Đồ án công nghệ tìm hiểu và mô phỏng phân xưởng amoniac nhà máy đạm phú mỹ

Sau đó CO sẽ gây phản ứng phụ tạo cacbon gọi là phản ứng Boudouad:Cacbon ở dạng muội than sẽ bám vào xúc tác, làm giảm hoạt tính xúc tác.Xúc tác TK-250 Al2O3 75-85%, MoO3 12-18%, CoO 2-5

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển: 2

1.2 Các phân xưởng sản xuất chính của nhà máy: 2

1.2.1 Phân xưởng amoniac: 2

1.2.2 Phân xưởng Urê: 3

1.2.3 Phân xưởng phụ trợ: 3

1.3 Nguyên liệu sản xuất: 3

Chương 2 :GIỚI THIỆU PHÂN XƯỞNG AMONIAC NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 3 3.1 Quá trình HDS: 3

3.1.1 Mục đích: 3

3.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm: 3

3.1.3 Thông số vận hành: 4

3.1.4 Công nghệ tổng quát: 4

3.2 Quá trình Reforming: 6

3.2.1 Mục đích: 6

3.2.2 Quá trình Reforming sơ cấp :(10-H-2001) 6

3.2.3 Quá trình Reforming thứ cấp:(10-R-2003) 8

3.3 Quá trình chuyển hóa CO: 10

3.3.1 Mục đích: 10

3.3.2 Mô tả quá trình: 11

3.3.2.1 Nguyên liệu và sản phẩm: 11

3.4 Quá trình loại CO2: 12

3.4.1 Mục đích: 12

3.4.2 Dung môi hấp thụ: 12

3.4.3 Sơ đồ công nghệ chính của quá trình: 12

3.5 Methan hóa: 14

3.5.1 Mục đích: 14

3.5.2 Nguyên liệu và sản phẩm: 14

3.5.3 Thông số vận hành: 14

3.5.4 Xúc tác: 14

3.6 Quá trình tổng hợp amoniac: 15

3.6.1 Lý thuyết quá trình: 15

3.6.2 Nguyên liệu và sản phẩm 15

3.6.3 Chu trình tổng hợp: 15

3.6.4 Các khí trơ và khí phóng không: 17

3.7 Tháp tổng hợp Amoniac 10 –R – 5001: 17

3.7.1 Giới thiệu chung: 17

3.7.2 Xúc tác: 19

3.7.3 Nhiệt độ phản ứng trong tháp tổng hợp Amoniac: 19

3.7.4 Áp suất vận hành: 20

3.7.5 Làm lạnh: 20

Chương 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI SỐ LIỆU THỰC TẾ CỦA NHÀ MÁY 24

5.1 Khu vực Reforming: 24

5.2 Khu vực chuyển hóa CO: 29

5.3 Hấp thụ CO 2 bằng MDEA: 32

5.4 Khu vực Methan hóa: 32

5.5 Khu vực tổng hợp NH 3 : 34 5.6 Quá trình làm tinh khiết Ammonia lỏng: 36

chương I GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ

Việc sử dụng khí thiên nhiên để sản xuất phân đạm đã được Đảng và Chínhphủ quan tâm Nhà máy đạm Phú Mỹ là một khâu quan trọng trong chương trìnhKhí –Điện Đạm và là một chủ trương lớn nhằm nâng cao giá trị sử dụng nguồn khíBạch Hổ, Trũng Cửu Long và Nam Côn Sơn, là nhà máy phân bón lớn và hiện đạiđầu tiên của Tổng công ty dầu khí Việt Nam

Nhà máy sản xuất phân đạm Phú Mỹ có công suất 760.000 đến 800.000 tấnđạm Urê/năm

1.2 Các phân xưởng sản xuất chính của nhà máy:

Sản xuất NH3 và CO2 để cung cấp cho xưởng tổng hợp Urê, và NH3 thành phẩm

Sản xuất Urê thành phẩm từ CO2 và NH3

Cung cấp điện, nước, N2 …đảm bảo cho nhà máy hoạt động bình thường

1.3 Nguyên liệu sản xuất:

Nguyên liệu chính của nhà máy là khí đồng hành Bạch Hổ, ngoài ra có thể sửdụng khí thiên nhiên từ bồn Trũng Nam Côn Sơn và các bể khác thuộc lục địa phíaNam Lượng khí tiêu thụ cho nhà máy khoảng khoảng 450 triệu m3/năm Thànhphần khí nguyên liệu: Methane, Etane (C2H6), Propane và Butane

Nguồn hydro là từ nước khử khoáng và trong khí tự nhiên Nguồn nitơ là từ nitơ trong khí quyển

Chương 2 : GIỚI THIỆU PHÂN XƯỞNG AMONIAC NHÀ MÁY

ĐẠM PHÚ MỸ.

R-2002 A/B R-2001

Natural gas feed

Recycle H2

350 47

34.4 420

Xúc tác cho 10-R-2001 là coban/molypden oxit và xúc tác cho 10-R-2002 A/B

là oxit kẽm

Natural Gas sau khi đã gia nhiệt đến 3500C thì được hòa trộn với H2 hồi lưu.Hỗn hợp sau đó tiếp tục gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết: T0

v = 400oC,

Sau đó CO sẽ gây phản ứng phụ tạo cacbon gọi là phản ứng Boudouad:

Cacbon ở dạng muội than sẽ bám vào xúc tác, làm giảm hoạt tính xúc tác.Xúc tác TK-250 (Al2O3 75-85%, MoO3 12-18%, CoO 2-5%) bị oxy hoá trong quátrình vận chuyển và hoàn nguyên lại hoạt tính của nó khi được sulphide hoá.Trong trạng thái được sulphide hoá, chất xúc tác có thể tự bốc cháy và nó khôngđược phép tiếp xúc với không khí tại nhiệt độ lớn hơn 70oC

Gồm hai thiết bị nối tiếp nhau nhưng hoạt động không đồng thời, thiết bịkhông hoạt động nhằm dự phòng cho thiết bị kia khi hư hỏng sửa chữa, bảo trì.Hoặc tiếp tục hấp thụ H2S nếu thiết bị đầu hấp thụ chưa hết H2S như theo yêu cầu.Các phản ứng xảy ra:

Trong thiết bị hấp thụ 10-R 2002A/B thì chất xúc tác chính là ZnO ở dạng hạt

ép dài 4 mm và sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

 Không phản ứng với oxy hay hiđro ở bất kỳ nhiệt độ nào

 Nước ngưng tụ có thể gây ngộ độc vĩnh viễn cho xúc tác

 Trong thời gian làm việc thì xúc tác sẽ hấp thụ H2S và hoạt tính sẽ giảmdần, sau một thời gian thay xúc tác mới, chất xúc tác không có tính tựbốc cháy nên không nguy hiểm cho quá trình tháo xúc tác

Hiệu suất của quá trình tăng khi tăng nhiệt độ, lượng hơi nước, giảm áp suất

Nguyên liệu là sản phẩm của quá trình HDS và dòng hơi nước qua thiết bị traođổi nhiệt 10-E-2001 để nâng nhiệt độ lên 535 0C với các thành phần như sau:

Cấu tử % mol Cấu tử % mol

Natural gas feed

sau khi qua HDS

34.4 390

783 30.9

Air process

535 31.8

Duy trì tỉ lệ H2O/C = 2.9 để tránh tạo Carbon bám trên xúc tác.

Khống chế nhiệt độ : 500-650 < T < 7900C

Giảm thời gian lưu để tránh phản ứng : 2CO  CO2 + C

Carbon có thể tạo thành do: Ngộ độc xúc tác, nhiệt độ phản ứng cao, từ đó làmtăng trở lực qua lớp xúc tác và làm giảm hoạt tính chất xúc tác

Hiệu suất của RC1 được điều chỉnh sao cho lượng không khí đưa vàoreforming thứ cấp đảm bảo tỉ lệ H2/N2 của hỗn hợp khí sau phản ứng là 3/1

3.2.3 Quá trình Reforming thứ cấp:(10-R-2003)

Chuyển hóa lượng khí còn lại trong reforming sơ cấp tạo CO, CO2, H2 sau đónhờ xúc tác chuyển hóa phần CH4 còn lại trong hỗn hợp khí, cung cấp N2 cho quátrình tổng hợp Amoniac

3.2.3.2 Nguyên liệu và sản phẩm:

Khí sản phẩm sau khi ra khỏi 10-R-2003 được làm giảm nhiệt độ nhờ hai thiết

bị trao đổi nhiệt 10-E-2008 và 10-E-2009 Nhiệt ở đây được tận dụng để sản xuấthơi siêu áp

Ta phải giảm lượng CH4 trong dòng khí sản phẩm càng thấp càng tốt để giảmlượng khí trơ trong quy trình.

Xúc tác nằm giữa hai lớp là các hạt nhôm với các kích cỡ khác nhau:

 Lớp trên bảo vệ xúc tác khỏi ngọn lửa trực tiếp và tránh xáo trộn

 Lớp dưới nâng đỡ xúc tác và tránh xúc tác bị kéo theo dòng khí đã phảnứng

Nhiệt độ phân hủy của chất xúc tác: 1400-1500 0C

Chất xúc tác đã hoạt hóa không được tiếp xúc trực tiếp với không khí ở nhiệt

độ lớn hơn 1000C vì gây ra hiện tượng gia tăng nhiệt độ tự phát Lưu ý khi nạp xúctác tránh để nhiệt độ tăng cao, trong quá trình vận hành tránh không cho dòngkhông khí qua thiết bị khi không có mặt của dòng nguyên liệu

Cũng như reforming sơ cấp việc nạp ba lớp xúc tác tăng hiệu suất của phảnứng, thời gian sống của xúc tác, giảm chi phí cho quá trình

Thực chất của thiết bị reforming thứ cấp là hai thiết bị nối liền nhau, phía trên

là lò đốt, phía dưới là khu vực phản ứng (xúc tác được nạp vào ở đây)

Nhiệt thừa của khói thải từ buồng bức xạ nhiệt trong reformer sơ cấp và củakhí công nghệ đi ra từ reformer thứ cấp được dùng để hâm nóng các dòng côngnghệ khác nhau và tạo ra hơi nước siêu cao áp

3.1 Quá trình chuyển hóa CO:

10-E-2010

Waste heat boiler

10-E-2011

Trim heater

190 29.1

độ điểm sương để tránh lỏng ngưng làm phân rã xúc tác

Dòng khí đã ra khỏi thiết bị chuyển hóa ở nhiệt độ thấp có nhiệt độ 2130C vànồng độ CO 0.23%

Xúc tác ở thiết bị chuyển hóa nhiệt độ cao: Fe2O3 80-90%, Cr2O3 8-13%, CuO1-2%, TV = 320-5000C

Thiết bị phản ứng nhiệt độ thấp thì xúc tác là: Cr2O3 40-50%, CuO 15-20%, ZnO 25-35%

Chất xúc tác ở thiết bị chuyển hóa nhiệt độ thấp rất nhạy cảm với lưu huỳnh và lỏng ngưng nên giai đoạn đầu không cho dòng khí quá trình qua thiết bị này, sau khi đạt nhiệt độ trên nhiệt độ điểm sương mới cho qua

3.4.1 Mục đích:

Loại bỏ các hợp chất chứa oxy tránh gây ngộ độc xúc tác và ăn mòn, tách CO2

-làm nguyên liệu cho phân xưởng ure.[CO2] <500 ppm

3.4.3 Sơ đồ công nghệ chính của quá trình:

Hệ thống công nghệ chính bao gồm một tháp hấp thụ CO2 ngược dòng hai cấp,một tháp stripping CO2 và một tháp tái sinh CO2

0.18 45

73.4

50 75.8

82.6 112

102 0.34

82 5.5

132 27.2

5.9

82.3

75 27.5

134 27.8

Washing water CO2 to Urea

10-P-3001 A/B

Semilean solution pump

10-P-3002 A/B

Lean solution Pump

10-E-3005

DMW preheater NO.2

10-P-3003 A/B

Split stream pump

10-V-3002

HP flash drum

10-E-3003

Lean solution cooler

10-E-3004

DMW preheater NO.1

10-E-3001

Solution heat exchanger

10-P-3004 A/B

condensate pump

10-E-3006

LP flash gas cooler

10-E-3002

Stripper

Process gas separator

Trong tháp hấp thụ CO2 (10-T-3002), CO2 được tách ra bằng hấp thụ ngượcdòng 2 cấp Trong phần dưới của tháp hấp thụ, dung dịch bán thuần tái sinh đượcdùng để hấp thụ phần lớn CO2 Phần trên của tháp, dung dịch thuần được dùng đểtách phần CO2 còn lại Nhiệt độ tăng dần do quá trình hấp thụ là quá trình tỏanhiệt

Để ngăn chặn sự thất thoát dung dịch hấp thụ và piperazine bị kéo theo dòngkhí đỉnh tháp người ta dùng dòng Washing water phun vào đỉnh tháp Dòng nàycòn có tác dụng điều chỉnh nồng độ dung dịch MDEA luôn 40 %m

Dung dịch giàu CO2 rời khỏi tháp hấp thụ CO2 được giảm áp trong một turbinethuỷ lực 10-HT-3001, công sinh ra dùng để chạy bơm dung dịch bán thuần 10-P-3001A, do đó làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của quá trình một cách đáng kể

Tái sinh dung dịch giàu CO2 được thực hiện trong hai cấp để đạt được sự tinhkhiết cao của CO2 Trong bình tách cao áp 10-V-3002 khí trơ hòa tan được giảiphóng tại áp suất 5.5 barg Tại bình tách thấp áp 10-V-3001 hầu hết CO2 được giảiphóng khỏi dung dịch ở áp suất 0.27 barg

Nguyên liệu vào của thiết bị methan hóa là khí công nghệ với hàm lượng CO

là 0,28% và CO2 là 0,05% Trong khi sản phẩm ra là hầu như không còn khí này

3.5.3 Thông số vận hành:

Nguyên liệu trước khi vào thiết bị phản ứng được gia nhiệt đến 3000C, phảnứng methane hóa xảy ra, phản ứng tỏa nhiệt nên làm nhiệt độ sản phẩm tăng lênđến 3180C, phản ứng thuận lợi ở nhiệt độ thấp, áp suất cao

Các phản ứng xảy ra trong thiết bị methan hóa là:

Ở 3000C hoạt tính xúc tác rất tốt, đảm bảo vận tốc phản ứng nhanh và độchuyển hóa cao Tăng nhiệt độ lên sẽ làm giảm hoạt tính, tuổi thọ của xúc tác,giảm nhiệt độ thì vận tốc và độ chuyển hóa xúc tác giảm Khi xúc tác bị lão hóacần nâng nhiệt độ nguyên liệu.

Trong quá trình vận hành nếu hàm lượng CO và CO2 tăng bất thường thì hệthống tự động cô lập thiết bị, không cho nguyên liệu vào thiết bị, tránh hư hỏngxúc tác mà không thể phục hồi lại hoạt tính xúc tác được

 Hợp chất chứa lưu huỳnh và clo

 Hơi nước không có mặt của hyđro sẽ oxy hóa xúc tác

 Nhiệt độ cao quá sẽ phá huỷ xúc tác (giới hạn 4200C)

Nếu có sự hiện diện của khí trơ như là argon và methan, nồng độ amoniac ởđiều kiện cân bằng giảm

3.6.2 Nguyên liệu và sản phẩm

Nguyên liệu của quá trình tổng hợp NH3 là khí tổng hợp chứa N2 lấy từ khôngkhí đưa vào trước thiết bị reforming thứ cấp, và khí H2 thu được từ quá trìnhreforming, được điều chỉnh sao cho tỉ lệ H2:N2 là 3:1

Sản phẩm của thiết bị phản ứng là hỗn hợp khí NH3 tạo thành, H2 và N2 dư Vìvậy cần phải có quá trình tách NH3 ra khỏi hỗn hợp khí

131 -5 -5

131.5

-5 131

-5 22

9.2 12.7

22 131.9

132 43 132.4 139

109 68

47 43.6

43

25.5

132.2 34.5

132.5 41 132.9 65.3 133.9 284 134.5 340

135 441

137 254

138 45.4 129

37

18 130

Make-up synthesis gas

10-V-5009

Make-up gas separator

10-V-5001

Ammonia separator

10-E-5014

Purge gas chiller

10-E-5008

2nd Ammonia chiller

10-E-5007

2nd cold exchanger

10-E-5006

1st Ammonia chiller

10-V-4033 10-V-4031

10-K-4031

Synthesis gas/reculation compressor

10-E-5005

1st cold exchanger

10-E-5001

Waste heat boiler

Khí tổng hợp từ công đoạn methan hóa, được nén đến khoảng 132 barg trướckhi được đưa vào trong chu trình tổng hợp:

Khí make-up được làm lạnh trong thiết bị làm lạnh (chiller) 10-E-5009 vàđược đưa vào trong chu trình tổng hợp giữa bộ làm lạnh thứ hai (10-E-5007) vàthiết bị làm lạnh Amoniac(10-E- 5008), sau khi khí phóng không (let down gas)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 qua nồi hơinhiệt thừa 10-E-5001 nhiệt độ giảm từ 440oC xuống 340oC Tiếp theo, khí đượclàm 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 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 làmlạnh nước 10-E- 5004 và xuống 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 –5 oC xảy ra qua bộ làmlạnh Amoniac thứ nhất 10-E-5006, bộ làm lạnh thứ hai 10-E-5007, và cuối cùng là

bộ làm lạnh amoniac 10-E- 5008 Amoniac đã ngưng tụ được tách ra khỏi khí tổnghợp tuần hoàn trong bình tách Amoniac 10-V-5001 Từ bình tách, khí được tuầnhoàn trở lại 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 heatexchanger) đến tháp tổng hợp Amoniac nhờ máy nén tuần hoàn, là một phần củamáy nén khí tổng hợp (10-K-4031)

Khí make-up đi vào chu trình tổng hợp có hàm lượng nước ở trạng thái bãohòa và chứa hàm lượng vết cacbon monoxit và cacbon dioxit

Nồng độ hơi nước trong khí make-up là khoảng 200 ppm Nó sẽ được tách nhờ

sự hấp thụ vào trong Amoniac ngưng tụ Cacbon dioxit trong khí make-up sẽ phảnứng với Amoniac lỏng và khí, hình thành amôni cacbamat

2NH3 + CO2  NH4-CO-NH2

Cacbamat hình thành sau đó hòa tan vào trong Amoniac ngưng tụ Cacbonmonoxit chỉ hòa tan rất ít trong Amoniac, do đó, nó sẽ đi qua máy nén tuần hoànđến tháp tổng hợp Amoniac bị hydro hóa thành nước và methan

Khí make-up chứa một lượng nhỏ argon và methan Những khí này là trơ khi

đi qua tháp tổng hợp mà không làm thay đổi về mặt hóa học Những khí trơ này sẽtích tụ trong chu trình tổng hợp, và nồng độ sẽ tăng dần trong dòng khí tổng hợptuần hoàn Mức độ khí trơ trong chu trình tổng hợp sẽ tăng lên cho đến khi lượngkhí trơ đưa vào chu trình tổng hợp trong khí make-up bằng với lượng khí trơ đượctách ra khỏi chu trình tổng hợp.Vì vậy cần phải xả khí trơ ra ngoài, lượng khí trơ

xả ra ngoài phải cân bằng với lượng khí trơ đưa vào

Cold By-Pass Pipe

Main Gas Inlet

Tại đỉnh của tháp tổng hợp, khí đi qua phần ống xúc tác của bộ trao đổi nhiệtgiữa các lớp xúc tác, được gia nhiệt đến nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ khí tại đầuvào của lớp xúc tác thứ nhất được điều chỉnh nhờ dòng “kích lạnh” (cold shot),dòng khí tổng hợp lạnh được đưa vào thông quá các ống xúc tác trung tâm

Khí rời khỏi lớp xúc tác thứ nhất được làm lạnh nhờ đi qua phần của bộ traođổi nhiệt giữa các lớp xúc tác trước khí chúng được dẫn đến lớp xúc tác thứ hai.Sau khi đi qua lớp xúc tác thứ hai, khí rời khỏi tháp tổng hợp đi qua nồi hơinhiệt thừa 10-E-5001, thu hồi phần lớn nhiệt phản ứng được dùng để sản xuất hơinước.

3.7.2 Xúc tác:

Chất xúc tác tổng hợp amoniac KM1/KM1R được tăng cường bởi xúc tác sắt,chứa đựng một lượng nhỏ oxit không khử được Kích thước hạt xúc tác là1,5÷3mm Kích thước hạt nhỏ đảm bảo hoạt tính xúc tác cao Hơn nữa, dòng pháttán của tháp tổng hợp cho phép sử dụng những hạt xúc tác nhỏ mà không tạo ra độchênh áp lớn

Tất cả các hợp chất chứa oxy, như H2O, CO, CO2 là chất gây ngộ độc đến chấtxúc tác, làm giảm hoạt tính xúc tác, chất xúc tác đạt trở lại hoạt tính của chúng khikhí tổng hợp hoàn toàn không chứa oxy trở lại Nhưng vẫn có một số điểm giảmhoạt hóa vĩnh viễn sẽ xảy ra

Các hợp chất lưu huỳnh, clo và photpho là cực kỳ độc và gây ra sự giảm hoạttính vĩnh viễn

3.7.3 Nhiệt độ phản ứng trong tháp tổng hợp Amoniac:

Tại đầu vào của lớp xúc tác thứ nhất của 10-R-5001, cần thiết phải đạt nhiệt độtối thiểu là 3600C để đảm bảo một tốc độ phản ứng đủ lớn Nếu nhiệt độ tại đầuvào của chất xúc tác quá thấp, tốc độ phản ứng sẽ trở nên quá chậm đến mức nhiệtđược giải phóng bởi phản ứng là quá nhỏ để duy trì nhiệt độ trong tháp tổng hợp.Phản ứng sẽ nhanh chóng bị tắt nếu những điều chỉnh thích hợp (giảm tốc độ tuầnhoàn khí và/hoặc đóng dòng kích lạnh) không được tiến hành ngay lập tức

Mặt khác, cần thiết phải duy trì nhiệt độ chất xúc tác ở mức thấp nhất có thể đểkéo dài tuổi thọ chất xúc tác Chính vì lẽ đó, nên duy trì nhiệt độ đầu vào chất xúctác cao hơn nhiệt độ tối thiểu một chút Thông thường khoảng 380-385 0C, cần đưakhí tổng hợp vào lớp xúc tác thứ nhất tại nhiệt độ 360-3650C Khi khí đi qua lớp