Đề cương bài giảng công nghệ các hợp chất nito

MC LC Cụng ngh cỏc cht vụ c ca Nit Phn m u Lch s phỏt trin v xu hng phỏt trin ca ngnh c nh N2 v tng hp NH3 I Gii thiu V Nit NGUYấN LIU CHO TNG HP AMONIAC II Xu hng phỏt trin ca ngnh CHNG 2: CễNG NGH KH HểA THAN I.C s hoỏ lý ca khớ hoỏ than 11 II Thiết bị 14 Chương 3: Chuyển hoá khí thiên nhiên 21 Chương 3: Chuyển hoá dầu mỏ 29 Chương 4: Khử Hợp CHất sunfura khỏi hỗn hợp khí nguyên liệu 34 I Làm S khí thiên nhiên 35 II Làm S khí than 35 Chương 5: Chuyển hoá co 39 Chương 6: khử khí co2 khỏi hỗn hợp khí nguyên liệu 45 CHƯƠNG 7: khử co khỏi HỗN HợP khí nguyên liệu 51 CHƯƠNG 8: phân ly không khí 57 CHNG 9: TNG HP NH3 65 I Cơ sở hoá lý trình tổng hợp NH3 65 II lựa chọn công nghệ tổng hợp NH3 72 CHƯƠNG 10: Tổng hợp urê 84 a.tóm tắt sở lý thuyết 84 b Công nghệ tổng hợp urê 86 C thiết bị công nghệ tổng hợp urê 90 CHNG 11: CễNG NGH CH TO AXIT NITRIC 93 CHNG 12: GII THIU CễNG NGH SN XUT METHANOL 93 Tài liệu tham khảo 93 Cụng ngh cỏc cht vụ c ca Nit Mc ớch ca mụn hc Trang b cho sinh viờn kin thc, k nng nghiờn cu, thit k cỏc cụng ngh ca cỏc lnh vc c nh nit v tun hon cỏc hp cht vụ c c bn dn xut t NH3 Phn m u Lch s phỏt trin v xu hng phỏt trin ca ngnh c nh N v tng hp NH3 I Gii thiu V Nit Vn ch to cỏc hp cht ca nit l quỏ trỡnh s phỏt trin ca loi ngi Nit cn cho s phỏt trin v tng trng ca hoa mu, v l thnh phn chớnh tham gia vo c th ngi v ng vt Gi vai trũ quan trng vic tn ti s sng trờn trỏi t Nitơ cố định Thực vật hoa mầu Động vật Con người (C, O, H2, N 2) Ngun Nit cú thnh phn chớnh khụng khớ (gn nh l khớ tr) Mun chuyn nit khụng khớ ( dng tr) v dng c th sng hp thu c thỡ phi qua quỏ trỡnh chuyn húa nit t dng n cht tr sang dng hp cht thớch hp Quỏ trỡnh ny gi l c nh nit Cú ba phng phỏp chớnh c nh Nit (cú th rỳt gn thnh 2) K thut tia la in, xỳc tỏc Phương pháp sinh học Thực vật Vi khuẩn, hấp thụ N2 I Lch s phỏt trin nghnh c nh N2 bng phng phỏp k thut Trong k thut, thc cht lch s ngnh c nh nit chớnh l lch s k thut tng hp ammoniac Amoniac l húa cht c bn cụng ngh húa hc núi chung v cụng ngh phõn bún húa hc núi riờng Nhng nghiờn cu u tiờn v phn ng tng hp NH3 c thc hin bi Fritz Haber t nhng nm 1904 n nm 1909, Haber ó tng hp c NH3 phũng thớ nghim vi nng sut 80 gam NH3/ gi Tuy nhiờn phn ng m Haber tin hnh xy ỏp sut v nhit rt cao nờn khụng hiu qu trin khai sn xut sn phm thng mi Nm 1913, Carl Bosch cựng vi Haber phỏt trin cụng ngh tng hp NH3 theo hng s dng xỳc tỏc H ó xõy dng dõy chuyn quy mụ xng thc nghim v sau ú phỏt trin lờn quy mụ thng mi vi nng sut 30 tn NH3/ ngy Nh mỏy t ti Oppau, c Da trờn quy trỡnh Haber-Bosch, nhng nm cui ca thp niờn 30 th k 20, nhiu nc bt u xõy dng xng tng hp NH3 i t nguyờn liu l khớ lũ cc húa hoc khớ lũ cao Tip theo ú, nhng nm 1930 n 1950, cụng ngh tng hp NH3 vi nguyờn liu i t khớ húa than phỏt trin mnh v chim t trng ln so vi cỏc nguyờn liu khỏc Bc sang thp niờn 1960, sn xut NH3 i t khớ thiờn nhiờn v du m phỏt trin mnh v chim u th Rt nhiu nh mỏy cụng suõt 1500 1800 tn NH3/ ngy ó i vo hot ng M Nhng quc gia ng u v sn lng NH3 sn xut l Hoa K, Trung Quc, Nga, n Tỡnh hỡnh sn xut NH3 Vit Nam: Hin cỏc xng sn xut sn lng ln NH3 ca nc ta u nm nh mỏy sn xut m Vit nam cú cỏc nh mỏy phõn m ln l: + Cỏc nh mỏy sn xut bng cụng ngh chuyn húa khớ thiờn nhiờn Nh mỏy m Phỳ M cụng sut 750 000 tn Urờ / nm Nh mỏy m C Mau ang xõy dng (d kin khỏnh thnh 2009) cụng sut 800 000 tn Urờ / nm + Cỏc nh mỏy sn xut theo cụng ngh khớ húa than Nh mỏy m H Bc cụng sut 150 000 tn Urờ / nm, sp nõng cp lờn 300 000 tn nm Nh mỏy m Ninh Bỡnh ang trin khai d ỏn cụng sut thit k 560 000 tn Urờ / nm Cỏc nh mỏy ny s ỏp ng c 80% nhu cu v phõn Urờ ca nc ta NGUYấN LIU CHO TNG HP AMONIAC Nguyờn liu chớnh cho quỏ trỡnh tng hp NH3 l nit (N2) v hydro (H2) Ngun cung cp nit gn nh nht v vụ tn l khụng khớ Khụng khớ cha khong 78% nit sn xut hydro cú th i t than, khớ thiờn nhiờn v khớ ng hnh(KTN & KH) hoc du m Cỏc nguyờn liu ny ng thi cng cung cp nng lng cho nh mỏy Amoniac Nc cng l nguyờn liu u vo quan trng cho quỏ trỡnh tng hp NH3 sn xut khớ nguyờn liu i t than cụng ngh khớ húa than Sn xut khớ nguyờn liu t KTN v KH cụng ngh chuyn húa KTN v KH Sn xut khớ nguyờn liu t du m cụng ngh chuyn húa du m Thi gian u, nhng nm 1930 n 1950, thỡ sn xut NH3 vi nguyờn liu i t than l ch yu Khi ú vai trũ ca KTN & KH cụng ngh amoniac l cha c th hin Tuy nhiờn bc sang nhng nm 1960 v sau, cụng ngh sn xut NH3 i t KTN & KH phỏt trin rt mnh Nú chim v trớ ch cht cụng ngh NH3 S d nh vy vỡ cỏc lý sau: Cụng nghip du khớ v khớ thiờn nhiờn lỳc ny phỏt trin rt mnh, cung cp KTN v cỏc sn phm lc du ( vớ d du nng) cho cụng nghip amoniac Sn xut NH3 i t KTN v du m cho phộp tin hnh nng sut rt cao, quy mụ ln, cụng ngh n gin v hiu qu cao hn, giỏ thnh r hn so vi i t than Vic phỏt trin h thng ng ng dn khớ lm cho vic chuyn khớ d dng T trng cỏc nguyờn liu ngnh tng hp ammoniac nhng nm gn õy c th hin biu sau Theo thng kờ thỡ n nm 2007, 90% sn lng NH3 trờn th gii c sn xut trờn nguyờn liu l KTN & KH II Xu hng phỏt trin ca ngnh Phn ng chớnh tng hp ammoniac l: H2 + N2 300o at 500 C,xt NH3 ( iu kin phn ng cú th thay i tựy thuc vo cụng ngh nhng núi chung l P, T cao v cú xỳc tỏc) Phn ng t cõn bng sm (~26 %) trờn thc t l 20 % Hiu sut chuyn hoỏ khụng cao vỡ: to H + N2 NH3 + Q lg KP = f(T); KP T ỳng cho mi xỳc tỏc tng KP gim T nghiờn cu ch to loi xỳc tỏc cú nhit hot tớnh thp Cụng ngh: nghiờn cu gim giỏ thnh sn phm gim tiờu hao nng lng (dõy chuyn m l dõy chuyn tiờu hao nng lng ln) Phi bit tn dng nhit ỏp dng khoa hc k thut a cụng ngh hot ng gn ti u nht Bc1:Nghiờn cu c bn C s hoỏ lý ca quỏ trỡnh Phn ng hoỏ hc Dũng vt cht Dũng nhit(nng lng) Bc 2: Thit b chớnh :Phn ng chớnh nú s nm nhng thit b no La chn kiu thit b phự hp Bc 3: a mt quy trỡnh (xem xột) cú th a c sn phm Chỳ ý ỏp dng cỏc th phỏp cụng ngh t c hiu qu cao nht Bc 4: Kim tra s ti u hoỏ ca cỏc dũng vt cht v dũng nhit Vớ d: Vi cụng on hp th CO2 bng kim núng, phi phõn chia thnh hai bc, ban u s dng dung dch giu hp th s b Sau ú s dng dung dch nghốo hp th trit on cui Vic chia bc gúp phn lm gim chi phớ tỏi sinh dung dch, tit kim c nng lng m m bo c sch ca CO2 cụng on CHNG 2: CễNG NGH KH HểA THAN 2.1 Gii thiu chung Than v cỏc c trng ca than Than l nhiờn liu hoỏ thch, hỡnh thnh cỏc cht hu c b vựi lp lũng t ( ch yu l cỏc thm thc vt) c trng ca than: Than cú nhiu loi, mi loi khỏc v thnh phn, cu trỳc, tớnh cht Cu trỳc than: C bn l C (cacbon), ngoi cũn cú H, N, S, v cỏc cht khụng chỏy Cỏc nguyờn t H, N, S, O cú th tn ti cỏc dng vụ c v hu c v chỳng thng to thnh cỏc cht bc than Cỏc cht khụng chỏy l cỏc oxớt kim loi, t than chỳng to x than Cỏc oxớt khụng chỏy ny c phõn lm hai nhúm Nhúm cú nhit núng chy thp gm cỏc oxớt nh K2O, Na2O, Cao, MgO v nhúm cú nhit núng chy cao nh SiO2, Al2O3, Fe2O3T s gia cỏc oxớt khú núng chy trờn cỏc oxớt d núng chy cng ln thỡ nhit núng chy ca x cng ln Than bựn: Cha ớt C (30 40%), cht bc nhiu, cu trỳc xp, mm Mun s dng than bựn phi tin hnh cc hoỏ tng hm lng C v ci thin tớnh cht c lý Than ỏ: Cu trỳc tng i rn chc, hm lng C tng i cao, cht bc ớt Than Antraxit cha khong 98% C Than cc: Than ỏ ó qua cc hoỏ, cht bc rt ớt, hm lng C cao, cu trỳc rn chc, bn c nờn hay dựng cho luyn kim Nhit tr ca than: L nhit lng ta t chỏy hon ton mt kg than, kCal/kg Than dựng cho khớ hoỏ to khớ nguyờn liu cn phi m bo cỏc yờu cu nh + Hm lng C 85% + Nhit núng chy ca x cao, t 1100 15000C + Hm lng cht bc, lu hunh phi thoó tiờu chun c th + C ht thng t 25 200 mm Trong dõy chuyn khớ hoỏ than ch to khớ nguyờn liu thỡ than va l nguyờn liu, va l nhiờn liu Khớ hoỏ than l cho than tỏc dng vi tỏc nhõn khớ, gi l cht khớ hoỏ chuyn than t nguyờn liu rn thnh mt dng nguyờn liu khớ gi l khớ than Khớ than cú th c dựng tng hp NH3, tng hp metanol, tng hp hu c hoc l hoỏ lng lm nhiờn liu Than Cht khớ hoỏ Khớ than Lề KH HO Nhit Tu vo mc ớch khỏc ca vic s dng khớ than m tin hnh cỏc cụng ngh khớ hoỏ than khỏc nhau, dựng cỏc cht khớ hoỏ khỏc V s thu c khớ than cú thnh phn khỏc Cỏc loi cht khớ hoỏ v dng khớ húa Cht khớ hoỏ cú th l khụng khớ, khụng khớ giu oxi, hi nc hoc l hn hp ca chỳng Bng sau gii thiu mt s loi khớ hoỏ than in hỡnh v thnh phn khớ than thu c Loi Khớ Cht khớ hoỏ Thnh phn % V khớ than than N2 H2 CO CO CH4 O2 H2S Khụ Khụng khớ 64,6 0,9 33,4 0,6 0,5 - 0,5 t Hi nc 6,4 48,0 38,5 6,0 0,5 0,2 0,5 19,6 40,0 31,0 8,0 1,2 0,2 0,5 m K + hi nc Than cú thnh phn chớnh l C, ngoi cũn cú H, O, S, N dng vụ c v hu c Do ú tin hnh khớ húa than thỡ ta thu c rt nhu khớ, dựng cỏc iu kin cụng ngh thớch hp s thu c khớ mong mun Cỏc phn ng chớnh xy khớ húa than: C + O2 to CO2 C + O2 to CO C + CO2 to 2CO C + H2O to CO+ H2 to C + 2H2O S2 + O to CO2+ 2H2 2SO2 (phn ng ng th, S th khớ) to 1/2S2 + CO COS + H2 to CO + 3H2 to COS H S + CO (trung ỏp) CH4 + H2O Dựng O2 khụng khớ khớ hoỏ than: thnh phn chớnh khớ thu c l CO, CO2, O2, N2 Dựng khớ than t (dựng hi nc lm cht khớ hoỏ ) cú sn phm l CO, CO2, H2(khụng thớch hp cho tng hp NH3 khụng cha N2) Khớ hoỏ than m: dựng H2O v khụng khớ lm cht khớ hoỏ thu c hn hp khớ than ch yu l H2, CO, CO2, N2 Bng cỏch khng ch t l hi nc v khụng khớ ta s thu c hn hp khớ than cú ( CO + H2)/ N2 = - 3,1 phự hp cho tng hp NH3 Cỏc loi lũ khớ húa than Khớ húa than tin hnh thit b gi l lũ khớ húa Hin cú cỏc loi lũ khớ húa nh sau: Thụng s Lũ c nh Lũ tng sụi 10 Lũ phun Lấy dây chuyền công nghệ tổng hợp NH3 nhà máy Đạm Hà Bắc làm ví dụ minh họa Hình21 Sơ đồ dây chuyền tổng hợp amoniac: Lọc dầu; Thùng chứa sản phẩm; Thùng chứa amoniac; Tháp ba kết hợp; Tháp tổng hợp; Thiết bị phân ly NH3; Trao đổi nhiệt; Máy nén tuần hoàn; Tách dầu, bụi; 10 Nồi hơi; 11.Giàn làm lạnh nước Thuyết minh dây chuyền: Khí nguyên liệu có tỷ lệ H N từ máy nén có áp suất 320at, nhiệt độ 35 40 C , qua thiết bị phân ly dầu mỡ (1) Sau khí với khí tuần hoàn vào thiết bị ba kết hợp (4) Trong thiết bị ba kết hơp có đoạn làm lạnh, ngưng tụ phân ly NH3 Tại đoạn làm lạnh, hỗn hợp khí làm lạnh khí không ngưng từ phân ly lên, sau qua đoạn ngưng tụ, hỗn hợp khí làm lạnh nhiệt bay NH3 lỏng phía ống chùm đạt nhiệt độ C , lúc dòng khí ngưng tụ tách đoạn phân ly đưa thùng chưa, khí lại lên trong ống trung tâm thiết bị ba kết hợp vào không gian ống chùm đoạn làm lạnh để làm lạnh khí vào Nhiệt độ hỗn hợp khí đạt khoảng 30 C khỏi thiết bị ba kết hợp Sau khỏi thiết bị ba kết hợp, hỗn hợp khí chia làm hai đường: 79 Đường qua van V1 vào tháp tổng hợp (5), khe hình vành khăn vỏ tháp tổng hợp vỏ rọ xúc tác từ xuống để làm lạnh vỏ tháp, cân áp suất cửa đáy tháp (ra lần 1) Đường thứ hai qua van V2 , trực tiếp hỗn hợp với khí khỏi tháp lần để vào TĐN (7) Khí khỏi TĐN (7) chia làm ba đường: Đường thứ (chính) qua van V8 hỗn hợp với phần khí khỏi tháp lần để điều chỉnh nhiệt độ vào tháp lần từ cửa dưới, qua trao đổi nhiệt đặt tháp để trao đổi nhiệt với khí nóng vừa khỏi tầng xúc tác Nhiệt độ khí sau trao đổi nhiệt tăng lên 380 4000C vào ống trung tâm lên tầng xúc tác thứ Đường thứ thứ gọi đường khí kích lạnh, dùng để điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp khí trước vào lớp xúc tác Cụ thể đường thứ qua van V6 , vào đáy tháp, lên theo ống trung tâm để hỗn hợp với đường trước khí vào tầng xúc tác thứ Đường thứ qua van V4 vào đình tháp hỗn hợp với khí trước vào tầng xúc tác thứ hai Khí sau phản ứng từ lớp xúc tác cuối xuống trao đổi nhiệt đặt tháp để nhường nhiệt cho khí Sau khỏi tháp lần hai, nồng độ xNH 16% , nhiệt độ 3300 C qua nồi (10) sau qua trao đổi nhiệt (7) qua làm lạnh nước (11) hạ nhiệt độ xuống 35 40 C Tại nhiệt độ này, phần NH3 ngưng tụ tách phân ly (6) để đưa thùng chưa (2) Khí không ngưng tiếp tục qua máy nén tuần hoàn (8), qua phân ly dầu (9) sau tuần hoàn lại thiết bị ba kết hợp để hỗn hợp với khí nguyên liệu bắt đầu chu trình Trong trình tuần hoàn, hàm lượng khí trơ tăng lên Khi hàm lượng khí trơ cao 12%, van tự động mở phóng không khí tuần hoàn 80 Với áp suất 320at, nhiệt độ làm lạnh thiết bị ba kết hợp 20 C nồng độ NH3 lại khí tuần hoàn sau ngưng tụ khoảng 3% Xúc tác sử dụng xúc tác Fe Tháp tổng hợp Amoniac Hình22: Tháp tổng hợp ammoniac A Cửa khí vào lần B Cửa khí lần C Cửa khí vào lần D Cửa khí lần E F G Cửa đường khí kích lạnh Hoạt động: Hỗn hợp khí nguyên liệu khí tuần hoàn vào tháp lần thứ qua cửa A, theo không gian hình vành khăn vỏ tháp vỏ rọ xúc tác xuống khỏi tháp lần theo cửa B Hỗn hợp khí vào tháp lần với hai mục đích làm lạnh vỏ tháp cân áp suất cho vỏ rọ xúc tác Vì vỏ rọ xúc tác chịu áp Sau khỏi cửa B Khí chia làm đường đường kích lạnh khác Đường trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ lên khoảng 1800C vào tháp qua cửa C Đi vào không gian ống chùm trao đổi nhiệt đặt tháp Sau vào ống trung tâm lên vào lớp xúc tác thứ Lớp xúc tác thứ khí theo hướng trục Đường khí thứ hai 81 đường kích lạnh vào cửa E để điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp khí vào lớp xúc tác thứ Khí khỏi lớp xúc tác thứ vào lớp xúc tác thứ hai Đường khí kích lạnh thứ hai vào cửa G để điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp khí vào lớp xúc tác thứ Sau khí vào lớp xúc tác thứ theo hướng kính Nhiệt độ khí vào lớp điều chỉnh thông qua đường kích lạnh vào qua cửa F Sau qua lớp xúc tác, nhiệt độ khí khoảng 500 530 C , tiếp tục qua trao đổi nhiệt, khí nóng ống, khí lạnh ống Sau trao đổi nhiệt, khí có nhiệt độ khoảng 3800C khỏi tháp lần theo cửa D Tháp ba kết hợp Hình23 Cấu tạo tháp ba kết hợp I Đoạn làm lạnh II Đoạn ngưng tụ III Đoạn phân ly A Cửa khí nguyên liệu vào B Cửa khí tuần hoàn vào C Cửa khí D Cửa ammoniac lỏng E Cửa ammoniac lỏng vào để bay làm lạnh F Cửa ammoniac Nguyên tắc hoạt động: Khí nguyên liệu vào cửa A hỗn hợp với khí tuần hoàn vào cửa B, vào ống TĐN Được làm lạnh khí không ngưng từ phân ly lên Tiếp đến vào ống TĐN ngưng tụ (II) Tại đây, hỗn hợp khí làm 82 lạnh nhờ NH3 bay ống Nhiệt độ hỗn hợp khí đạt -20C Một phần NH3 khí ngưng tụ tháo cửa D Khí không ngưng vào ống trung tâm lên trên, trao đổi nhiệt với khí vào đoạn I Khí khỏi đoạn I cửa C có nhiệt độ khoảng 300C vào tháp tổng hợp ammoniac 83 CHƯƠNG 10: Tổng hợp urê a.tóm tắt sở lý thuyết Ngày Urê toàn giới chủ yếu tổng hợp từ NH3 CO2 Phản ứng tổng hợp sau: t ,P NH CO2 ( NH ) CO H O Phản ứng phản ứng tổng cộng, thực trình xẩy theo hai giai đoạn nối tiếp Giai đoạn (1) phản ứng NH3 với CO2 tạo hợp chất trung gian amoni cacbamat NH2COONH4 Phản ứng xẩy nhanh NH CO2 NH COONH (1) Giai đoạn (2) phân hủy hợp chất trung gian amoni cacbamat tạo thành urê nước: NH COONH ( NH ) CO H O (2) Phản ứng phân hủy xẩy chậm, hiệu suất chuyển hóa cân không cao nên giai đoạn định tốc độ chung trình tổng hợp urê Hằng số cân phản ứng tổng hợp Urê ( phản ứng tổng): KN ( NH ) COO H O NH CO2 Tại điều kiện phản ứng, tất cấu tử hệ thể lỏng nên thực chất phản ứng tổng hợp urê phản ứng đồng thể Với điều kiện thực tế công nghiệp thường T 180 210 C , P 140 250at , NH CO2 / / hiệu suất chuyển hóa đạt khoảng từ 60 80% Do đó, sau phản ứng ta thu hỗn hợp lỏng gồm (NH2)2CO, NH2COONH4, H2O, NH3, CO2 Phải qua trình xử lý sản phẩm thu urê với đặc tính đạt yêu cầu Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới trình tổng hợp urê Phản ứng tổng hợp urê phản ứng thuận nghich, sản phẩm urê hợp chất trung gian hợp chất dễ phân hủy nên điều kiện công nghệ yếu tố quan trọng để đạt hiệu kinh tế - kỹ thuật sản xuất Cần nghiên cứu yếu tố công nghệ ảnh hưởng lên trình tổng hợp urê để chọn thông số công nghệ tối ưu Mục tiêu đạt hiệu suất chuyển hóa, suất thiết bị cao đến mức có thể, chi phí lượng thấp diễn phản ứng phụ, phản 84 ứng phân hủy làm giảm chất lượng sản phẩm thât thoát nguyên vật liệu Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến trình tổng hợp urê a Nhiệt độ phản ứng Quá trình phân hủy cacbamat thành urê trình thu nhiệt Nhiệt độ tăng hiệu suất phân hủy tốc độ phân hủy tăng Nhiệt độ phải đủ cao để làm nóng chảy cacbamat, đảm bảo hệ phản ứng thể lỏng Tuy nhiên nhiệt độ tăng tốc độ ăn mòn thiết bị tăng nhanh trình phân hủy sản phẩm diễn Trong thực tế thường chọn nhiệt độ từ 180 2100C b ảnh hưởng áp suất áp suất phản ứng phải đủ lớn để trì hệ phản ứng trạnh thái lỏng Khi nhiệt độ không đổi, áp suất tăng mức hiệu suất chuyển hóa tăng Thường công nghiệp, trình tổng hợp urê tiến hành áp suất 140 250at c ảnh hưởng nước Nước tham gia vào cân phản ứng nên ảnh hưởng đến tốc độ hiệu suất chuyển hóa phản ứng tổng hợp urê Ban đầu, có mặt nước hệ giúp trình tạo pha lỏng, tăng tốc độ phân hủy cacbamat thành urê Do qua trình sinh nước nên hàm lượng nước hệ tăng dần Hàm lượng nước lớn tốc độ phản ứng hiệu suất chuyển hóa giảm Nếu hàm lượng nước vượt giá trị giới hạn phản ứng tổng hợp urê xẩy theo chiều ngược lại d ảnh hưởng tỷ thành phân nguyên liệu Việc cho dư NH3 so với lý thuyết có tác dụng dễ hình thành pha lỏng cho hệ phản ứng giảm tác hại nước sinh NH3 kết hợp với H2O tạo NH4OH Do tăng hiệu suất phân hủy cacbamat Ngoài dư NH3 có tác dụng giảm phân hủy cacbamat thành sản phẩm phụ gây bẩn sản phẩm ăn mòn thiết bị Thường công nghiệp lấy NH3 dư từ 50 đến 100% so với lý thuyết ( tức NH3/CO2 = đến 4) e ảnh hưởng khí tạp Khí tạp nguyên liệu làm giảm áp suất riêng phần cấu tử làm giảm hiệu suất chuyển hóa tốc độ phản ứng tổng hợp urê Ví dụ hàm lượng 85 khí tạp nguyên liệu CO2 vào tháp tăng từ 2% lên 14 15% hiệu suất chuyển hóa giảm từ 65% 45% Ngoài nguyên liệu vào tháp tổng hợp urê có chứa O2 ăn min\\òn thiết bị nhanh b Công nghệ tổng hợp urê Quá trình tổng hợp urê công nghiệp trải qua công đoạn sau NH3, CO2 Tun hon Tng hp ( NH3 + CO2) Urờ, Cacbamat, NH3, H2O NH4CO3, NH4OH, Chng luyn tỏch sn phm v cht khụng phn ng X lý Dung dch Urờ Cụ c ch bin sn phm Sn phm ph Urờ (99,8%) Hiện giới tồn công nghệ tổng hợp urê theo nguyên tắc: + Không tuần hoàn: Với dây chuyền này, hỗn hợp nguyên liệu vào tháp tổng hợp thực phản ứng tạo urê Sau khỏi tháp qua bước tách sản phẩm urê chất chưa chuyển hóa Urê đưa cô đặc thành sản phẩm Các chất chưa chuyển hóa xử lý đưa sản xuất sản phẩm phụ + Dây chuyền tuần hoàn lỏng toàn bộ: Sau chưng luyện tách urê khỏi chất chưa chuyển hóa Urê đưa sang cô đặc tạo sản phẩm khí hấp thụ, làm giàu bước va quay lại tháp tổng hợp dạng dich tuần hoàn 86 + Dây chuyền tuần hoàn khí nóng: Hỗn hợp phản ứng khỏi tháp tổng hợp đưa chưng luyện để tách urê chất chưa chuyển hóa Dịch urê đưa cô đặc tạo sản phẩm Khí chưng luyện đưa quay trở lại máy nén để trộn với nguyên liệu CO2 NH3 vào tháp tổng hợp theo chu trình Trong công nghệ công nghệ không tuần hoàn có ưu điểm dây chuyền đơn giản, lượng cần thiết cho vận hành bé Nhược điểm lớn dây chuyền hiệu suất sử dụng nguyên liệu thấp Công nghệ tuần hoàn toàn lỏng có ưu điểm lớn hiệu sử dụng nguyên liệu cao Trừ khoản thấp thoát trình chế biến sản phẩm, lại nguyên liệu hoàn toàn tạo sản phẩm Urê Nhưng công nghệ tuần hoàn toàn lỏng có nhược điểm dây chuyền phước tạp, nhiều thiết bị Năng lượng cần cho vận hành lớn ( dây chuyền dùng nhiều bơn, máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt) Tuy nhiên ta biết công nghiệp Đạm chi phí để chế tạo nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn nên công nghệ tiết kiệm nguyên liệu thường công nghệ mang lại hiệu kinh tế cao Chính mà dây chuyền tuần hoàn toàn lỏng chiếm vị chủ đạo ưu việt Các công ty tập đoàn giới không ngừng nghiên cứu cải tiến công nghệ để ngày tiết kiệm lượng đơn giản hóa dây chuyền nhằm tăng hiệu kinh tế Dây chuyên công nghệ tổng hợp urê không tuần hoàn Dây chuyền minh họa hình 24 Nguyên liệu CO2 NH3 nén đến áp suất 200at đưa vào tháp tổng hợp urê (1) Nhiệt độ làm việc tháp trì 1850C Tỷ lệ NH3/CO2 = 4/1 ( dư 100% NH3) Sau qua tháp, khoảng 75% CO2 chuyển hóa thành urê Hỗn hợp dịch lỏng khỏi tháp qua van tiết lưu lần áp suất 17 at chưng lần để đuổi khí chưa chuyển hóa khỏi dung dịch Sau tiết lưu lần áp suất thường chưng lần để đuổi nốt khí chưa phản ứng Dung dịch urê sau tách khí chưa phản ứng đem cô đặc tạo hạt tháp tạo hạt 87 Tháp tạo hạt cao khoảng 70 100 m Trong chiều cao làm việc ( chiều cao giọt urê rơi) khoảng 45 60 m Trên đỉnh tháp tạo hạt có hệ thống quạt hút không khí tạo luồng không khí chuyển đông tháp từ lên Dung dịch urê sau cô đặc đến 99,8% bơm lên đỉnh tháp Trên có hệ thống vòi phun quay, tạo lựu ly tâm làm văng giọt urê lỏng Dưới tác dụng trọng lực, hạt giọt urê rơi gặp không khí chuyển động ngược chiều làm lạnh đóng rắn tạo hạt urê hình cầu Hệ thống phễu sàng đáy tháp phân loại hạt đưa vào băng tải đóng bao sản phẩm Hình 24 Sơ đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp urê không tuần hoàn Tháp tổng hợp; Các tháp chưng; Các gia nhiệt nước; Các buồng cô đặc; Tháp tạo hạt urê Khí thoát khỏi tháp chưng đem chế tạo sản phẩm phụ ví dụ NH4NO3, (NH4)2SO4 Ưu điểm: Dây chuyền đơn giản, lượng cần thiết cho vận hành bé Nhược điểm: Nhược điểm lớn dây chuyền hiệu suất sử dụng nguyên liệu thấp Công nghệ tổng hợp urê tuần hoàn toàn lỏng 88 89 Hỡnh 25 Dõy chuyn tng hp urờ theo phng phỏp tun hon lng ton b Hình 25 trình bày sơ đồ công nghệ tổng hợp urê theo phương pháp tuần hoàn lỏng toàn Nguyên liệu vào tháp tổng hợp NH3 lỏng, CO2 khí dịch tuần hoàn cacbamat Tất nén đến áp suất 200at Tại tháp tổng hợp nhiệt độ 185 ữ 1900C, 200at xẩy phản ứng tổng hợp urê Dung dịch khỏi tháp tổng hợp chứa urê, cacbamat chưa phân huỷ, H2O, NH3 CO2 dư, muối amoni cacbonatđược tiết lưu từ 200at 17at để nhả sơ khí chưa phản ứng Sau dịch urê qua công đoạn chưng phân giải để phân huỷ cacbamat đuổi nốt NH3 CO2 khỏi dung dịch Sau trình chưng phân giải nồng độ urê đạt khoảng 60 ữ 70% đưa qua công đoạn cô đặc chân không đê nâng nồng độ urê lên 99,8% đưa tạo hạt Khí thoát sau tiết lần ( tiết lưu từ 200at 17at) chủ yếu NH3 làm CO2 cách tưới NH3 lỏng để hấp thụ Sau làm khỏi CO2, NH3 chưa phản ứng đưa trở quay trở hỗn hợp với NH3 bổ sung để vào tháp tổng hợp theo chu trình Các khí thoát công đoạn chưng luyện, cô đặc hấp thụ thành dung dịch tuần hoàn lại tháp tổng hợp theo đường dịch amoni cacbonat C thiết bị công nghệ tổng hợp urê Dây chuyền tổng hợp urê đặc biệt dây chuyền hoạt động theo nguyên tắc tuần hoàn lỏng toàn sử dụng nhiều thiết bị máy móc Trong có thiết bị phản ứng tháp tổng hợp, thiết bị chưng, thiết bị cô đặc, máy nén, bơm tuye, bơm dung dịchSau giới thiệu số thiết bị dây chuyền 90 Tháp tổng hợp urê Hình 26 Tháp tổng hợp urê ống cắm nhiệt kế Cửa dung dịch khỏi tháp Cửa dung dịch vào Cửa NH3 vào Cửa CO2 vào Tấm định hướng dòng Vỏ chịu áp Vỏ chịu ăn mòn Cấu tạo tháp tổng hợp urê Tháp có vỏ chịu áp thép vỏ lớp lót chịu ăn mòn Trong tháp có đĩa định hướng nhằm tăng tiếp xúc pha tăng thời gian lưu Nếu đường kính tháp lớn tháp bố trí đĩa lưới dung dịch chiều từ lên, ngăn tượng quẩn trở lại tháp Đường kính tháp vào cỡ m Nếu nhà máy có công suất lớn bố trí nhiều tháp làm việc song song Trên tháp có cửa để cắm nhiệt kế đầu đo 91 Thiết bị chưng phân giải Thiết bị chưng phân giải dây chuyền tổng hợp urê có nhiệm vụ chưng dung dịch urê sau tiết lưu để đuổi hết khí chưa phản ứng khỏi dung dịch đồng thời phân hủy lượng cacbamat chưa chuyển hóa thành urê Sản phẩm phân hủy cacbamat chưng phân giải CO2 NH3, chúng đồng thời bị đuổi khỏi dung dịch trình chưng phân giải Hình 27 Tháp thiết bị chưng phân giải ống cắm nhiệt kế Các đĩa ống tuần hoàn Cửa xả khí Thiết bị gia nhiệt Cửa điều chỉnh mức Cửa tháo cặn Cửa quan sát Cửa quan sát 10.Cửa hồi lưu 11.Cửa đưa dung dich vào 12.Cửa lắp van an toàn Dung dịch giảm áp đưa vào tháp qua cửa (11) Do giảm áp đồng thời gia nhiệt nên cacbamat phân hủy tạo thành NH3 CO2, đồng thời sản phẩm phân hủy thoát khỏi dung dịch lên đỉnh tháp Khí khỏi tháp hấp thụ để tạo dung dịch muối amoni tuần hoàn tháp tổng hợp Dung dịch sau đuổi hết khí đem sang công đoạn cô đặc Trong dây chuyền urê tiến hành chưng phân giải theo hai đoạn ( đoạn áp suất 17at đoạn áp suất khoảng 3at) mang lại hiệu 92 CHNG 11: CễNG NGH CH TO AXIT NITRIC CHNG 12: GII THIU CễNG NGH SN XUT METHANOL Tài liệu tham khảo Nguyễn Hoa Toàn, Lê Thị Mai Hương Công nghệ hợp chất Vô Nitơ, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 Hồ Lê Viên, Nguyễn Như Thung (dịch) Máy Thiết bị sản xuất Hóa chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1971 La Văn Bình, Trần Thị Hiền Công nghệ sản xuất phân bón vô cơ, NXB Bách Khoa - Hà Nội, 2007 IFDC& UNIDO Fertilizer Manual, 1998 Europen Fertilizer Manufacturers Association Production of Ammonia, Brussels - Belgium, 2000 Stream Reforming - 50 years of Development and the Challenges for next 50 years AIChE 50th Annual Safety in Ammonia Plants and Related Facilities Symposium, Toronto, Canada, 26 - 29, September 2005 E ac, aep Tex Ca Aa Ceec Aa , , 1961 93 ... Thùng chứa xỉ; Tháo xỉ Dây chuyền công nghệ dùng lò Koppers-Totzek: Hình Lò Koppers-Totzek dây chuyền công nghệ 18 Nguyên lý vận hành: Than mịn ( 2mm) hỗn hợp chất khí hóa hòa trộn phun vào lò,... đạo số nghành công nghiệp hóa học lượng Thành phần khí thiên nhiên phụ thuộc vào vị trí địa lý mỏ khí chủ yếu mêtan Ngoài có etan, propan, hidro, CO2, hợp chất lưu huỳnh Công nghệ chuyển hóa... tổng hợp NH trình bày sơ đồ 21 3.2 Làm khí thiên nhiên Làm S khỏi khí thiên nhiên xúc tác Ni phản ứng chuyển hóa KTN nhạy với hợp chất S H S, COS, CS2 gây ngộ độc xúc tác Trong KTN, hợp chất