Báo cáo thực tập tổng kết tại nhà máy đạm Cà Mau

Báo Cáo thực tập sản xuất: Tìm hiều phân xưởng Amoni trong nhà máy Đạm Cà Mau (Cụm Reforming). Đó là thực tập sản xuất của tôi tại nhà mày Đạm Cà Mau trong một tháng khi tôi đang là sinh viên năm cuối của trường Đại học Mỏ Địa Chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT CÔNG TY CỔ PHẦN PHÂN BĨN DẦU KHÍ CÀ MAU - - BÁO CÁO THỰC TẬP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CỤM REFORMING NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU Cán hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: KS Trần Trung Hiếu Lê Hữu Tài Lớp: CTTT K6 MSSV: 1521070343 Cà Mau, 2019 LỜI NĨI ĐẦU Trong bối cảnh cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nước, ngành kỹ sư – cơng nghệ chiếm giữ vị trí đặc biệt quan trọng Nằm số đó, ngành cơng nghệ hóa học ngành xương sống, cung cấp nguyên vật liệu nguồn lượng – loại nhiên liệu cho hoạt động ngành công nghiệp khác Với mục đích giúp sinh viên củng cố - nâng cao kiến thức cơng nghệ hóa học có định hướng đắn cho nghề nghiệp, Bộ mơn Lọc Hóa Dầu Đại Học Mỏ Địa Chất Hà Nội đồng ý cho chúng em thực tập Nhà máy Đạm Cà Mau, trực thuộc Tổng công ty dầu khí Việt Nam Chúng em xin cảm ơn thầy cô môn tổ chức chu chúng em thực tập suôn sẻ tuần từ ngày 09/12/2019 đến ngày 29/12/2019 Thời gian thực tập Nhà máy Đạm Cà Mau thực khoảng thời gian quý báu em Được chứng kiến phong cách làm việc công nghiệp, trải qua điều kiện làm việc thực tế, chúng em có thêm ý thức nghề nghiệp củng cố phần kiến thức học giảng đường Cuối khoảng thời gian ba tuần vừa qua, chúng em có cố gắng báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong đóng góp chân thành từ quý thầy – q nhà máy Điều niềm vinh hạnh với em Một lần xin trân trọng cảm ơn! Mục Lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 1.1 Lịch sử hình thành phát triển 1.2 Cơ cấu tổ chức phân xưởng nhà máy .3 1.2.1 Xưởng phụ trợ .4 1.2.2 Xưởng Ammonia 1.2.3 Xưởng Urea 1.2.4 Xưởng sản phẩm CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN XƯỞNG AMMONIA 2.1 Miêu tả công nghệ 2.2 Tổng quan cụm 2.1.1 Cụm khử lưu huỳnh 2.1.2 Cụm Reforming 2.1.3 Cụm chuyển hóa CO 11 2.1.4 Cụm tách CO2 12 2.1.5 Cụm Metan hóa 13 2.1.6 Cụm tổng hợp Ammonia 14 CHƯƠNG 3: MIÊU TẢ CHI TIẾT CỤM REFORMING .18 Đặc điểm nguyên liệu 18 Nguyên tắc phản ứng reforming sơ cấp thứ cấp 18 Đặc điểm trình reforming 19 4.1 Tỷ lệ nước .19 4.2 Reforming sơ cấp (F04201) 20 4.3 Reforming thứ cấp (R04203) .21 4.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới cụm reforming .22 4.5 Các thiết bị phụ cụm Reforming 26 Thuyết minh sơ đồ công nghệ PFD 27 Kết Luận Và Kiến Nghị .29 Tài Liệu Tham Khảo 29 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Nhà máy đạm Cà Mau cơng trình cuối cụm cơng nghiệp Khí-Điện-Đạm Cà Mau Nhà máy khởi công xây dựng vào tháng năm 2008 Tập đồn Dầu khí Việt Nam làm chủ đầu tư với tổng mức đầu tư 900 triệu USD, hoàn thành vào tháng năm 2012 Nhà máy xây dựng diện tích 52 địa bàn xã Khánh An, huyện U Minh, tỉnh Cà Mau Công suất thiết kế:   Amoniac lỏng: 1350 /ngày, tương đương 468 450 tấn/năm Phân đạm Ure: 2385 /ngày, tương đương 800 000 tấn/năm Công nghệ áp dụng cho nhà máy công nghệ tiên tiến đại nay, bao gồm:    Công nghệ sản xuất Ammonia Haldor Topsoe SA (Đan Mạch) Công nghệ sản xuất urê SAIPEM (Italy) Công nghệ vê viên tạo hạt Toyo Engineering Corp (Nhật Bản) 1.2 Cơ cấu tổ chức phân xưởng nhà máy Hình 1 Sơ đồ tổ chức cơng ty TNHH phân bón dầu khí Cà Mau Hình Sơ đồ bối trí phân xưởng nhà máy Đạm Cà Mau Về công nghệ nhà máy chia làm xưởng chính: Xưởng Amonia: sản xuất Amonia lỏng khí CO2 Xưởng Ure: sản xuất ure Xưởng phụ trợ: cung cấp nguồn phụ trợ xử lý sơ nước thải nhà máy Xưởng đóng gói: đóng gói giao bán Hình Sơ đồ khối quy trình cơng nghệ tổng qt nhà máy Đạm Cà Mau 1.2.1 Xưởng phụ trợ Xưởng phụ trợ ba xưởng nhà máy Đạm Cà Mau Với nhiệm vụ sản xuất nước, khí nén, khí điều khiển, Nitrogen, nước làm mát, nước sinh hoạt; cung cấp khí thiên nhiên, nhằm đảm bảo cho hoạt động hai xưởng công nghệ Ammonia Urea Ngồi ra, xưởng phụ trợ cịn có hệ thống xử lý nước thải hệ thống đuốc để đốt khí dư q trình sản xuất 1.2.2 Xưởng Ammonia Mục đích xưởng Ammonia tổng hơp NH3 CO2 cung cấp nguyên liệu cho phân xưởng Urea Xưởng Ammonia có cụm chính: Cụm khử lưu huỳnh, cụm reforming, cụm chuyển hóa CO, cụm tách CO2, cụm metan hóa, cụm tổng hợp Ammonia 1.2.3 Xưởng Urea Xưởng Urea có hai chức chính: Tổng hợp Urea từ Ammonia CO2, đồng thời cô đặc đến nồng độ 96% đưa đến cụm tạo hạt tầng sôi tạo hạt Urea hạt đục Hình Sơ đồ khối xưởng Urea Nhìn chung cơng nghệ sản xuất Urea gồm cơng đoạn chính: - Cơng đoạn nén CO2 - Công đoạn tổng hợp thu hồi: Bao gồm giai đoạn:  Tổng hợp urea thu hồi NH3, CO2 áp suất cao  Giai đoạn tinh chế urea thu hồi NH3, CO2 áp suất trung bình  Giai đoạn tinh chế urea thu hồi NH3, CO2 áp suất thấp - Công đoạn cô đặc Urea - Công đoạn tạo hạt - Cơng đoạn xử lý nước thải Phương trình phản ứng: 2NH3 + CO2  NH2COONH4 Q= + 32560 kcal/kmol NH2COONH4  NH2CONH2 + H2O Q= -4200 kcal/kmol Độ chuyển hóa tạo Urea từ CO2 phụ thuộc vào tỷ lệ chất tham gia phản ứng, nhiệt độ, áp suất vận hành, thời gian lưu thiết bị phản ứng Tỷ lệ mol NH3/CO2 thường trì khoảng 3.1 ~ 3.6 Tỷ lệ mol H2O/CO2 khoảng 0.5 ~ 0.7  Phản ứng tạo biuret: CO(NH2)2  NH2CONHCONH2 + NH3 (4)  Phản ứng tạo axit isocyanic: CO(NH2)2  NH4NCO  NH3 + HNCO (5) Biuret thành phần gây hại cho trồng hàm lượn ln < 1% Sau qua đặc chân không, urea đưa tới cụm tạo hạt sử dụng công nghệ Toyo Nhật Bản 1.2.4 Xưởng sản phẩm Hạt Urea sau đem đóng bao hệ thống bang chuyền tự động với công suất thiết kế 150 tấn/h Bao thiết kế với kích thước 1020x630 mm chất liệu nhựa PE (cho bao bên trong) nhựa PP (cho bao bên ngồi) Khi đóng bao, cơng nhân đảm bảo cho bao bì đóng kín tránh tình trạng hạt urea bị phân hủy Khối lượng bao theo quy chuẩn 50kg/bao Urea sau đóng bao bốc xếp robot tự động Tại cuối băng truyền trang bị ship loader có hệ thống đếm bao tự động giúp giảm chi phí nhân cơng tăng độ xác Tại cảng xuất nhà máy Đạm Cà Mau, có shiploader A/B/C/D Khi tàu cập cảng hàng xuất theo thứ tự A/D đến B/C CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN XƯỞNG AMMONIA 2.1 Miêu tả cơng nghệ Hình Sơ đồ khối xưởng Ammonia Xưởng Ammonia có cụm chính: - Cụm khử lưu huỳnh : Loại bỏ lưu huỳnh lẫn khí tự nhiên tồn dạng (hữu vơ cơ) - Cụm reforming: Chuyển hóa hydrocacbon thành CO - Cụm chuyển hóa CO: Vì CO ngây ngộ độc xúc tác nên phải chuyển hóa CO thành CO2 - Cụm tách CO2: Tách CO2 phương pháp hấp thụ hóa học để đưa đến xưởng Urea - Cụm metan hóa: CO cịn dư lại gây ngộ độc xúc tác cho tổng hợp Ammonia nên ta chuyển hóa CO thành Metan (khí trơ) - Cụm tổng hợp Ammonia: Tổng hợp Ammonia để đưa đến phân xưởng Urea Xưởng Ammonia vận hành xuất Ammonia theo hai cách: Cách 1: Ammonia đưa sang xưởng sản xuất urea nhiệt độ 25oC áp suất 2.45 MPa Cách 2: Ammonia đưa sang bồn chứa amonia nhiệt độ -32oC áp suất MPa 2.2 Tổng quan cụm 2.1.1 Cụm khử lưu huỳnh Do khí nguyên liệu chứa lưu huỳnh tồn dạng (vơ hữu cơ) có hàm lương 15ppm – 55ppm Các hợp chất lưu huỳnh hữu chuyển thành H2S thiết bị hydro hóa, sau H2S hấp thụ tháp hấp thụ Vì hợp chất chứa lưu huỳnh gây đầu độc xác tác cho trình reforming nên ta cần phải khử lưu huỳnh hạm lượng < 0.05ppm a) Hydro hóa Xúc tác dùng hệ Co-Mo Topsoe TK-261 xúc tác cho phản ứng hydro hóa điều kiên 350 oC áp suất 3.82 MPa Các phản ứng xảy sau: RSH + H2↔ RH + H2S (1) R1SSR2 + 3H2 ↔ R1H + R2H + 2H2S (2) R1SR2 + 2H2 ↔ R1H + R2H + H2S (3) (CH)4S + 4H2 ↔ C4H10 + H2S (4) COS + H2 ↔ CO + H2S (5) Trong R- gốc hydrocacbon Trong trường hợp có diện CO CO2 thành phần khí tự nhiên vào thiết bị phản ứng refomer sơ cấp, xảy phản ứng sau: CO2 + H2 ↔ CO + H2O (6) CO2 + H2S ↔ COS + H2O (7) Do đó, diện CO, CO2 H2O ảnh hưởng đến hàm lượng lưu huỳnh dư dịng khí cơng nghệ khỏi cụm khử lưu huỳnh Lưu ý: phải đưa hydro vào thiết bị hydro hóa (R04201) trước để tránh trường hợp gây ngộ đôc xúc tác hợp chất chứa lưu huỳnh gây b) Hấp thụ H2S Hai tháp hấp phụ lưu huỳnh (R04202A/B), đặt nối tiếp nhau, hoàn toàn giống Nhiệt độ vận hành bình thường khoảng 350oC Mỗi thiết bị chứa xúc tác kẽm oxit phản ứng với H2S (hydro sulphide) COS (cacbonyl sulphide) theo phản ứng thuận nghịch sau đây: ZnO + H2S ↔ ZnS + H2O (8) ZnO + COS ↔ ZnS + CO2 (9) Hơi nước công nghệ không nên để vào R04202 A/B, oxit kẽm bị hydrat hóa khơng thể tái sinh trở lại ZnO thiết bị phản ứng 2.1.2 Cụm Reforming Khí nguyên liệu khử lưu huỳnh tham gia phản ứng reforming xúc tác với nước để tạo thành khí tổng hợp a) Mơ tả tổng qt Trong cụm reforming, khí khử lưu huỳnh chuyển hóa thành khí tổng hợp nhờ q trình reforming xúc tác hỗn hợp khí NG, với nước khơng khí Q trình reforming nước mơ tả theo phản ứng sau đây: CnH2n+2 + H2O ↔ Cn-1H2n + CO + 2H2 – Q (ΔH = 206 đến 694 KJ/mol) (10) CH4 + 2H2O ↔ CO + 3H2 – Q (ΔH = 206 KJ/mol) (12) CO + H2O ↔ CO2 + H2O + Q (ΔH = -41 KJ/mol) (13) Phản ứng (10) miêu tả phản ứng reforming hydrocacbon bậc cao chuyển hóa bậc xuống thành hydrocacbon bậc thấp (CH4), cuối metan chuyển hóa thành CO phản ứng (12) Nhiệt phát từ phản ứng (13) nhỏ so với nhiệt cần cho phản ứng (10) (12) Tổng quan, reforming trình thu nhiệt mạnh nhiệt lấy từ bên Phản ứng xảy theo hai cấp, reforming sơ cấp reforming thứ cấp mổ tả b) Sự hình thành cacbon Trong trình vận hành, hình thành cacbon xảy phía ngồi phía mao quản xúc tác Cacbon nằm phía ngồi xúc tác làm tăng tổn thất áp suất qua lớp xúc tác, cacbon nằm phía mao quản làm giảm hoạt tính độ bền học xúc tác Do đó, tỉ số S/C thiết kế (chỉ xét đến cacbon hydrocarbon) Là tỉ số đủ lớn để tránh tượng hình thành carbon c) Nhiệt phản ứng Trong reformer sơ cấp, nhiệt cần thiết cho phản ứng reforming cung cấp gián tiếp từ lò đốt Trong reformer thứ cấp, nhiệt cung cấp trực tiếp từ q trình cháy hỗn hợp khí với khơng khí nhiệt độ từ 1100 – 1200 oC Q trình đưa khơng khí vào thiết bị reformer thứ cấp (R04203), đồng thời cung cấp N2 cho trình tổng hợp ammonia Tỉ lệ khí tổng hợp H2/N2 = 2.8 đến Nói Sau khí tổng hợp qua thiết bị phản ứng, khí làm lạnh xuống nhiệt độ hầu hết Ammonia ngưng tụ Khí tổng hợp tinh khiết chứa lượng nhỏ tạp chất (Ar, CH4, …) Một dịng phóng khơng liên tục từ chu trình tổng hợp cần thiết để tránh tích tụ khí trơ chu trình tổng hợp b) Chu trình tổng hợp Khí tổng hợp làm từ cụm Metan hoá nén đến khoảng 13 MPa trước đưa vào chu trình tổng hợp Khí tổng hợp bổ sung (make-up gas) làm lạnh làm lạnh đưa vào chu trình tổng hợp thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh Ammonia thứ hai, sau khí phóng không loại bỏ đầu thiết bị trao đổi nhiệt Khí từ tháp tổng hợp làm lạnh theo bước, trước hết nồi nhiệt thừa từ nhiệt độ khoảng 441oC xuống 340oC Tiếp theo đó, khí làm lạnh đến khoảng 280-290oC gia nhiệt nước cấp lò trao đổi nhiệt nóng, nơi mà khí tổng hợp làm lạnh đến 65oC nhờ gia nhiệt khí đầu vào tháp tổng hợp Khí tổng hợp sau làm lạnh đến 41oC làm lạnh nước xuống thấp hơn, đến 3435oC thiết bị trao đổi nhiệt, dùng để gia nhiệt khí đầu vào tháp tổng hợp Quá trình làm lạnh cuối khí tổng hợp đến –5oC xảy làm lạnh Ammonia thứ nhất, thiết bị trao đổi nhiệt, cuối làm lạnh Ammonia thứ hai Ammonia ngưng tụ tách khỏi khí tổng hợp tuần hoàn thiết bị tách Ammonia Từ thiết bị tách, khí tuần hồn trở lại đến tháp tổng hợp Ammonia thông qua làm lạnh thứ hai (second cold exchanger), làm lạnh thứ (first cold exchanger) cuối cùng, qua trao đổi nhiệt nóng (hot heat exchanger) đến tháp tổng hợp Ammonia nhờ máy nén tuần hồn, phần máy nén khí tổng hợp Ammonia lỏng đưa tới thiết bị giảm áp tới áp suất giảm xuống 2.55 MPa Khí make-up vào chu trình tổng hợp có hàm lượng nước trạng thái bão hoà chứa đựng dấu vết cacbon monoxit cacbon dioxit Nồng độ nước khí make-up khoảng 200ppm Nó tách nhờ hấp thụ vào Ammonia ngưng tụ Cacbon dioxit khí make-up phản ứng với hai Ammonia lỏng khí, hình thành ammonicacbamat 15 2NH3 + CO2 ↔ NH4-CO-NH2 Cacbonat hình thành sau hồ tan vào Ammonia ngưng tụ Cacbonmonoxit hồ tan Ammonia, đó, qua máy nén tuần hoàn đến thiết bị tổng hợp Ammonia, nơi mà bị hydro hố thành nước metan (tương tự q trình metan hố) Do hợp chất chứa oxy làm giảm hoạt tính chất xúc tác tổng hợp Ammonia, hàm lượng cacbon monoxit khí make up phải trì mức thấp c) Thu