Đề tài Tính toán thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ (CaCO3)

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.