3.1.4.3. Chế độ công nghệ bộ phận anmon hóa
Với phân xưởng amon hóa qua hai thiết bị hấp thụ và làm lạnh trung gian cần thiết lập các chỉ tiêu công nghệ sau:
a. Tháp hấp thụ I:
Khí ra khỏi thiết bị:
Độ chân không: 250 260 mmHg Nhiệt độ: 30 40oC
Chất lỏng vào:
§é kiÒm trùc tiÕp: 15 20 ®/c Hàm lượng CO32-: 2 5 đ/c Nhiệt độ: 20 25oC
ChÊt láng ra:
§é kiÒm trùc tiÕp: 55 60 ®/c Hàm lượng CO32-: 15 20 đ/c Hàm lượng Cl-: 95 96 đ/c Nhiệt độ: 60 65oC
b. Tháp hấp thụ II:
Khí ra khỏi thiết bị:
Độ chân không: 60 80 mmHg Nhiệt độ: 58 60oC
Khí vào thiết bị:
Độ chân không: 100 120 mmHg Chất lỏng vào:
Nhiệt độ: 28 32oC ChÊt láng ra:
Nhiệt độ: 65 68oC
Chất lỏng ra khỏi thùng chứa sau amon hóa:
§é kiÒm trùc tiÕp: 100 106 ®/c Hàm lượng CO32-: 36 38 đ/c Hàm lượng Cl-: 88 90 đ/c Nhiệt độ: 28 32oC
c. Thiết bị rửa khí máy lọc chân không:
Chất lỏng ra khỏi thiết bị:
§é kiÒm trùc tiÕp: 1 ®/c Hàm lượng Cl-: 102 104 đ/c Khí ra khỏi thiết bị:
Độ chân không: 350 380 mmHg d. Thiết bị rửa khí hấp thụ:
Khí ra khỏi thiết bị:
Độ chân không: 260 280 mmHg Hàm lượng CO2 (% thể tích): 75 80 % Nhiệt độ: 25 30oC
ChÊt láng ra:
§é kiÒm trùc tiÕp: 5 10 ®/c e. Thiết bị rửa khí kết tinh 2:
Khí vào tháp:
áp suất dư: 140 150 mmHg
Hàm lượng CO2 (% thể tích): 5 6 % Nhiệt độ: 40 45oC
Khí ra khỏi tháp
áp suất dư: 40 mmHg
Hàm lượng CO2 (% thể tích): 4 5 % ChÊt láng ra:
§é kiÒm trùc tiÕp: 20 ®/c
Chương IV
Cacbonat hóa dung dịch nước muối bão hòa chứa amoniac
Giới thiệu chung
Mục đích bộ phận cacbonat hóa dung dịch nước muối bão hòa amoniac là để chế tạo ra bán sản phẩm natri bicacbonat. Vì vậy nhiệm vụ chính ở đây là hấp thụ khí CO2 bằng dung dịch nước muối có chứa amoniac để có thể tiến hành phản ứng trao đổi giữa muối amon bicacbonat với natri clorua trong dung dịch. Trước kia khi phương pháp amoniac chế tạo soda mới phát triển thì người ta đã tiến hành quá trình trộn dung dịch amon bicacbonat với dung dịch muối ăn kết quả phản ứng trao đổi tạo natri bicabonat kết tinh. Tuy vậy kết tinh đó không tạo ra ngay khi trộn hai dung dịch cùng một thể tích và nồng độ như nhau. Kết tinh natri bicacbonat chỉ tạo ra sau một thời gian tương đối dài. Mặt khác nếu trước khi trộn lẫn các dung dịch đã được bão hòa thì sau khi trộn độ bão hòa của dung dịch bị giảm do thể tích tự nhiên tăng gấp đôi. Vì vậy trong giai đoạn cacbonat hóa phải đảm bảo được nồng độ NH4HCO3 tạo thành trong dung dịch đủ để trao đổi và có thời gian tiếp xúc với muối ăn trong dung dịch. Các phương pháp sản xuất soda hiện nay đều dùng nước muối có chứa amoniac đem cacbonat hóa bằng khí CO2. Trong quá trình cacbonat hóa, trong dung dịch sẽ tạo ra một số ion cacbonat và bicacbonat do phản ứng kết hợp giữa CO2 với amoniac hòa tan trong nước muối. Do có các phản ứng hóa học xảy ra khi cacbonat hóa nên dung dịch bị đốt nóng, tạo điều kiện tạo mầm tinh thể tốt.
Để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm soda, dung dịch nước muối bão hòa amoniac phải loại hết các tạp chất trước khi đưa vào cacbonat hóa. Ngoài ra nhiệt độ dung dịch nước muối bão hòa amoniac đưa vào cacbonat hóa phải đảm bảo 300C, vì nếu nóng quá sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của amoniac trên bề mặt dung dịch và amoniac sẽ thoát khỏi dung dịch đi ra ngoài cùng với khí CO2. Lượng khí này càng nhiều càng tốn dung dịch nước muối để thu hồi bên phân xưởng hấp thụ. Ta biết trong dây chuyền sản xuất liên tục thì lượng dung dịch đem tưới cho các tháp là cố định, do đó nếu tăng thành phần pha khí thì hiệu suất hấp thụ khí amoniac và cacbonic trong khí thải bị giảm. Trong quá trình cacbonat không phải chỉ có tăng tổn thất ở pha khí do amoniac và CO2 thoát ra khỏi dung dịch mà còn có quá trình cacbonat hóa tạo pha kết tinh mới cũng gây tổn thất nguyên liệu nói chung và amoniac với CO2 nói riêng. Vì vậy điều quan trọng là phải nắm được các quy luật về cân bằng và kết tinh trong quá trình cacbonat hóa.
Hiện tượng cân bằng ở đây rất phức tạp vì là hệ dị thể nhiều pha lại có các phản ứng hóa học kèm theo. Còn kết tinh ở đây chủ yếu do phản ứng hóa học tạo ra muối trung gian có độ hòa tan thấp hơn so với các muối trong dung dịch, khi đạt tới giá trị quá bão hòa sẽ kết tinh. Để giải quyết tốt vấn đề hiệu suất sử dụng nguyên liệu trong quá trình cacbonat hóa phải nghiên cứu cân bằng pha hệ dị thể nhiều cấu tử và điều kiện tạo tinh thể tốt.
4.1. Cở sở lý luận quá trình cacbonat hóa 4.1.1. Cơ chế phản ứng
Quá trình hấp thụ CO2 bằng dung dịch nước muối bão hòa amoniac thực chất là quá trình phản ứng giữa chất khí hòa tan trong nước muối (NH3) với CO2 tạo muối cacbonat qua phản ứng trao đổi để tạo kết tinh natri bicacbonat theo phản ứng tổng quát:
NH3 + CO2 + H2O + NaCl NaHCO3 + NH4Cl (IV-1)
Để tạo NaHCO3 cần phải có ion Na+ và HCO-3. Ion Na+ do muối ăn cung cấp, còn ion HCO-3 do NH3, CO2 và H2O tạo ra qua phản ứng kết hợp thành NH4HCO3.
Sự tạo thành NH4HCO3 trong dung dịch có thể giả định qua hai cách:
+ Cách thứ nhất:
Cho rằng cơ chế tạo NH4HCO3 qua các giai đoạn trung gian sau:
Amoniac hòa tan trong nước muối dưới dạng amoniac tự do và hydroxit. Trong quá trình cacbonat hóa, CO2 tham gia phản ứng với amoniac ở cả hai dạng tự do và hydroxit. Giai đoạn đầu là phản ứng tác dụng tương hỗ giữa CO2 và NH3 tiến hành ngay trên bề mặt tiếp xúc pha lỏng và khí để tạo hợp chất trung gian - cacbamat amon theo phản ứng:
2NH3 + CO2 NH4COONH2 (IV-2)
Cacbamat amon tạo thành trên bề mặt tiếp xúc pha bị các dòng chất lỏng chuyển động kéo vào trong dung dịch và bị thủy phân để tạo muối amon bicacbonat theo phản ứng:
NH4COONH2 + H2O NH4HCO3 + NH3 (IV-3)