Đang tải... (xem toàn văn)
Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường. Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầu cấp thiết. Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón, quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng thải, những hệ thống thu nạp.... Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp sử dụng tháp đệm để hấp thu NH3.Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự giúp đỡ tận tình của thầy Huỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện. Mong thầy chỉ bảo thêm cho em.Em xin chân thành cảm ơn.
Nguyễn Thanh Tùng 1. Tên đề tài Thiết kế tháp đệm hấp thu NH 3 với năng suất 1000m 3 /h. 2. Nhiệm vụ Xử lý khí NH 3 thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước. 3. Các số liệu ban đầu - Lưu lượng khí thải: 1000 m 3 /h. - Nồng độ NH 3 ban đầu: 10% thể tích. - Áp suất làm việc: 1atm. - Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 20 0 C. - Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu. - Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%. - Nước vào tháp là tinh khiết. - Vật chêm là vòng sứ Raschig có kích thước 5x5x1. SVTH Xác nhận của GVHD 1 Nguyễn Thanh Tùng LỜI NÓI ĐẦU Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường. Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầu cấp thiết. Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón, quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng thải, những hệ thống thu nạp Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp sử dụng tháp đệm để hấp thu NH 3 . Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự giúp đỡ tận tình của thầy Huỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện. Mong thầy chỉ bảo thêm cho em. Em xin chân thành cảm ơn. 2 Nguyễn Thanh Tùng 3 Nguyễn Thanh Tùng CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 1.1. Giới thiệu về NH 3 – Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH 3 , có tên quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là – 33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là –77,7°C. Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm 3 ), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH 3 , ở 20°C là 700l khí NH 3 . Hiện tượng tan nhiều của NH 3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH 3 và phân tử H 2 O. – Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón. Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều dược phẩm. – Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac. Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH 3 sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp. 4 Nguyễn Thanh Tùng 1.2. Phân loại Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Chúng có yêu cầu về chất lượng khác nhau: Hàm lượng các chất Đơn vị Loại 1 Loại 2 Amoniac Lượng tạp chất tối đa Hơi ẩm Dầu Sắt % % mg/l – 99,9 0,1 10 2 99,6 0,4 35 Không quy định 1.3. Tính chất vật lý của amoniac – NH 3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH 3 25% có d = 0,91g/cm 3 ). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH 3 trong dung dịch bay hơi hết. – Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng. Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K. Amoniac lỏng không màu, ở gần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi ε = 22. Amoniac lỏng là dung môi rất tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong 5 Nguyễn Thanh Tùng amoniac lỏng. Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp các máy lạnh. – Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt: Phân tử NH 3 có cấu tạo hình tháp tam giác với d N–H = 1,015 0 A và góc hóa trị HNH = 107 0 3, tương ứng cấu hình electron như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 s x y z σ σ σ σ Do sự lai hóa sp 3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp 3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH 3 rất dễ cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) với các nguyên tử khác và liên kết có độ phân cực lớn 3 NH μ =1,47D . Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên kết hidro giữa các phân tử NH 3 , vì vậy NH 3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 6 ÷ 7 atm là có thể hóa lỏng nó. 1.4. Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH 3 có hoạt tính hóa học cao. Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng. Amoniac bền ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự phân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp. Phản ứng ở trạng thái cân bằng xác định. 6 Nguyễn Thanh Tùng Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại. Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N 2 và H 2 O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: 0 3 2 2 2 3 2NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/mol 2 → Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900 o C thì khí amoniac bị O 2 không khí oxi hóa thành nito oxit: 0 3 2 2 5 2NH + O 2NO + 3H O ΔH = -588kJ/mol 2 → Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi hóa amoniac một cách dễ dàng. Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N 2 . 3 2 2 2NH + 3Cl N + 6HCl → Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối. Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH 3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH 3 + HOH → NH 4 + + OH - Sự xuất hiện ion OH - tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là bazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10 -5 ). Trong dung dịch amoniac luôn có một cân bằng kép: NH 3 + HOH → NH 4 OH → NH 4 + + OH - 7 Nguyễn Thanh Tùng Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH 3 và có thể xem không có NH 4 OH. Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua: NH 3 + HCl = NH 4 Cl Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH 3 còn cho một loại phản ứng kết hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thành phần giống như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO 3 .2NH 3 , CuSO 4 .4NH 3 …hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối. Trong khi đó bản thân NH 3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H + tạo thành anion amid NH 2 − . Ví dụ cho liti nitrua vào NH 3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH 2 - ): Li 3 N (s) + 2 NH 3 (l) → 3 Li + (am) + 3 NH 2 − (am) Hydro trong NH 3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các nitrua như magie có thể cháy trong NH 3 để tạo magie nitrua Mg 3 N 2 . Natri hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH 2 , KNH 2 ) khi tác dụng với NH 3 . NH 3 bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đầu phân hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn: 0 600 C 3 2 2 2NH N + 3H → H 2 tạo thành làm cho NH 3 nóng có tính khử mạnh. 8 Nguyễn Thanh Tùng N 3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị oxy hóa lên N 0 (N 2 ) và N 2+ (NO). Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH 3 thành N 2 : 3 2 2 3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N ↑ Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim loại khi hàn. Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên tử kim loại. Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất amidua ( (I) 2 M NH ), imidua ( (I) 2 M NH ) và nitrua ( (I) 3 M N ) trong số các amidua, phổ biến nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ. Ví dụ: Ở 350 0 C, natri tác dụng với NH 3 cho amiđua natri NaNH 2 : 2Na + 2H 3 N = 2NaNH 2 + H 2 NH 3 tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ nằm trong vùng 16 – 25%. NH 3 có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg) Vì vậy trong thực tế người ta khuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng có chứa các kim loại hoặc hợp kim này. Khi NH 3 tiếp xúc lâu dài với một số kim loại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb…) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây nổ nguy hiểm. 9 Nguyễn Thanh Tùng Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp nổ của etylen oxit. 1.5. Ứng dụng – Phân bón: Khoảng 73% (tính đến 2004) amoniac được sử dụng làm phân bón trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây. Vì vậy ngành công nghiệp sản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngân sách thế giới. – Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất. Hầu như tất cả các hợp chất nitơ tổng hợp có nguồn gốc từ amoniac. Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid nitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của amoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9 atm. Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này: NH 3 + 2O 2 → HNO 3 + H 2 O axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiều organonitrogen. – Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm. – Cleaner: NH 3 trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mục đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, 10 [...]... bản là giống nhau 3.2 Phân loại Phụ thu c vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thu trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại: + Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng + Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu Sự hấp thu. .. hợp khí thành cấu tử + Phương pháp hóa học + Phương pháp cơ lý (dựa trên chính chất hóa lỏng ở các nhiệt độ khác nhau) + Phương pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút Nếu dùng chất lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là. .. là chất hấp thu) , khí không bị hấp thu gọi là khí trơ Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả 16 Nguyễn Thanh Tùng Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí và được mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại Nguyên lý của hai quá trình hấp thu và nhả khí. .. trình hấp thu là tách các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trên những tính chất sau: + Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng kể Đây là tính chất chủ yếu của dung môi Tổng quát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa. .. đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu Phương trình đường cân bằng: Đối với khí lý tưởng hay khí thực có nồng độ bé và độ hòa tan nhỏ thì nồng độ đường cân bằng là đường thẳng có dạng: Ycb = m.x hay Ycb = m X Ở đây: m = ψ / P : gọi là hằng số cân bằng ψ : là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn P: là áp... lỏng Hỗn hợp khí lý tưởng cân bằng với dung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặc pha lỏng liên hệ với nhau theo định luật Raoul tại một nhiệt độ xác định: P* = P.x Với: P*: là áp suất riêng phần của chất hấp thụ trong pha khí cân bằng với pha lỏng, mmHg hoặc at x: nồng độ phần mol của chất hấp thụ trong pha lỏng P: là áp suất hơi của chất hấp thụ mmHg hoặc at 2.4 Dung dịch... trong các ứng dụng điện lạnh công nghiệp – 11 Điều chế hidrazin N2H4 (chất đốt cho tên lửa) Nguyễn Thanh Tùng CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONG PHA LỎNG Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong một đơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m 3, g/lít Độ hoà tan của khí vào chất lỏng phụ thu c vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thu c... x= 5 Các liên hệ x= X 1+ X Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết trước lượng hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi Với: Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h Yd: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ 19 Nguyễn Thanh Tùng Yc: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ Ltr: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp. .. thu c vào nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần khí trong hỗn hợp 2.1 Hệ hai cấu tử Nếu lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc với một dung môi tương đối không bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà tan tại nhiệt độ to và P đã cho Hình 1: Đường cân bằng của độ hoà tan chất khí trong chất lỏng Những chất khí và chất lỏng khác nhau sẽ cho đường độ hoà tan khác nhau và được... THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM 3.1 Định nghĩa hấp thu Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khí nhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thành từng cấu tử Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được hỗn hợp khí các chất N 2, H2, H2S, NH3, CO, CO2…muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH 3 để sản xuất phân đạm (Ure) ta phải tách chúng ra Có nhiều phương pháp . đệm hấp thu NH 3 với năng suất 1000m 3 /h. 2. Nhiệm vụ Xử lý khí NH 3 thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước. 3 trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại: + Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. + Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc. gọi là chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu) , khí không bị hấp thu gọi là khí trơ. Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng.