Tính toán, thiết kế hệ thống xử lý , thu hồi khí NH3 trong khí phóng không của nhà máy sản xuất NH3

ết bị công nghệ 11 III.Tác hại của các chất gây ô nhiễm khí 15 1.Khí CO 15 2.Khí Nitơ oxit 16 3.Khí SO2 17 4.Khí H2S 17 5.Khí Clo 18 6.Khí Amoniac 18 IV.Một số phương pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất 19 1. Một số phương pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất 19 2. Phương pháp hấp thụ xử lý khí thải chứa NH3… 22 a.Nguyên lý quá trình 22 b.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 23 Chương II.Công nghệ sản xuất NH3… 24 I.Lịch sử phát triển của công nghệ tổng hợp NH3 24 II.Giới thiệu chung về quá trình tổng hợp Amoniac 24 III.Tính chất của Amoniac 25 IV.Cơ sở lý luận quá trình tổng hợp NH3…………. 27 V.Dây chuyền sản xuất NH3…. 33 VI.Thuyết minh lưu trình công nghệ 36 Chương III.Tính cân bằng vật chất của quá trình phóng không 38 I.Cân bằng vật chất cho tháp tổng hợp NH3…. 40 II.Cân bằng vật chất cho thiết bị làm lạnh bằng H2O 43 III.Cân bằng vật chất cho quá trình phóng không 47 IV.Tính cân bằng vật chất cho quá trình phóng không theo năng suất phân xưởng 51 Phần II. Quá trình xử lý và thu hồi NH3 trong khí phóng không 53 Chương I. Lập luận tính kinh tế của quá trình xử lý và thu hồi NH3 trong khí phóng không 53 Chương II. Dây chuyền công nghệ quá trình hấp thụ NH3 trong khí phóng không 54 Chương III.Tính toán quá trình hấp thụ NH3 trong khí phóng không… 56 I.Tính toán thiết bị chính 56 II.Tính toán cơ khí 66 III.Tính toán thiết bị phụ 75 IV.Tính cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp thụ 88 V.Tính cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp thụ .90 Kết luận 91 Tài liệu tham khảo 92 LờI NóI ĐầU “Bảo vệ môi trường là một vấn đề sống còn của đất nước , của nhân loại, là nhiệm vụ có tính xã hội sâu sắc , gắn liền với cuộc đấu tranh xóa đói giảm nghèo của mỗi nước , với cuộc đấu tranh vì hòa bình và tiến bộ xã hội trên phạm vi toàn thế giới” Đó là lời mở đầu của Bản chỉ thị số 36-CT/TW ngày 25/6/1998 của Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng Sản Việt Nam khoá 8 Quán triệt tinh thần và nội dung của chỉ thị nêu trên , từ đó cho đến nay công tác bảo vệ môi trường, chống suy thoái môi trường trong mọi lĩnh vực đời sống, công nghiệp…đã và đang được các ngành các cấp , mọi người dân, mọi cơ sở sản xuất công nghiệp hết sức quan tâm . Mặc dù vậy môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng, đặc biệt tại các khu công nghiệp vẫn có những dấu hiệu ô nhiễm đáng lo ngại . Phần lớn các nhà máy xí nghiệp chưa được trang bị hoặc trang bị thiếu đồng bộ các hệ thống xử lý khí thải, bụi, nước thải và hàng ngày thải vào bầu khí quyển một lượng khổng lồ các chất độc hại gây ô nhiễm nghiêm trọng cả một vùng rộng lớn quanh nhà máy. Do đặc thù của công nghiệp hoá chất, khí thải của các nhà máy hoá chất còn chứa rất nhiều các khí độc hại và nồng độ của chúng vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép. Theo tính chất hoá lý người ta phân loại khí thải làm hai nhóm : Nhóm vô cơ bao gồm các khí SO2 , SO3 , H2S , CO , CO2 , NOX , NH3 , HCl , H2SO4 , HF…Nhóm hữu cơ bao gồm : Benzen , butan , axeton , các axit hữu cơ , các dung môi hữu cơ. Tuỳ theo thành phần và khối lượng khí thải để tiến hành một phương pháp xử lý phù hợp, đảm bảo kỹ thuật xử lý và tính kinh tế của phương pháp đó . Khi lựa chọn thiết bị làm sạch khí thải cần phải tính đến hiệu quả làm sạch, những chi phí đầu tư ban đầu , những chi phí trong quá trình vận hành , tuổi thọ của hệ thống xử lý, đơn giản trong vận hành , dễ dàng kiểm tra sửa chữa , chi phí điện năng hợp lý… Trong nội dung thiết kế tốt nghiệp này, em đã tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống xử lý , thu hồi khí NH3 trong khí phóng không của nhà máy sản xuất NH3. Dù đã hết sức cố gắng nhưng bản tính toán và thiết kế còn nhiều hạn chế , em rất mong được các thầy cô hướng dẫn chỉ bảo thêm. Phần i.Tổng quan Chương I. Ô nhiễm không khí do khí thải trong công nghiệp hoá chất. I.Các nguồn gây ô nhiễm trong công nghiệp hoá chất Công nghệ hoá chất bao gồm rất nhiều loại nhà máy, sản xuất ra rất nhiều loại sản phẩm khác nhau, phục vụ cho đời sống, công nghiệp, quốc phòng, và do đó về khía cạnh ô nhiễm khí cũng có rất nhiều vấn đề chuyên môn riêng biệt và đa dạng Một số nguồn ô nhiễm khí điển hình trong công nghệ hoá chất như sau: 1.Công nghiệp sản xuất Axit sunfuric Axit sunfuric H2SO4 có thể được sản xuất từ lưu huỳnh đơn chất ( S có thể được thu từ khí đốt thiên nhiên), từ Sunfua Sắt, quặng FeS2 , phản ứng xảy ra như sau: Từ lưu huỳnh S + O2 đ SO2 Từ quặng Pirit 4 FeS2 + 1102 đ2 Fe2O3 + 8SO2 Sunfua đioxit thu được từ quá trình nung đốt trên đây thường có hàm lượng từ 8 á 44% được cho tiếp xúc với chất xúc tác ở nhiệt độ 4500C để oxi hoá SO2. 2 SO2 + O2đ 2 SO3 Tiếp theo SO3 được hấp thụ bởi H2SO4 loãng để đạt được độ đậm đặc theo yêu cầu: SO3 + H2O Û H2SO4 Trong thiết bị oxi hoá xúc tác nhiều lớp (4 á 5 lớp) tỷ lệ SO2 được chuyển hoá là 96 á 98%, phần còn lại được phát thải vào khí quyển. Đối với nhà máy công suất 1500 tấn H2SO4/ ngày, lượng phát thải ( nhờ nâng cao hiệu quả chuyển đổi ) có thể hạ xuống từ 44 xuống 4 tấn / ngày, từ đó làm tăng thêm 54 tấn H2SO4/ ngày Nồng độ SO2 trong khi thải của dây chuyền sản xuất H2SO4 hiện đại có thể đạt 1,33g/ m3. 2.Công nghệ sản xuất axit nitric: HNO3 Phương pháp phổ biến để điều chế axit nitric là đốt có xúc tác Amôniac trong không khí. Các phản ứng xảy ra như sau: 4NH3 + 5 O2 đ 4 NO + 6 H2O + Q 2NO + O2 đ 2 NO2 + Q 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO + Q Chất ô nhiễm phát thải vào khí quyển chủ yếu là NO2 (nồng độ phát thải ở ống khói dao động ở khoảng 1500 á 3000ppm), ngoài ra còn có NO, NH3 . Công nghệ tiên tiến đã cho phép hạ nồng độ khí NOx phát thải xuống còn 300 ppm 3.Công nghiệp sản xuất giấy Chất gây ô nhiễm chủ yếu thoát ra từ công nghiệp sản xuất giấy là khí SO2 , H2S, mùi hôi thối , buồn nôn . Giấy là sản phẩm thu được bằng cách ép các lớp sợi Xenlulozơ. Nguyên liệu làm giấy là gỗ. Dăm gỗ được ngâm và nấu dưới áp suất cao trong xút (NaOH) và natri sunfua (NaS) Kết quả là thu được dung dịch bột giấy màu đen có chứa một lượng nhỏ các chất H2S và các hợp chất Sunfua hữu cơ tạo ra mùi hôi thối khó chịu. Ngoài ra khi hoàn nguyên dung dịch nấu bột giấy để tái sử dụng bằng cách cho bốc hơi, cặn bã được đốt trong các lò đặc biệt để tạo thành tro natrisunfit Na2SO3 và natri cacbonnat Na2CO3. Trong quá trình này thoát ra nhiều khí H2S và các chất CH3HS , (CH3)2S , (CH3)2S2 có mùi hôi thối khó chịu đặc trưng cho công nghiệp giấy. 4.Công nghiệp sản xuất đồ nhựa: Công nghiệp sản xuất gia công đồ nhựa tuy không phải là các nguồn ô nhiễm lớn, tuy nhiên lại rất đa dạng do sự khác nhau trong dây chuyền sản xuất, nguyên liệu, máy móc thiết bị. Tại công đoạn chế biến: Polime hoá các nguyên liệu ban đầu (mônôme) được tiến hành trong các thùng kín, nguy cơ gây ô nhiễm hầu như bị triệt tiêu. Khi sửa chữa các loại thùng chứa, đồ nhựa polime, khi dọn dẹp các thiết bị phản ứng có thể làm bốc ra một số hơi, khí có mùi gây khó chịu, dị ứng, nhất là cho công nhân vận hành giai đoạn này. Tại công đoạn ép khuôn: Để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, người ta đã trộn vào polyme nhiều loại phụ gia có tính độc hại cao như các khoáng chất có gốc Chì, Cadimi rất độc hại cho sức khoẻ. 5.Công nghệ lọc hoá dầu Công nghệ chế biến dầu mỏ đã có những bước phát triển mạnh mẽ từ nhiều thập kỷ trước. Giai đoạn đầu của quá trình lọc dầu là quá trình chưng áp - phân ly dầu thô ra thành nhiều cấp có tỷ trọng khác nhau - đó là quá trình Cracking. Một số sản phẩm thu được sau quá trình cracking có thể sử dụng ngay, phần còn lại đòi hỏi phải chế biến tiếp. Khí thải của nhà máy lọc dầu gồm có: a. Hơi Hidrocacbon rò rỉ từ các khe hở , nắp đậy không kín của thiết bị, thùng chứa. b. Khí thải của các lò nung, bếp đun, vòi đốt sử dụng cho qúa trình chưng cất, trong đó có SO2 do đốt các tạp chất có S.. c. Khí có chứa các hợp chất của S như H2SO4 thoát ra từ các tầng của tháp chưng cất , khí thải của các hợp chất của S từ phần cất được. d. Bụi với thành phần có hạt rất mịn thoát ra từ các quá trình hoàn nguyên các chất xúc tác. Đây là chất gây ô nhiễm chủ yếu của nhà máy lọc dầu. 6.Công nghiệp sản xuất phân bón ( phân đạm, phân Supephotphat) Công nghiệp sản xuất phân bón gốc nitơ gây ô nhiễm không khí bởi các khí CO, H2S, SO2 , NH3. Sản xuất phân Supephotphat được tiến hành theo phương pháp cho axit Sunfuric tác dụng với Phốt phát thiên nhiên (quặng apatit,phôtphat canxi ) .Trong quặng luôn có thành phần flo ( ằ1 %) . Các hợp chất chứa flo phản ứng với H2SO4 và thải ra HF và SiF4. Lượng phát thải các khí độc hại nhiều nhất ở công đoạn làm đông đặc bằng cách thổi không khí và axit photphoric. Không khí thoát ra từ các quá trình này có chứa khoảng 10 g/m3 flo. Sau khi lọc sạch khí thải nồng độ khí flo có thể giảm xuống còn 0,2 g/m3. 7.Ô nhiễm không khí trong công nghiệp sản xuất xi măng Chất gây ô nhiễm chủ yếu là bụi. Bụi thoát ra môi trường xung quanh từ các công đoạn sau đây: Vận chuyển và chứa kho các loại vật liệu như đá vôi, đất sét , phụ gia. Nếu thao tác quá trình với nguyên liệu ẩm thì bụi toả ra sẽ được giảm thiểu đáng kể. Sấy và nung: Toả nhiều bụi và khí SO2 có nguồn gốc từ nhiên liệu Nghiền và trữ Klinker gây toả bụi 8.Ô nhiễm không khí trong công nghiệp sản xuất S Lưu huỳnh (S) được sản xuất trên cơ sở điện phân các muối alcalin (kim loại kiềm: liti, natri, kali…) trong dung dịch nước hoặc ở trạng thái nung chảy. Nguy cơ gây ô nhiễm không khí thường do Cl2, HCl bị thải ra ống khói. Bảng1. Các chất khí, bụi độc hại thải ra từ các nhà máy hoá chất. TT Nhà máy Các chất khí độc hại thải ra 1 HNO3 NO, NO2 , NH3 2 HCl HCl , Cl2 3 H2SO4 + Sản xuất theo phương pháp N2 + Phương pháp tiếp xúc từ S SO2, SO2, H2S, SO2, NH3. NO, NO2 , NH3, SO2 , Fe2O3 (bụi) HCl , Cl 2 4 NH3 CO, CO2, H2S,  SO2, NH3 5 Phân bón tổng hợp NO, NO2 , NH3 , HF, H2SO4 , P2O5, HNO3 6 Supe Photphat H2SO4 , HF, bụi Supephotphat 7 Nước NH3 NH3 8 Photpho và axit Photphoric P2O5, H2SO4 , HF, Ca3F( PO4) (bụi) 9 Metanol CH3OH , CO 10 Axetylen CH2=CH2, mồ hóng 11 Cl2 HCl, Cl2 12 Sợi nhân tạo H2S, CS2 13 Cacbamit NH3, CO , (NH3)2CO (bụi) II.Lượng hơi và khí thải độc hại rò rỉ từ các thiết bị công nghệ. Trong công nghiệp hoá chất luôn luôn có một hệ thống bình chứa, thiết bị có dung tích, đường ống áp lực cao… Từ các thiết bị trên luôn luôn có một lượng khí của chất chứa bên trong thiết bị thoát ra ngoài qua khe hở, bích nối làm ô nhiễm bầu không khí bên trong phân xưởng nếu các thiết bị đặt trong nhà hoặc làm ô nhiễm bầu khí quyển nếu thiết bị, đường ống đặt ngoài trời. Để có thể bảo vệ môi trường, an toàn lao động các thiết bị áp lực cần phải được thử nghiệm về độ kín và cho phép có một độ không kín nhất định được tiêu chuẩn hoá tuỳ thuộc vào mức độ độc hại hoặc nguy hiểm cháy nổ của môi chất chứa bên trong thiết bị. Để kiểm soát được ô nhiễm do các nguồn phát thải dạng trên, cần xác định lượng hơi, khí thoát ra qua khe hở của thiết bị cao áp. Độ hở của thiết bị đường ống xác định như sau: h = Với h: Độ hở, h-1 P1, P2: áp suất tuyệt đối ban đầu và cuối cùng của thời gian thử nghiệm T1, T2 : Nhiệt độ tuyệt đối ban đầu và cuối thời gian thử nghiệm t : Thời gian thử nghiệm , h Nếu nhiệt độ và áp suất khí quyển không thay đổi trong suốt thời gian thử nghiệm thì h = D P : Độ sụt áp suất trong thời gian thử nghiệm h: độ hở ,h-1 h được tiêu chuẩn hoá cho các thiết bị công nghệ khác nhau. Lượng hơi, khí rò rỉ từ các thiết bị công nghệ G = Nếu T1 = T2 = T đ G = đ Rút trị số DP từ trên ta có G = h. V. Với: G: Lượng hơi, khí rò rỉ từ thiết bị , Kg/ h V: Dung tích thiết bị , m3 R: Hằng số chất khí trong thiết bị , J/ Kg. K Trong công thức trên P1/RT chính là khối lượng đơn vị r1 (kg/m3 ) của khí chứa trong thiết bị ứng với áp suất và nhiệt độ làm việc , do đó ta có thể viết công thức trên dưới dạng: G=h.r1.V , kg/h Công thức trên cho phép xác định lượng khí rò rỉ nếu thiết bị được thử độ kín bằng chính loại khí làm việc của nó. Tiêu chuẩn Việt Nam 3959 - 1995. Chất lượng khí - Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ 1. Phạm vi áp dụng a. Tiêu chuẩn này quy định giá trị nồng độ của các chất vô cơ và bụi trong khí thải công nghiệp (tính bằng mg/m3 khí thải) vào không khí xung quanh. Khí thải công nghiệp nói trong tiêu chuẩn này là khí và khí có chứa bụi do các quá trình sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, và do các hoạt động khác tạo ra. b.Tiêu chuẩn này áp dụng để kiểm soát nồng độ các chất vô cơ và bụi có trong khí thải công nghiệp trước khi thải vào môi trường 2. Bảng 2.Giá trị giới hạn cho phép của bụi trong khí thải công nghiệp (mg/m3) TT Thông số Giá trị giới hạn (A) Giá trị giới hạn (B) 1 Khói bụi: - Nấu kim loại - Bê tông nhựa - Xi măng -Các nguồn khác 400 500 400 600 200 200 100 400 2 Bụi: - Chứa Silic - Chứa amiăng 100 không 50 không 3 Antimon 40 25 4 Asen 30 10 5 Cadimi 20 1 6 Chì 30 10 7 Đồng 150 20 8 Kẽm 150 30 9 Clo 250 20 10 HCl 500 200 11 Fl, axit HF các nguồn 100 10 12 H2S 6 2 13 CO 1500 500 14 SO2 1500 500 15 NOX (các nguồn) 2500 1000 16 NOx (Cơ sở axit) 4000 1000 17 H2SO4 (các nguồn) 300 35 18 HNO3 2000 70 19 Amoniac 300 100 Ghi chú: Phương pháp lấy mẫu, phân tích, tính toán xác định từng thông số cụ thể được quy định trong các tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng Giá trị giới hạn A: áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động. Giá trị giới hạn ở cột B : áp dụng cho tấc cả các cơ sở kể từ ngày cơ quan quản lý môi trường quy định Đối với khí thải của một số hoạt động sản xuất, kinh doanh dịch vụ đặc thù, khí thải vào khí quyển theo các quy định riêng. III.Tác hại của các chất gây ô nhiễm khí Lượng không khí mà cơ thể cần cho sự hô hấp hàng ngày của một con người vào khoảng 10 m3, do đó nếu trong không khí có lẫn nhiều chất độc hại đó sẽ tạo điều kiện cho chúng xâm nhập sâu vào cơ thể, gây ra những hậu quả rất nghiêm trọng cho tính mạng và sức khoẻ con người. 1.Khí CO: Cácbonoxit CO là một loại khí độc do nó có phản ứng rất mạnh (có ái lực) với hồng cầu trong máu và tạo ra cacboxy hemoglobin (COHb) làm hạn chế sự trao đổi và vận chuyển oxy trong máu đi nuôi cơ thể. Tuy nhiên khí CO không để lại hậu quả bệnh lý lâu dài hoặc gây ra khuyết tật nặng nề đối với cơ thể. Người bị nhiễm CO khi rời khỏi nơi ô nhiễm, nồng độ CO-Hb trong máu giảm dần do CO đưa thải ra ngoài qua đường hô hấp. Bảng 3 . Triệu chứng của cơ thể ứng với nồng độ COHb trong máu TT Triệu chứng % COHb trong máu 1 Không có dấu hiệu gì < 1,0 2 Một vài biểu hiện không bình thưòng trong thái độ ứng xử 1,0 - 2,0 3 ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, kém nhạy cảm, giác quan, kém phân biệt độ sáng, rối loạn tâm lý 2,0 á 5,0 4 Chức năng tim phổi bị ảnh hưởng 5,0 á 10 5 Đau đầu nhẹ, giảm mạch máu ngoại vi 10 á 20 6 Đau đầu, mấp máy thái dương 20 á 30 7 Đau đầu nhiều, mệt mỏi , hoa mắt, chóng mặt, buồn nôn, nôn mửa, suy sụp 30 á 40 8 Suy sụp, ngất, mạch và nhịp thở chậm dần 40 á 50 9 Ngất, giảm mạch đập và nhịp thở, co giật từng cơn 50 á 60 10 Hôn mê, co giật từng cơn, tim mạch suy giảm, nguy cơ chết 60 á 70 11 Mạch yếu, thở chậm, yếu dần và tắt thở sau vài giờ 70 á 80 12 Chết trong vòng 1 tiếng 80 á 90 13 Chết trong vòng vài phút > 90 2. Khí Nitơ oxit NOx Có tất cả 6 loại Nitơ oxit: N2O, NO , NO2, N2O3, N2O4, N2O5. Trong số đó NO2 là đáng chú ý nhất về mức độ độc hại . Nitơ oxit được biết đến như là một chất gây kích thích viêm tấy và có tác hại đối với hệ thống hô hấp. Tại nơi làm việc của công nhân có ô nhiễm khí NOx có nồng độ < 3 ppm thì tác hại của NOx có thể thấy rõ sau 3 á5 năm. Hiện nay khí NOx được coi là chất độc hại tiềm tàng gây lên bệnh viêm xơ phổi mãn tính. Bảng 4: Tác hại của NO2 phụ thuộc vào nồng độ và thời gian tiếp xúc Nồng độ NO2 ppm Thời gian tiếp xúc ³ 500 48 giờ Chết người 300 á400 2 á 10 ngày Gây viêm phổi và chết 150 á 200 3 á 5 tuần Viêm xơ cuống phổi 50 á 100 6 á 8 tuần Viêm cuống phổi và màng phổi 3. Khí SO2: Khí SO2 là loại khí dễ hoà tan trong nước và được hấp thụ hoàn toàn rất nhanh khi hít thở ở đoạn trên của đường hô hấp. Khi hít thở không khí có chứa SO2 với nồng độ thấp ( 1- 5 ppm) sẽ thấy xuất hiện sự co thắt tạm thời các cơ mềm của khí quản, ở nồng độ 5 ppm - cơ thể có biểu hiện bệnh lý rõ ràng khó thở , tức lồng ngực. Khi nồng độ > 10 ppm thì đường hô hấp bị co thắt nghiêm trọng. 4. Khí H2S. Khí H2S là loại khí không màu , dễ cháy và có mùi đặc biệt giống mùi trứng ung. Tại các khu công nghiệp các nhà máy hoá chất có công đoạn đốt S, nồng độ H2S trong không khí có thể lên đến 0,13 pmm. Ngưỡng nhận biết mùi của H2S dao động trong khoảng 0,0005 á 0,13 ppm. ở nồng độ 10 á 20 ppm thì H2S làm chảy nước mắt, viêm mắt. Khi hít thở phải khí H2S sẽ gây xuất tiết nước nhầy và gây viêm toàn bộ tuyến hô hấp, ở nồng độ > 150 ppm , H2S gây tê liệt cơ quan khứu giác. 5.Khí Clo. Đây là loại khí màu vàng xanh, có mùi hăng cay và gây tác hại đối với mắt, da và đường hô hấp. Hít thở không khí ô nhiễm, bởi khí Clo ta cảm thấy khí thở, bỏng rát da, cay đỏ mắt và nhìn bị mờ. Bảng 5.Tác hại của khí Clo ở các nồng độ khác nhau: Nồng độ khí Clo trong Tác hại đối với cơ thể 0,5 Có mùi nhẹ, không gây tác hại 1 á 3 Mùi khó chịu, gây chảy nước mắt, mũi, viêm mắt mũi 6 Viêm cổ họng 30 Ho, đau rát, cổ họng 40 á 60 Tổn thương phổi nghiêm trọng nếu tiếp xúc trực tiếp 30 á 60 phút 100 Gây chết người 1000 Chết sau vài nhịp thở 6. Khí NH3 Amoniac có thể có trong không khí dưới dạng lỏng và khí Đây là loại khí không màu, có mùi hắc, khai. Tác hại chủ yếu của nó là làm viêm da và đường hô hấp. Mùi amôniac có thể nhận biết được ở nồng độ 5 á10 ppm, ở nồng độ 150 á200 ppm gây khó chịu và cay mắt , ở nồng độ 400 á 700 ppm gây viêm mắt, mũi , tai , họng một cách nghiêm trọng, ở nồng độ ³ 2000 ppm da bị cháy bỏng ngạt thở và tử vong sau vài phút. IV.Một số phương pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất. 1.Một số phương pháp xử lý khí thải trong công nghiệp hoá chất. Khí thải của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp còn chứa rất nhiều chất độc hại vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép. Tùy theo thành phần và khối lượng khí thải mà ta chọn phương pháp xử lý phù hợp đảm bảo kỹ thuật xử lý và tính kinh tế của phương pháp. Khi lựa chọn thiết bị làm sạch khí thải cần phải tính đến hiệu quả làm sạch, những chi phí đầu tư ban đầu, những chi phí trong quá trình vận hành, tuổi thọ của hệ thống xử lý, đơn giản trong vận hành, dễ kiểm tra, sửa chữa, diện tích chiếm chỗ hợp lý, chi phí điện năng ở mức tối ưu. a.Phương pháp hấp thụ Xử lý các chất độc hại có trong khí thải bằng phương pháp hấp thụ (hút thu và hoà tan) được sử dụng nhiều khi lưu lượng dòng khí thải lớn và nồng độ các khí độc hại cao. Ngoài ra khi áp dụng phương pháp này có thể đạt hiệu quả kinh