D. Cương vị Khử CO
G. Cương vị Tổng hợp NH
Nhiệm vụ:
Cương vị Tổng hợp NH3 có nhiệm vụ từ N2 và H2 trong khí tinh luyện, ở nhiệt độ và áp suất cao, với sự có mặt của chất xúc tác tổng hợp thành NH3 ở dạng khí trong tháp tổng hợp và được làm lạnh, ngưng tụ và phân ly thành NH3 lỏng đưa đi chứa ở kho cầu.
Nguyên lý của quá trình tổng hợp NH3:
− Đặc điểm của phản ứng tổng hợp NH3 Phản ứng tổng hợp NH3: có các đặc điểm: + Làm giảm thể tích; + Tỏa nhiệt; + Thuận nghịch;
+ Cần có xúc tác để đẩy nhanh tốc độ phản ứng theo chiều thuận;
+ Tỷ lệ H2:N2 = 3:1 là có lợi nhất cho tổng hợ NH3.
− Hằng số cân bằng của phản ứng tổng hợp NH3:
Hằng số cân bằng của phản ứng đang xét được thể hiện bởi phương trình:
Trong đó:
Kp – Hằng số cân bằng;
- Áp suất riêng phần ở trạng thái cân bằng của NH3, H2 và N2, tương ứng, at.
Vì phản ứng tổng hợp NH3 làm giảm thể tích, tỏa nhiệt và thuận nghịch nên căn cứ vào nguyên lý chuyển dịch cân bằng La Châtelier thì thấy nếu hạ thấp nhiệt độ, tăng cao áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận tạo thành NH3, và Kp tăng lên.
− Động học của quá trình tổng hợp NH3 có chất xúc tác:
Phản ứng của H2 và N2 có chất xúc tác rắn để tổng hợp NH3 phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa 2 pha khí-rắn. Cơ chế của q trình đang xét hiện nay được mơ tả khá chính xác theo các bước sau đây:
1) Q trình di chuyển N2 và H2trong pha khí qua lớp biên thủy lực do đối lưu và khuếch tán;
2) Khuếch tán phần lớn N2 và H2 vào mao quản của chất xúc tác; 3) Hấp phụ N2 và H2trên các tâm hoạt hóa;
4) Phản ứng hóa học giữa N2trong pha rắn với H2 trong pha rắn và cả trong pha khí tạo thành các sản phẩm trong pha rắn NH sau đó là NH2 và cuối cùng là NH3.
5) Nhả NH3 vào pha khí ;
6) Khuếch tán NH3 ra khỏi mao quản đến bề mặt ngoài của chất xúc tác; 7) Di chuyển NH3qua lớp biên thủy lực vào nhân pha khí.
Trong đó, khi tốc độ pha khí khá lớn, địng thời cỡ hạt chất xúc tác nhỏ vừa phải thì ảnh hưởng của khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử đối với tốc độ chung là rất nhỏ, cịn q trình hấp phụ N2 trên các tâm hoạt hóa chậm nhất nên quyết định tốc độ chung.
− Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình tổng hợp NH3:
+ Áp suất;
+ Nhiệt độ;
+ Ảnh hưởng của khí trơ;
+ Ảnh hưởng của khuếch tán phân tử (cỡ hạt chất xúc tác).
− Chất xúc tác:
Có rất nhiều chất có thể xúc tác cho q trình tổng hợp NH3 như Fe, Pt, Mn, W,…Nhưng những chất xúc tác lấy Fe làm thành phần chính ứng dụng rộng rãi hơn vì có nhiều ưu điểm: giá thành rẻ, ở nhiệt độ thấp cũng có hoạt tính tốt, khả năng chống độc mạnh và tuổi thọ cao.
Thực tế đang sử dụng 2 loại xúc tác loại A110-1 và A202:
A110 – 1 A202 Thành phần − Fe3O4 − Chất trợ xúc tác: Al2O3, K2O, CaO,…. − Fe3O4 − Chất trợ xúc tác: Co3O4, Al2O3, K2O, CaO và đất hiếm Một số đặc tính
kỹ thuật chủ yếu − Hạt rắn màu đen, vơ định hình, có ánh kim nhẵn bóng
− Cỡ hạt: 1,5 – 3,0; 2,2 – 3,3; 3,3 – 4,7; 4,7 – 6,7; 6,7 – 9,4 mm
− Bề mặt riêng = 13 m2/g
− Hạt rắn màu đen, vơ định hình, có ánh kim nhẵn bóng
− Cỡ hạt: 2,2 – 3,3; 3,3 – 4,7; 4,7 – 6,7; 6,7 – 9,4; 9,4 – 13 mm
− Bề mặt riêng = 15 – 18 m2/g Các chất độc Hơi nước, dầu, CO, CO2, H2S, hợp chất sulfua, hợp chất asen, P và
hợp chất phospho
So sánh A202 có nhiều ưu điểm hơn A110 – 1 như dễ hoàn nguyên hơn, hiệu quả xúc tác vượt trội 7 – 15%, tuy nhiên giá thnahf cao hơn
Lưu trình cơng nghệ:
Khí tinh luyện:
Khí mới có nhiệt độ < 40oC từ đường ống chung đoạn VI của máy nén 6 cấp, qua thiết bị phân ly dầu nước khí mới để loại bỏ dầu, nước và các tạp chất khác, rồi cùng khí tuần hồn từ bộ phân ly dầu nước sau máy nén turbinetuần hoàn ra đi vào ống trao đổi nhiệt củathiết bị làm lạnh. Khí này được làm lạnh bằng khí đi lên từ thiết bị phân ly NH3rồi đi vào ống trao đổi nhiệt của thiết bị bốc hơi ngưng tụ NH3. Tại thiết bị bốc hơi ngưng tụ NH3, NH3 lỏng đi ngoài ống nhận nhiệt của khí đi trong ống để bốc hơi, cịn khí đi trong ống được làm lạnh xuống -2oC nên NH3 khí được ngưng tụ thành NH3 lỏng và được tách ra ở thiết bị phân ly lần 2, qua van giảm áp đi vào thùng chứa trung gian. Phần khí khơng ngưng đi vào khơng gian giữa các ống trao đổi nhiệt của thiết bị làm lạnhđể trao đổi nhiệt với khí trong ống, nhiệt độ tăng lên đến khoảng 30oC.
Khí sau khi đi ra khỏi thiết bị làm lạnh thì chia làm 2 đường:
− Đường khí chính đi vào tháp tổng hợp NH3, theo khe hở vành khăn giữa vỏ tháp tổng hợp và rọ xúc tác, đi từ trên xuống để làm lạnh vỏ tháp rồi đi ra ở đáy tháp tổng hợp NH3 (lần 1).
− Đường khí thứ 2 hỗn hợp với một phần khí đi ra khỏi tháp tổng hợp NH3lần 1 sẽ đi vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt khí – khí.
Khí đi ra khỏi tháp tổng hợp NH3lần 1 được chia làm 3 đường:
− Đường khí thứ 1 đi vào đỉnh tháp tổng hợp NH3, trộn lẫn với khí ra khỏi tầng xúc tác thứ 2 (tầng hướng kính thứ 1) để điều chỉnh nhiệt độ tầng xúc tác thứ 3 (tầng hướng kính thứ 2). Hỗn hợp này đi vào tầng xúc tác thứ 3 thực hiện phản ứng tổng hợp NH3 rồi đi trong các ống trao đổi nhiệt dưới đáy tháp tổng hợp NH3để trao đổi nhiệt với đường khí thứ 2 vào tháp tổng hợp NH3 lần 2 đi trong không gian giữa các ống trao đổi nhiệt.
− Đường khí thứ 2 đi vào tháp tổng hợp NH3lần 2 từ phía đáy.
− Đường khí thứ 3 hỗn hợp với đường khí thứ 2 ra khỏi thiết bị làm lạnh, rồi đi vào khoảng không gian giữa các ống trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt khí – khívà nhận nhiệt của khí từ nồi hơi nhiệt thừa đi phía trong các ống trao đổi nhiệt.
Khí ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt khí – khí có nhiệtđộ 160 – 180oC được chia làm 3 đường đi vào tháp tổng hợp NH3:
− Đường khí chính đi vào không gian giữa các ống của bộ trao đổi nhiệt dưới đáy tháp tổng hợp NH3 để trao đổi nhiệt với khí sau phản ứng đi trong các ống trao đổi nhiệt. Nhiệt độ đường khí chính tăng lên đến 380 – 400oC qua ống trung tâm đi vào tầng xúc tác thứ 1 (tầng hướng trục).
− Đường khí phụ đi vào tháp tổng hợp NH3từ đáy, rồi cùng với đường khí đường chính qua ống trung tâm vào tầng xúc tác thứ 1. Đường khí phụ này có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ của tầng xúc tác thứ 1.
− Đường khí kích lạnh đi vàotháp tổng hợp NH3từ đỉnh, đi vào không gian giữa các ống trao đổi nhiệt ở giữa tầng hướng trục và tầng hướng kính thứ 1. Đường khí kích lạnh trao đổi nhiệt với hỗn hợp khí phản ứng đi trong các ống trao đổi nhiệt ra từ tầng hướng trục để điều chỉnh nhiệt độ tầng hướng kính thứ 1. Đường khí kích lạnh sau khi trao đổi nhiệt xong đi qua khe hở hỗn hợp với khí ở ống trung tâmđi vào tầng tầng hướng trục.
Khí sau phản ứng ra khỏi bộ trao đổi nhiệt dưới đáy tháp tổng hợp NH3 có nhiệt độ khoảng 330oC, đi ra tháp lần 2 và được đưa vào nồi hơi nhiệt thừa. Khí đi trong các ống trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho nước mềm để sản xuất hơi nước 0,5MPa.Ra khỏi nồi hơi nhiệt thừa, khí tổng hợp có nhiệt độ khoảng 220oC đi vào trong các ống trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt khí – khí để gia nhiệt cho khí chưa phản ứng ở khơng gian giữa các ống trao đổi nhiệt. Khí tổng hợp được làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 100oC rồi đi vào thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống để làm lạnh bằng nước tuần hồn.Khí tổng hợp sau đó có nhiệt độ khoảng 35oC thì
một phần NH3khí ngưng tụ thành NH3 lỏng và được tách ra ở thiết bị phân ly lần1, qua van giảm áp đưa đến thùng chứa trung tâm.
Khí đi ra khỏi thiết bị phân ly lần 1 đi vào máy nén turbine tuần hoàn để bù áp suất do trở lực của hệ thống tổng hợp NH3 gây nên, tiếp tục qua bộ phân ly dầu nước sau turbine để tách dầu, nước và các tạp chất khác. Tiếp theo sẽ hỗn hợp với khí mới từ thiết bị phân ly dầu nước khí mới.
Khí thải bỏ và khí thùng chứa:
Khí thùng chứa từ thùng chứa trung gian hay kho cầu có hàm lượng NH3 khoảng 35% với một phần khí tuần hồn có hàm lượng NH3 9 – 11% sau thiết bị phân ly I được giải phóng để duy trì hàm lượng khí trơ khơng đổi trong khí tuần hồn vào tháp tổng hợp NH3được đưa vào tháp hấp thụ NH3 từ đáy. Tháp hấp thụ NH3 dùng nước mềm đã qua làm lạnh, tăng áp hấp thụ thu hồi lượng NH3 bị thải bỏ thành nước NH3 11 – 12%, rồi đem chưng lấy NH3 lỏng, cịn khí tiếp tục được qua bộ thẩm thấu màng cellulose để thu hồi H2cho quay trở lại đoạn IV của máy nén 6 cấp làm khí ngun liệu cho q trình tổng hợp NH3. Khí khơng thẩm thấu giàu N2, CH4làm khí đốt.
NH3 lỏng:
NH3 lỏng được phân ly từ các thiết bị phân ly I, II được giảm áp xuống 2,35 MPa rồi vào thùng chứa trung gian sau đó tiếp tục đưa tới chứa ở kho cầu.
NH3lỏng từ hệ thống hấp thụ chế lạnh cấp cho thùng cao vị NH3 lỏng. Tại đây NH3 lỏng đi xuống đáy thiết bị bốc hơi ngưng tụ nhận nhiệt hóa khí, NH3 khíđược tập trung về thùng cao vị để phân ly những giọt NH3 lỏng đi theo, NH3 khí đi về hệ thống hấp thụ chế lạnh thành NH3 lỏng.
Khí bảo vệ máy nén turbine tuần hồn:
Khí bảo vệ máy nén turbine tuần hồn là khí mới từ đường ống chung đến, qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm để làm lạnh bằng NH3 khí từ thùng cao vị đến, nhiệt độ hạ từ 35 – 40oC xuống còn 15oC, qua bộ phân ly tách dầu, nước tiếp tục vào bộ sấy silicagel để sấy khơ triệt để hơi nước. Khí này đi qua khe hở giữa stato và roto máy nén turbine tuần hoàn làm nhiệm vụ cách điện động cơ, sau đó hỗn hợp với khí tuần hồn đi vào buống nén của máy nén turbine tuần hoàn.
Nước và hơi nước:
Nước làm lạnh do trạm bơm nước tuần hoàn cung cấp, nước về quay trở lại mạng ống nước tuần hoàn.
Nước dùng cho nồi hơi nhiệt thừa là nước mềm khử oxy do trạm nước mềm ở xưởng Nhiệt cung cấp.
Hơi nước từ nồi hơi nhiệt thừa có áp suất 0,5 MPa được hịa vào mạng ống hơi chung tồn cơng ty.
Các chỉ tiêu cơng nghệ chính:
- Thể khí vào tháp tổng hợp lần 1 ≤ 40oC
- Thể khí ra tháp tổng hợp lần 1 < 70oC
- Thể khí ra tháp tổng hợp lần 2 ≤ 330oC
- Thể khí vào tháp tổng hợp lần 2 ≤ 180oC
- Thể khí ra lị hơi nhiệt thừa ≤ 220oC
- Làm việc của xúc tác tổng hợp NH3 ≤ 510oC
Áp suất
- Cửa ra máy nén tuabin tuần hoàn ≤ 31,4 MPa
- Thùng chứa trung gian ≤ 2,35 MPa
- Tốc độ tăng và hạ áp tháp 0,2÷0,49 MPa/phút
- Tốc độ tăng và hạ áp tuabin 0,2÷0,3 MPa/phút
- NH3 lỏng đến thùng cao vị ≥ 1 MPa
- Chênh áp toàn hệ thống ≤ 2,35 MPa
- Chênh áp trong và ngoài rọ xúc tác < 0,7 MPa
Lưu lượng
- Qua lò điện ≥ 10000 Hm3/h
- Khí bảo hộ tuabin ≥ 1000 Hm3/h
- Qua tuabin tuần hoàn ≥ 50% lưu lượng tối đa của hệ thống
Lị điện
- Cơng suất 1000 kW
Tuabin
- Chênh lệch áp suất lớn nhất ≤ 2,35 MPa
- Chênh lệch áp suất nhỏ nhất > 3% áp suất cửa vào
- Áp suất khí bảo hộ lớn hơn áp suất khí tuần hồn:
5 kg/cm2
- Độ cách điện của động cơ ≥ 0,5 MΩ
- Áp suất dầu bôi trơn > Áp suất cửa ra tuabin
- Dịng điện định mức ≤ 700 A
- Cơng suất tuabin ≤ 550 kW
- Nhiệt độ khí bảo hộ ≤ 15oC
- Nhiệt độ stato ≤ 60oC
- Nhiệt độ khí ra tuabin ≤ 48oC
- Dịch diện thùng tra dầu > 1/3 dịch diện
Phân tích
- Khí mới, H2 73÷75%
- Khí tuần hồn, H2 62÷66%
- NH3 trong khí thể ra tháp tổng hợp ≥ 13%
- NH3 trong khí thể vào tháp tổng hợp < 4%
- Hàm lượng khí trơ trong khí tuần hồn
12÷14%
- Nồng độ CO + CO2 < 20 ppm
- Độ thuần NH3 lỏng Loại 1Loại 2 99,8%99,5%