các giai đoạn cơ bản trong tổng hợp amoniac

MỤC LỤC 1 PHẦN A: MỞ ĐẦU Amoniac có ứng dụng cực kỳ lớn trong ngành công nghiệp hiện nay. Khoảng 75% amoniac được sản xuất để làm phân bó, hoặc là dùng trực tiếp amoniac còn không là đem đi tổng hợ để tạo ra ure, amoni nitrat và monoamoni photphat hoặc diamoni photphat. Phần còn lại được dùng làm nguyên liệu thô trong sản xuất nhựa polyme, thuốc nổ, axit nitric và các sản phẩm khác. 2 PHẦN B: NỘI DUNG 1. Nhiệm vụ. Xưởng tổng hợp amoniac gồm 2 công đoạn chính: − Công đoạn tinh chế khí: loại bỏ các tạp chất không có lợi cho quá trình tổng hợp NH 3 có trong khí than ẩm như CO, CO 2 , H 2 S, bụi than, dầu mỡ … vì các tạp chất này gây ngộ độc xúc tác cho quá trình tổng hợp NH 3 . Công đoạn tinh chế khí bao gồm các cương vị: khử H 2 S trong khí than ẩm (khử thấp áp); biến đổi CO; khử H 2 S trong khí biến đổi (khử trung áp); khử CO 2 trong khí biến đổi. − Công đoạn tổng hợp NH 3 : từ khí N 2 và H 2 trong khí tinh luyện tỏng hợp thành NH 3 làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất ure và sản phẩm NH 3 thương phẩm. Công đoạn tổng hợp NH 3 gồm có 2 cương vị: cương vị nén N 2 -H 2 và cương vị tổng hợp NH 3 . 2. Sơ đồ khối lưu trình công nghệ Thuyết minh sơ đồ: khí than ẩm từ xưởng tạo khí đến được quạt khí than nâng áp lên đưa vào tháp khử H 2 S thấp áp rồi đưa vào đoạn 1,2,3 của máy nén N 2 -H 2 nâng áp suất lên ≥ 2,05Mpa. Sau đó khí được lọc bỏ tạp chất rồi đưa đi biến đổi CO→CO 2 rồi đưa vào tháp khử H 2 S trung áp và tháp khử CO 2 . Khí ra khỏi công đoạn này có nồng độ H 2 S ≤ 10 mg/m 3 , sau đó khí được đưa vào đoạn 4,5 máy nén N 2 -H 2 nâng áp suất lên ≥ 12,5Mpa rồi đưa đi khử vi lượng CO, CO 2 , đảm bảo nồng độ CO 2 trong khí tinh chế ≤ 20ppm. Khí tinh chế được đưa vào đoạn 6 máy nén N 2 -H 2 nâng áp suất lên 320MPa rồi đưa vào tháp tổng hợp NH 3 . Hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp NH 3 được đưa đi làm lạnh để ngưng tụ NH 3 lỏng tách khỏi hỗn hợp khí, khí còn lại được tuần hoàn lại tổng hợp NH 3 . Đoạn 4,5 máy nén N 2 -H 2 Khử vi lượng khí Đoạn 6 máy nén N 2 -H 2 3 Tháp 3 kết hợp Tháp tổng hợp NH 3 Quạt khí than Khử H 2 S thấp áp Đoạn 1,2,3 máy nén N 2 -H 2 Loại bỏ tạp chất Lò biến đổi Tháp rửa H 2 S trung áp Tháp khử CO 2 Khí than ẩm Làm lạnh + phân ly NH 3 lỏng Dung dịch tananh Tái sinh dung dịch tananh Không khí Khí thải chứa H 2 S Tái sinh dung dịch tananh Tái sinh nhả khí Khí không ngưng (NH 3 , N 2 , H 2 , Ar …) Quy trình công nghệ sản xuất amoniac của nhà máy phân đạm Hà Bắc 3. Công đoạn tinh chế khí Công đoạn này gồm có các cương vị sau: - Cương vị khử H 2 S trong khí than ẩm (khử H 2 S thấp áp). - Cương vị biến đổi CO. - Cương vị khử H 2 S trong khí biến đổi (khử H 2 S trung áp). - Cương vị khử CO 2 trong khí biến đổi. - Cương vị khử vi lượng khí. 3.1. Cương vị khử H 2 S trong khí than ẩm 3.1.1. Nhiệm vụ: Sử dụng dung dịch keo Na 2 CO 3 -Tananh để khử bỏ khí H 2 S trong hỗn hợp khí than ẩm từ lọc bụi điện tới, sau khi khử hàm lượng H 2 S trong khí than ẩm còn lại 4 100÷150 mg/Nm 3 . Dung dịch sau hấp thụ được đưa đi tái sinh, thu hồi lưu huỳnh nguyên chất làm sản phẩm phụ. 3.1.2. Nguyên lý cơ bản  Thành phần dung dịch hấp thụ − Dung dịch keo Tananh (hay còn gọi là keo thuộc da) được chiết xuất từ thực vật có chứa nhiều tananh như cây chay, si, sắn, củ nâu … đây là hợp chất hữu cơ có chứa rất nhiều gốc OH - . − Na 2 CO 3 là chất hấp thục chủ yếu hay còn gọi là chất xúc tác trong quá trình hấp thụ H 2 S. − NaVO 3 là chất ức chế chống tạo két tủa V-O-S và ức chế chống ăn mòn.  Cơ chế phản ứng hấp thụ Dung dịch soda hấp thụ H 2 S tạo thành hợp chất hydrosunfua: Na 2 CO 3 + H 2 S = NaHS + NaHCO 3 (1) Trong pha lỏng hợp chất hydrosunfide kết hợp vanadat natri NaVO 3 tạo thành muối piro vanadat mang tính khử, đồng thời lưu huỷnh nguyên tố được tách ra: 2NaHS +4NaVO 3 + H 2 O = Na 2 V 4 O 9 + 4NaOH + 2S (2) Hay nói cách khác là vanadi hóa trị 5 V +5 (VO 3- ) đã bị oxy hóa về vanadi hóa trị 4 V +4 (V 4 O 9 2- ). 2HS - + 4VO - 3 + H 2 O = V 4 O 9 2- + 4OH - + 2S (3) Vanadi ở dạng V 4+ (V 4 O 9 2- ) mang tính khử két hợp với tananh ở trạng thái oxy hóa tạo thành tananh ở trạng thái khử, còn V +4 chuyển thành V +5 manh tính oxy hóa: Na 2 V 4 O 9 + 2Tananh oxy hóa + 2NaOH = 4NaVO 3 + 2 Tananh khử (4) Trong tháp tái sinh Tananh dạng khử bị oxy của không khí oxy hóa trờ thành tananh dạng oxy hóa. Tananh khử + O 2 (kk) = Tananh oxy hóa + H 2 O (5) Lượng Na 2 CO 3 tiêu hao ở phản ứng (1) được bù đắp bằng lượng NaOH tạo ra ở phản ứng (2). NaOH + NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + H 2 O 5 Khi trong thể khí có chứa nhiều O 2 , CO 2 , HCN … còn có thể xảy ra các phản ứng không mong muốn. 3.2. Cương vị biến đổi CO 3.2.1. Nhiệm vụ Cương vị này dùng hơi nước để chuyển hóa CO trong khí than ẩm thành khí CO 2 và H 2 với sự có mặt của xúc tác là Co-Mo (Coban-Molypden). Hỗn hợp khí ra khỏi cương vị chuyển hóa CO gọi là khí biến đổi, có hàm lượng CO ≤ 2,0%. 3.2.2. Nguyên lý cơ bản biến đổi CO Trong khí than ẩm còn tồn tại một lượng CO khoảng 28÷30%. Lượng khí này được chuyển hóa thành CO 2 khi kết hợp với nước. Phản ứng xảy ra có mặt của xúc tác Co-Mo. CO + H 2 O → H 2 + CO 2 3.3. Cương vị khử H 2 S trong khí biến đổi 3.3.1. Nhiệm vụ Loại bỏ H 2 S trong khí biến đổi. Khống chế hàm lượng H 2 S trong hỗn hợp khí sau hấp thụ ra khỏi cương vị ≤ 10mg/Nm 3 để tránh cho dung dịch K 2 CO 3 không bị biến chất đồng thời hạn chế sự ăn mòn thiết bị. 3.3.2. Nguyên lý cơ bản Giống như của quá trình hấp thụ khí H 2 S trong khí than ẩm. 3.3.3. Lưu trình công nghệ  Lưu trình khí Khí biến đổi từ cương vị chuyển hóa CO sau khi qua bộ phận làm lạnh đi vào phía dưới tháp hấp thụ H 2 S, qua các tầng đệm H 2 S bị hấp thụ bởi dung dịch Tananh dội từ đỉnh tháp xuống. Khí được phân ly bọt ở bộ khử bọt trên đỉnh tháp sau đó đi ra khỏi tháp hấp thụ vào tháp phân ly, ở đây dung dịch Tananh cuốn theo khí được tách ra và khí được đưa sang cương vị khử CO 2 bằng dung dịch kiềm nóng. 6 3.4. Cương vị khử CO 2 3.4.1. Nhiệm vụ Cương vị này dùng dung dịch K 2 CO 3 nóng để khử bỏ khí CO 2 trong hỗn hợp khí biến đổi, khí sau khi khử CO 2 gọi là khí tinh chế được tiếp tục đưa đi khử CO và CO 2 vi lượng ở cương vị tiếp theo. 3.4.2. Nguyên lý của quá trình hấp thụ CO 2 bằng dung dịch kiềm nóng Ở điều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp K 2 CO 3 tham gia phản ứng với CO 2 theo cơ chế: K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2KHCO 3 Khi áp suất giảm, nhiệt độ tăng thì xảy ra quá trình nhả CO 2 : 2KHCO 3 → K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Đây là phản ứng chính của quá trình tái sinh dung dịch kiềm nóng. Ngoài ra còn có một số chất trơ háp thụ như EDA, KVO 3 giúp cho quá trình hấp thụ cũng như tái sinh xảy ra nhanh hơn. 3.4.3. Lưu trình công nghệ  Lưu trình khí đi khử CO 2 Khí biến đổi sau khi khử lưu huỳnh được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt và được gia nhiệt bởi khí từ công đoạn biến đổi đến, nhiệt độ tăng từ 40 o C lên đến 90 o C và đi vào phía dưới tháp hấp thụ, khí sau khi khử CO 2 ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ, qua thiết bị làm lạnh bằng nước, thiết bị phân ly đi về đoạn 4 máy nén 667. 3.5. Cương vị khử vi lượng khí 3.5.1. Nhiệm vụ Loại bỏ gần như triệt để các chất khí gây ngộ độc xúc tác tổng hợp NH 3 như CO, CO 2 , H 2 S, O 2 …bằng dung dịch acetat amoniac đồng. Sau đó gia nhiệt giải phóng thu hồi hầu hết các chất khí bị hấp thụ, đồng thời điều chỉnh tỷ lệ đồng đảm bảo theo chỉ tiêu cho phép, phục hồi các thành phần và tính năng ban đầu của dung dịch, sau đó làm lạnh, tăng áp rồi quay trở lại tháp hấp thụ, sử dụng tuần hoàn. 3.5.2. Nguyên lý của quá trình hấp thụ 7 Dung dịch acetat đồng 2 amoniac [Cu(NH 3 ) 3 Ac] hấp thụ khí CO, CO 2 , H 2 S, O 2 dưới dạng phức, sau đó dung dịch kiềm sẽ hấp thụ phần CO 2 còn lại. Trong điều kiện tồn tại NH 3 tự do, acetat đồng 2 amoniac sẽ tác dụng với khí CO tạo thành phức: Cu(NH 3 ) 3 Ac + CO + H 2 O → Cu(NH 3 ) 3 Ac.CO + Q Hấp thụ CO 2 , O 2 , H 2 S: 2NH 3 + CO 2 + H 2 O → (NH 4 ) 2 CO 3 (NH 4 ) 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2NH 4 HCO 3 2Cu(NH 3 ) 3 Ac + 4NH 3 + 2Hac + 1/2O 2 → 2Cu(NH 3 ) 4 (Ac) 2 + H 2 O + Q 2NH 4 OH + H 2 S → (NH 4 ) 2 S +2H 2 O + Q 3.5.3. Lưu trình công nghệ  Lưu trình thể khí Khí tinh chế từ đoạn 5 máy nén 667 có áp suất 12MPa , nhiệt độ ≤ 40 o C đến cương vị khử vi lượng khí vào tháp hấp thụ đi từ dưới lên, dung dịch acetat đồng amoniac từ cửa ra của bơm có áp suất 13MPa đi từ trên xuống. Dung dịch đồng hấp thụ hầu hết các chất khí gây độc hại cho xúc tác tổng hợp NH 3 như CO, CO 2 , H 2 S, O 2 . Hỗn hợp khí ra khỏi tháp đồng được đưa vào tháp hấp thụ bằng nước NH 3 có nồng độ từ 5÷10%. Khí ra khỏi tháp kiềm có hàm lượng CO+CO 2 < 20ppm 4. Công đoạn tổng hợp NH 3 4.1. Cương vị nén N 2 -H 2 4.1.1. Nhiệm vụ Nhiệm vụ của cương vị là nén vè vận chuyển khí nguyên liệu. Đầu tiên nhận khí nguyên liệu đã khử H 2 S thấp áp (khí than ẩm) vào đoạn 1,2 và 3 của máy nén, nâng áp suất khí lên đến 2,05MPa đưa đến cương vị biến đổi CO, khử H 2 S trung áp, khử CO 2 . 4.1.2Lưu trình công nghệ  Lưu trình khí thể Khí than ẩm hợp cách từ xưởng tạo khí đến ống chung đi vào thủy phong đoạn 1 máy nén rồi vào xilanh đoạn1, khí được tăng áp đi ra đoạn 1 lần lượt qua các thiết bị 8 hoãn xung, làm lạnh, phân ly đoạn1 để tách dầu, nước rồi đi vào xilanh đoạn 2, hỗn hợp tiếp tục được tăng áp và đi ra đoạn 2 lần lượt qua các thiết bị hoãn xung, làm lạnh, phân ly đoạn 2 rồi đi vào xilanh đoạn 3, khí thể được tăng áp lên đến 2,15MPa lại lần lượt qua các thiết bị hoãn xung, làm lạnh, phân ly đoạn 3 và đi đến hệ thống tinh chế khí. 4.2. Cương vị tổng hợp NH 3 4.2.1. Nhiệm vụ Nhiệm vụ của cương vị là tổng hợp thành NH 3 từ khí nguyên liệu là N 2 và H 2 trong khí tinh luyện ở nhiệt độ và áp suất cao. Hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp được làm lạnh, ngưng tụ và phân ly thành NH 3 lỏng đưa đến chứa ở kho cầu. 4.2.2. Nguyên lý của quá trình tổng hợp NH 3 Quá trình tổng hợp NH 3 tất cả đi từ nguyên liệu là N 2 và H 2 với sự có mặt của chất xúc tác là sắt hoạt tính ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phản ứng xảy ra như sau: N 2 + 3H 2 NH 3 hay N 2 + H 2 NH 3 Cơ chế phản ứng tổng hợp: N 2 + 2L →2NL H 2 + 2L → 2HL NL + HL → NHL + L NHL + HL → NH 2 L + L NH 2 L + HL → NH 3 L + L L là trung tâm xúc tác. 4.2.3. Lưu trình công nghệ Hỗn hợp khí mới N 2 -H 2 có nhiệt độ < 40 o C từ đường ống chung máy nén qua thiết bị phân ly dầu để loại bỏ dầu, nước và các tạp chất khác, rồi cùng khí tuần hoàn từ bộ phân ly dầu sau tuabin ra đi vào phần trên tháp ba kết hợp, cùng đi vào bên trong ống trao đổi nhiệt của bộ làm lạnh. Hỗn hợp khí này được làm lạnh bằng khí đi lên từ bộ phân ly NH 3 ở phần dưới tháp kết hợp rồi đi vào ống trao đổi nhiệt của bộ bốc hơi 9 NH 3 . Tại thiết bị, NH 3 lỏng đi ngoài ống, nhận nhiệt của hỗn hợp khí đi trong ống, bốc hơi; còn hỗn hợp đi trong ống được làm lạnh xuống -2 o C, tại đây, NH 3 khí được ngưng tụ thành NH 3 lỏng và được tách ra ở thiết bị phân ly (phân ly lần 2), qua van giảm áp đi vào thùng chứa trung gian. Hỗn hợp khí không ngưng đi vào ống trung tâm của bộ bốc hơi ngưng tụ, đi lên vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt của bộ làm lạnh để trao đổi nhiệt với khí trong ống, nhiệt độ tăng lên đến khoảng 30 o C và đi ra khỏi tháp 3 kết hợp. • NH 3 lỏng NH 3 lỏng được phân ly từ thiết bị phân ly được giảm áp xuống 2,35 MPa vào thùng chứa trung gian sau đó tiếp tục đưa tới chứa ở kho cầu. NH 3 từ hệ thống hấp thụ chế lạnh cấp cho thùng cao vị. Tại đây NH 3 lỏng đi xuống thiết bị bốc hơi làm lạnh nhận nhiệt hóa khí lên thùng cao vị, qua bộ làm lạnh khí bảo hộ tuabin về hệ thống hấp thụ, chưng, ngưng tụ chế thành NH 3 lỏng tạo thành chu trình kín. Trên đường ống chung cấp NH 3 lỏng cho bộ bốc hơi làm lạnh, ngoài đường cấp từ hệ thống hấp thụ chế lạnh còn có đường cấp từ cương vị máy băng để có thế điều chỉnh phụ tải của hệ thống hấp thụ chế lạnh. 10 [...]... quát các bước cơ bản của quá trình tổng hợp amoniac từ loại bỏ các tạp chất gây ngộ độc, tinh chế khí, đến quá trình tổng hợp amoniac Mỗi quá trình đều có các thông số cụ thể về nhiệt độ và áp suất, các chất xúc tác kèm theo Tổng hợp amoniac là nhu cầu tất yếu của các nhà máy sản xuất phân đạm hiện nay Hiệu suất của quá trình tổng hợp ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành các thành phẩm đi từ nguồn amoniac . đã đi vào khái quát các bước cơ bản của quá trình tổng hợp amoniac từ loại bỏ các tạp chất gây ngộ độc, tinh chế khí, đến quá trình tổng hợp amoniac. Mỗi quá trình đều có các thông số cụ thể. trình tổng hợp NH 3 có trong khí than ẩm như CO, CO 2 , H 2 S, bụi than, dầu mỡ … vì các tạp chất này gây ngộ độc xúc tác cho quá trình tổng hợp NH 3 . Công đoạn tinh chế khí bao gồm các cương. được tuần hoàn lại tổng hợp NH 3 . Đoạn 4,5 máy nén N 2 -H 2 Khử vi lượng khí Đoạn 6 máy nén N 2 -H 2 3 Tháp 3 kết hợp Tháp tổng hợp NH 3 Quạt khí than Khử H 2 S thấp áp Đoạn 1,2,3 máy nén N 2 -H 2 Loại