Thiết kế thiết bị tổng hợp Amoniac

Amoniac là một trong những hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt trong quan trọng ngành công nghiệp hoá học vì nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế. Từ amonia có thể tổng hợp HNO 3 , từ đây ta có thể tổng hợp các loại thuốc nổ như: nitrotoluen (thuốc nổ TNT), nitroglycerin (thuốc nổ NG), nitrocellulose, pentaerythritol tetranitrate (thuốc nổ PETN) v.v. Amoniac cũng là hóa chất được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí như để trung hòa acid có trong thành phần của dầu thô để bảo vệ các thiết bị khỏi bị ăn mòn 1. Dung dịch amoniac hoặc amoniac lỏng được sử dụng trong xử lý môi trường như một chất khử chọn lọc, các khí thải khí sinh ra trong quá trình đốt các nguyên liệu hóa thạch (than đá, dầu, v.v) hay từ các quá trình sản xuất HNO 3 được loại bỏ bằng cách dùng NH 3 để phản ứng với các tác nhân gây ô nhiễm với điều kiện thích hợp 2. Ngoài ra amoniac còn được sử dụng trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải để điều chỉnh độ pH 3, ở dạng dung dịch để tái sinh lớp nhựa trao đổi anion yếu, ở dạng kết hợp với chlorine trong xử lý nước sinh hoạt 4 v.v. Amonia còn đóng vai trò như một môi chất lạnh trong kỹ thuật làm lạnh. Với nhiều ưu điểm nổi bật thích hợp sử dụng cho các thiết bị làm lạnh nhưng nó khá độc nên NH 3 chỉ được sử dụng cho các máy lạnh công suất lớn 5.

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC THAM KHẢO vii MỤC LỤC ix LỜI CẢM ƠN xii LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ AMONIAC 1.1 Cấu tạo phân tử NH3 1.2 Tính chất vật lý 1.3 Tính chất hóa học CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP NH3 2.1 Nguyên liệu để tổng hợp NH3 2.2 Cơ sở hóa lý trình tổng hợp NH3 2.2.1 Cân phản ứng 2.2.2 Hiệu ứng nhiệt phản ứng 10 2.2.3 Cơ chế trình tổng hợp NH3 10 2.3 Xúc tác trình tổng hợp NH3 11 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AMONIAC 14 3.1 Điều kiện công nghệ 14 3.2 Lựa chọn công nghệ sản xuất 15 3.2.1 Công nghệ sản xuất NH3 số hãng giới 15 ix 3.2.1.1 Sơ đồ công nghệ tổng hợp NH3 hãng Linde 15 3.2.1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 hãng Kellogg Brown 15 3.2.1.3 Sơ đồ công nghệ tổng hợp NH3 hãng UHDE 15 3.2.1.4 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 Hardol Topsoe 15 3.2.2 Lựa chọn công nghệ sản xuất 20 3.3 Miêu tả tóm tắt sơ đồ cơng nghệ 20 3.4 Công nghệ sản xuất ammoniac hãng Hardol Topsoe 21 3.4.1 Cấu tạo tháp tổng hợp NH3 21 3.4.2 Nguyên tắc hoạt động tháp tổng hợp 22 PHẦN 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ 24 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 24 4.1 Cân vật chất 24 4.1.1 Cân vật chất cho tháp tổng hợp ammoniac 24 4.1.2 Cân vật chất cho trình 26 4.2 Tính toán cân nhiệt lượng 32 4.2.1 Thông số 32 4.2.2 Cân nhiệt lượng 34 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC THÁP VÀ TÍNH TỐN CƠ KHÍ 38 5.1 Tính tốn kích thước tháp 38 5.1.1 Thể tích hai lớp xúc tác 38 5.1.2 Tính tốn nhiệt độ vào lớp xúc tác dòng hỗn hợp khí 41 5.1.3 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt 47 5.2 Tính tốn khí 53 x 5.2.1 Thân tháp 53 5.2.2 Tính tốn nắp thiết bị 56 5.2.3 Tính tốn đáy thiết bị 57 5.2.4 Bích ghép ống dẫn đệm 57 5.2.5 Tính chân đỡ tai treo 59 5.2.6 Tính tốn chiều cao tháp 61 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 63 6.1 Thiết bị giải nhiệt nước 63 6.2 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 68 6.3 Tính tốn thiết bị gia nhiệt dòng tuần hồn 73 PHẦN 4: KẾT LUẬN 79 xi LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Dầu khí Việt Nam, thầy mơn Lọc Hóa Dầu tạo điều kiện để chúng em có hội làm quen với bước làm đồ án, từ rút nhiều kinh nghiệm để đồ án môn học đồ án tốt nghiệp vào năm cuối hoàn thiện Để thực đồ án môn học “Thiết kế tháp tổng hợp amoniac”, nhóm chúng em xin cảm ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn TS Vũ Công Thắng, thầy giúp đỡ chúng em nhiều kiến thức chun mơn kỹ để thuận lợi thực đồ án môn học Do giới hạn thời gian kiến thức, kinh nghiệm thân hạn chế nên đồ án nhiều thiếu xót, chúng em mong thơng cảm góp ý từ phía thầy giáo để báo cáo hồn thiện Nhóm đồ án xin kính chúc q thầy sức khỏe thành công công việc sống xii LỜI NĨI ĐẦU Amoniac hợp chất hố học có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ngành cơng nghiệp hố học có nhiều ứng dụng quan trọng thực tế Từ amonia tổng hợp HNO3, từ ta tổng hợp loại thuốc nổ như: nitrotoluen (thuốc nổ TNT), nitroglycerin (thuốc nổ NG), nitrocellulose, pentaerythritol tetranitrate (thuốc nổ PETN) v.v Amoniac hóa chất sử dụng ngành cơng nghiệp dầu khí để trung hòa acid có thành phần dầu thô để bảo vệ thiết bị khỏi bị ăn mòn [1] Dung dịch amoniac amoniac lỏng sử dụng xử lý môi trường chất khử chọn lọc, khí thải khí sinh q trình đốt ngun liệu hóa thạch (than đá, dầu, v.v) hay từ trình sản xuất HNO3 loại bỏ cách dùng NH3 để phản ứng với tác nhân gây ô nhiễm với điều kiện thích hợp [2] Ngồi amoniac sử dụng kỹ thuật xử lý nước nước thải để điều chỉnh độ pH [3], dạng dung dịch để tái sinh lớp nhựa trao đổi anion yếu, dạng kết hợp với chlorine xử lý nước sinh hoạt [4] v.v Amonia đóng vai trò mơi chất lạnh kỹ thuật làm lạnh Với nhiều ưu điểm bật thích hợp sử dụng cho thiết bị làm lạnh độc nên NH3 sử dụng cho máy lạnh cơng suất lớn [5] Một ứng dụng thơng dụng amoniac làm nhiên liệu Nó sử dụng động đốt với điều chỉnh nhỏ động truyền thống, mà pin nhiên liệu amoniac, coi nguồn hydro pin nhiên liệu hydro Đây công nghệ mới, thực tế amoniac sử dụng dạng nhiên liệu để cung cấp cho động xe buýt Bỉ từ năm 1943 [6] Ngoài ứng dụng kể phải kể đến ứng dụng quan trọng amoniac sản xuất phân bón Hơn 80% amoniac sản xuất tồn giới sử dụng phân bón cho sản xuất lương thực nhu cầu amoniac tiếp tục tăng gia tăng dân số toàn cầu [7] Hằng năm, giới sản xuất lượng amoniac lớn, sản lượng amoniac tăng từ 152,769 triệu (năm 2014) lên 165,784 triệu (dự báo năm 2016), đóng góp phần quan trọng phát triển kinh tế nước [8] Cho đến nay, phương pháp Haber-Bosch thông dụng để tổng hợp amoniac với 90% sản lượng NH3 toàn giới sử dụng q trình năm 2009 [6] Các cơng nghệ tổng hợp amoniac đa dạng, cơng nghệ thơng dụng sử dụng công nghiệp Haldor Topsoe (HTAS), Kellogg Brown Root (KBR), CF Braun, Uhde, Linde v.v Công nghệ hãng Haldor Topsoe thông dụng với gần 50% nhà máy sản xuất amoniac giới xây dựng theo công nghệ [7] Ngày nay, công nghệ tổng hợp NH3 tiếp tục cải tiến kỹ thuật nhằm mục đích giảm lượng tiêu thụ, tối ưu hóa cơng nghệ, tăng tính kinh tế, giảm thiểu lượng khí thải khí nhà kính tìm kiếm nguồn nguyên liệu đầu vào đa dạng rẻ Qua giới thiệu sơ kể trên, ta thấy amoniac có nhiều ứng dụng thực tế Vì đề tài “Thiết kế thiết bị tổng hợp amoniac” có ý nghĩa thực tiễn lớn Trong đề tài có sử dụng thơng số mang tính kế thừa lựa chọn từ công nghệ hãng Haldor Tosoe vẽ kỹ thuật thiết bị tổng hợp NH3 từ nhà máy đạm Phú Mỹ thông số áp suất, nhiệt độ v.v với nguồn nguyên liệu N2 H2 Trong trình thực đồ án, chúng em nhận giúp đỡ tận tình thầy Vũ Cơng Thắng để giúp nhóm hồn thành đồ án cách hồn thiện Dù cố gắng đồ án tránh khỏi thiếu, chúng em mong bảo góp ý Thầy bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! Bà Rịa, ngày……tháng……năm 2016 PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ AMONIAC 1.1 Cấu tạo phân tử NH3 NH3 có nguyên tử nitơ nguyên tử hydro Nguyên tử N có electron lớp vỏ, tương ứng với số điện tích hạt nhân Trong đó, cặp electron trạng thái 1s, electron phân bố vào obitan với số lượng tử Trong electron có cặp chiếm obitan 2s electron khơng cặp đôi phân bố obitan 2Px, 2Py, 2Pz Các electron khơng cặp đơi N kết hợp với electron 1s nguyên tử H Nguyên tử N nằm đỉnh hình tứ diện nằm phằng nguyên tử H, nguyên tử H xếp theo hình tam giác đều, góc liên kết H-N-H khoảng 107O Mặc dù liên kết N-H liên kết cộng hóa trị chúng có phần giống liên kết ion, ngn tử N có độ âm điện lớn H nhiều Do phân cực hóa liên kết cách xếp bất đối phân tử NH3 mà có mơmen lưỡng cực khoảng 1,5 Debye Vì phân tử NH3 có cấu hình electron với nước, góc hóa trị tương tự nước nên NH3 H2O có nhiều tính chất giống nhau, chất nghịch từ Hình 1.1 Cấu tạo phân tử NH3 1.2 Tính chất vật lý Amoniac có cơng thức phân tử NH3 khí khơng màu, nhẹ khơng khí, có mùi đặc trưng Bảng 1.1 Tính chất vật lý NH3 Khối lượng phân tử 17,03 Thể tích phân tử ( 0oC, 101,3 KPa) 22,08 (l/mol) Tỉ trọng pha lỏng 0,6386 (g/cm3 ) Tỉ trọng pha khí 0,7714 (g/l) Áp suất tới hạn 11,28 (MPa) Nhiệt độ tới hạn 132,4(°C) Tỉ trọng tới hạn 0,235 (cm3 /g) Thể tích tới hạn 4,225 (cm3 /g) 0,522 (kJ K −1 h−1 m−1 ) Độ dẫn nhiệt tới hạn Độ nhớt tới hạn 23,90 10−3 (mPa s) Điểm nóng chảy −77,71 (°C) Nhiệt nóng chảy 332,3 (kJ/kg) Áp suất hóa 6,077 (KPa) Điểm sơi −33,43 (°C) Nhiệt hóa 1370 (kJ/kg) −45,72 (kJ/mol) Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Entropi tiêu chuẩn 192,731 (J/mol K) Entanpi tạo thành tự −16,391 (kJ/mol) Giới hạn nổ - Hỗn hợp NH3-O2(200C, 101,3KPa) - Hỗn hợp NH3-KK(200C, 101,3KPa) - Hỗn hợp NH3-KK(1000C, 101,3KPa) 15 − 17 % VNH3 16 − 27 % VNH3 15,5 − 28 % VNH3 Ngồi ra, NH3 lỏng có enthalpy (nhiệt bay hơi) ∆H thay đổi lớn nên chất dùng làm môi chất làm lạnh NH3 lỏng dung mơi hòa tan tốt nhiều chất dung mơi ion hóa khơng nước quan trọng Nó hòa tan kim loại kiềm, kiềm thổ số kim loại đất để tạo dung dịch kim loại (có màu), dẫn điện có chứa electron solvate hóa 1.3 Tính chất hóa học Về mặt hóa học amoniac chất hoạt động Với cặp electron nitơ, amoniac có khả kết hợp dễ dàng với nhiều chất NH3 cộng thêm ion để tạo ion phức NH4+: NH3 + H+ → NH4+ NH4+ giống ion kim loại kiềm tính kiềm thuộc tính tạo muối Các dung dịch ngậm nước NH3 phản ứng bazơ yếu, dung dịch nước có q trình: NH3 + H3O+ → NH4OH + H2O NH3 không cháy điều kiện thường, cháy với lửa màu vàng áp suất oxi điểm bốc cháy hỗn hợp NH3-O2 7800C Sản phẩm q trình cháy N2 H2O 4NH3 + 3O2 → 2N2 +6H2O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH3- khơng khí phát nổ cháy Hỗn hợp nổ NH3 khơ với khơng khí 16 − 25 % VNH3 giới hạn mở rộng trộn lẫn với khí cháy H2, trộn O2 hay khơng khí, nhiệt độ áp suất cao Khí NH3 bị oxi hóa tạo H2O N2 nhiều hợp chất oxyt CuO Nếu dòng khí NH3 chuyển qua CuO nung nóng có phản ứng: 3CuO + 2NH3 → 3Cu + N2 + 3H2O Loại phản ứng xảy NH3 nung nóng tới nhiệt độ cao với oxyt kim loại xác định lúc liên kết oxy bền vững Phản ứng Cl2 với NH3 xem phản ứng oxy hóa khử: 8NH3 + 3Cl2 → N2 + 6NH4Cl NH3 bị oxy hóa tạo NO hỗn hợp 100 % NH3 với khơng khí có mặt xúc tác nhiệt độ cao: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O Ở nhiệt độ thường NH3 khí bền vững Ở nhiệt độ cao bắt đầu phân hủy thành N2 H2 Dung dịch NH3 biến quì đỏ thành xanh, chất thị cho metyl dacam metyl đỏ Khí NH3 trung hòa axit mà khơng tạo thành nước Dung dịch NH3 có tác dụng bazơ chổ tạo kết tủa hyđroxyt từ dung dịch chúng Một vài hợp chất khó tan, dung dịch NH3 dư tạo phức ion Ví dụ muối sắt hợp chất sắt hyđrơxyt bị kết tủa FeCl3 + 3NH4OH → Cu(OH)2 + 3NH4Cl Dung dịch đồng sunfat dung dịch amôni hyđrôxyt dư tạo thành phức: CuSO4 + 2NH4OH → Cu(OH)2 + (NH4)2SO4 Cu(OH)2 → Cu2+ + 2OH4NH3 + Cu2+ → [Cu(NH3)]42 r1 = (m2 K/W) ( khí) Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 = 1/5800 (m2 K/W) Nên: ∑ rt = 2,16 10−4 (m2 K⁄W) Do dòng sản phẩm hỗn hợp khí nên ta xem: t = t 2tb = (t + t 2r ) = 336,38°C 2v Chọn nhiệt độ t1 = 320°C qt = 336,38 − 320 = 75881,24 (W⁄m2 ) 2,16 10−4 Vậy hệ số cấp nhiệt dòng nguyên liệu là: as = 3772,48 (W⁄m2 K) Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm: - Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm ống: t = t 2tb = (t + t 2r ) = 336,38°C 2v - Khối lượng riêng dòng sản phẩm: ρ2 = 29,58 kg/m3 - Độ nhớt dòng sản phẩm: μ2 = 237 × 10−7 (N s/m2 ) - Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm : λ2 = 0,214 (W/m K) - Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm : C2 = 3031,830 (J/kg K) 66 Áp dụng công thức (V.35) trang 12, [10]: Pr2 = c μ2 = 0,337 λ2 Vận tốc dòng sản phẩm ống: v2 = G2 4.14406,49 = = 4.29 (m/s) 3600 n π d2tr 3600.1027 π 0,0342 Chuẩn số Reynolds: Re2 = v2 dtr ρ2 4,29.0,034.29,58 = = 18,20 104 > 104 ∶ chế độ chảy rối μ2 237 10−7 Áp dụng công thức (V.44), trang 14, [10] , công thức xác định chuẩn số Nusselt: Nu2 = 0.021 ε1 Re2 0.8 Pr20.43 ( Pr2 ) Prt2 Trong đó: - ε1 hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt dài L đường kính d ống; tra bảng V.2 –trang 5- [10] ta có ε1 = - Đối với khí Pr = Prt nên Nu2 = 0,021 ε1 Re2 0.8 Pr20.43 = 0,021.1 (18,20 104 )0.8 0,3370.43 = 212,350 Hệ số cấp nhiệt dòng ngun liệu ngồi ống: α2 = Nu2 λ2 = 1334,12 (W/m2 K) dtr Xác định hệ số truyền nhiệt K= 1 + 2,16.10−4 + 3772,48 1334,12 67 = 812,72 (W/m2 K) Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= ΔQ 134458.35.1000 = = 656,00 (m2 ) K Δt log 812,72 252,20 Chiều dài ống truyền nhiệt: L= F = 5,65(m) dn+dtr n π Ta thấy nhiệt lượng cần làm nguội lớn cần lưu lượng lớn để giải nhiệt cho Thực tế người ta dùng dòng nước lạnh áp suất cao để giải nhiệt, dòng nước trao đổi nhiệt đến nhiệt độ sôi để bốc tận dụng nhiệt cung cấp cho dây chuyền cần thiết nhà máy, sau dùng thêm dòng nước để hạ nhiệt độ dòng sản phẩm xuống khoảng 180°C 6.2 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm để gia nhiệt lên 1350C để kích thích cho phản ứng xảy Chọn thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị ống chùm Ống truyền nhiệt làm thép CT3 - Kích thước ống : 38x2 - Dòng ngun liệu ngồi ống có: t1 vào = 30°C t1 = 135 °C - Dòng sản phẩm ống có: t vào = 180°C - Kiểu truyền nhiệt ngược chiều Chọn số ống truyền nhiệt n = 91 ống xếp theo hình lục giác Chọn bước ống t = 1,5.dn = 57 mm Suy đường kính thiết bị: D = t.(b-1) + 4.dn = 0,722(m) (chọn D = 0.8mm) 68 Đường kính tương đương ngồi ống: π 2 4F 4∙ ∙(D − ndn ) D2 − nd2n 0,82 − 91∙0,0382 dtđ = = = = = 0,12 (m) C π(D + ndn ) D + ndn 0,8 + 91∙0,038 Nhiệt độ dòng sản phẩm sau trao đổi nhiệt: Lượng nhiệt cần trao đổi: ∆Q = Q t1 – Q t1vào = 118389,15 – 106885,3815 = 11503,77 (kW) Ta có: Gsp = ∆Q.3600 (kmol/h) Cp T2 vào T2 vào − Cp T2 T2 Cp T2 T2 = (CpT2 vào T2 vào − Cp T2 T2 = (25,76.453 − ∆Q.3600 ) (kJ/kmol) Gsp 11503,77.3600 ) = 10593,41 (kJ/kmol) 38272,06 Vậy: T2 = 70,5 °C Lưu lượng dòng nguyện liệu: Gth = 43051,47 (kmol/h) = 9292,4 (m3/h) Hệ số hiệu nhiệt độ trung bình: ∆t log Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: ∆t log = (180-135)-(70,5-30) = 42,71 (K) 180-135 ln 70,5-30 Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: 69 K= 1 + ∑ rt + α1 α2 (W/m2 K) Với: - α1 hệ số cấp nhiệt dòng nguyên liệu (W/m2.K) - α2 hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm (W/m2.K) - ∑ rt nhiệt trở qua thành ống lớp cáu Xác định hệ số cấp nhiệt dòng ngun liệu ngồi ống: Nhiệt độ trung bình dòng ngun liệu ngồi ống: t1 = ½ (t1ν + t1r) = 82,5°C Tại nhiệt đồ thì: - Khối lượng riêng dòng nguyên liệu : ρ1 = 45,86 (kg/m3) - Độ nhớt dòng nguyên liệu : μ1 = 1,6606.10-5 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt dòng nguyên liệu: λ1 = 0,1515 (W/m.K) - Nhiệt dung riêng dòng nguyên liệu : C1 = 3014,6 (J/kg.K) Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [10]: Prt = C ∙ μ1 = 0,3304 λ1 Vận tốc dòng ngun liệu ngồi ống: ν1 = 4G1 4.9292,4 = 3600.π.0,122 = 228,23 (m/s) 3600πdtđ Chuẩn số Reynolds: Ret = ν1∙dtđ∙ ρ1 228,23.0,12.45,86 = = 75,63.106 >104 , chế độ chảy rối μ1 1,6606.10-5 70 Áp dụng công thức (V.44), trang 16, [10] công thức xác định chuẩn số Nusselt: Nu1 = 0,021∙ԑ1 Re0,8 ∙Prt0,43 ∙( Pr1 0,25 ) Prt Trong đó: ԑ1 hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống; tra bẳng V.2, trang 15 – [10] ta có ԑ1 = Đối với khí Pr = Prt nên: Nu1 = 0,021.1.(75,63.106)0,8.0,33040,43 = 26205,05 Hệ số cấp nhiệt dòng ngun liệu ngồi ống: α1 = Nu1 ∙λ1 = 33083,87(W/m2.K) dtđ Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q1 = t -t (W/m2 ) ∑ rt Trong đó: - t1 nhiệt độ vách tiếp xúc vs dòng nguyên liệu (trong ống), 0C - t2 nhiệt độ vách tiếp xúc vs dòng sản phẩm(ngồi ống), 0C ∑ rt = δt + r1 + r2 λt - Bề dày thành ống : δt = 0,002 m - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 33,5 (W/mK) - Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = (m2.K/W) ( khí) - Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 = (m2.K/W) Nên ∑ rt = 4,3.10-5 (m2.K/W) 71 Xác định hế số cấp nhiệt dòng sản phẩm ngồi ống: Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm ngồi ống: t2 = ½ (t2v + t2r) = 125,25°C Tại nhiệt độ thì: - Khối lượng riêng dòng sản phẩm: ρ2 = 54,78 (kg/m3) - Độ nhớt dòng sản phẩm: μ2 = 1,7033.10-5 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm: λ2 = 0,146 (W/m.K) - Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm: C2 = 2821,44 (J/kg.K) Áp dụng cơng thức (V.35), trang 12, [10]: Pr2 = C μ2 = 0,3291 λ2 Lưu lượng dòng sản phẩm: Gsp = 38272,06 kmol/h = 7508,67 m3/h Vận tốc dòng sản phẩm ống: ν2 = 4G2 4.7508,67 = = 25,245 (m/s) 3600.91.π.0,0342 3600nπd2tr Chuẩn số Reynolds: Re2 = ν2 dtr ρ2 25,245.0,034.54,78 = = 2,76.106 > 104 , chế độ chảy rối μ2 1,7033.10-5 Áp dụng công thức (V.40), trang 14, [10] công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,43 Nu2 = 0,021.ԑ1 Re0,8 Pr2 ( 72 Pr2 0,25 ) Prt2 Trong đó: ԑ1 hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống; tra bảng V.2 trang 15 – [10] ta ԑ1 = Đối với khí Pr = Prt nên: 0,43 Nu2 = 0,021.ԑ1 Re0,8 = 0,021.1.(2,76.106 )0,8 0,32910,43 = 1851,20 Pr2 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm ống: α2 = Nu2 λ2 = 7949,30 (W/m2.K) dtr Xác định hệ số truyền nhiệt: K= 1 + 4,3.10-5 + 33083,83 7949,30 = 5024,53 (W/m2 K) Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= ∆Q 11503,77 1000 = = 53,6 (m2 ) K.∆t tổng 5024,53.42,71 Chiều dài ống truyền nhiệt: L= F d + dtr nπ∙ n = 5,2 (m) 6.3 Tính tốn thiết bị gia nhiệt dòng tuần hồn Dòng tuần hồn sau tách khỏi thiết bị ngưng tụ trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm để gia nhiệt lên đến nhiệt độ môi trường 30°C Chọn thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị ống chùm Ống truyền nhiệt làm thép CT3 - Kích thước ống : 38 × 73 - Dòng ngun liệu ngồi ống có: t1 vào = −5 °C t1 = 30°C - Dòng sản phẩm ống có: t vào = 70,5°C - Kiểu truyền nhiệt ngược chiều Chọn số ống truyền nhiệt n = 91 ống xếp theo hình lục giác đều: Chọn bước ống t = 1,5dn = 57 (mm) Đường kính thiết bị: D = t (b − 1) + dn = 0,722m (chọn D = 0.8mm) Đường kính tương đương ngồi ống: π 2 4.F 4 (D − n.dn ) D2 − n.d2n 0,82 − 91.0,0382 dtđ = = = = = 0,12 (m) C π.(D + n.dn ) D + n.dn 0,8 + 91.0,038 Nhiệt độ dòng sản phẩm sau trao đổi nhiệt: Lượng nhiệt cần trao đổi: ∆Q = Q t1ra − Q t1vào = 80249 – 70355 = 9894 (kW) Ta có: Gsp = ∆Q.3600 (kmol/h) Cp T2 vào T2 vào − Cp T2 T2 CpT2 T2 = (CpT2 vào T2 vào − Cp T2 T2 = (30,83.343,5 − ∆Q.3600 ) (kJ/kmol) Gsp 9894.3600 ) = 9659,44 (kJ/kmol) 38272,06 Vậy: T2 = 43,1°C Lưu lượng dòng tuần hồn: Gth Gth = 32152,27 (kmol/h) = 5574,24 (m3 /h) Hệ số hiệu nhiệt độ trung bình: ∆tlog 74 Do chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên: ∆t log = (70,5 − 30) − (43 − 5) = 39,24 (K) 70,5 − 30 ln 43 − Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức: K= 1 + ∑ rt + α1 α2 (W/m2 K) Với: - α1 : hệ số cấp nhiệt dòng nguyên liệu (W/m2.K) - α2 : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm (W/m2.K) - ∑ rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu Xác định hệ số cấp nhiệt dòng ngun liệu ngồi ống: Nhiệt độ trung bình dòng ngun liệu ngồi ống: t1 = (t + t1 ) = 12,5°C vào Tại nhiệt đồ thì: - Khối lượng riêng dòng nguyên liệu: ρ1 = 59,5 kg/m3 - Độ nhớt dòng nguyên liệu : μ1 = 1,35 10−5 (N s/m2 ) - Hệ số dẫn nhiệt dòng nguyên liệu: λ1 = 0,12 (W/m K) - Nhiệt dung riêng dòng nguyên liệu : C1 = 2861,43 (J/kg K) Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [10]: Prt = C ∙ μ1 = 0,32 λ1 Vận tốc dòng ngun liệu ngồi ống: 75 ν1 = 4G1 4.5574,24 = 3600.π.0,122 = 136,97 (m/s) 3600.π.dtđ Chuẩn số Reynolds: Ret = ν1 dtđ ρ1 136,97.0,12.59,5 = = 72,44.106 >104 chế độ chảy rối μ1 1,35.10-5 Áp dụng cơng thức (V.44), trang 16, [10] ta có cơng thức xác định chuẩn số Nusselt: Nu1 = 0,021∙ԑ1 Re0,8 ∙Prt0,43 ∙( Pr1 0,25 ) Prt Trong đó: ԑ1 hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài L đường kính d ống; tra bẳng V.2, trang 15 – [10] ta có ԑ1 = Đối với khí Pr = Prt nên: Nu1 = 0,021.1 (72,44 106 )0,8 0,320,43 = 24969,88 Hệ số cấp nhiệt dòng nguyên liệu ống: α1 = Nu1 λ1 = 25802,21 (W/m2 K) dtđ Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: q1 = t -t (W/m2 ) ∑ rt Trong đó: - t1 nhiệt độ vách tiếp xúc vs dòng nguyên liệu (trong ống), °C - t nhiệt độ vách tiếp xúc vs dòng sản phẩm (ngồi ống), °C ∑ rt = δt + r1 + r2 λt - Bề dày thành ống : δt = 0,002 m - Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 33,5 (W/m K) - Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = (m2.K/W) ( khí) 76 - Nhiệt trở lớp cáu ống : r2 = (m2.K/W) Nên: ∑ rt = 4,3.10-5 (m2.K/W) Xác định hế số cấp nhiệt dòng sản phẩm ngồi ống: Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm ngồi ống: t2 = ½.(t2v + t2r) = 56,8°C Tại nhiệt độ thì: - Khối lượng riêng dòng sản phẩm: ρ2 = 54,58 (kg/m3) - Độ nhớt dòng sản phẩm: μ2 = 1,45.10-5 (N.s/m2) - Hệ số dẫn nhiệt dòng sản phẩm: λ2 = 0,124 (W/m.K) - Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm : C2 = 2756,92 (J/kg.K) Áp dụng công thức (V.35), trang 12, [10] Pr2 = C μ2 = 0,33 λ2 Vận tốc dòng sản phẩm ống: ν2 = 4G2 4.7376.19 = 3600.91.π.0,0342 = 24,81 m/s 3600.π.dtr Chuẩn số Reynolds: Re2 = ν2 dtr ρ2 24,81.0,034.54,58 = = 3,18.106 > 104 , chế độ chảy rối μ2 1,45.10-5 Áp dụng công thức (V.40), trang 14, [11] công thức xác định chuẩn số Nusselt: 0,43 Nu2 = 0,021.