Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên

Mở đầu Amoniac hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ngành cơng nghiệp hố học có nhiều ứng dụng quan trọng thực tế: Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất loại đạm, đảm bảo ổn định cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nơng nghiệp Góp phần bảo đảm an ninh lương thực, thực công nghiệp hố đại hố đất nước Trong cơng nghiệp thuốc nổ, Amơniac có vai trò định việc sản xuất thuốc nổ 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 trình polyme hóa phenol-formaldehyt urêformaldehyt tổng hợp nhựa Trong cơng 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 trình phân hủy nước biển lẫn dầu thơ 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 q trình hydrat hóa silic, NH kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo dạng gel Sau rửa tạp chất Al 2(SO4)3 sấy khơ tạo hình Trong cơng nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 chất độn quan trọng để sản xuất dạng thuốc sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine Nó sử dụng để sản xuất loại thuốc vitamin Ngồi 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 Amoniac có nhiều ứng dụng thực tế đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc Mục đích đề tài sử dụng nguồn ngun liệu khí tự nhiên sẳn có nước ta cách có hiệu để sản xuất Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ trình tổng hợp sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho kinh tế quốc dân Mặc khác đề tài đưa phương hướng việc nâng cao giá trị sử dụng nguồn ngun liệu khí tự nhiên Trong khn khổ đồ án này, em xin giới thiệu tính tốn cụ thể để thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 suất 200.000 tấn/năm Nội dung đồ án gồm phần sau: Phần I: Tổng quan lý thuyết Phần II: Tính tốn cơng nghệ Phần III: Xây dựng Phần IV: Tính tốn kinh tế Phần V: An tồn lao động Tuy có nhiều cố gắng đồ án tránh khỏi thiếu sót định, mong góp ý Thầy, Cơ giáo bạn PHầN I: TổNG QUAN Lý THUYếT Chương I Giới thiệu amoniac I.1 Cấu tạo phân tử NH3 [14] NH3 có ngun tử nitơ ngun tử hiđrơ 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 không cặp đôi phân bố obitan 2Px, 2Py, 2Pz Các electron khơng cặp đơi N kết hợp với electron 1s nguyên tử H Vì ta có: H :N + 3H H :N 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 N Vì phân tử NH3 có cấu hình electron với nước, o góc hóa trị tương tự nước nên NH3 H2O có nhiều tính chất giống nhau, chất nghịch từ o H o H o H I.2 Tính chất vật lý:[14] Amơniac có cơng thức phân tử NH khí khơng màu, nhẹ khơng khí, có mùi đặc trưng Bảng I.1 Các đặc trưng vật lý NH3 Khối lượng phân tử Thể tích phân tử ( 0oC, 101,3 KPa) Tỉ trọng pha lỏng Tỉ trọng pha khí áp suất tới hạn Nhiệt độ tới hạn tỉ trọng tới hạn Thể tích tới hạn độ dẫn nhiệt tới hạn độ nhớt tới hạn điểm nóng chảy Nhiệt nóng chảy áp suất hóa điểm sơi Nhiệt hóa Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Entropi tiêu chuẩn Entanpi tạo thành tự Giới hạn nổ Hỗn hợp NH3-O2(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(200C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH3-KK(1000C, 101,3KPa) 17,03 22,08 l/mol 0,6386 g/cm3 0,7714 g/l 11,28 MPa 132,4 0C 0,235 cm3/g 4,225 cm3/g 0,522 Kj.K-1 h-1 m-1 23,90 10-3 mPa.s -77,71 0C 332,3 Kj/Kg 6,077 KPa -33,43 0C 1370 Kj/Kg -45,72 Kj/mol 192,731 J.mol-1.K-1 -16,391 Kj/mol 15 - 17 % V NH3 16 - 27 % V NH3 15,5- 28 % V NH3 I.3 tính chất hóa học:[14],[15]  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 + H30+ NH4+ + OH-  NH3 không cháy điều kiện thường, cháy với lửa màu vàng áp suất oxi điểm bốc cháy hỗn hợp NH 3-O2 7800C sản phẩm q trình cháy N2 H2O 4NH3 + 3O2 N2 + 6H2O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH 3- khơng khí phát nổ cháy hỗn hợp nổ NH3 khơ với khơng khí 16-25 % V NH3 giới hạn mở rộng trộn lẫn với khí cháy H 2, 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: CuO + 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 Các chất oxy hóa đủ mạnh xảy phản ứng tương tự nhiệt độ thường Ví dụ với KMnO4  Phản2NH3 ứng Cl2 với NH3 xem là+phản ứng+ oxy + 2KMnO4 2KOHcó+thể 2MnO2 2H2O N2 hóa khử 8NH3 + 3Cl2 N2 + 6NH4Cl  NH3 bị oxy hóa tạo NO hỗn hợp 100 % NH với khơng khí có mặt xúc tác nhiệt độ cao: Pt 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O  nhiệt độ thường NH3 khí bền vững nhiệt độ cao bắt đầu phân hủy thành N2 H2 Tốc độ trình phân hủy chịu ảnh hưởng chất NH3 với khí tạo thành tiếp xúc  nhiệt độ thường, NH3 hòa tan K, Na tốc độ chậm, vài ngày 2K + 2NH3 2KNH2 + H2 Amid kali 2Na + 2NH3 2NaNH2 + H2 Amid natri Liti amid tạo thành Li bị nung nóng dòng khí NH có mặt xúc tác Pt đen  Khi nung NH3 với kim loại hoạt động Mg nitrit (hợp chất kim) tạo thành 3Mg + 2NH3 Mg3N2 + 3H2  Cl2, Br2, I2 phản ứng với NH3 Các trạng thái ban đầu phản ứng giống nhau, sản phẩm cuối khác  NH3 phản ứng với P nóng đỏ tạo N2 PH3 2NH3 + 2P 2PH3 + 3N2  Hơi S phản ứng với NH3 tạo amoni sunfit nitơ 8NH3 + 3S 2(NH4)2S + N2  S củng phản ứng với NH3 lỏng tạo nitơ sunfit 10S + 4NH3 6H2S + N2S4  NH3 tạo thành vô số hợp chất cộng hợp hay hợp chất phối trí Các hợp chất cộng có tính chất tương tự hyđrat Vì CaCl 2.6NH3 CuSO4 giống CaCl2.6H2O CuSO4.5H2O Các hợp chất phối trí gọi ammines viết giống phức [Cu(NH4)4]SO4  Một tính chất quan trọng NH tính kiềm dung dịch nước Dung dịch NH3 biến q đỏ thành xanh, chất thị cho metyl dacam metyl đỏ  Khí NH3 trung hòa axit mà khơng tạo thành nước Dung dịch NH có tác dụng bazơ chổ tạo kết tủa hyđrôxyt từ dung dịch chúng Một vài hợp chất khó tan, dung dịch NH3 dư tạo phức ion Ví dụ muối sắt hợp chất sắt hyđrôxyt bị kết tủa FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 + 3NH4Cl Dung dịch đồng sunfat dung dịch amôni hyđrôyt dư tạo thành phức: CuSO4 + 2NH4OH Cu(OH)2 4NH3 + Cu2+ Cu(OH)2 + (NH4)2SO4 Cu2+ + 2OH[Cu(NH3)]42+ Chương II Nguyên liệu để tổng hợp NH3 ([1], [15]) 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 trình điện phân Các nguyên liệu dùng điều kiện đặc biệt ngày có Khí than ướt ngun liệu tương lai để sản xuất NH Ngoài H2 sản xuất trình điện phân nước nguyên liệu sản xuất NH3 Bảng sau cung cấp tổng quát số liệu nguồn nguyên liệu thô cho suất NH3 giới: Bảng II.1 Số liệu nguồn nguyên liệu thô dùng sản suất NH3 Nguyên liệu 1961/1962 1971/1972 3 10 tấn/năm % 10 tấn/năm % Khí lò cốc than đá 2800 18 4600 Khí tự nhiên 7800 50 32100 63 Naphta 2050 13 10700 21 Các sản phẩm dầu khác 2950 19 3600 Tổng cộng 15600 100 51000 100 Theo số liệu ta thấy nhà máy sản xuất NH dựa vào nguồn nguyên liệu khí tự nhiên naphta Xu hướng tiếp tục tương lai Chương III Cơ sở hóa lý q trình tổng hợp NH3 Phản ứng tổng quát trình tổng hợp NH3: N2 + 3H2 2NH3 + 91,44 Kj/mol Đây phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích tiến hành xúc tác sắt Dưới xét số vấn đề phản ứng thuộc loại III.1 Cân phản ứng hiệu ứng nhiệt phản ứng: [1], [4] Hằng số cân biểu diễn biểu thức: PNH KP  PN PH 2 PNH PN PH 3, 2, áp suất riêng phần cấu tử NH3, N2, H2 Trong Hằng số cân tính theo phương trình Van'tHoff : d(lnKP ) ΔH  dT RT Phương pháp có độ xác khơng cao khó xác định giá trị nhiệt dung đẳng áp cấu tử áp suất cao định luật Dalton áp suất riêng phần có sai số lớn áp dụng với khí thực Sử dụng phương pháp tính theo Phugat cho kết phù hợp hơn:  2 f NH  NH PNH 3 K f  1/2   3 3/2  N  H PN PH f N f H 2 2 Trong đó: f  i fugat cấu tử i lúc cân Pi áp suất riêng phần cấu tử i lúc cân   i hệ số fugat cấu tử i, tính theo cơng thức: f i    i Pi  Hệ số fugat  i cấu tử i phụ thuộc vào nhiệt độ rút gọn rút gọn P Pr  PC Ta có: áp suất  NH Nếu đặt : T Tr  TC K   N  H3 KP  PNH PN PH2 K f K K P Trong K P tính theo phương trình thực nghiệm : 2074,18 lg K P   2,4943lgT βT  1,8564 10  T  I T :  T nhiệt độ trung bình trình phản ứng , K   hệ số phụ thuộc vào áp suất, 300 at  = 1,256.10-4  I số tích phân , I = - 2,206 Xác định KP cho phép ta xác định nồng độ NH lúc cân theo công thức sau : 308 K P y a2  200y  y a  10 0 P Trong đó:  y a nồng độ NH lúc cân bằng, % thể tích  K P số cân phản ứng  P áp suất trung bình tháp , at Hiệu ứng nhiệt phản ứng phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ, xác định theo cơng thức: 840,6 45910 Q 9157  (0,545   ) P  5,35 T  2,52 10 T  16,69 10 T 3 T T Với :  T nhiệt độ , k  Q hiệu ứng nhiệt , Kj/mol BFM Chuyể n hó a NH Hơi nướ c Nguyê n liệ u Hơi nướ c hi ê n liệ u Hơi nướ c Reforming sơ cấ p Khô ng khí khí tạo nh Reforming thứcấ p Là mlạnh Chuyể n hó a nhiệ t độthấ p Hình V.1: Sơ đồcô ng nghệcủ a hã ng Uhde Khô ng khí đố t Né n khí NH3 lỏ ng Khí thả i Khí tổ ng hợp Tá ch CO 2 CO Mê tan hó a Gia nhiệ t sơ bộkhô ng khí chá y Gia nhiệ t sơ bộnguyê n liệ u Gia nhiệ t sơ bộkhô ng khí Gia nhiệ t sơ bộhơi nướ c/nguyê n liệ u Đun qua ù nhiệ t nướ c Chuyể n hó a nhiệ t độcao Hơi nướ c từkhí tổ ng hợp V.2 Cơng nghệ tổng hợp NH3 hãng Linde [18] V.2.1 Sơ đồ Hình V.2 V.2.2 Mơ tả q trình: Ngun liệu gia nhiệt sơ tách S thiết bị số (1) Hơi trình sinh cách ngưng tụ thiết bị chuyển hoá đẳng nhiệt số (5), nước thêm vào theo tỉ lệ nước - cacbon khoảng 2,7 Thiết bị reforming (3) làm việc với nhiệt độ 850 0C Khí reforming làm mát để chuyển hoá nhiệt độ thấp nước tái sinh thiết bị số (4) Phản ứng chuyển hoá CO xảy giai đoạn thiết bị số (5) Sau thu hồi nhiệt, làm lạnh ngưng tụ (6), khí đưa tới tháp hấp thụ (7) Nitơ sản xuất cách tách từ khơng khí nhiệt độ thấp chu kì làm lạnh (10) Khơng khí lọc, nén tinh chế trước đưa vào hỗn hợp để làm lạnh Sản phẩm N2 nén trộn với H2 để tạo khí tổng hợp tinh khiết Khí tổng hợp nén tới áp suất tổng hợp NH máy nén (11) Khí tinh khiết loại trừ khí thải kết hợp với hệ thống xử lý khí thải Thiết bị tổng hợp NH3 dựa thiết bị chuyển trục phản xạ ba lớp với thiết bị trao đổi nhiệt bên (13) cho độ chuyển hoá cao Nhiệt từ phản ứng tổng hợp NH3 dùng để tái sinh (14), gia nhiệt sơ khí nguyên liệu (12) khí lám mát làm lạnh để tách sản phẩm NH thiết bị (15) Khí chưa chuyển hố cho tuần hồn máy nén (11) sản phẩm NH làm lạnh tới -33oC để tồn trữ V.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 hãng Kellogg Brown [18] V.3.1 Sơ đồ Hình V.3 Sơ đồ dùng sản xuất NH3 từ hydro cacbon khơng khí V.3.2 Mơ tả q trình: Ngun liệu tách lưu huỳnh cho phản ứng với nước thiết bị reforming (1) với nhiệt độ khoảng 700oC Khí từ thiết bị reforming phản ứng với khơng khí dư thiết bị reforming sơ cấp (2) với nhiệt độ khoảng 900oC Máy nén không khí tuabin chạy khí (3) Khí khỏi thiết bị reforming sơ cấp làm mát nước áp suất cao (4) Phản ứng chuyển hoá xảy hai thiết bị chuyển hoá xúc tác nhiệt độ cao nhiệt độ thấp (5), (6) CO tách dùng cho trình (7) Tiếp theo CO lại chuyển hố thành CH4 thiết bị mêtan hố (8) Khí khỏi thiết bị mêtan hoá làm mát tách nước (9) trước sấy (10) Khí tổng hợp sấy thổi vào thiết bị tinh chế nhiệt độ thấp (11), khí làm mát thiết bị trao đổi nhiệt chuyển đến máy tinh cất khí tổng hợp tinh chế tháp tinh cất, sản phẩm đỉnh cột H N2 theo tỉ lệ 75:25 Sản phẩm đáy khí thải chứa CH chưa chuyển hố từ giai đoạn reforming, N dư argon Cả sản phẩm đỉnh đáy gia nhiệt lại với nguyên liệu thiết bị trao đổi nhiệt Khí thải sử dụng để tái sinh máy sấy đốt nguyên liệu thiết bị reforming Khí tổng hợp tinh chế nén máy nén khí tổng hợp (12), trộn với dòng tuần hồn đưa tới thiết bị chuyển hố (13) Khí khỏi thiết bị (13) làm mát làm lạnh tác nhân lạnh NH3 NH3 sản phẩm tách thiết bị (14) từ khí tổng hợp khơng phản ứng Khí tổng hợp chưa phản ứng cho tuần hồn máy nén Một lượng khí thải nhỏ rửa nước thiết bị (15) tuần hồn máy sấy Nguyê n liệ u Hơi nướ c 11 13 Hình V.3 Sơ đồcô ng nghệsả n xuấ t NH3 củ a haõ ng kellogg Brown 10 S¶n phÈm NH3 15 14 V.4 Cơng nghệ sản xuất NH3 Hardol Topsoe [18], [21], [23] V.4.1 Sơ đồ: Hình V.4 V.4.2 Mơ tả sơ đồ Tách S từ nguyên liệu: Hầu hết xúc tác sử dụng trình mẫn cảm với S hợp chất S Trong m3 nguyên liệu thường chứa mg hợp chất S Khí nguyên liệu gia nhiệt sơ đến 350 - 400 0C xử lý thiết bị tách S thiết bị hợp chất S hydrođro hoá thành H 2S, xúc tác điển hình sử dụng MoCo, hấp thụ viên ZnO R-SH + H2 H2S + ZnO H2S + RH ZnS + H2O Bằng cách này, S tách 0,1 ppm lượng S khí ngun liệu H2 dùng cho phản ứng lấy từ giai đoạn khí tổng hợp Thiết bị reforming sơ cấp: Khí từ thiết bị tách S trộn với nước trình(lấy từ trình chiết tuabin), hỗn hợp - khí gia nhiệt 500 - 600 0C trước đưa vào thiết bị reforming sơ cấp vài nhà máy mới, hỗn hợp khí gia nhiệt sơ chuyển qua thiết bị reforming sơ cấp đoạn nhiệt Tỉ lệ nước/cacbon cần thiết cho trình Tỉ lệ thích hợp phụ thuộc vào vài yếu tố như: lượng nguyên liệu, thu hồi khí thải, suất thiết bị, thiết bị xảy phản ứng sau: CH4 + H2O CO + 3H2 H0298= 206 Kj/mol CO + H2O CO2 + H2 H0298= - 41 Kj/mol Nhiệt dùng cho trình reforming sơ cấp cấp từ q trình đốt cháy khí tự nhiên hay nhiên liệu khí khác vòi phun hộp xạ Khí ống khói từ hộp xạ có nhiệt độ 900 0C, sau cung cấp bớt nhiệt cho trình reforming Vì khoảng 50 - 60% lượng nhiệt nguyên liệu sử dụng trực tiếp cho trình refoming Thiết bị reforming sơ cấp thiết bị hình ống đốt bên ống - Cách bố trí tổng quát thiết bị Các ống đặt hàng độc lập buồng lò, ống cấp nguyên liệu từ phía đầu ống, xuyên qua kẹp tóc nối với miệng ống Đây xếp cho phép làm việc điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ cao, áp suất cao xếp giúp cho khí vào dễ dàng Các kẹp tóc linh hoạt cho phép ống reforming giản nở tự với nhiệt Khí nóng rời khỏi ống reforming vào góp làm mát Còn khí ống khói nóng từ q trình cháy từ đỉnh buồng xạ qua ống làm vật liệu chịu lửa nhiệt từ khí dùng gia nhiệt sơ khí nguyên liệu sản xuất nước - Điều chỉnh trình cháy: Các đèn xạ đặt lò từ - mức Sự xếp phân bố nhiệt vào khắp chiều dài ống Vì đảm bảo nhiệt cao tất điều kiện làm việc Một vấn đề trọng tâm trình reforming nước cân nhiệt vào qua ống với nhiệt tiêu tốn cho phản ứng thu nhiệt, thời điểm ứng suất giới hạn bền ống nhỏ nhất, nhiệt độ thành ống lớn nhiệt độ khác ống Thiết bị làm cho phù hợp để giải mối tương quan phức tạp Thiết bị reforming thứ cấp (Thiết bị reforming tự nhiệt) Vì điều kiện làm việc thực tế có 30 - 40% nguyên liệu reforming sơ cấp, phải nâng nhiệt độ để tăng mức chuyển hố Tại thiết bị khí bị oxy hố khơng khí khơng khí củng cấp N2 cho khí tổng hợp Khơng khí dùng cho q trình nén tới áp suất reforming gia nhiệt sơ 6000C Khí tổng hợp từ thiết bị reforming sơ cấp cho trộn với không khí đèn đốt chuyển qua lớp xúc tác Ni Nhiệt độ khí khoảng 10000C Tại thiết bị 99% nguyên liệu bị chuyển hoá, lượng CH cặn khoảng 0,2 - 0,3% lượng khí khơ rời khỏi thiết bị Khơng khí Hỗn hợp - khí Đèn đốt Khí tổng hợp Cấu tạo thiết bị này: Thiết bị reforming tự nhiệt (ATR) hệ thống độc lập, xảy trình reforming Ngun liệu trộn với khơng khí đèn khí thổi vào buồng đốt Trong buồng đốt, phản ứng oxy hoá nối tiếp xảy chuyển hoá đến cân sau chuyển qua lớp xúc tác Phản ứng tổng quát phản ứng toả nhiệt, kết khí có nhiệt độ cao khoảng 950 - 1100 C, áp suất đạt 100 bar Thành phần ATR là: - Lò chịu lửa: Topsoe dùng loại vật liệu lót chịu lửa lớp vật liệu đa phân tử ổn định để bảo vệ áp suất mà thành bình phải chịu khí phản ứng nóng thiết bị - Đèn đốt CTS: Đây thành phần thiết bị để đốt nguyên liệu với oxy - Xúc tác: Xúc tác chứa đầy thiết bị, phải giữ nhiệt ổn định lớp xúc tác Chuyển hố CO Khí từ thiết bị reforming thứ cấp chứa khoảng 12 - 15% CO khí khơ lò, hầu hết CO chuyển hố thiết bi theo phản ứng: CO + H2O CO2 + H2 thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao(HTS), khí chuyển qua lớp xúc tác FeO/Cr2O3 4000C, CO bị khử 3% khí khơ lò Khí từ thiết bị HTS làm mát để tăng mức độ chuyển hoá chuyển vào thiết bị chuyển hoá nhiệt độ thấp (LTS) Thiết bị LTS chứa đầy xúc tác CuO/ZnO làm việc nhiệt độ 200 - 2200C, khí khỏi thiết bị chứa 0,2 - 0,4% CO Tách CO2 Khí từ thiết bị LTS chứa phần H 2, N2, CO2 lượng nước dư Khí làm mát hầu hết lượng nước dư ngưng tụ trước đưa vào thiết bị tách CO2 Đây trình ngưng tụ bình thường chứa 1000 - 2000 ppm NH3 800 - 1200 ppm CH3OH tuần hồn trở lại Nhiệt làm mát, ngưng tụ dùng để: - Tái sinh dung dịch rửa CO2 - Để thiết bị làm lạnh hấp thụ làm việc - Gia nhiệt sơ nước nguyên liệu thiết bị đun sôi CO2 tách hấp thụ vật lý hay hấp thụ hố học Các dung mơi sử dụng trong q trình hấp thụ hố học dung dịch amin mono etanolamin (MEA), metyl dietanolamin (MDEA), metyl dietanolamin hoạt hố (AMDEA), hay dung dịch K2CO3 nóng Metan hố Một lượng nhỏ CO, CO2 sót lại khí tổng hợp, chất độc xúc tác tổng hợp NH3 nên ta phải tách hết chúng cách chuyển thành CH4 trình mêtan hoá CO + 3H2 CH4 + H2O CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O Các phản ứng xảy 300 C thiết bị phản ứng chứa đầy xúc tác Ni Mêtan khí trơ, nước phải tách trước đưa vào tháp tổng hợp NH3 Nén khí tổng hợp tổng hợp NH3 Các nhà máy sản xuất NH3 đại sử dụng máy nén khí ly tâm để nén khí tổng hợp, máy nén thường chạy tuabin nước, với nước lấy từ phân xưởng NH3 Máy nén làm lạnh dùng cho trình ngưng tụ NH3 chạy tuabin nước Sự tổng hợp NH3 xảy xúc tác Fe p = 100 200 bar nhiệt độ giới hạn từ 350  5500C Phản ứng tổng hợp: N2 + 3H2 2NH3 Chỉ 20  30% ngun liệu bị chuyển hố thiết bị cần cho tuần hoàn trở tháp tổng hợp NH3 tạo thành tách từ khí tuần hồn làm mát, ngưng tụ Còn khí phản ứng khí tổng hợp trì áp suất tổng hợp Xúc tác tổng hợp NH3 cải tiến có chứa Rh chất mang grafit có hoạt tính cao, có khả tăng độ chuyển giảm áp suất làm việc * Cấu tạo tháp tổng hợp NH3 Tháp tổng hợp tháp hình trụ, thép, cao từ 18 30 m, đường kính 1-1,4m Tháp đặt thẳng đứng, phần tháp nối với ghi thép mặt bích Chú thích: a Khí vào b trao đổi nhiệt lớp xúc tác thứ c Cửa điều chỉnh nhiệt độ d Lớp xúc tác thứ e không gian bên vòng xúc tác f Lớp xúc tác thứ hai g Khí Nguyên tắc hoạt động: Khí vào từ phía theo khơng gian thành thiết bị với giỏ xúc tác lên thổi vào trao đổi nhiệt đặt lớp xúc tác thứ xuyên qua lớp xúc tác thứ tiếp đến qua lớp biên trao đổi nhiệt, cuối thổi qua lớp xúc tác thứ hai Nhiệt độ thiết bị điều chỉnh cửa làm mát khí nguyên liệu Qua lớp xúc tác phản ứng tổng hợp xảy nồng độ NH3 tăng dần qua lớp xúc tác Khí thả i Khí tự nhiê n Khô ng khí Sả n phẩ mNH 15 Hơi nướ c Ố ng khoù i Xt CoMoS, ZnO 390 C Tổ ng hợp NH 530 C 14 400 C 20%Ni/Al O 850 C 500 C 850 C 0 13 25 C CH =0,5-15% CO =10-13% P =30 atm 1000 C 693 C Reforming thứcấ p Hình V.4 Sơ đốcô ng nghệtổ ng hợp NH3 củ a hã ngHaldor Topsoe 400 C Tá ch lưu huỳ nh Reforming sơ cấ p 330 C Mê tan hó a 12 290 C CO =2-3% 420 C Xt Fe O WGS Ngưng tụ 320 C Chuyể n hó a CO nhiệ t độ cao CO 11 25 C Ngưng tụ 200 0C 220 C Taù ch CO 10 Chuyể n hó a CO nhiệ t độ thấ p Chương VI Lựa chọn công nghệ sản xuất VI.1 Lựa chọn công nghệ sản xuất Qua sơ đồ công nghệ sản xuất NH giới thiệu ta thấy công nghệ hãng Hardor Topsoe ( Đan mạch) cơng nghệ có nhiều ưu điểm nên ta chọn sơ đồ để thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 Như trình bày, sơ đồ từ nguồn nguyên liệu khí tự nhiên Đây nguồn nguyên liệu sẳn có nước ta Vì nước ta có nhiều mỏ khí, mỏ dầu với trữ lượng đáng kể Sơ đồ có ưu điểm bật: - Sơ đồ tương đối đơn giản, dễ vận hành - Có thể linh hoạt thay đổi suất theo sản phẩm NH Vì mà nhà máy ưu tiên hoá điều kiện tổng quát cách điều chỉnh thơng số cơng nghệ khác - Có thể dùng sơ đồ để tổng hợp đồng thời NH CH3OH tổng hợp riêng CH3OH - Thiết bị phản ứng tương đối đơn giản, dễ lắp ráp , sửa chửa Mặt khác sơ đồ sử dụng để sản xuất NH nhà máy đạm Phú Mỹ Tất yếu tố cần thiết để xây dựng nhà máy hố chất, phù hợp với điều kiện sở vật chất nhỏ bé trình độ kĩ thuật chưa phát triển cao nước ta VI.2 Thuyết minh dây chuyền Hỗn hợp khí nguyên liệu nén tới áp suất 40at gia nhiệt tới 350 0C đưa vào thiết bị tách S Khí nguyên liệu loại bỏ lưu huỳnh trộn với nước xử lý đưa vào thiết bị reforming sơ cấp với áp suất 40 at, nhiệt độ 5500C có dùng xúc tác Ni Để chuyển hóa hồn tồn cacbua hyđro, hỗn hợp khí sau phản ứng chuyển đến thiết bị reforming thứ cấp với áp suất 30 at nhiệt độ 850 0C dùng xúc tác Ni oxi cung cấp vào áp suất 33 at nhiệt độ 693 0C Qua hai giai đoạn tỉ lệ mol H2/N2 khống chế tối ưu cho giai đoạn tổng hợp NH (tỉ lệ 3) Hỗn hợp khí khỏi thiết bị reforming sơ cấp có thành phân chủ yếu CO, CO2, nước, H2, N2, khí trơ áp suất 30 at, nhiệt độ 1000 0C cho qua trao đổi nhiệt để giảm xuống nhiệt độ 3200C đưa vào thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao thực 3200C áp suất 30 at, sử dụng xúc tác Fe3O4 Hiệu suất q trình chuyển hóa khoảng 80% Hỗn hợp khí khỏi thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao nhiệt độ 420 0C, cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống 200 0C đưa vào thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp thiết bị thực 200 0C, áp suất 30-31 at, sử dụng xúc tác Fe3O4/CuO Hiệu suất trình đạt khoảng 90% Hỗn hợp khí sau q trình chuyển hóa nhiệt độ thấp có thành phần chủ yếu CO2, CO, nước, H 2, N2, khí trơ, hyđro cacbon nhiệt độ 220 0C cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ thường 25 0C để ngưng tụ hoàn toàn nước trước trước đưa vào thiết bị tách CO2 Tại tháp hấp thụ CO2 sử dụng dung dịch hấp thụ metyl dietanol amin (MDEA) làm việc nhiệt độ 72 0C, áp suất 28 at Dung dịch ngậm CO2 đưa xử lý tách khí CO2 Tiếp theo hỗn khí đưa qua thiết bị mêtan hóa để tách hết CO, CO làm độc xúc tác, nhiệt độ vào 2900C, áp suất 27at, sử dụng xúc tác Ni Hỗn hợp khí sau thiết bị mêtan hoá chủ yếu H2, N2, nước làm giảm nhiệt độ để ngưng tụ hết nước trước đưa vào tháp tổng hợp NH 3, nước tác nhân gây độc cho xúc tác tổng hợp NH Hỗn hợp khí cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ khoảng 450C Dòng kết hợp với dòng khí tuần hồn nén đến 134 at làm lạnh xuống nhiệt độ 22 0C Rồi lại đưa qua máy nén nén đến áp suất 150 at nhiệt độ 4000C đưa vào tháp tổng hợp Tháp tổng hợp sử dụng xúc tác Fe Hỗn hợp khí sau khỏi tháp tổng hợp có nhiệt độ 530 0C, nồng độ NH3 khoảng 17,3% thể tích, làm lạnh nước đưa qua thiết bị phân ly NH3 lỏng tách khỏi dòng khí phản ứng đưa thiết bị tách NH 3, phần khí tiếp tục cho qua thiết bị trao đổi nhiệt với khí tuần hồn tận dụng nhiệt Hỗn hợp khí sau làm lạnh xuống - 0C đưa vào tháp tách NH3, khí tuần hồn đỉnh tháp tách NH3 nhằm tăng hiệu suất chuyển hóa Định kì ta xả lượng khí định dòng khí tuần hồn để giảm lượng khí trơ hỗn hợp khí nguyên liệu NH3 lỏng khỏi tháp tách có nhiệt độ -330C đưa buồng chứa