Mô phỏng chế độ làm việc tháp chuyển hóa so2 thành so3 trong quy trình sản xuất axit sunfuric
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------
VÕ NGỌC ĐỨC
MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC THÁP CHUYỂN HÓA
SO2 THÀNH SO3 TRONG QUY TRÌNH SẢN XUẤT
AXIT SUNFURIC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 60 52 03 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 02- 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Tuấn Anh
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lý Cẩm Hùng
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lưu Xuân Cường
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.
HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
2. TS. Đoàn Văn Thuần
3. TS. Lý Cẩm Hùng
4. TS. Lưu Xuân Cường
5. PGS. TS. Nguyễn Quang Long
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Võ Ngọc Đức
MSHV: 13051168
Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1983
Nơi sinh: Bình Dương
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 60 52 03 01
I. TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng chế độ làm việc tháp chuyển hóa SO2 thành SO3
trong quy trình sản xuất axit sunfuric
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Giới thiệu tổng quan, lịch sử hình thành ngành công nghiệp axit sunfuric, các
nghiên cứu về quy trình sản xuất axit sunfuric trong công nghiệp.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, tính chất lý hóa, nguyên liệu, quy trình công nghệ sản
xuất axit sunfuric
- Thiết lập vấn đề, xây dựng mô hình toán học cho tháp chuyển hóa SO2 trong quy
trình xản xuất axit sunfuric công nghiệp
- Khảo sát thông qua mô hình sự ảnh hưởng của các yếu tố vận hành như nhiệt độ
(T), thành phần hỗn hợp ban đầu đến độ chuyển hóa (X) và phân bố áp suất (P)
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Tuấn Anh
Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
tháng
năm 2018
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký
LỜI CẢM ƠN
- Đầu tiên, tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Tuấn Anh
người đã trực tiếp, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận
văn.
- Tôi xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật Hóa Vô cơ,
Quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh đã trang bị cho tôi kiến thức nền tảng và nhiệt tình hỗ trợ tôi trong thời
gian học tập cũng như thực hiện luận văn.
- Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn đang cùng thực hiện các đề tài đã hỗ trợ và
chia sẽ những thông tin giúp tôi chủ động hơn trong thời gian thực hiện luận
văn.
- Và cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn đến các thành viên trong gia đình, đã tạo
điều kiện tốt nhất và ủng hộ tôi về mọi mặt trong suốt thời gian học tập và thực
hiện luận văn.
TÓM TẮT
Axit sunfuric là một loại axit nguy hiểm và cực độc đối với môi trường và
sức khỏe con người nếu chúng ta sản xuất, sử dụng không tuân theo các quy tắc
an toàn. Do đó, việc sử dụng có hiệu quả axit sunfuric và dùng mô phỏng để mô
phỏng quy trình sản xuất axit sunfuric công nghiệp trong nhà máy hiện nay là
một nhu cầu rất cần thiết để bảo vệ chính môi trường sống của chúng ta.
Nhà máy sản xuất axit sunfuric hiện đang hoạt động rất nhiều nhưng việc
đòi hỏi nâng cao hiệu suất, giảm chi phí nguyên liệu đầu vào và giá thành sản
phẩm là một vấn đề lớn đặt ra cho đội ngũ quản lý, kỹ sư. Vấn đề này sẽ rất khó
giải quyết nếu không dùng đến mô phỏng. Mô phỏng giúp chúng ta hiểu rõ hơn
về các công đoạn của quá trình sản xuất, chiều hướng biến thiên của sản phẩm
cũng như tầm quan trọng của từng thông số trong quá trình vận hành.
Luận văn này sử dụng MATLAB để mô phỏng quá trình sản xuất axit
sunfuric công nghiệp trong nhà máy ở giai đoạn bình phản ứng oxy hóa sunfur
dioxit (SO2) thành SO3.
ABSTRACT
Sulfuric acid is a dangerous and toxic acid for the environment and human
health if we produce, not in use it suitable with safety rules.Therefore, the
effective use of sulfuric acid and use model in order to simulate industrial
sulfuric acid production process in the plant which a critical need to protect our
living environment.
The sulfuric acid plant is currently oprating very much, but demand to
improve efficiency, reduce input costs and product costs are a big problem for
the engineer and management team of company. This problem will be very
difficult to solve without using simulation. Simulation helps us better
understand the stages of production process, product's variable direction as well
as important of parameters during the operation.
In the thesis, useMATLAB software to simulate industrial sulfuric acid
production process in the plant which at oxidation stage from sulfur dioxide
(SO2)to oxide oxidation.
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của cá nhân tác giả và được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Nguyễn Tuấn Anh, khoa Kỹ thuật Hóa
học, trường Đại học Bách khoa TP.HCM.
Số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung
thực
TP.HCM, ngày tháng 02 năm 2018
Tác giả
Võ Ngọc Đức
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................ii
TÓM TẮT ....................................................................................... iii
ABSTRACT ..................................................................................... iv
MỤC LỤC ......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG .......................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................... viii
KÍ HIỆU ............................................................................................ x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................... 1
1.1 Axit sunfuric (H2SO4) .......................................................................................... 1
1.2 Lịch sử ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric .............................................. 2
1.3 Tình hình nghiên cứu axit sunfuric...................................................................... 4
1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................... 5
1.4.1
Mục tiêu .................................................................................................. 5
1.4.2
Nhiệm vụ ................................................................................................. 6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................. 7
2.1 Tính chất vật lý của H2SO4 .................................................................................. 7
2.2 Tính chất hóa học của H2SO4 .............................................................................. 8
2.3 Các phương pháp tổng hợp H2SO4 ...................................................................... 9
2.3.1
Nguyên liệu sản xuất axit sunfuric ......................................................... 9
2.3.2
Quy trình công nghệ sản xuất axit sunfuric .......................................... 12
2.4 Lựa chọn công nghệ sản xuất H2SO4 từ lưu huỳnh ........................................... 21
2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị trong quá trình oxy hóa SO2 .............. 22
v
2.5.1
Tháp oxy hóa (tháp tiếp xúc hay tháp chuyển hóa) .............................. 22
2.5.2
Một số thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................. 24
CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP VẤN ĐỀ .......................................... 27
3.1 Vai trò mô hình, mô phỏng trong nghiên cứu nhà máy axit sunfuric [5] .......... 27
3.2 Giới thiệu tổng quan về phần mềm MATLAB.................................................. 28
3.3 Mô hình.............................................................................................................. 30
3.4 Cấu trúc phản ứng oxy hóa SO2 thành SO3[11] ................................................ 30
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................. 36
4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu (To) ............................................................... 36
4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm nguội (Ta): (khi To=777K) .................................. 41
4.3 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp ban đầu (khi To=777K) ........................... 43
4.4 Ảnh hưởng của sự giải nhiệt (khi To=777K) ..................................................... 48
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. 56
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................... 58
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ............................................................... 59
vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Nhiệt độ kết tinh của các hợp chất giữa H2O và SO3[7] ........................... 7
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sản xuất axit sunfuric từ 1970~2011 [1] ................................................... 2
Hình 2.1. Tóm lược tính chất hóa học của axit sunfuric ........................................... 8
Hình 2.2 Lưu đồ sản xuất axit sunfuric [1] ............................................................. 10
Hình 2.3. Quy trình sản xuất axit sunfuric .............................................................. 12
Hình 2.4. Sơ đồ cổ điển sản xuất axit sunfuric công nghiệp từ S [5] ...................... 22
Hình 2.5. Tháp tiếp xúc 4 lớp có truyền nhiệt trung gian [7] .................................. 23
Hình 2.6. Tháp tiếp xúc đặt bộ truyền nhiệt bên ngoài [7]...................................... 24
Hình 2.7. (a) Tháp trao đổi nhiệt ngoài[7]
(b) Tháp làm nguội SO3 [7].......... 25
Hình 2.8. Thiết bị đốt nóng khởi động .................................................................... 26
Hình 3.1. Giao diện MATLAB................................................................................ 29
Hình 3.2. Hộp thoại tương tác MATLAB ............................................................... 29
Hình 3.3. Code MATLAB ....................................................................................... 30
Hình 4.1. Độ chuyển hóa với To=777K ................................................................... 36
Hình 4.2. Nhiệt độ phản ứng với To=777K ............................................................. 36
Hình 4.3. Áp suất phản ứng với To=777K ............................................................... 37
Hình 4.4. Lưu lượng mol còn lại sau phản ứng với To=777K................................. 37
Hình 4.5. Độ chuyển hóa với To=666K ................................................................... 38
Hình 4.6. Nhiệt độ phản ứng với To=666K ............................................................. 39
Hình 4.7. Áp suất phản ứng với To=666K ............................................................... 39
Hình 4.8. Lưu lượng mol còn lại sau phản ứng với To=666K................................. 40
Hình 4.9. Độ chuyển hóa tương ứng ở Ta=750K và Ta=639K với To=777K.......... 41
Hình 4.10. Nhiệt độ phản ứng tương ứng ở Ta=750K và Ta=639K với To=777K .. 41
Hình 4.11. Áp suất phản ứng tương ứng ở Ta=750K và Ta=693K với To=777K.... 42
Hình 4.12. Lưu lượng mol còn lại tương ứng ở Ta=750K và Ta=693K với To=777K
.................................................................................................................................. 42
viii
Hình 4.13. Độ chuyển hóa khi thành phần ban đầu (13% SO2, 8% O2, 79% N2) với
To=777K ................................................................................................................... 43
Hình 4.14. Nhiệt độ phản ứng khi thành phần ban đầu (13% SO2, 8% O2, 79% N2)
To=777K ................................................................................................................... 44
Hình 4.15. Áp suất phản ứng khi thành phần ban đầu (13% SO2, 8% O2, 79% N2)44
Hình 4.16. Lưu lượng mol còn lại khi thành phần ban đầu (13% SO2, 8% O2, 79%
N2) với To=777K....................................................................................................... 45
Hình 4.17. Độ chuyển hóa khi thành phần ban đầu (9% SO2, 12% O2, 79% N2) ... 46
Hình 4.18. Nhiệt độ phản ứng khi thành phần ban đầu (9% SO2, 12% O2, 79% N2)
.................................................................................................................................. 46
Hình 4.19. Áp suất phản ứng khi thành phần ban đầu (9% SO2, 12% O2, 79% N2)47
Hình 4.20. Lưu lượng mol còn lại khi thành phần ban đầu (9% SO2, 12% O2, 79%
N2) với To=777K....................................................................................................... 47
Hình 4.21. Độ chuyển hóa khi có và không có giải nhiệt với To=777K ................. 48
Hình 4.22. Nhiệt độ phản ứng khi có và không có giải nhiệt với To=777K ........... 49
Hình 4.23. Áp suất phản ứng khi có và không có giải nhiệt với To=777K ............. 49
Hình 4.24. Lưu lượng mol còn lại khi có và không có giải nhiệt với To=777K ..... 50
ix
KÍ HIỆU
P: áp suất (atm)
Ø: độ rỗng
gc: hệ số chuyển hóa
Dp: đường kính hạt trong bed (m)
D: đường kính (m)
µ: độ nhớt (Kg.m/s)
z: chiều dài thiết bị dọc theo thân
G: vận tốc khối lượng bề mặt
W: khối lượng xúc tác trên 1 ống (g)
Ac: diện tích cắt ngang (m2)
: khối lượng riêng (Kg/m3)
U: vật tốc bề mặt
Kp: hằng số cân bằng áp suất (atm-1/2)
k: hằng số tỉ lệ
CPi : nhiệt dung riêng đẳng áp cấu tử i
ΔCp: biến thiên nhiệt dung riêng đẳng áp
: biến thiên thể tích
Fo: lưu lượng nhập liệu ban đầu (Kg.mol/h)
FAo : lưu lượng nhập liệu ban đầu cấu tử A
X: độ chuyển hóa
C: nồng độ (mol/l)
T: nhiệt độ (oK)
ΔH: nhiệt phản ứng
νi: hệ số tỉ lượng cấu tửi
x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1
Axit sunfuric (H2SO4)
Axit sunfuric là một trong những loại hóa chất phổ biến và được sử dụng
rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. Sản lượng hàng năm khoảng 200 triệu tấn
với thị trường lớn nhất là châu Mỹ và châu Á.
