Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Axit sulfuric ($H_2SO_4$) là hóa chất cơ bản hàng đầu của nền công nghiệp hóa chất toàn cầu, giữ vai trò nguyên liệu chính và chất xúc tác trong nhiều quy trình sản xuất quan trọng. Hằng năm, sản lượng $H_2SO_4$ toàn thế giới đạt khoảng 160 triệu tấn, trong đó khoảng 60% được sử dụng trong "phương pháp ướt" để sản xuất axit photphoric phục vụ công nghiệp phân bón (supe photphat, phân lân, DAP, MAP, amoni sunfat). Bên cạnh đó, $H_2SO_4$ được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất chất tẩy rửa tổng hợp (14%), sơn màu (11%), giấy sợi (8%), chất dẻo (5%), luyện kim (2%), phẩm nhuộm (2%) và xử lý nước thải.

Tại Việt Nam, các cơ sở sản xuất axit sulfuric quy mô lớn tập trung tại các đơn vị thuộc Tập đoàn Hóa chất Việt Nam (Công ty CP Supe Phốtphat và Hóa chất Lâm Thao, Nhà máy Supe Phosphate Long Thành, Nhà máy Hóa chất Tân Bình 2, Công ty CP DAP-VINACHEM, Công ty CP DAP số 2 VINACHEM) và một số doanh nghiệp tại KCN Tằng Loỏng, Lào Cai. Trong dây chuyền sản xuất axit sulfuric theo phương pháp tiếp xúc hiện đại, việc sử dụng nguyên liệu lưu huỳnh nguyên tố ($S$) thay cho quặng pyrit mang lại nhiều ưu thế: hỗn hợp khí sau đốt có hàm lượng $SO_2$ và $O_2$ cao, hầu như không chứa xỉ và tạp chất độc hại (asen), giúp đơn giản hóa hệ thống làm sạch khí và giảm thiểu chi phí xử lý chất thải.

Cụm thiết bị hóa lỏng lưu huỳnh và lò đốt lưu huỳnh là công đoạn khởi đầu mang tính quyết định trong toàn bộ dây chuyền sản xuất $H_2SO_4$. Đề tài đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ tính toán, thiết kế kỹ thuật cho hai cụm thiết bị này nhằm đảm bảo cung cấp liên tục dòng khí $SO_2$ có nồng độ và nhiệt độ ổn định cho các giai đoạn chuyển hóa và hấp thụ tiếp theo.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết công nghệ sản xuất axit sulfuric theo phương pháp tiếp xúc kép, các tính chất nhiệt động và động học của quá trình hóa lỏng, đốt cháy lưu huỳnh, chuyển hóa $SO_2$ thành $SO_3$ và hấp thụ tạo axit.
  2. Tính toán công nghệ chi tiết cho thùng nấu chảy lưu huỳnh rắn (dạng thùng khuấy có ống xoắn ruột gà gia nhiệt bằng hơi nước) và lò đốt lưu huỳnh nằm ngang.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt cho lò đốt và thùng hóa lỏng ở điều kiện làm việc ổn định; xác định kết cấu và kiểm tra truyền nhiệt qua tường lò.
  4. Tính toán cơ khí, kiểm nghiệm bền cho các bộ phận chịu tải trọng, áp lực và lựa chọn thiết bị phụ trợ (súng phun lưu huỳnh, máy khuấy, quạt khởi động, van tuần hoàn).
  5. Xây dựng quy trình vận hành an toàn và các biện pháp xử lý sự cố công nghệ trong hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cụm thiết bị hóa lỏng lưu huỳnh liên tục dạng thùng khuấy ống xoắn ruột gà và lò đốt lưu huỳnh nằm ngang xây gạch chịu lửa nhiều lớp.
  • Phạm vi thông số thiết kế:
    • Năng suất lưu huỳnh tiêu thụ: $G = 450\text{ tấn S/ngày}$ (tương đương $18.750\text{ kg/h}$ lưu huỳnh lỏng nguyên chất).
    • Nguồn nguyên liệu đầu vào: Lưu huỳnh rắn có độ tinh khiết $99,8%$, độ ẩm $2%$.
    • Nồng độ khí $SO_2$ trong hỗn hợp khí sau buồng đốt: $10,5%$ thể tích.
    • Nhiệt độ lưu huỳnh lỏng phun vào lò: $140^\circ\text{C}$ (nằm trong dải vận hành tối ưu $135 - 145^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt độ không khí khô thổi vào lò: $60^\circ\text{C}$.
    • Áp lực phun lưu huỳnh lỏng: $0,6 - 1,0\text{ MPa}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Đề tài dựa trên các nguyên lý nhiệt động học, truyền nhiệt, thủy lực và phản ứng hóa học vô cơ trong công nghệ hóa chất:

  • Nhiệt động học của lưu huỳnh: Lưu huỳnh tồn tại ở hai dạng thù hình chính: tà phương (bền ở nhiệt độ thường, nhiệt độ nóng chảy $112,8^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $2,07\text{ g/cm}^3$, nhiệt nóng chảy $39,4\text{ J/g}$) và đơn tà (bền trên $95,6^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $119,3^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $1,96\text{ g/cm}^3$, nhiệt nóng chảy $45,3\text{ J/g}$). Khi chuyển sang pha lỏng, độ nhớt của lưu huỳnh biến thiên phi tuyến theo nhiệt độ: giảm dần từ nhiệt độ nóng chảy đến $160^\circ\text{C}$, sau đó tăng vọt trong khoảng $160 - 190^\circ\text{C}$ do hiện tượng trùng hợp mạch phân tử, và giảm trở lại ở nhiệt độ cao hơn. Do lưu huỳnh có điểm chớp cháy ở $168^\circ\text{C}$ và điểm bắt cháy ở $232^\circ\text{C}$, nhiệt độ hóa lỏng và vận chuyển bắt buộc phải duy trì ở $135 - 145^\circ\text{C}$ để đạt độ nhớt thấp nhất mà không gây nguy cơ cháy nổ.
  • Phản ứng cháy lưu huỳnh: Quá trình đốt cháy lưu huỳnh lỏng với oxy không khí diễn ra theo phương trình tỏa nhiệt mạnh: $$S_{(l)} + O_{2(k)} \to SO_{2(k)} + Q \quad (\Delta H = -287\text{ kJ/mol},, q_S = 9260\text{ kJ/kg})$$
  • Cơ chế chuyển hóa $SO_2$ thành $SO_3$: Phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt trên xúc tác oxit vanadi ($V_2O_5$ hoạt tính chiếm $5 - 12%$ trên chất mang $SiO_2$): $$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$$ Cơ chế phản ứng thông qua các hợp chất trung gian ($V_2O_4$, $VOSO_4$).
  • Động học quá trình hấp thụ $SO_3$: Khí $SO_3$ được hấp thụ bằng dung dịch $H_2SO_4$ $98,3%$ (nồng độ đẳng phí) theo phương trình $Q = K \cdot \Delta P$ với $K = K_0 \cdot W^{0,8}$, nhằm tránh hiện tượng tạo mù axit khó tách khi có mặt hơi nước.

Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán lưu lượng dòng nhập liệu lưu huỳnh rắn ($19.171\text{ kg/h}$), lưu lượng lưu huỳnh lỏng ($18.750\text{ kg/h}$), lưu lượng không khí khô ($125.000,57\text{ m}^3\text{/h}$) và thành phần từng cấu tử trong khí lò ($SO_2: 10,5%$, $O_2: 10,5%$, $N_2: 79,0%$).
  • Phương pháp cân bằng nhiệt và truyền nhiệt:
    • Thiết bị hóa lỏng: Áp dụng phương trình trao đổi nhiệt qua bề mặt ống xoắn ruột gà. Sử dụng phương pháp lặp để xác định nhiệt tải riêng trung bình ($q_{tb}$) và nhiệt độ thành ống ($t_{Th}$), kiểm tra độ hội tụ sai số $\varepsilon < 5%$ giữa phía hơi ngưng tụ và phía lưu huỳnh lỏng. Tính toán các chuẩn số thủy nhiệt lực học: Reynolds ($Re$), Prandtl ($Pr$), Nusselt ($Nu$) cho dòng chảy có cánh khuấy cơ học.
    • Lò đốt: Áp dụng phương pháp tính toán bức xạ buồng lửa theo mô hình Gurvich, xác định hệ số phân bố nhiệt, độ đen ngọn lửa không sáng ($a_{os}$), độ đen buồng lửa ($a_{bl}$) và hệ số làm yếu bức xạ của khí ba nguyên tử ($SO_2$) để kiểm tra nhiệt độ khí ra thực tế ($967,20^\circ\text{C}$) so với nhiệt độ giả thiết ($966^\circ\text{C}$).
  • Nguồn dữ liệu và tiêu chuẩn tra cứu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất, các giáo trình kỹ thuật truyền nhiệt - lò công nghiệp, thông số vật liệu chịu lửa samot A của Công ty CP Vật liệu chịu lửa VIGLACERA Cầu Đuống, và catalog thiết bị súng phun Jinding (Trung Quốc).

Thiết kế và triển khai cụm thiết bị

Cụm thùng hóa lỏng lưu huỳnh

Thùng nấu chảy lưu huỳnh được thiết kế dạng thân trụ đứng, đáy nón, trang bị cánh khuấy mái chèo và ống xoắn gia nhiệt ruột gà đặt chìm bên trong chất lỏng, vỏ ngoài bọc áo gia nhiệt bảo ôn. Môi chất gia nhiệt là hơi nước thấp áp ở áp suất $0,6\text{ MPa}$ ($6\text{ bar}$), nhiệt độ vào $165^\circ\text{C}$, nhiệt độ ngưng tụ $158,83^\circ\text{C}$.

Thông số thiết kế thùng hóa lỏng Giá trị định lượng Đơn vị
Năng suất hóa lỏng lưu huỳnh rắn ($N$) 19.171 (5,33) $\text{kg/h (kg/s)}$
Thể tích lưu huỳnh lỏng trong thùng ($V_s$) 86,16 $\text{m}^3$
Đường kính trong của thùng ($D$) 4,30 $\text{m}$
Đường kính cánh khuấy mái chèo ($d$) 1,80 ($0,4D$) $\text{m}$
Tốc độ quay của trục khuấy ($n$) 150 (2,5) $\text{vòng/phút (vòng/s)}$
Nhiệt tải riêng trung bình quá trình hóa lỏng ($q_{tb}$) 6.367,90 $\text{W/m}^2$
Hệ số truyền nhiệt quá trình hóa lỏng ($K$) 460,44 $\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$
Diện tích trao đổi nhiệt ống xoắn hóa lỏng ($F$) 238,80 $\text{m}^2$
Chiều dài ống xoắn hóa lỏng (SUS316, $\phi 63\times 3\text{ mm}$) 1.152,26 $\text{m}$
Nhiệt tải riêng trung bình bảo ôn vỏ ngoài ($q_{tb}$) 5.412,01 $\text{W/m}^2$
Diện tích trao đổi nhiệt áo bảo ôn ($F$) 84,72 $\text{m}^2$
Chiều dài ống gia nhiệt bảo ôn ($\phi 30\text{ mm}$) 642,33 $\text{m}$

Cụm lò đốt lưu huỳnh và hệ thống phun

Lò đốt được thiết kế dạng lò trụ nằm ngang, bố trí các vách ngăn bằng gạch chịu lửa bên trong nhằm kéo dài thời gian lưu, tăng cường độ xáo trộn hỗn hợp khí để phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn.

Thông số thiết kế lò đốt lưu huỳnh Giá trị định lượng Đơn vị
Năng suất đốt lưu huỳnh ($B$) 18.750 (5,21) $\text{kg/h (kg/s)}$
Nồng độ $SO_2$ trong khí lò 10,5 $%$ thể tích
Lưu lượng hỗn hợp khí ra khỏi lò ($V_r$) 125.000,57 $\text{m}^3\text{/h}$
Vận tốc khí chuyển động trong lò ($\omega$) 4,00 $\text{m/s}$
Diện tích mặt cắt ngang của lò ($F$) 8,68 $\text{m}^2$
Đường kính trong buồng đốt ($D$) 3,33 $\text{m}$
Thể tích buồng lửa ($V_{bl}$) 127,20 $\text{m}^3$
Chiều dài buồng lửa ($L$) 14,68 $\text{m}$
Nhiệt thế thể tích buồng lửa ($q_v$) 380 $\text{kW/m}^3$
Số lượng súng phun lưu huỳnh (Hiệu Jinding) 2 Khẩu
Lưu lượng phun mỗi súng 9.375 $\text{kg/h}$
Áp suất phun lưu huỳnh lỏng 1,0 $\text{MPa}$

Kết cấu tường xây lò đốt

Tường lò đốt được cấu tạo từ 3 lớp vật liệu chuyên dụng:

  1. Lớp trong cùng (tiếp xúc trực tiếp ngọn lửa): Gạch chịu lửa samot A ($230 \times 114 \times 65\text{ mm}$), độ chịu lửa $1600^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $2,1\text{ g/cm}^3$.
  2. Lớp giữa: Gạch chịu nhiệt, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,412\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, khối lượng riêng $1,0\text{ g/cm}^3$.
  3. Lớp ngoài cùng: Gạch cách nhiệt ($\lambda = 0,412\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, $\rho = 1,0\text{ g/cm}^3$) và vỏ bọc bằng thép để giữ nhiệt, bảo vệ cơ khí và hạ nhiệt độ bề mặt vỏ lò xuống mức $35^\circ\text{C}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất axit Sulfuric H2SO4

Chương này phân tích vị trí chiến lược của axit sulfuric trong nền kinh tế quốc dân và tổng quan ngành sản xuất $H_2SO_4$ trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tác giả trình bày các tính chất vật lý - hóa học cơ bản của $H_2SO_4$ khan, dung dịch monohydrat, hỗn hợp oleum, và giản đồ sôi hệ $H_2O - SO_3$. Nội dung chương nhấn mạnh tỷ trọng tiêu thụ axit trong các ngành phân bón ($30%$), hóa chất tẩy rửa ($14%$), sơn ($11%$), giấy sợi ($8%$), chất dẻo ($5%$) cùng tình hình xuất nhập khẩu toàn cầu (Canada và Qatar là hai quốc gia xuất khẩu hàng đầu năm 2020).

Chương 2: Công nghệ sản xuất Axit Sulfuric theo phương pháp tiếp xúc

Tác giả so sánh ba công nghệ sản xuất axit sulfuric: công nghệ tiếp xúc, công nghệ $NO_x$ và công nghệ $CaSO_4$. Trong đó, công nghệ tiếp xúc kép (hấp thụ 2 lần) được chứng minh là công nghệ tối ưu hiện nay với hiệu suất chuyển hóa $SO_2 \to SO_3$ đạt $99,5 - 99,7%$, khống chế nồng độ $SO_2$ khí thải dưới $500\text{ mg/m}^3$, vượt trội so với công nghệ tiếp xúc đơn (hiệu suất chỉ đạt $98%$). Chương này cũng phân tích đặc tính các nguồn nguyên liệu (lưu huỳnh nguyên tố, quặng pyrit thường, pyrit tuyển nổi, pyrit lẫn than, thạch cao $CaSO_4$, khí thải luyện kim) và mô tả chi tiết chức năng của từng cụm thiết bị: hệ thống hóa lỏng, lò đốt, nồi hơi nhiệt thừa, tháp chuyển hóa xúc tác $V_2O_5$, tháp sấy không khí và tháp hấp thụ $SO_3$.

Chương 3: Tính toán công nghệ

Đây là chương trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ các bước tính toán công nghệ định lượng cho cụm thiết bị chính:

  • Thùng nấu chảy lưu huỳnh: Xác định lượng lưu huỳnh rắn cần cấp ($19.171\text{ kg/h}$), thể tích lưu huỳnh lỏng trong thiết bị ($86,16\text{ m}^3$), đường kính thùng ($4,3\text{ m}$), đường kính cánh khuấy ($1,8\text{ m}$), số vòng quay ($150\text{ vòng/phút}$). Thiết lập cân bằng nhiệt quá trình hóa lỏng ổn định, tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ ($\alpha_1 = 39.797,29\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$) và phía lưu huỳnh lỏng ($\alpha_2 = 901,14\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$), diện tích truyền nhiệt ống xoắn $F = 238,80\text{ m}^2$ (chiều dài ống SUS316 $\phi 63\text{ mm}$ là $1.152,26\text{ m}$). Tính toán hệ thống bảo ôn thành ngoài ($F = 84,72\text{ m}^2$, chiều dài ống $\phi 30\text{ mm}$ là $642,33\text{ m}$).
  • Lò đốt lưu huỳnh: Tính toán lượng lưu huỳnh tiêu hao ($18.750\text{ kg/h}$), thể tích $SO_2$ sinh ra ($13.125,06\text{ m}^3\text{/h}$), lưu lượng hỗn hợp khí ($125.000,57\text{ m}^3\text{/h}$), đường kính trong của lò ($3,33\text{ m}$), thể tích buồng lửa ($127,2\text{ m}^3$), chiều dài buồng lửa ($14,68\text{ m}$). Lựa chọn 2 súng phun lưu huỳnh Jinding công suất $9.375\text{ kg/h}$ ở $1,0\text{ MPa}$.
  • Cân bằng nhiệt lò đốt và kiểm tra nhiệt độ khí: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt với tổng nhiệt vào $Q_v = 51.634.608\text{ kCal/h}$ và tổng nhiệt ra $Q_r$. Tính toán kiểm tra nhiệt độ khí ra theo mô hình truyền nhiệt bức xạ buồng lửa đạt $967,20^\circ\text{C}$, sai số so với nhiệt độ giả thiết ban đầu ($966^\circ\text{C}$) là $0,12%$ (thỏa mãn điều kiện sai số $< 5%$).
  • Nồi hơi nhiệt thừa: Xác định nhiệm vụ hạ nhiệt độ khí $SO_2$ sau lò đốt trước khi vào tháp chuyển hóa, đồng thời tận dụng nhiệt để sản xuất hơi nước bão hòa áp suất cao cấp cho tuabin phát điện.

Chương 4: Tính toán cơ khí

Chương này tập trung tính toán độ bền và kết cấu cơ khí cho các thiết bị:

  • Tính toán kiểm nghiệm bền cho cụm ống xoắn ruột gà SUS316 dưới tác dụng của áp suất hơi nước bên trong.
  • Tính toán chiều dày và kiểm bền thân trụ, đáy nón của thùng hóa lỏng lưu huỳnh.
  • Tính toán trục khuấy, lựa chọn động cơ điện và hộp giảm tốc truyền động cho cánh khuấy.
  • Tính toán khối lượng và quy cách gạch xây lò đốt lưu huỳnh (gạch samot A, gạch chịu nhiệt, gạch cách nhiệt).
  • Tính toán cơ khí cho nồi hơi nhiệt thừa: xác định chiều dày thân chịu áp, kiểm bền ống vào/ra, lựa chọn mặt bích và đệm làm kín.

Chương 5: Các thiết bị phụ trợ

Nội dung chương trình bày việc tính toán công suất, lưu lượng và lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:

  • Quạt gió khởi động và cung cấp không khí khô cho lò đốt.
  • Cơ cấu truyền động máy khuấy trong bể nấu chảy lưu huỳnh.
  • Hệ thống van điều áp và van tuần hoàn lưu huỳnh lỏng.

Chương 6: An toàn và vận hành các thiết bị

Tác giả xây dựng chi tiết quy trình công nghệ và an toàn vận hành:

  • Quy trình chuẩn bị, sấy lò và khởi động lò đốt lưu huỳnh; trình tự kiểm soát tỷ lệ lưu huỳnh/không khí trong quá trình vận hành liên tục.
  • Quy trình nạp liệu, gia nhiệt, nấu chảy và dừng hệ thống hóa lỏng lưu huỳnh.
  • Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng bất thường (lưu huỳnh cháy không kiệt, tắc vòi phun, quá nhiệt thành lò, rò rỉ khí $SO_2$) và biện pháp xử lý sự cố.
  • Quy trình cấp nước, xả cặn và vận hành an toàn cho nồi hơi nhiệt thừa tận dụng nhiệt.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán cân bằng nhiệt và thông số công nghệ

Cân bằng nhiệt lượng tổng thể của lò đốt lưu huỳnh ($450\text{ tấn S/ngày}$) được xác lập chi tiết trong bảng sau:

Thành phần nhiệt lượng Đại lượng tính toán Giá trị (kCal/h) Tỷ trọng (%)
Nhiệt cấp vào lò ($Q_v$) Nhiệt do lưu huỳnh lỏng mang vào ($Q_1$) 7.796.250 15,10
Nhiệt do không khí khô mang vào ($Q_2$) 2.337.108 4,53
Nhiệt do phản ứng cháy lưu huỳnh ($Q_3$) 41.501.250 80,37
Tổng nhiệt lượng vào $Q_v = Q_1 + Q_2 + Q_3$ 51.634.608 100,00
Nhiệt đi ra khỏi lò ($Q_r$) Nhiệt do hỗn hợp khí mang ra ($Q_4$) 49.423.776,91 95,72
Nhiệt tổn thất qua thành lò ra môi trường ($Q_5$) 258.173,04 0,50
Nhiệt bức xạ đến bề mặt tường lò ($Q_6$) 1.952.659,00 3,78
Tổng nhiệt lượng ra $Q_r = Q_4 + Q_5 + Q_6$ 51.634.608 100,00

Các kết quả kỹ thuật định lượng chính đạt được:

  • Tính toán chính xác nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi lò đốt đạt $967,20^\circ\text{C}$ với sai số lặp chỉ $0,12%$ so với giá trị giả thiết $966^\circ\text{C}$.
  • Xác định nhiệt độ bề mặt trong tường lò là $960,24^\circ\text{C}$ và nhiệt độ bề mặt ngoài vỏ thép là $35^\circ\text{C}$, đảm bảo an toàn lao động và tiết kiệm năng lượng với tỷ lệ tổn thất nhiệt chỉ chiếm $0,5%$.
  • Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống xoắn ruột gà SUS316 trong thùng nấu chảy với hệ số truyền nhiệt $K = 460,44\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, giải quyết hiệu quả quá trình hóa lỏng liên tục $19.171\text{ kg/h}$ lưu huỳnh rắn.

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đồ án

  • Lựa chọn chế độ nhiệt động tối ưu cho lưu huỳnh: Khống chế nhiệt độ lưu huỳnh lỏng trong khoảng $135 - 145^\circ\text{C}$ giúp hệ thống hoạt động tại vùng có độ nhớt thấp nhất, giảm tổn thất áp lực trên đường ống và vòi phun, đồng thời loại trừ nguy cơ tự bốc cháy trước khi vào buồng đốt.
  • Tối ưu hóa kết cấu lò đốt: Lựa chọn lò đốt nằm ngang có vách ngăn bằng gạch chịu lửa giúp kéo dài thời gian lưu của pha khí, tạo độ xáo trộn cao giữa lưu huỳnh mù và không khí, đảm bảo lưu huỳnh cháy kiệt $100%$ và nồng độ $SO_2$ đạt chuẩn $10,5%$ cấp cho tháp tiếp xúc.
  • Tích hợp thu hồi năng lượng: Đề xuất giải pháp liên động lò đốt với nồi hơi nhiệt thừa để thu hồi lượng nhiệt phản ứng rất lớn ($41,5\text{ triệu kCal/h}$), chuyển hóa thành hơi nước quá nhiệt phục vụ tuabin phát điện nội bộ cho nhà máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Quá trình tính toán nhiệt của thùng hóa lỏng lưu huỳnh mới chỉ tập trung vào giai đoạn làm việc ổn định; các biến thiên nhiệt động và thủy lực phức tạp trong giai đoạn khởi động ban đầu (chưa ổn định) được đơn giản hóa và bỏ qua trong tính toán.
    • Các thông số tính toán cơ khí cho nồi hơi nhiệt thừa và hệ thống quạt khởi động mới dừng lại ở mức lựa chọn sơ bộ theo công suất định mức, chưa đi sâu vào mô phỏng dao động cơ học và ứng suất nhiệt cục bộ.
  • Hướng phát triển:
    • Nghiên cứu mô phỏng động học dòng chảy (CFD) hỗn hợp khí cháy bên trong buồng đốt để tối ưu hóa góc phun của vòi phun Jinding và khoảng cách giữa các vách ngăn gạch chịu lửa.
    • Khảo sát tự động hóa điều khiển tỷ lệ cấp lưu huỳnh/không khí theo thời gian thực nhằm ổn định nồng độ $SO_2$ ở đầu ra khi công suất nhà máy dao động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học, chuyên ngành Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất: Tham khảo phương pháp luận tính toán cân bằng vật chất - nhiệt lượng, tính toán truyền nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn có cánh khuấy, và quy trình tính toán nhiệt buồng lửa lò công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy sản xuất axit vô cơ, nhà máy phân bón: Ứng dụng các thông số thực tế về kết cấu gạch xây chịu lửa (samot A), quy cách súng phun cao áp Jinding, chế độ nhiệt hóa lỏng lưu huỳnh ($135 - 145^\circ\text{C}$) và các quy trình xử lý sự cố vận hành lò đốt lưu huỳnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhiệt độ lưu huỳnh lỏng trong thùng hóa lỏng và đường ống cấp vào lò đốt bắt buộc phải duy trì nghiêm ngặt trong khoảng 135 – 145°C?

Lưu huỳnh lỏng có đặc tính biến thiên độ nhớt rất đặc biệt: từ nhiệt độ nóng chảy ($112,8^\circ\text{C}$) đến $160^\circ\text{C}$, độ nhớt giảm dần; tuy nhiên từ $160^\circ\text{C}$ đến $190^\circ\text{C}$, độ nhớt tăng vọt do hiện tượng polyme hóa mạch lưu huỳnh, khiến lưu huỳnh trở nên đặc sệt và có màu nâu sẫm. Mặt khác, điểm chớp cháy của lưu huỳnh là $168^\circ\text{C}$ và điểm bắt cháy là $232^\circ\text{C}$. Do đó, khoảng nhiệt độ $135 - 145^\circ\text{C}$ là vùng tối ưu để lưu huỳnh có độ nhớt thấp nhất, giúp bơm cao áp và súng phun phân tán mù mịn dễ dàng nhất mà hoàn toàn không xảy ra nguy cơ bốc cháy trên đường ống nạp.

2. Kích thước hình học cơ bản của buồng đốt lò lưu huỳnh năng suất 450 tấn S/ngày được xác định như thế nào?

Dựa trên lưu lượng hỗn hợp khí sinh ra ($125.000,57\text{ m}^3\text{/h}$), vận tốc khí chọn trong lò ($\omega = 4\text{ m/s}$) và nhiệt thế thể tích buồng lửa chọn theo tiêu chí kinh tế ($q_v = 380\text{ kW/m}^3$), các kích thước hình học được tính toán chính xác gồm:

  • Diện tích mặt cắt ngang lò: $F = 8,68\text{ m}^2$.
  • Đường kính trong buồng đốt: $D = 3,33\text{ m}$.
  • Thể tích buồng lửa: $V_{bl} = 127,20\text{ m}^3$.
  • Chiều dài buồng lửa: $L = 14,68\text{ m}$.

3. Cấu tạo tường xây lò đốt gồm mấy lớp và sử dụng loại gạch nào cho lớp chịu lửa trong cùng?

Tường lò đốt được xây dựng gồm 3 lớp nhằm đảm bảo chịu nhiệt cao và chống thất thoát năng lượng ra môi trường:

  • Lớp trong cùng tiếp xúc trực tiếp ngọn lửa: Sử dụng gạch chịu lửa samot A (kích thước tiêu chuẩn $230 \times 114 \times 65\text{ mm}$, độ chịu lửa $1600^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $2,1\text{ g/cm}^3$).
  • Lớp giữa: Sử dụng gạch chịu nhiệt có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0,412\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$.
  • Lớp ngoài cùng: Sử dụng gạch cách nhiệt ($\lambda = 0,412\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, $\rho = 1,0\text{ g/cm}^3$) kết hợp vỏ thép bảo vệ, giúp hạ nhiệt độ mặt ngoài vỏ lò xuống $35^\circ\text{C}$.

4. Tại sao công nghệ sản xuất axit sulfuric hiện đại ưu tiên sử dụng phương pháp tiếp xúc kép thay vì tiếp xúc đơn?

Dây chuyền tiếp xúc đơn (chỉ tiếp xúc và hấp thụ 1 lần) có hiệu suất chuyển hóa $SO_2 \to SO_3$ tối đa chỉ đạt khoảng $98%$, lượng $SO_2$ dư thừa thải ra môi trường vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Trong khi đó, phương pháp tiếp xúc kép thực hiện quá trình oxy hóa $SO_2$ qua hai giai đoạn kết hợp hấp thụ trung gian giữa hai giai đoạn. Giai đoạn một đạt mức chuyển hóa $90%$, sau khi hấp thụ bớt $SO_3$, hỗn hợp khí vào giai đoạn hai đạt hiệu suất chuyển hóa tổng lên đến $99,5 - 99,7%$, đảm bảo nồng độ khí thải $SO_2$ nằm trong giới hạn môi trường quy định ($< 500\text{ mg/m}^3$).

5. Thiết bị súng phun lưu huỳnh được lựa chọn cho đồ án có thông số kỹ thuật như thế nào?

Đồ án lựa chọn 02 súng phun lưu huỳnh cao áp hiệu Jinding do công ty Xintai Jinding Machinery Manufacturing (Trung Quốc) sản xuất. Các thông số vận hành gồm: dải lưu lượng phun định mức $500 - 10.000\text{ kg/h}$, áp suất làm việc $1,0\text{ MPa}$. Trong hệ thống thiết kế với tổng lưu lượng lưu huỳnh lỏng cần đốt là $18.750\text{ kg/h}$, hai súng phun được vận hành song song với lưu lượng $9.375\text{ kg/h}$ cho mỗi súng để tạo dạng mù mịn phân tán đều trong buồng lửa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hữu Hào đã hoàn thành toàn diện việc tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho cụm thiết bị hóa lỏng và lò đốt lưu huỳnh năng suất 450 tấn/ngày trong dây chuyền sản xuất axit sulfuric theo phương pháp tiếp xúc kép. Các kết quả tính toán nhiệt động và truyền nhiệt cho thấy sự hội tụ chính xác cao, khống chế chặt chẽ nhiệt độ khí ra ở $967,20^\circ\text{C}$ và giảm thiểu tổn thất nhiệt qua tường lò chỉ còn $0,5%$. Công trình cung cấp hệ thống thông số thiết bị, bản vẽ kết cấu và quy trình vận hành an toàn có giá trị thực tiễn cao cho chuyên ngành Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất.