Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với năng suất 450000 tấn một năm

Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với năng suất 450000 tấn một năm Amoniac là sản phẩm của ngành công nghệ hoá học, có tầm quan trọng lớn đối với sự phát triển của ngành kinh tế quốc dân, đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của từng quốc gia trong công nghiệp tổng hợp phân bón dùng cho nông nghiệp, và các hƣớng tổng hợp hữu cơ khác, trong công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân dụng.

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với

năng suất 450000 tấn/năm

Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM HOÀNG ÁI LỆ

Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN THỊNH

MSSV: 10034341

Lớp: DHHD6B

Khoá: 2010-2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với

năng suất 450000 tấn/năm

Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM HOÀNG ÁI LỆ

Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN THỊNH

MSSV: 10034341

Lớp: DHHD6B

Khoá: 2010 - 2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014

1 Tên đề tài khóa luận/đồ án: Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amonac

từ khí khô với năng suất 450000 tấn/năm

2 Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu tổng quan quá trình sản xuất NH3

- Lựa chọn dây chuyền công nghệ

- Mô phỏng dây chuyền công nghệ bằng phần mềm Hysys

- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng bằng phương pháp

thường

- Tính toán cân bằng vật chất, năng lượng trên Hysys

- Thiết kế xây dựng , tính an toàn lao động

3 Ngày giao khóa luận/đồ án:

4 Ngày hoàn thành khóa luận/đồ án: 6/2014

5 Họ tên giáo viên hướng dẫn: ThS Phạm Hoàng Ái Lệ

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Chủ nhiệm bộ môn Giáo viên hướng dẫn

LỜI MỞ ĐẦU

Amoniac là sản phẩm của ngành công nghệ hoá học, có tầm quan trọng lớn đối với sự phát triển của ngành kinh tế quốc dân, đáp ứng được nhu cầu sử dụng của từng quốc gia trong công nghiệp tổng hợp phân bón dùng cho nông nghiệp, và các hướng tổng hợp hữu cơ khác, trong công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân dụng

Vì vậy mà sản phẩm amoniac đã có mặt trên thế giới rất sớm, và ngày càng được phát triển với các công nghệ tổng hợp của các hãng trên thế giới nhằm tổng hợp amoniac từ các nguồn nguyên liệu khác nhau tuỳ theo đặc điểm của từng quốc gia về nguồn nguyên liệu

Trong những năm qua ở Việt nam đã sử dụng sản phẩm NH3 với một lượng không nhỏ cho các ngành như nông nghiệp, quốc phòng, làm chất tải lạnh Vì vậy việc phát triển lựa chọn công nghệ sản xuất NH3 đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển chung của ngành công nghiệp hoá học

Với lợi thế nguồn nguyên liệu khí tự nhiên dồi dào việc phát triển công nghệ sản xuất NH3 từ khí tự nhiên là hướng đi đúng đắn, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có

Amoniac có nhiều ứng dụng trong thực tế như vậy cho nên đề tài “ Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên” có ý nghĩa thực tế sâu sắc Mục đích của

đề tài là sử dụng nguồn nguyên liệu khí tự nhiên sẵn có ở nước ta một cách có hiệu quả để sản xuất ra Amoniac làm chất hoá học trung gian phục vụ quá trình tổng hợp

ra các sản phẩm có ích đáp ứng nhu cầu cho nền kinh tế quốc dân

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên phản biện

(Ký ghi họ và tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan amoniac 1

1.1.1 Cấu tạo phân tử NH3 1

1.1.2 Tính chất vật lý của NH3 2

1.1.3 Tính chất hoá học của Amoniac 3

1.1.4 Ứng dụng Amoniac 5

1.1.5 Nguyên liệu sản xuất Amoniac 6

1.2 Các công nghệ sản xuất Amoniac 9

1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ sản xuất Amoniac 9

1.2.2 Công nghệ sản xuất Amoniac 10

1.2.3 Công nghệ của một số hãng trên thế giới 11

1.3 Lựa chọn công nghệ sản xuất Amoniac 19

1.3.1 Nguyên liệu 19

1.3.2 Dây chuyền sản xuất 19

1.3.3 Các quá trình trong dây chuyền Haldol Topsoe 19

Chương 2: TÍNH TOÁN THÔNG THƯỜNG 34

1.1 Cân bằng vật chất 34

1.1.1 Chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp 34

1.1.2 Chuyển hóa CO từ khí tổng hợp và tinh chế khí 43

1.1.3 Tổng hợp NH3 48

1.1.4 Hiệu chỉnh theo năng suất thiết kế 51

2.2 Cân bằng nhiệt lượng 55

2.2.1 Quá trình chuyển hóa khí tự niên thành khí tổng hợp 55

2.2.2 Quá trình chuyển hóa và tinh chế khí tổng hợp 63

2.2.3 Cân bằng nhiệt ở hệ thống tổng hợp NH3 71

2.2.4 Hiệu chỉnh cân bằng nhiệt lượng theo năng suất 74

2.3 Tính toán tháp tổng hợp 76

2.3.1 Chiều dày thân tháp tổng hợp 76

2.3.2 Tính chiều cao của tháp tổng hợp 79

Chương 3: MÔ PHỎNG BẰNG HYSYS 84

3.1 Tổng quan phần mềm 84

3.1.1 Phần mềm mô phỏng 84

3.1.2 Phần mềm Hysys 85

3.1.3 Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xưởng Amoniac 86

3.2 Mô phỏng hoàn chỉnh phân xưởng Amoniac 91

3.2.1 Mô phỏng quá trình khử lưu huỳnh 92

3.2.2 Mô phỏng quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp 92

3.2.3 Mô phỏng quá trình chuyển hóa CO 94

3.2.4 Mô phỏng quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA 95

3.2.5 Mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 95

3.2.6 Mô phỏng quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm 96

3.2.7 Mô phỏng hoàn chỉnh toàn phân xưởng Amoniac 97

3.3 Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng với tính toán thông thường 98

3.3.1 Quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp 98

3.3.2 Quá trình chuyển hóa CO 99

3.3.3 Quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA 100

3.3.4 Quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 101

3.3.5 Quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm 102

Chương 4 : THIẾT KẾ XÂY DỰNG 104

4.1 Chọn địa điểm xây dựng 104

4.1.1 Các yêu cầu chung 104

4.1.2 Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng 104

4.1.3 Các yêu cầu về môi trường vệ sinh công nghiệp 105

4.1.4 Yêu cầu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 105

4.2 Giải pháp thiết kế tổng quan mặt bằng phân xưởng 106

4.2.1 Nguyên tắc thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng 106

4.2.2 Các hạng mục công trình 108

4.2.3 Mặt bằng nhà máy 110

Chương 5: AN TOÀN, VỆ SINH LAO DỘNG 112

5.1 An toàn lao động 112

5.1.1 Mục đích 112

5.1.2 Ý nghĩa 112

5.1.3 Các biện pháp an toàn lao dộng 112

5.2 Công tác vệ sinh lao động 114

5.2.1 Vệ sinh đối với mặt bằng nhà máy 114

5.2.2 Hệ thống thông gió 115

5.2.3 Hệ thống chiếu sáng 115

5.2.4 Hệ thống vệ sinh cá nhân 115

KẾT LUẬN 116

KIẾN NGHỊ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

PHỤ LỤC 119

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối mô tả phương pháp khí hoá than ở nhiệt độ cao 6

Hình 1.2 Sơ đồ khối mô tả phương pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH3 7

Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng hợp NH3 đi từ nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí 8

Hình 1.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp amoniac của KELLOGG 13

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ KBR Purifier 14

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ Krupp Uhde 16

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ Haldor Topsoe 18

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ của quá trình khử lưu huỳnh 20

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ của quá trình reforming 22

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình chuyển hóa CO 24

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ của quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA 26

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình methane hóa 27

Hình 1.13 Tháp tổng hợp Amoniac 32

Hình 3.1 Giao diện phần mềm mô phỏng Hysys 86

Hình 3.2 Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xưởng Amoniac 88

Hình 3.3 Thiết lập hệ cấu tử cho mô hình mô phỏng 89

Hình 3.4 Thiết lập hệ nhiệt động SRK-Twu (mặc định) cho mô hình mô phỏng 90

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng quá trình khử lưu huỳnh 92

Hình 3.6 Mô hình mô phỏng thiết bị reforming sơ cấp và thứ cấp 94

Hình 3.7 Mô hình mô phỏng quá trình chuyển hóa CO 94

Hình 3.8 Mô hình mô phỏng quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA 95

Hình 3.9 Mô hình mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp 96

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm 97 Hình 3.11 Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh phân xưởng Amoniac 98

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số hoá lý cơ bản của NH3 2

Bảng 2.1 Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp 38

Bảng 2.2 Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 44

Bảng 2.3 Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp 45

Bảng 2.4 Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO2 46

Bảng 2.5 Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa 48

Bảng 2.6 Cân bằng vật chất ở tháp tổng hợp NH3 50

Bảng 2.7 Cân bằng vật chất ở tháp tách NH3 50

Bảng 2.8 Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống 51

Bảng 2.9 Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming sơ cấp 52

Bảng 2.10 Cân bằng vật chất ở thiết bị reforming thứ cấp 52

Bảng 2.11 Cân bằng vật chất ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 53

Bảng 2.13 Cân bằng vật chất ở thiết bị tách CO2 53

Bảng 2.14 Cân bằng vật chất ở thiết bị mêtan hóa 54

Bảng 2.15 Cân bằng vật chất của tháp tổng hợp NH3 54

Bảng 2.16 Cân bằng vật chất của tháp tách NH3 54

Bảng 2.17 Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống 55

Bảng 2.18 Nhiệt dung đẳng áp của các cấu tử phụ thuộc vào nhiệt độ 55

Bảng 2.19 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 773 K (500 0C) 56

Bảng 2.20 Nhiệt tạo thành của các cấu tử ở điều kiện chuẩn 57

Bảng 2.21 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1123 K (850 0C) 58

Bảng 2.23 Cân bằng nhiệt lƣợng ở thiết bị reforming sơ cấp 60

Bảng 2.24 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 693 K 61

Bảng 2.25 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1273 K (1000 0C 62

Bảng 2.26 Cân bằng nhiệt ở thiết bị reforming thứ cấp 63

Bảng 2.27 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320 0 C) 63

Bảng 2.28 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320 0C) 64

Bảng 2.29 Cân bằng nhiệt ở thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao 65

Bảng 2.30 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 473 K (200 0C) 65

Bảng 2.31 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 493 K (220 0 C) 66

Bảng 2.32 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hoá nhiệt độ thấp 67

Bảng 2.33 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 298 K (25 0 C) 67

Bảng 2.34 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị tách CO2 68

Bảng 2.35 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 563K (290 0C) 69

Bảng 2.36 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 603 K (330 0 C) 70

Bảng 2.37 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị mêtan hoá 70

Bảng 2.38 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 673 K (4000C) 71

Bảng 2.39 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 803 K (530 0 C) 72

Bảng 2.40 Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3 72

Bảng 2.41 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 268 K (-6 0C) 73

Bảng 2.42 Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 240 K (-33 0 C) 73

Bảng 2.43 Cân bằng nhiệt ở thiết bị tách NH3 74

Bảng 2.44 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming sơ cấp 74

Bảng 2.45 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming thứ cấp 74

Bảng 2.46 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 75

Bảng 2.47 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp 75

Bảng 2.48 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị tách CO2 75

Bảng 2.49 Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị mêtan hóa 75

Bảng 2.50 Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3 76

Bảng 2.51 Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3 76

Bảng 3.1 Kết quả so sánh của dòng vào Reforming thứ cấp (Feed_prirefor) 98

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng của dòng ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp 99

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng của dòng Pro_hight ra khỏi thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao 99

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng của dòng Pro_low ra khỏi thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp 100

Bảng 4.1 Các hạng mục công trình của phân xưởng 108

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN AMONIAC

1.1.1 CẤU TẠO PHÂN TỬ NH 3

NH3 có một nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hiđrô Nguyên tử N có 7 electron ở lớp vỏ, tương ứng với số điện tích hạt nhân của nó Trong đó, một cặp electron ở trạng thái 1s, còn 5 electron kia phân bố vào 4 obitan với số lượng tử chính là 2 Trong 5 electron này thì có một cặp chiếm obitan 2s và 3 electron không cặp đôi phân bố ở 3 obitan 2Px, 2Py, 2Pz

Các electron không cặp đôi của N có thể kết hợp với electron 1s của nguyên tử

Vì phân tử NH3 có cùng cấu hình electron với nước, góc hóa trị cũng tương tự như nước nên NH3 và H2O có nhiều tính chất giống nhau, đều là những chất nghịch từ

1.1.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA NH 3

Ở nhiệt độ thường NH3 là khí không màu, có mùi đặc trưng, vị hăng có thể gây ngạt thở, có tác dụng kích thích niêm mạc, khả năng hoà tan của amoniac phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nhiệt độ càng tăng khả hoà tan amoniac càng giảm

Ở nhịêt độ thường NH3 rất ổn định, nhưng ở nhiệt độ cao ≥ 12000C NH3 dễ bị phân huỷ, nếu có xúc tác NH3 bị phân huỷ ngay ở 3000C NH3 là chất hoạt tính cao Một số thông số hoá lý cơ bản của amoniac: (Bảng 1)

Bảng 1.1 Các thông số hoá lý cơ bản của NH3Các đại lượng vật lý Giá trị

Khối lượng phân tử, (kg/kmol) 17,0312

Nhiệt độ sôi ở 101,34 kpa (0C) - 3375

Khối lượng riêng ở 00

C, 1 at (kg/m3) 0,77 Nhiệt độ tới hạn (0C) 132,4

Nhiệt bay hơi, (kj/kg) 1370

Nhiệt nóng chảy, (0C) - 77,75

Khối lượng riêng ở 00

C, 1 at, (Cp) 2220 Thể tích phân tử ở 00C; 101,3 kpa, (l/mol) 22,08

Áp suất tới hạn, (at) 111,5

Áp suất hơi, (kpa) 6,077

Độ nhớt tới hạn (mpa.s) 23,9.10-3

Điểm nóng chảy (0C) - 77,71

Entanpi sinh chuẩn ở 250C, (j/kmol) 192,731

Giới hạn nổ hỗn hợp NH3 với oxy ở 200C; 101,3kpa 15 ÷ 79%

Giới hạn nổ hỗn hợp NH3 với không khí ở 200C; 101,3kpa 16 ÷ 27%

zo Kb=1,8.10−5 Dung dịch amoniac làm cho phenolphtalein từ không màu chuyển sang màu hồng, quỳ tím chuyển sang màu xanh Lợi dụng tính chất này người ta dùng giấy quỳ tím ẩm để nhận ra khí amoniac

Khi đặt hai bình mở nút đựng dung dịch HCl đặc và NH3 đặc gần nhau thì thấy có "khói" màu trắng tạo thành "Khói" là những hạt nhỏ li ti của tinh thể muối amoni clorua (NH4Cl) Muối này đƣợc tạo thành do khí amoniac và khí hiđro clorua hóa hợp với nhau

NH 3 (k)+HCl(k)→NH 4 Cl(r)

Phản ứng này cũng đƣợc sử dụng để nhận ra khí amoniac

 Tác dụng với dung dịch muối

Dung dịch amoniac có khả năng làm kết tủa nhiều hiđroxit kim loại khi tác dụng với dung dịch muối của chún

Sự tạo thành các ion phức [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ ,[Ag(NH 3 ) 2 ] + , xảy ra do các phân tử

amoniac kết hợp với các ion Cu2+, Ag+, bằng các liên kết cho-nhận giữa cặp eletron chƣa sử dụng của nguyên tử nitơ với obitan trống của ion kim loại

Khi đốt amoniac trong oxi không khí có mặt chất xúc tác thì tạo ra khí NO và nước

 Tác dụng với oxit kim loại

Khi đun nóng, NH3 có thể khử một số oxit kim loại thành kim loại , chẳng hạn NH3 khử CuO màu đen tạo ra Cu màu đỏ, nước và khí N2

Dung dịch amoniac hoặc amoniac lỏng được sử dụng trong xử lý môi trường nhằm loại các NOx hoặc SOx trong các các khí thải khi đốt các nguyên liệu hóa thạch (than đá, dầu, v.v…) Quá trình này thường có thể phải dùng chất xúc tác chứa vanađi

Dung dịch amoniac hoặc amoniac lỏng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất phân bón, hóa chất và hóa dược

1.1.5 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC

Phương pháp sản xuất này được mô tả ở sơ đồ hình khối

Hình 1.1 Sơ đồ khối mô tả phương pháp khí hoá than ở nhiệt độ cao

Khí sau phản ứng

Chuyển hoá CO Khử hợp chất sulfur

Nén khí nguyên liệu

Rửa đồng để khử

CO và khử CO2

bằng dung dịch kiềm

1.1.5.2 Nguyên liệu khí lò cốc có chứa hydro

 Nguyên liệu

- Khí lò cốc

- Không khí

 Phương pháp: Phương pháp này được mô tả trong sơ đồ hình khối sau:

Hình 1.2 Sơ đồ khối mô tả phương pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH3

Tổng hợp NH3Nén khí nguyên liệu

Khí giàu C2H4

Khử sạch CO2 bằng N2 lỏng

Làm lạnh thâm độ Khử CO2 bằng chất hấp thụ Khử sạch hợp chất sulfur

1.1.5.3 Nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí

 Nguyên liệu

- Nguyên liệu thể lỏng hoặc thể khí: bã cốc dầu mỏ

- Hơi nước

- Không khí hoặc không khí giàu oxy

Chúng được chuyển hoá hoặc oxy hoá không hoàn toàn

 Phương pháp

Phương pháp này được mô tả ở trong sơ đồ hình khối

Hình 1.3 Sơ đồ khối phương pháp tổng hợp NH3 đi từ nguyên liệu thể lỏng

hoặc thể khí

Ngưyên liệu

Nén khí nguyên liệu Khử sạch hợp chất sulfur

Khử phần lớn CO2

bằng H2O hoặc dung

dịch kiềm

Khử CO bằng dung dịch đồng Tổng hợp NH3

Chuyển hoá CO

1.1.5.4 Nguyên liệu khí tự nhiên

Khí tự nhiên có mặt ở rất nhiều nơi trên thế giới như Trung đông, Đông nam á, Châu âu, Mỹ…

Về thành phần của khí tự nhiên qua các nghiên cứu cho thấy, với mỗi quốc gia

có thành phần khí tự nhiên khác nhau, nhưng thành phần chủ yếu trong khí tự nhiên

là khí metan, từ 70% trở lên

Ở Việt nam chúng ta khí tự nhiên có ở cả miền Bắc và miền Nam Miền Bắc

có mỏ khí tìm được ở Tiền Hải – Thái Bình vào năm 1981 Phía Nam có các mỏ như Nam Côn Sơn, Lan Tây, Lan đỏ…, với trữ lượng tương đối lớn, ngoài ra nguồn khí đồng hành cũng cung cấp một khối lượng khí không nhỏ

1.2 CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC

1.2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC

Sản phẩm amoniac đã xuất hiện rất sớm từ đầu thế kỷ 18 Khi đó người ta tổng hợp amoniac ở áp suất cao và nhiệt độ cao, tới năm 1821 người ta cố gắng tổng hợp amoniac có sự trợ giúp của xúc tác nhưng không đạt được

Vào năm 1860, bằng phương pháp hồ quang người ta tổng hợp được amoniac

từ nitơ và hydro nhưng hiệu quả không cao

Do nhu cầu sử dụng amoniac ngày một nhiều nên đã có nhiều phương pháp tổng hợp amoniac ra đời, năm 1961 tổng hợp amoniac với xúc tác sắt nhiệt độ cao, với hiệu quả 0,1%

Tới năm 1930, việc tổng hợp amoniac đã thành công với nhiều loại xúc tác khác nhau nhưng hiệu quả cao nhất là xúc tác kim loại Ni

Công ty Kellogg đưa ra công nghệ tổng hợp NH3 “tối đa hoá năng lượng” vào thập kỷ 60, nhiệt sinh ra từ các phản ứng chuyển hoá khí tự nhiên và các quá trình tuần hoàn, phức tạp, hiệu quả kinh tế phụ thuộc công suất của nhà máy, công suất càng lớn hiệu quả kinh tế cao, đồng thời hiệu quả kinh tế còn phụ thuộc vào dây chuyền công nghệ

Vào năm 1988, với công nghệ mang tên LCA, công ty ICI của Anh đã có một bước đột phá mới trong công nghệ tổng hợp NH3 ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp hơn các phương pháp cũ Công nghệ này sử dụng xúc tác hoạt tính cao, đưa vai trò xúc tác làm nền tảng cho công nghệ tổng hợp NH3 Ngày nay dây chuyền sản xuất

NH3 hiện đại có thể đạt được năng suất từ 1200 ÷ 1500 tấn/ngày đêm

Ở nước ta hiện nay có nhà máy phân đạm Hà Bắc sản xuất NH3 từ than nhưng công nghệ lạc hậu và hiệu quả không cao Năm 2004 với dự án nhà máy khí Điện Đạm Phú Mỹ đã đi vào hoạt động với công suất 1200 tấn/ngày đã sử dụng phần nào nguồn nguyên liệu sẵn có, đáp ứng nhu cầu sử dụng NH3 cho tổng hợp phân đạm và các ngành công nghiệp hoá học khác

Các công nghệ sản xuất amoniac tuỳ thuộc vào từng hãng thiết kế khác nhau

mà có những ưu việt khác nhau, và chúng có những điểm chung trong dây truyền công nghệ, dựa vào áp suất người ta chia ra 3 phương pháp tổng hợp amoniac khác nhau như sau:

 Tổng hợp áp suất thấp: 100 ÷ 160 atm

 Tổng hợp áp suất trung bình: 250 ÷ 360 atm

 Tổng hợp áp suất cao: 450 ÷ 1000 atm

1.2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC

1.2.2.1 Tổng hợp amoniac áp suất cao

Phương pháp này thực hiện ở áp suất 450 ÷ 1000 atm Được thực hiện ở áp suất cao nên quá trình chuyển hoá diễn ra nhanh, hiệu suất phản ứng cao, cường độ sản xuất lớn, dễ phân tách NH3 khỏi phản ứng

Bên cạnh đó do áp suất cao, việc chế tạo thiết bị khó khăn hơn, tháp phải có chiều dày để chống nổ, các đường ống dẫn phải được thiết kế cho phù hợp với áp suất cao, việc áp suất cao sẽ tiêu tốn năng lượng là điều phi kinh tế, đồng thời nhiệt

độ cao khả năng tái sử dụng xúc tác giảm, thời gian sử dụng xúc tác thấp Chính những bất lợi trên mà phương pháp này ít được sử dụng

1.2.2.2 Tổng hợp amoniac áp suất trung bình

Dây chuyền tổng hợp amoniac ở áp suất trung bình sử dụng năng lượng ít hơn phương pháp áp suất cao, thiết bị dễ chế tạo hơn phương pháp áp suất cao, do vậy

mà hiệu quả kinh tế cao hơn, phương pháp này được sử dụng rộng rãi vào thập kỷ

70 của thế kỷ trước

1.2.2.3 Tổng hợp amoniac áp suất thấp

Quá trình tổng hợp áp suất thấp có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác, do quá trình thực hiện ở áp suất thấp mà chế tạo thiết bị gọn nhẹ hơn nên giá thành vừa phải Ở áp suất thấp nhiệt độ làm việc thấp, dễ vận hành và điều chỉnh nhiệt độ Xúc tác sử dụng bền, quá trình sản xuất khí tổng hợp ở áp suất cao, lợi dụng áp suất cao này vào cho quá trình nén khí, giảm tiêu tốn năng lượng, phương pháp này đảm bảo cho an toàn lao động

Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp tổng hợp áp suất thấp có nhược điểm là hiệu suất tổng hợp không cao, nồng độ NH3 đạt được khoảng 8 ÷ 25%, yêu cầu sử dụng xúc tác lớn, không tốt về cần bằng nhiệt động tiêu tốn năng lượng cho tuần hoàn

1.2.3 CÔNG NGHỆ CỦA MỘT SỐ HÃNG TRÊN THẾ GIỚI

được hấp thụ đem đi tái sinh, hỗn hợp khí sau khi tách CO2 tái sinh đi vào tháp khử hết CO metan hoá cho phép (CO + CO2 ≤ 5ppm) Sau đó được nâng lên nhiệt độ

4800C, 195 ÷ 320 atm dẫn tới tháp tổng hợp với xúc tác Fe Sản phẩm tạo thành được đưa sang tháp tách NH3, khí chưa chuyển hoá được nén trở lại tháp tổng hợp

NH3

Điểm đặc biệt của công nghệ Kellogg là nhiệt độ cao quá trình reforming sơ cấp được các ống xoắn tách tái sử dụng thiết bị đun sôi, chạy hơi cao áp, chạy tua bin máy nén ly tâm

Công nghệ Kellogg còn một số nhược điểm

+ Tiếng ồn

+ Công suất hạn chế

+ Máy nén tuabin, các thiết bị, đường ống hơi cao áp có giá thành cao

1 – Máy nén 2 - Thiết bị tách lưu huỳnh

3 – Reforming sơ cấp, 4 - Thiết bị đun sôi phụ trợ

5 – Công đoạn trao đổi nhiệt đối lưu 6 - Cột khí thải

7 – Reforming thứ cấp 8 - Thiết bị trao đổi nhiệt

9 - Nồi hơi 10-Chuyển hoá CO nhiệt độ cao 11- Chuyển hoá CO nhiệt độ thấp 12 – Tháp metan hoá

1.2.3.2 Công nghệ KBR Purifier

Đặc điểm quan trọng của công nghệ KBR Purifier là quá trình reforming sơ cấp ôn hòa, quá trình reforming thứ cấp với không khí dư, quá trình tinh chế lạnh của khí tổng hợp và quá trình tổng hợp Amoniac trên hệ xúc tác magnetite (oxide sắt) trong thiết bị tổng hợp Amoniac nằm ngang Sơ đồ công nghệ tổng quát của công nghệ KBR Purifier như sau:

Hình 1.5 Công nghệ KBR Purifier Nguyên liệu đã khử lưu huỳnh phản ứng với hơi nước trong thiết bị reforming

sơ cấp (1) ở điều kiện nhiệt động khoảng 700oC Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị forming sơ cấp được phản ứng với không khí dư trong thiết bị reforming thứ cấp (2)

re-ở điều kiện nhiệt độ đầu ra 900o

C

Dòng khí ra khỏi thiết bị reforming thứ cấp được làm mát để sản xuất hơi nước áp suất cao (4) Phản ứng chuyển hóa CO được tiến hành trong hai giai đoạn chuyển hóa CO nhiệt độ cao (5) và chuyển hóa CO nhiệt độ thấp (6) Sau quá trình chuyển hóa CO, dòng khí công nghệ tiếp tục trải qua quá trình tách CO2 (7), me-thane hóa (8), làm mát và phân tách nước (9) trước khi sấy

Khí công nghệ sau sấy được đưa vào quá trình tinh chế lạnh (11), tại đây diễn

ra quá trình trao đổi nhiệt giữa nguyên liệu/sản phẩm Sau đó khí tổng hợp được nén

trong máy nén khí tổng hợp (12) và phối trộn với dòng khí tổng hợp tuần hoàn và cấp vào thiết bị tổng hợp amonia (13) Dòng sản phẩm sau thiết bị tổng hợp amonia được làm mát và làm lạnh bằng quá trình làm lạnh amonia Sản phẩm amonia được phân tách (14) ra khỏi dòng khí tổng hợp chưa phản ứng và dòng khí tổng hợp được tuần hoàn lại đầu chu trình tổng hợp Amoniac

+ Bảo vệ môi trường sinh thái và con người tốt hơn

+ Khả năng xảy ra sự cố thấp hơn các phương pháp trước

+ Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng xúc tác có hoạt tính cao để nâng cao hiệu suất phản ứng, tăng năng suất, giảm áp suất làm việc

+ Được thiết kế linh hoạt có khả năng thay đổi thiết bị phụ, tự động điều khiển đến từng thiết bị

1.2.3.3 Công nghệ Krupp Uhde

Công nghệ Krupp Uhde là công nghệ sản xuất Amoniac từ khí thiên nhiên, LNG, LPG hoặc naphtha Công nghệ sử dụng quá trình reforming hơi nước truyền thống để sản xuất khí tổng hợp, trong khi quá trình tổng hợp Amoniac liên tục với vòng tổng hợp Amoniac Điều này cho phép thiết kế phân xưởng Amoniac có công suất rất lớn từ 4.000 đến 5.000 tấn/ngày Phân xưởng Amoniac đầu tiên xây dựng trên công nghệ này là SAFCO IV ở Arập-Xê-Út và đã đi vào hoạt động từ năm

2006 Sơ đồ công nghệ tổng quát của công nghệ Krupp Uhde được thể hiện trong hình theo sau:

Hình 1.6 Công nghệ Krupp UhdeNguyên liệu (khí thiên nhiên) được tách lưu huỳnh, phối trộn với hơi nước và được chuyển hoá thành khí tổng hợp nhờ xúc tác niken ở áp suất khoảng 40 bar và nhiệt độ 800-850oC trong thiết bị reforming sơ cấp Thiết bị reforming sơ cấp của Krupp Uhde là thiết bị đốt ở phần trên, có các ống được làm bằng thép hợp kim và

hệ thống ống xả lạnh để nâng cao độ ổn định vận hành

Trong thiết bị reforming thứ cấp, không khí được đưa vào khí tổng hợp qua hệ thống vòi phun đặc biệt, cho phép phối trộn tốt hỗn hợp không khí với khí tổng hợp Quá trình sản xuất hơi nước áp suất cao và hơi nước quá nhiệt tiếp theo đảm bảo tận dụng tối đa nhiệt năng để đạt hiệu quả năng lượng tối ưu

Khí CO được chuyển hóa thành CO2 trong các thiết bị chuyển hóa nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp với tác dụng của các xúc tác Khí CO2 được loại bỏ ở thiết bị rửa khí nhờ quá trình BASF-aMDEA, UOP-Benfield hoặc UOP-Amine Guard CO2

dư được chuyển hóa thành methane nhờ phản ứng methane hóa có xúc tác để giảm hàm lượng CO2 dưới mức cho phép

Quá trình tổng hợp Amoniac trải qua hai giai đoạn chuyển hóa Khí tổng hợp

bổ sung được nén trong máy nén làm mạnh hai giai hai cấp để nén khí tổng hợp đến

áp suất 210 bar trước khi cấp vào thiết bị tổng hợp Amoniac

Amoniac lỏng ngưng tụ và được tách ra khỏi quá trình tổng hợp, sau đó được làm lạnh tiếp xuống dưới nhiệt độ ngưng tụ và đưa vào bể chứa, hoặc được vận chuyển tới nơi tiêu thụ

1.2.3.4 Công nghệ của Haldor Topsoe

Với công nghệ này khí nguyên liệu được gia nhiệt sau đó đưa tới thiết bị làm lạnh lưu huỳnh

Khi đã làm sạch lưu huỳnh được trộn với hơi nước ở nhiệt độ 6000C giai đoạn này ta tiến hành reforming sơ cấu biến khí nguyên liệu thành H2, CO, CO2 Tiếp theo để triệt để chuyển hoá khí nguyên liệu thành H2, CO, CO2 người ta cho qua thiết bị reforming thứ cấp, dùng xúc tác Ni, không khí được đưa vào

Tiếp theo là giai đoạn chuyển hoá CO → CO2 gồm hai bước chuyển hoá ở nhiệt độ cao rồi chuyển sang chuyển hoá nhiệt độ thấp (nhiệt độ cao 4000C, nhiệt độ thấp 2000C có xúc tác) Sau khi chuyển hoá, khí tổng hợp được đưa tới thiết bị tách

CO2, từ đó qua thiết bị metan hoá tách triệt để CO2, sau đó được đưa vào tháp tổng hợp NH3

Tháp tổng hợp NH3 làm việc ở 136at nhiệt độ 3000C Sản phẩm thu được gồm

NH3 và các khí khác qua thiết bị làm lạnh bằng nước hạ nhiệt độ từ 3800C xuống khoảng 350C và đưa tới thiết bị ngưng tụ NH3 ở 3,20C và đưa vào thiết bị phân ly,

NH3 lỏng được tách ra phần khí cong lại được tuần hoàn trở lại

Hiện nay công nghệ Haldot Topsoe đã được ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới và Việt nam chúng ta đã ứng dụng công nghệ này tại nhà máy khí điện đạm

Phú Mỹ

Phân xưởng sản xuất NH3 với công suất thiết kế 1250 tấn/ngày Chúng bao gồm các công đoạn sau:

+ Từ khí tự nhiên khử S + Metan hoá

1.3 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC

1.3.2 DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

Dây chuyền công nghệ tổng hợp NH3 từ khí tự nhiên có ba sự lựa chọn, theo công nghệ áp suất cao, áp suất trung, và áp suất thấp, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ tổng hợp NH3 ngày càng được hoàn thiện với những ưu khuyết điểm đã nêu trong chương 2, em lựa chọn công nghệ sản xuất đơn giản, giá thành không cao, lại tận dụng triệt để năng lượng tạo cho giá sản phẩm tạo thành không lớn chính vì vậy đồ án này em lựa chọn công nghệ áp suất thấp của hãng Haldol Topsoc Đây cũng chính là dây chuyền công nghệ đã được ứng dụng tại nhà máy khí điện đạm Phú Mỹ

1.3.3 CÁC QUÁ TRÌNH TRONG DÂY CHUYỀN HALDOL TOPSOE

1.3.3.1 Quá trình khử lưu huỳnh

Khí nguyên liệu có chứa trên 15ppm thể tích các hợp chất lưu huỳnh, do vậy khí nguyên liệu phải được khử lưu huỳnh vì xúc tác dùng trong quá trình reforming hơi nước rất nhạy với các hợp chất lưu huỳnh, và các hợp chất lưu huỳnh sẽ làm mất hoạt tính hoặc nhiễm độc xúc tác

Quá trình khử lưu huỳnh bao gồm hai giai đoạn:

 Giai đoạn hydro hóa: các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh được chuyển hóa thành H2S trong thiết bị hydro hóa

 Giai đoạn hấp thụ H2S: H2S sau giai đoạn hydro hóa được hấp thụ trong thiết bị hấp thụ Sau giai đoạn khử lưu huỳnh, hàm lượng lưu huỳnh trong khí nguyên liệu nhỏ hơn 0,05 ppm thể tích

Sơ đồ công nghệ của quá trình khử lưu huỳnh được thể hiện trong hình theo

sau

Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ của quá trình khử lưu huỳnh

 Giai đoạn hydro hóa

Khí nguyên liệu sau tiền gia nhiệt lên nhiệt độ 350oC được cấp vào thiết bị dro hóa Xúc tác cho giai đoạn hydro hóa là xúc tác Co-Mo Các phản ứng xảy ra trong giai đoạn hydro hóa dưới tác dụng của xúc tác như sau:

Khí thiên nhiên

Thiết bị hydro hóa

Thiết bị hấp thụ

Nếu trong thành phần của khí nguyên liệu có chứa khí CO và CO2 thì sẽ xảy ra các phản ứng phụ theo sau:

CO2 + H2 CO + H2O

CO2 + H2S COS + H2O

Do vậy, nếu tồn tại khí CO, CO2 và H2O trong khí nguyên liệu sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng lưu huỳnh trong dòng sản phẩm đi ra khỏi các thiết bị hấp thụ lưu huỳnh

ZnO + H2S ZnS + H2O ZnO + COS ZnS + CO2Hằng số cân bằng cho phản ứng giữa kẽm oxide và hydrogen sulphide được thể hiện bởi phương trình sau:

(3) CO + H2O CO2 + H2 + Q

Phản ứng (1) mô tả cơ chế phản ứng reforming của hydrocarbon bậc cao

chuyển hóa từng bậc xuống thành những hydrocarbon bậc thấp, cuối cùng thành

methane và được chuyển hóa như trong phản ứng (2) Phản ứng (1) và (2) là phản

ứng thu nhiệt, trong khi đó phản ứng (3) là phản ứng tỏa nhiệt

Để linh hoạt việc điều chỉnh thành phần của khí tổng hợp, quá trình reforming

xảy ra theo hai bước bao gồm reforming sơ cấp và reforming thứ cấp Nhiệt cần

thiết trong hai thiết bị reforming được cấp theo hai cách khác nhau Trong thiết bị

reforming sơ cấp, nhiệt cần thiết cho phản ứng được cấp dưới dạng gián tiếp từ lò

đốt Nhưng trong thiết bị reforming thứ cấp, nhiệt cần thiết cho phản ứng được cấp

trực tiếp từ quá trình đốt hỗn hợp khí với không khí

Sơ đồ công nghệ tổng quát của giai đoạn reforming được thể hiện trong hình

Hình 1.9: Sơ đồ công nghệ của quá trình reforming

 Giai đoạn reforming sơ cấp

Giai đoạn đầu quá trình reforming hơi nước xảy ra trong thiết bị reforming sơ

cấp Hỗn hợp hydrocarbon và hơi nước được tiền gia nhiệt đến nhiệt độ 500oC trước

khi vào thiết bị reforming sơ cấp Sau đó hỗn hợp khí đi vào các ống thẳng đứng có

chứa xúc tác bên trong Các ống xúc tác được đặt trong các buồng đốt reforming sơ

cấp, nơi đây bức xạ nhiệt được truyền từ các lò đốt đến thành ống Để đảm bảo rằng

Khí đến chuyển hóa CO Khí công nghệ Thiết bị

Reforming sơ cấp Hơi nước

Khí nhiên liệ u

Không khí

Thiết bị Reforming thứ cấp

quá trình đốt hoàn toàn khí nhiên liệu, các lò đốt vận hành ở chế độ dƣ không khí khoảng 2%

Hydrocarbon trong nguyên liệu vào thiết bị reforming sơ cấp đƣợc chuyển hóa thành hydrogen và carbon oxide, khí công nghệ ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp với nhiệt độ khoảng 783oC

Các phản ứng xảy ra trong thiết bị reforming sơ cấp bao gồm:

(1) CnH2n+2 + 2H2O Cn-1H2n + CO2 + 3H2 – Q (2) CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 – Q

(3) CO + H2O CO2 + H2 + Q Thiết bị reforming có tổng cộng 150 ống reforming đƣợc lắp đặt trong hai buồng bức xạ nhiệt Phần trên của ống reforming đƣợc nạp xúc tác loại RK-211 (pre-reduced) và RK-201, trong khi phần đáy của ống reforming đƣợc nạp xúc tác loại R-67-7H

 Giai đoạn reforming thứ cấp

Trong thiết bị reforming thứ cấp, khí công nghệ đƣợc trộn với không khí đã đƣợc gia nhiệt Quá trình đốt cháy một phần khí công nghệ ở đỉnh thiết bị là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ Từ khu vực đốt cháy khí công nghệ, khí công nghệ đi xuống tầng xúc tác, nơi đây diễn ra phản ứng reforming xúc tác Nhiệt độ của dòng khí công nghệ khi đi qua thiết bị reforming thứ cấp khoảng 935o

Các phản ứng xảy ra trong thiết bị reforming thứ cấp bao gồm:

(1) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q (2) CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 – Q (3) CO + H2O CO2 + H2 + Q

Quá trình đốt khí công nghệ với không khí làm cho nhiệt độ khí lên đến 1.200oC trong phần trên của thiết bị reforming thứ cấp Do phản ứng reforming của methane với hơi nước là phản ứng thu nhiệt, nhiệt độ dòng khí giảm đi khi đi qua lớp xúc tác

1.100-1.3.3.3 Quá trình chuyển hóa CO

Khí carbon monoxide trong dòng khí công nghệ ra khỏi phân xưởng reforming được chuyển hóa thành carbon dioxide và hydrogen theo phản ứng chuyển hóa CO như sau:

CO + H2O CO2 + H2 + Q Cân bằng của phản ứng chuyển hóa CO chuyển về phía tạo thành nhiều CO2hơn khi ở nhiệt độ thấp và có nhiều hơi nước hơn, tuy nhiên, tốc độ phản ứng do đó

sẽ tăng nếu nhiệt độ cao hơn Nhiệt độ tối ưu của phản ứng chuyển hóa CO phụ thuộc vào hoạt tính của chất xúc tác và thành phần khí Vì vậy, phản ứng chuyển hóa CO được thực hiện qua hai giai đoạn trong hai thiết bị bao gồm thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao và thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp, với quá trình làm mát sau mỗi thiết bị chuyển hóa CO

Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình chuyển hóa CO được thể hiện trong hình theo sau

Hình 1.10: Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình chuyển hóa CO

Thiết bị chuyển hóa

CO nhiệt độ cao

Thiết bị chuyển hóa

CO nhiệt độ thấp Khí reforming

Khí chuyển hóa CO

 Thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao

Thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao chứa xúc tác SK-201-2 được lắp đặt trong 1 tầng Xúc tác này là oxide crome được tăng cường bởi oxide sắt với dạng viên đường kính 6 mm và cao 6 mm Xúc tác SK-201-2 có thể hoạt động liên tục trong khoảng nhiệt độ 320-500oC Xúc tác mới có thể hoạt động ở nhiệt độ dòng khí vào là 360oC Sau đó, do quá trình lão hóa xúc tác mà nhiệt độ dòng khí vào tối ưu tăng lên, đồng thời nhiệt độ dòng khí đầu ra không đạt được 460oC, hoạt tính xúc tác sẽ giảm từ từ

Clo và các muối vô cơ sẽ đầu độc xúc tác Hàm lượng của clo trong dòng khí công nghệ yêu cầu phải nhỏ hơn 1 ppm Tuy nhiên, xúc tác của quá trình reforming

và quá trình chuyển hóa CO nhiệt độ cao rất nhạy cảm với các tạp chất này, nên cần thiết phải loại bỏ các tạp chất này đến mức yêu cầu, nhằm tránh đầu độc xúc tác SK-201-2 Nhiệt của hơi nước ngưng không ảnh hưởng đến xúc tác SK-201-2 Nhưng nếu xúc tác nóng tiếp xúc với nước lỏng có thể dẫn đến phá hủy xúc tác

 Thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp

Thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp được nạp hai lớp xúc tác Lớp trên cùng

là chất xúc tác nền chromium LSK, và đóng vai trò bảo vệ chống lại sự ngộ độc xúc tác bởi chlorine Chất xúc tác còn lại là LK-821-2 bao gồm hỗn hợp oxide đồng, ox-ide kẽm và oxide nhôm, ở dạng viên đường kính 4,5 mm và cao 3,4 mm Xúc tác được hoạt hóa ở khoảng nhiệt độ 160-220oC trong dòng nitrogen tuần hoàn có chứa 0,2-2% hydrogen Trong suốt quá trình khử, đồng oxide phản ứng với hydrogen tạo đồng tự do

Xúc tác LK-821-2 có thể hoạt động ở khoảng nhiệt độ 170-250oC Các tạp chất sulphur, chloride và silica là các chất độc đối với xúc tác LK-821-2

1.3.3.4 Quá trình tách CO 2 bằng dung dịch MDEA

Quá trình tách CO2 được thực hiện thông qua 2 giai đoạn dựa vào quá trình hấp thụ bằng dung dịch MDEA của hãng BASF Hệ thống công nghệ chính của quá trình hấp thụ CO2 bao gồm một tháp hấp thụ CO2 hai cấp, một tháp giải hấp CO2 và

hai bình tách trung gian Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình tách CO2 được thể hiện trong hình theo sau

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ của quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA Khí CO2 được tách khỏi dòng khí công nghệ nhờ sự hấp thụ bởi dung dịch MDEA 40 %kl Dung dịch MDEA chứa chất hoạt hóa và chất hoạt hóa này giúp làm tăng tốc độ truyền khối của CO2 từ pha khí sang pha lỏng Phần còn lại của dung dịch là nước Các phản ứng trong quá trình hấp thụ CO2 được mô tả như sau:

(1) R3N + H2O + CO2 R3NH+ + HCO3−(2) 2R2NH + CO2 R2NH2+ + R2N-COO−Phản ứng (1) là phản ứng cho amine bậc ba (ví dụ MDEA) Phản ứng (2) là phản ứng cho amine bậc hai (chất hoạt hóa)

1.3.3.5 Quá trình methane hóa

Bước tinh chế khí cuối cùng là quá trình methane hóa, là quá trình chuyển hóa carbon oxide thành methane Methane đóng vai trò như khí trơ trong quá trình tổng hợp Amoniac Ngược lại, các hợp chất chứa oxy như carbon oxide độc với xúc tác

Khí CO2 đến phân xưởng urea

Khí đã chuyển

hóa CO

Khí đã khử CO2

quá trình tổng hợp Amoniac Quá trình methane hóa xảy ra trong thiết bị methane hóa và các phản ứng trong quá trình methane hóa là những phản ứng ngược với các phản ứng trong quá trình reforming

(1) CO + 3H2 CH4 + H2O + Q (2) CO + H2O CO2 + H2 + Q Các yếu tố quyết định đến phản ứng methane hóa bao gồm hoạt tính xúc tác, nhiệt độ, áp suất và hàm lượng hơi nước trong khí công nghệ Nhiệt độ thấp, áp suất cao và hàm lượng nước thấp giúp cho cân bằng hóa học của phản ứng chuyển dịch

về phía methane hóa Nhiệt độ tăng thì hoạt tính xúc tác tăng nhưng tuổi thọ của xúc tác lại giảm đi Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình methane hóa được thể hiện trong hình theo sau

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ tổng quát của quá trình methane hóa

Nhiệt độ đầu vào của thiết bị methane hóa được thiết kế là 300oC tại lúc khởi động Dòng khí công nghệ ra khỏi thiết bị hấp thụ CO2 được gia nhiệt đến nhiệt độ này nhờ thiết bị trao đổi nhiệt Trong quá trình vận hành bình thường, nhiệt độ tăng qua lớp xúc tác cần nằm trong khoảng 25oC, tương ứng với nhiệt độ đầu ra khoảng

325oC Thiết bị trao đổi nhiệt làm mát khí đã tinh lọc đến nhiệt độ khoảng 74oC

Condensate

Khí đã tách CO 2

Thiết bị phân tách khí cuối

Thiết bị methane hóa

Khí đi tổng hợp amoniac

Sau đó, khí được đưa đến bộ làm mát cuối và thiết bị phân tách khí cuối, nơi mà nước ngưng tụ được tách ra khỏi khí công nghệ

Dòng khí đã tinh chế có chứa N2, H2 và khoảng 1,5 %mol khí trơ như Ar, CH4

Bên cạnh điều kiện cân bằng, động học của việc hình thành amonia cũng rất quan trọng Phản ứng hình thành NH3 phụ thuộc vào hai yếu tố đối lập nhau:

 Tốc độ phản ứng tăng khi tăng nhiệt độ Đây là yếu tố chung áp dụng cho bất