 51,88 N2 22,12 17,30 i 71,80 12,60 Thay số: CI = = 20,35 . 0,5188 = 10,558 m3/ m3lỏng CI = = 22,12 . 0,1730 = 3,827 m3/ m3lỏng CI = Si yi = 71,80 + 0,1260 = 9,047m3/ m3lỏng SCI = 23,432 m3/ m3lỏng. Thể tích NH3 khí chuyển sang dạng lỏng theo công thức Ma - Khối lượng phân tử của NH3 bằng 17,03 kg/ Kmol Va0 - thể tích phân tử NH3 ở điều kiện tiêu chuẩn bằng 22,4 Kmol/m3 ra - khối lượng riêng NH3 lỏng ở 350C bằng 587,5 kg/m3 WIa - lượng NH3 ngưng tụ ở thể khí, m3 GIa = . WIa = 1,294 . 10-3 WIa Thay SCI và GIa vào phương trình (5) 86,30= V2 + WIa + 1,294 . 10-3 . WIa . 23,432 (7) Nồng độ NH3 khí ra khỏi thiết bị ở t0 = 350C và P = 292 at tính theo công thức Larson - blek ở [I - 114] 1gy = 4,1856 + 1gy2a = 4,1856 + Suy ra ya2 = 9,25% Thay vào phương trình (6) 86,30. 0,1843 = 0,0925 V2 + WIa (8) Từ (7) và (8) ta có: Giải hệ phương trình, ta được WIa = 8,757 m3 V2 = 77, 28 m3 Lượng các cấu tử hoà tan NH3 lỏng H2 : CIH. GIa = 10,7 . 1,294 . 10-3 . 8,757 = 0,121 m3 N2 : . GIa = 3,88. 1,294 . 10-3 . 8,757 = 0,044 m3 i: CIi . GIa = 8,25 . 1,294 . 10-3 . 8,757 = 0,0935 m3 Lượng khí NH3 khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ V2a = V2 . y2a = 77,28 . 0,0925 = 7,1484 m3 Lượng khí trơ vào làm lạnh bằng nước bằng lượng khí trơ hoà tan trong NH3 lỏng cộng lượng khí trơ ra theo khí V1y1i = V2y2i + CIi . GIa Từ đó y2i = Suy ra y2i = %V V2i = V2y2i = 77,28. 0,1282 = 9,907 m3 - Với N2 = 19,48%V - Với H2 =58,45%V Bảng cân bằng vật chất cho bằng thiết bị làm lạnh bằng nước Cấu tử Vào Ra Cộng m3 kg %V m3 kg %V m3 kg %V kg H2 45,29 4,107 51,88 45,17 4,06 58,45 0,121 0,01 1,34 4,07 N2 15,10 18,89 17,30 15,06 18,84 19,49 0,044 0,055 0,49 18,90 NH3 15,91 12,26 18,22 7,145 5,51 9,25 8,757 6,75 97,13 12,26 i 11 7,884 12,60 9,907 7,1 12,82 0,093 0,067 1,04 7,167 Cộng 87,3 43,14 100 77,282 35,51 100 9,016 6,882 100 42,40 III. cân bằng vật chất cho quá trình phóng không VPK V3 Vm V4 Sơ đồ tính toán WaII ồCII.GaII V2 B Thành phần khí mới H2 : 74,1% N2 : 24, 7% Tỷ lệ H2/ N2 = 3/1 CH4: 1,2% Các thông số cần tính: VPK, Vm . 1. Lập phương trình cân bằng - Với NH3: Lượng NH3 sau thiết bị làm lạnh bằng nước bằng tổng lượng NH3 phóng không, lượng NH3 ngưng tụ và lượng NH3 quay về tháp tổng hợp. V2y2a = VPKyPKa + WIIa. V4y4a (9) - Với khí trơ Lượng khí trơ mới vào bằng lượng khí trơ hoà tan trong NH3 lỏng lần 1 và lần 2 cộng với lượng khí trơ phóng không. Vmymi = CIi. GIa + GIIa + Vpk.ypki (10) - Với hỗn hợp khí H2 + N2 Lượng hỗn hợp N2 + H2 bổ xung bằng hai lần (lượng NH3) ngưng tụ lần 1, lần 2 cộng lượng NH3 phóng không) cộng lượng H2, N2 hoà tan trong lỏng lần 1, lần 2. Vmymhh = 2 (WIa + WIIa + Vpk . ypka) + CIhh. GIa+ + CIIhh . GIIa + Vpk.ypkhh (11) 2. Tính toán Nhiệt độ khí ra khỏi thiết bị bốc hơi được tính theo công thức Larson - blek ở [I - 114] Trong đó: P: áp suất khí ra khỏi thiết bị bốc hơi 284 at : nồng độ khí NH3 trong hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị bốc hơi = 3% Vậy 1g3 = 4,1856 + Suy ra: tx = - 2,430C Chọn tx = -20C Tính gần đúng ta lấy thành phần cấu tử bằng thành phần trung bình cộng của hỗn hợp khí vào ra thiết bị 20,59 % 11,91% Từ t = - 20C và áp suất p = 284 at tra bảng Ta có Cấu tử Sj(m3/ m3 NH3 lỏng) y% V H2 11,94 61,775 N2 10,96 20,59 i 46,7 11,91 Lượng các cấu tử hoà tan trong NH3 lỏng là: CII = = 11,94 . 0,61775=7,376 m3/ m3lỏng CII = = 10,96 . 0,2059=2,257 m3/ m3lỏng CII = SiII = 46,7 . 0,1191=5,562 m3/ m3lỏng Thể tích NH3 khí chuyển sang dạng lỏng: GIIa = = 1,185. 10-3 . WIIa Thay các giá trị đã biết vào phương trình (9, 10 , 11) Từ phương trình (9) V2y2a = VPKyPKa + WIIa + V4y4a 7,1484 = VPK . 0,0925 + WIIa + 3 Suy ra: WIIa = 4,1484 - 0,0925. VPK Từ phương trình (10) Vmym = CIi . GIa + CIIaCIIa + VPK. yPKi 0,012Vm = 0,0935 + 5,562 . 1,185 . 10-3 WIIa + 0,1282 VPK Từ phương trình (11) Vmyhh m = 2 (WIa + WIIa + Vpk . yka) + C Ihh. GIa+ + CIIhh . GIIa + Vpk.ypkhh 0,988 Vm = 2(8,757+ WIIa + 0,0925Vpk) + 0,164 + 0,965. 1,185. 10-3 WIIa + 0,7804Vpk Suy ra 2,0114 WIIa = 0,988Vm - 0,9564Vpk - 17,678 Ta có hệ phương trình: WIIa =4,1484 - 0,0925 . Vpk 6,591 . 10-3 WIIa = 0,01Vm - 0,1282Vpk - 0,0935 2,0114 WIIa = 0,988Vm - 0,9654Vpk - 17,678 Giải hệ ta có: WIIa = 4,04m3 VPK = 1,20 m3 Vm = 27,28 m3 a. Lượng và thành phần hỗn hợp khí phóng không = 1,2. 0,5845 = 0,70 m3 = 1,2. 0,1948 = 0,23 m3 = 1,2. 0,0925 = 0,11 m3 = 1,2. 0,1282 = 0,16 m3 b. Hỗn hợp khí sau phóng không V3 = V2 - VPK = 45,17-0,7=44,47 m3 = 15,06-0,23=14,83 m3 =7,15-0,11=7,04 m3 = 9,91 - 0,16 = 9,75 m3 Suy ra V3 = 76, 09 m3 Cân bằng vật chất cho thiết bị phóng không Cấu tử Vào Ra Cộng m3 kg %V m3 kg %V m3 kg %V kg H2 45,17 4,06 58,45 0,70 0,062 58,45 44,47 3,99 58,44 4,06 N2 15,06 18,84 19,49 0,23 0,29 19,48 14,83 18,55 19,48 18,84 NH3 7,145 5,51 9,25 0,11 0,085 9,25 7,04 5,43 9,25 5,51 i 9,907 7,15 12,82 0,16 0,11 12,82 9,76 6,99 12,83 7,15 Cộng 77,28 35,51 100 1,20 0,55 100 76,1 34,96 100 35,51 IV.Tính cân bằng vật chất của thiết bị phóng không theo năng suất phân xưởng Năng suất 300 tấn NH3/ngày Năng suất tính theo giờ =12500 kg/h Khi tính toán cho 100 m3 hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp ta thu được Wa=WIa+WIIa=8,757+4,038=12,795 m3 Chuyển sang kg: 12,795.0,77=9,862 (kg) Từ đó xác định được lượng khí vào tháp theo năng suất thiết kế Nếu 100 m3 thì thu được 9,862 kg Vậy G m3 vào tháp để thu được 12500 kg/h G = = 126749 m3/h Lập cân bằng vật chất cho thiết bị phóng không ta nhân các kết quả thu được với hệ số qui đổi m = = 1267,49 Từ đó ta có bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phóng không Cấu tử Vào Ra Phóng không Sau phóng không m3/h Kg/h %V m3/h Kg/h %V m3/h Kg/h %V H2 57252 5141 58,45 887 79,65 58,45 56365 5062 58,44 N2 19088 23873 19,49 292 365,2 19,48 18797 23509 19,48 NH3 9056 6980 9,25 139 107,1 9,25 8917 6873 9,25 i 12557 9000 12,82 203 145,5 12,82 12354 8854 12,83 Cộng 97953 44994 100 1520 697,5 100 96433 44298 100 Phần II. Quá trình xử lý và thu hồi NH3 trong khí phóng không Chương I. Lập luận tính kinh tế của quá trình xử lý và thu hồi NH3 trong khí phóng không Như đã trình bầy ở các nội dung trên để tạo lập một dây chuyền công nghệ tổng hợp NH3 kinh tế , hiệu quả và đạt hiệu suất cao nhất sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, về mặt thuỷ động, về hoá lý, nhiệt độ , áp suất làm việc, tỷ lệ H2/N2, nồng độ khí trơ Ar, CH4 … Hoàn thiện công nghệ tổng hợp NH3 cần chú ý một số vấn đề sau Để tuần hoàn lại khí H2, N2 chưa phản ứng phải giải quyết -Tách NH3 ra khỏi khí chưa phản ứng bằng làm lạnh ngưng tụ -Xả bỏ một phần khí trơ để giữ nồng độ khí trơ trong khí tuần hoàn không đổi, cân bằng giữa lượng khí trơ vào theo khí mới theo khí mới (tương ứng với lượng NH3 tạo thành ) và lượn