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.

ix

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 1

PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ AMONIAC 3

1.1 Cấu tạo phân tử NH3 3

1.2 Tính chất vật lý 3

1.3 Tính chất hóa học 5

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP NH3 7

2.1 Nguyên liệu để tổng hợp NH3 7

2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình tổng hợp NH3 8

2.2.1 Cân bằng của phản ứng 8

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 10

2.2.3 Cơ chế của quá trình tổng hợp NH3 10

2.3 Xúc tác trong quá 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 của một số hãng trên thế giới 15

x

3.2.1.1 Sơ đồ công nghệ tổng hợp NH3 của hãng Linde 15

3.2.1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 của hãng Kellogg Brown 15

3.2.1.3 Sơ đồ công nghệ tổng hợp NH3 của hãng UHDE 15

3.2.1.4 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 của Hardol Topsoe 15

3.2.2 Lựa chọn công nghệ sản xuất 20

3.3 Miêu tả tóm tắt sơ đồ công nghệ 20

3.4 Công nghệ sản xuất ammoniac của hãng Hardol Topsoe 21

3.4.1 Cấu tạo tháp tổng hợp NH3 21

3.4.2 Nguyên tắc hoạt động của tháp tổng hợp 22

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 24

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 24

4.1 Cân bằng vật chất 24

4.1.1 Cân bằng vật chất cho tháp tổng hợp ammoniac 24

4.1.2 Cân bằng vật chất cho quá trình 26

4.2 Tính toán cân bằng nhiệt lượng 32

4.2.1 Thông số cơ bản 32

4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng 34

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THÁP VÀ TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 38

5.1 Tính toán kích thước tháp 38

5.1.1 Thể tích của hai lớp xúc tác 38

5.1.2 Tính toán nhiệt độ ra vào các lớp xúc tác của dòng hỗn hợp khí 41

5.1.3 Tính toán thiết bị truyền nhiệt 47

5.2 Tính toán cơ khí 53

xi

5.2.1 Thân tháp 53

5.2.2 Tính toán nắp thiết bị 56

5.2.3 Tính toán đáy thiết bị 57

5.2.4 Bích ghép ống dẫn và đệm 57

5.2.5 Tính chân đỡ và tai treo 59

5.2.6 Tính toán chiều cao tháp 61

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 63

6.1 Thiết bị giải nhiệt bằng nước 63

6.2 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 68

6.3 Tính toán thiết bị gia nhiệt dòng tuần hoàn 73

PHẦN 4: KẾT LUẬN 79

Do giới hạn về thời gian cũng như kiến thức, kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên

đồ án còn rất nhiều thiếu xót, chúng em rất mong sự thông cảm và góp ý từ phía các thầy

cô giáo để báo cáo có thể hoàn thiện hơn

Nhóm đồ án xin kính chúc quý thầy cô sức khỏe và thành công trong công việc và cuộc sống

1

LỜI NÓI ĐẦU

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 HNO3, 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 HNO3 được loại

bỏ bằng cách dùng NH3 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 NH3 chỉ được sử dụng cho các máy lạnh công suất lớn [5]

Một ứng dụng ít thông dụng hơn của amoniac là làm nhiên liệu Nó có thể được sử dụng trong các động cơ đốt trong với sự điều chỉnh nhỏ đối với động cơ truyền thống, mà ở đây là các pin nhiên liệu amoniac, và được coi như là một nguồn hydro trong pin nhiên liệu hydro Đây không phải là công nghệ mới, thực tế amoniac đã được sử dụng như một dạng nhiên liệu để cung cấp cho động cơ xe buýt ở Bỉ từ những năm 1943 [6]

Ngoài các ứng dụng kể trên thì phải kể đến một trong những ứng dụng quan trọng nhất của amoniac là sản xuất phân bón Hơn 80% của amoniac sản xuất trên toàn thế giới hiện đang được sử dụng phân bón cho sản xuất lương thực và nhu cầu amoniac sẽ tiếp tục tăng

do sự gia tăng dân số toàn cầu [7] Hằng năm, thế giới sản xuất một lượng amoniac rất

2

lớn, sản lượng amoniac tăng từ 152,769 triệu tấn (năm 2014) lên 165,784 triệu tấn (dự báo năm 2016), đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển kinh tế của các nước [8]

Cho đến nay, phương pháp Haber-Bosch là thông dụng nhất để tổng hợp amoniac với hơn 90% sản lượng NH3 toàn thế giới sử dụng quá trình này năm 2009 [6] Các công nghệ tổng hợp amoniac rất đa dạng, trong đó các công nghệ hiện tại thông dụng còn được

sử dụng trong công nghiệp như Haldor Topsoe (HTAS), Kellogg Brown Root (KBR), CF Braun, Uhde, Linde v.v Công nghệ của hãng Haldor Topsoe là thông dụng nhất với gần 50% nhà máy sản xuất amoniac trên thế giới được xây dựng mới theo công nghệ này [7] Ngày nay, các công nghệ tổng hợp NH3 vẫn tiếp tục được cải tiến kỹ thuật nhằm mục đích giảm năng lượng tiêu thụ, tối ưu hóa công nghệ, tăng tính kinh tế, giảm thiểu lượng khí thải khí nhà kính và tìm kiếm nguồn nguyên liệu đầu vào đa dạng và rẻ hơn

Qua những giới thiệu sơ bộ kể trên, ta có thể thấy được amoniac có rất nhiều ứng dụng trong thực tế Vì vậy đề tài “Thiết kế thiết bị tổng hợp amoniac” có ý nghĩa thực tiễn lớn Trong đề tài có sử dụng các thông số mang tính kế thừa được lựa chọn từ công nghệ của hãng Haldor Tosoe và bản vẽ kỹ thuật thiết bị tổng hợp NH3 từ nhà máy đạm Phú Mỹ như các thông số về áp suất, nhiệt độ v.v với nguồn nguyên liệu là N2 và H2

Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy Vũ Công Thắng để giúp cả nhóm hoàn thành đồ án một cách hoàn thiện nhất Dù đã cố gắng nhưng đồ án không thể tránh khỏi nhưng thiếu, chúng em rất mong sự chỉ bảo và góp ý của Thầy cô và các bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Bà Rịa, ngày……tháng……năm 2016

3

PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ AMONIAC

1.1 Cấu tạo phân tử NH 3

NH3 có một nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hydro Nguyên tử N có 7 electron ở lớp vỏ, tương ứng với số điện tích hạt nhân của nó Trong đó, một cặp electron ở trạng thái 1s, còn 5 electron kia phân bố vào 4 obitan với số lượng tử chính là 2 Trong 5 electron này thì có một cặp chiếm obitan 2s và 3 electron không cặp đôi phân bố ở 3 obitan 2Px, 2Py, 2Pz Các electron không cặp đôi của N có thể kết hợp với electron 1s của nguyên tử H Nguyên tử N nằm trên một đỉnh của hình tứ diện nằm trên một phằng của 3 nguyên tử H,

3 nguyên tử H xếp theo 1 hình tam giác đều, góc liên kết H-N-H khoảng 107O Mặc dù các liên kết N-H là những liên kết cộng hóa trị nhưng chúng có phần giống như liên kết ion, tại vì ngyên tử N có độ âm điện lớn hơn H rất nhiều Do sự phân cực hóa của các liên kết và cách sắp xếp bất đối của phân tử NH3 mà nó có một mômen lưỡng cực khoảng 1,5 Debye Vì phân tử NH3 có cùng cấu hình electron với nước, góc hóa trị cũng tương tự như nước nên NH3 và H2O có nhiều tính chất giống nhau, đều là những chất nghịch từ

Hình 1.1 Cấu tạo phân tử NH3

1.2 Tính chất vật lý

Amoniac có công thức phân tử là NH3 là một khí không màu, nhẹ hơn không khí, và có mùi đặc trưng

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của NH3

4

Khối lượng phân tử 17,03

Thể tích phân tử ( ở 0oC, 101,3 KPa) 22,08 (l/mol)

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn −45,72 (kJ/mol) Entropi tiêu chuẩn 192,731 (J/mol K)Entanpi tạo thành tự do −16,391 (kJ/mol) Giới hạn nổ

5

Ngoài ra, NH3 lỏng có enthalpy (nhiệt bay hơi) ∆H thay đổi lớn nên chất này được dùng làm môi chất làm lạnh NH3 lỏng là một dung môi hòa tan tốt nhiều chất và là một trong những dung môi ion hóa không nước quan trọng nhất Nó có thể hòa tan các kim loại kiềm, kiềm thổ và một số kim loại đất hiếm để tạo ra các dung dịch kim loại (có màu), dẫn điện và có chứa các electron solvate hóa

NH3 khô với không khí là 16 − 25 % VNH3 giới hạn này được mở rộng khi trộn lẫn với các khí cháy như H2, trộn O2 hay không khí, ở nhiệt độ và áp suất cao hơn Khí NH3 bị oxi hóa tạo H2O và N2 bởi nhiều hợp chất oxyt như CuO Nếu dòng khí NH3 được chuyển qua CuO nung nóng thì có phản ứng:

3CuO + 2NH3 → 3Cu + N2 + 3H2O

6

Loại phản ứng này xảy ra khi NH3 được nung nóng tới nhiệt độ cao với oxyt của kim loại xác định vì lúc này liên kết trong oxy kém bền vững Phản ứng giữa Cl2 với NH3 cũng có thể xem là phản ứng oxy hóa khử:

Dung dịch NH3 biến quì đỏ thành xanh, là chất chỉ thị cho metyl dacam và metyl đỏ Khí

NH3 có thể trung hòa axit mà không tạo thành nước Dung dịch NH3 có tác dụng như một bazơ ở chổ tạo kết tủa hyđroxyt từ dung dịch của chúng Một vài hợp chất khó tan, nhưng trong dung dịch NH3 dư nó tạo phức ion Ví dụ như các muối sắt thì các hợp chất sắt hyđrôxyt sẽ bị kết tủa

FeCl3 + 3NH4OH → Cu(OH)2 + 3NH4Cl Dung dịch đồng sunfat trong dung dịch amôni hyđrôxyt dư tạo thành phức:

CuSO4 + 2NH4OH → Cu(OH)2 + (NH4)2SO4

Cu(OH)2 → Cu2+ + 2OH- 4NH3 + Cu2+ → [Cu(NH3)]42

Trữ lượng dầu trên thế giới được ước tính là vào khoảng 3 tỉ thùng (barrels) và có thể đáp ứng được cho 40 năm tới với tốc độ sản xuất hiện tại Trong khi đó tổng trữ lượng khí tự nhiên trên thế giới được đánh giá là khoảng 6040 TCF và có thể đáp ứng được trong vòng

70 năm tới với tốc độ sản xuất hiện tại [9]

Một số nguồn nguyên liệu khác đang được chú ý đến như một giải pháp thay thế cho nguồn nguyên liệu hiện tại có thể kể đến như Coal Bed Methane - một loại khí tương tự khí thiên nhiên với 90% CH4 bị bẫy trong các tầng than đá, là một nguồn năng lượng thân thiện môi trường; hoặc băng cháy (gas hydrates), thường được tìm thấy ở vùng biển sâu, 650-750m, với thành phần cơ bản là CH4 bị bẫy trong băng Với trữ lượng dự báo có thể lên tới 21000 tỉ m3 CH4, gấp hơn 100 lần trữ lượng khí thiên nhiên trên thế giới Mỹ, Nhật Bản và Ấn Độ là 3 quốc gia đi đầu trong nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng này [9]

Tiếp theo H2 được tách từ syngas (sau khi chuyển CO thành CO2 và được loại đi) Nitơ (N2) được lấy từ không khí sau khi tách hết oxy trong quá trình khí hóa nguyên liệu chứa cacbon

Nguồn cung H2 hiện nay chủ yếu là dựa trên phản ứng reforming nhiên liệu hóa thạch

Để giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt thì

8

một số công nghệ thay thế đang được nghiên cứu như: Điện phân nhiệt độ cao, thông qua Sulphur-Iodine Cycle, H2 từ năng lượng mặt trời, H2 từ năng lượng hạt nhân, sinh khối Sau các quá trình rửa khí và điều chỉnh tỷ lệ N2:H2 người ta tiến hành tổng hợp NH3 bằng quá trình Haber–Bosch theo phản ứng:

Trong một số trường hợp, người ta có thể lấy hyđro từ các nguồn khác (ví dụ như điện phân)

Tại Việt Nam, các nhà máy phân đạm mới được xây dựng hoặc đang được xây dựng đều

áp dụng quy trình công nghệ tổng hợp amoniac của hãng Haldor Topsoe như: Nhà máy Phân đạm Phú Mỹ của PetroVietnam tại Bà Rịa- Vũng Tàu (đi từ khí tự nhiên) ký mua bản quyền công nghệ năm 2002, Nhà máy Phân đam Ninh Bình của VINACHEM tại Ninh Bình (đi từ than đá) ký năm 2007, Nhà máy Phân đạm Cà Mau của PetroVietnam tại Cà Mau (đi từ khí thiên nhiên) ký năm 2008

2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình tổng hợp NH 3

Phản ứng tổng quát của quá trình tổng hợp NH3:

N2+3H2tỏa nhiệt ↔ 2NH3+91,4 kJ/mol Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích tiến hành trên xúc tác sắt Dưới đây sẽ lần lượt xét một số vấn đề cơ bản của phản ứng thuộc loại này

Hằng số cân bằng có thể tính theo phương trình Van'tHoff:

Sử dụng phương pháp tính theo Phugat cho kết quả phù hợp hơn:

- fi∗ là fugat của cấu tử i lúc cân bằng

- Pi∗là áp suất riêng phần của cấu tử i lúc cân bằng

- φi là hệ số fugat của cấu tử i, được tính theo công thức: ɸi = fi∗

lg√KP = −2074,18

T + 2,4943lgT + βT − 1,8564 10−7 T2 + I Với:

- T là nhiệt độ trung bình của quá trình phản ứng , °K

- P là áp suất trung bình trong tháp, at

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, có thể xác định theo

- T là nhiệt độ (K)

- Q là hiệu ứng nhiệt , kJ/mol

- P là áp suất, at

Thông thường thì một phản ứng tỏa nhiệt sẽ tự xảy ra trong những điều kiện tiến hành

phản ứng Tuy nhiên, để tạo NH3 từ N2 và H2 thì năng lượng cung cấp vào phải lớn Năng

lượng này dùng để hoạt hóa N2 vì năng lượng phân li N2 rất cao (941kJ/mol) cao hơn H2

rất nhiều

Theo đánh giá ban đầu, quá trình tổng hợp NH3 trong pha khí cần năng lượng hoạt hóa

khoảng 230 - 420 kJ/ mol Việc cấp năng lượng nhiệt và tạo ra các giả định thích hợp có

11

liên quan đến sự ảnh hưởng của hiệu suất va chạm giữa các phân tử Để vượt qua ngưỡng hoạt hóa này yêu cầu nhiệt độ phải lớn hơn 800 -1200oK để đạt được tốc độ phản ứng cần thiết

Ở nhiệt độ cao và áp suất thích hợp thì hiệu suất NH3 là cao nhất

Về mặt xúc tác để kết hợp N2 và H2 thì các phân tử giảm mức độ chuyển đổi bởi sự ổn định của bề mặt xúc tác Phản ứng tổng hợp có thể tiến hành trong khoảng nhiệt độ 250 -

400oC

2.3 Xúc tác trong quá trình tổng hợp NH 3

Cũng như những phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt khác, để nâng cao nồng độ NH3 ở trạng thái cân bằng, cần hạ thấp nhiệt độ Nhưng như vậy không thể tăng nhanh tốc độ phản ứng, cho nên phải dùng xúc tác để nâng cao tốc độ phản ứng

Các nguyên tử có đặc điểm là ở lớp vỏ điện tử thứ hai tính từ ngoài vào mà không bão hòa thì đều có thể làm xúc tác cho quá trình tổng hợp Thí dụ: Os, U, Fe, Mo, Mn, W,… Trong đó U và Os có hoạt tính cao nhất Nhưng Os thì quá đắt còn U thì dễ bị ngộ độc bởi hơi nước, nên chúng rất ít được sử dụng Fe nguyên chất có hoạt tính trung bình, nhưng tuổi thọ ngắn và dễ mất hoạt tính; còn Mn, Mo, W,… hoạt tính không bằng sắt Qua nhiều thí nghiệm và nghiên cứu, cho đến nay hầu hết đều dùng xúc tác có thành phần chủ yếu là Fe và thêm một số phụ gia Trong công nghiệp đã sử dụng hai loại xúc tác sắt: Một loại ở dạng oxyt sắt, một loại ở dạng feric cyanua Loại feric cyanua trước kia dùng cho quá trình áp suất thấp, tuy hoạt tính cao nhưng dễ vỡ và dễ trúng độc cho nên hiện nay ít dùng Xúc tác dùng chủ yếu hiện nay là xúc tác oxyt sắt

Thành phần chủ yếu của oxyt sắt là oxyt sắt II và oxyt sắt III, thành phần phụ gia là các oxyt kim loại: Al2O3, CaO, Hg2O,…Nói chung trong xúc tác oxyt sắt hàm lượng FeO vào khoảng 24 - 38% trọng lượng Nếu tăng hàm lượng FeO một cánh hợp lí thì có thể nâng

- pN2, pH2, pNH3 là các áp suất riêng phần của N2, H2, NH3

- α là hằng số phụ thuộc vào tính chất của xúc tác; áp suất làm việc và mức độ cách xa cân bằng

Đối với xúc tác oxyt sắt thường dùng trong công nghiệp thì  = 0,5 Khi đó phương trình động học có dạng:

1,5 Quan hệ giữa k1, k2 với nhiệt độ và kp như sau:

- E1, E2: năng lượng hoạt hóa biểu kiến của phản ứng thuận và phản ứng

14

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP AMONIAC

Ngày nay các nguyên lý tổng hợp NH3 của Haber và Bosch từ N2 và H2 trên xúc tác sắt vẫn không thay đổi Để nâng cao hiệu quả kinh tế và công suất nhà máy, công nghệ sản xuất NH3 vẫn không ngừng hoàn thiện

3.1 Điều kiện công nghệ

Hiện nay dựa vào áp suất của dây chuyền thường chia làm 3 loại:

- Quá trình tổng hợp ở áp suất thấp 10 - 20 MPa

- Quá trình tổng hợp ở áp suất trung bình 20 - 45 MPa

- Quá trình tổng hợp ở áp suất cao 45 - 100 MPa

Tùy loại xúc tác khác nhau, quá trình tổng hợp có thể khác nhau Song có một số đặc điểm chung như sau:

Về nhiệt độ: Phản ứng tổng hợp là phản ứng trong hệ không đồng nhất, khí – rắn, hai chiều và tỏa nhiệt

Về miền nhiệt độ: Tùy vào loại xúc tác sử dụng Để đảm bảo nhiệt độ làm việc quanh miền tối ưu, sử dụng các loại thiết bị truyền nhiệt nội bộ và trung gian Phần thiết bị truyền nhiệt trung gian dùng gián tiếp hay trực tiếp bằng cách truyền nhiệt chất tải lạnh hoặc bổ sung khí nhiên liệu lạnh (1300 -1500C) vào giữa hai đoạn xúc tác của phản ứng

Về áp suất: Áp suất làm tăng tốc độ phản ứng thuận, giảm tốc độ phản ứng nghịch, tạo điều kiện dễ dàng phân tách NH3,… nhưng có hạn chế là đầu tư cho thiết bị tốn kém và khó khăn Vì vậy tùy tình hình kĩ thuật mà ta lựa chọn áp suất cho phù hợp

Về thành phần nguyên liệu: Quá trình tổng hợp NH3 dòng khí đưa vào tháp bao gồm hai phần: khí nguyên liệu với tỉ lệ H2:N2 = 3:1 và khoảng 0,5% khí trơ (CH4, Ar) và dòng khí tuần hoàn sau phản ứng Ảnh hưởng đến năng suất phản ứng là nồng độ H2, N2 và khí trơ Do dòng tuần hoàn nên nồng độ khí trơ tăng dó đó người ta phải xả bỏ khí trơ để đảm bảo áp suất riêng phần của hỗn hợp Hiện nay thường giữ lượng khí trơ trong dòng tuần

15

hoàn khoảng 8-12%, như vậy nồng độ khí trơ trong nguyên liệu khoảng 8 – 12%, 3%

NH3, còn lại là H2 và N2 với tỉ lệ 3:1

3.2 Lựa chọn công nghệ sản xuất

16 Hình 3.1 Công nghệ tổng hợp NH3 của hãng Linde

17 Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 của hãng Kellogg Brown

g s

ô c aáp

19 Hình 3.4 Công nghệ sản xuất NH3 của Hardol Topsoe

20

3.2.2 Lựa chọn công nghệ sản xuất

Qua các sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 đã giới thiệu, công nghệ của hãng Hardor Topsoe (Đan mạch) (xem hình 3.4) là công nghệ có nhiều ưu điểm nổi bật như:

- Sơ đồ tương đối đơn giản, dễ vận hành

- Có thể linh hoạt thay đổi năng suất theo các sản phẩm NH3 Vì thế mà mỗi nhà máy sẽ được ưu tiên hoá đối với các điều kiện tổng quát bằng cách điều chỉnh các thông số công nghệ khác nhau

- Có thể dùng sơ đồ này để tổng hợp đồng thời NH3 và CH3OH hoặc tổng hợp riêng CH3OH

- Thiết bị phản ứng tương đối đơn giản, dễ lắp ráp, sửa chửa

Do đó ta sẽ chọn sơ đồ công nghệ này để thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 trong bản đồ

án

Như đã trình bày, sơ đồ này đi từ nguồn nguyên liệu chính là khí tự nhiên Đây là nguồn nguyên liệu sẳn có ở nước ta Vì nước ta có nhiều mỏ khí, mỏ dầu với trữ lượng đáng kể Mặt khác sơ đồ cũng đã được sử dụng để sản xuất NH3 trong nhà máy đạm Phú Mỹ Tất

cả các yếu tố này là rất cần thiết để xây dựng một nhà máy hoá chất, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất còn hạn chế và trình độ kĩ thuật chưa phát triển cao ở nước ta

3.3 Miêu tả tóm tắt sơ đồ công nghệ

Dựa trên công nghệ của hãng Hardor Topsoe, bản vẽ quy trình sản xuất NH3 (hình 3.6) với các công đoạn cần thiết như sau:

- Nguồn khí tự nhiên nguyên liệu được khử lưu huỳnh trong cụm khử lưu huỳnh bao gồm thiết bị hydro hóa hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh và thiết bi ̣ hấp thu ̣ H2S bằng xúc tác ZnO Sau khi ra khỏi cu ̣m khử lưu huỳnh, dòng khí nguyên liê ̣u có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (<0,05 ppm)

- Khí nguyên liệu đã được khử lưu huỳnh thực hiện phản ứng Reforming với hơi nước và không khí tạo thành khí công nghệ trong thiết bi ̣ Reforming sơ

21

cấp và Reforming thứ cấp.Thành phần khí công nghệ chủ yếu các khí như:

H2, N2, CO, CO2 và hơi nước

- Trong công đoạn làm sạch khí, CO được chuyển hóa thành CO2 trong thiết bi ̣ chuyển hóa CO ở nhiê ̣t đô ̣ cao và nhiê ̣t đô ̣ thấp Sau đó CO2 được tách ra khỏi khí công nghệ tại thiết bị tách CO2 bằng dung di ̣ch MDEA Dung di ̣ch MDEA sau khi hấp thu ̣ CO2 sẽ được nhả hấp thu ̣

- CO và CO2 còn lại trong khí đầu ra cụm tách CO2 được chuyển hóa thành

CH4 trong thiết bị methan hóa bằng phản ứng với H2 trước khi khí tổng hợp

đi vào cụm tổng hợp ammonia

- Khí tổng hợp được nén sau đó được đưa vào tháp tổng hợp Ammonia, tại đây xảy ra phản ứng tổng hợp Ammonia

3.4 Công nghệ sản xuất ammoniac của hãng Hardol Topsoe

3.4.1 Cấu tạo tháp tổng hợp NH3

Tháp tổng hợp là tháp hình trụ, bằng thép, cao từ 18 - 30 m, đường kính 1-1,4m Tháp được đặt thẳng đứng, phần trên và dưới tháp được nối với nhau bởi ghi thép và mặt bích Xem hình 3.5 với các chú thích:

8- Thiết bị trao đổi nhiệt 9- Đáy thiết bị

10- Ống dẫn khí sản phẩm 11- Ống dẫn khí nhập liệu 12- Vỏ đỡ

13- Lớp xúc tác thứ nhất 14- Lớp xúc tác thứ hai

22

3.4.2 Nguyên tắc hoạt động của tháp tổng hợp

Khí đi vào từ phía dưới, theo không gian giữa thành thiết bị với giỏ xúc tác đi lên trên được thổi vào thiết bị trao đổi nhiệt đặt giữa lớp xúc tác thứ nhất rồi xuyên qua lớp xúc tác thứ nhất, tiếp đến đi qua lớp biên của thiết bị trao đổi nhiệt, cuối cùng thổi qua lớp xúc tác thứ hai Nhiệt độ trong thiết bị được điều chỉnh bằng cửa làm mát khí nguyên liệu Qua các lớp xúc tác phản ứng tổng hợp xảy ra và nồng độ NH3 tăng dần qua các lớp xúc tác

Hình 3.5 Cấu tạo tháp tổng hợp NH3

23 Hình 3.6 Bản vẽ thiết kế quy trình tổng hợp NH3

24

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4.1 Cân bằng vật chất

4.1.1 Cân bằng vật chất cho tháp tổng hợp ammoniac

Các số liệu ban đầu:

- Năng suất yêu cầu : 650.000 tấn/năm

25

Phương trình tổng hợp:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3Nồng độ phần mol của các cấu tử được tính theo công thức:

xj = nj

∑ ni Với: ∑ ni = 1

Trong đó:

- xjnồng độ phần mol của cấu tử j

- njsố mol của cấu tử j

- ∑ ni tổng số mol của cấu tử i

Gọi:

- n1 là tổng số mol của các cấu tử vào tháp, (kmol/h)

- n2là tổng số mol của các cấu tử ra khỏi tháp, (kmol/h)

4.1.2 Cân bằng vật chất cho quá trình

Ta có máy nén là sự pha trộn của dòng khí tuần hoàn và dòng khí thiên nhiên nguyên liệu đầu vào Dòng khí thiên nhiên có thành phần như sau:

- H2 : 0,7403 phần mol

- N2 : 0,2467 phần mol

- CH4 : 0,01 phần mol

- Ar : 0,003 phần mol

27

Gọi:

- n5 tổng số mol của dòng khí nguyên liệu

- n4 tổng số mol của dòng khí tuần hoàn sau khi tách khí trơ

- n6 tổng số mol của dòng khí tuần hoàn trước khi tách khí trơ

Ta có phương trình:

n1 = n4+ n5Nếu:

n4

n5 = k ↔ n4 = k n5Thì:

n1 = (1 + k) n5Amoniac được tách ra khỏi dòng n2 trong thiết bị phân ly Do đó phần mol trong dòng n2 thay đổi so với dòng n4 nên ta có phương trình sau:

x4 N2

x2 N2

x2 CH4 Mặt khác ta có:

0,2198 (1 + k) − 0,24670,0613 (1 + k) − 0,01 → k = 2,95 Lượng khí nguyên liệu:

n4 = k n5 = 32152,37 (kmol/h) Thành phần khí tuần hoàn sau khi tách khí trơ:

GH2 = n5 x5 H2 MH2 = 16137,22 (kg/h)

GN2 = n5 x5 N2 MN2 = 75286,69 (kg/h)

GAr = n5 x5 Ar MAr = 1307,89 (kg/h)

GCH4 = n5 x5 CH4 MCH4 = 1743,86 (kg/h) Khối lượng các cấu tử dòng khí tuần hoàn sau khi tách khí trơ:

Ta có: n3 = n6− n4

Cân bằng cho cấu tử n2 ta có:

n3 N2 = n6 N2− n4 N2 = n2 N2− n4N2 = n2 x2 N2 − n4 x4 N2

= 38272,06.0,1848 − 32152,37 0,2107 = 298,16 (kmol/h) Mặt khác, ta có thành phần khí trong dòng n4, n6, n3 bằng nhau

n3′ = n3− n3 NH3 = n3(1 + x4 NH3) = 1415,16 (1 − 0,0549) = 1337,41(kmol/h) Lượng NH3 tách được từ thiết bị phân ly khí trơ:

GNH3 = n3 x3 NH3 MNH3 = 1415,09.0,0549.17 = 1320.71 (kg/h)

Lượng NH3 được tách từ thiết bị phân ly NH3:

GNH3 = 81250 − 3215,26 = 79929,29 (kg/h) Khối lượng các cấu tử trong dòng khí trơ là:

% Khối lượng

Trong đó các hệ số a, b, c, d được nội suy từ bảng giá trị Cp theo nhiệt độ, [10]

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

= −21950,40 (kcal/kmol)

Nhiệt dung riêng trung bình theo nhiệt độ của phản ứng:

33

∆Cp = 2CpNH3− CpN2− 3CpH2

723,15 298.15

Các thông số tính toán:

Áp suất: P = 137 at

yH2 = 0,6592, yN2 = 0,2198, yNH3 = 0,041, yCH4 = 0,0613, yAr = 0,0187 Giả sử F0 = 100 mol/s

Suy ra:

Suy ra: yNH3 = 0,17108 (Phù hợp với số liệu đầu ra)

Vậy độ chuyển hóa của N2 là 0,2526

4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho tháp tổng hợp:

Qvào + Qpứ = Qra+ QttTrong đó:

- Qvào: nhiệt lượng hỗn hợp khí vào tháp, kJ/h

- Qpứ: nhiệt lượng do phản ứng sinh ra, kJ/h

2NH34,1 2𝑥 4,1 + 2𝑥

35

- Qra: nhiệt lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp, kJ/h

- Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, kJ/h

Nhiệt lượng hỗn hợp khí mang vào tháp

Qvào = Cpv Tv Gv (kcal/h) Trong đó:

Cp v = x1CH4 CpCH4+ x1H2 CpH2 + x1H2 CpH2 + x1N2 CpN2 + x1NH3 CpNH3 + x1Ar CpAr

Cp v = 30,18 (kJ/kmol) = 7,21 (kcal/kmol)

Qvào = 30,18 43051,47 408,15 = 530355309,91 (kJ/h) = 147320,92 (kW) Gọi nhiệt do phản ứng sinh ra là: Qpứ

36

Phương trình phản ứng:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Qpứ = −506112555.15 (kJ/h) = −140586.82 (kW) Bảng 4.4 Gía trị a, b, c, d của nhiệt dung riêng và thành phần nguyên liệu, sản phẩm của