7. Cấu trúc của luận văn
2.2. Nghiên cứu cơ chế hình thành muối NH4Cl
Muối NH4Cl hình thành và đóng cặn tại các thiết bị thuộc khu vực hạ nguồn của phân xưởng CCR, bao gồm tháp tách Debutanizer (T-1301), các thiết bị trao đổi nhiệt (E-1306A/B/C/D, E-1307, E-1308/9/10), và tại bộ lọc đầu hút máy nén tuần hoàn Hydro C-1301. Nguyên nhân của sự hình thành muối NH4Cl là do hàm lượng tạp chất Nitơ trong dòng nguyên liệu Naphtha nặng của phân xưởng CCR cao hơn so với giá trị thiết kế, kết hợp với khí Hydro (dịng khí tuần hồn) và sau đó phản ứng với khí HCl (nồng độ HCl ln duy trì khoảng 2.0 ppm mol trong trong dịng khí Hydro tuần hoàn). Phản ứng này xảy ra theo hai giai đoạn chính sau:
▪ Giai đoạn 1: Phản ứng giữa hợp chất chứa Nitơ có trong nguyên liệu với Hydro tạo thành NH3 theo phản ứng sau:
N2 (k) + 3H2 (k) NH3 (k) (H = –92 kJ/mol) (4)
Đặc điểm của phản ứng này là xảy ra ở nhiệt độ cao 450°C ÷ 500°C, áp suất cao 200 ÷ 300 Atm và có mặt của chất xúc tác kim loại. Ở điều kiện áp suất cao, cân bằng chuyển dịch sang phía tạo ra nhiều NH3. Nhưng khi ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch theo chiều ngược lại. Vì vậy phản ứng này chỉ xảy ra được ở trong khoảng nhiệt độ thích hợp. Giản đồ hình 2.7 mơ tả mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất đến quá trình hình thành NH3 trong hỗn hợp cân bằng với Nitơ và Hydro và giản đồ hình 2.8 mơ tả ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng hình thành NH3 [16].
Hình 2.6 - Biểu thị % NH3 thực tế trong hỗn hợp với Nitơ và Hydro theo nhiệt độ và áp suất [16]
Hình 2.7 - Ảnh hưởng của áp suất lên tốc độ phản ứng giữa Nitơ-Hydro và hiệu suất tạo thành NH3 [16]
Mỗi đường cong trên biểu đồ trên cung cấp cho ta biết giá trị về nồng độ %NH3 hình thành trong hỗn hợp cân bằng sẽ tăng lên khi tăng áp suất của hệ thống ở điều kiện duy trì nhiệt độ khơng đổi.
Mặc dù điều kiện vận hành của thiết bị phản ứng tại phân xưởng Reforming xúc tác CCR rất khác so với các điều kiện được mơ tả trong biểu đồ hình 2.6 và hình 2.7, đặc biệt là áp suất chỉ vận hành khoảng 5.5 kg/cm2g và nhiệt độ vận hành vào khoảng 4900C ÷ 5400C. Tuy nhiên quá trình phản ứng để hình thành NH3 vẫn có xảy ra do tạp chất nitơ có trong thành phần Naphtha ở dạng hợp chất hữu cơ và có sự hiện diện của chất xúc tác kim loại quý Platin nên sẽ phản ứng với hydro để tạo thành NH3.
▪ Giai đoạn 2: Khí NH3 hình thành ở giai đoạn 1 sẽ phản ứng với khí HCl theo tỷ lệ 1:1 để hình thành muối NH4Cl
NH3(k) + HCl(k) NH4Cl (k) (5)
Theo tính tốn cứ 1 kg (pound) Nitơ có trong nguyên liệu naphtha sẽ phản ứng với hydro và khí acid HCl để tạo thành 2,5 kg (pound) muối NH4Cl. Sự hình thành NH4Cl là một quá trình thuận nghịch và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Đây là một phản ứng tỏa nhiệt (ΔH0f = -314,55 kJ / mol), nhiệt độ cao làm thay đổi trạng thái cân
bằng đối với các chất phản ứng HCl và NH3. Hình 2.8 bên dưới mô tả mối liên hệ giữa nhiệt độ với nồng độ của NH3 và Clo đến việc hình thành và đóng cặn muối NH4Cl bên trong hệ thống.
Hình 2.8 - Giản đồ điểm đóng cặn muối NH4Cl [17]
Dựa vào biểu đồ biểu thị vùng tạo muối trên hình 2.8, từ đó xác định được chính xác khu vực nào bên trong của tháp Debutanizer và vùng đỉnh của tháp sẽ bị lắng đọng muối cũng như tiềm ẩn mối nguy ăn mịn cao do muối NH4Cl. Thơng qua việc phân tích dữ liệu và xây dựng được các đường cong điểm muối bằng mơ hình LoSALT, đã chỉ ra rằng sự tích tụ muối NH4Cl là nguyên nhân chính gây ra sự ăn mòn bên trong tháp.