Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên: Hướng dẫn chi tiết và hiệu quả

Hướng dẫn chi tiết thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên, cung cấp kiến thức và quy trình cần thiết cho dự án hiệu quả.

• Tác giả: Hoàng Văn Hải
• Người hướng dẫn: TS Chu Thị Hải Nam
• Đề tài: Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên
• Loại tài liệu: đồ án kỹ sư

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 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. Sản xuất NH3 ở Việt Nam
• 1.5. Tồn trữ và bảo quản
• 1.6. An toàn môi trường
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT AMONIAC
• 3. CHƯƠNG 3: SẢN XUẤT AMONIAC TỪ KHÍ TỰ NHIÊN
• 3.1. Sản xuất khí nguyên liệu
• 3.2. Tổng hợp NH3
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIAC TỪ KHÍ TỰ NHIÊN
• 4.1. Một số sơ đồ tổng hợp điển hình
• 4.2. Công nghệ áp suất cao của Kellogg
• 4.3. Công nghệ áp suất trung bình của hãng Krupp UHDE
• 4.4. Công nghệ áp suất thấp của hãng Hadol Topsoe
• 4.5. Công nghệ áp suất thấp của hãng Kellogg Brown & Root, Inc
• 4.6. Công nghệ áp suất thấp của hãng Linde AG
• 4.7. Phân tích lựa chọn nguyên liệu và dây chuyền công nghệ
• 4.7.1. Lựa chọn nguyên liệu
• 4.7.2. Lựa chọn công nghệ
• 4.7.3. Giới thiệu công nghệ
• 4.8. Thiết bị chính trong tổng hợp amoniac
• 5. PHẦN II: MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AMONIA
• 5.1. Cơ sở mô phỏng và các thông số của quá trình
• 5.1.1. Cơ sở mô phỏng
• 5.1.2. Các thông số của quá trình
• 5.1.3. Các bước mô phỏng
• 5.2. Tính toán cân bằng vật chất cân bằng nhiệt lượng đảm bảo năng suất
• 5.2.1. Cân bằng vật chất chung của quá trình
• 5.2.2. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình
• 5.2.3. Khảo sát lưu lượng đầu vào tới năng suất của quá trình
• 5.3. Tính toán thiết kế
• 5.3.1. Tính toán cơ khí thiết bị chính
• 5.3.1.1. Tháp tổng hợp NH3
• 5.3.1.2. Tốc độ không gian
• 5.3.1.3. Tính toán thể tích từng lớp xúc tác
• 5.3.1.4. Chiều cao từng lớp xúc tác
• 5.3.1.5. Chiều cao tháp
• 5.3.1.6. Tính chiều dày thân tháp tổng hợp
• 5.3.1.7. Tính nắp, đáy thiết bị
• 6. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân xưởng sản xuất NH3

Phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên là một trong những ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Khí tự nhiên là nguyên liệu sản xuất NH3 chủ yếu, nhờ vào tính khả thi và hiệu quả kinh tế. Quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên bao gồm nhiều bước, từ việc xử lý nguyên liệu đến tổng hợp sản phẩm cuối cùng. Việc thiết kế nhà máy NH3 không chỉ cần chú ý đến công nghệ mà còn phải đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên có thể đạt hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác như sử dụng than đá hay dầu mỏ.

1.1. Tính chất của sản phẩm NH3

Amoniac (NH3) là một hợp chất hóa học có nhiều ứng dụng trong sản xuất phân bón và các ngành công nghiệp khác. Tính chất vật lý của NH3 cho thấy nó là một chất khí không màu, có mùi khai và dễ tan trong nước. Tính chất hóa học của NH3 cho phép nó tham gia vào nhiều phản ứng hóa học, tạo ra các sản phẩm hữu ích. Việc hiểu rõ tính chất của sản phẩm là rất quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành phân xưởng sản xuất.

1.2. Quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên

Quy trình sản xuất NH3 từ khí tự nhiên bao gồm các bước chính như xử lý khí, tổng hợp và tinh chế sản phẩm. Sơ đồ công nghệ sản xuất NH3 thường được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp, như công nghệ Haldor Topsoe, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả sản xuất. Hiệu suất sản xuất NH3 có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa các điều kiện vận hành và sử dụng các thiết bị hiện đại.

II. Thiết kế nhà máy NH3

Thiết kế nhà máy sản xuất NH3 từ khí tự nhiên cần phải xem xét nhiều yếu tố như công nghệ, thiết bị và quy trình vận hành. Thiết bị chính trong tổng hợp amoniac bao gồm tháp tổng hợp, thiết bị trao đổi nhiệt và các hệ thống hỗ trợ khác. Việc lựa chọn công nghệ sản xuất amoniac phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chi phí sản xuất. Bố trí mặt bằng phân xưởng NH3 cũng cần được thiết kế hợp lý để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sản xuất.

2.1. Công nghệ sản xuất amoniac

Công nghệ sản xuất amoniac từ khí tự nhiên hiện nay chủ yếu dựa vào quy trình Haber-Bosch. Quy trình này yêu cầu điều kiện áp suất và nhiệt độ cao để tối ưu hóa phản ứng tổng hợp. Công nghệ áp suất cao thường được áp dụng để tăng cường hiệu suất sản xuất. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới có thể giúp cải thiện hiệu quả và giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.2. An toàn trong sản xuất NH3

An toàn trong sản xuất NH3 là một yếu tố quan trọng không thể bỏ qua. An toàn trong sản xuất NH3 bao gồm việc tuân thủ các quy định về an toàn lao động, bảo vệ môi trường và phòng ngừa sự cố. Các biện pháp an toàn cần được thực hiện nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn cho công nhân và môi trường xung quanh. Việc đào tạo nhân viên về an toàn lao động và quy trình ứng phó khẩn cấp là rất cần thiết.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Sản phẩm NH3 có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt trong ngành sản xuất phân bón. Ngành công nghiệp phân bón sử dụng NH3 để sản xuất các loại đạm, góp phần quan trọng vào việc đảm bảo an ninh lương thực. Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như sản xuất thuốc, nhựa tổng hợp và bảo vệ môi trường. Việc phát triển công nghệ sản xuất NH3 từ khí tự nhiên không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn giúp nâng cao giá trị sử dụng của nguồn nguyên liệu này.

3.1. Ứng dụng trong ngành phân bón

Trong ngành sản xuất phân bón, NH3 là nguyên liệu chính để sản xuất các loại đạm như urê và amoni nitrat. Việc sử dụng NH3 trong sản xuất phân bón giúp cải thiện năng suất cây trồng và đảm bảo an ninh lương thực. Ngành công nghiệp phân bón đang ngày càng phát triển, đòi hỏi nguồn cung NH3 ổn định và hiệu quả.

3.2. Giá trị môi trường

Sản xuất NH3 từ khí tự nhiên có thể giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính so với các phương pháp khác. Việc sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Môi trường sản xuất NH3 cần được quản lý chặt chẽ để đảm bảo không gây hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT CỦA SẢN PHẨM 1. Cấu tạo phân tử NH3 NH3 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 có: 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 107o. 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 Khối lượng phân tử 17,03 SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 6 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam 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+ SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 7 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam 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 NH3 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 NH3 – O2 là 780oC , sản phẩm chính quả quá trình cháy là N2 và H2O. 4 NH3 + 3 O2 2 N2 + 6 H 2 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 H2,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 SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 8 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam 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 (-NH2), 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 - 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. Vì thế CaCl2. 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 NH3 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 NH3 có thể trung hòa axit mà không tạo thành nước. Dung dịch SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 9 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam 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 NH3 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 1. Ứng dụng - Trong công nghiệp sản xuất phân bón, NH3 dùng để sản xuất ra các loại đạm. - Trong ngành dệt, sử dụng NH3 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. - 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 SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 10 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam ( Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel. Sau đó rửa tạp chất Al2(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 - 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 liệu đi từ khí tự nhiên - Công suất 1350 tấn/ ngày SVTH: Hoàng Văn Hải Trang: 11 Tieu luan Đồ án kỹ sư GVHD: TS Chu Thị Hải Nam - Thông số kỹ thuật sản phẩm : Trạng thái : lỏng NH3 nồng độ tối thiểu : 99,8 wt% Hàm lượng nước và tạp chất , tối đa : 0,2 wt% Hàm lượng dầu ,tối đa : 5ppm wt 1. 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.