Đồ án: Quy trình sản xuất Amoniac (NH3) từ than đá chi tiết

Tổng quan quy trình công nghệ sản xuất Amoniac NH3 từ nguyên liệu than đá. Bao gồm sơ đồ khối, thuyết minh chi tiết các công đoạn và thiết bị chính.

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Sản Xuất Amoniac NH3 Từ Than Đá: Quy Trình & Công Nghệ
• Loại tài liệu: Đồ Án Nhập Môn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về sản xuất Amoniac NH3 từ than đá

Amoniac (NH3) là một hóa chất công nghiệp quan trọng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất phân bón, chất nổ, và các sản phẩm hóa học khác. Sản xuất amoniac từ than đá là một quy trình hóa học phức tạp, kết hợp nhiều công nghệ tiên tiến. Than đá đóng vai trò làm nguyên liệu thô cung cấp hydrogen và carbon cần thiết. Quy trình này đã được phát triển và hoàn thiện qua nhiều thập kỷ, giúp đáp ứng nhu cầu sản xuất amoniac toàn cầu một cách hiệu quả và kinh tế.

1.1. Vai trò và ứng dụng của Amoniac NH3

Amoniac là một chất hóa học đa chức năng với nhiều ứng dụng công nghiệp. Nó được sử dụng chủ yếu trong sản xuất phân bón nitrogen, chiếm khoảng 80% tổng lượng amoniac sản xuất. Amoniac cũng được ứng dụng trong sản xuất chất nổ, chất tẩy rửa, mỹ phẩm, và các sản phẩm hóa học tinh vi khác. Giá trị kinh tế của amoniac rất cao, làm cho ngành sản xuất amoniac trở thành một lĩnh vực công nghiệp quan trọng.

1.2. Tầm quan trọng của than đá trong sản xuất amoniac

Than đá là một nguồn nguyên liệu phổ biến và giá rẻ để sản xuất amoniac. Nó cung cấp carbon và hydrogen cần thiết cho quá trình hợp chất hóa học. Việc sử dụng than đá giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi kinh tế của quá trình. Các quốc gia có dự trữ than đá dồi dào thường sử dụng phương pháp này để sản xuất amoniac với chi phí cạnh tranh.

II. Quy trình sản xuất Amoniac từ than đá

Quy trình sản xuất amoniac từ than đá bao gồm nhiều giai đoạn chính được thiết kế để chuyển đổi nguyên liệu thô thành sản phẩm cuối cùng. Giai đoạn đầu tiên là xử lý than đá bằng phương pháp carbon hóa hoặc xử lý nhiệt để tách chiết hydrogen. Tiếp theo là quá trình tổng hợp amoniac từ nitrogen và hydrogen ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác phù hợp. Cuối cùng là các bước tinh khiết và lưu trữ sản phẩm. Mỗi giai đoạn đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số kỹ thuật.

2.1. Giai đoạn chuẩn bị và xử lý than đá

Giai đoạn đầu tiên là chuẩn bị nguyên liệu than đá. Than được sàng lọc để loại bỏ tạp chất, sau đó được nghiền thành bột mịn để tăng diện tích bề mặt. Bước tiếp theo là carbon hóa than ở nhiệt độ cao (700-1000°C) trong môi trường thiếu oxygen, tạo ra than coke và khí synthesis (khí tổng hợp). Khí synthesis này chứa chứa các thành phần cần thiết cho bước tiếp theo là sản xuất amoniac.

2.2. Quá trình tổng hợp Amoniac Haber Bosch

Quá trình tổng hợp amoniac chủ yếu sử dụng phương pháp Haber-Bosch, một công nghệ cổ điển nhưng hiệu quả. Nitrogen và hydrogen được kết hợp dưới áp suất cao (150-300 atm), nhiệt độ khoảng 400-500°C, và với xúc tác sắt. Quá trình này là một phản ứng cân bằng thuận nghịch, do đó điều kiện được tối ưu hóa để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi. Amoniac được sản xuất liên tục và được tách ra từ hỗn hợp khí.

2.3. Tinh khiết và lưu trữ sản phẩm cuối cùng

Sau khi sản xuất, amoniac thô được tinh khiết để loại bỏ các tạp chất. Quá trình này bao gồm các bước như nén, làm lạnh, và tách pha. Amoniac được chuyển đổi thành dạng lỏng bằng cách nén và làm lạnh để dễ dàng lưu trữ và vận chuyển. Amoniac lỏng được lưu trữ trong các bình chứa áp suất lạnh hoặc các xe chở tanker chuyên dụng, bảo đảm an toàn và chất lượng sản phẩm.

III. Công nghệ tiên tiến trong sản xuất Amoniac

Các công nghệ hiện đại đã cải thiện đáng kể hiệu suất và tính bền vững của quá trình sản xuất amoniac. Các xúc tác mới có hoạt tính cao hơn và độ bền lâu hơn đã được phát triển. Công nghệ giảm áp suất cho phép sản xuất amoniac ở áp suất thấp hơn, giảm chi phí năng lượng. Các hệ thống kiểm soát tự động và cảm biến thông minh giúp tối ưu hóa các thông số quá trình. Các giải pháp xử lý khí thải và tái chế năng lượng giúp giảm tác động môi trường và cải thiện tính kinh tế.

3.1. Xúc tác và điều kiện tối ưu

Xúc tác sắt sơ cấp (Fe-Al2O3) vẫn là xúc tác chính được sử dụng trong công nghệ Haber-Bosch. Tuy nhiên, các xúc tác cải tiến với hỗ trợ ruthenium hoặc cobalt đã được phát triển để tăng hoạt tính. Các điều kiện tối ưu bao gồm áp suất 150-300 atm, nhiệt độ 400-500°C, và tỷ lệ N2:H2 = 1:3. Sự phối hợp giữa các yếu tố này quyết định hiệu suất chuyển đổi và sản lượng amoniac.

3.2. Công nghệ tiết kiệm năng lượng

Công nghệ tái chế nhiệt từ phản ứng tổng hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các bước khác của quy trình. Các trao đổi nhiệt hiệu quả cao giúp giảm nhu cầu năng lượng bên ngoài. Công nghệ nén nhiều giai đoạn với làm mát trung gian cải thiện hiệu quả. Các hệ thống điều khiển quá trình tiên tiến giúp duy trì các điều kiện tối ưu liên tục.

IV. Thách thức và triển vọng phát triển tương lai

Sản xuất amoniac từ than đá đối mặt với nhiều thách thức về môi trường, kinh tế, và kỹ thuật. Quá trình hiện tại tiêu tốn nhiều năng lượng, chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến phát thải carbon cao. Các quy định môi trường ngày càng chặt chẽ buộc ngành phải tìm kiếm các giải pháp xanh hơn. Triển vọng tương lai bao gồm việc sử dụng năng lượng tái tạo, phát triển các quá trình xanh không carbon, và cải tiến công nghệ hiện tại. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp mới như tổng hợp điện hóa và sử dụng năng lượng mặt trời.

4.1. Vấn đề môi trường và phát thải carbon

Sản xuất amoniac hiện đại phát thải khoảng 1.5-2.5 tấn CO2 trên mỗi tấn amoniac sản xuất. Đây là một lượng đáng kể vì sản xuất amoniac chiếm khoảng 1-2% tổng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Quá trình sử dụng than đá làm nguyên liệu vừa là nguồn carbon vừa cung cấp nhiệt cho phản ứng, làm tăng lượng phát thải. Các biện pháp giảm phát thải bao gồm cải thiện hiệu suất năng lượng, sử dụng năng lượng tái tạo, và công nghệ thu giữ carbon.

4.2. Hướng phát triển bền vững trong tương lai

Triển vọng tương lai là phát triển quy trình sản xuất amoniac xanh sử dụng năng lượng tái tạo. Công nghệ điện phân nước kết hợp với nitrogen từ không khí, được cấp năng lượng bởi điện từ mặt trời hoặc gió, là một hướng hứa hẹn. Các quá trình sinh học sử dụng vi khuẩn cố định nitrogen cũng đang được khám phá. Cải tiến công nghệ hiện tại để giảm tiêu thụ năng lượng và phát thải là ưu tiên ngắn hạn của ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Amoniac là sản phẩm của ngành công nghệ hoá học, nó có tâm 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 trữ lượng than đá lớn trong khu vực, sử dụng than đá vào công nghiệp phát triển công nghệ sản xuất NH3 là hướng đi đúng đắn, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có đó. Nguồn nguyên liệu ở Việt Nam hiện nay với trữ lượng Ttt, nó là nguồn nguyên liệu cho tổng hợp amoniac quan trọng nhất, mà nước nhà cần. TỔNG QUAN VỀ AMONIAC 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA AMONIAC Amoniac là hợp chất của Nito (N) và Hydro (H) có công thức hóa học là NH3.

Đây là một hợp chất vô cơ được cấu tạo từ 3 nguyên tử Nito và 1 nguyên tử Hydro tạo thành một liên kết kém bền. Amoniac là một chất khí không màu, có mùi hăng đặc trưng. Nó là một chất thải nitơ phổ biến, đặc biệt là giữa các sinh vật sống dưới nước, và nó góp phần đáng kể vào nhu cầu dinh dưỡng của các sinh vật trên cạn bằng cách đóng vai trò là tiền chất của thực phẩm và phân bón. Trực tiếp hoặc gián tiếp, đây cũng là một chất xây dựng để tổng hợp nhiều sản phẩm dược phẩm và được sử dụng trong nhiều sản phẩm tẩy rửa thương mại.

TÍNH CHẤT HÓA HỌC -Amoniac có tính khử – Amoniac kém bền bởi nhiệt, nó có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao theo phản ứng hóa học:  2NH3 → N2 + 3H2 N2 + 3H2 → 2NH3 – Amoniac tác dụng với ion kim loại chuyển tiếp tạp ion phức:  2NH3 + Ag+ → [Ag(NH3)2]+ – Amoniac Nguyên tử hidro trong amoniac có thể bị thế bởi nguyên tử kim loại kiềm hoặc nhôm:  2NH3 + 2Na → 2NaNH2 + H2 (350 °C)  2NH3 + 2Al → 2AlN + 3H2 (800-900 °C) – Amoniac tác dụng với dung dịch muối: Dung dịch amoniac có khả năng tạo kết tủa nhiều hidroxit kim loại khí tác dụng. – Amoniac do tính bazơ nên dung dịch amoniac làm cho quỳ tím hóa xanh còn dung dịch phenolphlatein từ màu chuyển thành hồng. Do đó để phát hiện amoniac, người ta dùng quỳ tím ẩm để nhận biết. 6 – Amoniac tan trong nước – Amoniac tác dụng với axit tạo thành muối amoni 1.

TÍNH CHẤT VẬT LÝ - Amoniac thường tồn tại ở dạng khí, không màu, có mùi hôi khó chịu. Nồng độ Amoniac lớn có thể gây chết người. - Amoniac có độ phân cực lớn do phân tử NH3 có cặp electron tự do và liên kết N–H bị phân cực. Do đó NH3 là chất dễ hoá lỏng.

- Dung dịch Amoniac là dung môi hoà tan tốt: NH3 hoà tan các dung môi hữu cơ dễ hơn nước do có hằng số điện môi nhỏ hơn nước. Kim loại kiềm và các kim loại Ca, Sr, Ba có thể hòa tan trong NH3 lỏng tạo dung dịch xanh thẫm. ỨNG DỤNG Amoniac được dụng rộng rãi trong đời sống cũng như ứng dụng trong công nghiệp. Dưới đây sẽ là một vài ví dụ điển hình về ứng dụng của Amoniac.

-Phân bón:  Trên thực tế có đến khoảng 83% amoniac lỏng được dùng làm phân bón vì trong tất cả các hợp chất Nito đều có nguồn gốc từ NH3, rất cần thiết cho sự phát triển của cây trồng.  Năm 2004, của amoniac được sử dụng như phân bón hoặc như là các muối của nó hoặc là giải pháp. Khi áp dụng cho đất, giúp cung cấp năng suất gia tăng của các loại cây trồng như ngô và lúa mì.  Tiêu thụ nhiều hơn 1% của tất cả các năng lượng nhân tạo, sản xuất amoniac là một thành phần quan trọng của ngân sách năng lượng thế giới.

-Dùng làm thuốc tẩy:  Amoniac được dùng trong hộ gia đình là dung dịch NH3 trong nước được sử dụng làm chất tẩy rửa cho nhiều bề mặt. Amoniac lỏng tạo ra ánh sáng rực rỡ.  Trong đó, amoniac được dùng để làm sạch thủy tinh, đồ sứ và thép không gỉ, hay được sử dụng để làm sạch lò nướng và ngâm đồ để làm sạch bụi bặm… -Trong ngành dệt may:  Amoniac lỏng được sử dụng để điều trị nguyên liệu bông, cung cấp cho một tài sản kiềm bóng sử dụng chất kiềm. Đặc biệt, nó được sử dụng để rửa tiền len.

-Xử lý môi trường khí thải: 7  Amoniac lỏng được sử dụng trong xử lý môi trường nhằm loại bỏ các chất như Nox, Sox trong các khí thải khí đốt các nguyên liệu hóa thạch như than, đá… -Là chất chống khuẩn trong thực phẩm:  Amoniac là một chất khử mạnh, Amoniac khan hiện được sử dụng với mục đích thương mại để giảm hoặc loại bỏ nhiễm khuẩn của thịt bò. -Trong công nghiệp chế biến gỗ:  Amoniac lỏng được sử dụng trong chế biến gỗ, làm cho màu sắc đậm hơn bởi khí Amoniac phản ứng với tự nhiên trong gỗ và làm thay đổi màu sắc đẹp hơn. -Sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí:  Sử dụng Amoniac trong trung hòa acid, thành phần của dầu thô và bảo vệ các thiết bị khỏi bị ăn mòn. -Trong ngành công nghiệp khai thác mỏ:  Amoniac được sử dụng để khai thác các kim loại như đồng niken và molypden từ quặng của họ.

TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ TIÊU THỤ NH3 Amoniac là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất phân bón và là một trong những hợp chất tổng hợp được sản xuất với sản lượng hàng năm lớn nhất trên thế giới. Khoảng 80% sản lượng amoniac được sử dụng để sản xuất các loại phân bón. Trên thực tế, sản lượng amoniac toàn cầu đã tăng liên tục trong nhiều năm qua để đáp ứng nhu cầu phân bón của ngành nông nghiệp thế giới. Về mặt địa lý, các khu vực sản xuất amoniac lớn trên thế giới bao gồm Bắc Mỹ, Châu Âu, Trung Đông, Ấn Độ và Trung Quốc, trong đó Trung Quốc là khu vực sản xuất chính.

8 Tại Việt Nam, Amoniac đóng vai trò là một sản phẩm trung gian quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, là nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều dây chuyền sản xuất, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất phân bón như Urê, DAP, amoni nitrat… Nhu cầu tiêu thụ amoniac tại Việt Nam trong những năm gần đây khoảng hơn 1,4 triệu tấn/năm và đang có xu hướng tăng thêm trong thời gian tới. Về công nghệ sản xuất: Đa số nhà máy phân đạm lớn áp dụng quy trình công nghệ tổng hợp amoniac của hãng Haldor Topsoe như: nhà máy Phân đạm Phú Mỹ của PetroVietnam tại Bà Rịa - Vũng Tầu (đi từ khí tự nhiên) ký mua bản quyền công nghệ năm 2002; nhà máy Phân đạm Ninh Bình của VINACHEM tại Ninh Bình (đi từ than đá) ký năm 2007; nhà máy Phân đạm Cà Mau của PetroVietnam tại Cà Mau (đi từ khí thiên nhiên) ký năm 2008. Amoniac thuộc danh mục sản phẩm, hàng hóa nguy hiểm, được quản lý chất lượng theo quy định của pháp luật về chất lượng sản phẩm, hàng hóa, theo tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia do cơ quan có thẩm quyền ban hành và tiêu chuẩn do người sản xuất công bố áp dụng. Tuy nhiên, đến nay chưa có quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về amoniac nói chung hay amoniac công nghiệp nói riêng được ban hành.

Sản phẩm amoniac trong nước vẫn chủ yếu được sản xuất bởi các nhà máy sản xuất phân đạm Urê và hầu như chỉ phục vụ cho chính nhu cầu sản xuất các nhà máy này, lượng dư để bán ra thị trường là rất nhỏ. Hiện nay có 4 cơ sở có sản xuất amoniac, đó là Công ty cổ phần Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc, Công ty TNHH Đạm Ninh Bình thuộc Tập đoàn Hóa chất Việt Nam (VINACHEM); Nhà máy đạm Phú Mỹ (Bà Rịa- Vũng Tàu) và Nhà máy đạm Cà Mau thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PetroViệt Nam). Hai nhà máy Đạm của VINACHEM sử dụng nguyên liệu chính từ than, còn 2 nhà máy Đạm của PetroViệt Nam sử dụng nguyên liệu đầu vào là khí thiên nhiên. Tổng công suất sản xuất amoniac của 4 đơn vị này khoảng 1,5 triệu tấn năm.

Ngoài ra còn một dự án về sản xuất phân đạm cũng đang được chuẩn bị đầu tư như Dự án sản xuất phân đạm từ than tại Nghi Sơn (Thanh Hóa) và một số dự án khác. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC 9 1. Đi từ nguyên liệu là nhiên liệu ở thế rắn: (phương pháp khí hóa than ở nhiệt độ cao) 1. Nguyên liệu: -Than đá - Hơi nước - Không khí 1.

Phương pháp -Than đá - Hơi nước - Không khí Phương pháp sản xuất này được mô tả ở sơ đồ khối dưới: Hình 2. Sơ đồ khối mô tả quá trình khí hóa than ở nhiệt độ cao 1. Đi từ nguyên liệu là khí lò cốc có chứa hydro 1. Nguyên liệu 10 -Khí lò cốc -Không khí 1.

Phương pháp Phương pháp sản xuất này được mô tả ở sơ đồ khối dưới: Hình 3. Sơ đồ khối mô tả phương pháp làm lạnh thâm độ tổng hợp NH3 1. Đi từ nguyên liệu là nhiên liệu thể lỏng hoặc thể khí 1. Nguyên liệu -Nhiên liệu thể lỏng hoặc thể khí -Hơi nước -Không khí hoặc không khí giàu Oxy 1.

Phương pháp 11 Phương pháp sản xuất này được mô tả ở sơ đồ khối dưới: Hình 4. Phương pháp tổng hợp Nh3 đi từ thể lỏng và thể khí 1. NGUYÊN LIỆU THAN ĐÁ Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch thuộc họ đá trầm tích có màu đen hoặc nâu đen, có thể cháy được. Than thường xuất hiện trong các lớp đá có nhiều lớp hoặc nhiều lớp khoáng.

Thành phần chủ yếu của than đá là cacbon (hơn 50 phần trăm trọng lượng và hơn 70 phần trăm thể tích là vật liệu cacbon). Than đá có thành phần chính của than là cacbon, cùng với sự đa dạng về số lượng của các nguyên tố, chủ yếu là hydro, lưu huỳnh, oxy, và nitơ(nitrogen). Ở Việt Nam, than có nhiều loại, trữ lượng lớn, tập trung chủ yếu ở Quảng Ninh (90% trữ lượng than cả nước).