N2 + 3H2 2NH3
1200 ppm CH3OH và được tuần hồn trở lại. Nhiệt thốt ra khi làm mát, ngưng tụ dùng để:
- Tái sinh dung dịch rửa CO2.
- Để thiết bị làm lạnh hấp thụ làm việc.
- Gia nhiệt sơ bộ nước nguyên liệu trong thiết bị đun sơi.
CO2 được tách ra bằng hấp thụ vật lý hay hấp thụ hố học. Các dung mơi sử dụng trong trong quá trình hấp thụ hố học là các dung dịch amin như mono etanolamin (MEA), metyl dietanolamin (MDEA), metyl dietanolamin đã hoạt hố (AMDEA), hay các dung dịch K2CO3 nĩng.
3.9 Metan hố:
Một lượng nhỏ CO, CO2 cịn sĩt lại trong khí tổng hợp, là những chất độc đối với xúc tác tổng hợp NH3 nên ta phải tách hết chúng ra bằng cách chuyển thành CH4 trong quá trình mêtan hố.
Các phản ứng xảy ra ở 3000C trong thiết bị phản ứng chứa đầy xúc tác Ni. Mêtan là khí trơ, cịn nước thì phải tách ra trước khi đưa vào tháp tổng hợp NH3.
3.10 Nén khí tổng hợp và tổng hợp NH3:
Các nhà máy sản xuất NH3 hiện đại sử dụng các máy nén khí ly tâm để nén khí tổng hợp, máy nén thường chạy bằng tuabin hơi nước, với hơi nước lấy từ phân xưởng NH3. Máy nén làm lạnh dùng cho quá trình ngưng tụ NH3 cũng chạy bằng tuabin hơi nước.
Sự tổng hợp NH3 xảy ra trên xúc tác Fe ở p = 100 ÷200 bar và nhiệt độ giới hạn từ 350 ÷ 5500C.
Phản ứng tổng hợp:
Chỉ 20 ÷ 30% nguyên liệu bị chuyển hố trong thiết bị vì vậy cần cho tuần hồn trở về tháp tổng hợp.
NH3 tạo thành được tách từ khí tuần hồn bằng làm mát, ngưng tụ. Cịn khí đã phản ứng thế bằng khí tổng hợp sạch vì thế duy trì được áp suất
tổng hợp.
Xúc tác tổng hợp NH3 được cải tiến cĩ chứa Rh trên chất mang grafit cĩ hoạt tính cao, cĩ khả năng tăng độ chuyển và giảm áp suất làm việc.
* Cấu tạo tháp tổng hợp NH3.
Tháp tổng hợp là tháp hình trụ, bằng thép, cao từ 18 - 30 m, đường kính 1-1,4m. Tháp được đặt thẳng đứng, phần trên và dưới tháp được nối với nhau bởi ghi thép và mặt bích.
a. Khí vào.
b. trao đổi nhiệt giữa lớp xúc tác thứ nhất. c. Cửa điều chỉnh nhiệt độ.
d. Lớp xúc tác thứ nhất.
e. khơng gian bên trong vịng xúc tác. f. Lớp xúc tác thứ hai.
g. Khí ra.
Nguyên tắc hoạt động:
- Tháp tổng hợp ammonia R04501 thuộc loại S-300 (radial flow converter). R04501 bao gồm một vỏ chịu áp suất và một vỏ đựng xúc tác. Vỏ đựng xúc tác chứa ba lớp xúc tác và hai thiết bị trao đổi nhiệt trung gian giữa các lớp xúc tác đặt ở trung tâm, xin xem hình vẽ trong trang tiếp theo.
- Hầu hết khí tổng hợp tuần hồn lại được đưa vào tháp tổng hợp thơng qua đầu vào chính tại đáy của vỏ chịu áp suất. Khí đi lên phía trên qua khơng gian hình khuyên giữa vỏ xúc tác và vỏ chịu áp. Điều này giúp làm lạnh vỏ áp suất và nhiệt độ thiết kế của vỏ được giảm đi. Sau đĩ khí đi vào đáy của các ống trong bộ trao đơi nhiệt trung gian thứ nhất thơng qua các ống trung tâm của bộ trao đổi nhiệt và qua các ống đi lên phía trên do dĩ làm lạnh khí đi ra khỏi lớp xúc tác thứ nhất tới nhiệt độ đầu vào lớp xúc tác thứ 2.
- Một phần khác khí tổng hợp được đưa vào tháp tổng hợp tại đáy tháp đi qua ống dẫn trung tâm tới các ống của bộ trao đổi nhiệt trung gian thứ 2. Khí tổng hợp qua các ống đi lên phía trên làm lạnh khí đi ra khỏi lớp xúc tác thứ 2 tới nhiệt độ đầu vào lớp xúc tác thứ 3.
- Phần cịn lại của khí tổng hợp (cold-shot gas), được đưa vào tại đỉnh của tháp tổng hợp như một dịng khí làm mát. Tại đỉnh của tháp , dịng khí này trộn với khí đi ra từ ống của các bộ trao đổi nhiệt trung gian. Dịng khí này điều khiển nhiệt độ vào lớp xúc tác thứ nhất.
- Sau khi trộn, dịng khí này chảy tới các khoang giữa lớp xúc tác thứ nhất và vỏ đựng xúc tác. Từ các khoang này khí tổng hợp đi qua lớp xúc tác thứ nhất qua vách dẫn đi về khoang giữa lớp xúc tác thứ nhất và bộ trao đổi nhiệt trung gian thứ nhất. sự phân phối đồng đều khí tổng hợp qua lớp xúc tác được đảm bảo bằng các lỗ đục phân bố hợp lý trong khoang. Dịng khí đi ra khỏi lớp xúc tác thứ nhất đi qua phần vỏ (shellside ) của bộ trao đổi nhiệt trung gian thứ nhất được làm lạnh tới nhiệt độ đi vào lớp xúc tác thứ 2 bằng khí tổng hợp đi trong ống như miêu tả ở trên.
- Từ thiết bị trao đổi nhiệt thứ nhất khí tổng hợp được đưa tới lớp xúc tác thứ 2 thơng qua các khoang quanh lớp xúc tác. Dịng khí đi ra khỏi lớp xúc tác thứ 2 được làm lạnh tới nhiệt độ thích hợp đi vào lớp xúc tác thứ 3 khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian với khí tổng hợp đi trong tube như miêu tả ở trên.
phối khí đồng đều được đảm bảo bằng các lỗ đục hợp lý trên vách của lớp xúc tác. - Khí đi ra lớp xúc tác thứ 3 qua các lỗ đục vào ống trung tâm và đi ra khỏi tháp tổng
hợp đi qua nồi hơi nhiệt thừa E04501, tại đây một phần lớn nhiệt được tận dụng để sản suất hơi nước.
- Trong quá trình khởi động, khí nhiệt độ cao từ lị gia nhiệt khởi động F04501 được đưa vào thơng qua đường cold-shot tại đỉnh tháp tổng hợp.
3.10.1 Thuyết minh dây chuyền.
Hỗn hợp khí nguyên liệu nén tới áp suất 40at và được gia nhiệt tới 3500C rồi đưa vào thiết bị tách S.
Khí nguyên liệu đã loại bỏ lưu huỳnh trộn với hơi nước đã được xử lý rồi đưa vào thiết bị reforming sơ cấp với áp suất 40 at, nhiệt độ 5500C cĩ dùng xúc tác Ni.
Để chuyển hĩa hồn tồn cacbua hyđro, hỗn hợp khí sau phản ứng chuyển đến thiết bị reforming thứ cấp với áp suất 30 at và nhiệt độ 8500C cũng dùng xúc tác Ni. ở đây oxi cung cấp vào ở áp suất 33 at và nhiệt độ 6930C. Qua hai giai đoạn này tỉ lệ mol H2/N2 được khống chế tối ưu cho giai đoạn tổng hợp NH3 (tỉ lệ này bằng 3).
Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp cĩ thành phân chủ yếu CO, CO2, hơi nước, H2, N2, khí trơ ở áp suất 30 at, nhiệt độ 10000C cho qua trao đổi nhiệt để giảm xuống nhiệt độ 3200C rồi đưa vào thiết bị chuyển hĩa CO nhiệt độ cao. ở đây thực hiện ở 3200C và áp suất 30 at, sử dụng xúc tác Fe3O4. Hiệu suất quá trình chuyển hĩa khoảng 80%.
Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị chuyển hĩa CO nhiệt độ cao ở nhiệt độ 4200C, cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống 2000C rồi đưa vào thiết bị chuyển hĩa CO nhiệt độ thấp. ở thiết bị này thực hiện ở 2000C, áp suất 30-31 at, sử dụng xúc tác Fe3O4/CuO. Hiệu suất quá trình đạt khoảng 90%.
Hỗn hợp khí sau quá trình chuyển hĩa nhiệt độ thấp cĩ thành phần chủ yếu CO2, một ít CO, hơi nước, H2, N2, khí trơ, hyđro cacbon ở nhiệt độ 2200C cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ thường 250C để ngưng tụ hồn tồn hơi nước trước trước khi đưa vào thiết bị tách CO2. Tại tháp hấp thụ CO2 sử dụng dung dịch hấp thụ là metyl dietanol amin (MDEA) làm việc ở nhiệt độ 720C, áp suất 28 at. Dung dịch ngậm CO2 được đưa đi xử lý tách khí CO2.
Tiếp theo hỗn khí đưa qua thiết bị mêtan hĩa để tách hết CO, CO2 làm độc xúc tác, nhiệt độ vào 2900C, áp suất 27at, sử dụng xúc tác Ni. Hỗn hợp khí sau thiết bị mêtan hố bây giờ chủ yếu là H2, N2, hơi nước được làm giảm nhiệt độ để ngưng tụ hết hơi nước trước khi đưa vào tháp tổng hợp NH3, vì nước cũng là tác nhân gây độc cho xúc tác tổng hợp NH3. Hỗn hợp khí này cho qua trao đổi nhiệt giảm xuống nhiệt độ khoảng 450C. Dịng khi này kết hợp với dịng khí tuần hồn nén đến 134 at rồi làm
lạnh xuống nhiệt độ 220C. Rồi lại đưa qua máy nén nén đến áp suất 150 at và nhiệt độ 4000C và đưa vào tháp tổng hợp. Tháp tổng hợp sử dụng xúc tác Fe.
Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi tháp tổng hợp cĩ nhiệt độ 5300C, trong đĩ nồng độ NH3 khoảng 17,3% thể tích, được làm lạnh bằng nước rồi đưa qua thiết bị phân ly. NH3 lỏng tách ra khỏi dịng khí đã phản ứng đưa về thiết bị tách NH3, phần khí tiếp tục cho qua thiết bị trao đổi nhiệt với khí tuần hồn tận dụng nhiệt. Hỗn hợp khí sau đĩ làm lạnh xuống - 50C đưa vào tháp tách NH3, khí tuần hồn ở đỉnh tháp tách NH3 nhằm tăng hiệu suất chuyển hĩa. Định kì ta xả một lượng khí nhất định trong dịng khí tuần hồn để giảm lượng khí trơ trong hỗn hợp khí nguyên liệu. NH3 lỏng ra khỏi tháp tách cĩ nhiệt độ -330C được đưa về buồng chứa.
CHƯƠNG 4:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ4.1Tính tốn cân bằng vật chất 4.1Tính tốn cân bằng vật chất
4.1.1 Giai đoạn sản xuất khí tổng hợp4.1.1.1 Các số liệu ban đầu 4.1.1.1 Các số liệu ban đầu