hồi Ammonia Mục đích cụm thu hồi Ammonia để thu hồi lượng Ammonia khí phóng khơng từ chu trình tổng hợp từ khí off-gas thấp áp khác, để thu hồi chúng lại nồng độ 99% Ammonia lỏng Trong tháp hấp thụ khí purge-gas, Ammonia tách khỏi khí purge-gas áp suất cao hấp thụ nước Khí hấp thụ từ tháp hấp thụ purge-gas tới cụm thu hồi hydro Khí off-gas từ cụm thu hồi hydro đưa tới reforming sơ cấp dòng nhiên liệu hydro trộn với khí tổng hợp phía sau thiết bị tách nâng áp máy nén khí tổng hợp tuần hồn ngược lại vịng tổng hợp Tháp hấp thụ khí off-gas nạp với đệm carbon loại pall ring1” Ammonia tách khỏi khí let-down từ khí trơ từ hấp thụ nước Khí qua hấp thụ đưa tới làm khí nhiên liệu đốt cho reforming sơ cấp Dung dịch Ammonia giàu từ cách tháp hấp thụ đưa tới tháp chưng cất, thu Ammonia lỏng thiết bị tách Ammonia đỉnh dung dịch nghèo đáy tháp d) Xử lý nước ngưng tụ Nước ngưng tụ công nghệ, tách khỏi khí tổng hợp sản xuất đầu nguồn, tinh lọc tháp chưng cất nước ngưng tụ trình Phân xưởng Ammonia lúc hoạt động, lượng nhỏ Ammonia hình thành reformer thứ cấp lượng nhỏ metanol hình thành thiết bị chuyển hoá CO Cùng với cacbon đioxit khí tổng hợp thơ, hợp chất vàonước ngưng tụ trình theo phản ứng thuận nghịch sau đây: 16 NH3 + H2O ↔ NH4+ + OHCO2+ H2O ↔ H+ + HCO3HCO3- ↔ CO32- + H+ NH3 + HCO3-↔ H2COO- + H2O Metanol hoà tan nước ngưng tụ công nghệ Nhằm giảm mức tiêu thụ hoá chất tái sinh cụm nước khử khống, nước ngưng tụ cơng nghệ chưng cất cách dùng nước Tháp chưng cất nước ngưng tụ trình vận hành áp suất khoảng 3.63MPa Hơi nước từ đỉnh tháp chưng cất nước ngưng tụ trình trả đến đầu nguồn sử dụng nước trình cho cụm reforming Trong cụm reforming, Metanol Ammonia trải qua nhiều phản ứng hoá học cuối cho sản phầm nitơ, hydro cacbon oxit Nước ngưng tụ qua chưng cất làm lạnh đến khoảng 95oC trao đổi nhiệt nước ngưng tụ q trình, nơi mà dùng để gia nhiệt nước ngưng tụ trình đến tháp chưng cất nước ngưng tụ trình Nước ngưng tụ qua chưng cất cuối làm lạnh đến 50oC gia nhiệt khí đầu vào xuất đến phận chuẩn bị nước cấp lò 17 CHƯƠNG 3: MIÊU TẢ CHI TIẾT CỤM REFORMING Mục đích q trình chuẩn bị hỗn hợp khí ngun liệu cho trình tổng hợp Ammonia, thành phần bao gồm nitơ hydro với tỷ lệ lý thuyết 1:3 Đặc điểm nguyên liệu Trong thành phần nguyên liệu vào thiết bị reforming sơ cấp sau loại bỏ lưu huỳnh cụm HDS phải loại bỏ hoàn toàn huỳnh tốt nhất, khơng hàm lượng lưu huỳnh chứa nguyên liệu phải đạt < 0.05ppm Vì khí ngun liệu có lưu huỳnh gây ngộ độc xúc tác trình reforming Nguyên tắc phản ứng reforming sơ cấp thứ cấp Refoming sơ cấp thứ cấp dùng nước để chuyển hóa hydro cacbon thành CO H2: - Các phản ứng reforming sơ cấp: CnH2n+2 + H2O ↔ Cn-1H2n + CO + 2H2 – Q (ΔH = 250 - 694 KJ/mol) CH4 + 2H2O ↔ CO + 3H2 – Q (ΔH = 206 KJ/mol) CO + H2O ↔ CO2 + H2O + Q (ΔH = -41 KJ/mol) Cracking nhiệt: CnHm ↔ nC + 𝑚 H2 - Các phản ứng regorming thứ cấp: Phản ứng cháy C 2H2 + O2  2H2O CH4 + O2  CO2 + 2H2O Phản ứng Reforming nước CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 - Q Phản ứng chuyến hóa CO + H2O ↔ CO2 + H2 Nhìn chung ta thấy trình refoming sơ cấp phản ứng thu nhiệt để phản ứng dịch chuyển phía tạo CO cần có nhiệt độ cao áp suất thấp Để đạt tỷ số lý thuyết yêu cầu H2/N2 cho trình tổng hợp Ammonia, phản ứng reforming phân tách làm hai giai đoạn, giai đoạn reforming sơ cấp (primary reformer), phản ứng xảy ống gia nhiệt gián tiếp bên có chứa xúc tác Nikel khống chế để đạt độ chuyển hóa phần (trong đa số reformer 18 thường gặp có khoảng 77% methane có nguyên liệu, sau khỏi reformer sơ cấp có khoảng 14.1%mol methane dư, “khơ”) hiệu suất chuyển hóa 65% Trong vùng reformer thứ cấp, với thiết bị chịu lửa bên chứa xúc tác Nickel, dịng khí trộn với lượng khơng khí điều khiển vào qua đầu đốt Q trình oxi hóa phần trình reforming xảy đồng thời Thơng qua q trình cháy phần (oxi hóa phần) dịng khí ngun liệu (khí CH4) nhiệt độ q trình tăng lên khoảng 1200oC, lượng nhiệt tỏa cung cấp cho phản ứng reforming (thu nhiệt) xảy hồn tồn, nhiệt độ dịng khí giảm xuống khoảng 1000oC hàm lượng “khơ” Metan cịn lại chưa chuyển hóa khoảng 0.6 %, hiệu suất 92% cao Nitơ có dịng khí tự nhiên có xu hướng làm giảm tỷ lệ khơng khí thiết bị reformer thứ cấp làm giảm nhiệt độ thiết bị reformer thứ cấp Do tỉ lệ gas/air = 0.67, khí tự nhiên có nồng độ N2 cao, muốn trì hàm lượng methane chưa chuyển hóa cũ, nhiệt độ khỏi thiết bị reformer sơ cấp dịng khí phải tăng lên đồng thời giảm lượng khơng khí vào reformer thứ cấp Đặc điểm trình reforming 4.1 Tỷ lệ nước Định nghĩa tỷ số S/C: tỷ số S/C tỷ số mol nước cácbon có khí ngun liệu vào reformer sơ cấp Phản ứng reforming Metan phản ứng thu nhiệt trình trình tăng thể tích Do dịng ngun liệu khí tự nhiên vào nhà máy thường áp suất cao, để tiết kiệm lượng nén, tiến hành q trình áp suất cao, phương diện nhiệt động học điều khơng phải điều kiện thuận lợi phản ứng reforming phản ứng tăng thể tích, khí áp suất cao làm giảm tốc độ chuyển hóa methane Để bù lại điều này, trình tăng nhiệt độ cao trở nên cần thiết, nhiên tăng nhiệt độ bị giới hạn mặt khả chịu nhiệt vật liệu làm thiết bị reformer Mặt khác tỷ lệ cao nước/ carbon (S/C) tác động đến nồng độ Metan trạng thái cân hạn chế ảnh hưởng xấu tăng áp, điều đáng tiếc tiêu hao lượng lại cao 19 Khi S/C cao ngăn cản q trình tạo cặn carbon xúc tác, thứ hai cung cấp lượng nước cần thiết cho trình chuyển hóa CO, giảm nguy carburization vật liệu làm ống phản ứng Nguyên tắc tạo carbon miêu tả theo nguyên tắc sau: Phản ứng Boudouard: 2CO ↔ C + CO2 H0278 = -172.5kJ/mol Phản ứng cracking methane: CH4 ↔ C + 2H2 H0278 = 74.9kJ/mol Phản ứng khử CO: CO + H2 ↔ C + H2O H0278 = -131.4kJ/mol Quá trình hoạt động thực tế cho trình reforming thường giá trị S/C 3.0 chấp nhận 4.2 Reforming sơ cấp (F04201) Quá trình reforming sơ cấp thực thiết bị phản ứng có cấu tạo với vơ số ống song song bên có chứa xúc tác Nickel, đặt lò đốt, nhiệt lượng yêu cầu cần thiết cho phản ứng truyền sang ống xúc tác trình trao đổi nhiệt xạ Nhiệt sinh đầu đốt, thông thường q trình cháy nhiên liệu khí lị đốt Lò đốt nối với dây chuyền trao đổi nhiệt đối lưu lượng nhiệt khói thải từ lò đốt sử dụng gia nhiệt cho nhiều trình khác nhau, tiền gia nhiệt cho dịng khí ngun liệu reformer thứ cấp, gia nhiệt cho dịng nước ngun liệu q trình Reforming sơ cấp, nguyên liệu hydrocacbon, dòng nước nhiệt gia nhiệt sơ cấp cho khơng khí q trình cháy a) Ống phản ứng reformer Các ống xúc tác reformer làm việc điều kiện nghiêm ngặt nên ống phản ứng dễ bị hỏng nhiệt có thời gian làm việc bị hạn chế Thời gian hư hỏng ống phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ thành ống áp suất bên ống Trong đa số trường hợp, trình reforming tiến hành áp suất tương đối cao để tiết kiệm lượng nén toàn q trình tổng hợp Ammonia, phản ứng reforming phản ứng tăng thể tích tỏa nhiệt tức điều kiện thuận lợi trình áp suất thấp đó, tiến hành q trình áp suất tương đối cao độ chuyển hóa q trình lại giảm xuống Thực tế có hai phương pháp sử dụng để đảm bảo độ chuyển hóa q trình tiến hành áp suất tương đối cao cần tiến hành tăng nhiệt độ tiến hành phản ứng tăng tỷ số S/C Tuy nhiên tăng nhiệt độ trình, yêu cầu vật liệu chế tạo ống reforming phải có khả chịu nhiệt tốt thực tế vấn đề vật liệu chế tạo ống xúc tác 20 lúc đáp ứng yêu cầu nhiệt độ hoạt động khắc khe Phương pháp thứ hai để đảm bảo độ chuyển hóa q trình tăng áp suất tăng tỷ số S/C, điều lại bất lợi kinh tế (tăng chi phí) b) Cấu tạo thiết bị reforming sơ cấp Thiết bị Reformer sơ cấp có cấu tạo lị đốt lớn, bên có ống đứng chứa đầy xúc tác Niken Reformer sơ cấp nhà máy Đạm Cà Mau có thiết kế sau: - Các đầu đốt lắp đặt theo hàng ngang với hàng ngang, hàng ngang có 60 đầu đốt, tổng số đầu đốt 360 đầu đốt - Các đầu đốt thiết kế với lượng dư 10% khơng khí - Có 150 ống xúc tác, dài 13m, đường kính 132mm, độ dày 11-18mm khoảng cách ống xúc tác 250mm, nhiệt độ thành ống xúc tác chịu đến 876oC áp suất chịu đến 34,3barg, có thời gian làm việc 100.000 thiết kế theo tiêu chuẩn API530 Ống xúc tác chế tạo vật liệu: hợp kim crom-niken Bên ống phản ứng lắp đặt ba loại xúc tác khác Lượng xúc tác R-67-7H tương ứng với 6.5 m chiều cao nạp đáy ống xúc tác reforming sơ cấp Tại đỉnh 4.55 m xúc tác RK400 1.95m xúc tác RK401 nạp cho ống xúc tác 4.3 Reforming thứ cấp (R04203) Thiết bị làm việc áp suất nhiệt độ cao, thường chế tạo theo phương pháp đúc Thiết bị reforming thứ cấp nạp với xúc tác sau: lớp RSK2 trên, lớp xúc tác RSK2-7H lớp RSK2 đáy Các lớp xúc tác nằm hai lớp bi oxit nhơm có kích cỡ khác lớp gạch oxit nhôm đỉnh nhằm giữ xúc tác bảo vệ xúc tác khỏi tiếp xúc với lửa Phản ứng reforming nước bao gồm phản ứng thuận nghịch hydrocacbon với nước tạo thành CO H2 theo cân CO H2O theo phản ứng chuyển hóa Cả hai phản ứng reforming Metan hydrocacbon cao phản ứng thu nhiệt mạnh phản ứng chuyển hóa lại tỏa nhiệt Hàm lượng Metan cân (Metan rò rỉ) phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng nước (biểu qua tỷ lệ S/C), nhiệt độ áp suất khỏi Reformer Nhiệt độ tỷ lệ S/C cao 21 với áp suất thấp, Metan thoát thấp Trên thực tế, áp suất bị giới hạn giới hạn nhiệt độ khởi Reformer, tăng tỷ lệ S/C cách thơng thường để giảm lượng Metan qua Reformer Thơng thường, lượng Metan qua Reformer nhà máy Ammonia nằm khoảng 8-15% thể tích Một phản ứng khác xảy trình phản ứng cracking nhiệt Hydrocac bon cao hơn, đặc biệt thuận lợi nhiệt độ cao Bên ngồi thiết bị reforming sơ cấp có sơn lớp sơn cảm biến nhiệt để dễ quan sát nhiệt độ thiết bị Khoảng màu xanh cây: nhiệt độ lên đến 200oC, khoảng màu xanh da trời (Blue): nhiệt độ 200-315oC, khoảng màu trắng (White): nhiệt độ 315-480oC 4.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới cụm reforming  Xúc tác Bảng 3.1 Bảng xúc tác cụm Reforming Catalyst RKS-2 RKS-2-7H Property Value Size 25/11-20 Shape Ring NiO content > 7.5% Size 20x18 and 16x11 Shape Hole NiO content > 7.5% 22 Phản ứng reforming nước thực tinh thể nikel phân tán chất mang bền với nhiệt thơng số (critical) xúc tác: Bề mặt nickel rộng, khoảng không trống, độ bền học, hình dạng, truyền nhiệt Phản ứng reforming nước xảy bề mặt tinh thể Nikel khơng phải bên tính thể, khơng phải toàn bề mặt nikel thuận lợi Do điều quan trọng xúc tác reforming có bề mặt Nikel lớn Xúc tác có hàm lượng Nikel lớn không đồng nghĩa với chất lượng tốt Nikel phải phân tán rộng, phải phân bố với tinh thể nhỏ để đạt bề mặt lớn Phản ứng Reforming Metan diễn chậm trạng thái khí nhiệt độ khoảng 600900oC ngược lại phản ứng cracking nhiệt lại xảy dễ dàng Nikel xúc đẩy (catalys) phản ứng reforming nước nhiệt độ mà phản ứng hình thành cacbon khơng thể xảy tỷ lệ thông qua việc cung cấp lượng lớn vùng hoạt tính bề mặt Nikel, phản ứng reforming nước phản ứng quan trọng Bên cạnh việc cung cấp bề mặt nikel rộng, chất mang phải tuân theo nhiều điều kiện khác Thiết kế hình học tốt cho bề mặt bên rộng để dễ dàng xâm nhập vào bên hạt xúc tác không gian rỗng nhiều hạn chế tổn áp Hơn nữa, hình dạng hạt xúc tác phải đảm bảo dủ độ bền học độ dẫn nhiệt bên ống xúc tác Như đề cập xúc tác thể số lượng lớn tâm hoạt tính bề mặt nikel Nikel có khả hấp thụ lưu huỳnh cao, lưu huỳnh với lượng nhỏ có mặt vào nguyên liệu Reforming, bề mặt Nikel bị ảnh hưởng nhiều Lưu huỳnh lập giành tâm hoạt tính xúc tác Reforming cịn lại giành cho phản ứng Reforming Với tâm hoạt tính hơn, để đảm bảo độ chuyển hóa, tâm hoạt tính cịn lại phải làm việc nhanh hơn, điều đòi hỏi nhiệt xúc tác cao độ chuyển hóa giảm Ngộ độc lưu huỳnh Hình Lưu huỳnh chiếm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tuổi thọ ống xúc tác tỷ chỗ tâm hoạt tính lệ sản phẩm Ảnh hưởng lưu huỳnh lên hiệu suất Reformer phụ thuộc vào tầng nhiệt buồng 23 đốt Ở mặt Reformer bị đốt, dịng nhiệt giảm từ đỉnh reformer xuống phía Điều giúp giảm nhẹ phần ảnh hưởng ngộ độc lưu huỳnh Ở phần đốt phía Reformer, nhiệt độ tầng nhiệt khơng thể thay đổi, ngộ độc lưu huỳnh thường làm xuất dải nóng Hình Dải nóng Sự tương tác Lưu huỳnh với tinh thể nikel miêu tả tốt thuật ngữ phức chất hóa học trung gian hấp phụ phản ứng hóa học Ni,surface + H2S S-Ni,surface + H2 Phức chất lưu huỳnh bề mặt Nikel mạnh cân có khuynh hướng tạo thành phức lưu huỳnh nikel phức tạp Phức chất thuận lợi nhiệt độ thấp nồng độ H2 thấp xúc tác phía quan trọng phía đáy Cần nhấn mạnh hình thành phức lưu huỳnh-nikel kết phản ứng thuận nghịch lưu huỳnh kết vào tách liên tục khỏi tâm hoạt tính Nhiệt độ cao, thường xuyên xảy thay đổi bề mặt phức chất pha khí, lưu huỳnh di chuyển chậm phần đỉnh Reformer nhanh phần đáy ống Với xúc tác bị ngộ độc lưu huỳnh, phản ứng reforming nước không xảy đủ nhanh nhiệt độ vài điểm Reformer vượt qua giới hạn hình thành cacbon Cacbon hình thành từ trình cacking nhiệt hydrocacbon cao Cacbon đóng (bám) bề mặt xúc tác đặc biệt bề mặt phía ống xúc tác phát triển thành mảng lớn Nó khơng hình thành bên xúc tác nên không gây hại đến hạt xúc tác, cô lập đường vào bề mặt bên xúc tác Nhiệt độ đỉnh Reformer thường thấp không đủ để xảy phản ứng cracking, cacbon thơng thường hình thành phần cách Hình 3 Các bon bám xúc tác đỉnh khoảng 2-3m kéo dài khoảng vài mét xuống phía Và dải nóng hình thành  Nhiệt độ Khi nhiệt độ cao xảy tượng thiêu kết với xúc tác Theo lý thuyết, tinh thể kim loại trở nên khơng bền nhiệt độ cao có khuynh hướng liên kết thành tinh thể lớn Đây trường hợp xúc tác nạp đáy Reformer, vùng có nhiệt độ Hình Xúc tác bị thiêu kết 24 800oC.Khi tinh thể kim loại kết khối lại, kết bề mặt bị thu hẹp hoạt tính xúc tác giảm Trên đỉnh lớp xúc tác reformer thứ cấp lớp gạch (ngói) nhơm lắp đặt để bảo vệ xúc tác khỏi tiếp xúc trực tiếp với lửa Hình 3.5 mơ tả loại gạch (ngói) sử dụng Reformer thứ cấp Viên bên trái có hàm lượng vật liệu tạp chất cao (silic, canxi…) bị bay trình vận hành Phần vật liệu bị bay bám lại lớp xúc tác dẫn đến tạo đóng lớp/ruby hóa dó dịng phân phối khơng Trong trường hợp nghiêm trọng bay vật liệu gây Hình Gạch chịu đặt đỉnh xúc tác chênh áp qua reformer thứ cấp tăng, phải dừng máy để sàng xúc tác thay vật liệu đỡ Loại gạch (ngói) tiêu chuẩn phải làm từ nhơm ngun chất 100%, loại nấu chảy nhiệt độ cao Khi khơng có dấu hiệu bay vật liệu phù hợp để chế tạo gạch lắp đặt phía lớp xúc tác reformer thứ cấp Dễ dàng bắt gặp ruby hóa xúc tác reforming thứ cấp Ruby hóa hình thành từ crom từ sắt không rỉ đường ống nhôm từ lớp cách nhiệt đỉnh Reformer thứ cấp từ đường Transfer line theo khí cơng nghệ từ Reformer sơ cấp vào Khi crom nhôm vào lớp xúc tác, nhiệt độ chúng Hình Xúc tác bị ruby giảm xuống hấp thụ nhiệt (tiêu thụ nhiệt) phản ứng reforming nước CH4 + H2O  CO + H2 Do chúng bị cô đặc lại đọng lại bề mặt hạt xúc tác Lớp ruby kết dính hạt xúc tác với tạo thành khối Điều dĩ nhiên ảnh hưởng đến phân phối dòng tổn thất áp suất theo chiều hướng xấu Trên thực tế Reformer thứ cấp có ruby hóa nhiều nạp lớp phía xúc tác đặc biệt phát triển bới Topsoe, RSK-2P, để trải rộng vùng phản ứng phần Nhiệt độ cao việc gây ảnh hưởng xấu đến xúc tác trình bày 25 cịn gây nứt vỡ ống xúc tác  Áp suất Khi chênh áp tăng, khí cơng nghệ nóng theo đường khác thiết bị phần nhỏ khí xâm nhập vào lớp cách nhiệt qua khe nứt Điều dẫn đến khí cơng nghệ tiến gần đến tường thiết bị lớp ngăn cách khí cơng nghệ vỏ mỏng hơn, thấy điểm nóng từ phía bên ngồi Reformer Các điểm nóng dễ dàng nhận nhờ lớp sơn cảm ứng nhiệt bên Reformer thứ cấp Lớp cách nhiệt bên ngồi nhạy cảm với khí cơng nghệ nóng liên quan mật thiết bốc Silic Mục đích lớp cách nhiệt bên với thành phần nhơm tinh khiết ngăn cách khí cơng nghệ với lớp cách nhiệt bên Sự xâm nhập nhỏ lớp cách nhiệt Reformer thứ cấp dẫn đết bay Silic lớp cách nhiệt ngồi với thành phần có chứa silic làm cho tắc nghẽn (cản trở) trao đổi nhiệt thừa phía sau Trong nhà máy lắp đặt lớp chịu nhiệt có chất lượng cao Béc đốt loại đầu phun Topsoe khả hình thành ruby giảm đáng kể 4.5 Các thiết bị phụ cụm Reforming Ngồi hai thiết bị thiết bị reforming sơ cấp (F04201) reforming thứ cấp (R04203) cịn có số thiết bị phụ trợ khác  Thiết bị trao đổi nhiệt (E04201, E04202-1, E04202-2, E04203-1, E04203-2, E042023, E04205, E04208) Các thiết bị trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt gián tiếp nhận nhiệt từ nguồn nhiệt thừa (khói thải) lị đốt cho thiết bị F04201 Để tang nhiệt cho dịng khí ngun liệu vào thiết bị R04201, F04201, R04203 tăng nhiệt để sản xuất nước cao áp Thiết bị E04208 trao đổi nhiệt gián tiếp để hạ nhiệt độ khí tổng hợp khỏi thiết bị R04203  Quạt (Z04201): có nhiệm vụ hút phần khói thải  Các van điều khiển ( Van điều tiết, van cửa, van bi, van an toàn) Điều chỉnh lượng dòng vào thiết bị Điều chỉnh áp suất nhiệt độ Tự động đóng mở có trưởng hợp khẩn cấp 26 Thuyết minh sơ đồ cơng nghệ PFD Hình Sơ đồ PFD cụm HDS Reforming Khí tự nhiên (77% CH4, 8% CO2,…) nhiệt độ 28oC, áp suất 3.92 MPa đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt E04217 để tăng nhiệt lên 50oC sau chia làm dòng Dòng di qua phần nhiệt thừa mà ta tận dụng từ lò đốt để tăng nhiệt, dịng khí tự nhiên tăng nhiệt tới 298oC nhấp với dòng recycle H2 từ K04431 sau lại tăng nhiệt E04204-1 dịng có 350oC áp suất 3.82MPa đưa vào đỉnh thiết bị phản ứng HDS (R04201) để loại bỏ lưu huỳnh Toàn sản phẩm từ đáy R04201 đưa vào đỉnh thiết bị hấp phụ lưu huỳnh (R04202A/B) có thiết bị hấp phụ lưu huỳnh để thay phiên Toàn sản phẩm đáy tháp nhập với dịng trung áp ta phải điểu chình tỷ lệ S/C = sau dịng có nhiệt độ 332oC qua E04201 sau dịng có nhiệt độ 535oC chủ yếu 72%CH4, 2.8%CO, 4.5% H2, ) đưa vào đỉnh thiết bị reforming sơ cấp Toàn sản phẩm (14.1%CH4, 9.6%CO, 12.3%CO2, 63%H2,…) đáy (F04201) có nhiệt độ 783oC đưa vào thiết bị reforming thứ cấp (R04203) Ta thấy hydro cacbon phản ứng thành CO từ 72% CH4 xuống cịn 14.1% CH4 Khí cơng nghệ (N2, O2) qua máy nén K04421 lúc nhiệt độ khí 173oC, áp suất 3.26MPa qua thiết bị E04202-2 E04202-1 nhiệt độ tăng lên 550oC đưa vào 27 đỉnh thiết bị R04203 đầu thiết bị R04203 có nhiệt độ 1100 – 1200oC ta phải điểu chỉnh tỷ lệ gas/air = 0.67 ± 0.7 cho tỷ lệ H2/N2 = Toàn sản phẩm khỏi R04203 (53% H2, 23.8%N2, 13.7%CO, 8%CO2,…) có nhiệt độ 953oC qua thiết bị E04208, E04209 để hạ nhiệt độ xuống 360oC sau đến thiết bị phản ứng (R04204) để chuyển hóa CO thành CO2 Dịng làm nhiên liệu để đốt lò cung cấp nhiệt cho thiết bị F04201 Khói lị ta tận dụng dịng nhiệt thừa để trao đổi nhiệt với dòng khác để sản suất nước 28 Kết Luận Và Kiến Nghị Qua trình thực tập nhà máy giúp em định hình, nắm bắt cố kiến thức mà thầy cô truyền đạt như: - Tổng quan khí, q trình cơng nghệ công nghệ chế biến đạm urea Cấu tạo nguyên tắc hoạt động thiết bị dùng nhà máy chế biến đạm, thông số thiết kế thiết bị, sơ đồ qui trình cơng nghệ nhà máy Các chế độ vận hành như trình sản xuất nhà máy xử lý khí hóa chất Trong q trình thực tập làm đồ án chúng tìm hiểu ngành phân bón nói chung nhà máy đạm Cà Mau nói riêng, chúng tơi có vài kiến nghị sau + Vì mức độ nguy hiểm nhà máy nên vấn đề an tồn ln đặt lên hàng đầu Mặc dù đa phần thiết bị, máy móc hoạt động chế độ tự động lắp đặt chế độ an toàn, báo cháy, chữa cháy đại, nguy cháy nổ xảy đe dọa đến tính mạng người gây nhiễm mơi trường Chính vậy, cá nhân dù CBCNV hay khách tham quan vào nhà máy phải tuân thủ nghiêm túc quy định an tồn + Mơi trường làm việc thống mát, nhiều xanh nhằm điều hịa khơng khí tạo mỹ quan cho nhà máy Vấn đề khí thải, nhiễm mơi trường xử lý triệt để, sức khỏe công nhân đảm bảo, tạo mơi trường làm việc thống đãng + Thường xuyên theo dõi hoạt động thiết bị F04201, R04203 tháp có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt động nhà máy + Thường xuyên bảo dưỡng máy nén Trong suốt trình thực đồ án trình độ kiến thức có hạn, hạn chế mặt tài liệu thời gian, đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vậy mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô, anh chị kỹ sư, bạn bè để đồ án hoàn thiện Tài Liệu Tham Khảo Tài liệu nhà máy Đạm Cà Mau Sổ tay hóa học Một số tài liệu mạng 29 ... sơ nước thải nhà máy Xưởng đóng gói: đóng gói giao bán Hình Sơ đồ khối quy trình cơng nghệ tổng quát nhà máy Đạm Cà Mau 1.2.1 Xưởng phụ trợ Xưởng phụ trợ ba xưởng nhà máy Đạm Cà Mau Với nhiệm... 27 Kết Luận Và Kiến Nghị .29 Tài Liệu Tham Khảo 29 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY ĐẠM CÀ MAU 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Nhà máy đạm Cà Mau cơng trình... 1.2 Cơ cấu tổ chức phân xưởng nhà máy Hình 1 Sơ đồ tổ chức cơng ty TNHH phân bón dầu khí Cà Mau Hình Sơ đồ bối trí phân xưởng nhà máy Đạm Cà Mau Về công nghệ nhà máy chia làm xưởng chính: Xưởng