Hầu hết nhà máy axit sunfuric đều được đặt ở những nơi cần sản xuất các
sản phẩm mà nguyên liệu sử dụng là axit sunfuric. Ví dụ gần nhà máy phân bón
photphate, nhà máy cắt mạch hóa dầu. Lý do là việc vận chuyển nguyên tố lưu
huỳnh (S) thì rẻ hơn so với vận chuyển axit sunfuric và chúng có khó khăn
trong việc tồn trữ với số lượng lớn.
Hầu như mọi ngành sản xuất hóa chất trên thế giới đều trực tiếp hoặc gián
tiếp sử dụng axit sunfuric. Chúng sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất phân
bón (supephotphat, amoniphotphat), thuốc trừ sâu, chất giặt rửa tổng hợp, tơ sợi
hoá học, chất dẻo, dược phẩm. Axit sunfuric cũng được dùng như là dung môi
cho quặng và chất xúc tác cho phản ứng cắt mạch hóa dầu, sản xuất polyme. Có
thể nói mức độ sản xuất, sử dụng axit sunfuric của một quốc gia là một chỉ số
đánh giá sức mạnh công nghiệp của quốc gia đó. Vai trò quan trọng đó được thể
hiện thông qua tình hình sản xuất axit sunfuric trên thế giới và trong nước.
Trên thế giới sản lượng hàng năm khoảng 200 triệu tấn, phân bố dựa trên
quy mô công nghiệp của các nước trên thế giới.
1
Hình 1.1. Sản xuất axit sunfuric từ 1970~2011 [1]
Ở Việt Nam, axit sunfuric cũng được sản xuất rộng rãi để phục vụ cho nền
công nghiệp hóa học trong nước. Có thể kể đến 3 công ty sản xuất axit sunfuric
lớn trong nước:
+ Nhà máy Supephotphat Lâm Thao – Phú Thọ
+ Nhà máy Supe lân Long Thành – Đồng Nai
+ Nhà máy hóa chất Tân Bình
1.2
Lịch sử ngành công nghiệp sản xuất axit sunfuric
Sự phát hiện ra axit sunfuric được gắn với nhà hoá học và là nhà giả kim
thuật Hồi giáo, Jabir ibn Hayyan vào thế kỉ thứ 8 bằng cách chưng cất khô các
loại khoáng chất như FeSO4.7H2O và CuSO4.5H2O. Khi bị nung nóng, các hợp
chất này bị phân hủy tương ứng thành ôxít sắt (II) và ôxít đồng (II), giải
phóng nước và triôxít lưu huỳnh, chúng kết hợp với nhau tạo thành một dung
dịch loãng của axit sunfuric.
Trong thế kỷ 17, nhà hóa học người Đức-Hà Lan Johann Glauber đã điều
chế axit sunfuric bằng cách đốt lưu huỳnh cùng với kali nitrat (KNO3), với sự có
mặt của hơi nước. Khi KNO3 bị phân hủy, nó oxy hóa lưu huỳnh thành SO3, là
chất kết hợp với nước để tạo ra axit sunfuric. Trong năm 1736, Joshua Ward,
2
một dược sĩ người London đã sử dụng phương pháp này để bắt đầu việc sản xuất
hàng loạt axit sunfuric lần đầu tiên.
