6. Cấu trúc của luận văn
2.1. Nguyên lí hoạt động của dây chuyền công nghệ sản xuất Ammonia tại nhà máy Đạm
2.1.5. Công đoạn Methane hóa
a. Mô tả công nghệ tổng quát
Bước tinh chế khí cuối cùng trước khi vào tháp tổng hợp là metan hố, một q trình mà các loại cacbon oxit dư sẽ được chuyển hố thành metan. Metan đóng vai trị như một khí trơ trong chu trình tổng hợp amôniắc. Ngược lại, các hợp chất chứa oxy như là cacbon oxit (CO và CO2) là cực kỳ độc hại đối với chất xúc tác tổng hợp amơniắc. Q trình metan hố xảy ra trong bình metan hố 10 - R3001, và các phản ứng liên quan là những phản ứng ngược của phản ứng reforming:
CO + 3H2 « CH4 + H2O + Q (2.20)
CO2 + 4H2 « CH4 + 2H2O + Q (2.21) Các đại lượng có tính chất quyết định đến các phản ứng metan hố là – bên cạnh hoạt tính của chất xúc tác – nhiệt độ, áp suất, và hàm lượng hơi nước trong khí cơng nghệ. Nhiệt độ thấp, áp suất cao và hàm lượng hơi nước thấp giúp cho cân bằng hoá học của phản ứng chuyển về phía metan hố. Trong khoảng nhiệt độ được gợi ý là 280oC – 450oC, tuy nhiên, các điều kiện cân bằng là hồn tồn có lợi đến mức hoạt tính xúc tác trên thực tế chỉ là một nhân tố xác định hiệu suất của q trình metan hố. Hoạt tính của chất xúc tác tăng khi tăng nhiệt độ, nhưng tuổi thọ của chất xúc tác lại giảm đi.
Nhiệt độ đầu vào của bình metan hố 10-R3001 được thiết kế là 300oC tại lúc khởi động. Khí ra khỏi thiết bị metan hố thơng thường chứa bé hơn 10 ppm CO + CO2, nhiệt độ tăng qua lớp xúc tác thông thường nằm trong khoảng 20oC. Phản
ứng metan hoá bắt đầu ở nhiệt độ khoảng 210oC, nhưng để đảm bảo hiệu quả hàm lượng CO và CO2 thấp trong trong khí tổng hợp, nhiệt độ vận hành nên trong khoảng 250-340 oC tuỳ thuộc vào hoạt tính xúc tác và thành phần khí cơng nghệ, Nhiệt độ phát nhiệt tăng lên là 74oC/%mol CO và 60oC/%mol CO2. Khí cơng nghệ đi vào cơng đoạn metan hố được mơ tả như sau:
Khí cơng nghệ từ tháp hấp thụ CO2 (10-T3002) được gia nhiệt đến nhiệt độ này khi chúng đi qua bộ trao đổi nhiệt khí - khí 10-E3011 và bộ cân bằng nhiệt (10- E2011). Trong vận hành bình thường, nhiệt độ tăng qua lớp xúc tác cần nằm trong khoảng 20oC, tương ứng với nhiệt độ đầu ra khoảng 320oC. Bộ trao đổi nhiệt khí- khí 10-E3011 làm lạnh khí được tinh lọc đến khoảng 74oC. Khí sau đó được dẩn đến bộ làm lạnh cuối cùng 10-E3021 và bộ tách khí cuối cùng 10-V3011, nơi mà nước ngưng tụ được tách ra khỏi khí cơng nghệ. Từ thiết bị tách khí cuối cùng khí nguyên liệu cho tổng hợp amoniắc được đưa đến máy nén khí tổng hợp.
Khí sau khi tinh chế chứa N2, H2 với một tỉ lệ khí trơ như Ar và CH4 khoảng 1,3% mol. Tỉ lệ thích hợp của H2 và N2 sẽ phụ thuộc vào việc bộ thu hồi hydro (HRU) có làm việc hay không. Nếu HRU không được đưa vào vận hành, tỉ lệ là gần 3:1. Nếu HRU được đưa vào vận hành, tỉ lệ được điều chỉnh sao cho tỉ lệ H2:N2 trong khí tổng hợp sau khi thêm hydro thu hồi được sẽ là 3:1.
b. Thiết bị Metan hố
Bình metan hố 10-R3001 có một lớp xúc tác loại PK-7R. Chất xúc tác PK- 7R là loại xúc tác niken chứa khoảng 27% niken. Xúc tác có đặc điểm giống như xúc tác reforming nghĩa là xúc tác niken trên chất mang ceramic.
Do phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với xảy ra trong reformer, nên xúc tác phải rất hoạt tính ở nhiệt độ thấp, trái lại đặc tính xúc tác ở nhiệt độ cao hơn là không quan trọng lắm. Phản ứng metan hoá bắt đầu tại nhiệt độ dưới 280oC và gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong lớp xúc tác. Sự gia tăng nhiệt độ tăng phụ thuộc vào hàm lượng CO và CO2 trong khí cơng nghệ.
Nhiệt độ đầu vào cần được điều khiển để đảm bảo hàm lượng CO và CO2 đủ thấp trong khí đầu ra, nhiệt độ đầu vào khoảng 300oC là tốt nhất tại thời điểm khởi động. Chất xúc tác metan hố khơng được phép tiếp xúc với nhiệt độ lớn hơn 420 oC trong một khoảng thời gian dài. Chất xúc tác rất nhạy cảm với các hợp chất lưu huỳnh và clo. Hơi nước khơng có mặt của hydro sẽ oxy hố chất xúc tác và do đó khơng được dùng trong q trình gia nhiệt, làm lạnh hoặc trao đổi. Hơn nữa, chất
xúc tác không được phép tiếp xúc với hơi nước ngưng tụ, vì điều này có thể gây nên sự phân rã. Sự giảm tính hoạt hố có thể do nhưng nguyên nhân sau đây:
- Già cỗi do nhiệt;
- Ngộ độc dần do những tạp chất trong khí nguyên liệu đầu vào như là kali, lưu huỳnh, hoặc asen;
- Rối loạn chức năng của hệ thống tách CO2 (công đoạn MDEA) gây nên hậu quả là hàm lượng CO cao bất thường gây nên sự gia tăng nhiệt độ cao trong lớp xúc tác.
Khi chất xúc tác trở nên già cỗi, nó sẽ mất dần hoạt tính; điều này có thể được bù trừ bằng cách tăng nhiệt độ. Hoạt hoá chất xúc tác được thực hiện một cách đơn giản bằng cách gia nhiệt trong khí cơng nghệ bình thường. Hàm lượng CO và CO2 trong khí được dùng trong q trình hoạt hố phải ở mức thấp nhất có thể, tốt nhất là dưới 1% mol CO+CO2 nhằm giảm thiểu sự gia tăng nhiệt độ của lớp xúc tác.