Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 năng suất 200 000 tấn/năm

Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 năng suất 200 000 tấn/năm

Mở đầu Amoniac là một trong những hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt trong quan trọng ngành công nghiệp hoá học vì nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế: Trong công nghiệp sản xuất phân bón, Amoniac dùng để sản xuất ra các loại đạm, đảm bảo sự ổn định và cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nông nghiệp. Góp phần bảo đảm an ninh lương thực, thực hiện công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Trong công nghiệp thuốc nổ, Amôniac có vai trò quyết định trong việc sản xuất ra thuốc nổ. Từ NH 3 có thể điều chế HNO 3 để sản xuất các hợp chất như: di, tri nitrotoluen, nitroglyxêrin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, và amoni nitrat dùng để chế tạo thuốc nổ. Trong ngành dệt, sử dụng NH 3 để sản xuất các loại sợi tổng hợp như cuprammonium rayon và nilon. Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH 3 được dùng làm xúc tác và là chất điều chỉnh pH trong quá trình polyme hóa của phenol-formaldehyt và urê-formaldehyt tổng hợp nhựa. Trong công nghiệp dầu mỏ, NH 3 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 chưng cất. NH 3 dùng để trung hòa HCl tạo thành do quá trình phân hủy nước biển lẫn trong dầu thô. NH 3 cũng dùng để trung hòa các vết axit trong dầu bôi trơn đã axit hóa. Trong quá trình cracing xúc tác lớp sôi, NH 3 thêm vào dòng khí trước khi đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác đã sử dụng. NH 3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác trong thiết bị cracking xúc tác lớp cố định. Trong quá trình hydrat hóa silic, NH 3 kết tủa với nhôm sunfat ( Al 2 (SO 4 ) 3 ) để tạo một dạng gel. Sau đó rửa tạp chất Al 2 (SO 4 ) 3 được sấy khô và tạo hình. Trong công nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH 3 là một chất độn quan trọng để sản xuất các dạng thuốc như sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine. Nó cũng được sử dụng để sản xuất các loại thuốc vitamin. Ngoài ra, NH 3 còn được sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường để chuyển hoá SO 2 và NO x từ khí ống khói. Dung dịch NH 3 21% còn dùng làm dung môi rất tốt. Amoniac tạo được các nitrua để tôi cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tác nhân lạnh trong các thiết bị lạnh. Amoniac có nhiều ứng dụng trong thực tế như vậy cho nên đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH 3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc. Mục đích của đề tài là sử dụng nguồn nguyên liệu khí tự nhiên sẳn có ở nước ta một cách có hiệu quả để sản xuất ra Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ quá trình tổng hợp ra các sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho nền kinh tế quốc dân. Mặc khác đề tài còn đưa ra một phương hướng mới trong việc nâng cao giá trị sử dụng của nguồn nguyên liệu khí tự nhiên. Trong khuôn khổ đồ án này, em xin giới thiệu những tính toán cụ thể để thiết kế phân xưởng sản xuất NH 3 năng suất 200.000 tấn/năm. Nội dung đồ án gồm các phần sau: Phần I: Tổng quan lý thuyết. Phần II: Tính toán công nghệ. Phần III: Xây dựng. Phần IV: Tính toán kinh tế. Phần V: An toàn lao động. Tuy có rất nhiều cố gắng nhưng đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong được sự góp ý của Thầy, Cô giáo và các bạn. PHầN I: TổNG QUAN Lý THUYếT. Chương I. Giới