Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Amoniac ($\text{NH}_3$) là một trong những hóa chất trung gian cơ bản có vai trò then chốt trong ngành công nghiệp hóa chất và nền kinh tế quốc dân. Ứng dụng quan trọng hàng đầu của amoniac là làm nguyên liệu sản xuất các loại phân đạm hữu cơ và vô cơ phục vụ nông nghiệp, bảo đảm an ninh lương thực quốc gia. Bên cạnh đó, amoniac còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sợi tổng hợp (nilon, cuprammonium rayon), nhựa tổng hợp (phenol-formaldehyt, ure-formaldehyt), công nghiệp thuốc nổ ($\text{HNO}_3$, amoni nitrat, TNT), lọc hóa dầu (chất trung hòa chống ăn mòn axit, chất trợ thu hồi xúc tác cracking), công nghiệp dược phẩm và xử lý môi trường (khử $\text{SO}_2$, $\text{NO}_x$ trong khí thải).

Về mặt lịch sử và thực tiễn phát triển công nghệ:

  • Quy trình tổng hợp amoniac quy mô công nghiệp lần đầu tiên được phát triển vào đầu thế kỷ XX với nhà máy đầu tiên vận hành tại Đức năm 1913.
  • Tại Việt Nam, trước đây quá trình sản xuất $\text{NH}_3$ chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu than đá antranxit tại Nhà máy Phân đạm Hà Bắc với dây chuyền công nghệ cũ, chi phí năng lượng cao và hiệu quả kinh tế hạn chế.
  • Năm 2004, Nhà máy Khí - Điện - Đạm Phú Mỹ đi vào vận hành với công suất ban đầu 1.200 tấn/ngày (sau đó nâng lên 1.350 tấn/ngày) sử dụng khí thiên nhiên từ bể Cửu Long và Nam Côn Sơn, đánh dấu bước chuyển biến trong việc khai thác nguồn tài nguyên hydrocarbon nội địa phục vụ công nghiệp hóa chất.

Đề tài "Thiết kế phân xưởng sản xuất $\text{NH}_3$ từ khí tự nhiên với năng suất 200.000 tấn/năm" do sinh viên Hoàng Văn Hải thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Chu Thị Hải Nam nhằm giải quyết nhiệm vụ công nghệ: tận dụng nguồn khí thiên nhiên dồi dào trong nước để thiết kế một dây chuyền sản xuất amoniac hiện đại, tối ưu hóa năng lượng và đảm bảo hiệu quả kỹ thuật.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp ($\text{H}_2, \text{N}_2$) và phản ứng tổng hợp amoniac; thiết bị phản ứng chính và thiết bị trao đổi nhiệt.
  • Phạm vi dữ liệu: Thành phần khí tự nhiên khai thác tại các mỏ thuộc thềm lục địa Việt Nam (trọng tâm là mỏ Đại Hùng) và các giải pháp công nghệ bản quyền trên thế giới (Kellogg, Krupp UHDE, Haldor Topsoe, KBR, Linde AG).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở nhiệt động học, động học xúc tác dị thể và các tiêu chuẩn tính toán kỹ thuật hóa chất:

  • Cơ sở hóa lý và nhiệt động học: Phản ứng tổng hợp $\text{NH}_3$ từ $\text{N}_2$ và $\text{H}2$ là phản ứng tỏa nhiệt thuận nghịch, giảm thể tích ($\Delta H^\circ{298} = -91,44\text{ kJ/mol}$). Việc xác định hằng số cân bằng phản ứng $K_p$ và độ hoạt động (fugacity) $K_f$ được thực hiện thông qua phương trình thực nghiệm phụ thuộc nhiệt độ và áp suất, kết hợp nguyên lý Le Chatelier để xác định miền nhiệt độ ($300 - 400^\circ\text{C}$) và áp suất làm việc tối ưu.
  • Lý thuyết xúc tác: Cơ chế hoạt hóa bề mặt của xúc tác sắt oxit ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) biến tính với các phụ gia $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{K}_2\text{O}$, $\text{CaO}$, $\text{SiO}_2$ theo mô hình Haber-Bosch; cơ chế ngộ độc xúc tác bởi các hợp chất chứa lưu huỳnh, oxy, carbon oxit.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá so sánh các công nghệ tổng hợp ở các dải áp suất cao, trung bình và thấp.
    • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng: Thiết lập cân bằng dòng cho từng công đoạn từ reforming sơ cấp, thứ cấp, chuyển hóa $\text{CO}$, hấp thụ $\text{CO}_2$, metan hóa đến vòng tuần hoàn tổng hợp $\text{NH}_3$.
    • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Tính toán thể tích xúc tác, chiều cao tầng đệm, chiều dày thân tháp, nắp đáy và thiết bị trao đổi nhiệt theo tiêu chuẩn an toàn bình chịu áp lực (TCVN 4586-88, QPVN 2-1975).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính chất của sản phẩm