ԑ1 Re0,8 Pr2 ( 77 Pr2 0,25 ) Prt1 Trong đó: ԑ1 hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giwuax chiều dài L đường kính d ống; tra bảng V.2 trang 15 – [10] ta ԑ1 = Đối với khí Pr = Prt nên: 0,43 Nu2 = 0,021.ԑ1 Re0,8 = 0,021.1.(3,18.106 )0,8 0,330,43 = 2075,51 Pr2 Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm ngồi ống: α2 = Nu2 λ2 = 2144,68 (W/m2.K) dtr Xác định hệ số truyền nhiệt: K= 1 + 4,3.10-5 + 25805,21 2144,68 = 1824,75 (W/m2 K) Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= ∆Q 9894 1000 = = 138,18 (m2 ) K.∆t tổng 1824,75.39,24 Chiều dài ống truyền nhiệt: L= F = 13 (m) dn + dtr n.π 78 PHẦN 4: KẾT LUẬN Tùy thuộc vào tính kinh tế quy mơ nhà máy mà nhìn chung giới có nhiều cơng nghệ tổng hợp amoniac Trong cơng nghệ tổng hợp amoniac hãng Hador Topsoe sử dụng rộng rãi với nhiều ưu điểm so với công nghệ hãng khác đề cập mà nhóm sử dụng thiết bị tổng hợp ammoniac theo cơng nghệ Trong đồ án này, nhóm tìm hiểu q trình tổng hợp NH3 cơng nghệ khác nhau, tính tốn cân vật chất lượng với tháp tổng hợp có suất tương ứng 650.000 tấn/năm, tính tốn chi tiết thiết bị tổng hợp NH3 để phù hợp với đầu tính tốn thiết bị phụ trợ cho thiết bị tổng hợp NH3 Các bước tính tốn có có số thông số kỹ thuật tham khảo từ thiết bị tổng hợp ammoniac nhà máy Đạm Phú Mỹ Nhìn chung, nhóm tính tốn thiết bị tổng hợp NH3 cho thiết bị vận hành ổn định với suất thiết kế số liệu tính tốn có hiệu chỉnh nhằm hạn chế đến mức thấp cố xảy thiết bị tính tốn lựa chọn độ dày tháp tổng hợp NH3 để đảm bảo thiết bị không gặp phải cố liên quan đến ăn mòn thiết bị, lựa chọn vật liệu để chế tạo thiết bị cho thiết bị hoạt động áp suất cao 135-137 bar v.v Một số cơng việc mà nhóm thực đồ án: - Tính tốn cân vật chất, cân lượng cho tháp: lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ vào lớp xúc tác - Tính tốn chi tiết khí thiết bị - Tính toán thiết bị phụ trợ cho tháp tổng hợp ammoniac 79 Tuy nhiên, thời gian có hạn nên nhóm chưa thể tối ưu hóa thơng số thiết bị tổng hợp NH3 như: - Nhiệt độ áp suất hoạt động tối ưu thiết bị để đảm bảo độ chuyển hóa amoniac thiết bị cao Ở nhóm kế thừa thơng số đầu vào nhiệt độ áp suất thiết bị tổng hợp NH3 nhà máy đạm Phú Mỹ để làm sở cho tính tốn - Vật liệu tối ưu để chế tạo tháp để vừa đảm bảo tính kinh tế vừa đảm bảo tính ổn định an toàn hoạt động thiết bị số vấn đề khác Dù cố gắng thời gian có hạn nên đồ án: “Thiết kế thiết bị tổng hợp ammoniac” nhiều thiếu xót, mong thầy đóng góp để đồ án hoàn thiện 80 ... chuyển hóa thành CH4 thiết bị methan hóa phản ứng với H2 trước khí tổng hợp vào cụm tổng hợp ammonia - Khí tổng hợp nén sau đưa vào tháp tổng hợp Ammonia, xảy phản ứng tổng hợp Ammonia 3.4 Công... thiệu sơ kể trên, ta thấy amoniac có nhiều ứng dụng thực tế Vì đề tài Thiết kế thiết bị tổng hợp amoniac có ý nghĩa thực tiễn lớn Trong đề tài có sử dụng thơng số mang tính kế thừa lựa chọn từ công... tháp tổng hợp NH 22 Hình 3.6 Bản vẽ thiết kế quy trình tổng hợp NH3 23 PHẦN 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 4.1 Cân vật chất 4.1.1 Cân vật chất cho tháp tổng