tế cao và có thể thu hồi các chất để sử dụng tuần hoàn hoặc chuyển sang công đoạn sản xuất sản phẩm khác. Sự hấp thụ là quá trình hút thu chọn lọc một hay một số thành phần của hỗn hợp khí bằng chất hút thu thể dịch , chất hút thu thể dịch này gọi là chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ có thể chia thành hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học. Khi xảy ra hấp thụ vật lý những phần tử bị hấp thụ không đi vào những phần tử hấp thụ, nghĩa là quá trình hấp thụ thành phần riêng bằng chất hấp thụ không kéo theo phản ứng hoá học. Khi áp suất riêng phần của khí thành phần có trong hỗn hợp khí cao hơn áp suất cân bằng trên bề mặt dịch thì quá trình hấp thụ tiếp tục. Khi hấp thụ hoá học những thành phần bị hấp thụ sẽ tác động tương hỗ hoá học với các phân tử hoạt tính của chất hấp thụ và tạo thành hỗn hợp hoá học mới . Khi này áp lực cân bằng của khí thành phần trên bề mặt dung dịch ít hơn một chút so với sự hấp thụ vật lý và nó có khả năng tách ra hoàn toàn khỏi dòng khí thải. Sự phối hợp hấp thụ và khử hấp thụ cho phép sử dụng thời gian dài mà không bị tiêu hao dịch hấp thụ trong một vòng kín hấp thụ-khử hấp thụ-hấp thụ và nhận được thành phần bị hấp thụ ở dạng sạch. b.Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ (hút bám) có ý nghĩa quan trọng khi cho phép lôi cuốn các tạp chất khí độc hại ra khỏi khí thải. Những chất hấp phụ được áp dụng để xử lý khí thải phải có bề mặt riêng rất lớn và phải đáp ứng một số các yêu cầu sau: Có khả năng hấp phụ lớn Không tác dụng hoá học với các thành phần khí riêng biệt có trong khí thải Có tính chọn lọc cao Có độ bền lớn Có khả năng hoàn nguyên Có giá thành hạ Một số chất hấp phụ được sử dụng phổ biến là : Than hoạt tính, Silicagen, Aliumogen, Zeolit Sự khử hấp phụ là một giai đoạn quan trọng của chu trình hấp phụ –khử hấp phụ. Đây là quá trình nhằm khôi phục lại hoạt tính vốn có của chất hấp phụ và đây chính là quá trình hấp phụ ngược. c.Phương pháp thiêu huỷ Phương pháp thiêu huỷ được áp dụng khi không có yêu cầu hoặc không có khả năng thu hồi các khí sinh ra, phương pháp này được sử dụng rộng rãi với các khí không sinh ra độc hại thứ cấp. Ngoài ra còn có thể tận dụng được nhiệt của các phản ứng. Thiêu huỷ khi không có chất xúc tác được thực hiện khi đốt trực tiếp khí thải ở nhiệt độ cao :800-1100OC. Phương pháp này áp dụng với các khí thải có nồng độ cao vượt quá giới hạn cho phép và nồng độ Oxy đủ lớn. Có thể thiêu cháy khí thải ở trong các lò đốt khi cần tận dụng nhiệt toả ra. Thiêu huỷ có chất xúc tác cần diện tích bề mặt lớn và nhiệt độ thiêu đốt khoảng 200-300oC. Trong phương pháp này sử dụng các bề mặt kim loại như các dải băng bạch kim , đồng, crom, niken…làm chất xúc tác. Làm sạch khí thải theo phương pháp này có giá thành rẻ hơn so với thiêu đốt không có xúc tác. Phương pháp này thích hợp với các chất khí độc hại có nồng độ thấp gần giới hạn bắt lửa. d.Phương pháp trao đổi ion. Sự hấp thụ khí bằng trao đổi ion là sự hấp thụ phân tử. Khi này phản ứng hoá học của phần tử khí với chất trao đổi ion được thực hiện, đồng thời còn xảy ra sự hoà tan một số chất khí trong nước (nếu nước có trong chất trao đổi ion). Những chất trao đổi ion có đồng thời tính chất của chất hấp phụ thể rắn và tính chất của chất hấp phụ thể lỏng. Thiết bị trao đổi ion áp dụng để làm sạch không khí khỏi những chất độc hại khác nhau. Trong bộ lọc sử dụng những dải băng xuyên thông làm từ những sợi trao đổi ion và được đặt trong khung. Những khung có băng lọc được đặt trong vỏ thiết bị , có các ống nối đường ra, đường vào của dòng không khí. Khả năng lưu thông của dòng khí qua bộ lọc 7000 á 10 000 m2/ h cho 1m2 bề mặt phin lọc, sức kháng khí động của dòng khí 200 á 300 Pa Mức độ làm sạch không khí của loại thiết bị này rất cao 97 á 99%. Vật liệu sợi trao đổi ion cho phép hoàn nguyên và sử dụng nhiều lần. Vật liệu này có thể cho phép lấy ra một số khí độc hại có trong dòng khí thải trong cùng một thời gian làm việc. e.Phương pháp ngưng tụ: Trong phương pháp này sử dụng một chất lạnh trung gian để hạ thấp nhiệt độ dòng khí thải tới nhiệt độ nhất định mà khi đó các khí thành phần ngưng đọng lại và tách dòng khí thải. Phương pháp này thường áp dụng với các dung môi hữu cơ như xăng, dầu, axeton, toluen. f.Phương pháp sinh hoá-vi sinh Phương pháp sinh hoá-vi sinh xử lý khí thải có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường sống quanh chúng ta. Phương pháp này lợi dụng các vi sinh vật trong môi trường xung quanh (đất , nước, không khí…) để hấp phụ , phân huỷ các khí thành phần độc hại trong dòng khí thải. Ngoài ra các vi sinh vật còn tiêu thụ một phần đáng kể các tạp chất có trong hỗn hợp khí, nhất là khí thải của các nghành công nghiệp chế biến thực phẩm , nhà máy tổng hợp hữu cơ…Đây là phương pháp đơn giản tuy nhiên lại mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. 2.Phương pháp hấp thụ xử lý khí thải có chứa NH3 a. Nguyên lý quá trình - Phản ứng xảy ra trong tháp hấp thụ. NH3K NH3L (1) NH3l + H2O NH4OH + Q (8430 KCal) (2) NH4OH NH4 +OH (3) + Phản ứng (1) đặc trưng cho quá trình hoà tan NH3 trong nước, đó là quá trình hoà tan vật lý tuân theo định luật Henry : Nồng độ của NH3 trong dung dịch H: Hằng số Henry : áp suất riêng phần của NH3 trong pha khí + Phản ứng (2) là phản ứng hoá học thuận nghịch toả nhiệt, đặc trưng cho phản ứng là hằng số cân bằng Kc. Kc = đ Kc = F (t0 , ) + Phản ứng (3) là phản ứng điện ly được đặc trưng bằng hằng số điện ly. KH = Các giá trị Kc, KH được tra trong các sổ tay hoá lý từ đó, có thể tìm được ở nhiệt độ bất kỳ. Độ hoàn tan của NH3 ở trong nước là tổng số NH3 ở các dạng. Độ hoà tan = [NH3l] + [NH4OH] + [NH4+] Kết luận: Độ hoà tan của NH3 phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng phần của NH3 trong pha khí. b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ. - Dung dịch NH3 không ổn định, khi tăng nhiệt độ thì phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại của phản ứng (2) vì vậy nếu ở áp suất nhất định khi nhiệt độ giảm thì độ hoà tan tăng. áp dụng tính chất này để khống chế nhiệt độ , áp suất trong quá trình hấp thụ và phát sinh NH3. - Phản ứng hấp thụ của nước và NH3 là phản ứng thuận nghịch toả nhiệt và giảm thể tích vì vậy ở điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao sẽ có lợi cho phản ứng. Để giảm nhiệt độ của phản ứng trong thiết bị hấp thụ còn làm lạnh gián tiếp bằng nước. P cao thì làm hiệu suất hấp thụ cao nhưng P cao quá lại không tốt cho quá trình. Chương II. công nghệ sản xuất NH3 I. Lịch sử phát triển của công nghệ tổng hợp NH3 Amôniac là sản phẩm chủ yếu của công nghiệp hoá học nói chung và công nghệ sản xuất các hợp chất của Nitơ nói riêng. Nó là sản phẩm đầu để từ đó tiến hành sản xuất các hợp chất khác của Nitơ như các loại phân đạm chứa Nitơ, HNO3. Đến đầu thế kỷ 20, phương pháp tổng hợp Amôniác mới được phát triển theo quy trình công nghệ cụ thể . Năm 1913 , một nhà máy tổng hợp Amôniac đầu tiên ra đời tại Đức. Sau Đại chiến thế giới lần thứ nhất kỹ thuật tổng hợp Amôniắc được phổ biến đến một loạt các quốc gia khác, những cải tiến quan trọng trong quá trình tổng hợp đã được áp dụng, đặc biệt, kỹ thuật sản xuất Amôniac đã tiến tới bước tự động hoá một phần. Quy mô sản xuất được mở rộng, những nhà máy sản xuất NH3 và các chế phẩm NH3 lần lượt ra đời. Đến giai đoạn hiện nay, công nghệ tổng hợp NH3 đã đạt được bước tiến vượt bậc với việc ứng dụng tin học, tự động hoá vào quá trình sản xuất. Với nhiều loại dây chuyền tổng hợp khác nhau, trong đó nhiệt năng của quá trình đã được tận dụng tối đa , giá thành sản xuất đã giảm đáng kể. Năm 1950 sản lượng NH3 trên toàn thế giới là 4 triệu 430 nghìn tấn, đến năm 1960 là 17 triệu tấn, 1981 đã là 78 triệu 500 nghìn tấn. II. Giới thiệu chung quá trình tổng hợp NH3 Tổng hợp NH3 tức là thực hiện phản ứng tổng hợp N2 +3H2 đ 2NH3, phản ứng thực hiện ở điều kiện nhiệt độ cao trong sự có mặt của xúc tác rắn. Quá trình tổng hợp đi theo 3 bước như sau: Bước 1: Sản xuất khí nguyên liệu N2 , H2, có thể lấy N2 , H2 từ các nguyên liệu rắn (than hoặc cốc) , nhiên liệu lỏng (dầu), nhiên liệu khí (khí thiên nhiên CH4). Hoặc bằng phương pháp lạnh sâu phân ly không khí , điện phân H2O Bước 2. Tinh chế khí nguyên liệu : Trong khí nguyên liệu thường có chứa các tạp chất cơ học như bụi, vẩy sắt . Các tạp chất làm ngộ độc xúc tác như H2S, CO, CO2 O2, H2O. Do đó phải làm sạch khỏi ăn mòn làm tắc thiết bị, đường ống hay ngộ độc xúc tác. Bước 3. Tổng hợp NH3 Sau quá trình tinh chế khí ta thu được hỗn hợp khí N2 + H2 có tỷ lệ N2 :H2=3:1, chứa [CO + CO2 ] Ê 20 ppm được nén đến áp suất cần thiết rồi đưa sang phân xưởng tổng hợp Amôniac . Hỗn hợp khí nguyên liệu N2, H2,CO, CO2 , H2S Khử H2S Chuyển hoá CO Khử CO2 Nén khí Khử CO Tổng hợp NH3 20atm 300 atm Sơ đồ quá trình tổng hợp như sau: III. Tính chất của Amôniac. 1.Tính chất vật lý: ở nhiệt độ và áp suất thường Amôniac là một chất khí không màu, mùi khai, có tính kiềm. Một số tính chất của Amôniac. Tỷ trọng ở P = 1atm , t0 thường 0,771Kg/m3 t0 sôi ở P = 1atm - 33,350C t0 tới hạn - 77,750C P tới hạn 111,5 atm t0 phân huỷ khi không có xúc tác ³ 12000C khi có xúc tác 3000C Tỷ nhiệt ở 250C 8,523 cal/mol độ. NH3 hoà tan tốt trong H2O , 1 VH2O hoà tan 700 VNH3 ở 200C , 1 atm 2. Tính chất hoá học: Amôniac có thể tác dụng trực tiếp với axit hoặc oxit axit để tạo các loại muối amon. 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2 SO4 NH3 + HNO3 = NH4NO3 NH3 + H2O + CO2 = NH4HCO3 NH4HCO3 + NH3 = (NH4)2 CO3 NH3 tác dụng với CO2 sẽ tạo thành dung dịch Cacbamat amon, loại bỏ nước sẽ tạo thành Urê. NH2 2NH3 + CO2 = CO ONH4 NH2 NH2 CO = CO + H2O ONH4 NH2 Khi có mặt xúc tác Pt , NH3 tác dụng với O2 tạo NO 4NH3 + 502 = 4NO + 6H2O Khi có mặt xúc tác Cu hoặc Pd 4NH3 + 302 = 2N2 + 6H2O. Phần lớn các chất không bị NH3 lỏng và khí NH3 ăn mòn , nhưng trong điều kiện có nước thì xảy ra ăn mòn kim loại như Cu, Ag, Zn . NH3 tự đốt cháy ở 6300C khi cháy sẽ toả ra khói màu xanh. NH3 trộn lẫn với không khí hoặc O2, đến một tỷ lệ nhất định sẽ bùng nổ nếu gặp tia lửa, ở nhiệt độ và áp suất thường, phạm vi (giới hạn) nổ của NH3 trong không khí là 15,5 á 18% và trong khí O2 là 13,5 á 82%. IV. Cơ sở lý luận của quá trình tổng hợp NH3 1. Cân bằng của phản ứng a. Đặc điểm của phản ứng: Đây là phản ứng 2 chiều, toả nhiệt, giảm thể tích, do đó nếu nhiệt độ giảm, áp suất tăng thì cân bằng chuyển dịch về bên phải, hiệu suất phản ứng tổng hợp tăng. Hằng số cân bằng phản ứng Kp = P* là áp suất riêng phần của cấu tử i ở điều kiện cần bằng Một số công thức thực nghiệm tính Kp. lg - +2,4943 T + bT - 1,8564 . 10-7 . T2 + I I: hằng số tích phân b: hệ số hiệu chỉnh đối với áp suất.Cho theo bảng sau: P(atm) 100 300 600 1000 b 1,256.10-4 1,256.10-4 1,0856.10-3 2,6833-3 I -2,113 -2,206 -3,059 -4,473 Nếu duy trì được tỷ lệ yH : y N= 3 và 100% Thì ta có: Giá trị y*NH3 được biểu hiện theo số liệu ở bảng sau T0K Nồng độ NH3cb ở các áp suất, atm 10 100 300 600 1000 598 10,38 - - - - 673 3,85 24,91 - - - 698 2,80 20,23 - - - 723 2,04 13,35 35,5 53,6 69,4 748 1,61 12,98 31,0 47,5 63,5 773 1,20 10,40 26,2 42,1 - b. ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến cân bằng Từ bảng số liệu thực nghiệm, ta có một số nhận xét như sau: Khi P = Const , nhiệt độ càng thấp thì nồng độ NH3cb càng cao Khi T = Const, áp suất càng cao thì nồng đ._.