thiệu về amoniac. I.1. Cấu tạo phân tử NH 3 . [14] NH 3 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 ở trạng thái 1s, còn 5 electron kia phân bố vào 4 obitan với số lượng tử chính là 2. Trong 5 electron này thì có một cặp chiếm obitan 2s và 3 electron không cặp đôi phân bố ở 3 obitan 2Px, 2Py, 2Pz. Các electron không cặp đôi của N có thể kết hợp với electron 1s của nguyên tử H. Vì vậy ta có: Nguyên tử N nằm trên một đỉnh của hình tứ diện nằm trên một phằng của 3 nguyên tử H, 3 nguyên tử H xếp theo 1 hình tam giác đều, góc liên kết H-N-H khoảng 107 O . Mặc dù các liên kết N-H là những liên kết cộng hóa trị nhưng chúng có phần giống như liên kết ion, tại vì ngyên tử N có độ âm điện lớn hơn H rất nhiều. Do sự phân cực hóa của các liên kết và cách sắp xếp bất đối của phân tử NH 3 mà nó có một mômen lưỡng cực khoảng 1,5 Debye. Vì phân tử NH 3 có cùng cấu hình electron với nước, góc hóa trị cũng tương tự như nước nên NH 3 và H 2 O có nhiều tính chất giống nhau, đều là những chất nghịch từ. I.2. Tính chất vật lý:[14] Amôniac có công thức phân tử là NH 3 là một khí không màu, nhẹ hơn không khí, và có mùi đặc trưng. :N . . . + 3H . :N H H H N o H H o o H o Bảng I.1. Các đặc trưng vật lý của NH 3 Khối lượng phân tử 17,03 Thể tích phân tử ( ở 0 o C, 101,3 KPa) 22,08 l/mol Tỉ trọng pha lỏng 0,6386 g/cm 3 Tỉ trọng pha khí 0,7714 g/l áp suất tới hạn 11,28 MPa Nhiệt độ tới hạn 132,4 0 C tỉ trọng tới hạn 0,235 cm 3 /g Thể tích tới hạn 4,225 cm 3 /g độ dẫn nhiệt tới hạn 0,522 Kj.K -1 . h -1 . m -1 độ nhớt tới hạn 23,90. 10 -3 mPa.s điểm nóng chảy -77,71 0 C Nhiệt nóng chảy 332,3 Kj/Kg áp suất hóa hơi 6,077 KPa điểm sôi -33,43 0 C Nhiệt hóa hơi 1370 Kj/Kg Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn -45,72 Kj/mol Entropi tiêu chuẩn 192,731 J.mol -1 .K -1 Entanpi tạo thành tự do -16,391 Kj/mol Giới hạn nổ Hỗn hợp NH 3 -O 2 (20 0 C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH 3 -KK(20 0 C, 101,3KPa) Hỗn hợp NH 3 -KK(100 0 C, 101,3KPa) 15 - 17 % V NH 3 16 - 27 % V NH 3 15,5- 28 % V NH 3 I.3. tính chất hóa học:[14],[15] NH 3 có thể cộng thêm 1 ion để tạo ion phức NH 4 + NH 4 + giống như các ion kim loại kiềm ở tính kiềm và thuộc tính tạo muối của nó. Các dung dịch ngậm nước của NH 3 phản ứng như một bazơ yếu, vì trong dung dịch nước có quá trình: NH 3 không cháy ở điều kiện thường, nhưng cháy với ngọn lửa màu vàng dưới áp suất oxi. điểm bốc cháy của hỗn hợp NH 3 -O 2 là 780 0 C. sản phẩm chính của quá trình cháy là N 2 và H 2 O. NH 3 + H + NH 4 + NH 3 + H 3 0 + NH 4 + + OH - 4NH 3 + 3O 2 2 N 2 + 6H 2 O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH 3 - không khí sẽ phát nổ khi cháy. hỗn hợp nổ của NH 3 khô với không khí là 16-25 % V NH 3 . giới hạn này được mở rộng khi trộn lẫn với các khí cháy như H 2 , trộn O 2 hay không khí, ở nhiệt độ và áp suất cao hơn. Khí NH 3 bị oxi hóa tạo H 2 O và N 2 bởi nhiều hợp chất oxyt như CuO. Nếu dòng khí NH 3 được chuyển qua CuO nung nóng thì có phản ứng: Loại phản ứng này xảy ra khi NH 3 được nung nóng tới nhiệt độ cao với oxyt của kim loại xác định vì lúc này liên kết trong oxy kém bền vững. Các chất oxy hóa nếu đủ mạnh sẽ xảy ra phản ứng tương tự ở nhiệt độ thường. Ví dụ với KMnO 4 . Phản ứng giữa Cl 2 với NH 3 cũng có thể xem là phản ứng oxy hóa khử. NH 3 có thể bị oxy hóa tạo NO khi ở trong hỗn hợp 100 % NH 3 với không khí và có mặt của xúc tác ở nhiệt độ cao: ở nhiệt độ thường NH 3 là một khí bền vững. ở nhiệt độ cao nó bắt đầu phân hủy thành N 2 và H 2 . Tốc độ quá trình phân hủy chịu ảnh hưởng của bản chất NH 3 với khí tạo thành trong khi tiếp xúc. ở nhiệt độ thường, NH 3 có thể hòa tan K, Na nhưng tốc độ chậm, có thể mất vài ngày. Liti amid cũng được tạo thành khi Li bị nung nóng trong dòng khí NH 3 có mặt xúc tác Pt đen.  