Mô hình hoá và tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc

bộ giáo dục v đo tạo trờng đại học bách khoa hμ néi - luận văn thạc sĩ khoa học ngnh : công nghệ hoá học mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Nguyễn hồng sơn Hà Nội 2007 giáo dục v đo tạo trờng đại học bách khoa hμ néi - luận văn thạc sĩ khoa học mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc ngnh : công nghệ hoá häc m∙ sè:23.04.3898 Ngun hång s¬n Ng−êi h−íng dÉn khoa học : PGS.TS mai xuân kỳ Hà Nội 2007 Luận văn cao học khóa 2005 Mục lục Trang 1 Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chơng 1: công nghệ sản xuất amôniắc 1.1 TÝnh chÊt vµ øng dơng cđa amôniắc 1.1.1 Tính chất amôniắc 1.1.2 ứng dụng amôniắc 1.2 công nghệ sản xuất amôniắc 1.2.1 Công nghệ sản xuất amôniắc từ nguyên liệu khí thiên nhiên 10 1.2.1.1 Công đoạn khử hợp chất lu huỳnh 12 1.2.1.2 Công đoạn nÐn khÝ tỉng hỵp 12 1.2.1.3 Công đoạn Steam Reforming xúc tác 13 1.2.1.4 Công đoạn chuyÓn hãa CO 13 1.2.1.5 Công đoạn tách loại CO2 13 1.2.1.6 C«ng đoạn Mêtan hóa 14 1.2.1.7 Công đoạn tổng hợp amôniắc 14 1.2.2 C«ng nghƯ từ nguyên liệu cặn dầu than 14 1.2.2.1 Công đoạn khí hóa 15 1.2.2.2 Công đoạn chuyển hóa CO 16 1.2.2.3 Công đoạn tách CO2 H2S 16 1.2.2.4 Công đoạn tinh chế khí tổng hợp 17 1.2.2.5 Công đoạn tổng hợp amôniắc 17 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Chơng 2: mô hình hóa v tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể 18 2.1 sơ lợc xúc tác rắn 18 2.2 Lựa chọn mô tả động học phản ứng xúc tác dị thể 19 2.3 TÝnh to¸n thiÕt bị phản ứng lớp xúc tác tĩnh 20 2.3.1 C©n b»ng chÊt 20 2.3.2 C©n b»ng nhiƯt 24 2.3.2.1 Tính toán thiết bị xúc tác lớp tĩnh đẳng nhiƯt 25 2.3.2.2 TÝnh to¸n thiết bị xúc tác lớp tĩnh đoạn nhiệt 28 Chơng 3: mô hình hóa v tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 30 3.1 mô tả thực tế công nghệ thiết bị tổng hợp amôniắc 30 3.1.1 Công nghệ tổng hợp amôniắc 30 3.1.1.1 Sơ lợc lịch sử trình sản xuất amoniăc 30 3.1.1.2 Nhiệt động học phản ứng tông hợp amôniăc 32 3.1.1.3 ¶nh h−ëng cđa nhiệt độ áp suất công nghệ tổng hợp amôniăc 34 3.1.1.4 Chu trình công nghệ tổng hợp amôniăc 35 3.1.1.5 Xúc tác tổng hợp amôniăc 36 3.1.1.6 Cơ chế động học phản ứng tổng hợp amoniăc 54 3.1.2 Thiết bị tổng hợp amôniắc 61 3.1.2.1 Kết cấu chung thiết bị tổng hợp amôniăc 61 3.1.2.2 Thu håi nhiƯt vµ kiểm soát nhiệt tháp tổng hợp amôniắc 61 3.1.3 Xu hớng phát triển công nghệ thiết bị tổng hợp amôniắc 66 3.2 mô hình hóa tính toán tháp tổng hợp amôniắc 69 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học 3.2.1 khóa 2005 Thiết lập mô hình tính toán 69 3.2.1.1 C©n b»ng chÊt 69 3.2.1.2 C©n b»ng nhiƯt 70 3.2.1.3 Các sở thực tiÔn 71 3.2.2 Tính toán thông số 72 3.2.2.1 C¸c thông số đầu vào 72 3.2.2.2 Phơng trình động học ph¶n øng 73 3.2.2.3 Biến đổi phơng trình động học phản ứng 73 3.2.2.4 Tính toán thông số cần thiết khác 75 3.2.3 Giải toán 77 3.2.3.1 Phơng pháp giải 77 3.2.3.2 Sơ đồ thuật toán 77 3.2.3.3 Chơng trình tÝnh to¸n 79 3.3 kết tính toán 81 KÕt luËn 84 ti liệu tham khảo 86 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Mở ĐầU Nớc ta cã diƯn tÝch tù nhiªn 330.000 km2, n»m khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa Các điều kiện tự nhiên thuận lợi với nguồn nhân lực dồi sở để ngành nông nghiệp phát triển Công đổi đồng toàn diện lĩnh vực đời sống xà hội đợc Đảng Cộng sản Việt Nam thức khởi xớng phát động từ Đại hội VI Đảng, tháng 12 năm 1986, đa đất nớc chuyển dần từ kinh tế tËp trung quan liªu bao cÊp sang nỊn kinh tÕ thị trờng, có quản lý nhà nớc theo định hớng Xà hội chủ nghĩa Sau 17 năm đổi mới, ngành Nông nghiệp Việt Nam đà đạt đợc thành tựu đáng khích lệ Từ nớc thiếu lơng thực, thờng xuyên phải nhập đến Việt Nam đà trở thành nớc xuất gạo đứng thứ hai giới Với chiến lợc đảm bảo an ninh lơng thực quốc gia, giữ ổn định tình hình kinh tế-xà hội, việc phát triển ngành sản xuất phân bón cần thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất ngành nông nghiệp Trong sản xuất sử dụng phân bón tơng lai cho thấy nhu cầu sử dung phân bón có gốc nitơ cần thiết quan trọng nông nghiệp nớc ta Công nghệ sản xuất phân bón có gốc nitơ hoàn toàn tập trung vào công nghệ sản xuất amôniắc nớc ta, việc sản xuất amôniắc trớc đà đợc áp dụng Nhà máy phân đạm Hà Bắc từ năm 70 sử dụng nguồn nguyên liệu than cục, gần có thêm Nhà máy đạm Phú Mỹ vào sản xuất từ năm 2004 sử dụng nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên với tổng sản lợng đạt triệu tấn/năm Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Để góp phần có thêm hiểu biết công nghệ nh để tăng cờng khả tính toán công nghệ thiết bị sản xuất amôniắc, đề tài luận văn tốt nghiệp tập trung vào nội dung sau: Tìm hiểu công nghệ thiết bị sản xuất amôniắc giới Thu thập số liệu nhiệt động học nh động học trình tổng hợp amôniắc Tìm hiểu xúc tác tổng hợp amôniắc Tìm hiểu phân tích thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc thực tế sản xuất công nghiệp Tìm hiểu mô hình hóa tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể Lựa chọn mô hình động học, tính toán thông số mô hình, lập mô hình tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 Chơng 1: công nghệ sản xuất amôniắc 1.1 Tính chất ứng dụng amôniắc 1.1.1 Tính chất amôniắc Amoniắc chất khí không màu điều kiện nhiệt độ thờng, có khả gây mùi cay, tính thẩm thấu mạnh, chất độc dễ cháy nổ Nó khả tích tụ nhng gây bỏng cho da Khi hít phải không khí có hàm lợng amôniắc 5000ppm thể tích bị chết ngạt thở thời gian ngắn Thậm chí với hàm lợng 2000ppm gây cháy bỏng da vài giây gây phù phổi nghiêm trọng Với nồng độ 700ppm gây tổn thơng đến mắt khả nhìn không đợc chữa trị Nhng có mùi mạnh nên phát đợc amôniắc nồng độ 50ppm Giới hạn cháy amôniắc không khí 16-25%, ôxy 1579% Hỗn hợp gây nổ khó để bắt cháy Nhiệt độ bắt cháy khoảng 6500C Amôniắc thông thờng đợc vận chuyển lu kho dạng lỏng thu đợc nén làm lạnh amôniắc khí Do amôniắc lỏng có áp suất riêng phần cao (7,76 barg 210C 15,78 barg -330C [8]) nên với khu chứa quy mô nhỏ trung bình thờng chứa điều kiện áp suất cao, với kho lớn thờng chứa áp suất thờng Amôniắc khô dù dạng khí hay lỏng không ăn mòn với hầu hết loại vật liệu Khi có lẫn nớc có tính ăn mòn với kim loại nh đồng, bạc kẽm Hợp chất nổ đợc tạo thành tạo hợp chất với thủy ngân Amôniắc lỏng có tỷ trọng khoảng 60% tỷ trọng nớc Nó hòa tan nớc để tạo thành nớc amôniắc (NH4OH) với nồng độ từ 15-30% Amôniắc đồng thời hòa tan dung dịch muối và dung dịch hữu nhng với độ hòa tan thấp nớc Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc Luận văn cao học khóa 2005 1.1.2 ứng dụng amôniắc Amôniắc hóa chất có họat tính tốt, tham gia phản ứng với nhiều hợp chất Ngoài tính khử amôniắc tốt Cháy nhiệt độ cao để phân hủy tạo thành nitơ nớc, nhng có tham gia xúc tác tạo thành NO nớc NO sau oxy hóa tiếp hòa tan nớc để tạo thành axit nitơric Khả bị ôxy hóa đặc tính quan trọng amôniắc để sử dụng nh phân bón bị ôxy hóa thành nitơ để thay nitơ đất nên trồng vừa sử dụng dạng amôniắc nitơ Tuy nhiên sử dụng dạng ôxy hóa không đợc u tiên trồng lấy nitơ dễ dàng từ đất Các chất khử thờng không tham gia phản ứng với amôniắc Phản ứng có tính thơng mại quan trọng phản ứng trung hòa axit Amônia hydrat basơ yếu, ion hóa nhiều hợp chất tơng tự nh NaOH Trong mol dung dịch NH4OH, nồng độ OH- 0,5% dung dịch NaOH Ba loại phân bón nitrat amôn (NH4NO3), sunphát amôn [(NH4)2SO4] phốt phát amôn ([NH4H2PO4] [(NH4)2PO4] đợc tạo phản ứng axit amôniắc Gốc NH4- gọi gốc amôn có tính chất giống nh kim loại kiềm Các phản ứng quan trọng khác sản xuất phân bón phản ứng với CO2 để tạo thành cacbamat, phân hủy tiếp tạo thành urê nớc Urê có tính chất tốt để sử dụng làm phân bón Còn nhiều tính chất phản ứng khác có tính thơng mại nh: hòa tan kim loại kiềm amôniắc, phản ứng với kim loại hoạt tính nh Mg, phản ứng với phốt lu huỳnh, tạo thành hợp chất với muối kim loại, tạo nhóm amine thủy phân 1.2 công nghệ sản xuất amôniắc Amônắc đợc sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhng phổ biến hai nguồn nguyên liệu sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 10 Luận văn cao học khóa 2005 - Ngn nguyªn liƯu khÝ thiªn nhiªn - Ngn nguyªn liệu dầu nặng lợng hóa thạch nh cặn dầu, than Theo nguồn nguyên liệu công nghệ sản xuất amôniắc chia thành hai loại công nghệ 1.2.1 Công nghệ sản xuất amôniắc từ nguyên liệu khí thiên nhiên Khí thiên nhiên nguồn nguyên liệu phổ biến đợc sử dụng để sản xuất amôniắc Việc sản xuất amôniắc từ khí thiên nhiên thuận tiện, dây chuyền công nghệ ngắn đơn giản sử dụng loại nguyên liệu khác Công nghệ sản xuất amôniắc từ khí thiên nhiên nh sau: Khí thiên nhiên từ mỏ khai thác khí đợc đa đên nơi sản xuất qua công đoạn sau để tổng hợp thành amôniắc: - Khử l−u hnh - NÐn khÝ - Steam Reforming xóc t¸c - Tách CO2 - Mêtan hóa - Tổng hợp amôniắc Sơ đồ dây chuyền công nghệ nh sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 72 Luận văn cao học khóa 2005 3.2.2 Tính toán thông số 3.2.2.1 Các thông số đầu vào Các thông số sử dụng để tính toán thông số thực tế sản xuất Công ty Phân đạm Hóa chất Hà Bắc Lu lợng khí vào tháp tổng hợp NH3 157.271 Nm3/h Thành phần nh sau: TT Thành phần Lu lợng (Nm3/h) % thÓ tÝch H2 114.334 72,70 N2 28.496 18,12 CH4 9.044 5,75 NH3 5.397 3,43 157.271 100% Tổng cộng Ghi Khí trơ Nhiệt độ hỗn hợp khí vào tháp T0=4050C áp suất làm việc tháp tổng hợp P=320 bar Nồng độ phần mol ban đầu cđa c¸c khÝ nh− sau: xH0 = 0,7270 xN0 = 0,1812 xCH = 0,0575 xNH = 0,0343 Phơng trình phản ứng: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + Q Q = - ΔRH = 52,5 kJ/mol = 52.500 kJ/kmol Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 73 Luận văn cao học khóa 2005 3.2.2.2 Phơng trình động học phản ứng Phản ứng tổng hợp amôniắc đà đợc Temkin Pyzhev [7,15, 16] nghiên cứu đa phơng trình động học phản ứng nh sau: (reff ) ms = k1 PN2 PH1,25 PNH3 − k2 PNH3 PH1,25 Trong đó: k1=1,78914.104.exp(-86707/RT) k2=2,5714.1016.exp(-197592/RT) Với mô tả động học này, không xác trờng hợp nồng độ amôniắc ban đầu không [7,15, 16] Với trờng hợp tính toán tháp tổng hợp amôniắc trông luận án này, khí đợc tuần hoàn nồng độ amôniắc khí tuần hoàn vào tháp tổng hợp khác không nên việc sử dụng phuơng trình động học Temkin-Pyzhev hợp lý 3.2.2.3 Biến đổi phơng trình động học phản ứng Nh đà trình bày phần trớc, muốn giải đợc toán xúc tác dị thể phải giải đợc đồng thời toán cân chất toán cân nhiệt Do phải biến đổi phơng trình động học phản ứng thành hàm số biến số độ chuyển hóa, tức là: (reff)ms = f(uk) Chọn cấu tử chìa khóa AK NH3 (K=NH3) Nh lần lợt tính đợc thành phần phần mol áp suất riêng phần ban đầu H2, N2, NH3 trớc vào tháp tổng hợp theo c«ng thøc sau: N2 + 3H2 = 2NH3 νN2 = -1; νH2 = -3; νNH3 = Ngun hång s¬n mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 74 Luận văn cao học khóa 2005 i = -2 c©n b»ng mol cho mét cÊu tư Ai hƯ sÏ lµ ni = nio + νi o nk uk νk ⇒ ∑ ni = ∑ nio + ∑ν i νk nko uk νi o nk u k νk ni xi = = ∑ν i o ∑ ni ∑ nio + nk u k νk nªn nio + chia tử mẫu số cho ni nio i nko uk + ∑ ni ν k ∑ ni νi o xk uk νk = ⇒ xi = ∑ν i o ∑ν i ∑ ni o xk uk + nk uk + νk ∑ ni ν k ∑ ni xio + pi = xi.P P = 320 bar ⇒ p N2 −1 o o xNH3 u NH3 2xNo − xNH u NH3 = 320 = 320 o −2 o − 2xNH u NH3 1+ xNH3 u NH3 xNo + −3 o o xNH3 u NH3 2xHo − 3.xNH u NH3 ⇒ pH2 = 320 = 320 o −2 o − 2xNH u NH3 1+ 2xNH3 u NH3 o o o xNH u NH3 + xNH xNH (1 + u NH3 ) 3 = 320 o ⇒ pNH3 = 320 −2 o − xNH3 u NH3 1+ xNH3 u NH3 xHo + Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 75 Luận văn cao học khóa 2005 Thay pi vừa tính đợc vào phơng trình động học phơng trình động häc míi cã d¹ng: (320 (reff ) ms = k1 o 2x No − x NH u NH3 o − 2x NH u NH3 320 ).(320 o 2xHo − 3.x NH u NH3 o − 2x NH u NH3 o x NH (1 + u NH3 ) 1− x o NH3 u NH3 1,5 ) 320 − k2 (320 o x NH (1 + u NH3 ) o − x NH u NH3 o 2xHo − 3.x NH u NH3 − 2x o NH3 u NH3 )1,5 3.2.2.4 Tính toán thông số cần thiết khác a Khối lợng hỗn hợp khí (mR) Hỗn hợp khí vào phản ứng gồm H2, N2, NH3 CH4, khối luợng thành phần khí nh− sau: mH2 = (114334/22,4).2 = 10208 kg/h mN2 = (28496/22,4).28 = 35620 kg/h mCH4 = (9044/22,4).16 = 6460 kg/h mNH3 = (5397/22,4).17 = 4096 kg/h ⇒ mR = 56384 kg/h b Số mol amôniắc trớc vào phản ứng o nNH = 4096kg h.1000 = 240941 17 c Nhiệt phản ứng Nhiệt độ trung bình phản ứng 4500C Nhiệt phản ứng 4500C 54,13 kJ/mol d Nhiệt dung riêng trung bình hỗn hợp khí Theo Sổ tay hóa công tập I, ta có nhiệt dung riêng khí nh sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 76 Luận văn cao học khóa 2005 CP(H2) = 3,51 kcal/kg.®é CP(N2) = 0,266 kcal/kg.®é CP(CH4) = 0,769 kcal/kg.®é CP(NH3) = 1,023 kcal/kg.®é ⇒ CP = 3,51.0,727 + 0,266.0,1812 + 0,769.0,0575 + 1,023.0,0343 = 11,22 kJ/kg.®é Với số liệu dà tính toán đợc trên, thay vào hệ phơng trình cân chất cân b»ng nhiÖt: uk ⎧ duk o ⎪VR = nk ∫ ν (reff )V ⎪ uko k R ⎨ o nk (− Δ R H ) ⎪ uk = + T T o ⎪ ν m C R P k ⎩ uk ⎧ duk o ⎪VR = nk ∫ ν (reff )V ⎪ u ko k R ⇒⎨ 240941 (54,13) ⎪ = + T T uk o ⎪ 56384 11 , 22 ⎩ uk ⎧ duk o ⎪VR = nk ∫ ν (reff )V ⇒⎨ uko k R ⎪ ⎩T = To + 10,308.u k d Các thông số xúc tác Xúc tác sử dụng Nhà máy Phân đạm Hà Bắc loại xúc tác A110 Trung Quốc Các thông số xúc tác nh sau [20]: - Khối lợng riêng biểu kiến b = 2100 kg/m3 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 77 Luận văn cao học - khóa 2005 HƯ sè sư dơng bỊ mỈt η = 0,42% 3.2.3 Giải toán 3.2.3.1 Phơng pháp giải Để giải hệ phơng trình cân chất cân nhiệt ta sử dụng phơng pháp số Phơng pháp giải đợc mô tả nh sau: Chia độ chuyển hóa uk thành n phần nhỏ uk, với n lớn độ xác cao Thay vào phơng trình cân nhiệt ta tính đợc nhiệt độ T Với giá trị T tính đợc ta tính đợc k1 k2 Có giá trị k1 k2 ta tính đợc (reff)ms (reff)VR Thay (reff)VR vào phơng trình cân chất tiến hành tích phân Nh với giá trị uk ta tính đợc VR (thể tích xúc tác cần thiết để đạt độ chuyển hóa uk) Với n giá trị uk tính đuợc n giá trị VR Tổng thể tích xúc tác cần thiết để đạt độ chuyển hóa uk VR = VR 3.2.3.2 Sơ đồ thuật toán Quá trình tính toán đợc mô tả sơ đồ thuật toán sau: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 78 Luận văn cao học khóa 2005 Số liệu đầu ixt = ixt + u[ixt] = u[0] + ixt.h T = T0 + 9,997.u[ixt] k1 = 1,78954.exp(-86707/RT) k2 = 2,5714.exp(-197592/RT) (reff)ms → (reff)VR n = 100 Δ V R [ixt ] = u k +1 ∫ ν k (reff ) Δ V R [ixt ].ν k (reff ) n=n*2 uk A= n NH du k VR VR n.n NH B = h/n S A-B ≤ eps § u[ixt] ≥ uE S § VR = 0; for ixt = to ixt VR = VR + VR[ixt] In kết Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 79 Luận văn cao học khóa 2005 3.2.3.3 Chơng trình tính toán Chơng trình tính toán đợc lập sở phần mềm Matlab Chơng trình nh sau: clc; u0=input(' Do chuyen hoa vao lop xuc tac = '); uE=input(' Do chuyen hoa lop xuc tac = '); mR=input(' Khoi luong rieng cua hon hop vao thap = '); nNH3=input(' So mol cua Amonia truoc vao thap = '); T0=input(' Nhiet hon hop vao thap = '); xNH3=input(' Nong phan mol cua Amonia = '); xN2=input(' Nong phan mol cua Nito = '); xH2=input(' Nong phan mol cua Hydro = '); pl=input(' Khoi luong rieng dong cua xuc tac = '); nuy=input(' He so su dung be mat cua xuc tac = '); n=input(' So khoang chia n = '); c=zeros(1,n); F=c; x=c; function F = ham(x) %Tinh gia tri cua ham so T=T0+10.308*x; k1=1.78914*10^4*exp(-86707/(8.314*T)); k2=2.5714*10^16*exp(-197592/(8.314*T)); a1=320*(2*xN2-xNH3*x)/(2-2*xNH3*x); a2=(320*(2*xH2-3*xNH3*x)/(2-2*xNH3*x))^1.5; a3=320*(xNH3+xNH3*x)/(1-xNH3*x); a4=320*(xNH3+xNH3*x)/(1-xNH3*x); Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 80 Luận văn cao học khóa 2005 a5=(320*(2*xH2-3*xNH3*x)/(2-2*xNH3*x))^1.5; reff=3600*1000*(k1*a1*a2/a3-k2*a4/a5); reffvR=reff/pl; F=nNH3/(nuy*reffvR); End x(1,1)=u0; delta=(uE-u0)/n; for i=1:n x(1,i)=x(1,i)+delta; F(1,i)=ham(x(1,i)); end KQ=trapz(x,F); H=KQ/(pi*(0.6*0.6-0.1*0.1)); disp(' disp(' '); KET QUA disp(' '); '); disp(' The tich xuc tac (m3) V = '); disp(KQ); disp(' Nhiet T = '); disp(T); disp(' Chieu cao lop xuc tac '); disp(H) Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 81 Luận văn cao học khóa 2005 3.3 kết tính toán Kết tính toán nh sau: 3.3.1 Lớp xúc tác thứ Thông số đầu vào: Độ chuyển hóa vào lớp xúc tác : 3,43% Độ chuyển hóa lớp xúc tác : 10% Khối lợng riêng hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 56384 Số mol Amôniắc vào lớp xúc tác : 240941 Nhiệt độ hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 685 Nồng độ phần mol Amôniắc : 0,0343 Nồng độ phần mol Nitơ : 0,1812 Nồng độ phần mol Hydrô : 0,727 Khối lợng riêng xúc tác : 2100 Hệ số sử dụng bề mặt xúc tác : 0,42 Kết quả: Thể tích xúc tác : 2,15 m3 Chiều cao lớp xúc tác : 2,01 m Nhiệt độ khí : 7680K 3.3.2 Lớp xúc tác thứ hai Thông số đầu vào: Độ chuyển hóa vào lớp xúc tác : 10% Độ chuyển hóa lớp xúc tác : 15% Khối lợng riêng hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 56384 Số mol Amôniắc vào lớp xúc tác : 660135 Nhiệt độ hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 683 Nồng độ phần mol Amôniắc : 0,1 Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 82 Luận văn cao học khóa 2005 Nồng độ phần mol Nitơ : 0,161 Nồng độ phần mol Hydrô : 0,678 Khối lợng riêng xúc tác : 2100 Hệ số sử dụng bề mặt xúc tác : 0,42 Kết quả: Thể tích xóc t¸c : 3,15 m3 ChiỊu cao líp xóc t¸c : 2,87 m NhiƯt ®é khÝ : 7510K 3.3.3 Lớp xúc tác thứ ba Thông số đầu vào: Độ chuyển hóa vào lớp xúc tác : 13% Độ chuyển hóa lớp xúc tác : 16,8% Khối lợng riêng hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 65908 Số mol Amôniắc vào lớp xúc tác : 993250 Nhiệt độ hỗn hợp khí vào lớp xúc tác : 685 Nồng độ phần mol Amôniắc : 0,13 Nồng độ phần mol Nitơ : 0,152 Nồng độ phần mol Hydrô : 0,656 Khối lợng riêng xúc tác : 2100 Hệ số sử dụng bề mặt xúc tác : 0,42 Kết quả: Thể tích xúc tác : 4,3 m3 ChiỊu cao líp xóc t¸c : 3,9 m NhiƯt độ khí : 7390K Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 83 Luận văn cao học khóa 2005 Bảng 3.1 - So sánh kết tính toán thực tế Nhà máy Kết tính toán TT Thực tế Thể tÝch ChiỊu cao ThĨ tÝch ChiỊu cao xóc t¸c (m3) xóc t¸c (m) xóc t¸c (m3) xóc t¸c (m) Líp 2,20 2,14 2,3 2,24 Líp 3,15 3,67 3,3 3,84 Líp 4,30 4,41 4,9 5,02 Nh− vËy c¸c kết tính toán gần sát với thực tế Đồ thị so sánh kết tính toán thùc tÕ nh− sau: NhiƯt ®é ( K) 850 800 750 700 10 15 20 Nång ®é NH (%mol) Theo tính toán Thực tế Hình 3.11 - Đồ thị so sánh kết tính toán thực tế Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 84 Luận văn cao học khóa 2005 Kết luận Mô hình hóa tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc công trình kết hợp nghiên cứu lý thuyết với tính toán thực tế công nghệ sản xuất amôniắc nhà máy công nghiệp hóa chất Việt Nam Về thực tế đà tham khảo tài liệu, xem xét, mô tả trình công nghệ thiết bị sản xuất amôniắc thực tế công nghiệp Về tính toán lý thuyết đà xây dựng giả thiết có thể, sử dụng mô hình giả đồng thể thiết lập giải mô hình sở liệu thực tế để tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Công cụ sử dụng để thực luận văn mô hình hóa toán học giải gần hệ phơng trình vi phân phơng pháp số Qua trình thực đề tài luận văn, xin đợc phép rút kết luận sau đây: Đà tìm hiểu giới thiệu công nghệ sản xuất amôniắc giới Đà nghiên cứu tài liệu, thu thập lựa chọn đợc số liệu nhiệt động học trình nh đà tìm hiểu lựa chọn đợc mô tả động học phản ứng tổng hợp amôniắc Đà tìm hiểu, mô tả công nghệ sản xuất amôniắc Công ty Phân đạm Hóa chất Hà Bắc thuộc Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam đà tìm hiểu mô tả thiết bị phản ứng tổng hợp amôniắc thực tế sản xuất Nhà máy Thu thập sử dụng số liệu thực tế để nghiên cứu tính toán Đà thiết lập mô hình cho lớp xúc tác đoạn nhiệt, mô tả tiến trình phản ứng tổng hợp amôniắc: Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 85 Luận văn cao häc uk ⎧ duk o o & ⎪mxt = V Ck ∫ ν (reff )V ⎪ uko k R ⎨ Cko V& (− Δ R H ) ⎪ T T u k = + o ⎪ & ν m C k R P ⎩ khãa 2005 (*) Đà giải mô hình mô tả trình phản ứng tổng hợp amôniắc, tính đợc khối lợng chiều cao ba lớp xúc tác thiết bị phản ứng phân bố nhiệt độ lớp xúc tác Các kết tính toán đà thu đợc sát với số liệu đà có thực tế (Bảng 3.1 đồ thị Hình 3.11), chứng tỏ sử dụng mô hình giả đồng thể tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng xúc tác dị thể Hớng phát triĨn cđa ln ¸n: H−íng ph¸t triĨn cđa ln ¸n tiếp tục lập giải mô hình để tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc có cấu trúc dòng phức tạp nh cấu trúc hỗn hợp kiểu hớng trục hớng kính để dần tiếp cận với công nghệ thiết bị đại /I/ nhà cung cấp tiếng giíi nh− Topsoe, Casale, Kellog Ngun hång s¬n mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 86 Luận văn cao học khóa 2005 Ti liệu tham khảo PGS.,TS Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng công nghiệp hoá học - Tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội PGS.,TS Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng công nghiệp hoá học - Tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bộ Giáo dục Đào tạo (1992), Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất - Tập I, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bộ Giáo dục Đào tạo (1999), Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất - Tập II, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội GS.,TSKH La Văn Bình (2001), Nhiệt động hóa kỹ thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Hoa Toàn - Lê Thị Mai Hơng (2005), Công nghệ hợp chất vô nitơ, Nhà xuất khoa học kỹ thuËt, Hµ Néi Martyn V.Twigg (1989), Catalyst hanbook, Wolfe Publishing Ltd., England A.V Slack (1973), Fertilizer science and technology serie - Volume 2, Marcel Dekker Inc., New York I.P Mukhlyonov, D.Sc (1979), Calculations of chemical technologycal processes, Mir Publishers, Moscow 10 K.G Denbigh (1965), Chemical reactor theory, Cambridge at the university press, Cambridge 11 James Wei (1994), Advances in chemical engineering, Academic press Inc., London 12 Waraen K Lewis – Arthun H Radasch – H Clay Lewis (1954), Chemical Calculation of Manufacturing Process, Academic press Inc., London Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc ... phản ứng xúc tác dị thể Lựa chọn mô hình động học, tính toán thông số mô hình, lập mô hình tính toán thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc Nguyễn hồng sơn mô hình hóa tính toán thiết. .. trình tổng hợp amôniắc Tìm hiểu xúc tác tổng hợp amôniắc Tìm hiểu phân tích thiết bị phản ứng xúc tác dị thể tổng hợp amôniắc thực tế sản xuất công nghiệp Tìm hiểu mô hình hóa tính toán thiết bị. .. sơn mô hình hóa tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 30 Luận văn cao học khóa 2005 Chơng 3: mô hình hóa v tính toán thiết bị tổng hợp amôniắc 3.1 mô tả thực tế công nghệ thiết bị tổng hợp amôniắc