Năm 1746 ở Birmingham, John Roebuck bắt đầu sản xuất axit sunfuric
theo cách này trong các bể chì, là những thiết bị khỏe hơn và ít đắt tiền hơn cũng
như có thể chế tạo lớn hơn so với các loại đồ chứa bằng thủy tinh đã sử dụng
trước đây. Công nghệ bể chì này cho phép công nghiệp hóa việc sản xuất axit
sunfuric hiệu quả hơn và cùng với một số cách làm tinh khiết thì nó đã là
phương pháp chuẩn để sản xuất trong gần như hai thế kỷ.
Nhưng axit sunfuric của John Roebuck chỉ chứa khoảng 35–40% axit. Các
phương thức làm tinh khiết sau này trong công nghệ bể chì của nhà hóa học
người Pháp Joseph-Louis Gay-Lussac và nhà hóa học người Anh John Gloverđã
cải thiện nó tới 78%. Tuy nhiên, việc sản xuất một số thuốc nhuộm và các hóa
chất khác đòi hỏi phải có sản phẩm đậm đặc hơn và trong suốt thế kỷ 18 điều
này chỉ có thể thực hiện bằng cách chưng cất khô các khoáng chất với kỹ thuật
tương tự như các công nghệ nguyên thủy của giả kim thuật. Pyrit (FeS2) đã bị
nung nóng trong không khí để tạo ra sắt (II) sunfat (FeSO4), chất này bị oxy hóa
bằng cách nung nóng tiếp trong không khí để tạo ra sắt (III) sulfat (Fe2(SO4)3),
là chất khi nung tới 480°C bị phân hủy để tạo ra sắt (III) oxit và triôxit lưu
huỳnh, chất này cho qua nước để tạo thành axit sunfuric với nồng độ bất kỳ. Chi
phí cao của công nghệ này đã ngăn cản việc sản xuất, sử dụng đại trà axit
sunfuric đậm đặc.
Năm 1831, nhà buôn dấm người Anh Peregrine Phillips đã lấy bằng sáng
chế cho công nghệ kinh tế hơn để sản xuất triôxit lưu huỳnh và axit sunfuric
đậm đặc, ngày nay được biết đến như là công nghệ tiếp xúc. Cuối cùng thì tất cả
các nguồn cung cấp axit sunfuric trên thế giới ngày nay đều sản xuất theo
phương pháp này.
Ở Ấn Độ, axit sunfuric là chìa khóa để sản xuất hóa chất trong thế kỷ XX.
Năm 1919 Công ty hóa chất Dharamsi Morarji Ltd là nhà tiên phong trong sản
xuất axit sunfuric ở Ấn Độ. Một nhà máy chế biến khoang chì đã được nhập
khẩu trên cơ sở chìa khóa trao tay từ Anh. Sản phẩm axit sunfuric yếu này trong
3
khoảng từ 50-60%. Nồng độ cao hơn thu được từ lò đốt than bằng cách sử dụng
các mẫu lặp lại để sản xuất axit 97-98%. Điều này được đánh dấu bằng kính
carboys hoặc bình gốm cho người tiêu dùng.
Sau 1947, việc mở rộng khả năng sản xuất axit sunfuric được coi là cần thiết
và được khuyến khích bởi chính phủ Ấn Độ.
Không giống như đối với Ấn Độ, sản xuất axit sunfuric ở Châu Âu, Anh và
Mỹ đã phát triển mạnh kể từ giữa thế kỷ XIX như sau:
- Ngành công nghiệp axít sunfuric đã bắt đầu vào những năm 1940 do
phát minh ra V2O5 như một chất xúc tác để chuyển hóa SO2 thành SO3, được
biết đến như là "quá trình tiếp xúc". Nhà máy sản xuất axit sunfuric được xây
dựng để sản xuất axit photphoric cho phân bón Photphat.
- Trong những năm 1960, luật bảo vệ môi trường đã làm cho nó bị ngăn
cấm mở rộng các nhà máy hấp thụ đơn, tiếp xúc đơn. Hiệu quả chuyển đổi của
quy trình này là 96-96,5% và phát thải ra SO2 từ 16~20 kg/ tấn axit sunfuric
được sản xuất. Điều này dẫn đến một lượng mưa axit ảnh hưởng đến môi
trường. Vì vậy cần phải thay đổi quá trình sản xuất này bằng cách sử dụng chất
xúc tác kép. Hệ thống này trở nên phổ biến để sản xuất với một nhà máy đơn lẻ
có sản lượng hơn 1.000 TPD. OPEC tăng giá dầu từ 8 USD lên 60 USD/ thùng
vào những năm 1970 để phát triển sản xuất điện vào những năm 1970 và 1980.
Theo đó, công suất tối thiểu hấp dẫn về mặt kinh tế là trên 500 tấn/ ngày. Ví dụ,
năng lượng nhiệt có sẵn trên 100 tấn axit có thể cung cấp một lượng điện tối đa
1,8MW với hệ thống HRS do công ty hóa chất Monsanto của Hoa Kỳ phát triển.
1.3
Tình hình nghiên cứu axit sunfuric
Axit sunfuric là một trong những loại hóa chất phổ biến và được sử dụng
rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực, hiểu rõ công nghệ sản xuất H2SO4 sẽ giúp
cho các nhà sản xuất có khả năng tăng quy mô sản xuất, giảm giá thành sản
phẩm và đem lại lợi nhuận cao nhất. Các nhà khoa học và kỹ sư của các nhà
máy đã tốn rất nhiều thời gian, công sức và chi phí để nghiên cứu cải tiến công
nghệ, tìm phương pháp tối ưu sản xuất H2SO4 để giảm chi phí đầu tư và vận
4
hành nhằm hạ giá thành sản phẩm. Để hỗ trợ, giảm đáng kể chi phí nghiên cứu,
ứng dụng thực nghiệm bằng công cụ máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã
góp phần to lớn để các nhà khoa học đánh giá, định hướng và khoanh vùng
nghiên cứu, từ đó giảm thời gian và chi phí cho việc tiến hành thực nghiệm trên
các quy trình và mô hình thực tế. Cuối thế kỷ XX, máy tính trở thành công cụ
phổ biến và phát triển hoàn thiện đã giúp các nhà khoa học đưa ứng dụng nghiên
cứu đi theo hướng sử dụng phương pháp số.
Cùng với những tiến bộ không ngừng của khoa học máy tính, nhiều bài toán
trong khoa học kỹ thuật, kinh tế phức tạp đã được giải quyết một cách thỏa đáng
bằng công cụ máy tính trên các phần mềm chuyên dụng. Để giải quyết các bài
toán đó thì phải lập ra các mô hình toán mô tả quá trình phản ứng dựa trên cân
bằng vật chất và năng lượng trong các điều kiện và ràng buộc cụ thể, đặc biệt là
những biến có ảnh hưởng và chi phối chính đến quá trình.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung tìm hiểu mô phỏng phản ứng
oxy hóa SO2 thành SO3 trong quy trình sản xuất H2SO4 công nghiệp trong nhà
máy từ lưu huỳnh bằng cách sử dụng phần mềm MATLAB. Đến nay, chúng ta
đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu liên quan đến quá trình tổng hợp axit
sunfuric như: E.M. Jones (1950)[2], Kirk Othmer
(1984)[3],K. Gosiewski
(1993)[4], Anton A. Kiss (2009)[5], Matthew J. King (2013)[1], Navin G. Ashar
(2013)[6], … và nhiều nhà khoa học khác. Các nghiên cứu này sử dụng mô hình
động để mô tả sự hoạt động của thiết bị phản ứng, theo dõi quá trình khởi động
và tắt thiết bị, cũng như có thể phục vụ cho quá trình điều khiển. Tuy nhiên đối
với bài toán thiết kế và vận hành tối ưu, việc mô tả tĩnh hệ thống được quan tâm
nhiều hơn. Các nghiên cứu này chưa khảo sát kĩ các thông số vận hành như tỉ lệ
nhập liệu, chế độ làm mát đến độ chuyển hóa sản phẩm.