Khi nung NH 3 cùng với một kim loại hoạt động như Mg thì nitrit (hợp chất cơ kim) sẽ tạo thành.  Cl 2 , Br 2 , I 2 đều phản ứng với NH 3 . Các trạng thái ban đầu của phản ứng thì giống nhau, nhưng sản phẩm cuối cùng thì rất khác nhau.  NH 3 phản ứng với P hơi nóng đỏ tạo N 2 và PH 3 . 3 CuO + 2NH 3 3Cu + N 2 + 3H 2 O 2NH 3 + 2KMnO 4 2KOH + 2MnO 2 + 2H 2 O + N 2 8NH 3 + 3Cl 2 N 2 + 6NH 4 Cl 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O Pt 2Na + 2NH 3 2NaNH 2 + H 2 Amid natri 2K + 2NH 3 2KNH 2 + H 2 Amid kali 3Mg + 2NH 3 Mg 3 N 2 + 3H 2 2NH 3 + 2P 2PH 3 + 3N 2  Hơi S phản ứng với NH 3 tạo amoni sunfit và nitơ  S củng phản ứng với NH 3 lỏng tạo nitơ sunfit.  NH 3 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 CaCl 2 .6NH 3 và CuSO 4 giống như CaCl 2 .6H 2 O và CuSO 4 .5H 2 O. Các hợp chất phối trí gọi là ammines và viết giống như một phức [Cu(NH 4 ) 4 ]SO 4 .  Một trong những tính chất quan trọng nhất của NH 3 là tính kiềm ở dung dịch nước của nó. Dung dịch NH 3 biến quì đỏ thành xanh, là chất chỉ thị cho metyl dacam và metyl đỏ.  Khí NH 3 có thể trung hòa axit mà không tạo thành nước. Dung dịch NH 3 có tác dụng như một bazơ ở chổ tạo kết tủa hyđrôxyt từ dung dịch của chúng. Một vài hợp chất khó tan, nhưng trong dung dịch NH 3 dư nó tạo phức ion. Ví dụ như các muối sắt thì các hợp chất sắt hyđrôxyt sẽ bị kết tủa. Dung dịch đồng sunfat trong dung dịch amôni hyđrôyt dư tạo thành phức: 8NH 3 + 3S 2(NH 4 ) 2 S + N 2 10S + 4NH 3 6H 2 S + N 2 S 4 FeCl 3 + 3NH 4 OH Fe(OH) 3 + 3NH 4 Cl CuSO 4 + 2NH 4 OH Cu(OH) 2 + (NH 4 ) 2 SO 4 Cu(OH) 2 Cu 2+ + 2OH - 4NH 3 + Cu 2+ [Cu(NH 3 )] 4 2+ Chương II. Nguyên liệu để tổng hợp NH 3 ([1], [15]) Có nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau sử dụng cho quá trình tổng hợp NH 3 như: 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, H 2 của quá trình điện phân. Các nguyên liệu này chỉ được dùng trong điều kiện đặc biệt và ngày nay có rất ít. Khí than ướt là nguyên liệu tương lai để sản xuất NH 3 . Ngoài ra H 2 sản xuất bằng quá trình điện phân nước cũng là nguyên liệu sản xuất NH 3 . Bảng sau đây cung cấp tổng quát số liệu các nguồn nguyên liệu thô cho năng suất NH 3 trên thế giới: Bảng II.1. Số liệu các nguồn nguyên liệu thô dùng sản suất NH 3 Nguyên liệu 1961/1962 1971/1972 10 3 tấn/năm % 10 3 tấn/năm % Khí lò cốc và than đá Khí tự nhiên Naphta Các sản phẩm dầu khác 2800 7800 2050 2950 18 50 13 19 4600 32100 10700 3600 9 63 21 7 Tổng cộng 15600 100 51000 100 Theo số liệu trên thì ta thấy các nhà máy sản xuất NH 3 mới hầu như dựa vào nguồn nguyên liệu chính là khí tự nhiên và naphta. Xu hướng này cũng tiếp tục trong tương lai. Chương III. Cơ sở hóa lý của quá trình tổng hợp NH 3 . Phản ứng tổng quát của quá trình tổng hợp NH 3 : Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, giảm thể tích tiến hành trên xúc tác sắt. Dưới đây sẽ lần lượt xét một số vấn đề cơ bản của phản ứng thuộc loại này. III.1. Cân bằng của phản ứng và hiệu ứng nhiệt của phản ứng: [1], [4] Hằng số cân bằng được biểu diễn bằng biểu thức: 3 2 H 2 N 2 3 NH P PP P K × = Trong đó 3 NH P , 2 N P , 2 H P là áp suất riêng phần của các cấu tử NH 3 , N 2 , H 2 . Hằng số cân bằng có thể tính theo phương trình Van'tHoff : 2 P RT ΔH dT )d(lnK = Phương pháp này có độ chính xác không cao vì khó xác định được các giá trị nhiệt dung đẳng áp của các cấu tử ở áp suất cao và định luật Dalton về áp suất riêng phần có sai số lớn khi áp dụng với khí thực. Sử dụng phương pháp tính theo Phugat cho kết quả phù hợp hơn: 3 2 H 2 N 2 3 NH 3 2 H 2 N 2 3 NH 3/2 2 H 1/2 2 N 3 NH f PP P ff f K × × × = × = ∗ ∗∗ ∗ ϕϕ ϕ Trong đó:  ∗ i f là fugat của cấu tử i lúc cân bằng.  ∗ i P là áp suất riêng phần của cấu tử i lúc cân bằng.  i ϕ là hệ số fugat của cấu tử i, được tính theo công thức: ∗ ∗ = i i P f i ϕ Hệ số fugat i ϕ của cấu tử i phụ thuộc vào nhiệt độ rút gọn C T T r T = và áp suất rút gọn C P P r P = . N 2 + 3H 2 2NH 3 + 91,44 Kj/mol Nếu đặt : 3 2 H 2 N 2 3 NH K ϕϕ ϕ ϕ × = và 2 2 H 2 N 2 3 NH P PP P K ∗∗ × = Ta có: P f KKK ×= ϕ Trong đó P K được tính theo phương trình thực nghiệm : IT101,8564βT2,4943lgT T 2074,18 Klg 27 P +××−++−= − trong đó :  T là nhiệt độ trung bình của quá trình phản ứng , K.  β là hệ số phụ thuộc vào áp suất, ở 300 at thì β = 1,256.10 -4  I là hằng số tích phân , I = - 2,206 Xác định được K P cho phép ta xác định nồng độ NH 3 lúc cân bằng theo công thức sau : 010y P K308 200yy 4 a P 2 a =+×−− Trong đó:  a y là nồng độ NH 3 lúc cân bằng, % thể tích .  P K là hằng số cân bằng của phản ứng.  P là áp suất trung bình trong tháp , at . Hiệu ứng nhiệt của phản ứng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, có thể xác định theo công thức: 3624 3 5 1069,161052,235,5) 104596,840 545,0(9157 TTTP T T Q ××−××+×+× × +++= Với :  T là nhiệt độ , k  Q là hiệu ứng nhiệt , Kj/mol III.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng: [1], [4] Phản ứng tổng hợp NH 3 là phản ứng tỏa nhiệt, giảm thể tích nên theo nguyên lí Le Chaterlie giảm nhiệt độ và tăng áp suất sẽ làm chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận về phía tạo sản phẩm NH 3 . Đồ thị quan hệ nồng độ NH 3 lúc cân bằng tại các nhiệt độ và áp suất cho thấy ở nhiệt độ càng thấp nồng độ NH 3 càng tăng. 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 Nång ®é NH 3 % §å thÞ phô thuéc cña nång ®é c©n b»ng vµo ¸p suÊt ¸p suÊt, MPa Theo đồ thị này ta thấy, ở cùng một nhiệt độ phản ứng, áp suất càng cao nồng độ NH 3 cân bằng y a càng lớn, tuy nhiên sự tăng này không đều. Khi áp suất tăng từ 70 đến 80 MPa thì y a tăng 2,5%. Khi áp suất tăng từ 20 đến 30 MPa thì y a tăng 5%. ở áp suất thấp y a tăng mạnh hơn. Tỷ lệ các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng cũng ảnh hưởng tới cân bằng của quá trình chuyển hóa. Đặt tỉ lệ các cấu tử H 2 /N 2 bằng r và gọi n o là tổng số mol ban đầu của N 2 và H 2 , ta có : o o 2 H n r1 1 n × + =       và o n r1 r n o 2 N × + =       sau thời gian phản ứng t, số mol NH 3 sinh ra là a n , theo phương trình phản ứng ta có nồng độ các cấu tử tại thời điểm t như sau : t=0 r1 n o + o n r1 r × + 0 o n t       ×− + 0 o n 2 1 r1 n       ×−× + oo n 2 3 n r1 r a n ao nn + Nồng độ phần mol cân bằng của NH 3 là : ao o a nn n y − = Từ đó ta có số mol NH 3 bằng : a ao a y1 yn n + × = Nồng độ phần mol của N 2 N 2 + 3H 2 2NH 3 T ng s molổ ố Hình III.1. . này, em xin giới thiệu những tính toán cụ thể để thiết kế phân xưởng sản xuất NH 3 năng suất 200. 000 tấn/năm. Nội dung đồ án gồm các phần sau: Phần I:. sẽ giảm nhỏ. Tuy năng suất của tháp có tăng lên. Có thể thấy rõ điều này trên hình vẽ sau: 100 MPa 60 MPa 30 MPa 10 MPa 0 2000 0 60000 100 .000 60 40 20 N