Tìm hiểu công nghệ sản xuất amoniac và tính toán cân bằng cho tháp tổng hợp amoniac

Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu TR ƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA DẦU KHÍ BỘ MƠN LỌC HĨA DẦU - - ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠNG NGHỆ HĨA DẦU VÀ CHẾ BIẾN POLYME Đề tài: “ Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất amoniac tính tốn cân cho tháp tổng hợp amoniac “ Page Đồ án môn học công nghệ hóa dầu Mở Đầu  Amoniac hợp chất hóa học quan trọng, có ý nghĩa to lớn nghành cơng nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp hóa học Hiện nay, ammoniac sử dụng rộng rãi hầu hết tất lĩnh vực sống sử dụng để sản xuất phân đạm, thuốc nổ, loại sợi tổng hợp,các loại nhựa… Đặc biệt công nghiệp dầu mỏ NH sử dụng làm chất trung hòa để tránh ăn mòn thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, trình chưng cất NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành q trình phân hủy nước biển lẫn dầu thô NH3 dùng để trung hòa vết axit dầu bơi trơn axit hóa Trong q trình cracing xúc tác lớp sơi, NH3 thêm vào dòng khí trước đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác sử dụng.NH dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác thiết bị cracking xúc tác lớp cố định Trong q trình hydrat hóa silic, NH3 kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo dạng gel Sau rửa tạp chất Al2(SO4)3 sấy khơ tạo hình Amoniac có nhiều ứng dụng đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc Công nghệ tổng hợp amoniac đưa vào sử dụng quy mô công nghiệp khoảng kỷ Nhưng nhu cầu lớn cấu nguyên liệu, dây chuyền thiết bị, hệ thống điều chỉnh điều khiển trình sản xuất, có thay đổi to lớn Các công nghệ sản xuất amoniac gồm có: cơng nghệ reforming nước, cơng nghệ oxy hóa khơng hồn tồn Ở cơng nghệ có qui trình sản xuất riêng phù hợp với nguồn nguyên liệu thơ mục đích sử dụng Với đồ án “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH từ khí tự nhiên” em tìm hiểu vấn đề có liên quan đến NH nguồn nguyên liệu, công nghệ để sản xuất điều kiện cơng nghệ… Để hồn thành đồ án nỗ lực cố gắng thân em giảng dạy hướng dẫn tận tình cô giáo TS.Nguyễn Thị Linh, nhiên đồ án em không tránh khỏi sai sót, em mong nhận đóng góp ý kiến để đồ án luận hồn chỉnh em có thêm kinh nghiệm q báu để hồn thành đồ án môn học sau tốt Em xin chân thành cảm ơn ! Page Đồ án môn học cơng nghệ hóa dầu Chương I: Tổng quan lý thuyết Giới thiệu NH3: Định nghĩa: Amoniac hợp chất vơ có cơng thức phân tử NH3 Ở điều kiện tiêu chuẩn, chất khí độc, có mùi khai, tan nhiều nước Tính chất: a Tính chất vật lý: - Amoniac chất khí khơng màu, mùi khai xốc, nhẹ khơng khí Nó có nhiệt độ nóng chảy -77,750C nhiệt độ sơi -33,350C Là phân tử có cực, amoniac tan dễ nước, lít nước 00C hồ tan 1200 lít khí NH3 , 200C 700 lít NH3 - Do có cực tính lớn, phân tử amoniac có khả kết hợp với nhờ liên kết hydro nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi nhiệt hố ( 22,82 kJ/mol ) cao so với hợp chất tương tự - Amoniac lỏng có số điện môi[5] tương đối lớn nên dung mơi ion hố tốt nhiều chất Cũng nước, amoniac lỏng tự phân ly theo trình : 2NH3 NH4+ + NH2 Hằng số điện ly bé , tích số ion amoniac lỏng -500C I K - − 50 C =C C − NH + NH = 2.10 −33 Tương tự với nước, chất tan amoniac lỏng mà làm tăng nồng độ NH4+ axit làm tăng nồng độ NH2 bazơ Amoniac lỏng có khả hoà tan kim loại kiềm kiềm thổ tạo nên dung dịch có màu lam thẫm Độ nhớt dung dịch amoniac -20 ÷ 1500C áp suất 0,098 MPa xác định theo cơng thức: η = 9,83.10 −6 + 2,75.10 −8.v + 2,8.10 −11 v - Một số số vật lý quan trọng amoniac thể bảng sau : Tên Hằng số Page Đồ án môn học công nghệ hóa dầu Phân tử lượng 17,0312 Thể tích phân tử 00C, 101,3kPa 22,08 ( l/mol ) Hằng số khí R 0,48818 (kPa m3/kg.k) Tỷ trọng lỏng 00C 101,3 kPa 0,6386 ( g/cm3 ) Tỷ trọng khí 00C 101,3 kPa 0,7714 ( g/l ) Tỷ trọng lỏng -33,430C 101,3kPa 0,682 (g/cm3 ) Tỷ trọng khí -33,430C 101,3kPa 0,888 ( g/l ) áp suất tới hạn 11,28 ( MPa ) Nhiệt độ tới hạn 132,4 ( 0C ) Tỷ trọng tới hạn 0,235 ( g/cm3 ) Thể tích tới hạn 4,225 ( cm3/g ) Độ nén tới hạn 0,242 Độ dẫn điện tới hạn 0,522 ( kJ/K.h.m ) Độ nhớt tới hạn 23,90.10-3 ( mPa.s ) Nhiệt độ nóng chảy (tại điểm ba*) -77,71 ( 0C ) Nhiệt độ nóng chảy (ở 101,3kPa) 332,3 ( kJ/kg ) áp suất (tại điểm ba*) 6,077 ( kPa ) Điểm sôi (ở 101,3kPa) -33,43 ( 0C ) Nhiệt hoá (ở 101,3kPa) 1370 ( kJ/kg ) Page Đồ án môn học cơng nghệ hóa dầu Entanpi tiêu chuẩn khí (ở 250C) -45,72 ( kJ/mol ) Entropi tiêu chuẩn khí (ở 250C) 192,731 ( J/molK ) ( * điểm đồng thời tồn ba pha rắn, lỏng, khí cân ) b Tính chất hóa học: II Amoniac chất hoạt động Với cặp electron tự nitơ, amoniac có khả kết hợp dễ dàng với nhiều chất - Trên nguyên tử nitơ amoniac có cặp electron tự nên amoniac có tính bazơ xảy phản ứng hóa học: NH3 + H+ → NH4+ - Trong amoniac, nitơ có số oxi hóa thấp nên amoniac có tính khử Ví dụ phản ứng hóa học: 2NH3 + 3Cl2 → N2 + 6HCl - Thêm nữa, amoniac tương đối bền nhiệt Nó bị phân hủy nhiệt độ cao theo phản ứng hóa học: 2NH3 → N2 + 3H2 Một số ứng dụng amoniac: - Trong cơng nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất loại đạm - Từ NH3 điều chế HNO3 để sản xuất hợp chất như: di, tri nitrotoluen, nitroglyxêrin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, amoni nitrat dùng để chế tạo thuốc nổ - Trong ngành dệt, sử dụng NH3 để sản xuất loại sợi tổng hợp cuprammonium rayon nilon - Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH dùng làm xúc tác chất điều chỉnh pH q trình polyme hóa phenol-formaldehyt urê-formaldehyt tổng hợp nhựa - Trong công nghiệp dầu mỏ, NH3 sử dụng làm chất trung hòa để tránh ăn mòn thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, trình chưng cất NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành q trình phân hủy nước biển lẫn dầu thô NH3 dùng để trung hòa vết axit dầu bơi trơn axit hóa, Trong q trình cracing xúc tác lớp sơi NH thêm vào dòng khí trước đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác sử dụng, NH3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác thiết bị cracking xúc tác lớp cố định Trong trình hydrat hóa silic, NH3 kết tủa với nhơm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo dạng gel Sau rửa tạp chất Al2(SO4)3 sấy khô tạo thành Page Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu NH3 chất độn quan trọng để sản xuất dạng thuốc sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine Nó sử dụng để sản xuất loại thuốc vitamin - Ngoài ra, NH3 sử dụng lĩnh vực bảo vệ mơi trường để chuyển hố SO2 NOx từ khí ống khói Dung dịch NH3 21% dùng làm dung môi tốt Amoniac tạo nitrua để cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tác nhân lạnh thiết bị lạnh Tổng hợp NH3 : Nguyên liệu tổng hợp NH3 : - Nguyên liệu không chứa hợp chất lưu huỳnh, asen, phospho, clo, hàm lượng hợp chất chứa oxi thấp ( O2, CO2 < 1ppm, CO, H2O, CO, CO2 < 2ppm) - Có nhiều nguồn nguyên liệu khác sử dụng cho trình tổng hợp NH như: than đá, dầu nặng naphta, khí tự nhiên, khí đồng hành - Nguyên liệu quan trọng nhiên liệu rắn, khí lò cốc, H q trình điện phân Các nguyên liệu dùng điều kiện đặc biệt ngày có - Khí than ướt nguyên liệu tương lai để sản xuất NH Ngồi H2 sản xuất q trình điện phân nước nguyên liệu sản xuất NH3 - Các nhà máy sản xuất NH dựa vào nguồn nguyên liệu khí tự nhiên naphta Cơ sở hóa lý q trình tổng hợp NH3: Phản ứng tổng hợp NH3 công nghiệp phản ứng thuộc loại phản ứng khí rắn Hệ không đồng nhất, tiến hành xúc tác với thành phần sắt từ số phụ gia Al2O3, K2O, CaO, Nguyên tắc tổng hợp NH3 : N2+3H2 2NH3 kJ/mol N2 Là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích cần xúc tác Do điều kiện phản ứng nhiệt đơ,áp suất, nồng độ có ảnh hưởng đến chuyển dịch cân - Nhiệt độ: thường trì nhiệt độ phản ứng 450-500oC tăng dần nhiệt độ, tốc độ phản ứng giai đoạn đầu tăng dần, hệ nhanh đạt đến trạng thái cân + Nếu tăng nhiệt độ nhiều, hiệu suất chuyển N2 => NH3 giảm nhiệt độ cao NH3 bị phân hủy trở lại H2 N2 Cân chuyển dịch phía trái + Ở nhiệt độ áp suất 400oC tốc độ phản ứng nhỏ, nên khơng có lợi cho sản xuất - Áp suất: Trong sản xuất, thực phản ứng áp suất thấp 100-150at, trung bình 250-600at áp suất cao 600-1000at Phản ứng theo - III Page Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu - - chiều thuận trình làm giảm P hệ, nên tăng P phản ứng chuyển dịch cân phía tạo thành NH3, hiệu suất chuyển hóa cao Sau tạo thành NH3 cần tách để cân chuyển dịch theo chiều thuận Vì hiệu suất chuyển hóa N2 thành NH3 thấp, H2 N2 chưa tham gia phản ứng phải quay trở lại tháp tổng hợp nhiều lần nên tỉ lệ H2 N2 giữ tỉ lệ 3:1 Chất xúc tác : Phản ứng khơng có xúc tác thích hợp dù nhiệt độ cao áp suất cao phản ứng không xảy Hiện sử dụng xúc tác gốc Fe 3O4 thường có phụ gia oxit nguyên tố Al, K, Ca, Mg, số tạp chất theo vào trình chế tạo Si, Ti, S, P, Cl, tăng hàm lượng Al 2O3 độ bền nhiệt độ bền xúc tác tăng Tuy nhiên, lượng Al 2O3 nhiều gây khó khăn cho q trình tái sinh xúc tác cản trở nhả hấp thụ NH bề mặt xúc tác Ngồi Al2O3, có số oxit khác có tác dụng ổn định cấu trúc xúc tác, mức độ ổn định cấu trúc chúng xếp theo thứ tự sau: Al2O3 > TiO2> Cr2O3>MgO > MnO = CaO > SiO2 > BeO Các oxit kim loại kiềm có tác dụng làm tăng cường trao đổi điện tử hoạt hố q trình trung gian, tăng hoạt tính xúc tác làm việc áp suất cao, đồng thời tạo điều kiện nhả hấp phụ NH tốt tăng khả chịu ngộ độc với H2S Ngoài ra, oxit đất Sm 2O3 , HoO3 , Fr2O3 góp phần tăng hoạt tính xúc tác Trong q trình hoạt hố oxit bị khử thành kim loại tạo hợp kim với sắt Cộng với phát minh chế tạo, hoạt tính xúc tác tăng rõ rệt, nhiệt độ áp suất làm việc giảm, tạo điều kiện làm biến đổi công nghệ hạ áp suất tổng hợp xuống phổ biến mức 10 ÷ 15 MPa nhiệt độ làm việc giảm xuống 3600C, chí 3500C, mang lại giá trị kinh tế cao Thành phần khí ngun liệu : Q trình tổng hợp NH3 dòng khí đưa vào tháp bao gồm hai phần: khí ngun liệu từ cơng đoạn chế tạo khí nguyên liệu sang với tỷ lệ H2/N2 khoảng 3/1 ; 0,5% khí trơ (CH4 , Ar) khí sản phẩm trình tổng hợp sau tách phần lớn NH Gọi chung khí tuần hồn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng chủ yếu có hai loại khí: hỗn hợp H2 N2 khí trơ Với H2 N2 đương nhiên nồng độ cao có lợi cho phản ứng kể tăng tốc độ phản ứng chuyển dịch cân Với khí trơ, dòng khí tuần hồn nên nồng độ khí trơ tăng dần dòng tuần hồn Hàm lượng khí trơ tăng, tương tự giảm áp suất riêng Page Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu phần cấu tử khác, tốc độ phản ứng, cân phản ứng bị giảm tương ứng với mức giảm áp suất tổng hợp hạ thấp gây nên Hiện thường giữ hàm lượng khí trơ khí tuần hồn khoảng 8÷12% (tổng CH4 Ar) Như vậy, dòng khí ngun liệu có thành phần: 8÷12% khí trơ, 3% NH3 lại hỗn hợp H2/N2 với tỷ lệ 3/1 Cơ chế trình tổng hợp: Cơ chế phản ứng tổng hợp NH3 xúc tác sắt xảy sau: N2 + 2Fe 2N - Fe H2 + 2Fe 2H - Fe H-Fe + N-Fe NH - Fe + Fe NH-Fe + H-Fe NH2-Fe + Fe NH2-Fe + H-Fe NH3 + Fe (1) (2) (3) (4) (5) Thơng thường phản ứng tỏa nhiệt tự xảy điều kiện tiến hành phản ứng Tuy nhiên, để tạo NH từ N2 H2 lượng cung cấp vào phải lớn Năng lượng dùng để hoạt hóa N lượng phân li N2 cao (941KJ/mol) cao H2 nhiều Theo đánh giá ban đầu, trình tổng hợp NH pha khí cần lượng hoạt hóa khoảng 230 - 420 KJ/ mol Việc cấp lượng nhiệt tạo giả định thích hợp có liên quan đến ảnh hưởng hiệu suất va chạm phân tử Để vượt qua ngưỡng hoạt hóa yêu cầu nhiệt độ phải lớn 800 - 1200 oK để đạt tốc độ phản ứng cần thiết Ở nhiệt độ cao áp suất thích hợp hiệu suất NH3 cao Về mặt xúc tác để kết hợp N H2 phân tử giảm mức độ chuyển đổi ổn định bề mặt xúc tác Phản ứng tổng hợp tiến hành khoảng nhiệt độ 250 - 400oC Chương : I Công nghệ sản xuất NH3 Giới thiệu cơng nghệ để sản xuất NH3: - Có cơng nghệ để sản xuất ammoniac : + Refoming nước + Oxy hóa khơng hồn tồn ( oxy hóa phần ) - Các giai đoạn để sản xuất NH3 cơng nghệ : + Sản xuất khí tổng hợp + Chuyển hóa CO tinh chế ( loại bỏ CO2, H2S ) : Quá trình tổng hợp NH3 sử dụng N2 H2 nên yêu cầu phải chuyển hóa CO chất gây nhiễm khác + Tổng hợp NH3 Page Đồ án môn học cơng nghệ hóa dầu Sự hóa khí hydrocacbon hay than đá xem q trình oxy hóa phần nhiệt độ cao Sản phẩm q trình CO H2 Nếu q trình có sử dụng xúc tác tận dụng nước làm mơi chất gọi reforming nước Còn chất phản ứng oxy hay khơng khí mà khơng sử dụng xúc tác gọi q trình oxy hóa phần - Áp suất khí hóa cơng nghệ cao ( áp suất giới hạn khoảng 4Mpa) Lựa chọn sử dụng công nghệ phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu thô Nếu nguyên liệu để sản xuất NH3 khí tự nhiên hay naphta sử dụng cơng nghệ reforming nước Nếu nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NH3 rắn ( than đá ) sử dụng cơng nghệ oxy hóa khơng hồn tồn Cơng nghệ reforming nước : Qui trình cơng nghệ: - Sản xuất khí tổng hợp : + Reforming sơ cấp ( xử lý dòng nước ) + Reforming thứ cấp ( chuyển hóa metan dòng khơng khí ) Chuyển hóa CO tinh chế: + Chuyển hóa CO + Loại CO2 + Loại CO triệt để ( metan hóa ) - Tổng hợp NH3 Sơ đồ công nghệ : - II Page Đồ án môn học công nghệ hóa dầu CO2 Absorption CO2 Shift conversion reactor Hp steam Air Condensate Hydrocarbons Fuel oil First reactor Carbonate regeneration Second reactor CO2 absorption Separator MEA regeneration CO2 Amonia synthesis reactor Methanation reactor Separator NH3 Condensate Thuyết minh sơ đồ: a Cụm sản xuất khí tổng hợp: Khí hay hydrocacbon nặng hóa chuyển thành H CO theo phản ứng tổng quát sau CnH2n+2 + n H2O nCO + (2n+1) H2 Với CH4 : CH4 + H2O CO + 3H2 kJ/mol Đây phản ứng thu nhiệt Ở nhiệt độ cao, tỉ lệ nước hydrocacbon cao Ở nhiệt độ thấp, tạo thành H2 CO có lợi Đồng thời với phản ứng reforming có chuyển hóa cân khí than ướt CO + H2O CO + H2 - 41kJ/mol Page 10 Đồ án môn học công nghệ hóa dầu III Tháp có hai phận : Ở hộp xúc tác với ống truyền nhiệt phần thiết bị truyền nhiệt Để tận dụng nhiệt phản ứng tổng hợp, để tăng nhiệt độ cho khí tổng hợp, nên q trình khí tháp tương đối phức tạp Hỗn hợp khí vào phía tháp (1) hộp xúc tác (2) vòng qua thiết bị truyền nhiệt (3) vào ống thiết bị từ lên Ra khỏi thiết bị truyền nhiệt, nhiệt độ khí tăng lên 350-370 oC Sau theo ống trung tâm (4) lên phía lớp xúc tác vào ống kép (5) đặt lớp xúc tác Đầu tiên khí theo ống theo chiều từ xuống dưới, sau vòng lên theo khơng gian hai ống Trong q trình đó, ống khí ống kép khí nhận nhiệt phản ứng, làm tăng nhiệt độ lên 450-470oC vào phía hợp xúc tác Khí qua phận xúc tác theo chiều từ xuống qua ống thiết bị truyền nhiệt, truyền nhiệt cho khí chưa chuyển hóa, hạ nhiệt độ khỏi tháp Để giữ nhiệt độ xúc tác ổn định khoảng 500oC, ngăn ngừa tượng nhiệt trường hợp cần thiết, người ta cho khí vào phía thiết bị tổng hợp theo ống trung tâm (6) lên thẳng hợp xúc tác Tùy vào điều kiện chuyển hóa độ khí tổng hợp mà hiệu suất chuyển hóa khác nhau, thường khí khỏi tháp có thành phần sau: 52%H2, 17,5-19%N2, 12-18%NH3, 6,6% CH4, 5,5%Ar Khí chuyển hóa vào thiết bị ngưng tụ làm nước, hạ nhiệt độ từ 120-200oC xuống 25-35oC Phần lớn ammoniac bị hóa lỏng Sau tồn khí vào tháp phân li để tách NH3 bị hóa lỏng.NH3 hóa lỏng đưa đến thiết bị lắng để thu hồi NH3 Trong trường hợp khí trơ CH4, Ar vượt nồng độ thải từ thiết bị này, làm cho áp suất giảm Vì vậy, khí đưa qua bơm tuần hoàn để nâng áp suất lên 300-320atm Ở bơm khí đưa qua thiết bị lọc để tách dầu bơm Tại khí tổng hợp bổ sung lượng lượng khí chuyển hóa thành amoniac thải theo khí trơ bị rò rỉ Từ thiết bị lọc khí vào thiết bị ngưng tụ gồm hai phận truyền nhiệt phân li để ngưng tụ ammoniac có khí tách ammoniac lỏng Ra khỏi thiết bị khí đưa vào tháp tổng hợp NH3 tạo thành q trình tuần hồn khép kín Cơng nghệ oxy hóa khơng hồn tồn: Qui trình cơng nghệ: - Sản xuất khí tổng hợp : + Chưng khơng khí thu oxy nito + Oxy hóa khơng hồn tồn ngun liệu hydrocacbon Page 14 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Tinh chế khí : + Loại bỏ cặn cacbon, thu hồi nhiệt + Loại H2S để sản xuất S + Chuyển hóa CO thành CO2 + Loại CO2 - Tổng hợp amoniac Sơ đồ công nghệ: - Thuyết minh sơ đồ: a Cụm sản xuất khí tổng hợp: Hydrocacbon hay than đá phản ứng với oxy không cần xúc tác phản ứng oxy hóa phần xảy sau: CmHn + O2 n CO + H2 C + O2 CO ∆H = -123kJ/mol Khi thêm nước vào, hydrocacbon hay than đá phản ứng với nước tạo thành H2 CO CnHm + n O2 nCO + (n+m/2)H2 C + H 2O CO + H2 ∆H = 129kJ/mol Đây q trình tự cấp nhiệt, có nghĩa khơng cần cấp lượng từ bên ngồi Nhiệt độ q trình khoảng 1100 – 1500oC Trước oxy hóa khơng hồn tồn ngun liệu hydrocacbon ta tiến hành chưng cất khơng khí để thu oxy N2 làm ngun liệu cho q cơng nghệ Dòng ngun liệu với dòng oxy thu từ q trình chưng cất đưa vào thiết bị phản ứng dạng ống chịu lửa chịu áp Page 15 Đồ án môn học cơng nghệ hóa dầu suất Nhiệt độ phản ứng ống khoảng 1200-1500oC, kết dòng khí khơ có chứa muội than, ta phải thực q trình tách muội C Dòng sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng có chứa CO, H2, muội C, hydrocacbon hợp chất S ( dòng ngun liệu đầu vào có chứa S ) hòa trộn với dòng nước sau đưa vào thiết bị ngưng tụ Dòng nước có chứa muội C đáy thiết bị ngưng tụ đưa đến thiết bị tách C, thiết bị tách C, C tách ra, dòng nước đưa quay tuần hồn trở lại thiết bị ngưng tụ b Chuyển hóa CO tinh chế : Q trình oxy hóa phần sử dụng xúc tác khơng sử dụng xúc tác để chuyển hóa , sử dụng xúc tác chuyển hóa H2S CO2 phải tách trước q trình chuyển hóa thiết bị rửa, ( trường hợp xúc tác Fe-Cr sử dụng) Dòng sản phẩm sau tách C có chứa H2 ,CO, hydrocacbon, hợp chất S đưa vào cụm thiết bị tách H2S chuyển hóa S Trước tiên, hỗn hợp khí đưa vào thiết bị chuyển hóa nhiệt độ cao, sau q trình chuyển hóa nhiệt độ cao, S chuyển hóa hồn tồn thành H2S, sau dòng khí đưa vào hệ thống tháp hấp thụ giải hấp H2S,đây hệ thống tuần hoàn nhằm loại bỏ H2S triệt để nhất, sau trình này, hỗn hợp khí thu có chứa CO, H2 Hỗn hợp khí CO H2 đưa tới cụm thiết bị chuyển hóa CO thành CO2 để loại bỏ dễ dàng Tương tự trường hợp reforming nước khí tổng hợp thơ tiếp xúc với dung mơi chảy ngược cột hấp thụ Dung môi hấp thụ thành phần khí axit, CO2, H2S CS2, tách chúng từ khí, sau khí rời khỏi cột hấp thụ tái sinh cách giảm áp suất, tăng nhiệt độ nhả hấp thụ cạnh sườn cột Khí sau tinh chế đưa vào thiết bị rửa khí N2 thu nhờ trình chưng cất khơng khí, dòng H2 N2 trộn với theo tỉ lệ phản ứng đinh đưa vào cụm thiết bị tổng hợp NH3 c Cụm thiết bị tổng hợp NH3: Giống công nghệ sản xuất NH3 phương pháp reforming nước, cụm thiết bị phản ứng tổng hợp công nghệ sản xuất NH3 phương pháp oxy hóa khơng hồn tồn q trình tuần hồn khép kín Dòng H2 N2 vào từ đỉnh thiết bị tổng hợp dòng NH3 thu phần tuần hoàn lại thiết bị phản ứng, phần đưa dạng lỏng Page 16 Đồ án môn học công nghệ hóa dầu IV Đánh giá, nhận định sơ đồ công nghệ: Giống nhau: - Ở giai đoạn sản xuất khí tổng hợp : Cả hai cơng nghệ tự tận dụng nhiệt mà không cần cung cấp lượng từ bên Nhiệt độ phản ứng thiết bị cao,vì yêu cầu lớn vật liệu chế tạo thiết bị - Cả hai công nghệ phải tách loại tạp chất có khả gây ngộ độc xúc tác hỗn hợp khí nguyên liệu trước đưa vào thiết bị tổng hợp NH3 - Quá trình tổng hợp NH3 : Do phản ứng tổng hợp có < => phản ứng giảm thể tích tỏa nhiệt mạnh => thuận lợi áp suất cao nhiệt độ thấp=> yêu cầu xúc tác có hoạt tính cao để tiến hành nhiệt độ thấp Khác nhau: Công nghệ reforming nước + Nguyên liệu thô: Yêu cầu cao không chứa chất gây ngộ độc xúc tác thiết bị reforming Nguồn nguyên liệu khí tự nhiên hay naphta Cơng nghệ oxy hóa khơng hồn tồn + Ngun liệu thơ: Khơng đòi hỏi chất lượng nguồn ngun liệu thơ, tận dụng nguồn N2 có sẵn tự nhiên Nguyên liệu thô chất rắn + Cụm thiết bị sản xuất khí tổng hợp phức tạp, yêu cầu cao thông số kĩ thuật nhiệt độ,áp suất làm việc,xúc tác + Cụm thiết bị sản xuất khí tổng hợp đơn giản, có khơng sử dụng xúc tác + Cụm thiết bị tách làm dòng khí trước vào thiết bị tổng hợp NH3 : Đơn giản so với công nghệ oxy hóa khơng hồn tồn + Q trình metan hóa để loại CO triệt để đơn giản hiệu + Năng suất cao + Cụm thiết bị tách làm dòng khí trước vào thiết bị tổng hợp NH3 phức tạp ( dòng nguyên liệu thơ có chứa S ) + Các dung mơi sử dụng đế tách loại triệt để CO đắt tiền Chương : I II Lựa chọn tính tốn cơng nghệ Lựa chọn công nghệ : Hiện nay, công nghệ sản xuất NH3 phương pháp reforming nước sử dụng nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp oxy hóa khơng hồn tồn đơn giản, triệt để, suất cao hơn… Vì vậy, đồ án nhóm em lựa chọn công nghệ công nghệ sản xuất NH3 phương pháp reforming nước Tính tốn cơng nghệ: Page 17 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Các số liệu ban đầu: - Công suất 1350 tấn/ngày - Trong khí tự nhiên có: m3/h Thành phần C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6 CO2 N2 77.66 7.38 3.53 0.82 0.78 0.23 0.14 0.15 1.42 - Độ chuyển hóa lần : 30% NH3 - Nhiệt độ vận hành: 390oC - Nhiệt độ đầu ra: 500oC - Tỉ lệ H2/N2 = Cân vật chất: Hỗn hợp khí từ thiết bị mêtan hóa làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 30 0C để ngưng tụ trứoc đưa vào thiết bị tổng hợp NH Vì hiệu suất trình thấp khoảng 30% nên hỗn hợp khí từ tháp tổng hợp phải cho tuần hoàn trở lại tháp để nâng cao hiệu suất Dòng vào hỗn hợp N2 H2: H2 : a kg/h N2 : b kg/h Với a/2 = 3(b/28) Phản ứng: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 28 3.2 2.17  Lượng N2 phản ứng: 0,3.b kg/h Page 18 30% Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu - Lượng N2 lại cho tuần hoàn: 0,7.b kg/h  Lượng H2 phản ứng: = 0,0643.b kg/h - Lượng H2 lại : a-0,0643.b kg/h  Lượng NH3 tạo thành: = 0,3643.b kg/h a Lần tuần hoàn thứ nhất: - Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp khí tuần hoàn: Phản ứng: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 28 3.2 30% 2.17  Lượng N2 phản ứng: 0,7.b.0,3 = 0,221.b kg/h - Lượng N2 lại cho tuần hoàn: 0,7.b-0,21b = 0,49.b kg/h  Lượng H2 phản ứng: = 0,045.b kg/h - Lượng H2 lại : a-0,1093.b kg/h  Lượng NH3 tạo thành: = 0,255.b kg/h Hiệu suất q trình sau lần tuần hồn thứ nhất: 100 = 51% Page 19 Đồ án môn học công nghệ hóa dầu b Lần tuần hồn thứ 2: - Hỗn hợp khí vào tháp tổng hợp khí tuần hồn: Phản ứng: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 28 3.2 30% 2.17  Lượng N2 phản ứng: 0,49.b.0,3 = 0,147.b kg/h - Lượng N2 lại cho tuần hoàn: 0,49.b-0,147.b = 0,343.b kg/h  Lượng H2 phản ứng: = 0,0315.b kg/h - Lượng H2 lại : a-0,1093.b-0,0315.b = a-0,1408 kg/h  Lượng NH3 tạo thành: = 0,1785.b kg/h Hiệu suất trình sau lần tuần hồn thứ hai: 100 = 65,7 % Tính tốn tương tự ta có: c Lần tuần hồn thứ 3: - Lượng NH3 tạo thành: 0,1249.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 75,99 % d Lần tuần hồn thứ 4: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0874.b kg/h - Hiệu suất q trình đạt: 83,19 % Page 20 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu e Lần tuần hồn thứ 5: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0612.b kg/h - Hiệu suất q trình đạt: 88,23 % g Lần tuần hồn thứ 6: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0428.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 91,76 % h Lần tuần hoàn thứ 7: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0299.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 94,23 % i Lần tuần hoàn thứ 8: - Lượng NH3 tạo thành: 0,021.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 95,96 % k Lần tuần hoàn thứ 9: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0147.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 97,17 % l Lần tuần hoàn thứ 10: - Lượng NH3 tạo thành: 0,0103.b kg/h - Hiệu suất trình đạt: 98,02 % - Lượng N2 lại cho tuần hồn: 0,0198.b kg/h - Lượng H2 lại : a-0,2099.b kg/h Vậy sau 10 lần tuần hồn hiệu suất trình đạt 98,02 %, với hiệu suất đảm bảo cho q trình làm việc ổn định đảm bảo tính kinh tế cho phân xưởng sản suất NH3 Lượng NH3 tạo thành sau 10 lần tuần hồn: 1,19.b kg/h Page 21 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Mà cơng suất u cầu thiết bị 1350 tấn/ngày = 56250 kg/h Khi ta có: 1,19.b = 56250 → b = 47268,9075 kg/h Vậy Bảng Cân vật chất tháp tổng hợp NH3 Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % H2 10129,0516 17,647 N2 47268,9705 82,353 Tổng cộng 57398,0221 100,000 Dòng Tên sản phẩm Kg/h % N2 935,9243 1,6307 H2 207,2947 0,3612 NH3 56250 99,0081 Tổng cộng 57393,219 100,000 Cân nhiệt lượng: Phương trình cân nhiệt lượng: Qvào + Qpu = Qra + Qm , (kJ/h) đó: Qvào: nhiệt lượng hỗn hợp khí vào tháp , kJ/h Qpu: nhiệt lượng phản ứng sinh ra, kJ/h Qra: nhiệt lượng sản phẩm mang ra, kJ/h Page 22 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Qm: nhiệt mát môi trường xunh quanh, kJ/h Qm = 10% (Qvào + Qpu), kJ/h Nhiệt lượng hỗn hợp khí vào tháp Qvào= ∑ Gi Cpi T , kJ/h Với T = 390 + 273 = 6630K + Lượng cấu tử vào tính theo kmol/h Lượng H2: Lượng N2: 10129,0516 = 5064,5258(kmol / h) 46918 = 1675,6429 (kmol / h) 28 + Nhiệt dung riêng cấu tử: C pH = (6,9469 − 0,1999.10 −3.663 + 0,4808.10 −6.663 ).4,18 =29,3675(kJ/kmol độ) C pN = (6,66 + 1,02.10 −3.663).4,18 = 30,6656 (kJ/kmol độ) Thay số vào tính tốn ta được: Qvào = 132677608,4 (kJ/h) Nhiệt lượng phản ứng sinh Phản ứng q trình: N2 + 3H2 2NH3 Ta có: ∆Hpu = ∆Hsp - ∆Htg Các thông số nhiệt lượng cho chất tham gia phản ứng Tên chất N2 H2 NH3 ∆H298, kJ/h C 298 p 0 46190 kJ/kmol.độ 29,1401 28,84705 35,6715 Page 23 Đồ án môn học công nghệ hóa dầu C pN + Với N2: = 30,6656(kJ/kmol độ) ∆ C pN2 = 30,6656 – 29,1401 = 1,5255 (kJ/kmol độ) N2 H 663 ∆ = + 1,5255(663 - 298) = 556,8075 (kJ/kmol) ∆ + Với H2: ∆ C Hp = 29,3675 C Hp = 29,3675 – 28,84705 = 0,5205 (kJ/kmol độ) H H2 ∆ = + 0,5205 (663 - 298) = 189,9825 (kJ/kmol) C pNH = (6,189 + 7,887.10 −3.663).4,18 = 47,7276 + Với NH3: (kJ/kmol độ) ∆ C pNH3 = 47,7276 – 35,6715 = 12,0561 (kJ/kmol độ) ∆ NH H 663 =49190+ 12,0561 (663 - 298) = 53590,4765 (kJ/kmol) Vậy ∆Hpu = 2.53590,4765 – 189,9825.3 – 556,8075 = 106054,198 (kJ/kmol)  Qpu = G NH3 ∆H pu = 3308,8235 106054,198 = 350914622,6 (kJ/h) Nhiệt lượng sản phẩm mang ra: Với T = 500 + 273 = 773 0K + Lượng sản phẩm tính theo kmol/h Page 24 Qra= ∑Gi C ip T Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Lượng H2: Lượng N2: 207,2947 = 103,6473(kmol / h) 933,668 = 33,3452 (kmol / h) 28 Lượng NH3: 56250 = 3308,8235 (kmol / h) 17 + Nhiệt dung riêng cấu tử: C pH = (6,9469 − 0,1999.10 −3.773 + 0,4808.10 −6.773 ).4,18 =29,5930(kJ/kmolđộ) C pN = (6,66 + 1,02.10 −3.773).4,18 = 31,134 (kJ/kmol độ) C pNH = (6,189 + 7,887.10 −3.773 − 0,728.10 −6.773 ).4,18 =49,5357(kJ/kmol độ) Thay số vào tính toán ta được: Qra = 440068930,2 (kJ/h) Nhiệt mát môi trường Qm = 0,1 (Qvào + Qpu) = 48359223,1 (kJ/h) Cân nhiệt lượng cho tháp tổng hợp amoniac Lượng nhiệt vào Lượng nhiệt Nhiệt lượng kJ/h Nhiệt lượng kJ/h Qvào 132677608,4 Qra 440068930,2 Qpư 350914622,6 Qm 48359223,1 Tổng 483592231 Tổng 488428153,3 Page 25 Đồ án môn học cơng nghệ hóa dầu Kết Luận  Từ việc “ Tìm hiểu trình sản sản xuất NH3” ta nhận thấy việc tìm hiểu NH3 vơ quan trọng thiết thực Trong đồ án đưa vấn đề liên quan đến NH tính chất hóa-lý, ứng dụng thực tế, nguồn nguyên liệu, công nghệ để sản xuất NH3, so sánh ưu nhược điểm công nghệ Đồ án đưa cân vật chất cân lượng tháp tổng hợp NH3 từ nguồn nguyên liệu khí tự nhiên Page 26 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng cơng nghệ hóa dầu chế biến polymer – Bộ mơn Lọc Hóa Dầu, trường ĐH Mỏ - Địa Chất Công nghệ tổng hợp hữu - hóa dầu – NXB Khoa học kỹ thuật Nguồn Internet : http://updatebook.vn Mục Lục Page 27 Đồ án mơn học cơng nghệ hóa dầu Page 28 ... khiển trình sản xuất, có thay đổi to lớn Các cơng nghệ sản xuất amoniac gồm có: cơng nghệ reforming nước, cơng nghệ oxy hóa khơng hồn tồn Ở cơng nghệ có qui trình sản xuất riêng phù hợp với nguồn... tương lai để sản xuất NH Ngoài H2 sản xuất trình điện phân nước nguyên liệu sản xuất NH3 - Các nhà máy sản xuất NH dựa vào nguồn nguyên liệu khí tự nhiên naphta Cơ sở hóa lý q trình tổng hợp NH3:... sản xuất NH3: - Có cơng nghệ để sản xuất ammoniac : + Refoming nước + Oxy hóa khơng hồn tồn ( oxy hóa phần ) - Các giai đoạn để sản xuất NH3 công nghệ : + Sản xuất khí tổng hợp + Chuyển hóa CO tinh