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 quá trình đang xét hiện nay được mô tả khá chính xác theo các bước sau đây:
1) Quá 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, đòng 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, còn quá 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 chất xúc tác;
+ Ảnh hưởng của khuếch tán phân tử (cỡ hạt chất xúc tác).
− Chất xúc tác:
Có rất nhiều chất có thể xúc tác cho quá 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, vô 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, vô 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 công 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 hoàn 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, còn 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 không ngưng đi vào không 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 không 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 hoàn.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 hoàn có hàm lượng NH3 9 – 11% sau thiết bị phân ly I được giải phóng để duy trì hàm lượng khí trơ không đổi trong khí tuần hoàn 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, còn 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 nguyên liệu cho quá trình tổng hợp NH3. Khí không thẩm thấu giàu N2, CH4làm khí đốt.