HNO 3 60% BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS
2.3 Công nghệ sản xuất HNO 3 60% tại công ty hóa chất 95
2.3.1 Sơ đồ công nghệ
Sơ đồ khối và sơ đồ bố trí thiết bị, đường ống chính của dây chuyền sản xuất axit HNO 3 60% của nhà máy hóa chất 95 được trình bày ở hình 2.1 và 2.2.
Hình 2.1 Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất HNO 3 60%
R101a/b- P102a/b- E103- E104- T1- F102- H101-Flũl-C101- E119a/b- T2- E113- F103- K101- E106- E110- E109- F109- P104a/b- E117- D101-D102-E101- E1Ũ2-H103-K102-P106- R108- ThùngBomThiết bl Thiết blChia khí Loc Thiết bl Lọc Mây LâmThiết bl Trao Loc Thiết bl Thiết bl Trao Lâm mót Thiết bl BamLâm mót ThápTháp tay Thiết bl Trao dổi Thiết bl Thiết bl Xa khí BomChúa sãr chũa NH3 hóa haigaNH3 NH3 trônkhồrgnénmát chia dổi khôngOXHtrao dổi dổi khí tr-6ctáchaxt khí hđp thutranggia nhiêt níoiêttrônkhủ NOx tuônphám NH3 lỏngNH3 nhiêt NH3 khl khí khí nénkhí nhiêt khí NH3 nhêt nhiêt hâ'p thung-ng tuthú câ'phoân NH3 vâ KK (nổi hai) CW
Mô tả công nghệ:
Amoniac dạng khí hoá lỏng trong thùng R101a/b được hoá hơi ở thiết bị gia nhiệt sơ bộ E103 và siêu gia nhiệt ở thiết bị E104. Sau khi được gia nhiệt, amoniac được hỗn hợp với không khí ở thiết bị H-101 trước khi oxi hoá với sự có mặt của xúc tác hợp kim Pt - Rh trong lò đốt K-101 ở áp suất 7,25 bar tuyệt đối.
Hỗn hợp khí sau phản ứng được làm nguội và năng lượng được tận dụng để sản xuất hơi ở nồi hơi E106, gia nhiệt khí đuôi ở thiết bị E110 và gia nhiệt không khí sơ cấp ở thiết bị E113. Sau khi được làm mát tiếp ở thiết bị ngưng tụ nước trước phản ứng E109, các khí NOx tách khỏi axit nitric ngưng tụ ở thiết bị tách khí công nghệ F109 và đi tới tháp hấp thụ D101. Tại tháp này chúng phản ứng với nước tạo thành axit nitric.
Axit nitric tạo thành được tẩy trắng bằng dòng không khí nóng ở tháp D102 nằm ở phần dưới của tháp hấp thụ trước khi được bơm tới giới hạn phân chia dây chuyền.
Khí đuôi đi ra khỏi tháp hấp thụ được gia nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt E101, E102 và E110 trước khi đi tới thiết bị phân huỷ khí NOx K102 với sự có mặt của xúc tác.
Khí thải sau đó qua van dãn nở PV611 theo ống khói ra ngoài trời.
Thuyết minh chi tiết sơ đồ đường ống, thiết bị a. Chuẩn bị hỗn hợp không kh í —amoniac a.1. Nén không khí
Không khí qua thiết bị lọc F101 được máy nén khí C101 nén đến áp suất 7,5 bar tuyệt đối. Lưu lượng không khí nén được chia thành hai: không khí sơ cấp chiếm khoảng 80% và không khí thứ cấp chiếm khoảng 20%.
Dòng không khí sơ cấp được được gia nhiệt ở 225oC trong thiết bị gia nhiệt không khí sơ cấp E113, được lọc tiếp trong thiết bị lọc F103 rồi đi tới thiết bị trộn hỗn hợp không khí - amoniac H101. Lưu lượng không khí sơ cấp hiển thị trên FI424 là thông số chủ đạo đối với bộ điều khiển tỷ lệ amoniac/không khí.
Dòng không khí thứ cấp được làm nguội tới 103oC tại thiết bị làm mát E117 và được dùng để tẩy trắng axit nitric tới từ tháp hấp thụ D101.
a.2. Hoá hơi/siêu gia nhiệt amoniac và điều khiển áp suất
Amoniac dùng cho quá trình oxi hoá tạo khí NOx và để khử chọn lọc NOx trong thiết bị khử NOx được cấp từ thùng chứa R101a/b qua bơm P102a/b.
Amoniac hoá hơi ở áp suất 9,7 bar tuyệt đối trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ E103 bằng hơi áp suất thấp 5,0 bar tuyệt đối.
Amoniac thể hơi được siêu gia nhiệt ở 150oC bằng hơi trung áp trong thiết bị siêu gia nhiệt E104.
Lưu lượng amoniac đi vào E103 được điều khiển bằng mức amoniac trong thiết bị E103 qua vòng điều khiển LIC203.
Mức cao trong E103 sẽ khởi đầu ngắt công nghệ bởi LAHH205 (mức bình thường 40%).
Áp suất hơi amoniac trong E103 dược điều khiển bằng PIC207 qua van điều chỉnh lưu lượng nước ngưng đi ra khỏi E103 (thông thường hơn áp suất khí sơ cấp
~1,5 bar).
Hỗn hợp dầu - nước tích tụ ở đáy E103 được xả vào thùng R102 và bốc hơi ra ngoài khí quyển.
Áp suất quá cao của amoniac ở đầu ra của van PV211 sẽ khởi đầu ngắt công nghệ bới PAHH212.
Nhiệt độ quá thấp của amoniac ở đầu ra của bộ lọc amoniac F102 sẽ khởi đầu ngắt công nghệ bởi TALL222.
a.3. Điều khiển tỷ lệ amoniac/không khí
Amoniac đã siêu gia nhiệt được lọc qua thiết bị lọc F102, trộn với không khí sơ cấp trong thiết bị trộn kiểu tĩnh H101 trước khi thực hiện phản ứng oxi hoá trong lò đốt K101. Lưu lượng khí amoniac (ở điều kiện tiêu chuẩn) được đo bằng FT214, lưu lượng không khí sơ cấp (ở điều kiện tiêu chuẩn) được đo bằng FT424.
Lưu lượng không khí sơ cấp là thông số chủ thể để điều khiển tỷ lệ amoniac/không khí: lưu lượng không khí được gửi đến bộ điều khiển tỷ lệ FFY215, bộ điều khiển tỷ lệ này tác động lên bộ điều khiển lưu lượng amoniac FFIC214 bằng cách qua van FV214.
Tỷ lệ NH 3 /(NH 3 + không khí) ở điều kiện làm việc bình thường là khoảng 10,5%
thể tích.
Vòng điều khiển tỷ lệ này là vòng điều khiển quan trọng nhất trong dây chuyền sản xuất axit nitric. Khi tỷ lệ NH 3 /(NH 3 + không khí) quá cao sẽ khởi đầu ngắt công nghệ bởi FFAHH-215, các van cấp amoniac đóng lại.
b. Ôxi hoá amoniac
Hỗn hợp không khí-amoniac với áp suất khoảng 7,25 bar abs và nhiệt độ 215oC được đưa đến lò đốt K101, tại đây dòng khí đi qua một tấm đục lỗ nhằm phân bố khí một cách đồng đều trên bề mặt các lưới xúc tác Platin - Rhodi.
Lò đốt được lắp 12 tấm lưới xúc tác
Một vòng cấp hyđro được đặt trước lưới có nhiệm vụ mồi đốt amoniac. Ngay sau khi phản ứng bắt đầu, ngừng cấp hyđro.
Sự phân bố khí, lưu tốc, thời gian tiếp xúc và nhiệt độ trên lưới xúc tác được tối ưu hoá để thu được hiệu suất chuyển hoá amoniac cao và hạn chế tổn thất xúc tác.
Nhiêt độ phản ứng cháy amoniac trong lò đốt theo thiết kế là 910oC, điểm đặt tỷ lệ NH 3 /(NH 3 + không khí) trên bộ điều khiển FFY215 được điều chỉnh để duy trì nhiệt độ này.
Bên dưới các lưới xúc tác Platin được đặt các lưới thu hồi. Các lưới này thu hồi được một phần platin.
Hiệu suất chuyển hoá amoniac trong lò đốt khoảng 96% với lượng tổn hao xúc tác khoảng 50 mg/tấn HNO 3 quy đặc 100%.
c. Thu hồi nhiệt của khí nitrơ
Nhiệt giải phóng ra từ phản ứng oxi hoá làm nhiệt độ lưới xúc tác và nhiệt độ khí sau phản ứng tăng lên 910oC. Tại đầu ra của lò đốt, khí nitrơ lần lượt đi qua các thiết bị trao đổi nhiệt sau:
- Nồi hơi tận dụng nhiệt, E106
- Thiết bị siêu gia nhiệt khí đuôi, E110 - Thiết bị gia nhiệt không khí, E113 c.1 Sản xuất hơi và gia nhiệt khí đuôi
Khí nitrơ đi vào nồi hơi E106 có nhiệt độ 910oC và đi qua bộ bốc hơi gồm các ống lửa được kết nối tuần hoàn tự nhiên với trống hơi F104. Nhiệt độ khí tại đầu ra là 300oC.
Thể tích không gian ống (để thực hiện phản ứng oxi hoá NO thành NO 2 ) tính từ đầu ra E106 đến thiết bị siêu gia nhiệt khí đuôi E110 được thiết kế sao cho nhiệt độ khí nitrơ tăng lên 343oC.
Khí nitrơ khi đi qua các ống của thiết bị siêu gia nhiệt khi đuôi E110 được làm mát từ 343oC xuống 255oC, trong khi đó khí đuôi phía bên kia ống được gia nhiệt lên.
Thể tích không gian ống tính từ đầu ra E110 đến thiết bị gia nhiệt không khí sơ cấp E113 được thiết kế sao cho nhiệt độ khí nitrơ tăng lên 279oC. Sau khi qua E113, khí nitrơ được làm nguội từ 279oC xuống 193oC.
c. 2 Nhiệt toả ra từ phản ứng oxi hoá NO
Phản ứng oxi hoá NO thành NO 2 là phản ứng toả nhiệt, ở nhiệt độ thấp xảy ra dễ dàng hơn.
Lượng nhiệt toả ra từ phản ứng này trong hệ thống các thiết bị dẫn khí nitrơ như sau:
- Đoạn ống từ E106 đến E110: 121690 kcal/h - Tại E110: 11350 kcal/h
- Đoạn ống từ E110 đến E113: 60680 kcal/h - Tại E113: 13340 kcal/h
- Đoạn ống sau E113: 60470 kcal/h d. Ngưng tụ và tách axit loãng
Khí nitrơ sau khi rời thiết bị E113 được làm nguội bằng nước làm mát từ 193oC xuống 60oC trong thiết bị ngưng tụ nước công nghệ E109.
Axit loãng ngưng tụ có nồng độ khoảng 44% trọng lượng do phản ứng giữa NO 2 với nước ngưng tụ trong E109.
Thiết bị E109 được thiết kế dạng ống làm bằng Titan để chống ăn mòn do các ion Cl- có trong nước làm mát và do axit loãng ngưng tụ ở nhiệt độ cao.
Axit loãng được tách khỏi khí nitrơ trong thiết bị tách khí công nghệ F109 nằm ở phía dưới E109 và được bơm vào tháp hấp thụ D101 qua van điều khiển lưu lượng LV-501. Axit loãng được đưa vào khay có cùng nồng độ (khay số 7, 8, 9).
Nhiệt độ axit nitric loãng trong F109 được đo bởi TI503. Nếu phản ứng oxi hoá amoniac trong lò đốt xảy ra không hoàn toàn (trong khi khởi động hay do ngộ độc xúc tác), lượng khí amoniac này được hấp thụ trong F109 và phản ứng với axit nitric tạo thành amoni nitrat. Phản ứng này toả nhiệt làm nhiệt độ axit trong F109 tăng. Nếu nhiệt độ này quá cao sẽ khởi đầu ngắt công nghệ bởi TAHH512.
e. Sản sinh axit nitric bằng cách hấp thụ khí nitrơ
Từ thiết bị E109, khí nitrơ đi vào đáy tháp hấp thụ D101 và được trộn với không khí thứ cấp đến từ tháp tẩy trắng D102.
Axit nitric tạo thành trên cả 22 đĩa đục lỗ bởi quá trình hấp thụ và phản ứng của khí NO 2 và N 2 O 4 với nước thuần được cấp vào từ đĩa trên cùng của tháp.
Khí nitrơ trên đường đi từ đáy lên đỉnh tháp hấp thụ sẽ đi qua các đĩa đục lỗ, nó tạo bong bóng trong axit trên mỗi đĩa, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho khí NO 2 và N 2 O 4 có trong khí nitrơ phản ứng với nước để tạo thành axi nitric.
Sau khi đi qua một đĩa, hàm lượng khí NO 2 và N 2 O 4 trong khí nitrơ sẽ giảm do bị hấp thụ, trong khi đó khí NO được tạo thêm trên mỗi đĩa do phản ứng tạo thành axit nitric kèm theo giải phóng khí NO. Khoảng không gian giữa hai đĩa cho phép oxi hoá một phần NO thành NO 2 .
Tại đầu ra của tháp hấp thụ, hàm lượng NOx trong khí đuôi thấp hơn 1800 ppm.
Bơm P112 cấp nước công nghệ vào đĩa trên cùng của tháp hấp thụ. Nước chảy ngược dòng với khí nitrơ, đi từ đỉnh xuống đáy tháp và nồng độ axit tăng liên tục từ 0 đến 60%.
Axit loãng tạo thành trong thiết bị tách khí công nghệ F109 được cấp vào các đĩa số 7, 8 hay 9 tuỳ thuộc vào nồng độ axit trên các đĩa. Trong điều kiện làm việc bình thường, đĩa số 8 có nồng độ gần với axit loãng nhất.
Nhiệt toả ra từ quá trình hấp thụ tạo axit và từ phản ứng oxi hoá NO thành NO 2 được lấy đi bằng nước làm mát tuần hoàn trên các cuộn ống ruột gà ngay trên mỗi đĩa.
Axit nitric có nồng độ khoảng 60% đi qua tháp tẩy trắng D102 nằm ở phía dưới tháp D101.
g. Tẩy trắng axit
Axit nitric tạo thành trong tháp hấp thụ chứa một lượng lớn khí nitrơ hoà tan trong dung dịch làm axit có màu. Các khí hoà tan này được loại bỏ phần lớn nhờ sục khí nóng vào dung dịch axit.
Không khí thứ cấp đến từ máy nén khí C101 có áp suất 7,25 bar abs và nhiệt độ 122oC sau đó được làm nguội xuống 103oC trong thiết bị E117 rồi đưa vào tháp tẩy trắng D102. Lưu lượng không khí cấp vào được điều khiển bởi van HV519. Trong tháp tẩy trắng D102, không khí thứ cấp sẽ cuốn theo nó khí nitrơ giải phóng ra từ axit nitric chảy ngược dòng trên hai đĩa đục lỗ.
Không khí và khí nitrơ tập trung lại ở phần trên của tháp tẩy trắng và trộn với khí nitrơ tại đầu vào của tháp hấp thụ.
Hàm lượng NO 2 trong axit đã được tẩy trắng thấp hơn 50ppm (theo HNO 2 ).
Axit nitric thành phẩm được đưa về thùng R108.
h. K hí đuôi
h.1. Gia nhiệt khí đuôi
Khí đuôi đi ra khỏi tháp D101 có nhiệt độ 33oC, áp suất 6,4 bar, hàm lượng NOx 1800 ppm, qua thiết bị tách F107 để tập trung các giọt axit nhỏ có trong khí đuôi lại.
Sau đó trước khi đi vào thiết bị phản ứng phân huỷ, khí đuôi được gia nhiệt lên 225oC trong các thiết bị gia nhiệt sau:
- Thiết bị gia nhiệt sơ bộ khí đuôi E101, từ 33oC lên 51oC bằng hơi áp suất thấp (khí đuôi đi bên phía ống).
- Thiết bị gia nhiệt khí đuôi E102, từ 51oC lên 120oC bằng cách trao đổi nhiệt với khí đến từ thiết bị phân huỷ K102.
- Thiết bị siêu gia nhiệt khí đuôi E110, từ 120oC lên 225oC bằng cách tận dụng nhiệt của khí nitrơ.
h.2. Phản ứng khử NOx với xúc tác
Sau khi siêu gia nhiệt trong E110, khí đuôi được trộn với amoniac (nhiệt độ 148oC) tại thiết bị trộn kiểu tĩnh H102.
Hỗn hợp khí đuôi/amoniac được đưa vào thiết bị phản ứng phân huỷ NOx với sự có mặt của xúc tác thích hợp, khí NOx bị amoniac khử thành N 2
h. 3. K hí thải
Khí đuôi sau khi được khử NOx được thải ra ngoài trời qua van PV611 ở 178oC.
i. Nước công nghệ
Nước công nghệ trong thùng R109 được bơm P112a/b cấp vào đĩa trên cùng của tháp hấp thụ qua van điều khiển lưu lượng FV510.
Lưu lượng nước công nghệ được điều chỉnh để thu được nồng độ axit ở đáy tháp theo mong muốn (khi ổn định ~ 0,5m3/h).
j. Nước làm mát
Nước làm mát được cấp đến giới hạn dây chuyền với áp suất 6 bar abs và nhiệt độ không quá 30oC.
Các thiết bị tiêu thụ nước làm mát trong dây chuyền:
- Tháp hấp thụ D101
- Thiết bị làm nguội không khí thứ cấp - Thiết bị làm mát máy nén khí E119a/b - Thiết bị làm mát dầu bôi trơn
- Thiết bị làm mát mẫu
- Thùng chứa nước ngưng R103.