Chương này trình bày cấu tạo phân tử, tính chất vật lý, hóa học, các quy chuẩn an toàn và tồn trữ $\text{NH}_3$:

  • Cấu tạo phân tử: Phân tử $\text{NH}_3$ có cấu trúc hình chóp tam giác với nguyên tử $\text{N}$ ở đỉnh lai hóa $\text{sp}^3$, 3 nguyên tử $\text{H}$ ở đáy tam giác đều. Góc liên kết $\text{H-N-H}$ là $107^\circ$, momen lưỡng cực 1,5 Debye, có tính nghịch từ tương tự nước.
  • Tính chất vật lý: Chất khí không màu, mùi khai xốc, nhẹ hơn không khí ($\text{d} = 0,7714\text{ g/l}$ ở $0^\circ\text{C}, 101,3\text{ kPa}$), điểm sôi $-33,43^\circ\text{C}$, điểm nóng chảy $-77,71^\circ\text{C}$, áp suất tới hạn $11,28\text{ MPa}$, nhiệt độ tới hạn $132,4^\circ\text{C}$.
Đại lượng vật lý Giá trị Đơn vị
Khối lượng phân tử 17,03 $\text{g/mol}$
Thể tích phân tử ($0^\circ\text{C}, 101,3\text{ kPa}$) 22,08 $\text{l/mol}$
Tỷ trọng pha lỏng ($0^\circ\text{C}, 101,3\text{ kPa}$) 0,6386 $\text{g/cm}^3$
Tỷ trọng pha lỏng ($-33,43^\circ\text{C}, 101,3\text{ kPa}$) 0,682 $\text{g/cm}^3$
Nhiệt nóng chảy 332,3 $\text{kJ/kg}$
Giới hạn nổ trong không khí 16 - 25 $%$ thể tích
  • Tính chất hóa học: Thể hiện tính bazơ yếu trong dung dịch nước, phản ứng tạo phức ion $\text{NH}_4^+$, cháy trong oxy ở $780^\circ\text{C}$, bị oxy hóa thành $\text{NO}$ trên xúc tác $\text{Pt-Rh}$ ở $800 - 900^\circ\text{C}$, phản ứng mạnh với halogen, oxit kim loại, lưu huỳnh và kim loại kiềm.
  • An toàn tồn trữ: Tồn trữ ở dạng lỏng trong bình thép chịu áp lực (thể tích tối đa 140 lít, vỏ sơn vàng chữ đen), kiểm soát nhiệt độ môi trường không vượt quá $52^\circ\text{C}$.

Chương 2: Tính chất nguyên liệu sản xuất amoniac

Chương 2 khảo sát các nguồn nguyên liệu sản xuất $\text{NH}_3$ trên thế giới và tại Việt Nam: than đá, khí tự nhiên, naphta/LPG, dầu nặng và sinh khối.

Nguồn nguyên liệu Suất đầu tư cơ bản tương đối Tiêu hao năng lượng tương đối Tỷ trọng sử dụng năm 1962 ($%$) Tỷ trọng sử dụng năm 1998 ($%$)
Khí tự nhiên 1,00 1,00 50 77
Naphta và LPG 1,18 1,05 13 6
Dầu nặng 1,50 1,11 - -
Than đá, than cốc 2,00 1,45 18 14
Nguồn khác - - 19 3

Số liệu tổng hợp cho thấy khí tự nhiên là nguyên liệu tối ưu nhất về chi phí đầu tư thiết bị và chỉ số tiêu hao năng lượng. Sản xuất từ than đá có suất đầu tư cao gấp $3 - 4$ lần và phát thải $\text{CO}$ lớn.

Chương 3: Sản xuất amoniac từ khí tự nhiên

Chương này đi sâu vào cơ chế hóa học và công nghệ các công đoạn xử lý:

  1. Khử hợp chất lưu huỳnh: Lưu huỳnh gây ngộ độc xúc tác reforming và xúc tác tổng hợp. Sử dụng hydro hóa trên xúc tác $\text{Co-Mo}$ ở $380^\circ\text{C}$ biến đổi $\text{RSH}$ thành $\text{H}_2\text{S}$, sau đó hấp phụ bằng $\text{ZnO}$ ở $400^\circ\text{C}$ tạo $\text{ZnS}$, đưa hàm lượng lưu huỳnh xuống dưới $0,005\text{ ppmV}$.
  2. Quá trình Reforming:
    • Reforming sơ cấp: Phản ứng giữa hydrocarbon và hơi nước ($\text{H}_2\text{O}/\text{C} = 2,5 - 4$), áp suất $2 - 3\text{ MPa}$, nhiệt độ $500 - 700^\circ\text{C}$ trong các ống chứa xúc tác $\text{Ni-Cr}$.
    • Reforming thứ cấp: Bổ sung không khí để đốt cháy một phần khí tạo nhiệt ($1.100 - 1.200^\circ\text{C}$), phản ứng trên lớp xúc tác đưa $\text{CH}_4$ xuống dưới $1%$ và đạt tỷ lệ mol $\text{H}_2/\text{N}_2 = 3/1$.
  3. Chuyển hóa $\text{CO}$ và tinh chế khí:
    • Chuyển hóa $\text{CO}$ nhiệt độ cao (HTS): Nhiệt độ $350 - 500^\circ\text{C}$, xúc tác $\text{Fe}_3\text{O}_4-\text{Cr}_2\text{O}_3$, giảm $\text{CO}$ xuống $2 - 3%$.
    • Chuyển hóa $\text{CO}$ nhiệt độ thấp (LTS): Nhiệt độ $200 - 230^\circ\text{C}$, xúc tác $\text{CuO/ZnO/Al}_2\text{O}_3$, đưa hàm lượng $\text{CO}$ xuống dưới $0,2%$.
    • Tách $\text{CO}_2$: Hấp thụ bằng dung dịch Monoethanolamine (MEA) hoặc $\text{K}_2\text{CO}_3$.
    • Metan hóa: Chuyển hóa vết carbon oxit ($\text{CO} + \text{CO}_2 < 10\text{ ppm}$) trên xúc tác $\text{Ni}$ ở $250 - 350^\circ\text{C}$ để bảo vệ xúc tác tổng hợp $\text{NH}_3$.
  4. Động học và xúc tác tổng hợp $\text{NH}_3$: Phân tích cấu trúc xúc tác $\text{Fe}_3\text{O}_4$ có bổ sung $\text{Al}_2\text{O}_3$ (tăng độ bền nhiệt, chống thiêu kết), $\text{K}_2\text{O}$ (tăng khả năng phát xạ điện tử, hỗ trợ nhả hấp phụ $\text{NH}_3$) và $\text{CaO}, \text{SiO}_2$.

Chương 4: Tổng quan về công nghệ sản xuất amoniac từ khí tự nhiên

Phân loại công nghệ theo áp suất tổng hợp:

  • Áp suất cao ($60 - 100\text{ MPa}$): Công nghệ Kellogg cổ điển, áp suất $195 - 320\text{ at}$, tốc độ chuyển hóa nhanh nhưng thiết bị chế tạo phức tạp, tiêu tốn năng lượng nén lớn.
  • Áp suất trung bình ($25 - 50\text{ MPa}$): Công nghệ Krupp UHDE, reforming sơ cấp đốt đỉnh ở 40 bar, hệ thống tổng hợp 2 tháp với 3 tầng xúc tác.
  • Áp suất thấp ($10 - 15\text{ MPa}$):
    • Công nghệ Haldor Topsoe (Đan Mạch): Sử dụng tháp tổng hợp dòng xuyên tâm (radial flow) S-200, S-300 hoặc S-250, áp suất tổng hợp $140 - 220\text{ kg/cm}^2$, tổn thất áp suất thấp, tiết kiệm năng lượng.
    • Công nghệ Kellogg Brown & Root (KBR): Sử dụng không khí dư ở reforming thứ cấp và tháp tổng hợp nằm ngang.
    • Công nghệ Linde AG: Tích hợp phân ly không khí hóa lỏng để cung cấp $\text{N}_2$ tinh khiết.

Chương 5: Phân tích lựa chọn nguyên liệu và dây chuyền công nghệ

Tác giả lựa chọn nguồn khí tự nhiên từ mỏ Đại Hùng (Việt Nam) và công nghệ áp suất thấp của hãng Haldor Topsoe.

Thành phần cấu tử trong khí mỏ Đại Hùng Tỷ lệ phần trăm ($%$ thể tích)
Metan ($\text{CH}_4$) 77,25
Etan ($\text{C}_2\text{H}_6$) 9,49
Propan ($\text{C}_3\text{H}_8$) 3,80
Butan ($\text{C}4\text{H}{10}$) 1,34
Condensat ($\text{C}_5^+$) 0,48
Nitơ ($\text{N}_2$) 4,50
Khí axit / tạp chất (tính gộp $\text{H}_2\text{S}$) 3,14

Lý do lựa chọn công nghệ Haldor Topsoe:

  1. Mức độ tiêu thụ năng lượng riêng thấp.
  2. Dây chuyền công nghệ linh hoạt, thiết bị phản ứng xuyên tâm S-200 có độ giảm áp thấp và hiệu suất tiếp xúc pha cao.
  3. Độ tin cậy vận hành đã được kiểm chứng thực tế tại Nhà máy Đạm Phú Mỹ và Cà Mau.

Thiết kế và triển khai

Sơ đồ quy trình công nghệ lựa chọn

Dây chuyền công nghệ phân xưởng sản xuất $\text{NH}_3$ theo bản quyền Haldor Topsoe gồm các công đoạn liên hoàn:

[Khí tự nhiên mỏ Đại Hùng]
[1. Gia nhiệt & Hydro hóa Co-Mo (400°C)]
[2. Tháp hấp phụ lưu huỳnh ZnO (400°C, S < 0.005 ppm)]
[3. Reforming sơ cấp (RK-211/201, 34.8 bar, 500-1000°C)]
[4. Reforming thứ cấp (+ Không khí, 1100-1200°C -> ra 950°C, 30.4 bar)]
[5. Chuyển hóa CO nhiệt độ cao HTS (Fe2O3, 320°C, 31 bar)]
[6. Chuyển hóa CO nhiệt độ thấp LTS (Cu-Zn-Al, 200°C, 30-31 bar)]
[7-8. Cụm tách CO2 bằng dung môi MEA 40% (50°C, 28 bar)]
[9. Tháp metan hóa xúc tác Ni (280-330°C, CO+CO2 < 10 ppm)]
                     (Dòng khí tuần hoàn H2, N2)

Thông số kỹ thuật vận hành chi tiết từng cụm thiết bị

  • Cụm xử lý lưu huỳnh: Khí tự nhiên gia nhiệt đến $400^\circ\text{C}$, qua thiết bị hydro hóa xúc tác $\text{Co-Mo}$ chuyển toàn bộ lưu huỳnh hữu cơ thành $\text{H}_2\text{S}$, sau đó qua 2 tháp hấp phụ $\text{ZnO}$ nối tiếp để giữ lại $\text{ZnS}$, khí ra có nhiệt độ $390^\circ\text{C}$ và $\text{S} < 0,005\text{ ppmV}$.
  • Cụm Reforming: Khí sạch trộn hơi nước với tỷ lệ kiểm soát chặt chẽ, đưa vào buồng đốt reforming sơ cấp ở $500^\circ\text{C}, 34,8\text{ bar}$ qua các ống xúc tác $\text{RK-211}$ và $\text{RK-201}$. Dòng khí ra chứa $10 - 13%\text{ CH}_4$ tiếp tục vào reforming thứ cấp trộn không khí nén, nhiệt độ đỉnh đạt $1.100 - 1.200^\circ\text{C}$, khí ra đáy đạt $950^\circ\text{C}, 30,4\text{ bar}$ với $\text{CH}_4$ còn $0,5 - 1%$, $\text{CO } 10 - 13%$, $\text{CO}_2\approx 7,5%$.
  • Cụm chuyển hóa $\text{CO}$ và tách $\text{CO}_2$: Khí làm lạnh xuống $320^\circ\text{C}$ vào tháp HTS (xúc tác $\text{Fe}_2\text{O}_3$), sau đó làm lạnh tiếp xuống $200^\circ\text{C}$ vào tháp LTS (xúc tác $\text{CuO/ZnO/Al}_2\text{O}_3$). Khí sau LTS chứa khoảng $18%\text{ CO}_2$ được đưa vào tháp hấp thụ MEA $40%$ ở $50^\circ\text{C}, 28\text{ bar}$. Dung dịch MEA giàu $\text{CO}_2$ sang tháp giải hấp tái sinh.
  • Cụm Metan hóa: Khí sạch $\text{CO}_2$ được gia nhiệt lên $300^\circ\text{C}$, qua lớp xúc tác $\text{Ni } (27%\text{ Ni/Al}_2\text{O}_3)$ ở $280 - 330^\circ\text{C}$ để khử sạch tạp chất oxy hóa, đưa tổng $(\text{CO} + \text{CO}_2)$ xuống dưới $10\text{ ppm}$.
  • Vòng tổng hợp amoniac: Khí tổng hợp ($\text{H}_2/\text{N}_2 = 3/1$, khí trơ $\text{Ar} + \text{CH}_4 \approx 1,3%$) sau khi tách nước ở $22^\circ\text{C}$ được nén qua máy nén ly tâm lên $134 - 141\text{ bar}$, gia nhiệt lên $400^\circ\text{C}$ rồi nạp vào tháp tổng hợp $\text{NH}_3$ xúc tác sắt. Khí ra khỏi tháp ở $500^\circ\text{C}, 138\text{ bar}$ chứa $17,3%$ thể tích $\text{NH}_3$. Dòng sản phẩm qua chuỗi trao đổi nhiệt tận dụng năng lượng, làm lạnh sâu từng bậc xuống $-5^\circ\text{C}$ và $-33^\circ\text{C}$ tại thiết bị phân ly để ngưng tụ $\text{NH}_3$ lỏng đưa về bồn chứa; phần khí chưa phản ứng được hồi lưu tuần hoàn.

Nội dung tính toán công nghệ và cơ khí (Phần II và Phần III)

  • Mô phỏng cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình cân bằng cho toàn bộ phân xưởng đảm bảo năng suất $200.000\text{ tấn NH}_3/\text{năm}$. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí đầu vào và tỷ lệ khí hồi lưu đến hiệu suất tạo sản phẩm.
  • Tính toán cơ khí tháp tổng hợp $\text{NH}_3$:
    • Xác định tốc độ không gian thể tích dòng khí qua tháp.
    • Tính toán thể tích và chiều cao từng lớp đệm xúc tác trong tháp dòng xuyên tâm.
    • Tính toán tổng chiều cao và đường kính thân tháp.
    • Tính toán độ bền cơ học: xác định chiều dày thân tháp chịu áp suất cao ($138 - 141\text{ bar}$), thiết kế nắp elip và đáy thiết bị.
  • Tính toán thiết bị phụ trợ: Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt và kết cấu cơ khí cho cụm thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt công nghệ.

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Hoàn thành thiết kế phân xưởng sản xuất $\text{NH}_3$ công suất $200.000\text{ tấn/năm}$ từ khí tự nhiên mỏ Đại Hùng.
    • Xây dựng sơ đồ công nghệ hoàn chỉnh dựa trên công nghệ áp suất thấp Haldor Topsoe, xác lập đầy đủ chế độ nhiệt độ, áp suất và hệ xúc tác cho từng công đoạn.
    • Đưa ra bảng tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng chi tiết cho toàn bộ quy trình và kết quả tính toán cơ khí chịu áp cho tháp tổng hợp amoniac.
  2. Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ tận dụng nguồn khí thiên nhiên có hàm lượng tạp chất axit từ thềm lục địa Việt Nam phục vụ công nghiệp hóa dầu.
    • Hệ thống hóa các dữ liệu kỹ thuật về các họ xúc tác công nghiệp chuyên dụng ($\text{Co-Mo}, \text{ZnO}, \text{RK-211/201}, \text{Fe-Cr}, \text{Cu-Zn-Al}, \text{Ni}, \text{Fe}_3\text{O}_4$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án giả định thành phần khí axit trong khí mỏ Đại Hùng được quy đổi tương đương hoàn toàn thành $\text{H}_2\text{S}$ ($3,14%$) để đơn giản hóa quá trình tính toán mô phỏng; chưa đi sâu vào mô hình hóa động học phi tuyến tính cho quá trình suy giảm hoạt tính xúc tác theo thời gian.
  • Hướng mở rộng:
    • Tích hợp mô phỏng động học chi tiết trên phần mềm chuyên dụng (như Aspen HYSYS hoặc PRO/II) có xét đến thành phần vết đa cấu tử.
    • Tối ưu hóa mạng lưới trao đổi nhiệt (Pinch Technology) nhằm giảm thiểu tiêu hao năng lượng ngoài cho hệ thống làm lạnh sâu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Lọc - Hóa dầu, Kỹ thuật Quá trình: Tham khảo phương pháp tính toán công nghệ hóa chất, cân bằng vật chất - nhiệt lượng và thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng áp lực cao.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế công nghệ phân đạm: Tham khảo các thông số vận hành thực tế của dây chuyền công nghệ Haldor Topsoe, cơ chế làm việc của các loại xúc tác và giải pháp an toàn trong sản xuất, tồn trữ amoniac lỏng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng trong đồ án được thiết kế với quy mô công suất bao nhiêu và sử dụng nguồn nguyên liệu nào?
Phân xưởng được thiết kế với năng suất $200.000\text{ tấn NH}_3/\text{năm}$, sử dụng nguồn nguyên liệu khí tự nhiên khai thác từ mỏ Đại Hùng (Việt Nam) với hàm lượng metan chiếm $77,25%$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn công nghệ áp suất thấp của hãng Haldor Topsoe thay vì công nghệ áp suất cao Kellogg?
Công nghệ áp suất thấp Haldor Topsoe ($140 - 220\text{ kg/cm}^2$) có mức tiêu hao năng lượng thấp hơn, giảm áp lực cơ khí lên thân thiết bị và đường ống, thiết bị phản ứng dòng xuyên tâm S-200 có độ giảm áp nhỏ và dễ chế tạo, vận hành an toàn hơn so với công nghệ áp suất cao của Kellogg ($195 - 320\text{ at}$).

3. Tại sao trong quy trình cần sử dụng cả hai thiết bị chuyển hóa $\text{CO}$ ở nhiệt độ cao (HTS) và nhiệt độ thấp (LTS)?
Phản ứng chuyển hóa $\text{CO}$ với hơi nước là phản ứng tỏa nhiệt thuận nghịch. Thiết bị HTS ($350 - 500^\circ\text{C}$, xúc tác $\text{Fe}_3\text{O}_4-\text{Cr}_2\text{O}_3$) tận dụng nhiệt độ cao để đạt tốc độ phản ứng nhanh, đưa $\text{CO}$ từ $10-13%$ xuống $2-3%$. Tiếp theo, thiết bị LTS ($200 - 230^\circ\text{C}$, xúc tác $\text{CuO/ZnO/Al}_2\text{O}_3$) tận dụng ưu thế nhiệt động học ở nhiệt độ thấp để chuyển hóa tiếp $\text{CO}$ xuống dưới $0,2%$, vừa tăng thu hồi $\text{H}_2$ vừa giảm tải cho khâu metan hóa.

4. Phụ gia $\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{K}_2\text{O}$ có vai trò gì trong xúc tác tổng hợp amoniac $\text{Fe}_3\text{O}_4$?
$\text{Al}_2\text{O}_3$ đóng vai trò chất trợ bền cấu trúc, ngăn ngừa hiện tượng tái kết tinh và thiêu kết của các hạt tinh thể sắt ở nhiệt độ cao, giúp xúc tác bền nhiệt. $\text{K}_2\text{O}$ là chất trợ điện tử (promoter), giúp xúc tác dễ dàng nhường điện tử để hoạt hóa phân tử nitơ và thúc đẩy quá trình nhả hấp phụ $\text{NH}_3$ khỏi bề mặt hoạt tính.

5. Hàm lượng carbon oxit $(\text{CO} + \text{CO}_2)$ sau công đoạn metan hóa được khống chế ở mức bao nhiêu?
Hàm lượng $(\text{CO} + \text{CO}_2)$ sau tháp metan hóa (xúc tác $\text{Ni}$ ở $280 - 330^\circ\text{C}$) được khống chế nghiêm ngặt ở mức dưới $10\text{ ppm}$ (thậm chí $\le 5\text{ ppm}$) để chống ngộ độc vĩnh viễn cho xúc tác sắt tổng hợp amoniac ở công đoạn sau.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư của tác giả Hoàng Văn Hải đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế phân xưởng sản xuất amoniac năng suất $200.000\text{ tấn/năm}$ từ nguồn khí tự nhiên mỏ Đại Hùng. Bằng việc lựa chọn dây chuyền công nghệ áp suất thấp của hãng Haldor Topsoe, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh chu trình công nghệ từ xử lý nguyên liệu, reforming, chuyển hóa khí tổng hợp đến phản ứng tổng hợp và phân ly sản phẩm. Đồ án kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hóa lý, mô phỏng cân bằng công nghệ và tính toán cơ khí thiết bị áp lực, mang lại giá trị thực tiễn và tham khảo cao cho chuyên ngành kỹ thuật hóa chất và công nghiệp lọc hóa dầu.