1.4
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1.4.1 Mục tiêu
Đề tài sẽ nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ (T), thành phần ban đầu
hỗn hợp đến áp suất (P), độ chuyển hóa (X) phản ứng oxy hóa SO2 thành SO3
5
trong quá trình sản xuất H2SO4 công nghiệp của nhà máy từ lưu huỳnh bằng
cách mô phỏng quá trình oxy hóa này. Dựa trên mô hình đề xuất, tính toán, giải
hệ phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc ban đầu bằng phần mềm
MATLAB. Quá đó, sẽ có nhận xét, đánh giá kết quả, đề xuất biện pháp xử lý và
hướng nghiên cứu tiếp theo.
1.4.2 Nhiệm vụ
- Khảo sát phản ứngoxy hóa SO2 thành SO3 trong quá trình tổng hợp
H2SO4 từ lưu huỳnh.
- Tìm mối liên hệ của các tham số: nhiệt độ, áp suất, độ chuyển
hóa,…đến nhiệt động học phản ứng. Xây dựng mô hình toán dựa trên cân bằng
vật chất, năng lượng với các điều kiện ràng buộc ban đầu.
- Lập hệ phương trình vi phân mô tả phản ứng.
- Giải hệ phương trình vi phân để mô phỏng phản ứng bằng MATLAB
- Đánh giá kết quả và đưa ra các dự báo.
- Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1
Tính chất vật lý của H2SO4
- Axit sunfuric được xem là hợp chất giữa anhydric sunfuric với nước, có
công thức hóa học là SO3.H2O hoặc H2SO4 với khối lượng phân tử là 98,08.
- Hỗn hợp theo tỉ lệ bất kỳ giữa SO3 với H2O đều gọi là axit sunfuric. Nếu tỉ
lệ SO3/H2O <1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric, SO3/H2O >1 thì gọi là dung
dịch SO3 trong nước hay oleum hoặc gọi là axit sunfuric bốc khói.
- Thành phần của axit sunfuric được đặc trưng bởi phần trăm khối lượng
H2SO4 hoặc SO3.
- Axit sunfuric là một chất lỏng sánh như dầu, không màu, khối lượng riêng
là 1,859 g/cm3 (ở 00C) và 1,837 g/cm3 (ở 150C). Khi làm lạnh sẽ hóa rắn thành
tinh thể nóng chảy ở 10,370C, sôi ở nhiệt độ 296,20C.
a. Nhiệt độ kết tinh: axit sunfuric có thể kết hợp với nước và SO3 theo tỉ lệ
bất kỳ tạo thành các hợp chất khác nhau.
Bảng 2.1. Nhiệt độ kết tinh của các hợp chất giữa H2O và SO3[7]
Hàm lượng (%)
STT
Nhiệt độ
Công thức
H2SO4
SO3 tổng
SO3 tự do
kết tinh (oC)
1
H2 O
0
0
0
2
H2SO4.4H2O
57,6
46,9
-24,4
3
H2SO4.2H2O
73,2
59,8
-29,6
4
H2SO4.H2O
84,5
69,0
8,48
5
H2SO4
100,0
81,6
10,37
6
H2SO4.SO3
110,1
89,9
44,9
38,15
7
H2SO4.2SO3
113,9
93,0
62,0
1,2
8
SO3
122,5
100,0
100,0
16,8
7