III. cương vị tổng hợp amoniac:
1. Nguyên lý quá trình tổng hợp amoniac:
Phản ứng hoá học tổng hợp NH3 theo phương trình sau: 3H2 + N2 = 2NH3 + Q
Thực tế chứng tỏ khi phản ứng không có chất xúc tác giúp đỡ thì phản ứng tạo thành NH3 diễn ra với tốc độ hết sức chậm chạp. ở điều kiện 300 - 5000C
phản ứng tổng hợp NH3 cần phải kéo dài vài năm mới đạt trạng thái cân bằng. Nhưng dưới tác dụng của một lượng xúc tác thích hợp thì giảm bớt được năng lượng cần thiết cho việc kết hợp giữa N2 và H2, tăng nhanh tốc độ phản ứng.
Có nhiều chất có thể làm chất xúc tác cho quá rình tổng hợp NH3. Nhưng những loại xúc tác lấy Fe làm thành phần chính thường dùng rộng rãi vì loại này có những ưu điểm sau:
- Nguồn nhiên liệu chính là Fe dồi dào. - Giá thành hạ.
- ở nhiệt độ thấp cũng có hoạt tính khá tốt. - Khả năng chống độc mạnh.
- Tuổi thọ xúc tác cao . . . .
Ngoài thành phần chính là Fe xúc tác cho quá trình tổng hợp NH3 còn chứa các chất phụ gia có tác dụng nâng cao được hoạt tính, khả năng chống độc và tính ổn định nhiệt như: ôxit nhôm, K2O, CaO.
Đặc điểm của phản ứng tổng hợp là thuận nghịch, toả nhiệt, giảm thể tích nên. Dựa vào định luật cân bằng ta thấy hạ thấp nhiệt độ, tăng cao áp xuất thì cân bằng sẽ dịch chuyển về phía tạo thành NH3.
Nhưng giảm nhiệt độ cũng phải đạt được đến trạng thái hoạt tính của xúc tác hơn nữa nhiệt cao sẽ có lợi cho tốc độ phản ứng. Vì vậy cần phải lựa chọn được nhiệt thích hợp nhất vừ có lợi cho tốc độ phản ứng cũng như đạt được nồng độ NH3 ở trạng thái cân bằng cao nhất. áp xuất càng cao cũng làm tăng được hàm lượng NH3 ở trạng thái cân bằng nhưng phụ thuộc nhiều vaò giá thành đầu tư thiết bị và trình độ thao tác của công nhân vận hành. Do đó phải lựa chọn áp xuất thích hợp nhất.
2. Lưu trình công nghệ:
làm lạnh bằng nước và phân ly I đến đi vào trong ống của thiết bị trao đổi nhiệt. ở đây khí lạnh từ bộ phân ly NH3 đi từ dưới lên, làm lạnh đến 20OC, sau đó tiếp tục đi vào thiết bị làm lạnh bằng NH3. ở đây khí đi trong ống trao đổi nhiệt với NH3 bốc hơi phía ngoài ống có nhiệt độ -8 - -100C, vì vậy khí được làm lạnh tới 0OC - -10OC, làm cho NH3 trong khí ngưng tụ thành NH3 lỏng. NH3 lỏng dùng làm tác nhân lạnh trong thiết bị làm lạnh bằng NH3 qua thùng cao vị ngưng tụ phân ly để tách mù NH3, rồi tập chung vào đường ống chung đến công đoạn hấp thụ chế lạnh, để chưng bốc và ngưng tụ thành NH3 lỏng (hoặc đến cửa vào máy nén khí NH3, nén lên áp suất cao, ngưng lạnh thành NH3 lỏng) cấp tuần hoàn quay trở lại thiết bị làm lạnh bằng NH3. Khí tuần hoàn ra khỏi thiết bị làm lạnh đi vào bộ phận phân ly tách NH3 ở phần dưới thiết bị phân ly để tách NH3 lỏng, phần hơi nước vi lượng và dầu còn sót lại trong thể khí cũng bị NH3 lỏng mang đi theo. Khí tuần hoàn sau khi đã loại bỏ NH3 đi vào ống trung tâm thiết bị rồi đi lên luồn trong các khe hở giữa các ống chùm của thiết bị trao đổi nhiệt nhận nhiệt của hỗn hợp khí mới và khí tuần hoàn. Ra khỏi tháp ba kết hợp, hỗn hợp khí tuần hoàn chứa 3% NH3 có nhiệt độ 300C và áp xuất chỉ còn 280 - 295 at được đưa tới máy nén tuabin nén lên để bù lại tổn thất áp xuất của hệ thống. Khí tuần hoàn sau khi ra khỏi thiết bị nén khí được đưa qua thiết bị phân ly để phân ly dầu rồi quay trử vào tháp tổng hợp ở nhiệt độ 35 ữ 400C. Hỗn hợp khí vào đỉnh tháp (vào tháp lần 1) đi vào khe giữa vỏ và lõi tháp để tăng nhiệt độ lên 600C. Hỗn hợp khí ra ở đáy tháp (ra tháp lần 1) đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí khí để tăng nhiệt độ lên 1800C rồi quay lại tháp tổng hợp (gồm 1 đường chính và 2 đường phụ để kích lạnh). Đường chính đi vào cửa bên đáy tháp, đi bên ngoài ống trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với khí mới phản ứng nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên 4000C rồi vào ống trung tâm lên phía trên đỉnh tháp. Hỗn hợp khí đi vào tầng xúc tác thứ nhất thực hiện phản ứng tổng hợp NH , tại đây do phản ứng tổng hợp toả nhiệt nên
nhiệt độ tăng lên 495 ữ 5050C. Để điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí người ta đưa hỗn hợp khí 1800C theo đường kích lạnh 1 qua bộ phân phối khí làm lạnh trực tiếp hạ nhiệt độ hỗn hợp khí xuống 430 ữ 4350C rồi vào tầng xúc tác thứ hai (theo phương hướng trục). Tại tầng 2 phản ứng tổng hợp xảy ra ở nhiệt độ 490 ữ 4950C. Qua tầng xúc tác thứ hai, hỗn hợp khí đi vào ống trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ xuống 4400C rồi tập trung vào vành thứ hai của ống trung tâm đi vào tầng xúc tác thứ ba tiếp tục phản ứng tổng hợp NH3. Hỗn hợp khí sau phản ứng (nồng độ NH3 < 18%) có nhiệt độ 4680C đi vào trong ống trao đổi nhiệt với khí tuần hoàn mới vào giảm nhiệt độ xuống 3750C rồi ra khỏi tháp lần 2 đi vào nồi hơi nhiệt thừa để tận dụng nhiệt sản xuất hơi nước 13 at. Ra khỏi nồi hơi nhiệt thừa hỗn hợp khí có nhiệt độ 2250C qua trao đổi nhiệt khí khí để tăng nhiệt cho khí vào tháp lần 1. Hỗn hợp khí có nhiệt độ nhỏ hơn 1000C qua thiết bị làm lạnh bằng nước giảm nhiệt độ xuống dưới 400C đi vào thiết bị phân ly NH3 để phân ly NH3 lỏng. Ra khỏi thiết bị phân ly hỗn hợp khí chỉ còn 10% đến 11% NH3 được tuần hoàn trở lại tháp ba kết hợp.
NH3 lỏng được phân ly ở thiết bị phân ly lần 1 và phân ly lần hai qua van tiết lưu giảm áp xuống 25at về tập trung tại thùng chứa trung gian rồi từ đó nén về kho cầu.
Khí bảo hộ máy nén Tuabin lấy từ đường ống chung khí mới qua thiết bị làm lạnh bằng khí NH3 để giảm nhiệt độ từ 400C xuống 150C rồ vào thiết bị phân ly tách dầu và nước. Sau khi phân ly dầu nước khí được đưa qua thiết bị hấp phụ bằng Silicagen để làm khô triệt để rồi theo đường riêng vào roto tuabin qua khe hở giưã roto và Stato hợp cùng với khí tuần hoàn ra khỏi tuabin.
3. Các thiết bị chính: