Công nghệ sản xuất amoniac từ khí tự nhiên: Tổng quan và phương pháp tổng hợp
MỤC LỤC
Tách CO 2 khỏi khí nguyên liệu
Như đã trình bày ở phần trước CO2 là chất gây ngộ độc xúc tác và ảnh hưởng không tốt tới quá trình tổng hợp amoniac, do đó mà trước khi tổng hợp NH3 phải làm sạch CO2 mới đưa vào tháp tổng hợp. Để đảm bảo khí đưa vào tháp tổng hợp NH3 sạch có nồng độ các tạp chất nhỏ hơn mức cho phép, người ta tiến hành tinh chế khí nguyên liệu, loại bỏ hợp chất lưu huỳnh như H2S, RSH, loại bỏ CO, CO2.
Phương pháp Nitơ lỏng
Các dung dịch alkanol đều có thể thử CO2, đó là các chất, tri etanol amin (TEA), di etanol amin (DEA), mono etanol amin (MEA) trong đó dung dịch MEA được sử dụng thường xuyên hơn. Việc loại bỏ những tạp chất này trước khi đưa vào tổng hợp amoniac nhằm tránh gây ngộ độc xúc tác và nhằm giảm hiệu xuất phản ứng.
Phương pháp dùng dung dịch đồng
Sau đó tái sử dụng lại NaOH bằng cách cho Na2CO3 tác dụng Ca(OH)2. Phương pháp dùng NaOH tách CO2 có thể dùng áp suất cao hoặc thấp tuỳ thuộc việc tổng hợp NH3 ở áp suất cao hoặc thấp.
Phản ứng tổng hợp amoniac
Qua đó ta thấy hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Xúc tác cho quá trình tổng hợp amoniac
Hiện nay người ta vẫn nghiên cứu tìm ra các loại xúc tác khác oxyt sắt nhằm có tính ưu việt hơn, nghiên cứu mỗi chất xúc tác cho quá trình tổng hợp NH3 ở nhiệt độ < 4000C dựa trên kim loại chuyển tiếp, tại Mỹ người ta đưa ra xúc tác dựa trên kim loại thuộc nhóm 8 có chứa kim loại kiềm mang trên cacbon hoạt tính thực hiện ở nhiệt độ 3750C và áp suất 27 ÷ 67 atm. Xúc tác Ru để tổng hợp NH3 mang trên cacbon hoặc oxyt Mg được hoạt hoá bởi kim loại kiềm như: K, Cs, và gần đây người ta nghiên cứu và đưa ra xúc tác Ru mang trên xúc tác Zeolit có chứa kim loại kiềm, phương pháp này có tốc độ tổng hợp amoniac tăng hơn so với các phương pháp khác, tăng tốc độ phản ứng có thể sử dụng các điều kiện phản ứng trung tính đem lại hiệu quả kinh tế.
Động học của phản ứng tổng hợp amoniac
Khi nhiệt độ, áp suất, nồng độ NH3 và nồng độ khí trơ ban đầu xác định thì tốc độ phản ứng sẽ thay đổi tuỳ thuộc H2/N2 và trong thực tế người ta lấy giá trị này là 3. Tóm lại tăng tốc độ không gian cũng là lợi dụng các nhân tố như là: kích thước thiết bị tăng, thể tích khí phải đun nóng và làm lạnh tăng do vậy trở lợc và tiêu hao năng lượng.
GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC
Công nghệ Kellogg
Từ khí tự nhiên qua công đoạn tách lưu huỳnh, và các hợp chất chứa lưu huỳnh được đưa vào phản ứng với hơi nước có gia nhiệt thêm (quá trình Re- forming sơ cấp) tạo ra H2, CO, CO2 hỗn hợp này được đưa đến thiết bị re- forming thứ cấp để chuyển hoá hết lượng CH4 còn lại sau quá trình reforming sơ cấp. Sản phẩm thu được gồm NH3 và các khí khác qua thiết bị làm lạnh bằng nước hạ nhiệt độ từ 3800C xuống khoảng 350C và đưa tới thiết bị ngưng tụ NH3 ở 3,20C và đưa vào thiết bị phân ly, NH3 lỏng được tách ra phần khí cong lại được tuần hoàn trở lại.
LỰA CHỌN NGUYÊN LIỆU VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Sau khi tiến hành quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp hỗn hợp khí gồm CO, CO2, N2, hơi nước, hydrocacbon tỉ lệ nhỏ, khí trơ ở áp suất P = 31bar, t=9580C được đưa đến lò hơi quá nhiệt, nhiệt độ giảm xuống 3600C rồi đưa hỗn hợp khí vào thiết bị chuyển hoá CO, tại đây chuyển hoá CO thành CO2. Sau khi tổng hợp hỗn hợp khí ra khỏi tháp có nhiệt độ t = 4410C, P = 138 bar, NH3 chiếm 17,3% thể tích được làm lạnh bằng nước qua thiết bị phân ly, NH3 lỏng tách ra khỏi dòng khí dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt với khí tuần hoàn tận thu nhiệt, hỗn hợp khí được làm lạnh xuống – 50C cho qua thiết bị phân ly lần thứ 2, đưa amoniac về thiết bị thu hồi, khí hỗn hợp ở đỉnh cho tuần hoàn trở lại nhằm tăng hiệu suất chuyển hoá xả một lượng khí nhất định theo định kỳ giảm khí trơ (4). Amoniac lỏng được sử dụng cho các thiết bị làm lạnh khí công nghiệp tại các thiết bị trao đổi nhiệt, từ lỏng bốc thành khí NH3, nhiệt độ khoảng - 90C được đưa tới thiết bị nén cấp I, nhiệt độ 830C được đưa vào thiết bị làm lạnh hơi nước giảm nhiệt độ xuống 2070C, trộn với khí NH3 bốc hơi ở nhiệt độ khoảng 1080C được làm lạnh bằng nước nhiệt độ giảm xuống 41,50C khí NH3.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Giai đoạn metan hoá
Từ số liệu ở trên ta có bảng cân bằng vật chất cho giai đoạn metan hoá như trong bảng 10.
Làm lạnh bằng nước và phân ly amoniac lỏng
Lượng NH3 vào thiết bị làm lạnh bằng lượng NH3 ngưng tụ cộng với NH3 khí ra khỏi thiết bị. Để xác định đại lượng này ta phải xác định áp suất riêng phần của từng cấu tử theo công thức. Lượng khí metan vào làm lạnh bằng lượng khí metan ra khỏi thiết bị cộng với lượng khí metan hoà tan trong NH3 lỏng.
Cân bằng nhiệt lượng giai đoạn sản xuất khí tổng hợp
Nhiệt dung riêng của các cấu tử phụ thuộc nhiệt độ theo các hàm như sau: [16]. Nhiệt phản ứng hay hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xác định bằng hiệu của nhiệt sinh sản phẩm và của chất tham gia. Như vậy với quá trình sản xuất khí tổng hợp để sản xuất amoniac ở đây ta thấy là quá trình thu nhiệt.
Cân bằng nhiệt lượng giai đoạn tổng hợp amoniac
Tháp tổng hợp amoniac chọn để tính toán ở đây là loại tháp có 4 lớp xúc tác sau các lớp xúc tác có các đường bổ xung khí lạnh trực tiếp. Để giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống nhiệt độ hoạt tính thích hợp của xúc tác ta bổ xung khí lạnh trực tiếp sau đó hỗn hợp khí đi vào lớp xúc tác thứ hai. Tương tự như vậy cho đến khi hỗn hợp khí ra khỏi lớp xúc tác thứ tư và đi vào ống trung tâm theo chiều từ dưới lên rồi qua thiết bị trao đổi nhiệt với phía trên thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với khí chưa phản ứng.
Tốc độ không gian
Sau đó hỗn hợp khí tiếp tục đi vào lần lượt từng lớp xúc tác theo chiều từ trên xuống thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac. Thiết bị có tác dụng giảm nhiệt độ hỗn hợp khí đã phản ứng và nâng nhiệt độ của hỗn hợp khí nguyên liệu lên. Cách xếp ống trong thiết bị: Xếp theo hình lục giác với kích thước ống truyền nhiệt chọn theo tài liệu [7].
Thiết bị trao đổi nhiệt giữa khí tuần hoàn và khí đã phản ứng
Hệ số cấp nhiệt của khí sau phản ứng đến thành ống được tính theo công thức: α1 = A. Tra theo [6] kết hợp nội suy theo nhiệt độ và áp suất được nhiệt dung riêng của các cấu tử như sau (bảng 24). Coi nhiệt mất mát không đáng kể, nhiệt trao đổi giữa hai lưu thể chính là lượng nhiệt toả ra khi hỗn hợp khí sản phẩm giảm nhiệt độ từ 350C xuống còn 170C.
Thùng chứa amoniac lỏng
- Áp suất phân bố đều trên bề mặt thành bình làm nên bình có khả năng chịu lực tốt và độ bền cao.
TÍNH TOÁN KINH TẾ
Nhà máy được thiết kế tự động hoá trong sản xuất nên nhu cầu lao động không nhiều, dưới đây là bảng 28 phân bố số lượng nhân công trực tiếp sản xuất. CP - Tổng chi phí trong một năm gồm lương, nguyên vật liệu, khấu hao, và chi phí doanh nghiệp, thuế. Vậy thời gian thu hồi vốn là 3 năm, có thể áp dụng vào thực tế.
XÂY DỰNG CÔNG NGHIỆP
Do vậy, trong quá trình thiết kế, cần chú ý xác định số công nhân của nhà máy và khả năng cung cấp công nhân ở địa phương ngoài ra cần tính đến khả năng cung cấp nhân công ở các địa phương lân cận trong quá trình đô thị hoá. Bởi vì, trong quá trình sản xuất các nhà máy không tránh khỏi việc phải thải ra các chất độc hại như: khí độc, nước bẩn, khỏi bụi, tiếng ồn….Hoặc các yết tố bất lợi khác như: Hiện tượng dễ cháy, nổ, ô nhiễm môi trường…. Khi bố trí các công trình này thì cần lưu ý: tận dụng các khu đất không có lợi cho hướng gió hoặc giao thông để bố trí các công trình phụ, các công trình có nhiều bụi và chất thải bất lợi đều phải chú ý bố trí cuối hướng gió chủ đạo.
AN TOÀN LAO ĐỘNG
Nước là một nội dung hoà tan và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất, nước cung cấp cho nồi hơi, làm nguội máy và thiết bị, rửa và chế biến thành phẩm,… Nước sau khi sử dụng trong sản xuất nó chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ. Nhà cứu hoả là nơi cất giữ những phương tiện dụng cụ chữa cháy nổ, nhà cứu hoả phải ở vị trí thuận lợi khi có sự cố xảy ra đột ngột có thể xử lý nhanh tránh thiệt hại cho nhà máy và tai nạn cho công nhân làm việc trong nhà máy, trong công xưởng. + Tính cân bằng vật chất cân bằng nhiệt lượng cho các giai đoạn sản xuất khí tổng hợp, chuyển hoá nhiệt độ cao, chuyển hoá CO nhiệt độ thấp, tách CO2, metan hoá cà tổng hợp ammoniac.