đồ án tốt nghiệp sản xuất NH3 (amoniac) từ khí tự nhiên

* Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp khô:khử S bằng phương pháp khô được ứng dụng hiện nay, khí nguyên liệu đượcnén, gia nhiệt nhờ nhiệt quá trình Riforming sơ cấp rồi đưa vào thiết

MỞ ĐẦU

Amoniac là sản phẩm của ngành công nghệ hoá học, nó có tầm quantrọng lớn đối với sự phát triển của ngành kinh tế quốc dân, đáp ứng được nhucầu sử dụng của từng quốc gia trong công nghiệp tổng hợp phân bón dùngcho nông nghiệp, và các hướng tổng hợp hữu cơ khác, trong công nghiệpquốc phòng, công nghiệp dân dụng

Vì vậy mà sản phẩm amoniac đã có mặt trên thế giới rất sớm, và ngàycàng được phát triển với các công nghệ tổng hợp của các hãng trên thế giớinhằm tổng hợp amoniac từ các nguồn nguyên liệu khác nhau tuỳ theo đặcđiểm của từng quốc gia về nguồn nguyên liệu

lượng không nhỏ cho các ngành như nông nghiệp, quốc phòng, làm chất tải

quan trọng trong sự phát triển chung của ngành công nghiệp hoá học

Với lợi thế nguồn nguyên liệu khí tự nhiên dồi dào việc phát triển công

nguồn nguyên liệu sẵn có

Nguồn nguyên liệu ở Việt Nam hiện nay với trữ lượng khí lớn, nó lànguồn nguyên liệu cho tổng hợp amoniac quan trọng nhất, mà nước nhà cầnphát triển

Các công nghệ Amoniac hiện nay gồm công nghệ áp suất cao, công nghệ

áp suất thấp, công nghệ áp suât trung, việc lựa chọn công nghệ áp suất nàocho phù hợp với xu thế phát triển của thế giới, mang lại hiệu quả kinh tế caovốn đầu tư ban đầu không lớn là vấn đề quan trọng mà trong bản đồ án này

em đề cập đến

PHẦN I

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: AMONIAC VÀ NGUYÊN LIỆU

SẢN XUẤT

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC:

Sản phẩm amoniac đã xuất hiện rất sớm từ đầu thế kỷ 18 Khi đó người

ta tổng hợp amoniac ở áp suất cao và nhiệt độ cao, tới năm 1821 người ta cốgắng tổng amoniac có sự trợ giúp của xúc tác nhưng không đạt được

Vào năm 1860, bằng phương pháp Hồ quang người ta tổng hợp đượcamoniac từ Nitơ và Hydro nhưng hiệu quả không cao

Do nhu cầu sử dụng amoniac ngày một nhiều nên đã có nhiều phươngpháp tổng hợp amoniac ra đời, năm 1961 tổng hợp amoniac với xúc tác sắtnhiệt độ cao, với hiệu quả 0,1%

Tới năm 1930, việc tổng hợp amoniac đã thành công với nhiều loại xúctác khác nhau nhưng hiệu quả cao nhất là xúc tác kim loại Ni

lượng” vào thập kỷ 60, nhiệt sinh ra từ các phản ứng chuyển hoá khí tự nhiên

và các quá trình tuần hoàn, phức tạp, hiệu quả kinh tế phụ thuộc công suất củanhà máy, công suất càng lớn hiệu quả kinh tế cao, đồng thời hiệu quả kinh tếcòn phụ thuộc vào dây chuyền công nghệ

Vào năm 1988, với công nghệ mang tên LCA, công ty ICI của Anh đã có

độ thấp hơn các phương pháp cũ Công nghệ này sử dụng xúc tác hoạt tính

Ở nước ta hiện nay có nhà máy phân đạm Hà Bắc sản xuất NH3 từ thannhưng công nghệ lạc hậu và hiệu quả không cao Năm 2004 với dự án nhàmáy khí Điện Đạm Phú Mỹ đã đi vào hoạt động với công suất 1200 tấn/ngày

cho tổng hợp phân đạm và các ngành công nghiệp hoá học khác

II NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC:

1 Đi từ nguyên liệu là nhiên liệu ở thể rắn: (phương pháp khí hoá than ở

Phương pháp sản xuất này được mô tả ở sơ đồ hình khối (Hình 1)

Hình 1 Sơ đồ khối mô tả phương pháp khí hoá than ở nhiệt độ cao.

2 Đi từ nguyên liệu là nhiên liệu khí lò cốc có chứa hydro:

Khí sau phản ứng

Chuyển hoá COKhử hợp chất sulfur

Nén khí nguyên liệu

Rửa đồng để khử CO và khử

Phương pháp này được mô tả trong sơ đồ hình khối sau: (Hình 2).

Hình 2 Sơ đồ khối mô tả phương pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH 3

3 Đi từ nguyên liệu là nhiên liệu thể lỏng hoặc thể khí:

- Hơi nước.

- Không khí hoặc không khí giàu oxy

Chúng được chuyển hoá hoặc oxy hoá không hoàn toàn

3.2 Phương pháp:

Phương pháp này được mô tả ở trong sơ đồ hình khối (Hình 3)

Hình 3 Sơ đồ khối phương pháp tổng hợp NH 3 đi từ nguyên liệu thể lỏng

hoặc thể khí

III NGUYÊN LIỆU KHÍ TỰ NHIÊN:

Khí tự nhiên có mặt ở rất nhiều nơi trên thế giới như Trung đông, Đôngnam á, Châu âu, Mỹ…

Về thành phần của khí tự nhiên qua các nghiên cứu cho thấy, với mỗiquốc gia có thành phần khí tự nhiên khác nhau, nhưng thành phần chủ yếutrong khí tự nhiên là khí metan, từ 70% trở lên

Ngưyên liệu

Nén khí nguyên liệuKhử sạch hợp chất sulfur

dịch kiềm

Khử CO bằng dung dịch đồng

Chuyển hoá CO

Ở Việt nam chúng ta khí tự nhiên có ở cả miền Bắc và miền Nam MiềnBắc có mỏ khí tìm được ở Tiền Hải – Thái Bình vào năm 1981 Phía Nam cócác mỏ như Nam Côn Sơn, Lan Tây, Lan đỏ…, với trữ lượng tương đối lớn,ngoài ra nguồn khí đồng hành cũng cung cấp một khối lượng khí không nhỏ.

IV TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NH 3 :

thể gây ngạt thở, có tác dụng kích thích niêm mạc, khả năng hoà tan của niac phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ càng tăng khả năng hoà tanamoniac càng giảm

hoạt tính cao

Một số thông số hoá lý cơ bản của amoniac: (Bảng 1)

Bảng 1 Các thông số hoá lý cơ bản của NH 3.

Điểm nóng chảy (0C) - 77,71

V TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA AMONIAC:

Amoniac là chất hoạt tính cao, dễ tham gia phản ứng hoá học, nó thamgia vào các phản ứng kết hợp thay thế, và oxy hoá

Amoniac có khối lượng phân tử là 17,0312 công thức phân tử amoniac là

3

NH

OH NH

* Nếu có xúc tác phân huỷ ngay ở 300 0 C:

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT AMONIAC TỪ

KHÍ TỰ NHIÊN

Sản xuất amoniac từ khí tự nhiên qua ba giai đoạn sau

Giai đoạn 1: Từ khí tự nhiên sản xuất khí nguyên liệu.

hỗn hợp khí này thành khí tổng hợp bằng cách tách lưu huỳnh rồi được trộn

Giai đoạn 2: Loại bỏ tạp chất tinh chế khí nguyên liệu.

Giai đoạn 3: Tổng hợp NH3

Sau khi khí nguyên liệu được tinh chế, hỗn hợp khí được nén tới áp suất

Chúng ta sẽ đi vào từng giai đoạn sản xuất

I SẢN XUẤT KHÍ NGUYÊN LIỆU:

Giai đoạn này gồm các bước sau:

+ Từ khí tự nhiên đưa tới tháp tách S

1 Khử hợp chất lưu huỳnh trong khí nguyên liệu:

Trong khí tự nhiên có chứa các hợp chất chứa lưu huỳnh làm ngộ độcxúc tác gây ăn mòn đường ống, làm giảm tuổi thọ máy móc, đường ống vì

* Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp khô:

khử S bằng phương pháp khô được ứng dụng hiện nay, khí nguyên liệu đượcnén, gia nhiệt nhờ nhiệt quá trình Riforming sơ cấp rồi đưa vào thiết bị hydrohoá xảy ra phản ứng

* Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp ướt:

Phương pháp này sử dụng chất hấp phụ là dung dịch huyền phù để hấp

Các công nghệ hiện nay sử dụng dung môi mono etan amin (MEA) đượcứng dụng rộng rãi

Ư

u điểm của ph ươ ng pháp MEA.

+ MEA có khả năng phản ứng cao, ổn định và để tái sinh

+ Khả năng làm sạch cao

Nh

ư ợc điểm của ph ươ ng pháp MEA.

+ Năng lượng tiêu tốn cho quá trình tái sinh cao

+ Tiêu hao lượng chất cần hấp thụ

Nếu khí nguyên liệu có chứa hàm lượng tạp chất > 2,5% thì người ta sửdụng các chất hấp phụ rẻ tiền hấp phụ, sau đó dùng MEA

2 Chuyển hoá metan trong khí tự nhiên:

2.1 Chuyển hoá metan bằng hơi nước:

Hỗn hợp khí sau khi loại bỏ lưu huỳnh được trộn với một lượng hơi nướcxác định, ở nhiệt độ cao, nhằm thực hiện quá trình chuyển hoá metan và hy-

2 2

4

P P

P co P Kp

y y

y y

H CH

CO O

H CH

Trong đó:

Kp – Là hằng số cân bằng của phản ứng

cân bằng

P – Áp suất chung của hệ

Nếu dư hơi nước nó làm chuyển dịch phản ứng (1) theo chiều thuậnngoài ra còn xảy ra phản ứng sau:

Khí tự nhiên sau khi đi khử lưu huỳnh được trộn với hơi nước theo tỉ lệ

chuyển hoá là ống có đường kính từ 6 đến 10cm với xúc tác Ni được gia nhiệtbên ngoài để thực hiện phản ứng chuyển hoá

2.2 Phương pháp oxy hoá không khí hoàn toàn:

Với phương pháp chuyển hoá bằng hơi nước thì ta phải cung cấp nhiệt

Khí tổng hợpHơi nước

Khí tổng hợp

Hình 5 Sơ đồ công nghệ chuyển hoá dùng xúc tác

Sau giai đoạn metan hoá tạo thành H2, CO, một phần CO2, hơi nước, H2,

xúc tác vì vậy phải loại bỏ CO, để loại bỏ CO người ta chuyển hoá nó thành

Hai phản ứng trên, phản ứng 1 tạo muội cacbon gây cản trở đường ống,

nhiều nguyên tố có thể làm xúc tác cho phản ứng chuyển hoá CO như oxyt

3.2 Xét ảnh hưởng của áp suất tới quá trình chuyển hoá CO:

Áp suất hầu như không có ảnh hưởng tới quá trình mà chỉ có ảnh hưởngtới các phản ứng phụ

Trong công nghiệp có hai biện pháp hạ nhiệt độ của phản ứng chuyểnhoá

Phương pháp truyền nhiệt nội bộ: Vừa tiến hành chuyển hoá vừa làmlạnh

Phương pháp phân đoạn chuyển hoá và làm lạnh trung gian:

+ Chuyển hoá giai đoạn 1 đến hiệu suất nhất định sau đó làm lạnh khí vàđưa khí đến giai đoạn 1 trong tháp chuyển hoá ở nhiệt độ cao và sau đó đưasang tháp chuyển hoá nhiệt độ thấp.

4 Tách CO 2 khỏi khí nguyên liệu:

hưởng không tốt tới quá trình tổng hợp amoniac, do đó mà trước khi tổng hợp

4.1 Phương pháp dùng nước hấp phụ CO 2 :

Quá trình này được gọi là quá trình rửa nước thường được tiến hànhtrong tháp rửa ở đây thường dùng là loại tháp đệm, nước và khí đi ngượcchiều nhau

* Ưu điểm:

+ Chất hấp phụ dễ kiếm và rẻ tiền

+ Không tiêu hao hơi nước

+ Dây chuyền đơn giản dễ chế tạo

+ Giá thành thiết bị vừa phản

* Nhược điểm:

+ Khó kiếm chất hấp thụ hơn.

+ Tiêu hao nhiều hơi nước

4.3 Phương pháp dùng dung dịch alkanol amin:

(TEA), di etanol amin (DEA), mono etanol amin (MEA) trong đó dung dịchMEA được sử dụng thường xuyên hơn

4.4 Phương pháp dùng dung dịch NaOH:

II TINH CHẾ KHÍ NGUYÊN LIỆU:

nhỏ hơn mức cho phép, người ta tiến hành tinh chế khí nguyên liệu, loại bỏ

chất này trước khi đưa vào tổng hợp amoniac nhằm tránh gây ngộ độc xúc tác

và nhằm giảm hiệu xuất phản ứng

1 Phương pháp Nitơ lỏng:

Lợi dụng tính hoà tan tốt của Nitơ lỏng với CO người ta sử dụng Nitơlỏng tách CO, hoá lỏng khí Nitơ bằng cách cho khí Nitơ qua các chu trìnhnén, làm lạnh, và giản nở, trong tháp tách CO, Nitơ lỏng đi từ trên xuống khínguyên liệu đi từ dưới lên khí CO hoà tan vào Nitơ lỏng, cùng với metan; hy-

2 Phương pháp dùng dung dịch đồng:

Trong công nghiệp người ta thường dùng các dung dịch muối đồng sau:

- Dung dịch axetat đồng hoá trị I

- Dung dịch đồng plomiat đồng hoá trị.

Những dung dịch trên được ứng dụng ngay từ rất sớm nhưng khả năngứng dụng không cao vì nhược điểm sau:

+ Giá thành đắt ảnh hưởng tới giá sản phẩm tạo thành

+ Tiêu tốn năng lượng

+ Ô nhiễm môi trường do thải ra kim loại nặng Cu

3 Phương pháp metan hoá:

Sau phá trình chuyển hoá hơi nước, khí tổng hợp vẫn chứa từ 0,2 ÷ 0,3%

Phương pháp này khử tương đối sạch một lượng hợp chất chứa oxy

2 2

3

H N

NH P

P P

P K



3 2

*

2 3

2 3

* 2

2 2 3 2

2 3 2

2

3

H N

NH H

N

NH H

N

NH f

P P

P f

f

f K

3

H N

3

H H N

NH P

P P P

P K

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng tính theo công thức:

3 6 4

3

5

10 69 , 16 10 52 , 2 35

, 5 10

459 6 , 840 545 , 0

T T

Trong đó: T, P, Q: là nhiệt độ, áp suất, hiệu ứng nhiệt.

Qua đó ta thấy hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

2 các yếu tố ảnh hưởng tới cân bằng phản ứng:

Đây là phản ứng hai chiều toả nhiệt, giảm thể tích

2.1 Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ:

Lechaterlie thì phản ứng sẽ xảy ra theo chiều thuận khi giảm nhiệt độ và tăng

áp suất

Để xét ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất ta xét các khả năng sau:

Khi không có khí trơ:

Ta có phản ứng:

1 1

r n r n

2

3 2

1

o

o o a o

r

r n n r

2

1 1

1

a o

a a

n n

n y

o

a o o

r y y n

n

n r

n y

2 2

1 1

o

a o

o o

r y y r n

n

n r

r n y

2 2

3 1

3

2

1 1

2

3 1

1

3 3

NH NH

NH P

y

r y

r

r r

r P

y K

(8)

3

NH

P – áp suất chung của hệ

r y y r P y P

o

o H

1 3 1

y P

o N

1 1

4

1 3 4

P y K

P P

16 2

Đây là phương trình nêu lên quan hệ giữa nồng độ cân bằng NH3 và nhiệt

độ, áp suất (Đồ thị hình 6)

+ Khi cùng làm việc ở 1 áp suất thì tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn sẽ thu

+ Khi cùng làm việc ở cùng nhiệt độ thì tiến hành ở áp suất cao sẽ thu

tiêu tốn năng lượng và yêu cầu thiết bị phải chịu được áp suất cao, do đó phảitính toán chính xác khi tăng áp suất để mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ H 2 /N 2 trong nguyên liệu:

700

Hình 6 Quan hệ giữa nồng độ cân bằng NH 3 và nhiệt độ áp suất.

2.3 Ảnh hưởng của khí trơ:

Trong khí nguyên liệu luôn chứa 1 lượng khí trơ xác định và lượng khítuần hoàn đã tham gia phản ứng vì vậy mà nó làm giảm áp suất riêng phần

i: nồng độ khí trơ trong hỗn hợp khí nguyên liệu

1

1

y i

14 , 0

Qua các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng ta rút ra các điều kiện

có lợi cho cân bằng phản ứng như sau sau:

+ Nhiệt độ phản ứng thấp

+ Nâng cao áp suất

+ Giảm tối thiểu hàm lượng khí trơ

3 Xúc tác cho quá trình tổng hợp amoniac:

Xúc tác đóng vai trò quan trọng liên quan tới tốc độ, hiệu suất phản ứng,cho đến ngày nay người ta tìm ra nhiều xúc tác khác nhau với mỗi xúc tác

100Mpa 60Mpa 30Mpa

10Mpa 0

tác bao gồm: 78 ÷ 82% Fe; 11 ÷ 14% (FeO + Fe2O3); 1,5 ÷ 3% Al2O3; 0,1 ÷

CaO, MgO

Thành phần xúc tác cho đến ngày nay khá đa dạng, người ta vẫn tìm xúctác mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất Hiện nay xúc tác được dùng rộng dãi

trúc của chúng được xắp xếp theo thứ tự sau:

Các oxyt kim loại kiềm có tác dụng làm tăng cường trao đổi điện tử hoạthoá quá trình trung gian, đó là tạo hoạt tính xúc tác làm việc ở áp suất cao tạo

3.1 Xúc tác oxyt sắt:

Xúc tác oxyt sắt ngoài thành phần chính là oxyt sắt còn có các phụ gia

phần như trong bảng (Bảng 2)

B ng 2 B ng phân lo i xúc tác theo thành ph n ảng 2 Bảng phân loại xúc tác theo thành phần ảng 2 Bảng phân loại xúc tác theo thành phần ại xúc tác theo thành phần ần

Phụ gia Al 2 O 3 : Phụ gia Al2O3 có tính bền nhiệt, bền cơ của xúc tác, tăng

Bảng 3 Bảng biểu hiện khả năng bền nhiệt Al 2 O 3.

Phụ gia K 2 O: Khi tổng hợp NH3 từ N2 và H2 cũng như khi nhả NH3 đều

Giai đoạn tạo xúc tác: Hoạt tính xúc tác không chỉ phụ thuộc vào cấu tạohoá học mà còn phụ thuộc vào quá trình sản xuất xúc tác đi từ nguyên liệunào, hiệu quả hoàn nguyên xúc tác, với xúc tác oxyt sắt người ta có 2 phươngpháp chế tạo xúc tác oxyt sắt

Phương pháp 1: Trộn vụn sắt với các phụ gia như: Al2O3; KNO3; K2O3,sau đó hỗn hợp này được đốt trong oxy, tuy nhiên phương pháp này có nhượcđiểm là độ oxy hoá kém; phụ gia trộn không đều

Phương pháp 2: Trộn oxyt sắt Fe3O4 với phụ gia, hoặc quặng sắt từthiên nhiên trộn phụ gia rồi đem đun nóng chảy trong lò điện, phương phápnày ưu việt hơn phương pháp 1, vì thành phần hạt đều, các hạt xúc tác có hìnhdạng bất kỳ

- Trọng lượng riêng: 4,5 ÷ 5,0 kg/lít

- Hệ số khe hở: 40 ÷ 50%

Vấn đề quan trọng là tái sử dụng xúc tác, phương pháp hoàn nguyên xúc

xúc tác mà điều kiện hoàn nguyên xúc tác cũng khác nhau

Các phản ứng hoàn nguyên xảy ra như sau:

+ Do kích thước hạt xúc tác lớn dần lên, tuỳ theo từng loại xúc tác màthời gian kích thước hạt tăng lên khác nhau nó cũng cho thấy tính bền nhiệtcủa xúc tác.

chất lưu huỳnh, phốt pho, các hợp chất này làm cho xúc tác bị ngộ độc vĩnhviễn cho nên giai đoạn đầu phải loại bỏ và khử tách sạch các tạp chất này

3.2 Xúc tác khác:

Hiện nay người ta vẫn nghiên cứu tìm ra các loại xúc tác khác oxyt sắtnhằm có tính ưu việt hơn, nghiên cứu mỗi chất xúc tác cho quá trình tổng hợp

xúc tác dựa trên kim loại thuộc nhóm 8 có chứa kim loại kiềm mang trên

hoá bởi kim loại kiềm như: K, Cs, và gần đây người ta nghiên cứu và đưa raxúc tác Ru mang trên xúc tác Zeolit có chứa kim loại kiềm, phương pháp này

có tốc độ tổng hợp amoniac tăng hơn so với các phương pháp khác, tăng tốc

độ phản ứng có thể sử dụng các điều kiện phản ứng trung tính đem lại hiệuquả kinh tế

IV CƠ CHẾ VÀ ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG TỔNG HỢP NH 3 :

1 Cơ chế của phản ứng tổng hợp NH 3 :

Cơ chế của quá trình tổng hợp amoniac là được nghin cứu bởi các kỹthuật hàng đầu bao gồm các phương pháp sau: Phương pháp thay đổi đồng vị,TPD, XPS, phương pháp đo nhiệt lượng, một số phương pháp quang phổ khác

và các thiết bị nghin cứu bề mặt được hợp nhất hoá

Dựa trên mô hình nghin cứu bề mặt các nhà khoa học đưa ra cơ chế hoạtđộng của xúc tác sắt

2 2 2

3 1

2 3 3

2 2

H

NH NH

H N

P

P K P

P P K r

Trong đó: r - Tốc độ tức thời của phản ứng tổng hợp.

3 2

2 , H , NH

Đối với xúc tác oxyt sắt thì phương trình phản ứng có dạng sau:

5 , 1 1

2 3 3

2 2

H

NH NH

H N

P

P K P

P P K r

P K K K

e K K

e K K

RT

RT o

.

2 2 1

/ E 0 2 2

/ E 1 1

2 1







Trong đó:

Từ phương trình động học trên ta xét những nhân tố ảnh hưởng đến vậntốc tức thời

2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất:

Ứng với mỗi điều kiện áp suất, xúc tác, hiệu suất tổng hợp nhất định ta sẽ

có một nhiệt độ thích hợp, có thể tìm được nhiệt độ thích hợp bằng cách lấyđạo hàm của r theo t và cho bằng 0:

0 )

dT dr

Từ phương trình động học ta cũng có thể rút ra mối quan hệ giữa tốc độphản ứng và áp suất (Hình 8)

Trên đồ thị (hình 8) biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng vào áp

giá trị này là 3

0 0 0.05

0.1 0.15

30 Mpa

20Mpa 10Mpa

Hình 8 Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt

độ

2.3 Ảnh hưởng của tốc độ không gian:

Tốc độ không gian là thể tích khí (ở điều kiện tiêu chuẩn) thổi qua đơn vịthể tích xúc tác trong đơn vị thời gian:

T

P V

V V

K

N S

273





Trong đó:

Tốc độ không gian tượng trưng cho lượng khí mà đơn vị thể tích xúc tác

xử lý trong một đơn vị thời gian Tốc độ không gian càng lớn thì lượng xử lýđược càng nhiều và thời gian tiếp xúc càng ngắn

Tóm lại tăng tốc độ không gian cũng là lợi dụng các nhân tố như là: kíchthước thiết bị tăng, thể tích khí phải đun nóng và làm lạnh tăng do vậy trở lợc

và tiêu hao năng lượng Nhiệt phản ứng tạo ra qua nhiều gây khó khăn choviệc duy trì nhiệt độ ở tầng xúc tác trong tháp tổng hợp không tránh khỏi phải

bổ xung nhiệt từ ngoài vào

3 4

60000

2 1

Hình 9 Quan hệ giữa nồng độ NH 3 trong khí thoát khỏi tháp tổng

hợp với tốc độ không gian ở các áp suất khác nhau.

(1) 1000 ata (2) 600 ata (3) 300 ata (4) 100 ata

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ

SẢN XUẤT AMONIAC

Các công nghệ sản xuất amoniac tuỳ thuộc vào từng hãng thiết kế khácnhau mà có những ưu việt khác nhau, và chúng có những điểm chung trongdây truyền công nghệ, dựa vào áp suất người ta chia ra 3 phương pháp tổnghợp amoniac khác nhau như sau:

I TỔNG HỢP AMONIAC ÁP SUẤT CAO:

Phương pháp này thực hiện ở áp suất 750 ÷ 1000 ata Được thực hiện ở

áp suất cao nên quá trình chuyển hoá diễn ra nhanh, hiệu suất phản ứng cao,

Bên cạnh đó do áp suất cao, việc chế tạo thiết bị khó khăn hơn, tháp phải

có chiều dày để chống nổ, các đường ống dẫn phải được thiết kế cho phù hợpvới áp suất cao, việc áp suất cao sẽ tiêu tốn năng lượng là điều phi kinh tế,đồng thời nhiệt độ cao khả năng tái sử dụng xúc tác giảm, thời gian sử dụngxúc tác thấp Chính những bất lợi trên mà phương pháp này ít được sử dụng

II TỔNG HỢP AMONIAC ÁP SUẤT TRUNG BÌNH:

Dây chuyền tổng hợp amoniac ở áp suất trung bình sử dụng năng lượng

ít hơn phương pháp áp suất cao, thiết bị dễ chế tạo hơn phương pháp áp suấtcao, do vậy mà hiệu quả kinh tế cao hơn, phương pháp này được sử dụng rộngrãi vào thập kỷ 70 của thế kỷ trước

tới thùng chứa khí không ngưng cho tuần hoàn lại

III TỔNG HỢP NH 3 ÁP SUẤT THẤP:

Quá trình tổng hợp áp suất thấp có ưu điểm vượt trội so với các phươngpháp khác, do quá trình thực hiện ở áp suất thấp mà chế tạo thiết bị gọn nhẹhơn nên giá thành vừa phải Ở áp suất thấp nhiệt độ làm việc thấp, dễ vậnhành và điều chỉnh nhiệt độ Xúc tác sử dụng bền, quá trình sản xuất khí tổnghợp ở áp suất cao, lợi dụng áp suất cao này vào cho quá trình nén khí, giảmtiêu tốn năng lượng, phương pháp này đảm bảo cho an toàn lao động

Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp tổng hợp áp suất thấp có

÷ 25%, yêu cầu sử dụng xúc tác lớn, không tốt về cần bằng nhiệt động tiêutốn năng lượng cho tuần hoàn

Sau đây là công nghệ của một số hãng trên thế giới

Nước

Phóng không

Khí mới 2

7

Amoniac lỏng

Hình 12 Quá trình tổng hợp amoniac ở áp suất trung bình

1 Công nghệ Kellogg:

Vào thập kỷ 70 thế kỷ trước Kellogg đã áp dụng phương pháp tổng hợp

áp suất thấp, và là hãng đầu tiên áp dụng phương pháp này

1.1 Sơ đồ công nghệ:

Từ khí tự nhiên qua công đoạn tách lưu huỳnh, và các hợp chất chứa lưuhuỳnh được đưa vào phản ứng với hơi nước có gia nhiệt thêm (quá trình Re-

sơ cấp

Sau quá trình reforming sơ cấp, thứ cấp thu được khí tổng hợp, rồi đưa

Điểm đặc biệt của công nghệ Kellogg là nhiệt độ cao quá trình reforming

sơ cấp được các ống xoắn tách tái sử dụng thiết bị đun sôi, chạy hơi cao áp,chạy tua bin máy nén ly tâm

Công nghệ Kellogg còn một số nhược điểm:

+ Tiếng ồn

+ Công suất hạn chế

+ Máy nén tuabin, các thiết bị, đường ống hơi cao áp có giá thành cao

17- Thiết bị tách ammoniac áp suất cao

§å ¸n tèt nghiÖp S¶n xuÊt Amoniac tõ khÝ tù nhiªn

+ Bảo vệ môi trường sinh thái và con người tốt hơn

+ Khả năng xảy ra sự cố thấp hơn các phương pháp trước

+ Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng xúc tác có hoạt tính cao đểnâng cao hiệu suất phản ứng, tăng năng suất, giảm áp suất làm việc

+ Được thiết kế linh hoạt có khả năng thay đổi thiết bị phụ, tự động điềukhiển đến từng thiết bị

Hiện nay công nghệ này đã được triển khai và áp dụng tại Severnside vớicông suất 480 tấn/ngày

3.3 Công nghệ của Haldor topsoe:

Với công nghệ này khí nguyên liệu được gia nhiệt sau đó đưa tới thiết bịlàm lạnh lưu huỳnh

người ta cho qua thiết bị reforming thứ cấp, dùng xúc tác Ni, oxy kỹ thuậtđược đưa vào

Phân xưởng sản xuất NH3 tại nhà máy phân đạm Phú Mỹ thuộc khu côngnghiệp Phú Mỹ huyện Tân Thành – Bà Rịa – Vũng tàu Công suất 760 ÷ 800

hành được khai thác ở mỏ dầu Bạch Hổ - Nam Côn Sơn, và các mỏ thuộc lụcđịa phía Nam

1380 tấn/ngày Chúng bao gồm các công đoạn sau:

+ Từ khí tự nhiên khử S + Metan hoá

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN NGUYÊN LIỆU VÀ

DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I LỰA CHỌN NGUYÊN LIỆU:

Việc sử dụng nguyên liệu là yếu tố rất quan trọn liên quan đến dâychuyền công nghệ và giá thành sản phẩm tạo thành

Lựa chọn nguyên liệu phù hợp với điều kiện từng quốc gia để tổng hợp

Đề tài này sử dụng nguyên liệu khí tự nhiên phù hợp với điều kiện nước

ta có nhiều mỏ khí tận dụng được nguồn nguyên liệu khác, giảm vốn đầu tư

nhiên lớn hơn so với các nguyên liệu khác

II LỰA CHỌN DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ:

theo công nghệ áp suất cao, áp suất trung, và áp suất thấp, với sự tiến bộ của

những ưu khuyết điểm đã nêu trong chương 2, em lựa chọn công nghệ sảnxuất đơn giản, giá thành không cao, lại tận dụng triệt để năng lượng tạo chogiá sản phẩm tạo thành không lớn chính vì vậy đồ án này em lựa chọn côngnghệ áp suất thấp của hãng Haldol Topsoc Đây cũng chính là dây chuyềncông nghệ đã được ứng dụng tại nhà máy khí điện đạm Phú Mỹ

III CÁC QUÁ TRÌNH VÀ PHẢN ỨNG XẢY RA TRONG DÂY CHUYỀN HALDOL TOPSOE:

1 Khử lưu huỳnh trong nguyên liệu:

phản ứng hydro hoá trên xúc tác Co, Mo

2 Chuyển hoá khí tự nhiên:

Hỗn hợp khí sau khi loại bỏ lưu huỳnh được trộn với hơi nước tiến hành

ứng sau:

Quá trình chuyển hoá khí tự nhiên thành CO, CO2, H2 qua quá trình foming sơ cấp chưa hoàn toàn do vậy khi được đưa tới quá trình reforming

ưu cho giai đoạn tổng hợp amoniac

IV CHUYỂN HOÁ CO Ở NHIỆT ĐỘ CAO VÀ THẤP:

Sau khi tiến hành quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp hỗn hợp khí gồm

V QUÁ TRÌNH METAN HOÁ:

rồi đưa vào thiết bị phản ứng chuyển hoá metan trên nền xúc tác Ni

hợp chất cacboxyl làm ngộ độc xúc tác, phá huỷ máy nén

VI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP AMONIAC:

lên máy nén và nén đến 141 bar và nhiệt độ làm nóng 2540C trước khi đưa

phân ly lần thứ 2, đưa amoniac về thiết bị thu hồi, khí hỗn hợp ở đỉnh chotuần hoàn trở lại nhằm tăng hiệu suất chuyển hoá xả một lượng khí nhất địnhtheo định kỳ giảm khí trơ (4)

VII CÔNG ĐOẠN LÀM LẠNH BẰNG AMONIAC:

Amoniac lỏng được sử dụng cho các thiết bị làm lạnh khí công nghiệp tại

VIII THIẾT BỊ TỔNG HỢP AMONIAC:

Thiết bị phản ứng tổng hợp amoniac có đặc điểm làm việc ở nhiệt độ cao

và áp suất cao nên kết cấu nói chung đều có lớp vỏ bên ngoài làm bằng thépchịu nhiệt, bên trong có chứa xúc tác

Thiết bị phản ứng cho tổng hợp amoniac gồm có 2 thiết bị chính:

- Loại 1: Điều khiển nhiệt độ dùng trao đổi nhiệt gián tiếp

- Loại 2: Trộn nguyên liệu lạnh trực tiếp vào để điều khiển nhiệt độ

1 Loại làm lạnh gián tiếp:

Thiết bị này dùng các ống làm lạnh chạy qua tầng xúc tác để loại bỏnhiệt tổng hợp Nhiệt của phản ứng dùng để đốt nóng khí nguyên liệu đếnnhiệt độ phản ứng hoặc truyền cho các chất làm lạnh sản xuất hơi nước

Nhược điểm: Cơ bản của thiết bị này là điều khiển nhiệt độ chậm, nhiệtdao động lớn và công suất bé

* Thiết bị tổng hợp amoniac của TOPSOE:

Thiết bị này chứa 2 tầng xúc tác hình vành khuyên mà dòng khí đi vàocác lớp xúc tác Một thiết bị trao đổi nhiệt (1) được xen vào giữa lớp xúc tác

Khí nguyên liệu vào ở phía dưới đáy tháp và đi vào khoảng không giangiữa vỏ tháp và dọ chứa xúc tác dòng khí tiếp tục xuyên qua các ống bên thiết

bị trao đổi nhiệt phía trên, qua lớp xúc tác thứ nhất rồi qua lớp xúc tác thứ haithực hiện phản ứng tổng hợp amoniac

* Thiết bị tổng hợp amoniac của NEC:

Thiết bị tổng hợp Amoniac của TOPSOE - S200

N 2

Khí tổng hợp

Khí ra

N2

Khí đi vào từ trên xuống qua khe hở giữa vỏ thiết bị và dỏ xúc tác đi rangoài vào thiết bị trao đổi nhiệt nhằm mục đíc trao đổi nhiệt vói khí đã phảnứng Hỗn hợp khí tiếp tục đi qua các ống nằm giữa lớp xúc tác thực hiện tiếpcác trao đổi nhiệt rồi sau đó đi qua lớp xúc tác thực hiện phản ứng tổng hợpamoniac Nhiệt độ khí tăng lên truyền nhiệt cho hỗn hợp khí chưa phản ứng,

đi xuống phía dưới qua thiết bị trao đổi nhiệt ra ngoài

Theo chiều cao của tháp nhiệt độ của tháp có tăng dần Nhiệt độ cao nhất

2 Thiết bị làm lạnh trực tiếp:

Quá trình điều khiển nhiệt độ ở tầng xúc tác được thực hiện bằng trao đổinhiệt trực tiếp giữa khí phản ứng (khí nóng) và khí nguyên liệu (khí lạnh).Quá trình này đơn giản và điều khiển nhiệt độ rất tốt không có nhược điểm

Khí vào

Hình 14.Thiết bị tổng hợp amoniac của NEC

1 Xúc tác.

2 Ống làm lạnh.

3 Trao đổi nhiệt.

Thiết bị tổng hợp amoniac của Kellogg:

PhÇn II: TÝnh to¸n

CHƯƠNG 5

Thiết bị tổng hợp ammoniac của Kellogg

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

I TÍNH TOÁN CÁC CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

1 Giai đoạn sản xuất khí tổng hợp:

1.1 Các số liệu ban đầu:

- Thành phần khí tự nhiên sử dụng: Sử dụng thành phần khí tại mỏ khíRồng.(Bảng 4)

B ng 4 Thành ph n khí t i m khí R ng ảng 2 Bảng phân loại xúc tác theo thành phần ần ại xúc tác theo thành phần ỏ khí Rồng ồng

- Độ chuyển hoá giả thiết như bảng nêu trên

- Tỷ lệ: (Hơi)/(Khí tự nhiên) vào thiết bị chuyển hoá: 2,8/1

V(ktn) : Năng suất hệ thống thiết bị (m3/h).

Thay các số liệu vào ta có kết quả như sau:

6 2 6

2H  C H ktn 

332 , 722

8 3 8

3H  C H ktn 

27 , 18

) ( )

) ( )

2 ktn  N ktn ktn 

* Lượng hơi nước:

Theo giả thiết tỷ lệ (hơi)/(khí tự nhiên) vào thiết bị chuyển hoá là 2,8/1

do đó ta có:

162400 58000

8 , 2

8 ,

2O  ktn  

* Lượng oxy kỹ thuật:

, 49736 1 ,

O

kt C V

V 

Suy ra: V(kt)= 4623,406 (m3/h)

Các thành phần còn lại được tính toán như sau:

752 , 50 100

189 , 5075 1

) ( )

189 , 5075 5 , 0

) ( CO )

189 , 5075 5 , 0

Ar C Ar V kt  

1.3 Tính toán lượng ra:

i

Lượng khí tự nhiên không chuyển hoá đi ra được xác định như sau:

4 4

2 6

3 8

VN ( ) ( )

/

2 2

mỗi khí, đặt các đại lượng cần tính như sau:

* Cân bằng vật liệu tính theo cacbon:

CO CO

H C H

C CH

kt CO ktn

CO H

C H

C CH

V V

V V

V

V V

V V

V

/ /

/ /

/

) ( )

( 2 8

3 6

2 4

2 2

8 3 6

2 4

3

2

3