Tiểu luận về thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên

Chuyên khảo phân tích Tiểu luận thiết kế phân xưởng sản xuất nh3 từ khí tự nhiên, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất NH3 Từ Khí Tự Nhiên
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT CỦA SẢN PHẨM
• 1.1. Cấu tạo phân tử NH3
• 1.2. Tính chất vật lý
• 1.3. Tính chất hóa học
• 1.4. Ứng dụng
• 1.5. Sản xuất NH3 ở Việt Nam
• 1.6. Tồn trữ và bảo quản
• 1.7. An toàn môi trường
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC
• 2.1. Các nguồn nguyên liệu sản xuất NH3
• 2.2. Than đá
• 2.3. Naphta
• 2.4. Sinh khối
• 2.5. Khí tự nhiên
• 3. CHƯƠNG 3: SẢN XUẤT AMONIAC TỪ KHÍ TỰ NHIÊN
• 3.1. Sản xuất khí nguyên liệu. Thành phần và đặc tính của khí tự nhiên, khí đồng hành
• 3.2. Khử hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí nguyên liệu
• 3.2.1. Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp khô
• 3.2.2. Khử hợp chất lưu huỳnh bằng phương pháp ướt
• 3.3. Phương pháp điều chế hỗn hợp khí từ khí tự nhiên

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phân xưởng sản xuất NH3

Phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. NH3 là nguyên liệu chính trong sản xuất phân bón, giúp đảm bảo an ninh lương thực và phát triển nông nghiệp. Việc thiết kế phân xưởng sản xuất này không chỉ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn tối ưu hóa quy trình sử dụng nguyên liệu khí tự nhiên, một nguồn tài nguyên phong phú tại Việt Nam. Theo thống kê, sản lượng NH3 từ khí tự nhiên đang chiếm tỷ lệ lớn trong tổng sản lượng, cho thấy tiềm năng phát triển của công nghệ này.

1.1. Tầm quan trọng của NH3 trong công nghiệp

Amoniac (NH3) có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất phân bón. Sản phẩm này không chỉ cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của nền nông nghiệp. Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong ngành dệt, sản xuất nhựa tổng hợp và thuốc nổ. Việc phát triển công nghệ sản xuất NH3 từ khí tự nhiên không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn bảo vệ môi trường, giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

II. Quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên

Quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên bao gồm nhiều bước quan trọng, từ khử lưu huỳnh đến quá trình tổng hợp. Khí tự nhiên chứa nhiều tạp chất, trong đó có hợp chất chứa lưu huỳnh, cần được loại bỏ để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sau đó, khí tự nhiên được chuyển đổi thành NH3 thông qua quá trình reforming và tổng hợp. Công nghệ hiện đại cho phép tối ưu hóa quy trình này, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến trong thiết kế phân xưởng sản xuất sẽ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

2.1. Khử hợp chất chứa lưu huỳnh

Khử hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí tự nhiên là bước đầu tiên quan trọng trong quy trình sản xuất NH3. Các phương pháp khử có thể là khô hoặc ướt, tùy thuộc vào loại chất hấp phụ được sử dụng. Phương pháp khô sử dụng các chất hấp phụ rắn như ZnO, trong khi phương pháp ướt sử dụng dung dịch huyền phù. Việc khử hợp chất này không chỉ giúp bảo vệ xúc tác mà còn nâng cao tuổi thọ của thiết bị trong phân xưởng sản xuất.

III. Công nghệ sản xuất NH3 hiện đại

Công nghệ sản xuất NH3 hiện đại đang ngày càng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong quy trình sản xuất giúp giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu quả. Các nhà máy sản xuất NH3 hiện nay sử dụng công nghệ Haldor Topsoe, cho phép tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu chi phí sản xuất. Điều này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo an toàn trong sản xuất, bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

3.1. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Tối ưu hóa quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả kinh tế của nhà máy. Việc sử dụng công nghệ tiên tiến giúp giảm thiểu tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Các giải pháp như tái chế khí thải và sử dụng năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và áp dụng để giảm thiểu tác động đến môi trường. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào phát triển bền vững của ngành công nghiệp hóa chất.

IV. Ứng dụng của NH3 trong thực tiễn

Amoniac (NH3) có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tiễn, từ sản xuất phân bón đến ngành công nghiệp hóa chất. Sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện năng suất cây trồng mà còn được sử dụng trong sản xuất nhựa, thuốc nổ và nhiều sản phẩm hóa học khác. Việc phát triển công nghệ sản xuất NH3 từ khí tự nhiên không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn có tiềm năng xuất khẩu. Điều này góp phần vào sự phát triển kinh tế và bảo đảm an ninh lương thực quốc gia.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất phân bón

Trong ngành nông nghiệp, NH3 được sử dụng chủ yếu để sản xuất phân bón, cung cấp đạm cho cây trồng. Việc sử dụng phân bón chứa NH3 giúp tăng năng suất và chất lượng nông sản, góp phần vào sự phát triển bền vững của nền nông nghiệp. Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong sản xuất các loại phân bón khác như urê, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng dinh dưỡng cho cây trồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT CỦA SẢN PHẨM I. Cấu tạo phân tử NH3 NH 3 có một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro. 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 1 cặp chiếm obitan 2s và 3 obitan không chia cặp 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 H.vì vật ta c ó : Nguyên tử N nằm trên một đỉnh của hình tứ diện,3 đỉnh còn lại là 3 nguyên tử hydro xếp theo một hình tam giác đều,góc liên kết H-N-H là 107 o. Mặc dù các liên kết N-H là những liên kết cộng hóa trị nhưng chúng có phần giống như liên kết ion vì nguyên tử N có độ âm điện lớn hơn H rất nhiều.Do sự phân cực hóa của các liên kết và cách sắp xếp bất đối của phân tử NH3 mà nó có một momen lưỡng cực khoảng 1,5 debye. Vì phân tử NH3 có cùng cấu hình electron giống với nước,góc hóa trị cũng tương tự như nước nên NH3 và nước đều có tính chất giống nhau,đều là chất nghịch từ.

Tính chất vật lý Amoniac là chất khí không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí, là một chất khí độc, tan nhiều trong nước. Khả năng hòa tan của amoniac phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất. Nhiệt độ càng tăng khả năng hòa tan của amoniac càng giảm.1 Một số hằng số vật lý quan trọng của NH3 Đại lượng Giá trị Tieu luan Khối lượng phân tử 17,03 Thể tích phân tử ở 0oC , 101,3 kPa 22,08 (lít/mol) Hằng số khí R 0,48818 (kPa.K) Tỷ trọng của lỏng ở 0oC và 101,3kPa 0,6386 (g/cm3) Tỷ trọng của khí ở 0oC và 101,3kPa 0,7714 (g/l) Tỷ trọng của lỏng ở -33,43oC và 101,3kPa 0,682 (g/cm3) Tỷ trọng của khí ở -33,43oC và 101,3kPa 0,888 (g/l) Áp suất tới hạn 11,28 (MPa) Nhiệt độ tới hạn 132,4(oC) Tỉ trọng tới hạn 0,235 (g/cm3) Thể tích tới hạn 4,225 (cm3/g) Độ nén tới hạn 0,242 Độ dẫn điện tới hạn 0,522 (kJ/K.m) Độ nhớt tới hạn 23,90.s) Điểm nóng chảy (Điểm ba *) -77,71 (oC) Nhiệt nóng chảy (ở 101,3kPa) 332,3(kJ/kg) Áp suất hóa hơi (tại điểm ba) 6,077(kPa) Điểm sôi (ở 101. Tính chất hóa học - NH3 có thể cộng thêm 1 ion để tạo ion phức NH4+ NH3 + H+ NH4+ NH4+ giống như các ion kim loại kiềm ở tính kiềm và thuộc tính tạo muối của nó.

Các dung dịch ngậm nước của NH 3 phản ứng như một bazơ yếu, vì trong dung dịch nước có quá trình : NH3 + H2O NH4+ + OH- Hằng số phân ly của NH3 trong dung dịch ở 25oC là : Khi ta thêm axit mạnh vào dung dịch amoniac thì cân bằng trên chuyển dịch hoàn toàn sang bên phải tạo thành muối amoni như NH4Cl,(NH4)2SO4,NH4NO3. Khí NH3 dễ dàng kết hợp với khí HCl để tạo muối NH4Cl dạng khói trắng. NH3 + HCl NH4Cl - NH3 không cháy ở điều kiện thường, nhưng cháy với ngọn lửa màu vàng dưới áp suất oxy.Điểm bốc cháy của hỗn hợp NH 3 – O2 là 780oC , sản phẩm chính quả quá trình cháy là N2 và H2O. Tieu luan 4 NH3 + 3 O2 2 N2 + 6 H2 O Khí có platin hay hợp kim platin - rodi làm chất xúc tác ở 800-900 oC, khí amoniac bị oxi hóa thành nitơ oxit.

4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O Trong điều kiện thích hợp, hỗn hợp NH3 – Không khí sẽ phát nổ khi cháy,hỗn hợp nổ của NH3 khô với không khí là 16-25% thể tích NH3.Giới hạn này được mở rộng khi trộn lẫn với các khí cháy như H 2,trộn O2 hay không khí,ở nhiệt độ và áp suất cao hơn. - Khí Nh3 bị oxi hóa tạo thành H2O và N2 bởi nhiều hợp chất oxit như CuO. Nếu dòng khí NH3 được chuyển qua CuO nung nóng thì có phản ứng : 3 CuO + 2 NH3 3 Cu + N2 + 3 H2O Loại phản ứng này xảy ra khi NH3 được nung nóng tới nhiệt độ cao với oxit của kim loại xác định vì lúc này liên kết trong oxi kém bền vững. Các chất oxi hóa nếu đủ mạnh sẽ xảy ra phản ứng tương tự ở nhiệt độ thường.

2 NH3 + 2 KMnO4 2 KOH + 2 MnO2 + 2 H2O + N2 - Clo, Brom tác dụng mãnh liệt với amoniac ở trạng thái khí và dung dịch. 2 Cl2 + 8 NH3 N2 + 6 NH4Cl Flo tác dụng với khí NH3 tạo thành khí nitơ triflorua 3 F2 + 4NH3 NF3 + 3 NH4F - Ở nhiệt độ cao những nguyên tử hydro trong phân tủ amoniac có thể được lần lượt thế bằng các kim loại hoạt động tạo thành amidua (-NH 2), imidua (chứa nhóm NH2-) hoặc Nitrua (N3-).Nếu ở nhiệt độ thường phản ứng diễn ra chậm có thể mất vài ngày. 2 K + 2 NH3 2 KNH2 + H2 2 Na + 2 NH3 2 NaNH2 + H2 Ở 800-900 oC nhôm tương tác với khí NH3 tạo thành nhôm nitrua và hydro 2 Al + 2 NH3 2 AlN + 3 H2 - NH3 phản ứng với P hơi nóng đỏ tạo N2 và PH3. 2 NH3 + 2 P 2 PH3 + 3 N2 Tieu luan - Lưu huỳnh phản ứng với NH3 tạo các muối sunfit Hơi lưu huỳnh phản ứng với NH3 tạo amoni sunfit và nitơ 8 NH3 + 3 S 2 (NH4)2S + N2 Lưu huỳnh cũng phản ứng với NH3 lỏng tạo nitơ sunfit 10 S + 4 NH3 6 H2S + N2S4 - NH3 có thể tạo thành vô số các hợp chất cộng hợp hay hợp chất phối trí.

Các hợp chất cộng có tính chất tương tự như các hydrat. Các hợp chất phối trí gọi là ammines và viết giống như một phức [Cu(NH4)4]SO4. - Một trong những tính chất quan trọng nhất của NH 3 là tính kiềm ở dung dịch nước của nó. Dung dịch NH3 làm đổi màu quỳ tím thành xanh,là chất chỉ thị cho metyl da cam và metyl đỏ.Khí NH 3 có thể trung hòa axit mà không tạo thành nước.

Dung dịch NH3 có tác dụng như một bazơ ở chỗ tạo kết tủa hydroxit từ dung dịch của chúng. Một vài hợp chất khó tan nhưng trong dung dịch NH 3 dư nó tạo phức ion. Ví dụ như các muối sắt thì hợp chất hydroxit sắt sẽ bị kết tủa. FeCl3 + 3 NH4OH Fe(OH)3 + 3 NH4Cl I.

Ứng dụng - Trong công nghiệp sản xuất phân bón, NH3 dùng để sản xuất ra các loại đạm. - Trong ngành dệt, sử dụng NH 3 để sản xuất các loại sợi tổng hợp như cuprammonium rayon và nilon. - Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH3 được dùng làm xúc tác và là chất điều chỉnh pH trong quá trình polyme hóa của phenol-formaldehyt và urê- formaldehyt tổng hợp nhựa. - Trong công nghiệp thuốc nổ, Amôniac có vai trò quyết định trong việc sản xuất ra thuốc nổ.

Từ NH3 có thể điều chế HNO3 để sản xuất các hợp chất như: di, tri nitrotoluen, nitroglyxêrin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, và amoni nitrat dùng để chế tạo thuốc nổ. Tieu luan - Trong công nghiệp dầu mỏ, NH3 được sử dụng làm chất trung hòa để tránh sự ăn mòn trong các thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, của quá trình chưng cất. NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành do quá trình phân hủy nước biển lẫn trong dầu thô. NH3 cũng dùng để trung hòa các vết axit trong dầu bôi trơn đã axit hóa.

- Trong quá trình cracing xúc tác lớp sôi, NH3 thêm vào dòng khí trước khi đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác đã sử dụng. - Trong công nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 là một chất độn quan trọng để sản xuất các dạng thuốc như sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine. Nó cũng được sử dụng để sản xuất các loại thuốc vitamin. - NH3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác trong thiết bị cracking xúc tác lớp cố định.

Trong quá trình hydrat hóa silic, NH3 kết tủa với nhôm sunfat ( Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel. Sau đó rửa tạp chất Al 2(SO4)3 được sấy khô và tạo hình. - Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường để chuyển hoá SO2 và NOx từ khí ống khói. Dung dịch NH3 21% còn dùng làm dung môi rất tốt.

Amoniac tạo được các nitrua để tôi cứng bề mặt thép, sử dụng Amoniac làm tác nhân lạnh trong các thiết bị lạnh. Sản xuất NH3 ở Việt Nam Hiện ở Việt Nam thì gồm 3 nhà máy tổng hợp NH3 : Nhà máy đạm Phú Mỹ, nhà máy đạm Cà Mau, nhà máy đạm Hà Bắc  Nhà máy đạm hà bắc Nguồn nguyên liệu: Than antranxit Khí hóa than từ nguyện nhiệu rắn, quá trình khí hóa ở khâu tạo khí sử dụng nguyên liệu chính như than cục, hơi nước và không khí.  Nhà máy đạm Phú mỹ Tieu luan - Tổng công ty Dầu khí Việt Nam - Sử dụng công nghệ Haldor Topsoe của Đan Mạch - Đi nguyên liệu là khí thiên nhiên từ nhà máy khí Dinh Cố (từ 2 mỏ khí chính là Bạch Hổ và Nam Côn Sơn) - Năng suất 1350 tấn/ngày - Sản xuất Amonia và CO2 làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp Ure trong phân xưởng Ure. - Thu hồi một lượng Ammonia tồn trữ để chuyển cho một số quá trình khác.

 Nhà máy đạm Cà Mau - Công nghệ sản xuất Ammonia của Haldor Topsoe SA (Đan Mạch) - Nguồn nguyên liê ̣u đi từ khí tự nhiên - Công suất 1350 tấn/ ngày - Thông số kỹ thuâ ̣t sản phẩm : Trạng thái : lỏng NH3 nồng đô ̣ tối thiểu : 99,8 wt% Hàm lượng nước và tạp chất , tối đa : 0,2 wt% Hàm lượng dầu ,tối đa : 5ppm wt I. Tồn trữ và bảo quản Amoniac lỏng được chứa trong các thép chịu áp lực có nắp chụp, có thể tích chứa tối đa là 140 lít.