Trang 7 Nguyễn hồng sơn mơ hình hóa và tính tốn thiết bị tổng hợp amôniắc Để góp phần có thêm những hiểu biết về công nghệ cũng nh− để tăng c−ờng khả năng tính tốn cơng nghệ và thiết bị
bộ giáo dục v đo tạo trờng đại học bách khoa hμ néi - luận văn thạc sĩ khoa học ngnh : công nghệ hoá học mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Nguyễn hồng sơn Hà Nội 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113918911000000 bé giáo dục v đo tạo trờng đại học bách khoa hμ néi - luận văn thạc sĩ khoa học mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc ngnh : công nghệ hoá häc m∙ sè:23.04.3898 Ngun hång s¬n Ng−êi h−íng dÉn khoa học : PGS.TS mai xuân kỳ Hà Nội 2007 Luận văn cao học khóa 2005 Mục lục Trang 1 Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chơng 1: công nghệ sản xuất amôniắc 1.1 TÝnh chÊt vµ øng dơng cđa amôniắc 1.1.1 Tính chất amôniắc 1.1.2 ứng dụng amôniắc 1.2 công nghệ sản xuất amôniắc 1.2.1 Công nghệ sản xuất amôniắc từ nguyên liệu khí thiên nhiên 10 1.2.1.1 Công đoạn khử hợp chất lu huỳnh 12 1.2.1.2 Công đoạn nÐn khÝ tỉng hỵp 12 1.2.1.3 Công đoạn Steam Reforming xúc tác 13 1.2.1.4 Công đoạn chuyÓn hãa CO 13 1.2.1.5 Công đoạn tách loại CO2 13 1.2.1.6 C«ng đoạn Mêtan hóa 14 1.2.1.7 Công đoạn tổng hợp amôniắc 14 1.2.2 C«ng nghƯ từ nguyên liệu cặn dầu than 14 1.2.2.1 Công đoạn khí hóa 15 1.2.2.2 Công đoạn chuyển hóa CO 16 1.2.2.3 Công đoạn tách CO2 H2S 16 1.2.2.4 Công đoạn tinh chế khí tổng hợp 17 1.2.2.5 Công đoạn tổng hợp amôniắc 17 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Chơng 2: mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể 18 2.1 sơ lợc xúc tác rắn 18 2.2 Lựa chọn mô tả động học phản ứng xúc tác dị thể 19 2.3 TÝnh to¸n thiÕt bị phản ứng lớp xúc tác tĩnh 20 2.3.1 C©n b»ng chÊt 20 2.3.2 C©n b»ng nhiƯt 24 2.3.2.1 Tính toán thiết bị xúc tác lớp tĩnh đẳng nhiƯt 25 2.3.2.2 TÝnh to¸n thiết bị xúc tác lớp tĩnh đoạn nhiệt 28 Chơng 3: mô hình hóa v tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 30 3.1 mô tả thực tế công nghệ thiết bị tổng hợp amôniắc 30 3.1.1 Công nghệ tổng hợp amôniắc 30 3.1.1.1 Sơ lợc lịch sử trình sản xuất amoniăc 30 3.1.1.2 Nhiệt động học phản ứng tông hợp amôniăc 32 3.1.1.3 ¶nh h−ëng cđa nhiệt độ áp suất công nghệ tổng hợp amôniăc 34 3.1.1.4 Chu trình công nghệ tổng hợp amôniăc 35 3.1.1.5 Xúc tác tổng hợp amôniăc 36 3.1.1.6 Cơ chế động học phản ứng tổng hợp amoniăc 54 3.1.2 Thiết bị tổng hợp amôniắc 61 3.1.2.1 Kết cấu chung thiết bị tổng hợp amôniăc 61 3.1.2.2 Thu håi nhiƯt vµ kiểm soát nhiệt tháp tổng hợp amôniắc 61 3.1.3 Xu hớng phát triển công nghệ thiết bị tổng hợp amôniắc 66 3.2 mô hình hóa tính toán tháp tổng hợp amôniắc 69 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học 3.2.1 khóa 2005 Thiết lập mô hình tính toán 69 3.2.1.1 C©n b»ng chÊt 69 3.2.1.2 C©n b»ng nhiƯt 70 3.2.1.3 Các sở thùc tiÔn 71 3.2.2 Tính toán thông số 72 3.2.2.1 Các thông số đầu vào 72 3.2.2.2 Phơng trình động học cđa ph¶n øng 73 3.2.2.3 Biến đổi phơng trình động học phản ứng 73 3.2.2.4 Tính toán thông số cần thiết khác 75 3.2.3 Giải toán 77 3.2.3.1 Phơng pháp giải 77 3.2.3.2 Sơ đồ thuật toán 77 3.2.3.3 Ch−¬ng trình tính toán 79 3.3 kết tính toán 81 KÕt luËn 84 ti liệu tham khảo 86 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Mở ĐầU Nớc ta cã diƯn tÝch tù nhiªn 330.000 km2, n»m khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa Các điều kiện tự nhiên thuận lợi với nguồn nhân lực dồi sở để ngành nông nghiệp phát triển Công đổi đồng toàn diện lĩnh vực đời sống xà hội đợc Đảng Cộng sản Việt Nam thức khởi xớng phát động từ Đại hội VI Đảng, tháng 12 năm 1986, đa đất nớc chuyển dần từ kinh tÕ tËp trung quan liªu bao cÊp sang nỊn kinh tế thị trờng, có quản lý nhà nớc theo định hớng Xà hội chủ nghĩa Sau 17 năm đổi mới, ngành Nông nghiệp Việt Nam đà đạt đợc thành tựu đáng khích lệ Từ nớc thiếu lơng thực, thờng xuyên phải nhập đến Việt Nam đà trở thành nớc xuất gạo đứng thứ hai giới Với chiến lợc đảm bảo an ninh lơng thực quốc gia, giữ ổn định tình hình kinh tế-xà hội, việc phát triển ngành sản xuất phân bón cần thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất ngành nông nghiệp Trong sản xuất sử dụng phân bón tơng lai cho thấy nhu cầu sử dung phân bón có gốc nitơ cần thiết quan trọng nông nghiệp nớc ta Công nghệ sản xuất phân bón có gốc nitơ hoàn toàn tập trung vào công nghệ sản xuất amôniắc nớc ta, việc sản xuất amôniắc trớc đà đợc áp dụng Nhà máy phân đạm Hà Bắc từ năm 70 sử dụng nguồn nguyên liệu than cục, gần có thêm Nhà máy đạm Phú Mỹ vào sản xuất từ năm 2004 sử dụng nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên với tổng sản lợng đạt triệu tấn/năm Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Để góp phần có thêm hiểu biết công nghệ nh để tăng cờng khả tính toán công nghệ thiết bị sản xuất amôniắc, đề tài luận văn tốt nghiệp tập trung vào nội dung sau: Tìm hiểu công nghệ thiết bị sản xuất amôniắc giới Thu thập số liệu nhiệt động học nh động học trình tổng hợp amôniắc Tìm hiểu xúc tác tổng hợp amôniắc Tìm hiểu phân tích thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc thực tế sản xuất công nghiệp Tìm hiểu mô hình hóa tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể Lựa chọn mô hình động học, tính toán thông số mô hình, lập mô hình tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Chơng 1: công nghệ sản xuất amôniắc 1.1 Tính chất ứng dụng amôniắc 1.1.1 Tính chất amôniắc Amoniắc chất khí không màu điều kiện nhiệt độ thờng, có khả gây mùi cay, tính thẩm thấu mạnh, chất độc dễ cháy nổ Nó khả tích tụ nhng gây bỏng cho da Khi hít phải không khí có hàm lợng amôniắc 5000ppm thể tích bị chết ngạt thở thời gian ngắn Thậm chí với hàm lợng 2000ppm gây cháy bỏng da vài giây gây phù phổi nghiêm trọng Với nồng độ 700ppm gây tổn thơng đến mắt khả nhìn không đợc chữa trị Nhng có mùi mạnh nên phát đợc amôniắc nồng độ 50ppm Giới hạn cháy amôniắc không khí 16-25%, ôxy 1579% Hỗn hợp gây nổ khó để bắt cháy Nhiệt độ bắt cháy khoảng 650 0C Amôniắc thông thờng đợc vận chuyển lu kho dạng lỏng thu đợc nén làm lạnh amôniắc khí Do amôniắc lỏng có áp suất riêng phần cao (7,76 barg 210C 15,78 barg -330C [8]) nên với khu chứa quy mô nhỏ trung bình thờng chứa điều kiện áp suất cao, với kho lớn thờng chứa áp suất thờng Amôniắc khô dù dạng khí hay lỏng không ăn mòn với hầu hết loại vật liệu Khi có lẫn nớc có tính ăn mòn với kim loại nh đồng, bạc kẽm Hợp chất nổ đợc tạo thành tạo hợp chất với thủy ngân Amôniắc lỏng có tỷ trọng khoảng 60% tỷ trọng nớc Nó hòa tan nớc để tạo thành nớc amôniắc (NH4OH) với nồng độ từ 15-30% Amôniắc đồng thời hòa tan dung dịch muối và dung dịch hữu nhng với độ hòa tan thấp nớc Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 1.1.2 ứng dụng amôniắc Amôniắc hóa chÊt cã häat tÝnh tèt, tham gia ph¶n øng víi nhiều hợp chất Ngoài tính khử amôniắc tốt Cháy nhiệt độ cao để phân hủy tạo thành nitơ nớc, nhng có tham gia xúc tác tạo thành NO nớc NO sau oxy hóa tiếp hòa tan nớc để tạo thành axit nitơric Khả bị ôxy hóa đặc tính quan trọng amôniắc để sử dụng nh phân bón bị ôxy hóa thành nitơ để thay nitơ đất nên trồng vừa sử dụng dạng amôniắc nitơ Tuy nhiên sử dụng dạng ôxy hóa không đợc u tiên trồng lấy nitơ dễ dàng từ đất Các chất khử thờng không tham gia phản ứng với amôniắc Phản ứng có tính thơng mại quan trọng phản ứng trung hòa axit Amônia hydrat basơ yếu, ion hóa nhiều hợp chất tơng tự nh NaOH Trong mol dung dịch NH4OH, nồng độ OH- 0,5% dung dịch NaOH Ba loại phân bón nitrat amôn (NH4NO3), sunphát amôn [(NH4)2SO4] phốt phát amôn ([NH4H2PO4] [(NH4)2PO 4] đợc tạo phản ứng axit amôniắc Gốc NH4- gọi gốc amôn có tính chất giống nh kim loại kiềm Các phản ứng quan trọng khác sản xuất phân bón phản ứng với CO2 để tạo thành cacbamat, phân hủy tiếp tạo thành urê nớc Urê có tính chất tốt để sử dụng làm phân bón Còn nhiều tính chất phản ứng khác có tính thơng mại nh: hòa tan kim loại kiềm amôniắc, phản ứng với kim loại hoạt tính nh Mg, phản ứng với phốt lu huỳnh, tạo thành hợp chất với muối kim loại, tạo nhóm amine thủy phân 1.2 công nghệ sản xuất amôniắc Amônắc đợc sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhng phổ biến hai nguồn nguyên liệu sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học 10 khãa 2005 - Ngn nguyªn liƯu khÝ thiªn nhiªn - Nguồn nguyên liệu dầu nặng lợng hóa thạch nh cặn dầu, than Theo nguồn nguyên liệu công nghệ sản xuất amôniắc chia thành hai loại công nghệ 1.2.1 Công nghệ sản xuất amôniắc từ nguyên liệu khí thiên nhiên Khí thiên nhiên nguồn nguyên liệu phổ biến đợc sử dụng để sản xuất amôniắc Việc sản xuất amôniắc từ khí thiên nhiên thuận tiện, dây chuyền công nghệ ngắn đơn giản sử dụng loại nguyên liệu khác Công nghệ sản xuất amôniắc từ khí thiên nhiên nh sau: Khí thiên nhiên từ mỏ khai thác khí đợc đa đên nơi sản xuất qua công đoạn sau để tổng hợp thành amôniắc: - Khử lu huỳnh - Nén khí - Steam Reforming xúc tác - Tách CO2 - Mêtan hóa - Tổng hợp amôniắc Sơ đồ dây chuyền công nghệ nh sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc