Mô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySys

Mô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySys; Mô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySysMô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySysMô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySysMô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySysMô phỏng dây truyền sản xuất amoniac NH3 bằng phần mềm HySys

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6

1 Giới thiệu về amoniac 6

1.1 Cấu tạo phân tử NH 3 6

1.2 Tính chất vật lý 7

1.3 Tính chất hóa học 8

CHƯƠNG II – NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP NH3 12

1 Hydro 13

1.1 Tính chất vật lý 13

1.2 Tính chất hóa học 14

1.3 Điều chế sản xuất 14

2 Nito 16

2.1 Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí 16

2.2 Tính chất hóa học 17

2.3 Điều chế 17

2.4 Trạng thái tự nhiên và ứng dụng 18

3 Cơ sở hóa lý của quá trình tổng hợp NH 3 18

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN PHẢN ÚNG 19

1 Quá trình thiết lập mô phỏng 19

2 Tổng quan về công nghệ 34

3 Các vấn đề xảy ra trog quá trình mô phỏng 35

4 Khảo sát Case PFD 38

4.1 Sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào nhiệt độ dòng nguyên liệu 38

4.2 Sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào chiều dài thiết bị phản ứng 40

4.3 Đánh giá tỉ lệ chia dòng tuần hoàn tới hiệu suất phản ứng 41

5 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 44

6 Phụ lục 46

6.1 Chi tiết thành phần các dòng vật chất 46

6.2 Thành phần dòng 47

6.3 Các dòng năng lượng sử dụng trong PFD 47

MỞ ĐẦU

Amoniac là một trong những hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt trong quantrọng ngành công nghiệp hoá học vì nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng trongthực tế:

Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất ra các loạiđạm, đảm bảo sự ổn định và cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nôngnghiệp Góp phần bảo đảm an ninh lương thực, thực hiện công nghiệp hoá và hiệnđại hoá đất nước

Trong công nghiệp thuốc nổ, Amôniac có vai trò quyết định trong việc sảnxuất ra thuốc nổ Từ NH3 có thể điều chế HNO3 để sản xuất các hợp chất như: di,tri nitrotoluen, nitroglyxêrin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, và amoni nitratdùng để chế tạo thuốc nổ

Trong ngành dệt, sử dụng NH3 để sản xuất các loại sợi tổng hợp nhưcuprammonium rayon và nilon

Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH3 được dùng làm xúc tác và làchất điều chỉnh pH trong quá trình polyme hóa của phenol-formaldehyt và urê-formaldehyt tổng hợp nhựa

Trong công nghiệp dầu mỏ, NH3 được sử dụng làm chất trung hòa để tránh sự

ăn mòn trong các thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, của quá trình chưngcất NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành do quá trình phân hủy nước biển lẫntrong dầu thô NH3 cũng dùng để trung hòa các vết axit trong dầu bôi trơn đã axithóa

Trong quá trình cracing xúc tác lớp sôi, NH3 thêm vào dòng khí trước khi đưavào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác đã sử dụng

NH3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác trong thiết bịcracking xúc tác lớp cố định Trong quá trình hydrat hóa silic, NH3 kết tủa với

nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel Sau đó rửa tạp chất Al2(SO4)3 đượcsấy khô và tạo hình.

Trong công nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 là một chất độn quan trọng đểsản xuất các dạng thuốc như sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine Nó cũngđược sử dụng để sản xuất các loại thuốc vitamin

Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường để chuyểnhoá SO2 và NOx từ khí ống khói Dung dịch NH3 21% còn dùng làm dung môi rấttốt Amoniac tạo được các nitrua để tôi cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tácnhân lạnh trong các thiết bị lạnh

Để có thể hiểu rõ về quá trình sản xuất NH3 từ H2 và N2 ta có thể sủa dụngphần mềm Hysys, đây là công cụ mô phỏng giúp tính toán quá trình sản xuất dựatrên các thông số thực tế Từ đó ta có thể khảo sát các vấn đề thực tế liên quan đếnquá trình sản xuất một cách thuận tiện

H H

N o

H o

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1 Giới thiệu về amoniac

1.1 Cấu tạo phân tử NH 3

NH3 có một nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hiđrô Nguyên tử N có 7 electron

ở lớp vỏ, tương ứng với số điện tích hạt nhân của nó Trong đó, một cặp electron ởtrạng 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 đôiphân bố ở 3 obitan 2Px, 2Py, 2Pz

Các electron không cặp đôi của N có thể kết hợp với electron 1s của nguyên

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

1.3 Tính chất hóa học

NH3 có thể cộng thêm 1 ion để tạo ion phức NH4+

NH4+ giống như các ion kim loại kiềm ở tính kiềm và thuộc tính tạo muốicủa nó

Các dung dịch ngậm nước của NH3 phản ứng như một bazơ yếu, vì trongdung dịch nước có quá trình:

NH3 không cháy ở điều kiện thường, nhưng cháy với ngọn lửa màu vàngdưới áp suất oxi điểm bốc cháy của hỗn hợp NH3-O2 là 7800C sản phẩm chính củaquá trình cháy là N2 và H2O

3 CuO + 2NH3 3Cu + N2 + 3H2O

2NH3 + 2KMnO4 2KOH + 2MnO2 + 2H2O + N2

8NH3 + 3Cl2 N2 + 6NH4Cl

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O Pt

Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH3- không khí sẽ phát nổ khi cháy hỗnhợp nổ của NH3 khô với không khí là 16-25 % V NH3 giới hạn này được mở rộngkhi trộn lẫn với các khí cháy như H2, trộn O2 hay không khí, ở nhiệt độ và áp suấtcao hơn

Khí NH3 bị oxi hóa tạo H2O và N2 bởi nhiều hợp chất oxyt như CuO Nếudòng khí NH3 được chuyển qua CuO nung nóng thì có phản ứng:

Loại phản ứng này xảy ra khi NH3 được nung nóng tới nhiệt độ cao với oxytcủa kim loại xác định vì lúc này liên kết trong oxy kém bền vững Các chất oxyhóa nếu đủ mạnh sẽ xảy ra phản ứng tương tự ở nhiệt độ thường Ví dụ vớiKMnO4

Phản ứng giữa Cl2 với NH3 cũng có thể xem là phản ứng oxy hóa khử

NH3 có thể bị oxy hóa tạo NO khi ở trong hỗn hợp 100 % NH3 với khôngkhí và có mặt của xúc tác ở nhiệt độ cao:

ở nhiệt độ thường NH3 là một khí bền vững ở nhiệt độ cao nó bắt đầu phânhủy thành N2 và H2 Tốc độ quá trình phân hủy chịu ảnh hưởng của bản chất NH3với khí tạo thành trong khi tiếp xúc

Mg thì nitrit (hợp chất cơ kim) sẽ tạo thành.

 Cl2, Br2, I2 đều phản ứng với NH3 Các trạng thái ban đầu của phản ứng thìgiống nhau, nhưng sản phẩm cuối cùng thì rất khác nhau

NH3 phản ứng với P hơi nóng đỏ tạo N2 và PH3

 Hơi S phản ứng với NH3 tạo amoni sunfit và nitơ

 S củng phản ứng với NH3 lỏng tạo nitơ sunfit

FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 + 3NH4Cl

CuSO4 + 2NH4OH Cu(OH)2 + (NH4)2SO4

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

2OH- NH3 có thể tạo thành vô số các hợp chất cộng hợp hay hợp chất phối trí.Các hợp chất cộng có tính chất tương tự như các hyđrat Vì thế CaCl2.6NH3 vàCuSO4 giống như CaCl2.6H2O và CuSO4.5H2O

Các hợp chất phối trí gọi là ammines và viết giống như một phức[Cu(NH4)4]SO4

Một trong những tính chất quan trọng nhất của NH3 là tính kiềm ở dungdịch nước của nó Dung dịch NH3 biến quì đỏ thành xanh, là chất chỉ thị cho metyldacam và metyl đỏ

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

Dung dịch đồng sunfat trong dung dịch amôni hyđrôyt dư tạo thành phức:

CHƯƠNG II – NGUYÊN LIỆU ĐỂ TỔNG HỢP NH3

Có nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau sử dụng cho quá trình tổng hợp NH3như: than đá, dầu nặng naphta, khí tự nhiên, khí đồng hành

Nguyên liệu quan trọng nhất hiện nay là các nhiên liệu rắn, khí lò cốc, H2 củaquá trình điện phân Các nguyên liệu này chỉ được dùng trong điều kiện đặc biệt vàngày nay có rất ít.

Khí than ướt là nguyên liệu tương lai để sản xuất NH3 Ngoài ra H2 sản xuấtbằng quá trình điện phân nước cũng là nguyên liệu sản xuất NH3

Bảng sau đây cung cấp tổng quát số liệu các nguồn nguyên liệu thô cho năngsuất NH3 trên thế giới:

Bảng 2 Số liệu các nguồn nguyên liệu thô dùng sản suất NH 3

18501319

460032100107003600

963217

Theo số liệu trên thì ta thấy các nhà máy sản xuất NH3 mới hầu như dựa vàonguồn nguyên liệu chính là khí tự nhiên và naphta Xu hướng này cũng tiếp tụctrong tương lai

1 Hydro

1.1 Tính chất vật lý

Tính chất vật lý

Màu sắc Không màu

Trạng thái vật chất

Chất khí

Nhiệt độ nóng chảy

14,01 K (259,14 °C, 434,45 °F)

-423,17 °F)

101.325 kPa)Mật độ ở thể

lỏng

ở nhiệt độ nóng chảy: 0,07 g·cm−3 (rắn: 0.0763 g·cm−3)[4]

ở nhiệt độ sôi:

0,07099 g·cm−3

Điểm ba trạng thái

13.8033 K, 7,042 kPa

Nhiệt lượng nóng chảy

(H2) 0,117 kJ·mol−1

Nhiệt bay hơi (H2) 0,904 kJ·mol−1

1.2 Tính chất hóa học

a) Tác dụng với O2

Hidro cháy trong không khí có ngọn lửa nhỏ màu xanh nhạt và sinh ra hơi nước.

Hydro có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than(cacbon) nóng đỏ, phân hủy hydrocacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh(kiềm) trong dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axit loãng với mộtkim loại (có khả năng đẩy hydro từ axit) nào đó

Việc sản xuất thương mại của hydro thông thường là từ khí tự nhiên được xử

lý bằng hơi nước nóng Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng vớimetan để sinh ra cacbon monoxit và hydro

CH4 + H2O → CO + 3 H2Điện phân dung dịch có màng ngăn:

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2Điện phân nước:

2H2O → 2H2 + O2Lượng hydro bổ sung có thể thu được từ cacbon monoxit thông qua phảnứng nước-khí sau:

CO + H2O → CO2 + H2

2 Nito

2.1 Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí

- Cấu tạo phân tử: N2 (N ≡ N)

Cấu tạo phân tử N2

- Chất khí, không màu, không mùi, không vị, không duy trì sự sống, sựcháy

Nitơ là một phi kim, với độ âm điện là 3,04 Nó có 5 điện tử trên lớp ngoàicùng, vì thế thường thì nó có hóa trị ba trong phần lớn các hợp chất Nitơ tinh khiết

là một chất khí ở dạng phân tử không màu và chỉ tham gia phản ứng hóa học

ở nhiệt độ phòng khi nó phản ứng với Liti Nó hóa lỏng ở nhiệt độ 77 K (-196 °C)trong điều kiện áp suất khí quyển và đóng băng ở 63 K (-210 °C) thành dạng thùhình có tinh thể sáu phương đóng kín Dưới 35,4 K (−237.6 °C) nitơ được cho là

có thù hình của hệ lập phương (được gọi là pha alpha) Nitơ lỏng, có dạng giốngnhư nước, nhưng có tỷ trọng chỉ bằng 80,8% (tỷ trọng nitơ lỏng ở điểm sôi là0,808 g/mL), là chất làm lạnh phổ biến

Các thù hình không bền của nitơ có hơn hai nguyên tử đã được tạo ra trongphòng thí nghiệm, như N3 và N4.Trong điều kiện áp suất cực kỳ cao (1,1 triệu atm)

và nhiệt độ cao (2000 K), khi tạo ra bằng diamond anvil cell, nitơ polymer hóathành các cấu trúc tinh thể lập phương liên kết đơn Cấu trúc này tương tự cấu trúccủa kim cương, và cả hai có các liên kết cộng hóa trị cực mạnh N4 còn có tên gọi

là "kim cương nitơ"

2.2 Tính chất hóa học

- Các mức oxi hóa có thể có của N: -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5

- Vì phân tử chứa liên kết ba rất bền vững nên ở điều kiện thường, nitơ làmột chất ít hoạt động chỉ tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao Nitơ vừa là chất khửvừa là chất oxi hóa

a Nitơ là chất oxi hóa

- Tác dụng với kim loại → muối nitrua

+ Nhiệt độ thường chỉ tác dụng với Li:

6Li + N2 → 2Li3N + Nhiệt độ cao phản ứng với một số kim loại như Mg, Ca và Al

2Al + N2 → 2AlN3Ca + N2 → Ca3N2

- Trong công nghiệp: chưng cất phân đoạn không khí lỏng, dùng màng lọcrây phân tử

N2 + 3H2 2NH3 + 91,44 Kj/mol

2.4 Trạng thái tự nhiên và ứng dụng

- Trong tự nhiên, nitơ tồn tại ở dạng tự do và trong hợp chất:

+ Dạng tự do: Nitơ chiếm 80% thể tích không khí

+ Dạng hợp chất: có nhiều ở dạng NaNO3 (diêm tiêu natri), trong thành phầnprotein, axit nucleic

- Ứng dụng: phần lớn được dùng để tổng hợp amoniac từ đó sản xuất ra các loạiphân đạm, axit nitric Dùng làm môi trường trơ cho các ngành công nghiệp luyệnkim; nitơ lỏng được dùng để bảo quản máu và các các mẫu sinh học khác

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

Phản ứng tổng quát của quá trình tổng hợp NH3:

Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích tiến hành trên xúc tácsắt Dưới đây sẽ lần lượt xét một số vấn đề cơ bản của phản ứng thuộc loại này

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN PHẢN ÚNG

1 Quá trình thiết lập mô phỏng

- Thiết lập các cấu tử

- Thiết lập hệ nhiệt động

- Thiết lập phản ứng

- Thiết lập dòng nguyên liệu như sau

Hình 1: thông số dòng nguyên liệu đầu vào

Hình 2: Thiết bị chia dòng T-100

Dòng nguyên liệu Feed 1 được đưa vào thiết bị phản ứng PFR 100, kết nối thiết bị với đầu vào Feed 1 thêm thiết lập phản ứng, với độ giảm áp là 15 kPa, thiết

bị có thiết kế như sau:

Các thiết bị PFR khác có thiết kế tương tự nhưng khác nhau về chiều dài ốngphản ứng Sau khi mô phỏng, hiệu suất phản ứng trong các thiết bị lần lượt như sau:

Hình 4: Hiệu suất phản ứng tại thiết bị PFR – 100

Hình 5: Hiệu suất phản ứng tại thiết bị PFR – 101

Hình 6: Hiệu suất phản ứng tại thiết bị PFR – 102

Dòng sản phẩm sau phản ứng được nén qua máy nén K-100 lên áp suất 1.65e4 kPa sau đó được làm lạnh xuống -39.5oC, các thiết bị có thiết kế như sau:

Hình 7: Máy nén sử dụng trong bài.

Hình 8: Thiết bị làm lạnh E-100

Sau khi làm lạnh, dòng sản phẩm được đưa vào tháp tách pha nhằm tách riêng dòng lỏng và khí.

Hình 9: Thiết bị tách pha V-100

Sau khi được tách pha, dòng sản phẩm được tách bởi thiết bị tách cấu tử nhằm tách H2 và N2, với mô phỏng như sau:

Hình 10: Thiết kế dòng vào cho thiết bị tách

Hình 11: Các thông số cho thiết bị tách

Dòng H2 và N2 sẽ được tách thành 2 dòng và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng bằng công cụ Recycle, trước khi tuần hoàn nhiệt độ dòng tuần hoàn có nhiệt độ thấp vì thế cần đưa nhiệt độ lên tới nhiệt độ của dòng nguyên liệu trước khi vào thiết bị phản ứng, giai đoạn này được mô phỏng như sau:

Hình 12: Thiết bị chia dòng và thông số chia dòng

Hình 13: thiết bị Heater

Hình 14: Mô phỏng công cụ Recycle

2 Tổng quan về công nghệ

Phản ứng tổng hợp NH3 được thực hiện ở 3 thiết bị PFR đặt nối tiếp lần lượt

có chiều dài là 1m, 1.2m, 1.3m và có đường kính 3m,

Ở thiết bị phản ứng PRF 1, dòng nguyên liệu được đưa vào với điều kiệnnhiệt độ 360 độ C, lưu lượng dòng 1.86e6 kg/h, áp suất 1.6e4 kPa, với điều kiện đóhiệu suất phản ứng đạt 91.6%

Dòng sản phẩm chứa 0.78% NH3 với lưu lượng 6.2e5 kg/h sẽ được kết hợpvới dòng Feed 2 từ hệ thống chia dòng và một phần dòng hồi lưu từ thiết bị táchcấu tử, các dòng sẽ được hòa trộn bằng Mixer trước khi đi vào phản ứng PFR 2,dòng sau khi pha trộn có nhiệt độ hơn 700 oC Tỉ lệ N2:H2 là khoảng 1:3(0.17:0.52)

Tại thiết bị phản ứng PFR 2, hiệu suất phản ứng đạt 88.53%, nhiệt độ tạithiết bị là 1152oC,

Dòng sản phẩm sau phản ứng chứa 0.79% NH3 với lượng NH3 là 1.06e6kg/h, được kết hợp với một phần dòng hồi lưu từ thiết bị tách cấu tử và dòng Feed

3 từ thiết bị tách dòng, dòng sau thiết bị Mixer có nhiệt độ 879oC, tỉ lệ N2:H2 làkhoảng 1:3 (0.13:0.42)

Dòng sản phẩm sau dây chuyền phản ứng có áp suất 1.596e4 kPa được đưavào máy nén tăng áp lên 1.65e4 kPa Nhiệt độ theo đó cũng tăng lên 1158 oC

Lúc này hỗn hợp khí đang ở thể khí với điều kiện sau phản ứng, để táchđược NH3 ra khỏi hốn hợp, cần phải hạ nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ bay hơi củaNH3.Sử dụng thiết bị cooler làm lạnh hỗn hợp khí xuống -39.5oC Dòng sản phẩmsau khi làm lạnh có 2 pha với hệ số pha là 0.1862, được đưa vào thiết bị tách phaV-100

Tại thiết bị tách pha, dòng sản phẩm đỉnh gồm N2, H2, Ar, CH4 và một lượngnhỏ NH3 Dòng sản phẩm đỉnh này tiếp tục được đưa vào thiết bị tách cấu tử đểtinh chế N2 và H2 để tuần hoàn lại hệ thống phản ứng, dòng tuần hoàn có lưu lượng1.085e5 kg/h được tách làm hai dòng, 2 dòng này có nhiệt độ -25oC do vậy trướckhi tuần hoàn lại hệ thống, dòng hồi lưu được làm nóng lên 360oC và được đưa lại

hệ thống phản ứng

3 Các vấn đề xảy ra trog quá trình mô phỏng

Trong quá trình mô phỏng đã xảy ra những vấn đề sau

- Hiệu suất phản ứng bằng 0% hoặc rất nhỏ, nguyên nhân là do cài đặt phảnứng kinetic sai, giải quyết bằng cách trở lại basic environment và cài đặt lạiphản ứng Do phản ứng ở thể khí vì vậy ta cần đặt pha phản ứng ở thể khí -vapour Phase, và các chất tham gia phản ứng là N2 và H2 nên cần chọn điềukiện phản ứng ban đầu là áp suất từng phần – Patial Pressure với basecomponent là N2

- Hiệu suất phản ứng đạt 100%, do phản ứng thường có các phản ứng phụ, vìvậy mà hiệu suất phản ứng trên thực tế khó đạt 100% Trong trường hợp nàycũng vậy, ta thấy phản ứng là thuận nghịch và đề bài cho các thông số củaphản ứng nghịch Do đó khi không điền các thông số này, hiệu suất sẽ đạt100%, và khi đặt thông số cho phản ứng nghịch thì hiệu suất phản ứng chỉđạt 91.6%

- Trong quá trình mô phỏng thiết bị phản ứng PFR, do có 3 rọ xúc tác và mỗi

rọ có kích thước khác nhau nên cần mô phỏng 3 thiết bị PFR nối tiếp nhau.Phản ứng là phản ứng tỏa nhiệt mạnh từ 360oC lên 1141 oC vì vậy mà khôngcần ung cấp thêm năng lượng Q cho thiết bị Khi cung cấp năng lượngHysys sẽ yêu cầu nhiệt độ cần kiểm soát, và theo yêu cầu của đề bài là hỗn