Đồ án Tính toán thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ (caco3) năng suất tấn/ngày

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC **************************** ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NHÀ MÁY SẢN XUẤT BỘT NHẸ (CaCO3) NĂNG SUẤT TẤN/NGÀY THẦY HD: PHAN ĐÌNH TUẤN SVTH: VÕ MẠNH HOANH LỚP: HC06MB NGÀY NỘP: Niên khóa: 2009  BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh Khoa : Kỹ Thuật Hóa Học Bộ môn : Máy & Thiết Bị ĐỒ ÁN MÔN HỌC : ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ MÃ SỐ : 605040 Họ và tên sinh viên : VÕ MẠNH HOANH MSSV : 60301636 Lớp : HC06MB Ngành : Máy Thiết Bị 1. Đầu đề đồ án : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NHÀ MÁY SẢN XUẤT BỘT NHẸ 2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu với số liệu ban đầu) : Năng suất : 2000 kg/ngày theo sản phẩm khô 2. Thông số khác : tự chọn. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán Tổng quan Cơ sở lý thuyết tính toán Thuyết minh qui trình công nghệ Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho thiết bị chính, phụ Tính kinh tế dự án và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy Các bản vẽ Bản vẽ chi tiết thiết bị chính 1 bản A1 Bản vẽ qui trình công nghệ 1 bản A1 5. Ngày giao đồ án: 10 / 2009 6. Ngày hoàn thành đồ án: 12 / 2009 7. Ngày bảo vệ và chấm đồ án : 01/ 2010 Ngày…… tháng….năm 2009 HỘI ĐỒNG BẢO VỆ NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐỒ ÁN 1. Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Điểm : __________ Chữ ký : __________ 2. Cán bộ chấm đồ án. Nhận xét: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….... Điểm : __________ Chữ ký : __________ Điểm tổng kết : __________ LỜI NÓI ĐẦU Bột nhẹ là chất phụ gia quan trọng của nhiều ngành công nghiệp khác nhau được sử dụng ở dạng tinh khiết và kém tinh khiết. Cùng với việc chế tạo loại vật liệu mới thì nhu cầu sử dụng và yêu cầu về chất lượng của sản phẩm bột nhẹn ngày càng tăng. Riêng ở nước ta hằng năm phải nhập một lượng lớn bột nhẹ từ nước ngoài, vì vậy việc nghiên cứu, cải tiến quy trình sản xuất để nâng cao số lượng và chất lượng sản phẩm bột nhẹ trong nước là việc làm chính đáng và rất thiết thực Với mong muốn áp dụng những kiến thức đã học vào thực têsanr xuất, với sự nỗ lực của bản thân cùng sự tận tình giúp đỡ của các thầy hướng dẫn, mà sau hơn 3 tháng tìm hiểu nghiên cứu sách vở Tôi đã hoàn thành việc thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ với năng suất 2 tấn/ngày. Tuy đã hết sức cố gắng, nhưng vì đây là lần đầu tiên thiết kế một nhà máy hoàn chỉnh và do thời gian có hạng cũng như sự hiểu biết còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy Tôi rất mong sự góp ý, nhận xét đánh giá của quí thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình hướng dẫn của thầy PHAN ĐÌNH TUẤN, thầy HOÀNG MINH NAM đã giúp Tôi hoàn thành đồ án này. Ngày 01 tháng 01 năm 2010 Sinh viên Võ Mạnh Hoanh MỤC LỤC Phần 1: TỔNG QUAN VỀ BỘT NHẸ 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘT NHẸ…………………………………………..Trang 11 1.1. Vai trò và ứng dụng………………………………………………….............Trang 11 1.2. Tình hình tiêu thụ và sản xuất bột nhẹ trong nước……………………......Trang 11 1.3. Tiêu chuẩn qui định chất lượng bột nhẹ……………………………...........Trang 12 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BỘT NHẸ………………………………………..Trang 13 2.1. Nguyên liệu chính :…………………………………………………..............Trang 13 a. Đá vôi hóa chất Thanh Nghị........................................................................Trang 13 b. Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê.......................................................................Trang 13 c. Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn....................................................................Trang 14 2.2. Các yêu cầu về đá vôi ......................................................................................Trang 14 2.2.1. Yêu cầu về chất lượng............................................................................Trang 14 2.2.2. Yêu cầu về kích thước hình dáng.........................................................Trang 14 2.2.3. Chỉ tiêu tiêu hao đá................................................................................Trang 14 3. TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG...............................Trang 15 3.1. Carbonat canxi (đá vôi trong tự nhiên).........................................................Trang 15 3.2. Oxyt canxi (vôi sống)………………………………………………………...Trang 15 3.3. Hydroxyt canxi (vôi tôi)……………………………………………………...Trang 16 3.4. Anhydrit carbonic……………………………………………………………Trang 17 3.5. Ảnh hưởng của các tạp chất đến sản phẩm nung vôi……………………...Trang 19 4. GIỚI THIỆU NHIÊN LIỆU……………………………………………………...Trang 20 4.1. Thành phần nguyên tố và tính chất………………………………………...Trang 20 4.1.1. Carbon (C ).............................................................................................Trang 20 4.1.2. Hydro (H)................................................................................................Trang 20 4.1.3. Oxy (O)..................................................................................................Trang 20 4.1.4. Nitơ (N)………………………………………………………………...Trang 21 4.1.5. Lưu huỳnh (S)………………………………………………………….Trang 21 4.1.6. Tro (A)………………………………………………………………….Trang 21 4.1.7. Độ ẩm trong than (w)………………………………………………….Trang 21 4.2. Thành phần chất bốc và cốc…………………………………………………Trang 22 4.2.1. Chất bốc và tính chất của nó………………………………………….Trang 22 4.2.2. Cốc và hàm lượng carbon cố định……………………………………Trang 22 4.3. Bảo quản nhiên liệu………………………………………………………….Trang 23 4.4. Một số loại than phổ biến ở Việt Nam……………………………………...Trang 24 Phần 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1.1. Quá trình nung vôi……………………………………………………………..Trang 26 1.1.1. Quá trình nung vôi trong lò đứng thông thường………………………...Trang 27 1.2. Quá trình làm sạch khí thải lò nung…………………………………………...Trang 27 1.3. Quá trình hòa tan CaO vào H2O………………………………………………Trang 28 1.4. Quá trình lắng bột nhẹ…………………………………………………………Trang 29 1.5. Quá trình sấy khô bột nhẹ……………………………………………………...Trang 29 1.6. Quá trình phản ứng tạo sản phẩm…………………………………………….Trang 29 1.6.1. Lý thuyết tổng quát………………………………………………………...Trang 29 1.6.2. Cơ sở lý thuyết để tính toán cho công nghệ………………………………Trang 31 1.6.3. Đặc điểm của phản ứng……………………………………………………Trang 33 1.6.3.1. Định nghĩa thời gian phản ứng:…………………………………….Trang 34 1.6.3.2. Thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie……………………………Trang 35 1.6.4. Giới thiệu các thiết bị phản ứng dùng cho hệ khí – lỏng trong công nghiệp………………………………………...Trang 35 1.6.4.1. Thiết bị sủi bọt……………………………………………………….Trang 35 1.6.4.2. Thiết bị khuấy trộn………………………………………………….Trang 36 1.6.4.3. Thiết bị phun tia……………………………………………………..Trang 36 1.6.4.4. Tháp đĩa……………………………………………………………...Trang 36 1.6.4.5. Tháp đệm…………………………………………………………….Trang 37 Phần 3: THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1. QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ……………………………………………Trang 38 1.1. Sơ đồ qui trình công nghệ…………………………………………………...Trang 38 1.2. Thuyết minh qui trình công nghệ…………………………………………...Trang 39 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I. LÒ NUNG VÔI……………………………………………………………………Trang 40 1. GIÓI THIỆU…………………………………………………………………...Trang 40 1.1. Các loại lò nung vôi ……………………………………………………..Trang 40 1.2. Hình dáng cấu tạo lò nung vôi công nghiệp……………………………Trang 40 1.3. Nguyên lý hoạt động của lò nung……………………………………….Trang 40 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm…………………………………..Trang 41 1. THIẾT KẾ LÒ NUNG VÔI……………………………………………………...Trang 41 2.1. Nguyên liệu…………………………………………………………………..Trang 41 2.1.1. Thành phần ban đầu…………………………………………………..Trang 41 2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO LÒ NUNG……………Trang 42 2.2.1. Phương trình cân bằng năng lượng…………………………………..Trang 42 a. Tính toán tổng lượng nhiệt thu vào........................................................Trang 42 b. Tính toán tổng lượng nhiệt tỏa ra……………………………………..Trang 43 c. Tính toán năng suất của không khí nhập liệu cho lò nung…………..Trang 44 2.2. 2. Phương trình cân bằng vật chất cho lò nung……………………......Trang 45 II. THIẾT BỊ HÒA TAN CaO……………………………………………………...Trang 48 1. GIỚI THIỆU…………………………………………………………………...Trang 48 1.1. Hình dáng và cấu tạo bồn khuấy…………………………………….....Trang 48 1.2. Nguyên tắt hoạt động……………………………………………………Trang 48 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng…………………………………………………...Trang 49 2. THIẾT KẾ BỒN KHUẤY TRỘN………………………………………….....Trang 49 2.1. Nguyên liệu………………………………………………………………Trang 49 2.1.2. Thành phần nhập liệu……………………………………………..Trang 49 2.1.3. Thông số trạng thái………………………………………………..Trang 49 2.2. Cân bằng vật chất & năng lượng cho thiết bị………………………….Trang 49 2.3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ…………………………………………………..Trang 50 2.3.1. Các thông số của thiết bị bồn khuấy……………………………...Trang 51 2.3.2. Cánh khuấy………………………………………………………...Trang 51 III. THIẾT BỊ LÀM SẠCH KHÍ LÒ VÔI………………………………………....Trang 53 1. GIỚI THIỆU…………………………………………………………………...Trang 53 1.1. Hình dáng cấu tạo……………………………………………………….Trang 53 1.2. Nguyên tắt hoạt động……………………………………………………Trang 53 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÓI LÒ…………………………………....Trang 54 2.1. Nguyên liệu………………………………………………………………Trang 54 2.1.1. Thành phần nhập liệu……………………………………………..Trang 54 2.1.2 Thông số trạng thái………………………………………………...Trang 54 2.2. Cân bằng vật chất và năng lượng………………………………………Trang 54 IV. THIẾT BỊ SẤY PHUN.........................................................................................Trang 56 1. GIỚI THIỆU.......................................................................................................Trang 56 1.1. Hình dáng, cấu tạo....................................................................................Trang 56 1.2. Nguyên tắt hoạt động................................................................................Trang 56 2. TÍNH TOÁN BUỒNG SẤY...............................................................................Trang 56 2.1. Nguyên liệu................................................................................................Trang 56 2.2. Thông số trạng thái...................................................................................Trang 56 2.3. Cân bằng vật chất & năng lượng……………………………………….Trang 57 V. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG………………………………………………………….Trang 59 1. GIỚI THIỆU……………………………………………………………….......Trang 59 1.1. Hình dáng cấu tạo…………………………………………………….....Trang 59 1.2. Nguyên lý hoạt động.................................................................................Trang 59 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ………………………………………………….......Trang 60 2.1. Nguyên liệu………………………………………………………………Trang 60 2.2. Thông số trạng thái nhập liệu.………………………………………….Trang 60 2.3. Cân bằng vật chất và năng lượng………………………………………Trang 60 2.3.1. Tính toán đường kính tháp đệm………………………………….Trang 60 2.3.2. Tính chiều cao tháp đệm……………………………………….....Trang 61 2.3.3. Tính bền cho thiết bị………………………………………………Trang 63 2.3.3.1. Chọn vật liệu chế tạo………………………………………...Trang 63 2.3.3.2. Tính bền cho thân thiết bị…………………………………...Trang 64 2.3.3.3. Tính bền cho mối ghép bích…………………………………Trang 64 CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 1. Chọn bơm………………………………………………………………………….Trang 65 2. Các thiết bị vận chuyển trong nhà máy…………………………………………Trang 65 3. Các tiện nghi hỗ trợ sản xuất…………………………………………………….Trang 65 3.1. Hệ thống đường ống dẫn…………………………………………………….Trang 65 3.2. Dụng cụ đo và kiểm soát quá trình………………………………………….Trang 65 3.3. Các nguồn cung cấp năng lượng cho nhà máy……………………………..Trang 65 3.4. Hệ thống cấp thoát nước cho nhà máy……………………………………...Trang 66 PHẦN 4: TÍNH KINH TẾ CHO NHÀ MÁY 1. NGUỒN NHÂN LỰC CHO NHÀ MÁY………………………………………...Trang 67 1.1. Công nhân trực tiếp làm tại phân xưởng cho nhà máy…………………....Trang 67 1.2. Nguồn lao động gián tiếp trong nhà máy……………………………….......Trang 67 1.3. Tiền lương cho nguồn lao động trong nhà máy…………………………....Trang 68 2. VỐN DẦU TƯ…………………………………………………………………….Trang 68 2.1. Vốn cho xây dựng nhà máy……………………………………………….....Trang 68 2.2. Vốn đầu tư mua trang thiết bị……………………………………………....Trang 68 2.3. Chi phí nguyên nhiên liệu, năng lượng cho nhà máy……………………...Trang 68 2.4. Các khoản chi phí khác trong 1 năm……………………………………….Trang 68 3. GIÁ THÀNH SẢN PHẨM……………………………………………………….Trang 68 3.1. Tổng chi phí………………………………………………………………......Trang 68 3.2. Tổng doanh thu……………………………………………………………....Trang 69 PHẦN 5 : XÂY DỰNG NHÀ MÁY 1. LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG…………………………………………..Trang 70 1.1. Cơ sở để xác định địa điểm xây dựng……………………………………....Trang 70 1.2. Các yêu cầu đối với dịa điểm xây dựng………………………………….....Trang 70 1.2.1. Các yêu cầu chung…………………………………………………….Trang 70 1.2.2. Các yêu cầu về kĩ thuật xây dựng…………………………………….Trang 71 1.2.3. Qui hoạch địa điểm xây dựng………………………………………...Trang 72 1.2.4. Các khối nhà chính trong nhà máy…………………………………..Trang 73 2. XÂY DỰNG NHÀ MÁY…………………………………………………………Trang 74 1.1. Các yêu cầu khi xây dựng…………………………………………………...Trang 74 1.2. Các phương án xây dựng………………………………………………........Trang 74 1.2.1. Nhà một tầng…………………………………………………………..Trang 74 1.2.2. Nhà nhiều tầng.......................................................................................Trang 74 1.2.3. Phân xuởng lộ thiên:………………………………………………......Trang 74 1.2.4. Bố trí hành lang..………………………………………………………Trang 74 1.2.5. Bố trí cầu thang.……………………………………………………….Trang 74 1.2.6. Bố trí cửa ra vào……………………………………………………….Trang 74 1.2.7. Yêu cầu thông gió……………………………………………………...Trang 75 1.2.8. Yêu cầu chiếu sáng…………………………………………………….Trang 75 1.2.9. Tiếng ồn………………………………………………………………...Trang 75 1.3. Các công trình phụ……………………………………………………….......Trang 76 1.3.1. Cổng nhà máy……………………………………………………….....Trang 76 1.3.3. Đường giao thông nội bộ……………………………………………...Trang 76 a. Đường ôtô………………………………………………………………Trang 76 b. Đường ống, cáp treo, cẩu chạy………………………………………..Trang 76 2.3.3. Bố trí mạng ống công nghiệp…………………………………………Trang 76 a. Các loại mạng ống công nghiệp……………………………………….Trang 76 b. Cách bố trí……………………………………………………………..Trang 76 c. Nguyên tắc bố trí……………………………………………………….Trang 77 2.3.4. Bố trí cây xanh trong nhà máy……………………………………….Trang 77 a. Khu vực trồng cây……………………………………………………..Trang 77 b. Yêu cầu…………………………………………………………………Trang 77 Tài liệu tham khảo......................................................................................................Trang 78 Phần 1: TỔNG QUAN VỀ BỘT NHẸ 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘT NHẸ 1.1. Vai trò và ứng dụng Bột nhẹ (CaCO3 kết tủa) là một chất phụ liệu quan trọng của nhiều ngành công nghiệp khác nhau được sử dụng ở dạng tinh khiết và dạng kém tinh khiết tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng cụ thể. Bột nhẹ là một tên gọi thông thường trên thị trường của hợp chất carbonat caxi (CaCO3). Trên thị trường nó được bán dưới dạng bột ở nhiều kích cỡ khác nhau. Được sử dụng rộng rãi trong các ngành như: sơn, nhựa, bột trét tường, dượt phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, sản xuất thức ăn chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản, cao su, giấy…. Ngoài ra trên thị trường còn có sản phẩm cùng loại giống như bột nhẹ cũng là bột carbonat caxi (CaCO3) nhưng người ta gọi là bột nặng (bột đá nghiền CaCO3), nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau là do chúng được sản xuất theo phương án khác nhau, từ đó tính chất của chúng cũng khác xa nhau cũng như lĩnh vực ứng dụng cũng khác nhau. 1.2. Tình hình tiêu thụ và sản xuất bột nhẹ trong nước Từ hơn 40 năm nay, bột nhẹ được sản xuất tại Việt Nam với công nghệ do chúng ta tự thiết kế, chế tạo và lắp đặt. Tuy nhiên do mức độ cơ khí hóa thấp, các thiết bị như sấy, nghiền còn thô sơ nên chất lượng sản phẩm chưa cao, chưa đáp ứng được nhu cầu trong nước. Năm 2001 công ty Đất Đèn và Hóa Chất Tràng Kênh đã đưa công trình sản suất bột nhẹ chất lượng cao đi vào hoạt động, sản phẩm đạt chất lượng tốt, đặc biệt là độ mịn. Tuy nhiên giá thành lại cao nên khó tiêu thụ sản phẩm. Trong khi đó, hàng năm nước ta sản xuất hàng trăm nghìn tấn bột (CaCO3) bao gồm cả bột nặng và bột nhẹ. Năm 2001 nhà máy Công Ty Hóa Chât Minh Đức với năng xuất và tiêu thụ 6000 tấn bột nhẹ thông dụng, sản lượng bột nhẹ của Công ty Trung Đức 3000 tấn, Công ty Đất Đèn và Hóa Chất Tràng Kênh là 1.200 tấn. Hiện nay nhu cầu trong nước vẫn rất cao, sản xuất trong nước chưa đáp ứng đủ nên hàng năm nước ta vẫn phải nhập khẩu bột nhẹ. Theo thống kê có luợng sản phẩm đựoc sử dụng trong các lĩnh vực như sau 45 % được sử dụng cho công nghệ luyện kim 30 % nguyên liệu cho ngành công nghệ hóa học 10 % sử dụng trong chất dẻo, bảo vệ môi trường 5 % sử dụng chế tạo vật liệu chịu lửa 1.3. Tiêu chuẩn qui định chất lượng bột nhẹ Bảng 1: Tiêu chuẩn đánh giá chất luợng sản phẩm CTPT CaCO3 tên gọi carbonat canxi tên gọi khác bột nhẹ biểu hiện bột màu trắng phân tử gam 100 g/mol tổng hàm lượng CaCO3  %  Độ kèm tính theo CaO  %  Độ ẩm  %  Hàm lượng chất không tan trong HCl  %  Độ mịn qua sàng 0.125 mm % 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BỘT NHẸ 2.1. Nguyên liệu chính : là từ núi đá vôi (CaCO3) thiên nhiên Thành phần chủ yếu của đá là CaCO3 ngoài ra còn pha lẫn một ít tạp chất như MgCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3 ... Phân loại : gồm 2 loại chính là loại dùng cho công nghiệp hoá chất và loại cho công nghiệp sản xuất ximăng, tùy thuộc vào độ cứng của đá, thành phần các chất, màu sắc mà người ta sử dụng trong từng lĩnh vực cụ thể. Ví dụ : a. Đá vôi hóa chất Thanh Nghị Đá vôi hóa chất Thanh Nghị ở huyện Thanh Liêm, tỉnh Hà Nam là khu mỏ nằm sát bờ phải sông Đáy, cách quốc lộ 1A gần 1,5km. Đá vôi lộ ra từ độ cao 7,5- đến 180 m tạo ra những núi vách dốc, kéo dài theo phương kinh tuyến. Đá vôi ở đây thuộc hệ Đồng Giao, chia thành 3 tầng đá vôi công nghiệp: Đá vôi hóa chất (đá vôi sạch): Calcit(CaCO3) 90-98%) đôlômít (CaCO3.MgCO3) 0-3% CaO 55,04- 55,33% MgO 0,41- 0,80% SiO2 0,05-0,16%… Đá vôi xi măng: Calcit (CaCO3) 90-95% đôlômít (carbonat magie) 3- 5% các khoáng vật khác nhỏ hơn 5% CaO 53,89- 54,94% MgO 1,16- 1,43% SiO2 0,09- 0,20%,… Đá vôi xây dựng có tỷ lệ nhỏ hơn gồm các đá đôlômít, đôlômít- vôi màu xám tro, xám đen; kiến trúc hạt mịn nhỏ; cấu tạo phân lớp hoặc dạng thấu kính. Mỏ có trữ lượng tiềm năng 154,610 triệu tấn (công nghiệp hóa chất); 59,725 triệu tấn (công nghiệp xi măng); 0,337 triệu tấn (đá xây dựng). Đây là một mỏ đá vôi lớn. b. Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê ở huyện Thanh Liêm là mỏ đá vôi lộ trong vùng đồng bằng. Diện tích đã thăm dò dài khoảng 500m, rộng 100m. Đây là mỏ đá vôi công nghiệp (đá vôi sạch), màu xám, màu xanh, hoặc xám trắng có hàm lượng Calcit > 95%. Thành phần gồm CaO: 54,23- 54,25% MgO: 0,61- 0,55% Trữ lượng tiềm năng của mỏ khoảng 2,222 triệu tấn. c. Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn ở huyện Kim Bảng là khu mỏ nằm gần rìa tây Công ty Xi măng Bút Sơn, với tổng diện tích 3km2. Mỏ là dải núi đá cacbonat kéo dài theo phương bắc – nam, phân bố ở độ cao 70- 326m, nằm trong hạ tầng Đồng Giao. Thành phần đá vôi gồm: CaO 54,30- 55,19% MgO 0,57- 0,85% SiO2 0,13- 0,71% Trữ lượng tiềm năng của mỏ khoảng 163,084 triệu tấn đá cho công nghiệp hóa chất, 414,428 triệu tấn cho công nghiệp xi măng và khoảng 12,463 triệu tấn đá cho xây dựng. 2.2. Các yêu cầu về đá vôi 2.2.1. Yêu cầu về chất lượng Yêu cầu nguồn nguyên liệu đá vôi sử dụng cho ngành hóa chất là phải sạch, ít pha lẫn tạp chất cơ học, có hàm lượng CaO cao, do vậy để xác định thành phần của mẫu đá vôi, phương pháp chính là phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm. 2.2.2. Yêu cầu về kích thước hình dáng Căn cứ vào kiểu lò và nguyên liệu đốt lò để quyết định kích thước và hình dạng cho đá thích hợp, như vậy mới đảm bảo lò hoạt động tốt và tạo được sản phẩm chín điều. Hình dạng viên đá phải có diện tích tiếp xúc nhiệt lớn để CO2 thoát ra nhanh và đá chóng chín. Kích thước các viên đá phải đồng điều nhằm tránh hiện tượng khi xếp đá tạo ra khe hở lớn làm cho ngọn lửa cháy nhanh gây ra hiện tượng cháy lưới, ngoài ra khe hở lớn còn làm cho than vụn bị dồn xuống đáy lò gây ra hiện tượng vôi ở phần dưới lò bị quá lửa và vôi ở phần trên lò bị sống. Do vậy trong thực tế để thuận tiện cho quá trình vận hành và thu sản phẩm, người ta ta thường dùng kích thước hạt của nguyên liệu khá lớn (60 đến 200 mm), tỉ lệ giữa đá vôi và nhiên liệu là 9:1, do vậy mà nhiệt độ của lò để phân hủy CaCO3 khá cao (từ 900 đến 1200 oC) 2.2.3. Chỉ tiêu tiêu hao đá Năng suất của nhà máy là 2000 Kg/ngày sản phẩm khô bột nhẹ. Tương ứng với 83,33 Kg/h, nếu hiệu suất sấy là 91,67 %, thì lượng bột nhẹ vào thiết bị tháp phun là 90,9 Kg/h, xem thiết bị phản ứng hiệu suất là 100% CO2 được phản ứng, lượng Ca(OH)2 dùng dư 20% khối lượng so với lượng Ca(OH)2 tham gia phản ứng thì lượng Ca(OH)2 dùng cho thiết bị phản ứng là 80,72 Kg/h. Giả sử hiệu suất hòa tan CaO vào H2O ở 25 oC là 80% thì lượng CaO cần là 76,34 Kg/h. Giả sử hiệu suất lò nung đạt 90 % thì lượng đá vôi cần là 151,11 Kg/h. Như vậy để sản xuất 1 tấn sản phẩm cần 1,81 m3 đá vôi 3. TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG 3.1. Carbonat canxi (đá vôi trong tự nhiên) Phương trình phân hủy vôi ở 25oC (phản ứng thu nhiệt) CaCO3 CaO + CO2 – 42.50 kcal/mol Bảng 2: Tính chất vật lý của CaCO3 CTPT CaCO3 tên gọi theo IUPAC carbonat caxi phân tử gam 100 g/mol tỷ trọng, pha 2.83 g/cm3, rắn độ hòa tan trong nước không tan điểm nóng chảy 825 oC (phân hủy) biểu hiện bột màu trắng (số liệu của bản ở điều kiện 25 oC, 100 Kpa) Là một chất thường được sử dụng trong y tế như một chất bổ sung canxi hay một chất khử chua. Chất này thường được tìm thấy dưới dạng đá ở khắp nơi trên thế giới, là thành phần chính trong mai, vỏ của các loài sò, ốc hoặc vỏ của ốc sên. Nó là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nước cứng. 3.2. Oxyt canxi (vôi sống) Phương trình hòa tan ở 25 oC CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 15.6 kcal/mol Bảng 3: Tính chất vật lý của CaO CTPT CaO tên gọi oxyt canxi biểu hiện chất rắn màu trắng phân tử gam 56 g/mol điểm nóng chảy 2572 oC điểm sôi 2850 oC tỷ trọng riêng (3.3-3.4).103 kg/cm3 độ hòa tan phản ứng với nước hút ẩm mạnh tạo Ca(OH)2 hoặc CaCO3 (số liệu của bản ở điều kiện 25 oC, 100 Kpa) Nó là chất rắn có dạng tinh thể màu trắng và là một chất ăn da và có tính kiềm. Như là một sản phẩm thương mại thì vôi sống có chứa lẫn cả oxyt magie (MgO), oxyt silic (SiO2)và một lượng nhỏ oxyt nhôm (Al2O3)và các oxyt sắt. Oxyt canxi thông thường được sản xuất bằng cách phân hủy bởi nhiệt (nung nóng) các loại vật liệu tự nhiên như đá vôi là khoáng chất chứa cacbonat canxi (CaCO3). Nó diễn ra khi vật liệu này bị nung nóng tới nhiệt độ khoảng 900°C Ứng dụng Khi cho tác dụng với nước nó trở thành vôi tôi (Ca(OH)2), được sử dụng trong các loại vữa để làm tăng độ liên kết và độ cứng. Phản ứng này diễn ra rất mãnh liệt và tỏa nhiều nhiệt. Nó cũng được sử dụng trong xử lý nước và nước thải để làm giảm độ chua, được sử dụng trong công nghiệp sản xuất đồ gốm, xi măng, sơn và công nghiệp thực phẩm, trong đó nó đôi khi được sử dụng (kết hợp với nước) để làm nóng các mặt hàng như đồ ăn nhanh và cà phê. Bảng 4: Độ hòa tan của CaO trong H2O theo nhiệt độ (S, g chất khan trên 100 g dung dịch, % khối lượng) Nhiệt độ (oC) Hàm lượng (%) 0 0,13 10 - 20 0,123 30 0,113 40 0,104 50 0,096 60 0,086 80 0,067 100 - (tra sổ tay Quá Trình & Thiết Bị tập 1, trang 265) 3.3. Hydroxyt canxi (vôi tôi) Phương trình phản ứng tạo ra bột nhẹ Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 (kết tủa) + H2O Dung dịch chứa hyđroxyt canxi gọi chung là vôi nước và có tính bazơ trung bình-mạnh, có phản ứng mạnh với các axít và ăn mòn nhiều kim loại khi có mặt nước. Nó trở thành dạng sữa nếu điôxít cacbon đi qua đó, do sự kết tủa của cacbonat canxi mới tạo ra. Bảng 5: Tính chất vật lý của Ca(OH)2 CTPT Ca(OH)2 tên gọi theo IUPAC hydroxyt canxi phân tử gam 74 g/mol tỷ trọng, pha 2.211 g/cm3, rắn Độ hòa tan trong nước 0.185 g/cm3 điểm nóng chảy 580 oC (phân hủy) biểu hiện bột mềm màu trắng (số liệu của bản ở điều kiện 25 oC, 100 Kpa) Là một chất ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như Chất kết bông trong xử lý nước, nước thải và cải tạo độ chua của đất. Trong công nghiệp thuộc da để trung hòa lượng axít dư thừa. Để làm sạch nước biển khỏi các cacbonat của canxi và magiê trong sản xuất muối dành cho thực phẩm và dược phẩm…. Ngoài không khí nó hút ẩm tạo thành CaCO3, tan khá nhiều trong nước với T = 4,68.10-6 ở 25 oC, ở 20 oC là 1.65 g trong 1 l nước, do vậy nó thường được dùng dưới dạng huyền phù (sữa vôi) . Là một bazo mạnh, dung dịch Hydroxyt canxi là chất lỏng trong suốt, không màu, không mùi, hấp thụ mạnh CO2 trong không khí đồng thời cho kết tủa trắng CaCO3, tan trong nước nóng ít hơn trong nước lạnh. 3.4. Anhydrit carbonic Bảng 6: Tính chất vật lý của CO2 CTPT CO2 tên gọi theo IUPAC carbon dioxyt phân tử gam 44 g/mol tỷ trọng, pha 1.98 k g/m3, khí độ hòa tan trong nước 1.45 kg/m3 điểm nóng chảy - 57 oC điểm sôi - 78 oC Tan rất nhiều trong nước tạo axit H2CO3, hằng số phân li pKa1 = 6.35 và pKa2 = 10.33 ở 25 oC, Trong dạng rắn, nó được gọi là băng khô. Ứng dụng: Đioxyt cacbon lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh. Đioxyt cacbon được sử dụng để sản xuất nước giải khát cacbonat hóa và nước sôđa. Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axít. Đioxyt cacbon dập tắt lửa, và một số bình cứu hỏa, đặc biệt là các loại được thiết kế để dập cháy do điện, có chứa đioxyt cacbon lỏng bị nén. Điôxít cacbon lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, và được dùng để loại bỏ cafêin từ cà phê….. Bảng 7: Độ hòa tan của khí CO2 vào H2O theo nhiệt độ Nhiệt độ oC Thể tích CO2/thể tích nước Thể tích CO2/100 g nước 0 1,731 0,3347 1 1,646 0,3214 2 1,584 0,3091 3 1,527 0,2979 4 1,473 0,2872 5 1,424 0,2774 6 1,377 0,2681 7 1,331 0,2590 8 1,282 0,2494 9 1,237 0,2404 10 1,194 0,2319 15 1,019 0,1917 20 0,878 0,1689 25 0,759 0,1450 30 0,665 0,1259 35 0,592 0,1106 40 0,530 0,0974 45 0,479 0,0862 50 0,436 0,0762 60 0,359 0,0577 3.5. Ảnh hưởng của các tạp chất đến sản phẩm nung vôi Do nung ở nhiệt độ cao, trong nguyên liệu thường có tạp chất là silic và các nguyên tố khác dễ nóng chảy, sẽ tạo thành hợp chất nóng chảy (ít nhất cũng là lớp màng bọc bên ngoài khối CaO) và làm mất hoặc giảm khả năng hợp nước của vôi sống gọi là vôi chết4. GIỚI THIỆU NHIÊN LIỆU Chúng ta có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như: Nhiên liệu rắn: than, củi, rơm rạ … Nhiên liệu lỏng: dầu mazut, dầu DO, dầu FO … Nhiên liệu khí: khí thiên nhiên, khí lò cao, khí lò cốc Ở các nước khoa học tiên tiến thì cả ba loại nhiên liệu trên đều được sử dụng, còn ở nước ta chưa có nơi nào dùng nhiên liệu khí và lỏng, chủ yếu là than vì đây là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và được khai thác trong nước 4.1. Thành phần nguyên tố và tính chất Các loại nhiên liệu rắn, lỏng, khí có giá trị khác nhau tùy theo nhiệt lượng khi cháy phát ra. Đặc trưng cho giá trị nhiệt là phần cháy được của nó, còn phần không cháy được ở dạng rắn (tro), dạng lỏng (nước), dạng khí (trơ). Nói chung phần cháy chiếm một khối lượng khá lớn, tùy theo từng loại. Thành phần chủ yếu của phần cháy là hydrocarbon, oxyt carbon, lưu huỳnh, còn phần không cháy được gọi là alumosilicat, một vài loại oxyt vô cơ (rắn), nước (lỏng), và các khí trơ như N2 Để đánh giá chất lượng của nhiên liệu cần phân tích thành phần hóa học của nhiên liệu. ở đây sử dụng nhiên liệu rắn là than, nên thành phần chính của than gồm, C, H, O, S, A (tro), w (độ ẩm). 4.1.1. Carbon (C ) Là thành phần cơ bản của nhiên liệu, khi cháy C kết với O tỏa ra một nhiệt lượng nhiệt theo các phản ứng. Phản ứng cháy hoàn toàn C + O2 = CO2 + 90.052 Kcal/mol Phản ứng cháy không hoàn toàn C + O2 = CO + 26.416 kcal/mol Vì vậy lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị (nhiệt lượng phát ra khi cháy của 1 kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon) của nhiên liệu càng cao. Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần cacbon càng cao, song khi ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy. 4.1.2. Hydro (H) Hydro chiếm một lượng nhỏ không đáng kể trong nhiên liệu rắn (từ 1 đến 3%). Cháy theo phản ứng ở 25 oC 2H2 + O2 = 2H2O + 136.634 kcal/mol 4.1.3. Oxy (O) Nhiên liệu chứa càng nhiều oxi thì hàm lượng các chất có trong nhiên liệu càng giảm vì một phần chất cháy bị oxi hóa nên mất tác dụng cháy, do đó oxi là thành phần có hại trong nhiên liệu 4.1.4. Nitơ (N) Là chất trơ trong nhiên liệu, trong quá trình nhiên liệu cháy N2 hoàn toàn chuyển vào sản phẩm cháy (khói thải). 4.1.5. Lưu huỳnh (S) Lưu huỳnh là thành phần cháy trong nhiên liệu. Trong than lưu huỳnh tồn tại dưới ba dạng: liên kết hữu cơ Shc, khoáng chất Sk, liên kết sunfat Ss. Lưu huỳnh hữu cơ và khoáng chất có thể tham gia quá trình cháy gọi là lưu huỳnh cháy Sc. Còn lưu huỳnh sunfat thường nằm dưới dạng CaSO4, MgSO4, FeSO4.., những liên kết này không tham gia quá trình cháy mà chuyển thành tro của nhiên liệu. Khi cháy tỏa theo phản ứng S + O2 = SO2 + 70.96 kcal/mol Lưu huỳnh nằm trong nhiên liệu rắn ít hơn trong nhiên liệu lỏng. Nhiệt trị của lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon. Khi cháy lưu huỳnh sẽ tạo ra khí SO2, hoặc SO3. Lúc gặp hơi nước SO3 dễ hoà tan tạo ra axit H2SO4 gây ăn mòn kim loại. Khi cháy tỏa ra nhiệt lượng nhưng vì SO2 là một chất độc hại cho con người và môi trường sống, nên hàm lượng S càng ít càng tốt. 4.1.6. Tro (A) Là những chất trơ nhiên liệu có thành phần hóa học gồm: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, SO3… Tro trong nhiên liệu là thành phần có hại, hàm lượng tro càng nhiều thì nhiệt năng càng giảm. Thành phần của tro gần giống đất sét nên khi khai thác nhiên liệu có lẫn đất đá vào nhiều cũng làm tăng hàm lượng tro. Có tác hại giống các tạp chất của vôi trong quá trình nung vôi. 4.1.7. Độ ẩm trong than (w) Lượng nước có trong nhiên liệu tạo thành ẩm của nhiên liệu. thường thì độ ẩm cao làm giảm nhiệt cháy của nhiên liệu, nhưng cũng có trường hợp lại làm tăng sự cháy vì hơi ẩm gặp nhiệt cao đột ngột thí sẽ phân hủy thành H2 và O2 2H2O = H2 +O2 Ngoài ra kèm theo một số phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình, đồng thời cũng có một số phản ứng hấp thu nhiệt C+ H2O = CO + H2 C+ 2H2O = CO2 + 2H2 CO + H2O = CO2+H2 + 9,838 kcal/mol C+ CO2 = CO 2CO + O2 = 2 CO2 + 135.276 kcal/mol Các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 1000 đến 1200 oC nên lúc nhóm lò phải dùng than thật khô. Sau khi nhiệt độ trên 700 oC mới dùng than ẩm, điều này rất có lợi vì than ẩm cháy là thực hiện phản ứng thu nhiệt làm nhiệt độ lúc đó giảm, nhưng ngay sau đó CO và H2 cháy làm nhiệt độ tăng, hiện tượng thu hồi nhiệt và tỏa nhiệt lặp lại nhiều lần kéo dài quá trình cháy trong lò mà nhiệt độ vẫn cao, đồng thời giảm được lượng than dùng, và tránh được hiện tượng cháy lướt thường gặp khi than quá khô ở các lò đứng. 4.2. Thành phần chất bốc và cốc 4.2.1. Chất bốc và tính chất của nó Khi đem đốt nóng nhiên liệu trong điều kiện môi trường không có Oxy thì mối liên kết các phân tử hữu cơ bị phân huỷ. Quá trình đó gọi là quá trình phân huỷ nhiệt. Sản phẩm của phân huỷ nhiệt là những chất khí được gọi là "Chất bốc" và kí hiệu là V %, bao gồm những khí Hydro, Cacbuahydro, Cacbonoxit, Cacbonic. Những liên kết có nhiều Oxy là những liên kết ít bền vững dễ bị phá vỡ ở nhiệt độ cao, vì vậy than càng non tuổi bao nhiêu thì chất bốc càng nhiều bấy nhiêu, than bùn (V=70%), than đá (V=10 ÷ 45)%, than antraxit (V=2-9) %. Nhiệt độ bắt đầu sinh ra chất bốc phụ thuộc vào tuổi hình thành của than, than càng non tuổi thì nhiệt độ bắt đầu sinh chất bốc càng thấp. Lượng chất bốc sinh ra còn phụ thuộc vào thời gian phân huỷ nhiệt. Theo tiêu chuẩn ASTMD388 thì Chất bốc của than thành phần bay hơi của than đã trừ đi độ ẩm khi mẫu than được đốt nóng trong chén có nắp đậy kín (không đưa không khí vào) ,ở nhiệt độ 800 ÷ 820OC trong thời gian 7 phút, và được kí hiệu là V (%). Chất bốc của than có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy than, chất bốc càng nhiều bao nhiêu thì than càng xốp, dễ bắt lửa và cháy kiệt bấy nhiêu. Vì vậy khi cháy than ít chất bốc như than Antraxit của Việt nam thì cần phải có biện pháp kĩ thuật thích hợp. Nhiên liệu chứa càng nhiều chất bốc thì khi cháy ngọn lửa càng dài, cháy càng nhanh, nhiệt năng càng thấp và ngược lại khi cháy ngọn lửa ngắn thì quá trình cháy tuy lâu nhưng thu được nhiệt năng cao. Đây là một đặc điểm quan trọng để chọn vật liệu khi nung. 4.2.2. Cốc và hàm lượng carbon cố định Chất rắn còn lại (đã trừ đi độ tro) của than sau khi bốc hết chất bốc thì được gọi là cốc của than. Cốc là thành phần chất cháy chủ yếu của than. Tính chất của cốc phụ thuộc vào tính chất của các mối liên hệ hữu cơ có trong các thành phần cháy. Nếu cốc ở dạng cục thì gọi là than thiêu kết ( than mỡ, than béo ), nếu cốc ở dạng bột thì gọi là than không thiêu kết (than đá, than antraxit ). Than có nhiều chất bốc thì cốc càng xốp, than càng có khả năng phản ứng cao, Carbon không những dễ bị Oxy hoá mà còn dễ bị hoàn nguyên khí CO2 thành khí CO. Than gầy và than Antrxit không không cho cốc xốp khi cháy, cho nên chúng là loại than khó cháy. Tuỳ thuộc khả năng thiêu kết của than mà than có màu sắc khác nhau. Than không thiêu kết có màu xám, than ít thiêu kết có màu ánh kim loại. Độ cứng của than phụ thuộc vào độ xốp của cốc, than càng xốp thì độ bền càng bé than càng dễ nghiền. Nhiên liệu trừ đi chất bốc, phần rắn còn lại là cốc. Trong đó có hai thành phần gồm tro và carbon. Ta lấy cốc trừ đi tro còn lại là phần carbon cố định, hàm lượng carbon cố định trong các than từ 27% đến 80 %, than được tạo thành lâu đời thì hàm lượng này càng lớn, do đó nhiệt năng càng cao. Do vậy khi đánh giá chất lượng than ta dùng tỉ lệ giữa hàm lượng C cố định và hàm lượng chất bốc. R : tỉ số nhiên liệu C : hàm lượng carbon cố định V : hàm lượng chất bốc Tỉ số R càng lớn thì chứng tỏ hàm lượng C cố định càng cao và hàm lượng chất bốc càng bé. 4.3. Bảo quản nhiên liệu Than để ngoài trời sẽ tác dụng với không khí tạo ra sự phân hủy than bao gồm: phong hóa, đốt nóng, tự bốc cháy. Hiện tượng than tự đốt nóng là do quá trình oxi hóa các hữu cơ của nó. Quá trình phong hóa, than tự đổi màu sắc. Trong thành phần, hàm lượng carbon và hydro giảm còn hàm lượng oxi và A thì tăng lên. Đó là nguyên nhân than để lâu ngày ngoài bãi, nhiệt lượng của than giảm đi, than sẽ vỡ vụn và trở thành than cám. Than có tính hấp thụ ở bề mặt ngoài, quá trình kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt. Than hấp thụ các khí như CO2, O2, N2, lượng nhiệt tỏa ra làm tăng phản ứng giữa than và oxi. Nếu nhiệt lượng tăng quá cao có thể tạo điều kiện cho than tự bốc cháy. Than mới khai thác dễ bốc cháy hơn than để lâu trong không khí. Thường sau cơn mưa than hay tự bốc cháy vì từ than ướt trở thành than khô than dễ bị vỡ vụn làm tăng bề mặt tiếp xúc với không khí. Do vậy để hạn chế than tự bốc cháy chúng ta cần hạn chế bề mặt tiếp xúc của than với không khí. Muốn ngăn ngừa hiện tượng này và hạn chế khả năng nhiệt giảm cần có những biện pháp sau Tránh cho đống than không bị mưa gió tác động nhiều Tránh bất cứ luồng hơi nóng của bất cứ nguồn nhiệt nào lùa vào đống than Luôn luôn tạo điều kiện cho đống than thoáng nhiệt. 4.4. Một số loại than phổ biến ở Việt Nam Bảng 8: Thông số vật lý của than Hòn Gai - Cẩm Phả Bảng 10: Thông số vật lý của than Núi Hồng Bảng 11: Thông số vật lý của than Mạo Khê Bảng 12: Thông số vật lý của than Vàng Danh – Nam Mẫu Phần 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1.1. Quá trình nung vôi Việc nung đá vôi thành vôi sống đã được con người phát hiện và ứng dụng từ lâu, nhiên liệu đầu tiên là gỗ, củi, sau này và hiện nay người ta dùng nhiên liệu là than đá hoặc than cốc. Thực chất của quá trình nung vôi là dùng nhiệt độ cao để phân hủy Carbonat canxi của đá vôi thành oxyt canxi theo phản ứng sau. CaCO3 CaO + CO2 – 42.50 kcal/mol Sau khi nung, hình dạng và kích thước của vôi vẫn không đổi (giống như hình dạng lúc nhập liệu) Muốn phản ứng diễn ra theo chiều (1) phải giảm áp suất khí CO2 bằng cách tạo điều kiện cho khí CO2 bay ra khỏi lò nung nhanh và tăng thêm nhiệt độ nung so với nhiệt độ nung tính toán lý thuyết. Trong thí nghiệm, carbonat canxi phân hủy ở nhiệ độ 900 oC. Thực ra ở 600 oC nó đã phân hủy nhưng rất yếu, đến khi nhiệt độ đạt 850 oC nó mới phân hủy mạnh. Để đá vôi phân hủy hoàn toàn chúng ta cần giữ nhiệt độ 600 oC đến 960 oC trong một thời gian nhất định. Trong thực tế đá vôi nung ở 1000 oC đến 1200 oC vì thường phải nung một lượng nhiên liệu lớn với thành phần hóa học không đều, không ổn định, chứa nhiều tạp chất khác nhau và tốc độ nung lại lớn. Ngoài ra theo phản ứng phân hủy đá vôi ở trên về lý thuyết CaO có trọng lượng bằng trọng lượng của CaCO3 giảm đi 44% (do mất CO2), nhưng vì thể tích chỉ giảm 10 đến 15% nên vôi có độ xốp lớn và do đó nhẹ. Xét một viên đá vôi khi nung trong lò, trước tiên có một lớp vôi xuất hiện và bao bọc bên ngoài, vì lớp vôi này xốp hơn đá vôi nên hệ số dẫn nhiệt giảm, làm nhiệt truyền vào trong khó nên phải tăng thêm nhiệt độ nung, giúp viên đá vôi có thể tăng hệ số dẫn nhiệt để phân hủy hết. Trong quá trình nung nếu ta khống chế nhiệt độ không chính xác thí sản phẩm thu được có thể là vôi chín, vôi sống, vôi quá lửa. Vôi sống: cục vôi nặng hơn vôi chín khi có cùng một thể tích. Vôi sống nhìn qua không phân biệt được vì lớp ngoài đã chín và trong lõi vẫn còn dạng đá vôi. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung thấp, kích thước đá vôi quá lớn, hay than cháy lướt quá nhanh, hoặc có thể lấy vôi ra nhiều lần và nhanh quá Vôi quá lửa: thông thường thể tích đá vôi giảm 10 đến 15% sau khi nung, nhưng nếu quá nhiệt thì giảm đến 40%, vậy nếu nhiệt độ quá cao thì cục vôi càng rắn và càng nặng. Vì vậy khi tôi vôi quá lửa, phân tử khó thấm nước vào nên tôi vôi rất chậm. 1.1.1. Quá trình nung vôi trong lò đứng thông thường Đá vôi và than cho vào miệng lò khi di chuyển dần xuống, sẽ được khói nóng bốc lên đốt nóng trước, khi than vụn đốt nóng đến 700 oC sẽ bắt đầu cháy, nhiệt độ trong lò tăng lên tới khoảng 900 oC đến 1200 oC thì đá vôi phân hủy thành vôi. Sau khi thành vôi thì di chuyển xuống khu vực dưới của lò và tiếp xúc với không khí phía ngoài đi vào lò làm nguội. Như vậy theo chiều cao của lò đã hình thành ba phần, phần trên cùng là sấy, phần giữa là nung, phần đáy là làm nguội. Thông thường theo kinh nghiệm thực tế, phần sấy sẽ chiếm 25% tổng thể tích lò, phần nung chiếm 50% tổng thể tích lò và phần làm nguội là phần còn lại. Sự phân chia trên chỉ mang tính ước lượng. Trong quá trình nung vôi, khoảng cách của các phần đó dài ngắn phụ thuộc vào thao tác như: nhập liệu, quá trình chọc xỉ, thông lò, khối lượng mỗi lần ra lò… Phần sấy: đá vôi và than đá cho vào lò gặp khí khói có nhiệt độ từ 800 đến 1200 oC từ phần nung đi lên, làm bốc hơi nước, than bốc hơi, các hợp chất hữu cơ cháy hết, MgCO3 bị phân hủy hoàn toàn ở nhiệt độ từ 700 oC đến 800 oC. Chất bốc có trong than ở phần này thoát ra, lượng không khí cho vào lò nếu thiếu than sẽ không cháy hết, nếu thừa thì nhiệt độ trong lò giảm, do khối lượng oxi trong không khí còn ít,vì vậy chất bốc không cháy được sẽ theo khói thải thoát ra ngoài. Từ đó cho thấy than cho vào lò càng ít chất bốc thì càng đỡ làng phí. Nhưng ngược lại, lúc ban đầu bắt đầu mồi lò than được xếp khoảng 1/3 chiều cao của lò (tính từ đáy lên) cần có nhiều chất bốc để cháy và có ngọn lửa dài. Phần nung: phần này rất quan trọng vì nó quyết định chất lượng và sản phẩm vôi ở khu vực này, than cháy nên nhiệt độ đạt từ 1000 oC đến 1200 oC, với nhiệt độ này đá vôi bị phân hủy. Trong quá trình thao tác điều khiển lò, yêu cầu duy trì phần nung ổn định cả về nhiệt độ và khoảng cách. Phần nguội: đầu phần này là chổ than cháy hết và cuối phần này là nơi lấy xỉ than ra. Nếu đá vôi còn xót lại ở phần này thì nó không thể tiếp tục phân hủy và nhiệt độ đã giảm xuống nhiều (so với phần nung) do không khí ở ngoài lùa vào nhiều. Như vậy, qua tính toán sự cháy của quá trình nung thấy rằng nếu nhiệt độ của không khí đưa vào lò càng tăng thì nhiệt độ ngọn lửa càng cao, nếu duy trì nhiệt độ ngọn lửa không đổi thì nhiệt hao phí sẽ giảm. 1.2. Quá trình làm sạch khí thải lò nung Việc sản xuất vôi thường đi đôi với sản xuất bột nhẹ (CaCO3 tạo thành do phản ứng giữa sữa vôi với CO2), một sản phẩm quan trọng. Người ta tận dụng CO2 sinh ra trong quá trình nung vôi để sản xuất bột nhẹ. Tuy nhiên do hỗn hợp khí thải của nung vôi chứa khá nhiều tạp chất cơ học như tro, bụi than, và một hàm lượng SO2… Ngoài ra nhiệt độ của khí thải cũng rất lớn vào khoảng 800 oC đến 900 oC. Vì vậy trước khi dẫn CO2 vào thiết bị phản ứng thì khí thải phải được làm sạch và làm nguội. Mặt khác, trong qui trình sản xuất chúng ta cần sấy vật liệu nên cũng có thể sử dụng năng lượng nhiệt của khói thải để tiết kiệm được năng lượng của nhà máy. Do vậy vật liệu dẫn ống chúng ta phải làm bằng vật liệu chiệu nhiệt, đồng thời trên đường ống chúng ta sẽ làm các “hố ga” để bẫy một phần các tạp chất cơ học trước khi cho qua thiết bị làm sạch khí. Việc làm sạch và làm nguội khí chúng ta có thể sử dụng nước để vừa có khả năng rửa bụi, vừa có tác dụng làm giảm nhiệt độ khí. Ngoài ra chúng ta có thể làm nguội khói thải mới ra lò bằng cách qua thiết bị phối trộn khói thải và không khí bên ngoài trước khi đưa khói thải vào thiết bị rửa bụi. Dựa vào các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng chúng ta sẽ xác định được lượng nước cần thiết để giải nhiệt cho khí thải. Ta biết rằng để phản ứng sản xuất bột nhẹ của chúng ta đạt hiệu quả chúng ta cần làm nguội CO2 xuống nhiệt độ mà ở nhiệt độ đó, khả năng hòa tan của CO2 vào nước là tương đối hiệu quả 1.3. Quá trình hòa tan CaO vào H2O Vôi sống hợp nước sẽ cho vôi tôi (hydroxyt canxi). Đây là phản ứng tỏa nhiệt mảnh liệt, do vậy cần phải chú ý trong việc làm giảm nhiệt độ của quá trình phản ứng để nâng cao hiệu suất phản ứng. ở 25oC CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 15.6 kcal/mol Ta cũng biết CaO tan rất ít trong nước, và nhiệt độ tăng thì khả năng hòa tan cũng sẽ giảm theo. Do đó hydroxyt canxi thường được dùng dưới dạng huyền phù (sữa vôi). Chúng ta cần phải quan tâm một điều là cần phải biết nhiệt độ tối ưu của nước cần để hòa tan CaO, đồng thời giả sử muốn hòa tan 1 tấn CaO thì chúng ta cần bao nhiêu nước, sau đó sản phẩm thu được chúng ta sẽ hòa tan thêm với nước để làm giảm nhiệt độ vôi tôi và làm tăng độ tan của vôi sống trong sản phẩm. Mục đích cuối cùng của chúng ta là làm nguội vôi tôi về nhiệt độ cần thiết, sao cho ở nhiệt độ đó CaO tan tốt trong nước và CO2 cũng tan tốt trong nước nhằm tăng khả năng truyền khối khi hai pha tiếp xúc trực tiếp nhau. Thiết bị để hòa tan CaO vào nước phải làm từ vật liệu chiệu nhiệt, và cần có thiết bị giải nhiệt cho thiết bị này (nếu cần thiết). Thiết bị phản ứng cho quá trình hòa tan thông thường được chọn là bồn khuấy trộn có bộ phận giải nhiệt nhằm 2 tác dụng Khuấy trộn sẽ giúp cho khả năng khuếch tán giữa 2 pha đạt hiệu quả cao. Giải nhiệt cho thiết bị vì đây là phản ứng tỏa nhiệt, tốc độ hòa tan phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình phản ứng. Trong quá trình hào tan CaO, cũng là giai đoạn loại bỏ các tạp chất cơ học có trong vôi như MgO, Al2O3, Fe2O3 không tan vào nước được tháo bỏ dưới đáy thiết bị, đồng thời để vôi có độ tinh khiết cao đòi hỏi nguồn nước cung cấp phải đảm bảo không chứa nhiều tạp chất ion kim loại. 1.4. Quá trình lắng bột nhẹ Bột nhẹ sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng chúng ta cần loại bớt nước, và thu huyền phù dạng phù hợp cho quá trình sấy sao cho ít tốn nhiệt trong quá trình sấy. Do vậy, phương pháp lắng đơn giản và hiệu quả trong dây chuyền là lắng theo nguyên tắt trọng lực, ít tốn kém chi phí trong quá trình lắng. Các bể lắng được xây dựng tại nơi thiết bị phản ứng nhằm lắng huyền phù đồng thời để làm mát sản phẩm cần thiết. 1.5. Quá trình sấy khô bột nhẹ Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đạt chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Để sấy các vật liệu lỏng huyền phù như bột nhẹ, sữa, trứng, sữa đậu nành…nên thiết bị sấy tốt nhất là thiết bị sấy phun. Vì quá trình xảy ra rất nhanh đến mức không kịp đốt vật liệu đến giới hạn cho phép, sản phẩm thu được dạng bột mịn nên không cần nghiền, như sữa bột, cà phê hòa tan, xà phòng…. Ở đây chúng ta sử dụng phương pháp sây phun ly tâm, bởi vì phương pháp này phù hợp với chất lỏng dạng huyền phù. Tác nhân sấy là nhiệt độ khói lò nung, sau khi đã qua giai đoạn xử lý tạp chất cơ học, để làm giảm nhiệt độ của khí nóng đến nhiệt độ cần thiết người ta sẽ dùng nước để giải nhiệt 1.6. Quá trình phản ứng tạo sản phẩm 1.6.1. Lý thuyết tổng quát Đây là công đoạn quan trọng quyết định đến năng suất của sản phẩm. Do vậy, để phản ứng đạt hiệu suất cao chúng ta cần tạo điều kiện cho 2 pha khí (CO2) và lỏng (vôi tôi) có bề mặt tiếp xúc pha lớn, nhiệt độ của các dòng nhập liệu, đồng thời trong suốt quá trình phản ứng Ca(OH)2 (r) + CO2 (k) = CaCO3 (r) + H2O (l) + 26.908 Kcal/mol Vì đây là phản ứng tỏa nhiệt, do nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến quá độ tan của Ca(OH)2, và CO2 trong nước, nên chúng ta cần giảm nhiệt độ của thiết bị nhằm giúp phản ứng đạt hiệu quả. Về bản chất đây là một quá trình hấp thụ có kèm phản ứng hóa học. Chúng ta có hai trường hợp cho một phản ứng của pha khí vào pha lỏng. Trường hợp 1: Phản ứng hóa học xảy ra trong lòng pha lỏng (nghĩa là phản ứng rất chậm). Do đó, quá trình thực tế là quá trình vận tải chất vào chất lỏng có thể tách biệt như là một quá trình xảy ra trước nối tiếp với phản ứng hóa học. Trường hợp 2: Phản ứng hóa học xảy ra chủ yếu ngay trên mặt biên của pha lỏng. Khi đó quá trình vận tải và quá trình phản ứng xảy ra song song. Rõ ràng trường hợp phản ứng giữa CO2 và Ca(OH)2 rơi vào trường hợp 2 còn gọi là xảy ra ở miền phản ứng nhanh. Ở miền phản ứng này phản ứng xảy ra rất nhanh và thực tế thời gian phản ứng rất nhỏ so với thời gian khuếch tán tương đương, và phản ứng xảy ra ngay trong thời gian dừng của phân tố lỏng ngay trên bề mặt phân chia pha hay trong màng lỏng (theo thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie). Như vậy trong màng lỏng sẽ xảy ra quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học, phương trình cân bằng vật chất cho cấu tử A trong màng lỏng bao gồm khuếch tán và động học. Việc lựa chọn thiết bị phản ứng cho quá trình này cũng rất quan trọng, thiết bị của chúng ta cần tạo bề mặt tiếp xúc pha lớn càng tốt. Bảng 13: Đặt trưng của một số thiết bị tiếp xúc pha khí lỏng – khí Loại thiết bị Diện tich bề mặt tiếp xúc pha/thể tích chất lỏng, m2/m3 (σ) Diện tích bề mặt tiếp xúc pha/thể tích bình phản ứng, m2/m3 (ε) Phần thể tích của chất lỏng Thể tích chất lỏng /thể tích lớp phim Tháp phun 1200 60 0.05 2-10 Tháp đệm 1200 100 0.08 10-100 Tháp mâm 1000 150 0.15 40-100 Khuấy sủi bọt 200 200 0.90 150-800 Tháp sủi bọt 20 20 0.98 4000-10000 Từ bảng số liệu trên ta thấy rằng tháp phun và tháp mâm có hiệu quả cao cho các phản ứng nhanh, còn các phản ứng sủi bọt thì có hiệu quả cao hơn cho các phản ứng chậm. Phản ứng sản xuất bột nhẹ chúng ta cần thời gian phản ứng nhỏ, để tránh trường hợp CaCO3 bị tan khi tiếp xúc với CO2, đồng thời thời gian lưu thiết bị ngắn nhằm tránh trường hợp các hạt CaCO3 tạo ra kết lại thành một khối lớn sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên, sẽ có một lượng Ca(OH)2 chưa phản ứng còn dư sẽ được đưa vào thiết bị sấy, nhưng sau thời gian chúng sẽ tự chuyển hóa thành CaCO3 do hấp thụ CO2 ngoài không khí. Nên sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. 1.6.2. Cơ sở lý thuyết để tính toán cho công nghệ CO2 cùng Ca(OH)2 được khuếch tán từ phía nhân hai pha vào màng lỏng và tới bề mặt phản ứng Phương trình phản ứng: Lượng chất đó tham gia phản ứng ngay trên bề mặt phân pha và theo một tỉ lệ nhất định (1) Trong đó Phương trình tốc độ dạng , có nghĩa phản ứng bậc n, với k là hắng số tốc độ của quá trình. Vì tốc độ phản ứng rất lớn nên không có lượng chất CO2 lưu lại trong màng lỏng, có nghĩa quá trình đạ được trạng thái ổn định: (2) ở màng lỏng do chế độ dòng nên có thể coi , do đó phương trình cân bằng còn lại: (3) Tốc độ quá trình hấp thụ tính theo cấu tử CO2 là lượng chất tham gia quá trình trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian, trong trường hợp này có thể tính theo công thức sau mol/m3.s (4) Theo Astaria, nghiệm của phương trình (3) sẽ là cơ sở để tính tốc độ của quá trình, giải phương trình (3) cho kết quả: (5) ở đây được tính trên một đơn vị bề mặt phân chia ph, mol/m2.s Thay biểu thức r vào phương trình (5) ta có (6) (7) Từ phương trình (7) ta có nhận xét: Tốc độ quá trình hấp thụ tỉ lệ thuận với bề mặ phân chia pha riêng Tỉ lệ với hiệu nồng độ Tôcs độ phản ứng r ảnh hưởng rất lớn đến Nồng độ của cấu tử Ca(OH)2 không ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình So sanh phương trình (7) với phương trình cấp khối Thì ta có (8) Vì hệ của chúng ta là phản ứng giả bậc 1, do lượng Ca(OH)2 thay đổi không đáng kể trong quá trình phản ứng. và (9) Để xác định được chúng ta cần làm thí nghiệm để đo giá trị k (hắng số tốc độ của ophản ứng) nhưng ở đây không đo được nên được xác định bằng giá trị gần đúng dựa trên công thức tính của định luật Fick I (10) Đây là nội dung của thuyết màng kép do Lewis và Withman đưa ra, họ cho rằng giữa bề mặt tiếp xúc pha và dòng cơ bản của pha tồn tại một lớp màng không chuyển động (xem hình …) và trong lớp màng đó hoàn toàn chỉ có khuếch tán phân tử. khi quá trình ổn định thì và Tuy nhiên trong thực tế trạng thái của lớp màng ở bề mặt tiếp xúc còn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi dòng đối lưu, do vậy mà quá trình vận tải qua lớp màng đó là quá trình không ổn định và đã được giải thích bằng các thuyết màng khác… λ: bề mặt phân chia pha CA,G: nồng độ pha khí CB: nồng độ pha lỏng δl: bề dày lớp màng bên pha lỏng Tuy nhiên việc tính toán truyền khối dựa theo thuyết màng của Lewis và Withman cho đến nay vẫn được sử dụng phổ biến. Nhưng để tìm được giá trị theo công thức (10) thì hết sức khó thực hiện. Thực tế thì chiều dày của màng lỏng không thể đo được. Do vậy người ta xác định bằng các phương trình thực nghiệm từ các đại lượng không thứ nguyên như chuẩn số Shanton (Sh), Schmidt (Sc) và chuẩn số Reynold (Re): Trong đó Chuẩn số Schmidt: Chuẩn số Reynold: Chuẩn số Shanton: Với A = 1,9 là hệ số D: hệ số khuếch tán, m2/s d: đường kính tương đương của thiết bị, m µ: độ nhớt động lực học, N.s/m2 v: độ nhớt động học, m2/s ρ: khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, kg/m3 ω: vận tốc dòng lưu chất, m/s 1.6.3. Đặt điểm của phản ứng Quá trình phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn Giai đoạn 1 xảy ra quá trình truyền khối ở giai đoạn này chất khí CO2 sẽ được khuếch tán vào lỏng theo hai quá trình pKa1 = 6,35 pKa2 = 5,41 Giai đoạn 2 là giai đoạn xảy ra phản ứng Dung dịch sữa vôi Các phản ứng xảy ra Nồng độ đạt trạng thái cân bằng theo phương trình T = 4,8.10-9 (tích số tan) Tuy nhiên trường hợp này do thời gian phản ứng nhanh, đồng thời kết tủa tạo ra nhanh chóng nên nồng độ CO2 cân bằng trong dung dịch xem như là 0 1.6.3.1. Định nghĩa thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng là thời gian cần thiết để cấu tử A bất kì với nồng độ CA biến đổi hoàn toàn hay biến đổi đạt trạng thái cân bằng C*A với tốc độ r(CA) = cosnt Nếu phản ứng là bậc 1 thì r(CA) = k(CA - C*A) k: hằng số tốc độ phản ứng CA: nồng độ cấu tử hòa tan trong dung dịch CA*: nồng độ cân bằng của cấu tử trong dung dịch 1.6.3.2. Thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie Quá trình di chuyển vật chất của cấu tử khí A đến bề mặt phân chia pha, qua màng lỏng vào pha lỏng là quá trình không ổn định. Song song với sự di chuyển của A, do chế độ chuyển động xoáy của pha lỏng nên luôn có các phân tố của pha lỏng di chuyển đến bề mặt phân chia pha, hòa tan cấu tử khí và di chuyển trở lại pha lỏng. Quá trình này làm thay đổi bề mặt tiếp xúc pha và luôn có những phân tố lỏng mới di chuyển đến rồi lại di chuyển rời khỏi bề mặt phân chia pha. Thuyết này cho kết quả công thức tính hệ số cấp khối liên hệ với hệ số khuếch tán như sau t* : thời gian dừng của các phân tố trên bề mặt phân chia pha Dựa vào thuyết màng chúng ta có thể xây dựng phương trình cân bằng vật chất, để từ đó dễ dàng xác định được tốc độ hấp thụ hóa học của quá trình làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị phản ứng. Ở đây nếu ta giả sử dụng lượng Ca(OH)2 tham gia phản ứng rất nhiều so với lượng CO2 tham gia thì xem như phản ứng giả bậc 1. 1.6.4. Giới thiệu các thiết bị phản ứng dùng cho hệ khí – lỏng trong công nghiệp 1.6.4.1. Thiết bị sủi bọt Là thiết bị trong đó chất khí được phân tán trong chất lỏng và là loại được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp. Ưu điểm của thiết bị này là cấu tạo đơn giản, không có các bộ phận chuyển động, thiết bị làm việc gần như theo chế độ khuấy lý tưởng, dễ khống chế nhiệt độ. Nhượt điểm: mối quan hệ giũa chiều cao cột chất lỏng và đường kính thiết bị, vì bề mặt tiếp xúc pha sẽ giảm rất mạnh theo chiều cao tính từ vị trí sục khí. Ngoài ra cung phải thấy rằng ở thiết bị loại này tồn tại một sự khuấy trộn ngược trong pha lỏng rất lớn. Ứng dụng phổ biến nhất trong các quá trình sinh hóa vì cũng chỉ có loại thiết bị này mới có thể chứa một lượng chất lỏng lớn. 1.6.4.2. Thiết bị khuấy trộn Được sử dụng khá phổ biến trông công nghiệp đặc biệt trong ngành công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên năng suất của thiết bị thấp, hiệu quả truyền khối không cao, tiêu tốn nhiều năng lượng cho động cơ khuấy trộn. Mặt khác, trong công nghiệp thường ít khi người ta tiến hành phản ứng trong một thiết bị khuấy duy nhất mà chúng thường được nối tiếp lẫn nhau thành một dãy, gọi là dãy hoặc chuổi thiết bị phản ứng khuấy trộn. Do vậy sẽ tốn kém năng lượng lớn trong việc vận hành, cũng như chi phí đầu tư nhiều thiết bị. 1.6.4.3. Thiết bị phun tia Loại thiết bị này thật ra ít được sử dụng trong công nghiệp và thường được sử dụng khi trong pha khí và pha lỏng có những phần tử rắn. Ưu điểm lớn nhất của thiết bị này là có bề mặt tiếp xúc pha lớn. Nhượt điểm lớn nhất của thiết bị là bộ phận phun lỏng, huyền phù…. Để hoạt động tốt đòi hỏi công suất lớn, tốn kém nhiều năng lượng. Chú thích: 1: dòng khí nhiễm bẩn, 2: dòng lỏng, 3: dung dịch, 4: khí trơ 1.6.4.4. Tháp đĩa Trường hợp phải điều chỉnh nhiệt độ cho quá trình hấp thụ và cho quá trình phản ứng hóa học, tháp đĩa là thích hợp hơn cả. Nó cũng được sử dụng khi lượng chất lỏng không nhiều, và chính các đĩa chia tháp làm nhiều bậc và do đó hạn chế gần như toàn diện hiện tượng khuấy trộn ngược. Nhượt điểm lớn nhất của tháp đĩa là không làm việc vối hệ dạng huyền phù 1.6.4.5. Tháp đệm Đệm được chất đầy trong tháp chủ yếu nhằm phân nhánh các màng chất lỏng và do đó để làm chất lỏng quanh đệm được trộn lẫn tốt vào nhau. Ưu điểm nữa của thiết bị loại tháp đệm là không cần có bộ phận chuyển động, bề mặt tiếp xúc pha đủ lớn và tiết kiệm năng lượng, do trở lực của tháp không phải là cao lắm. Đệm có thể đổ đống hay xếp theo một trật tự nào đó, tùy theo kích thước của tháp. Một điều chú ý là khi chiều cao tháp đủ lớn thì dọc chiều cao phải bố trí thiết bị phân phối chất lỏng để hạn chế hiệu ứng thành khi thiết bị làm việc. Ưu điểm nổi trội của thiết bị tháp đệm so với tháp đĩa là nó làm việc được với cả chất lỏng dạng huyền phù nếu có cơ cấu đệm thích hợp. Tính toán đơn giản hơn nhiều so với tháp đĩa. Năng suất của thiết bị đệm không cao Nhận xét Việc lựa chọn thiết bị để tiến hành quá trình rõ ràng phải xuất phát từ cơ sở lý thuyết đã được trình bày ở phần trên và từ kết quả thực nghiệm. Do vậy thiết bị được sử dụng trong qui trình này là thiết bị tháp đệm loại đệm được sử dụng là đệm kích cấu, có hình dạng cấu tạo như hình vẽ Vật liệu chế tạo các đệm kích cấu trên từ các loại thép hợp kim, thép không gỉ, nhựa, gốm…. tùy vào môi trường làm việc chúng ta chọn vật liệu chế tạo cho thích hợp. Có bề mặt tiếp xúc pha/thể tích thiết bị phản ứng tương đối lớn từ 55-750 m2/m3. Tùy vào mục đích sử dụng, hơn nữa nó còn có nhiều ưu điểm như làm việc được với sản phẩm dạng huyền phù, do trở lực thấp, không bị tắt ngẵn khi làm việc ở chế độ huyền phù, năng suất làm việc cao. Tuy nhiên hiện nay trong nước vẫn chưa sản xuất, do vậy việc sử dụng đệm kích cấu sẽ làm tốn kém kinh tế đầu tư sẽ là nguyên đẩy giá thành sản phẩm cao nên khó tiêu thụ sản phẩm đây cũng là vấn đề cần được quan tâm. Phần 3: THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1. QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1.1. Sơ đồ qui trình công nghệ Trên cơ sở lý thuyết đã được phân tích như trên chúng ta đưa ra sơ đồ khối qui trình sơ đồ công nghệ sản xuất bột nhẹ năng suất 2 tấn/ngày như sau 1.2. Thuyết minh qui trình công nghệ Năng suất nhà máy là 2000 kg/ngày, làm việc liên tục 24h mỗi ngày Đá vôi được vận chuyển từ nơi sản xuất, khi đó đá vôi đã được xử lý thô về kích thước và hình dáng, sẽ được vận chuyển về nhà máy bằng các phuơng tiện thích hợp, và được lưu trữ trong nhà kho, lượng đá vôi được lưu trữ là bao nhiêu tùy thuộc vào qui mô sản xuất của nhà máy. Từ nhà kho đá vôi sẽ được nhập liệu cho lò nung vôi bằng gầu tải 1 với tỉ lệ giữa đá vôi và than là 9:1. Trước khi nhập liệu cho lò nung, người ta sẽ mồi lửa trong lò nung với một lượng vôi và than đã được xếp sẵn trong lò nung theo một tỉ lệ 1/3 so với chiều cao lò. Lò nung đạt được nhiệt độ thích hợp khoảng 700 oC thì tiến hành nhập liệu. Lò nung hoạt động theo chế độ liên tục vì khói thải của lò nung được sử dụng cho phản ứng tạo bột nhẹ. Sản phẩm của lò nung là vôi sống, khi sản phẩm ra khỏi lò sẽ được vận chuyển bằng băng tải vào thiết bị thổi khí nhằm làm sạch lớp tro của than bám lên trên bề mặt của vôi trước khi tiếp tục đi vào bồn chứa 1 bằng gầu tải 2. Khói thải của lò nung sẽ dẫn qua thiết bị làm nguội và làm sạch tro, bụi cơ học, sau đó được chia thành 2 dòng, dòng 1 tiếp tục làm nguội thấp đến nhiệt độ khoảng 25 oC đến 40 oC có thể bằng nuớc hoặc bằng cách đối lưu nhiệt tự nhiên. Dòng 2 sẽ được làm sạch và được giữ ở mức nhiệt độ cao để sử dụng nhiệt cho thiết bị sấy phun. Vôi sống ở bồn chứa 1, và nước được vận chuyển đến thiết bị khuấy trộn 1 bằng gầu tải 3 và bằng bơm, sản phẩm sau khi ra bồn khuấy 1 sẽ được đưa vào các bồn lắng nhằm 2 mục đích là loại bỏ được các tạp chất cơ học không tan trong nước hoặc đá vôi chưa chín, đồng thời là quá trình làm nguội sản phẩm bằng không khí, sau đó sản phẩm từ bồn lắng sẽ được vận chuyển vào bồn khuấy 2 cùng vời lượng nước thích hợp, lần này nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm, đồng thời pha loãng nồng độ sản phẩm, sau đó sản phẩm sẽ được đưa đến bồn chứa 2 và gọi là vôi tôi. Vôi tôi được vận chuyển đến thiết bị phản ứng tháp phun, khói thải chứa CO2 được nạp vào tháp ở phía đáy, sản phẩm thu được sẽ được đưa vào các bể lắng với mục đích nhằm loại bỏ bớt nước, huyền phù thu được sẽ được bơm vận chuyển vào thiết bị sấy phun, nhiệt độ sấy của thiết bị lấy từ khói thải lò nung vôi, Sản phẩm sau khi sấy sẽ được đưa vào bồn chứa 3. Là sản phẩm cuối cùng của qui trình sản xuất. CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I. LÒ NUNG VÔI 1. GIÓI THIỆU 1.1. Các loại lò nung vôi Trong nhân dân các lò thủ công các lò thủ công thường được đắp bằng đất hoặc xây bằng gạch thường và người ta nung theo phương pháp gián đoạn từng mẻ. Làm như vậy tất nhiên hiệu suất và chất lượng không cao, song bù lại là tiện lợi và phù hợp vói việc sử dụng cho xây dựng tại chỗ. Trong công nghiệp người ta sử dụng lò xây bằng gạch chịu lửa và công nghệ nung liên tục. 1.2. Hình dáng cấu tạo lò nung vôi công nghiệp Chú thích: 1: Nguyên liệu ban đầu 2: Gầu tải nhập liệu 3: Cổng nhập liệu 4: Vôi trong lò nung 5: Cổng tháo vôi trong lò nung 8 6: Cửa lấy sản phẩm ra ngoài 7: Cửa thoát khói lò nung 1.3. Nguyên lý hoạt động của lò nung Đá vôi nguyên liệu với kích thước từ 60 đến 200 mm, sau đó được trộn với than cốc (kích thước hạt cỡ 30 đến 70 mm) với tỉ lệ khoảng 9:1 và được đưa vào lò theo cửa nạp nguyên liệu 2 qua thiết bị cửa 3. Khi than cháy hết, nhiệt độ của lò có thể lên tới 1200 oC. Thời gian chuyển dịch của đá trong lò được tính toán theo kích thước lò và bản chất của nguyên nhiên liệu sao cho đủ để chín vôi. Nghĩa là toàn bộ khối đá carbonat đã được phân hủy tạo thành canxi oxyt. Vôi sống được lấy ra liên tục ở cửa 5 có nhiệt độ khoảng 300 oC, nhờ có sự làm nguội của không khí. Không khí vào lò theo cửa 8 được trao đổi nhiệt với sản phẩm vôi sống trước khi ra lò và tại các tầng cuối của lò. Thông thường trong các lò công nghiệp, 80% lượng nhiệt được sử dụng cho quá trình phân hủy carbonat. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm Phụ thuộc vào hai yếu tố chính là chất lượng đá vôi nguyên liệu và hiệu quả làm việc của lò. 1. THIẾT KẾ LÒ NUNG VÔI 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Thành phần ban đầu Số liệu dựa trên mỏ đá Thanh Nghị Thành phần đá vôi Hàm lượng (%) CaCO3 90.24 MgCO3 0.52 SiO2 + các hợp chất không tan trong HCl 0.98 Al2O3 và Fe2O3 0.24 H2O 8.26 Số liệu dựa trên chất lượng than thương phẩm Mạo Khê, loại than cục 2MK, lấy ở mức độ trung bình Thành phần than thương phẩm Hàm lượng (%) C 84,3 S 0,7 Tro 10 Nước 5 Hiệu suất lò nung vôi 90 % Hiệu suất nhiệt lượng sử dụng của lò 80 % Độ cháy của C thành CO2 97,4 % Độ cháy của C thành CO 1,5 % Hiệu suất than sử dụng cho lò nung 90 % Hiệu suất không khí sử dụng 90 % Độ ẩm tương đối của không khí (tại tp. HCM đo tại phòng thí nghiệm Quá Trình & Thiết Bị) 69,4 % Nhiệt độ không khí vào 25 oC – 30 oC Nhiệt độ không khí ra 800 oC – 900 oC Nhiệt độ vôi tháo ra khỏi lò 300 oC Nhiệt độ đá vôi vào lò 25 oC Nhiệt độ của than vào lò 25 oC Thành phần không khí vào lò Oxi 20 % Nitơ và khí trơ 80 % Năng suất vôi nhập liệu 3636 kg/ngày 2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO LÒ NUNG 2.2.1. Phương trình cân bằng năng lượng a. Tính toán tổng lượng nhiệt thu vào Tính lượng than nhập liệu cho 1 ngày Lò nung làm việc ổn định ở nhiệt độ khoảng 850 oC đến 1200 oC, trong khoảng nhiệt độ này xem như enthanpy của các phản ứng hóa học thay đổi không đáng kể. Entanpy của phản ứng được tính theo công thức Cp CO2 = 10,55+2,16.10-3.T-2,04.140-5.T-2 cal/(K.mol) Cp CaO = 11,67 + 1,08.10-3.T – 1,56.10-5.T-2 cal/(K.mol) Cp CaCO3 = 24,98 + 5,24.10-3.T – 6,20.10-5.T-2 cal/(K.mol) ΔCp = Cp CO2 + Cp CaO - Cp CaCO3 Xem phản ứng xảy ra bắt đầu ở nhiệt độ 850 oC ΔH1123 = -40,252 Kcal/mol Như vậy để nung vôi chín chiếm 90 %, với khối lượng vôi phân hủy là Kg = 32724 mol Lượng nhiệt cần cung cấp là cho vôi phân hủy là 32724.40,252 = 1,32.106 Kcal (1) Lượng nhiệt cần cung cấp cho phản ứng Xem entanpy thay đổi không đáng kể Lượng nhiệt cần cung cấp cho MgCO3 (2) Lượng nhiệt cần cung cấp để làm bay hơi nước lúc đầu khi mồi lò nung, vì sau khi lò nung hoạt động ổn định thì, hầu như lượng nước bay hơi do nhiệt độ khói lò của lò nung cung cấp nên chúng ta chỉ tính cho giai đoạn đầu. -10,519 Kcal/mol Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá chuyển hóa trên là Quá trình chuyển nước dạng lỏng sang dạng hơi cần tốn Kcal (3) Để phân hủy nước thành H2 và O2 cần cung cấp nhiệt độ cao trên 2000 oC, do vậy ở nhiệt độ lò nung nước không bị phân hủy. Giả sử bỏ qua các phản ứng phụ khác xảy ra trong lò được bỏ qua như Ngoài ra Al2O3 thì do nhiệt độ nóng chảy đến 2054 oC do vậy nó được xem như là trơ trong lò nung. Fe2O3 có nhiệt độ nóng chảy là 1565 oC, nên nó được xem là chất trơ trong lò nung nếu như chúng ta cho là không xảy ra các phản ứng khử giữ oxyt sắt với H, C, CO.. SiO2 có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1650 oC do vậy nó được xem như là một khí trơ trong lò nung. Vậy tổng lượng nhiệt cần cung cấp cho các phản ứng xảy ra ở trên (1),(2),(3) ta có Q tổng = 1,32.106 + 5.984 + 194496,31 = 1527686,758 Kcal = 6323695 Kj Do hiệu suất nhiệt lượng dùng trong lò nung là 80 % nên lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho lò nung là Q thu +tổn thất = Kj (I) b. Tính toán tổng lượng nhiệt tỏa ra Dựa vào tổng lượng nhiệt thu, chúng ta xác định lượng than cần tiêu thụ theo phương trình cân bằng nhiệt Q tỏa = Q thu + Q tổn thất Phần lớn nhiệt lượng tỏa ra do C cháy C (r) + O2 (k) = CO2 (k) + 94,052 Kcal/mol (4) C (r) + O2 (k) = CO (k) + 26,416 Kcal/mol (5) S (r) + O2 (k) = SO2 (k) + 70,96 Kcal/mol (6) 2CO + O2 = 2CO2 + 135.276 kcal/mol (7) Các phản ứng phụ khác xem như được bỏ qua (không đàng kể) Giả sử dùng 1 Kg than nguyên liệu Khối lượng C chiếm 0.843 (Kg) Khối lượng S chiếm 0.007 (Kg) Khối lượng C tham gia phản ứng (4) Kg Lượng nhiệt sinh ra cho phản ứng này là Kcal Khối lượng C tham gia phản ứng (5) Kg Lượng nhiệt sinh ra cho phản ứng này là Kcal Lượng nhiệt sinh ra do phản ứng (7) Kcal Lượng nhiệt sinh ra ở phản ứng (6) Kcal Vậy tổng lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy 1 Kg than Q = 6435 + 27,85 + 142,6 + 15,52 = 6620,97 Kcal = 27587,375 Kj Q tỏa = 27587,375 Kj (II) c. Tính toán năng suất của không khí nhập liệu cho lò nung Tính cho 1 Kg than Từ các phản ứng (4),(5),(6),(7) ta tính lượng O2 cần thiết Lượng O2 cho phản ứng (4) Kg Lượng O2 cho phản ứng (5) Kg Lượng O2 cho phản ứng (6) Kg Lượng O2 cho phản ứng (7) Kg Tổng lượng O2 cung cấp cho lò nung = 2,189 + 0,0169 + 0,007 + 0,0169 = 2,2298 Kg Năng suất không khí cần cung cấp cho lò nung ứng với 1 Kg than sử dụng Kg Từ (I),(II) ta tính được lượng than cần cung cấp cho lò nung là G than = Kg Do hiệu suất sử dụng than chiếm 90 % nên lượng than cần cung cấp là Kg Lượng không khí cần cung cấp cho lò nung ứng với 320 Kg than là Kg Do hiệu suất không khí sử dụng hiệu quả chiếm 90 % nên lượng không khí cần thiết là Kg Lượng CO2 sinh ra do than cháy ứng với 1 Kg than G = 3,05638 Kg/ngày Kết luận: Năng suất than nhập liệu của than G than = 320 Kg/ngày Năng suất không khí nhập liệu G k = 3964,088 Kg/ngày Lượng nhiệt đã sử dụng cho lò Q = 7904618,75 Kj Tổng lượng CO2 sinh ra do khi 287 Kg than cháy G = 877,181 Kg/ngày 2.2. 2. Phương trình cân bằng vật chất cho lò nung Kcal/mol Để đảm bảo năng suất bột nhẹ là 2 tấn/ngày thì lượng đá vôi cần là 3.636 m3/ngày đã được tính ở phần chỉ tiêu tiêu hao đá. Nguyên liệu đá vôi cần nhập liệu là trong 1 ngày Kg Hiệu suất nung của lò được xem là 90 %, Khi nung lượng đá vôi bị phân hủy là Kg Lượng đá vôi không bị phân hủy là 3636 – 3272,4 = 363,3 Kg Lượng CaO sinh ra là Kg Lượng CO2 sinh ra do đá vôi phân hủy là 3272,4 – 1832,544 = 1439,856 Kg Lượng MgCO3 trong khối lượng nguyên liệu ban đầu Kg Lượng SiO2 và các hợp chất không tan trong HCl có trong nguyên liệu ban đầu Kg Lượng Al2O3 + Fe2O3 có trong nguyên liệu là Kg Lượng H2O có trong nguyên liệu là Kg Giả sử MgCO3 phân hủy hoàn toàn theo phản ứng Lượng CO2 sinh ra do MgCO3 phân hủy là Kg Kết luận: Năng suất đá vôi nhập liệu G đá = 3,636 m3/ngày Năng suất CaO thu được G vôi sống = 1832,544 Kg/ngày Năng suất khí CO2 thoát ra do nung vôi G = 1449,836 Kg/ngày Nhận xét: Từ cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất cho lò nung ta thấy Kg/ngày Xem các khí khác thoát ra cùng với khói lò không đáng kể Tổng năng suất khói thải ra khỏi lò nung G khói thải = Kg/ngày Tỉ lệ CO2 chứa trong khói thải của lò nung là Bàn luận: Do hạn chế thời gian làm đồ án nên chỉ tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, chưa đi vào thiết kế chi tiết lò nung như chiều cao và đường kính, hệ số an toàn cho lò nung, chiều cao của các đoạn làm nguội, nung, sấy nguyên liệu vào, của tháp, trên cơ sở đó sẽ tính toán được nhiệt độ khói lò nung, nhiệt độ vôi ra khỏi lò. Do vậy trong đồ án này các giá trị hiệu suất được chọn trên phương diện kỹ thuật lò nung, các thông số khác được chọn dựa theo số liệu theo sách vở, số liệu đây chỉ phù hợp cho thiết kế qui mô nhỏ dạng pilot làm thử, từ đó có những đánh giá nhận xét, và các số liệu nhận được sẽ khách quan hơn. II. THIẾT BỊ HÒA TAN CaO 1. GIỚI THIỆU Bồn khuấy trộn làm việc liên tục vì quá trình liên tục sẽ dễ dàng điều khiển tự động hóa, thời gian khuấy để đạt cùng yêu cầu công nghệ nhỏ hơn so với quá trình gián đoạn, năng lượng tiêu hao riêng nhỏ hơn và kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn nếu cùng năng suất hoặc năng suất lớn hơn nếu cùng kích thước. 1.1. Hình dáng và cấu tạo bồn khuấy Chú thích 1: Cổng nhập liệu của dòng lỏng 2: Cổng nhập liệu của vôi sống 3: Cổng tháo chất rắn không tan 4: Cổng tháo dung dịch vôi tôi 5: Trục khuấy 6: Động cơ quay trục khuấy 7: Cổng thoát khí 8: Bộ phận đỡ động cơ 1.2. Nguyên tắt hoạt động Nguyên liệu là vôi sống được đưa vào bồn khuấy bằng gầu tải theo cổng nhập liệu số 2, nước được nhập liệu bằng bơm bởi cổng số 1, được cánh khuấy 5 khuấy trộn sau đó sản phẩm được tháo ra tại cổng 4, sản phảm đáy gồm những hợp chất khó tan tháo ra ở cổng 3 theo định kỳ, thiết bị làm việc liên tục, sản phẩm sẽ đưa xuống bể lắng, tại đây các hợp chất không tan và một phần đá vôi chưa chín sẽ được thải bỏ, sản phẩm dạng huyền phù sẽ được chảy tự động qua bể lắng khác, nhằm mục đích làm nguội sản phẩm bằng môi trường ngoài, và được cung cấp thêm nước, sau đó toàn bộ sản phẩm ở bể được bơm vào bồn khuấy thứ 2, tại đây sản phẩm sẽ được pha loãng thêm nước để hạ nhiệt độ sản phẩm, đồng thời tăng khả năng hòa tan của vôi sống trong nước, sản phẩm được đưa xuống bể và được bơm vào bể chứa sản phẩm. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng Chủ yếu là nhiệt độ tỏa ra trong quá trình hòa tan vôi sống sẽ làm hạn chế vôi tan trong nước, do đó cần cung cấp một lượng nước phù hợp cho quá trình hòa tan, chế độ khuấy trộn cũng ảnh hưởng rất lớn đến khuếch tán cấu tử trong quá trình hòa tan. Thời gian khuấy trộn thông thường tối thiểu 2 h để vôi sống có khả năng trương lên khi thấm nước. Nhập liệu liên tục với lượng phù hợp, lượng nước đủ để hòa tan vôi sống trong thời gian khuấy trộn. 2. THIẾT KẾ BỒN KHUẤY TRỘN 2.1. Nguyên liệu 2.1.2. Thành phần nhập liệu Vôi sống dạng bột CaO H2O sạch ít nhiễm các ion kim loại nặng 2.1.3. Thông số trạng thái Nhiệt độ nước vào thiết bị 25oC Nhiệt độ nước ra thiết khỏi thiết bị 50 oC Giả sử tổn thất nhiệt qua thành thiết bị là 0 Hiệu suất phản ứng hòa tan của CaO 80% Khối lượng riêng của nước 997,08 kg/m3 Nhiệt dung riêng của nước trong khoảng nhiệt độ (25 oC – 70 oC) 4,174 Kj/(Kg.oK) 2.2. Cân bằng vật chất & năng lượng cho thiết bị Để sản xuất 2 tấn/ngày sản phẩm bột nhẹ, cần 76,34 Kg/h CaO Phản ứng xảy ra khi hòa tan CaO trong nước CaO + H2O --> Ca(OH)2 Giả sử enthanpy của dung dịch thay đổi không đáng kể trong khoảng từ 25 oC đến 100 oC thì enthanpy của phản ứng trên là 15.6 kcal/mol,lượng nhiệt tỏa ra tương ứng với 76,34 Kg CaO trong 1 h là Kcal = 88616 Kj Theo phương trình cân bằng năng lượng Qt = Qn + Qm Kw Qt : tổng lượng nhiệt tỏa Qn : tổng lượng nhiệt nước hấp thụ Qm : nhiệt tổn thất do truyền qua thành thiết bị phản ứng. Do bỏ qua nhiệt tổn thất qua thành của thiết bị phản ứng thì lượng nước cần cung cấp cho thiết bị hòa tan vôi tối thiểu trong 1h được xác định theo công thức Qt = Gn . Cn . (tc – td) Kj Gn : năng suất nhập liệu của nước trong Kg/h tc , td : nhiệt độ đầu vào và ra của nước, oC Cn : nhiệt dung riêng của nước, Kj/(Kg.oK) Kg/h Năng suất nhập liệu tương ứng là 0,8517 m3/h Gn : đây là nước cần cấp để giải nhiệt cho thiết bị Lượng nước cần cung cấp cho phản ứng tối thiểu theo phương trình phản ứng là 19,63 kg/h Năng suất nước nhập liệu 0,0197 m3/h Nồng độ của Ca(OH)2 mol/l Khối lượng hỗn hợp sản phẩm thu được trong 1h kg Khối lượng riêng của dung dịch Ca(OH)2 Trong đó X1, X2 là nồng độ phần khối lượng các cấu tử có trong hỗn hợp kg/m3 kg/m3 Trong đó X1, X2 là % khối lượng các cấu tử có trong hỗn hợp Năng suất sản phẩm là 88,82 m3/h 2.3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 2.3.1. Các thông số của thiết bị bồn khuấy Thể tích nước chứa trong bồn khuấy trộn nhằm tạo không gian khuấy trộn cho quá trình hòa tan được thuận lợi, đồng thời lượng vôi nhập liệu được xem là đạt tiêu chuẩn về độ chín của vôi, lượng nước trong bồn khuấy trộn lớn sẽ làm cho thời gian lưu trong thiết bị lâu đủ thời gian để đá vôi tan ra. Các thông số được chọn dựa trên kinh nghiệm thực tế Φ đuờng kính thân bồn khuấy 1000 mm Φ đuờng kính ống nhập liệu và tháo liệu (nước) 160 mm H1 chiều cao thân trụ 1400 mm H2 chiều cao thân nón 400 mm Hệ số làm đầy φ 0,63 Như vậy V hình nón cụt = .. H2 . (R2 +R . r + r2 ) m3 V hình trụ = p. Φ2.H1 = . 3,14.12.1,4 = 1,26 m3 V bồn khuấy = 0,124 + 1,26 = 1,384 m3 Thể tích (V) nước chứa trong bồn khuấy là 0,87 m3 2.3.2. Cánh khuấy Do dung dịch khuấy dạng huyền phù nên cánh khuấy được chọn là cánh khuấy mỏ neo Φ: đường kính trục khuấy 100 mm Φ: đường kính cơ cấu khuấy 800 mm n: số vòng/s 0,3 – 0,97 N: công suất của động cơ 0,01 – 1,43, Kw (Số liệu được lấy dựa theo bảng 2.4 sách “Các Máy Khuấy Trộn Trong Công Nghiệp – Nguyễn Minh Tuyển, trang 44) Kết luận Vậy năng suất dòng nhập liệu của CaO là 76,34 Kg/h Lượng CaO phản ứng cần thiết là 61,08 kg/h Năng suất nhập liệu của nước là 0,8714 m3/h Năng suất dòng sản phẩm là 88,82 m3/h Loại cánh khuấy mỏ neo Thể tích nước bồn khuấy 1,384 m3 Thể tích nước chứa trong bồn 0,87 m3 Bàn luận Việc tính toán thiết kế thiết bị dựa trên cở sở của các quá trình truyền nhiệt, truyền khối, các thông số được chọn mang tính chất cơ sở lý thuyết và khả thi cho thiết bị cũng như phù hợp cho kỹ thuật phản ứng. III. THIẾT BỊ LÀM SẠCH KHÍ LÒ VÔI 1. GIỚI THIỆU Để làm sạch khói thải loại bỏ những tạp chất cơ học chúng ta có rất nhiều phương pháp như Làm sạch bằng phương pháp khô Làm sạch bằng phương pháp ướt Thiết bị lọc Do nhiệt độ khói thải cao, lại nhiễm bụi nên phương án tối ưu là làm sạch bằng phương pháp ướt 1.1. Hình dáng cấu tạo Chú thích 1: Cửa nhập liệu của khói thải 2: Cửa nhập liệu của nước 3: Của tháo nước nhiễm bẩn 4: Cửa thoát khí sạch 5: Mặt bích gắn bulong 1.2. Nguyên tắt hoạt động Khói lò sẽ được dẫn vào thiết bị làm nguội và đồng thời rửa bụi bằng tháp đệm nhằm làm giảm trở lực trong so với bồn sục nước, trở lực lớn nên chi phí năng lượng sẽ cao hơn, dung môi làm sạch khí là nước theo cổng 2, khí trơ đi ra ngoài theo cổng 4 được chia thành hai dòng (nhiệt độ của khí trơ lúc này vẫn còn cao), dòng 1 sẽ tiếp tục được làm nguội bằng nước hoặc làm nguội tự nhiên trên đường ống dẫn đến khi đạt nhiệt độ là khoảng 25 oC, sau đó được dẫn vào thiết bị phản ứng kết tủa với Ca(OH)2. Dòng 2 sẽ được quạt hút hút về thiết bị sấy để sấy khô sản phẩm bột nhẹ, nhiệt độ của dòng tác nhân sấy khoảng 150 oC đến 200 oC. Dòng nước thải trong quá trình xử lý sẽ được lọc bẩn và làm nguội để sử dụng lại. 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÓI LÒ 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Thành phần nhập liệu Khói lò, nước 2.1.2 Thông số trạng thái Đầu vào Năng suất khói lò 6291,105 kg/ngày Nhiệt độ khói lò 900 oC Cpk không khí lấy gần đúng ỏ 900 oC 1,29 Kj/(Kg.K) Cpk không khí lấy gần đúng ỏ 300 oC 1,122 Kj/(Kg.K) Nhiệt độ nước 25 oC Cpn nước lấy gần đúng (ở nhiệt độ tính toán) là 4,174 Kj/(Kg.K) Lượng khí CO2 tổn thất khi làm sạch 5% Đầu ra - sử dụng cho thiết bị sấy 300 oC - sử dụng cho thiết bị phản ứng 25 oC 2.2. Cân bằng vật chất và năng lượng Q khói tỏa = Q nước nhận Q khói tỏa = G khói lò.Cpk.(t vào – t ra) = 6291,105 . 1,29 . (900 – 300) = 4869315,27 Kj/ngày Q nước nhận = Gn . Cpn . (t ra – t vào) Kg/ngày - Tính toán dòng khí cho phản ứng kết tủa lượng CO2 cần là 960 Kg/ngày Nhiệt độ khói lò cần giảm đến 25 oC để sử dụng cho thiết bị kết tủa. Lượng nước cần dùng Q khói tỏa = G khói lò.Cpk.(t vào – t ra) = 2594,59 . 1,122 . (300 – 25) = 800560,7445 Kj/ng Q nước nhận = Gn . Cpn . (t ra – t vào) Kg/ngày Tính lượng CO2 còn lại trong khói thải sau khi qua thiết bị làm sạch khí Lượng CO2 tổn thất kg/ngày Năng suất khói thải CO2 khi ra khỏi thiết bị làm nguội khí kg/ngày kg/ngày Tỉ lệ CO2 trong khói thải Bàn luận : Người ta có 2 cách trong việc làm giảm nhiệt độ khói lò nung Một là làm nguội bằng không khí, tức là dẫn khí trong ống cho tỏa nhiệt ra môi trường, các ống dẫn khí thiết kế là những ống cong để tăng bề mặt truyền nhiệt tự nhiên cho đến nhiệt độ đạt yêu cầu, phương pháp này có rất nhiều ưu điểm như chi phí năng lượng thấp trong việc xử lý làm nguội khói lò bằng phương pháp cưỡng bức. Hai là làm nguội bằng nước, phương pháp này nhanh hơn nhưng chi phí năng lượng cao hơn, lượng nước sử dụng lớn. Tuy nhiên trong bài toán này do khói lò có tạp chất cơ học nên để đảm bảo độ tinh khiết sản phẩm nên chọn phương án hai. Lượng nước sử dụng cho thiết bị này là Gn = 16251,873 kg/ngày. Nhiệt độ khói lò sử dụng cho thiết bị phản ứng tạo bột nhẹ là 25 oC Nhiệt độ khói lò sử dụng cho thiết bị sấy không khí là 300 oC IV. THIẾT BỊ SẤY PHUN 1. GIỚI THIỆU 1.1. Hình dáng, cấu tạo Chú thích 1 : Dòng khí nòng 2 : Thiết bị phun huyền phù 3 : Cửa thoát khí ẩm 4 : Của tháo sản phẩm bột khô 1.2. Nguyên tắt hoạt động Dụng dịch chứa CaCO3 dạng huyền phù được bơm hút phun thành những giọt có kích thước nhỏ trong thiết bị từ trên cao, dòng khí nóng vào thiết bị từ cửa 1 hướng dưới lên, khi hai pha tiếp xúc nhau, lượng ẩm sẽ bị bốc hơi thoát ra ngoài theo cửa 3, sản phẩm khô sẽ rớt xuống đáy và được tháo ra ngoài theo cửa 4, có thể được tháo ra ngoài nhờ vít tải... 2. TÍNH TOÁN BUỒNG SẤY 2.1. Nguyên liệu Bột nhẹ dạng huyền phù Khí nóng từ khói lò nung 2.2. Thông số trạng thái Độ ẩm bột nhẹ ban đầu ω1 37 % - 47 % Nhiệt độ tác nhân sấy 200 oC Nhiệt độ ra khỏi buồng sấy 100 oC Độ ẩm sản phẩm ω2 10,53 % - 12,87 % Năng suất tính theo vật liệu khô G1 90,09 kg/h Thông số không khí ngoài trời Nhiệt độ 25 oC – 30 oC Độ ẩm 69,4 % Enthanpy của không khí Io 58,3 Kj/Kg kk Độ chứa hơi do 0,0135 Kj ẩm/Kg kk Nhiệt dung riêng của không khí 200 oC Cp 1,026 Kj/Kg K Kết cấu tạo sương dưới áp suất 60 at, hệ số lưu lượng vòi phun μ 0,6 Giả sử tổn thất nhiệt trong quá trình sấy Δ -96,296 Kj/kg ẩm Khối lượng riêng của dung dịch huyền phù 2830 Kg/m3 Giá trị cường độ bốc hơi A (8 – 12) kg/m3.h Thời gian sấy điều kiện tối ưu t 7 phút Năng suất sản phẩm 2000 kg/ngày 2.3. Cân bằng vật chất & năng lượng Lưu lượng dịch thể đưa vào buồng sấy Kg/h G1 : năng suất sản phẩm G2 : năng suất nhập liệu (dạng huyền phù) Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1h W = G – G1 = 136,047 – 90,9 = 45,147 kg Tính toán quá trình sấy thực Giá trị I1 được xác định theo giả tích như sau I1 = 1,004 t1 + d1(2500 + 1,842 t1) = 1,004. 200 + 0,0135.(2500 + 1,842 . 200) = 239,523 kj/kg kk Thông số tác nhân sấy sau quá trình sấy thực d2 = d1 + = 0,0135 + = 0,050 Kj ẩm/kg kk I2 = 1,004 t2 + d2(2500 + 1,842 t2) = 1,004.100 + 0,05.(2500 + 1,842.100) = 234,61 kj/kg kk Lượng không khí thực tế cần thiết l = = = 27,397 kg kk/kj ẩm L = W.l = 27,397 . 45,147 = 1236,89 kg kk/h Đường kính tiết diện ra của vòi phun = 1,7. 10-5 m3/s = 6,69. 10-3 m = 6,69 mm Thể tích buồng sấy xác định theo công thức V = m3 Chọn thể tích chế tạo thiết bị là 1 m3 Chọn đường kính thiết bị D = 0,8 m Chiều cao thiết bị là H = m Vậy chọn thiết bị chiều cao tương ứng là 2 m Tổng nhiệt lượng tiêu hao Q = L.(I1 – Io) = 1236,89 . (239,523 – 58,3) = 224152,92 kj/h V. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 1. GIỚI THIỆU 1.1. Hình dáng cấu tạo Chú thích 1: dòng khí 2: dòng lỏng 3: dung dịch 4: khí trơ 5: cửa sữa chữa 6: thiết bị phân phối lỏng 7: mặt bích gắn bulong 1.2. Nguyên lý hoạt động Khói lò được dẫn vào thiết bị theo cửa số 1, dung môi là vôi tôi được nhập liệu qua cửa số 2, hai pha tiếp xúc nhau trên bề mặt riêng của lớp đệm và xảy ra phản ứng, sản phẩm dạng huyền phù được tháo ra ngoài theo cổng 3, sau đó được đưa qua các bể lắng để tách bớt nước trước khi chúng được phun vào máy sấy, khí trơ trong khói thải được thoát ra ngoài theo cửa số 4 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 2.1. Nguyên liệu Khí CO2, sữa vôi dùng dư 20% 2.2. Thông số trạng thái nhập liệu Nhiệt độ dòng khí 25 oC Nhiệt độ dòng lỏng 25 oC Năng suất sản phẩm thu được trong mỗi giờ 90.9 kg/h Năng suất nhập liệu của Ca(OH)2 là 80,72 kg/h Năng suất nhập liệu của dd Ca(OH)2 88,82 m3/h Khối lượng riêng của Ca(OH)2(r) ở 25 oC 2211 kg/m3 Khối lượng riêng của dung dịch Ca(OH)2 10,47 kg/m3 Khối lượng riêng của nước ở 25 oC 997,08 kg/m3 Năng suất nhập liệu của CO2 , 38,39 kg/h Năng suất của khói thải nhập liệu là 103,77 kg/h Bề mặt riêng của lớp đệm σ 55-750 m2/m3 Hệ số khuếch tán của CO2 trong nước 0.1387 . 10-4 m2/s Khối lượng riêng của khói lò ở 25 oC, ρ 1,295 kg/m3 Độ nhớt động lực học của khói lò ở 25 oC, µ 15,8.10-6 N.s/m2 Độ nhớt động học của khói lò ở 25 oC, v 12,2.10-6 m2/s Bề mặt riêng của đệm, σ 700 m2/m3 Đường kính tương đương de, 0,005 m 2.3. Cân bằng vật chất và năng lượng 2.3.1. Tính toán đường kính tháp đệm năng suất nhập liệu của dòng khí m3/h Giá trị Re của dòng khí Trong đó Mặt khác Trong đó là vận tốc dòng khí chảy trong ống m/s Đường kính thiết bị m Vậy chọn giá trị đường kính tháp là m 2.3.2. Tính chiều cao tháp đệm Xác định hệ số cấp khối của CO2 Ta có Mặt khác Do phản ứng một chiều nên nồng độ cân bằng , mol/m3.s Dựa vào phương trình cân bằng vật chất trong thiết bị ta có phương trình sau Trong đó V: thể tích hỗn hợp phản ứng trong tháp : độ chuyển hóa của CO2 và xem như chuyển hóa hoàn toàn nên : năng suất nhập liệu của CO2 trong 1 h (mol/s) m3 Thể tích tự do của lớp đệm m3/m3 Thể tích của thiết bị m3 Chiều cao thiết bị Trong đó H: chiều cao cột đệm A: tiết diện ngang của thiết bị m Chiều cao làm việc của tháp là 4,5 m, Chọn toàn bộ chiều cao tháp là 6 m. Kết luận Chiều cao cột đệm 4,5 m Chiều cao tháp đệm 5,2 m Đường kính thiết bị 0,8 m 2 đáy của tháp dạng hình nón cụt 2.3.3. Tính bền cho thiết bị 2.3.3.1. Chọn vật liệu chế tạo Môi trường làm việc có độ bazơ mạnh, làm việc ở nhiệt độ, áp suất thường. Do vậy vật liệu phải có tính chồng ăn mòn với môi trường kiềm. Nên vật liệu chế tạo là gang chịu kiềm, kí hiệu là G.K Gang này được chế tạo bằng cách cho vào gang xám một ít chất trợ dung ta sẽ có gang chịu kiềm. Bảng: Thành phần hóa học của gang chịu kiềm Thành phần hóa học Mã hiệu gang G.K-1 G.K-2 C tổng 3,2 ÷ 3,6 3,2 ÷ 3,6 C liên kết 0,5 ÷ 0,8 0,5 ÷ 0,8 Si 1,2 ÷ 1,5 1,5 ÷ 2,0 Mn 0,5 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,8 P 0,2 ÷ 0,3 0,3 S bé hơn 0,1 0,1 Cr 0,6 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,6 Ni 0,8 ÷ 1,0 0,35 ÷ 0,5 Cơ tính Độ võng, mm ; đối với mẫu dài L=600 mm 8 ÷ 9 8 ÷ 9 σB, N/mm2 320 ÷ 380 320 ÷ 380 Độ cứng HB 200 ÷ 320 210 ÷ 260 2.3.3.2. Tính bền cho thân thiết bị Thân thiết bị là thân trụ hàn, làm việc với áp suất thường. Chọn tốc độ ăn mòn của thiết bị C = 0,75 mm/năm. Trong đó có sử dụng các biện pháp chống ăn mòn đơn lẻ như, bên trong và bên ngoài thân thiết bị được sơn một lớp sơn chống ăn mòn với môi trường làm việc. Giả sử thời gian sử dụng thiết bị là 10 năm. Thì bề dày thiết bị bị ăn mòn là 7,5 mm. Như vậy thân thiết bị được chọn có bề dày là 13 mm. 2.3.3.3. Tính bền cho mối ghép bích Do thiết bị làm việc áp suất thường nên việc tính bền cho thiết bị hết sức đơn giản. Loại bích dùng cho thiết bị là bích hàn phẳng. Các số liệu cho bích tra sổ tay như sau Bảng 14: các số liệu của mặt bích liền phẳng (tra trong sách SỔ TAY QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT – tập 2, Bảng XIII, trang 421 ) đường kính trong của thiết bị 800 mm đường kính ngoài của thiết bị 819 mm đường kính ngoài của bích 1019 mm đường kính vòng của bulong 925 mm bu lông đặt cách thân thiết bị 50 mm đường kính bulong M30 số lượng bu lông 40 chiều dày của mặt bích 40 mm CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 1. Chọn bơm Ứng với mỗi thiết bị ta có năng suất nhập liệu khác nhau, do đó tương ứng với mỗi năng suất đó chúng ta sẽ chọn lựa các loại máy bơm cho phù hợp, sao cho ở chế độ năng suất như thế máy bơm hoạt động tốt nhất và công suất tiêu thụ năng lượng của nó là thấp nhấp. Nếu nhập liệu là khí ta chọn quạt hút theo đúng năng suất tính toán, nếu nhập liệu là nước thì ứng với năng suất trong qui trình ta chọn máy bơm cho phù hợp. Chúng ta không cần tính toán, chỉ cần ra cửa hàng xem các catalog về máy bơm có trình bày đầy đủ về năng suất, công suất, tiêu hao năng lượng…. mà chọn theo nhu cầu của chúng ta. 2. Các thiết bị vận chuyển trong nhà máy Các thiết bị như gầu tải, băng tải để vận chuyển vật liệu, sản phẩm…, các xe tải đưa các sản phẩm đến nhà kho, các thiết bị nâng đỡ để hỗ trợ trong việc sản xuất 3. Các tiện nghi hỗ trợ sản xuất 3.1. Hệ thống đường ống dẫn Lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn, phù hợp với điều kiện chống ăn mòn ở điều kiện làm việc. Đường kính ống phải được tính toán và lựa chọn hợp lý để đảm bảo tính kinh tế của dự án, cách bố trí các đường ống sao cho dễ kiểm soát, dễ sữa chữa, dễ nhận biết lưu chất chảy trong ống bằng cách sơn màu đường ống để làm dấu. Lựa chọn các van trên đường ống cho phù hợp vừa bảo vệ được thiết bị, và đường ống dẫn. Đặt biệt cần quan tâm tính toán đến vấn đến vấn đề tổn thất áp suất trên đương ống, nhất là các đường ống dẫn hơi, dẫn nhiệt… 3.2. Dụng cụ đo và kiểm soát quá trình Ở mỗi thiết bị nếu đòi hỏi phải biết nhiệt độ, áp suất, lưu lượng… để làm thông số điều khiển cho hệ thống thì cần phải được tính toán để chọn dụng đo có khoảng đo phù hợp 3.3. Các nguồn cung cấp năng lượng cho nhà máy Tính toán năng lượng cần thiết cho nhà máy như năng lượng điện, nước, hơi để cung cấp cho nhà máy hoạt động, 3.4. Hệ thống cấp thoát nước cho nhà máy Tính toán xây dựng hệ thống cấp thoát nước cho nhà máy hợp lý, như các đường cấp nước sạch sinh hoạt cho nhà máy, các đường cấp nước cho từng phân xưởng hoạt động của nhà máy, các đường nước thải của nhà máy và các đường thoát nước mưa, nước sinh hoạt của nhà máy phải riêng với đường dẫn nước thải của nhà máy để giảm chi phí xử lý nước thải của nhà máy PHẦN 4: TÍNH KINH TẾ CHO NHÀ MÁY 1. NGUỒN NHÂN LỰC CHO NHÀ MÁY 1.1. Công nhân trực tiếp làm tại phân xưởng cho nhà máy STT Loại công việc Tổng số công nhân 1 2 3 4 5 6 Phân xưởng lò nung Phân xưởng hòa tan CaO Phân xưởng xử lý khói lò nung Phân xưởng sản xuất bột nhẹ Phân xưởng sây bột nhẹ Phân xưởng đóng gói sản phẩm, dán nhãn 6 4 1 4 2 8 Phân xưởng lò nung: 2 công nhân làm việc tại cổng tháo sản phẩm, 2 công nhân đảm trách nhập liệu, 2 công nhân dảm trách việc kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm trong quá trình vận chuyển sản phẩm lên bồn chứa. Phân xưởng hòa tan CaO: 2 công nhân làm việc vận chuyển nguyên liệu, 1 công nhân giám soát nhập liệu, 1 công nhân giám soát tháo sản phẩm Phân xưởng xử lý khói lò nung: do qui trình khép kín nên tự động hóa nên chỉ cần 1 công nhân giám sát quá trình Phân xưởng sản xuất bột nhẹ: 2 công nhân chịu trách nhiệm khâu nhập liệu, 2 công nhân chịu trách nhiệm khâu sản phẩm Phân xưởng sấy bột nhẹ: 2 công nhân tham gia giám sát Phân xưởng đóng gói dán nhãn sản phẩm: 8 công nhân trong đó bao gồm cả công nhân vận hành máy và công nhân dán nhãn cho sản phẩm 1.2. Nguồn lao động gián tiếp trong nhà máy Giám đốc 1 người Thư kí 1 người Kế toán 2 người Kĩ sư 2 người Thủ quĩ 1 người Thủ kho 1 người Phòng vật tư 1 người Tài xế 1 người Bảo vệ 4 người Tạp vụ 2 người 1.3. Tiền lương cho nguồn lao động trong nhà máy Lương lao dộng trực tiếp 2,5 triệu/tháng Lương lao động gián tiếp bình quân 6 triệu/tháng Chi phí cho bảo hiểm, tiền thưởng, phúc lợi xã hội là 50 triệu/tháng Tổng chi phí = 2,5.25 + 8.16 + 50 = 240,5 triệu/tháng 2. VỐN DẦU TƯ 2.1. Vốn cho xây dựng nhà máy Bao gồm vốn xây đựng các phân xưởng, xây dựng các nhà hành chính, nhà kho, các bể lắng trọng lực… Giả sử là 1 tỉ đồng 2.2. Vốn đầu tư mua trang thiết bị Các trang thiết bị cần mua như Thiết bị chính: thiết bị hòa tan CaO, thiết bị làm sạch khói lò, thiết bị phản ứng tạo sản phẩm CaCO3, thiết bị sấy phun, thiết bị đóng gói sản phẩm, bồn chứa sản phẩm Thiết bị phụ: bơm nước, quạt hút, ống dẫn, các van khóa, các dụng cụ đo nhiệt độ và đo lưu lượng, thiết bị thổi khí làm sạch vôi chín, bulong, mặt bích, đệm.. Tổng chi phí cho vốn đầu tư giả sử là 2,5 tỉ đồng 2.3. Chi phí nguyên nhiên liệu, năng lượng cho nhà máy Chi phí mua than đốt cho lò nung, năng lượng điện để chạy các động cơ điện và sử dụng trong nhà máy, xăng cho quá trình vận chuyển nguyên liệu, sản phẩm bằng phương tiện giao thông Giả sử chi phí cho một ngày là 300 triệu đồng 2.4. Các khoản chi phí khác trong 1 năm Lãi xuất ngân hàng với 1,6 % vốn vốn đầu tư gồm xây dựng và vật tư Tổng chi phí là = 1,6 %.3,5 (tỉ) = 56 triệu đồng/năm Là số tiền trả lãi ngân hàng hàng năm 3. GIÁ THÀNH SẢN PHẨM 3.1. Tổng chi phí Chi phí trong một năm Tổng chi phí = chi phí vốn đầu tư trang thiết bị + chi phí xây dựng + chi phí nguyên nhiên liệu + chi phí lãi ngân hàng + chi phí lao động, phúc lợi, quảng cáo sản phẩm = 2,5 + 1 + 0,3 + 0,056 + (240,5.12 + 114) = 7,36 tỷ đồng Năng suất sản phẩm trong 1 năm G = 2000.365 = 730000 kg/năm 3.2. Tổng doanh thu Scp: tổng chi phí G: năng suất sản phẩm trong 1 năm Khấu hao chi phí trong 1 sản phẩm là nghìn đồng Giá bán sản phẩm là 12000 / kg sản phẩm Lợi nhuận khi bán được 1 sản phẩm = 12000 – 10083 = 1917 nghìn đồng Lợi nhuận trước thuế trong 1 năm = 730000.12000 - 7360000000 = 1,4 tỉ đồng Lợi nhuận sau thuế = 1,4 – 1,4.2% = 1,372 tỉ đồng/năm PHẦN 5 : XÂY DỰNG NHÀ MÁY Để xây dựng nhà máy thích hợp chúng ta cần lựa chọn địa điểm xây dựng trước khi tiến hành thiết kế tổng quan nhà máy. 1. LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG 1.1. Cơ sở để xác định địa điểm xây dựng Xác định mục đầu tư Các tài liệu qui hoạch lãnh thổ, vùng kinh tế, bản đồ qui hoạch các khu công nghiệp tập trung của thành phố. Các dữ liệu điều tra cơ bản gồm Các tài liệu tự nhiên Tài liệu thủy văn địa chất ở địa phương Tài liệu kỹ thuật thi công xây dựng Khí hậu xây dựng Tài liệu kinh tế kĩ thuật Tài liệu kiến trúc đo thị văn hóa xã hội 1.2. Các yêu cầu đối với dịa điểm xây dựng Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng của nhà máy được chia thành 2 loại: 1.2.1. Các yêu cầu chung Về qui hoạch: Địa diểm xây dựng được lựa chọn phải phù hợp với qui hoạch lãnh thổ, qui hoạch cụm kinh tế công nghiệp đã được các cấp lãnh đạo có thẩm quyền phê duyệt, Tạo điều kiện phát huy tối đa công suất của nhà máy với các nhà lân cận. Về các điều kiện tổ chức sản xuất: Địa điểm xây dựng cần thõa mãn các điều kiện sau: phải gắn với vùng cung cấp nguyên liệu cho sản xuất, và gắn với nơi tiêu thụ sản phẩm của nhà máy, gắn các nguồn cung cấp năng lượng, nhiên liệu như điện, nước như vậy sẽ hạn chế tối đa các chi phí vận chuyển, hạ giá thành sản phẩm góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhà máy. Điều kiện hạ tầng kĩ thuật: Địa điểm xây dựng phải đảm bảo được sự hoạt động liên tục của nhà máy, do vậy cần phải chú ý các yếu tố sau Phù hợp và vận dụng tối đa hệ thống giao thông quốc gia bao gồm: đường bộ, đường sắt , đường sông, đường biển kể cả đường không. Phù hợp và vận dụng tối đa hệ thống mạng lưới cung cấp điện, thông tin liên lạc và các mạng lưới kĩ thuật. Nếu ở địa phương chưa có sẵn các điều kiện hạ tầng kĩ thuật trên phải xét đến khả năng xây dựng hiện tại và tương lai có khả thi không. Khả năng nguồn cung cấp vật liệu, vật tư xây dựng để giảm bớt chi phí giá thành đầu tư xây dựng của nhà máy, hạn chế tối đa vận chuyển vật tư từ xa đến. Khả năng cung ứng nhân công trong quá trình xây dựng nhà máy sau này. Do vạy trong quá trình thiết kế cần xác định số công nhân của nhà máy và khả năng cung cấp công nhân ở địa phương khác. 1.2.2. Các yêu cầu về kĩ thuật xây dựng Về địa hình: Khu đất phải có kích thước và hình dạng thuận lợi cho việc xây dựng trước mắt cũng như việc mở rộng nhà máy trong tương lai. Kích thước, hình dạng và quy mô diện tích khu đất nếu không hợp lý sẽ gây khó khăn trong quá trình thiết kế bố trí dây chuyền công nghệ cũng như việc bố trí các hạng mục công trình trên mặt bằng khu đất. Do đó khu đất dược lựa chọn cần đáp ứng các yêu cầu sau Khu đất phải cao ráo, tránh ngập lụt trong mùa mưa lũ, có mực nước ngầm thấp tạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát nước thải và nước mặt dễ dàng Khu đất phải tương đối bằng phẳng và có độ dốc tự nhiên tốt nhất là i = (0,3 – 3) % để hạng chế tối đa cho kinh phí san lấp mặt bằng cũng như giảm chi phí năng lượng cho việc lưu thông các động cơ trong nhà máy Về địa chất: Khu đất được lựa chọn cần lưu ý các yêu cầu sau: không nămf trên các vùng có mỏ khoáng sản hoặc địa chất không ổn định như hiện tượng động đất, xói mòn, cát chảy… cường độ khu đất xây dựng là 1,5 – 2,5 kg/cm2. Nên xây dựng trên nền đất sét, sét pha cát, đất đá… để giảm chi phí gia cố nền móng các hạng mục công trình có tải trọng lớn. Vị trí: cần cách xa khu dân cư ít nhất 1 km nếu nhà máy có nguồn độc hại, nhằm hạn chế gây ảnh hưởng đến môi trường sống của cộng đồng. Và cách ít nhất là 500 m nếu không có nguồn độc hại. Các yếu tố ảnh hưởng đến: 1.2.3. Qui hoạch địa điểm xây dựng Phải đảm bảo hành lang an toàn khi xây dựng, thông thường các đường giao thông luôn có lộ giới. Do vậy khi công ty gần đường giao thông, có một phần đất của công ty nằm trong phạm vi mốc ranh giới đường thì tuyệt đối không được xây dựng trên phần đất đó. Chọn hướng gió và hướng chiếu sáng sao cho phù hợp Việc chọn hướng gó hợp lý nhằm tạo điều kiện cho các chất độc của công ty được gió cuốn đi không gây ảnh hưởng đến hoạt động, sinh hoạt, sản xuất tại công ty đó. Khi xây dựng lò đốt cho công ty cần chọn xác định được hướng gió vào và ra khỏi công ty để xây dụng cho hợp lý. Hướng chiếu sáng cũng rất quan trọng, đối với nhà máy hóa chất các hóa chất dễ bay hơi nên cần giảm độ chiếu sáng trong nhà máy. Để giảm cường độ sáng các phân xưởng nên xây theo hướng Bắc –Nam là hướng mặt tiền hoặc sau lưng của phân xưởng. Hoặc xây dựng theo hướng sao cho phương chiếu sáng hợp với phân xưởng góc 45 o. Xây dưng nhà máy cũng cần quan tâm đến vần đề cảnh quan nhà máy vừa tạo được ấn tượng của nhà máy trong khu công nghiệp, vừa tạo được niềm tin ở khách hàng. Phù hợp với địa hình đất đai. Kiến trúc phải phù hợp với lô đất Tỉ lệ xây dựng hợp lý, đảm bảo tỉ lệ cây xanh, đường giao thông cho nhà máy 1.2.4. Các khối nhà chính trong nhà máy Khu sản xuất Kho bãi Khu động lực (trạm phát điện, nồi hơi, nhiên liệu….) Khu hành chính phục vụ sản xuất Khu xử lý nước cấp, chất thải của nhà máy Các điểm chú ý khi bố trí các khối nhà trong nhà máy Nếu qui mô không lớn thì nên kết hợp các nhà chức năng vào một khối nhà để giảm chi phí xây dựng. Bố trí giao thông hợp lý, không giao với khu vực đi lại của công nhân Cô lập các khu vực ô nhiễm, dễ cháy nổ (đặt ở cuối hướng gió, cuối khu nhà…) Tăng độ chiếu sáng tự nhiên của khôi nhà (bố trí hướng Nam –Băc, khoảng cách giữa ác lô nhà phải lớn hơn chiều cao nhà) Các phân xưởng phục vụ sản xuất phải đặt gần phân xưởng chính. Khu năng lượng phải đặt gần khu sản xuất để giảm tiêu hao khi vận chuyển, nhưng phải cách ly an toàn. Kho bãi phải bố trí thuận lợi cho việc giao thông Nhà vệ sinh không đặt quá xa nơi làm việc. 2. XÂY DỰNG NHÀ MÁY 1.1. Các yêu cầu khi xây dựng Việc chọn lựa phương pháp xây dựng nhà máy phụ thuộc rất nhiều đến qui trình công nghệ sản xuất trong nhà máy, khi chúng ta hiểu rõ được qui trình sản xuất chúng ta sẽ đưa ra phương án xây dựng nhà máy cho phù hợp 1.2. Các phương án xây dựng 1.2.1. Nhà một tầng Kết cấu đơn giản. Dễ bố trí thiết bị trong dây chuyền công nghệ. Chiếm nhiều diện tích đất. Sử dụng cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp có nhiều thiết bị nặng. 1.2.2. Nhà nhiều tầng: Cấu tạo phức tạp, không gian hẹp. Không tốn nhiều diện tích đất xây dựng. Dùng bố trí các dây chuyền sản xuất cần tận dụng chiều cao. 1.2.3. Phân xuởng lộ thiên: Kết cấu đơn giản, chi phí xây dựng thấp. Sử dụng khi cần lắp đặt thiết bị có kích thước lớn, dây chuyền cần có sự thông thoáng. Nhược điểm: việc bảo vệ thiết bị không bị tác động của môi trường là tốn kém. 1.2.4. Bố trí hành lang: Hành lang phải bố trí phù hợp với chiều giao thông. Đảm bảo chiều rộng để dễ di chuyển B ³ 1,4 m 1.2.5. Bố trí cầu thang: Cách bố trí: + Giữa nhà. + Hai đầu nhà. Phải có cầu thang thoát hiểm. Cầu thang phải được chiếu sáng (tỉ lệ chiếu sáng tự nhiên ³ 50%). 1.2.6. Bố trí cửa ra vào: Bề rộng cửa B ³ 0,8 m. Xưởng sản xuất phải bố trí ít nhất từ 2 cửa trở lên. Khoảng cách từ chỗ công nhân làm việc xa nhất đến vị trí cửa: + Khu nguy hiểm £ 40m. + Khu không nguy hiểm £ 100m. 1.2.7. Yêu cầu thông gió: Sử dụng phương pháp đối lưu tự nhiên (Bố trí hướng nhà). Sử dụng phương pháp nhân tạo (Dùng quạt). Yêu cầu thông gió phải đảm bảo giải tỏa nhiệt phát ra do sản xuất và con người. (Nếu Q ³ 24 Kcal/h sẽ gây nóng). Lưu ý: Giảm bụi và điều chỉnh độ ẩm trong không gian. + Làm việc (Độ ẩm thấp da bị khô, Độ ẩm cao da khó thoát mồ hôi). + Nếu môi trường có j > 80% và v > 2m/s thì công nhân được giảm giờ làm. 1.2.8. Yêu cầu chiếu sáng: Ưu tiên chiếu sáng tự nhiên: Bố trí hướng nhà (Hướng Bắc – Nam). Tăng diện tích cửa sổ. Sử dụng cửa mái, tôn sáng. Sử dụng các loại đèn có công suất nhiệt thấp. Bố trí đèn hợp lý, kết hợp chiếu sáng tự nhiên với chiếu sáng nhân tạo 1.2.9. Tiếng ồn: Tiếng ồn cho phép: + Yếu < 40 dB. + Trung bình (40 ¸ 90) dB. + Lớn > 90 dB. Nếu tiếng ồn vượt mức cho phép từ (15 ¸ 20)dB thì hiệu suất lao động giảm từ 10 ¸ 20%. Phải có các biện pháp giảm tiếng ồn, cách ly nguồn gây ra tiếng ồn. 1.3. Các công trình phụ 1.3.1. Cổng nhà máy: Là hình thức bộ mặt của Nhà máy. Cần quy hoạch theo mức độ giao thông của nhà máy. Chiều rộng cổng từ (4,5 ¸ 10)m. Bố trí theo cạnh dài của lô đất và hướng vào khu dân cư, trục giao thông. Cần bố trí cổng phụ nếu mật độ giao thông cao. Đường giao thông nội bộ: Phương tiện giao thông nội bộ: Đường ôtô. Đuờng ray. Đường ống vận chuyển. Băng chuyền. Đường ôtô: Loại 1: Hàng hóa vận chuyển > 1,2 triệu tấn/năm. Loại 2: Hàng hóa vận chuyển (0,3 ¸ 1,2) triệu tấn/năm. Loại 3: Hàng hóa vận chuyển < 0,3 triệu tấn/năm. b. Đường ống, cáp treo, cẩu chạy: Bố trí trên không nên chiếm ít diện tích. Vận chuyển dễ dàng từ vị trí này sang vị trí khác với khoảng cách ngắn. Chi phí chế tạo, vận hành cao. 2.3.3. Bố trí mạng ống công nghiệp: a. Các loại mạng ống công nghiệp: Ống dẫn nước (nước cấp, nước thải). Ống dẫn nhiên liệu (gas, dầu). Đường điện động lực. Đường dây liên lạc. b. Cách bố trí: Bố trí nổi (Chi phí thấp, dễ sửa chữa, tốn diện tích, thiếu mĩ quan, không an toàn). Bố trí chìm (Chi phí trung bình, khó sưả chữa, an toàn, ít chiếm diện tích, mĩ quan). Bố trí trên cao (Chi phí cao, ít tốn diện tích) c. Nguyên tắc bố trí: Nên ghép chung vào một khu vực để dễ sửa chữa, kiểm soát. Đặt dọc theo đường giao thông để dễ thi công, sửa chữa. Khoảng cách giữa các mạng lưới phải được đảm bảo. Hai mạng lưới giao nhau thì phảivuông góc. Bố trí cây xanh trong nhà máy: a. Khu vực trồng cây: Đường đi. Hàng rào. Diện tích cảnh quan. b. Yêu cầu: Diện tích trồng cây phải chiếm từ (10 ¸ 15) % diện tích lô đất. Không trồng cây to vì dễ phá huỷ công trình ngầm. Không trồng cây có trái dễ gây ô nhiễm. Không trồng ở vị trí cản gió và chiếu sáng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] . NGUYỄN AN TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC CHẤT VÔ CƠ TẬP 1 +2 NXB KHOA HỌC & KỸ THUẬT, 1983 [2] . NGÔ THỊ NGA KỸ THUẬT PHẢN ỨNG, NXB KHOA HỌC & KỸ THUẬT 2002 [3] . MAI XUÂN KỲ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC TẬP 1 + 2 NXB KHOA HỌC & KỸ THUẬT 2006 [4] . VŨ BÁ MINH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM TẬP 4 – KỸ THUẬT PHẢN ỨNG, NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP, HỒ CHÍ MINH 2004 [5] . TRỊNH VĂN DŨNG QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM – BÀI TẬP T