Quá trình tổng hợp amôniắc xảy ra trong tháp tổng hợp amôniắc (10-R- 5001) theo phản ứng dưới đây:
3H2 + N2 ↔ 2NH3 + Q
Đây là phản ứng thuận nghịch và chỉ một phần hydro và nitơ được chuyển hoá thành amôniắc khi khí tổng hợp đi qua lớp xúc tác. Áp suất cao và nhiệt độ thấp giúp cho cân bằng hoá học chuyển về phía tổng hợp amôniắc. Do tốc độ phản ứng được tăng lên rất nhiều nếu tăng nhiệt độ, sự lựa chọn nhiệt độ phải dựa trên sự tương ứng giữa cân bằng hoá học và tốc độ phản ứng đạt đến sự cân bằng đó. Trong 10-R-5001, khoảng 25% nitơ và hydro được chuyển hoá thành amôniắc. Phần không chuyển hoá được còn lại sẽ được tái tuần hoàn đến tháp tổng hợp sau một quá trình tách amôniắc thành phẩm dưới dạng lỏng.
Chu trình tổng hợp amôniắc được thiết kế với một áp suất tối đa là 152 barg. Áp suất vận hành bình thường sẽ là 137 barg trong tháp tổng hợp amôniắc, phụ thuộc vào phụ tải và hoạt tính của chất xúc tác. Khi phụ tải giảm, áp suất chu trình tổng hợp sẽ giảm theo.
Nhiệt độ vận hành bình thường sẽ là trong khoảng từ 360-485oC đối với lớp xúc tác thứ nhất và 370-445oC đối với lớp xúc tác thứ hai trong bình 10- R-5001.
Sau khi khí tổng hợp đi qua 10-R-5001, khí đi ra được làm lạnh xuống nhiệt độ tại đó hầu hết amôniắc được ngưng tụ.
Một lượng nhiệt đáng kể giải phóng trong phản ứng tổng hợp amôniắc được sử dụng để sản xuất hơi nước siêu áp trong nồi hơi nhiệt thừa 10-E-5001 và để gia nhiệt nước lò hơi áp suất cao trong 10-E-5002.
Khí tổng hợp tinh khiết chứa một lượng nhỏ tạp chất, chủ yếu là các khí trơ Ar và CH4. Một dòng phóng không liên tục từ chu trình tổng hợp là cần thiết để tránh sự tích tụ của những khí trơ này trong chu trình tổng hợp.
a.1. Chu trình tổng hợp
Khí tổng hợp đã được tinh chế từ công đọan metan hoá, được nén đến khoảng 132 barg trước khi nó được đưa vào trong chu trình tổng hợp.
Khí make-up được làm lạnh trong bộ làm lạnh (chiller) khí make-up 10- E-5009 và được đưa vào trong chu trình tổng hợp giữa bộ làm lạnh thứ hai (10-E-5007) và bộ làm lạnh amôniắc thứ hai (10-E-5008), sau khi khí phóng không được loại bỏ tại đầu ra của bộ làm lạnh thứ hai.
Khí đi ra từ tháp tổng hợp được làm lạnh theo từng bước, trước hết trong nồi hơi nhiệt thừa 10-E-5001 từ nhiệt độ khoảng 440oC xuống 340oC. Tiếp theo đó, khí được làm lạnh đến khoảng 280-290oC trong bộ gia nhiệt nước lò hơi 10-E-5002 và trong bộ trao đổi nhiệt nóng 10-E-5003, nơi mà khí tổng hợp được làm lạnh đến 65oC nhờ gia nhiệt khí đầu vào của tháp tổng hợp. Khí tổng hợp sau đó được làm lạnh đến 41oC trong bộ làm lạnh nước 10- E-5004 và xuống thấp hơn, đến 34-35oC trong bộ làm lạnh thứ nhất 10-E- 5005, được dùng để gia nhiệt khí đầu vào của tháp tổng hợp.
Quá trình làm lạnh cuối cùng của khí tổng hợp đến –5oC xảy ra trong bộ làm lạnh amôniắc thứ nhất 10-E-5006, bộ làm lạnh thứ hai 10-E-5007, và cuối cùng là bộ làm lạnh amôniắc thứ ba 10-E-5008. Amôniắc đã ngưng tụ được tách ra khỏi khí tổng hợp tuần hoàn trong bình tách amôniắc 10-V-5001. Từ bình tách, khí được tuần hoàn trở lại đến tháp tổng hợp amôniắc thông qua bộ làm lạnh thứ hai (second cold exchanger), bộ làm lạnh thứ nhất (first cold exchanger) và cuối cùng, qua bộ trao đổi nhiệt nóng (hot heat exchanger) đến
tháp tổng hợp amôniắc nhờ máy nén tuần hoàn, là một phần của máy nén khí tổng hợp (10-K-4031).
Khí make-up đi vào chu trình tổng hợp có hàm lượng nước ở trạng thái bão hoà và chứa đựng dấu vết cacbon monoxit và cacbon đioxit.
Nồng độ hơi nước trong khí make-up là khoảng 200 phần triệu. Nó sẽ được tách nhờ sự hấp thụ vào trong amôniắc ngưng tụ. Cacbon đioxit trong khí make-up sẽ phản ứng với cả hai dạng của amôniắc là lỏng và khí, hình thành amôni cacbamat.
2NH3 + CO2 ↔ NH4-CO-NH2
Cacbamat hình thành sau đó hoà tan vào trong amôniắc ngưng tụ. Cacbon monoxit chỉ hoà tan rất ít trong amôniắc; do đó, nó sẽ đi qua máy nén tuần hoàn đến
tháp tổng hợp amôniắc, nơi mà nó bị hydro hoá thành nước và metan (tương tự quá trình metan hoá). Do các hợp chất chứa oxy làm giảm hoạt tính của chất xúc tác tổng hợp amôniắc, hàm lượng cacbon monoxit trong khí make-up phải được duy trì ở mức thấp nhất có thể.
a.2. Nồng độ amôniắc ở đầu vào tháp tổng hợp
Nồng độ amôniắc ở đầu vào tháp tổng hợp là quan trọng để đạt độ chuyển hóa trong tháp tổng hợp.
Nồng độ amôniắc ở đầu vào tháp tổng hợp thấp sẽ cho khả năng phản ứng cao hơn và năng sản phẩm cao.
Nồng độ amôniắc ở đầu vào tháp tổng hợp phụ thuộc vào mức độ làm lạnh trong các chiller và áp suất vận hành.
Nồng độ 4,10% NH3 ở đầu vào tháp tổng hợp tương ứng với –5 oC ở 13 barg trong bình tách NH3 10-V-5001.
a.3. Các khí trơ/khí phóng không
khí trơ này sẽ tích tụ trong chu trình tổng hợp, và một nồng độ của những khí này sẽ tăng dần trong khí tổng hợp tuần hoàn. Mức độ khí trơ trong chu trình tổng hợp sẽ tăng lên cho đến khi lượng khí trơ đưa vào chu trình tổng hợp trong khí make-up bằng với lượng khí trơ được tách ra khỏi chu trình tổng hợp.
Một vài khí trơ hoà tan trong sản phẩm lỏng sẽ được tách khỏi khí tổng hợp trong bình tách amôniắc. Lượng khí trơ rời khỏi chu trình bằng cách này tỉ lệ thuận với áp suất riêng phần của các khí trơ. Lượng này giải thích tại sao chỉ một phần nhỏ khí trơ rời khỏi chu trình tổng hợp hầu hết được tách ra nhờ dòng khí phóng không.
Khoảng 20000 Nm3/h khí tổng hợp được phóng không từ chu trình với hàm lượng NH3 không đáng kể.
Mức độ phóng không nên được điều chỉnh sao cho mức khí trơ tối ưu trong chu trình là khoảng 8%.
Do nhiệt độ thấp tại đầu ra của bộ làm lạnh thứ hai (second cold exchanger), áp suất riêng phần của amôniắc trong pha khí là thấp. Do đó, chỉ một lượng amôniắc không đáng kể sẽ được tách cùng với khí phóng không. Khí phóng không được làm lạnh hơn trong bộ làm lạnh khí phóng không (10- E-5014), để ngưng tụ amôniắc, được tách trong bình tách khí phóng không 10-V-5014. Amôniắc lỏng sau đó được đưa trở về bình tách amôniắc 10-V- 5001 và một phần khí sẽ được đưa đến tháp hấp thụ khí phóng không 10-T- 5051.
10-T-5051 hoạt động ở áp suất 123 barg. Hydro và khí trơ rời tháp hấp thụ ở nhiệt độ khoảng 42oC và chúng được đưa tới công đoạn thu hồi hydro 10-PK-5002, từ đây hydro được thu hồi tuần hoàn trở lại chu trình tổng hợp tại đầu hút đoạn một máy nén 10-K-4031 và khí thải sẽ được dùng như là khí nhiên liệu cho reforming. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dung dịch giàu NH3 từ đáy tháp hấp thụ sẽ được chưng cất trong tháp chưng 10-T-5053.
a.4. Tỉ lệ Hydro/nitơ
Trong phản ứng tổng hợp amôniắc, ba thể tích hydro phản ứng với một thể tích nitơ để tạo thành hai thể tích amôniắc.
Một ít hydro và nitơ được tách khỏi chu trình tổng hợp theo dòng khí phóng không, và một lượng nhỏ hoà tan trong amôniắc lỏng thành phẩm. Tuy nhiên, đó chỉ là một lượng nhỏ so sánh với lượng hydro và nitơ đã tham gia phản ứng trước đó. Do đó, theo phương trình phản ứng tổng hợp, sự sai lệch không đáng kể của tỉ lệ H2/N2 trong khí make-up sẽ dẫn đến một sự thay đổi lớn tỉ lệ H2/N2 của khí tổng hợp tuần hoàn. Tỉ lệ H2/N2 của khí make-up sau khi thêm hydro thu hồi được từ công đoạn thu hồi hydro; do đó, cần ở mức gần với 3,0.
Tỉ lệ H2/N2 trong chu trình tổng hợp cần được duy trì ở mức ổn định có thể. Tỉ lệ này được kiểm soát bởi tỉ lệ H2/N2 trong khí make-up, điều đó phải được điều chỉnh nhằm đạt được tỉ lệ thích hợp trong khí tổng hợp tuần hoàn. Cần chú ý rằng, thành phần của khí tổng hợp sẽ chỉ thay đổi một cách chậm chạp trong khi có một sự thay đổi nhỏ trong khí make-up được thực hiện. Do vậy, hệ thống cần cho phép một thời gian đủ lâu để thiết lập một cân bằng mới trước khi một sự điều chỉnh khác được tiến hành.